CN104604216A - 用于考虑到更快像素数据读出和像素电荷完全移除而采集具有独立像素寻址和动态箝位的图像阵列数据的电路和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于采集其中像素被独立地寻址和动态箝位的图像阵列数据的电路和方法。根据一个实施例，在不同时间间隔期间对像素进行寻址和箝位，从而允许更快像素数据读出，而同时仍然允许足够时间来移除所有像素电荷。

Description

用于考虑到更快像素数据读出和像素电荷完全移除而采集具有独立像素寻址和动态箝位的图像阵列数据的电路和方法
技术领域
本发明涉及辐射成像系统，特别涉及固态X射线辐射成像系统。
背景技术
X射线辐射的使用已经成为医学诊断和治疗中一种有价值的和普遍的工具。在胶片射线照相术中，X射线串在穿过身体之后被记录在高分辨率X射线胶片上。在X线透视检查中，影像增强管将X射线辐射转换为视频信号用于观察和记录作为视频图像的内部身体活动。
由于其空间分辨率好、信噪比(SNR)高、检测区域大和成本低，胶片射线照相术被普遍使用。但是，显影曝光的X射线胶片典型地会花费最少90秒，90秒在紧急情况下可能过长。而且，X射线胶片的相对低的动态范围会导致曝光不足或曝光过度的图像，因此，需要增加前述时间延迟以及由患者接收的X射线剂量的额外曝光。
X线透视检查中使用的影像增强管具有比X射线胶片更大的曝光宽容度，但也具有更受限的活动检测区域和更低的空间分辨率。与总活动区域相关联的更低的空间分辨率会在影像增强管允许放大中心图像部分的情况下稍微缓和，从而提供一种增强视觉细节的方式。但是，影像增强管典型地笨重、庞大且昂贵，而且会产生图像失真，图像失真在后续处理中只能被部分移除。
若干可替换的X射线成像技术已经被开发。例如，一种称作计算机化射线照相术的替换形式涉及使用光激励磷光板，光激励磷光板具有与标准X射线胶片暗盒相同物理性质而且提供良好空间分辨率、SNR和动态范围。但是，在曝光于X射线后，光激励磷光板必须利用更大且昂贵的激光系统进行扫描，而且读出过程恰与显影胶片同样慢。
另一种提供良好空间分辨率和动态范围、以及与实时数字图像处理技术兼容的附加优势的替换形式涉及使用固态检测器面板。一种这样的面板采用布置为二维像素矩阵的非晶硅(a-Si)检测器阵列，每一检测器阵列包括光敏元件和晶体管开关。与使用X射线胶片暗盒一样，该检测器阵列由闪烁层覆盖以将撞击的X射线转换为用于光敏元件的可见光。
然而，随着更快地访问图像数据的需求的增加，已经越来越难以在图像间平衡数据读出速率与对像素的充分放电(例如移除像素内的光电二极管电荷)。
发明内容
根据当前要求保护的发明，提供用于采集其中像素被独立地寻址和动态箝位的图像阵列数据的电路装置和方法。根据一个实施例，在不同时间间隔期间对像素进行寻址和箝位，从而允许更快像素数据读出，而同时仍然允许足够时间来移除所有残留的像素电荷。
根据当前要求保护的发明的一个实施例，一种图像阵列包括：
多条偏置线，用以递送公共偏置电压；
多条数据线，用以递送多个数据信号；
多条地址线，用以递送多个地址信号；
多条参考线，用以递送公共参考电压；
多条箝位线，用以递送多个箝位控制信号；以及
沿多个行和多个列布置的多个像素，其中每个像素包括
光电二极管，耦合至多条偏置线之一；
开关晶体管，包括分别耦合至光电二极管和多条数据线之一的第一和第二开关电极，以及耦合至多条地址线之一的开关控制电极；
箝位晶体管，包括分别耦合至光电二极管和多条参考线之一的第一和第二箝位电极，以及耦合至多条箝位线之一的箝位控制电极。
根据当前要求保护的发明的另一个实施例，一种用于图像阵列的像素包括：
偏置线，用以递送偏置电压；
数据线，用以递送数据信号；
地址线，用以递送地址信号；
参考线，用以递送参考电压；
箝位线，用以递送箝位控制信号；
光电二极管，耦合至该偏置线；
开关晶体管，包括分别耦合至该光电二极管和该数据线的第一和第二开关电极，以及耦合至该地址线的开关控制电极；以及
箝位晶体管，包括分别耦合至该光电二极管和该参考线的第一和第二箝位电极，以及耦合至该箝位线的箝位控制电极。
根据当前要求保护的发明的又一实施例，一种用于采集图像数据的方法包括：
向图像阵列提供功率，该图像阵列包括：
多条偏置线，用以递送公共偏置电压；
多条数据线，用以递送多个数据信号；
多条地址线，用以递送多个地址信号；
多条参考线，用以递送公共参考电压；
多条箝位线，用以递送多个箝位控制信号；以及
沿多个行和多个列布置的多个像素，其中每个像素包括
光电二极管，耦合至多条偏置线之一；
开关晶体管，包括分别耦合至光电二极管和多条数据线之一的第一和第二开关电极，以及耦合至多条地址线之一的开关控制电极；
箝位晶体管，包括分别耦合至光电二极管和多条参考线之一的第一和第二箝位电极，以及耦合至多条箝位线之一的箝位控制电极；
将多个地址信号应用于该图像阵列；以及
将多个箝位控制信号应用于该图像阵列。
附图说明
图1是根据本发明的X射线成像系统的功能框图。
图2是根据本发明的用于X射线成像系统的X射线检测器暗盒的分解透视图；
图3是图2的检测器阵列的一部分的原理图。
图4描绘根据当前要求保护的发明的一个实施例的独立地对像素行进行寻址和动态箝位。
图5描绘根据当前要求保护的发明的另一实施例的独立地对像素行进行寻址和动态箝位像素行。
具体实施方式
参考图1，根据本发明的X射线成像系统10包括如图所示基本相互连接的检测器暗盒12、计算机和控制系统14、用户接口16、荧光显示器18a和射线照相显示器18b。用户通过与计算机和控制系统14通信的用户接口16(例如，图形用户接口显示器、键盘、鼠标等)来控制系统10。因此，计算机和控制系统14产生用于检测器暗盒12的控制信号13a，检测器暗盒12作为交换提供图形数据信号13b。(如期望的那样，一个显示监视器可以被用来选择性地显示荧光图像和射线照相图像，以及图形用户接口显示图像，例如，所有图像可以以“窗口化”格式同时显示，或者可以连同下拉菜单栏来显示荧光图像或射线照相图像，菜单栏构成提供荧光成像或射线照相成像的选择的图形用户接口。)
处理这些图像数据之后，取决于选择的操作模式，计算机和控制系统14提供荧光图像数据15a或者射线照相图像数据15b用于分别在荧光显示器18a或射线照相显示器18b上进行显示。
参考图2，检测器暗盒12在外观上与典型的包含标准医学X射线胶片的暗盒相似，并且因此如对于射线照相操作模式所要求的，是高度移动和易使用的。闪烁层20(例如，碘化铯(CsI)闪烁层)吸收撞击的X射线光子并且将其转换为可见光光子，用于由检测器阵列22(例如，非晶硅(a-Si)检测器阵列)中的光敏元件进行检测。选择闪烁层20的厚度以吸收足够的X射线光子并产生足够的可见光光子，从而生成用于荧光操作的足够SNR。相似地，选择晶体状CsI的柱状物或者“针状物”，以使直径足够小来支持对射线照相操作所期望的空间分辨率采样。
根据公知技术来将检测器阵列22设计成表示图像元素或者“像素”的微观方块的二维矩阵。每个像素由可寻址光敏元件、比如光电二极管和开关晶体管的组合组成。如下文更详细描述的那样，根据来自提供寻址控制信号的阵列外驱动电路组件26a、26b的驱动信号来访问每个像素。根据公知技术，光电二极管的横向尺寸被制造的足够小以提供用于射线照相操作的期望空间分辨率成像，而且光电二极管的电容被设计的足够大以提供期望信号处理容量来容纳射线照相操作期间产生的最大信号。
如下文更详细讨论的，由驱动电路26访问的像素数据被接收器读出，或被电路组件28读出。接收器电路组件28和检测器阵列22被安装在基板24的相对面上。(接收器电路组件28被置于阵列22的下方，以便最小化检测器暗盒12的横向尺寸，从而使检测器暗盒12与胶片暗盒尺寸大致相同。如果期望如此，则驱动电路26也可以被置于阵列22的下方。如果期望如此，则读出驱动电路26也可以对阵列22横向放置)
参考图3，如上所述，检测器阵列22由光敏像素30的二维阵列或矩阵组成，光敏像素30在一实施例中包括开关晶体管32、光电二极管34和箝位晶体管36。光电二极管34的阳极被偏置电压35偏置以建立电容，用于存储由于从闪烁层20(图2)接收入射光21而累积的电荷。当像素30被访问时，来自阵列驱动电路26的行地址信号31驱动开关晶体管32(TFT)的栅极，从而提供表示来自光电二极管34的存储电荷的列数据信号33。该信号33根据公知技术被接收器电路组件28中的电荷灵敏放大器接收和缓存。
使每个行地址信号31有效持续预定时间段，称为“行时间”。在每个行地址信号31有效期间，来自沿该行的每个像素的信号33经由列数据线被发送至接收器电路组件28，在接收器电路组件28处，每条数据线上的信号33被对应的电荷灵敏放大器接收和缓存。因此，整行图像数据在一个行时间段中被捕获。在每个后续行时间段中，后续行的图像数据被捕获。同时，先前寻址的像素行被通过使得它们相应的的箝位信号37有效(下文更详细讨论)、从而接通它们的箝位晶体管36来进行放电，从而将它们的光电二极管34的阴极耦合至由参考电压源38提供的参考电压39。在“帧时间”时段的末尾，整个图像已被捕获。通过这种方式，包含在整个活动检测区域中的每个像素被单独地采样。
由各自的箝位控制信号37所驱动的箝位晶体管36的行提供对于每行像素30的动态箝位，同时其他行的像素30可以对于数据读出被独立地寻址。换言之，各行的像素30可被单独且任意箝位，包括多行同时箝位(下文更详细讨论))，同时读出来自至少一个其他行的像素30中的光电二极管34的电荷。
每个像素30中的箝位晶体管36提供用于将光电二极管34箝位至参考电压39。这种对光电二极管34的箝位去耦光电二极管34的重置程度。因此，光电二极管电荷读出的精度较少依赖于相对于由光电二极管34和开关晶体管32形成的RC时间常数的长持续时间的读出时间。光电二极管电荷可以与正常情况相比以更短时间间隔被读出，并且然后被箝位至参考电压39，同时来自一个或多个其他行的像素30正被读出。精度的水平然后变得依赖于电荷读出持续时间的精度，并且独立于电荷读出持续时间的长度。与依赖于读出持续时间的长度相反，使电荷读出精度主要依赖于读出持续时间精度使得利用相对于光电二极管30和开关晶体管34的RC时间常数的短的读出时间来实现高电荷读出精度成为可能，从而使得成像帧速率比以往更高成为可能。
这种不同的不完全像素电荷读出以及相继地重置光电二极管的行还能够实现光电二极管电荷的适应性读出，例如，根据碰撞在光电二极管上的光强度选择性地可变读出持续时间。电荷读出的时序时间可被设置以仅允许刚刚好的电荷被读出以便最大化接收器28中读出电子设备的输入范围。结果，读出电子设备28的有效利用能够被最大化，如同作为整体的成像系统整体的动态范围那样。
典型地，多行的像素30按次序被连接到读出电子设备28，使得第一待读出行是最远离读出电子设备28的行，下一待读出行与第一行相邻因此更接近读出电子设备28，依次类推。行的读出是顺序的，逐一读出每个行。可替换的，可以一次读出多行。这种读出过程称为“装箱(binning)”，其增加了读出速度，但是减少了阵列的空间分辨率。
参考图4，根据本发明的一个实施例的电荷读出和像素放电如下进行。例如，在阵列内的行n处拾取时，行n中的像素30在时间间隔t期间具有它们的读取电荷(如上文所讨论的)。同时，像素30的多个在前的行(例如，出于此示例的目的的四个行)n-1、n-2、n-3、n-4被箝位(如上文所讨论的)。在下一时间间隔t+1期间，像素30的下一行n+1被读出，同时在前的四行n、n-1、n-2、n-3被箝位。这种像素行的读出和箝位如图所示继续。
如图所示，这导致每行像素在每一时间间隔t、t+1、t+2、……期间被读出，同时每个在前行的像素对于多个这样的时间间隔(在此示例中为四个)被箝位。这允许每行像素被连接到读出电子设备28持续比否则将必须对像素30进行完全放电的全部时间更短的时间间隔。然而，这种短的读出时间间隔提供更快的图像数据读出。而且，由于像素30在该短的读出时间间隔期间并不完全放电，它们通过在数据读出之后的多个这样的时间间隔内被箝位而被放电。(根据一个实施例，时间间隔t、t+1、t+2、……是相等的，但是可以被设置为是不相等的，取决于图像阵列的具体设计约束或其他考虑。)
其中四个在前的像素行在从每行的数据读出之后被箝位持续四个时间间隔的该特定示例，基于读出时间间隔为保证充分(例如全部)像素放电所必需的时间间隔的1/5。例如，如果常规图像阵列需要针对每行的10ms的读出时间间隔，以便保证充分的像素放电，那么根据当前要求保护的发明的像素读出和放电将具有2ms的像素行读出时间，随后是8ms的箝位时间，8ms的箝位时间是2ms的像素行读出时间间隔的四个连续出现。针对更通常的情况，如果读出时间间隔具有TR的持续时间，并且对于对像素放电所必需的时间具有TX的持续时间，那么所需要的箝位时间将具有TX-TR的时间间隔。优选地，这种TX-TR的箝位时间间隔将等于、或者可能稍小于读出时间TR的整数倍M(例如TX-TR＝M*TR)，其中该整数值M等于需要在该箝位时间TX-TR期间放电的像素的在前行的数目。
参考图5，根据当前要求保护的发明的另一实施例，在前行的像素可以被作为行的静态块或组进行箝位，而不是如图4所描绘的行的连续递增的组。
基于前面的讨论，可以看出，根据当前要求保护的发明，成像阵列中的任意行的光电二极管可以被箝位，同时来自相同图像阵列中的其他任意行的光电二极管的电荷可以被读出。此外，可以看出可以使得光电二极管电荷读出精度依赖于读出定时的精度，而与依赖于这种读取时间的持续时间的长度相反。这使得能够实现高的帧速率，而同时保持高的像素电荷读出精度。
本领域技术人员将清楚在本发明的结构和操作方法方面的各种其他修改或更改，而不偏离本发明的范围和精神。尽管已经结合具体实施例对本发明进行了描述，但是应理解所要求保护的发明不应当被不适当地限制于这些具体实施例。旨在是以下权利要求限定本发明范围并且因此覆盖处在这些权利要求的范围内的结构和方法以及其等效形式。

Claims (17)

1.一种包括图像阵列的装置，包括：
多条偏置线，用以递送公共偏置电压；
多条数据线，用以递送多个数据信号；
多条地址线，用以递送多个地址信号；
多条参考线，用以递送公共参考电压；
多条箝位线，用以递送多个箝位控制信号；以及
沿多个行和多个列布置的多个像素，其中每个像素包括
光电二极管，耦合至所述多条偏置线之一；
开关晶体管，包括分别耦合至所述多条数据线之一和所述光电二极管的第二开关电极和第一开关电极，以及耦合至所述多条地址线之一的开关控制电极；以及
箝位晶体管，包括分别耦合至所述多条参考线之一和所述光电二极管的第二箝位电极和第一箝位电极，以及耦合至所述多条箝位线之一的箝位控制电极。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述多个地址信号中的每个地址信号与所述多个箝位控制信号中的多个箝位控制信号基本同时地被维持有效。
3.如权利要求1所述的装置，其中针对所述多个像素行之一的所述多个地址信号中的每个地址信号与所述多个箝位控制信号中的、针对所述多个像素行中的其他行的多个箝位控制信号基本同时地被维持有效。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述多个地址信号中的每个地址信号被维持有效持续时间间隔T，而所述多个箝位控制信号中的N个的多个箝位控制信号中的每个箝位控制信号被维持有效持续箝位时间间隔N*T，所述箝位时间间隔N*T基本等于所述地址时间间隔T的N倍。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述多个地址信号中的、针对所述多个像素行之一的每个地址信号被维持有效持续地址时间间隔T，而所述多个箝位控制信号中的、针对所述多个像素行中的其他像素行的、N个的多个箝位控制信号中的每个箝位控制信号被维持有效持续箝位时间间隔N*T，所述箝位时间间隔N*T基本等于所述地址时间间隔T的N倍。
6.如权利要求1所述的装置，还包括驱动电路，所述驱动电路耦合至所述多条箝位线以提供所述多个箝位控制信号。
7.如权利要求1所述的装置，还包括驱动电路，所述驱动电路耦合至：
所述多条地址线，以提供所述多个地址信号；以及
所述多条箝位线，以提供所述多个箝位控制信号。
8.一种包括用于图像阵列的像素的装置，包括：
偏置线，用以递送偏置电压；
数据线，用以递送数据信号；
地址线，用以递送地址信号；
参考线，用以递送参考电压；
箝位线，用以递送箝位控制信号；
光电二极管，耦合至所述偏置线；
开关晶体管，包括分别耦合至所述光电二极管和所述数据线的第一开关电极和第二开关电极，以及耦合至所述地址线的开关控制电极；以及
箝位晶体管，包括分别耦合至所述光电二极管和所述参考线的第一箝位电极和第二箝位电极，以及耦合至所述箝位线的箝位控制电极。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述地址信号和所述箝位控制信号在基本相互排斥的时间间隔期间被维持有效。
10.如权利要求8所述的装置，其中所述地址信号被维持有效持续地址时间间隔T，而所述箝位控制信号被维持有效持续箝位时间间隔N*T，所述箝位时间间隔N*T基本等于所述地址时间间隔T的N倍。
11.如权利要求8所述的装置，还包括驱动电路，所述驱动电路耦合至所述箝位线以提供所述箝位控制信号。
12.如权利要求8所述的装置，还包括驱动电路，所述驱动电路耦合至：
所述地址线，以提供所述地址信号；以及
所述箝位线，以提供所述箝位控制信号。
13.一种采集图像数据的方法，包括：
向图像阵列提供功率，所述图像阵列包括：
多条偏置线，用以递送公共偏置电压；
多条数据线，用以递送多个数据信号；
多条地址线，用以递送多个地址信号；
多条参考线，用以递送公共参考电压；
多条箝位线，用以递送多个箝位控制信号；以及
沿多个行和多个列布置的多个像素，其中每个像素包括：
光电二极管，耦合至所述多条偏置线之一；
开关晶体管，包括分别耦合至所述多条数据线之一和所述光电二极管的第二开关电极和第一开关电极，以及耦合至所述多条地址线之一的开关控制电极；
箝位晶体管，包括分别耦合至所述多条参考线之一和所述光电二极管的第二箝位电极和第一箝位电极，以及耦合至所述多条箝位线之一的箝位控制电极；
将所述多个地址信号应用于所述图像阵列；以及
将所述多个箝位控制信号应用于所述图像阵列。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述多个地址信号中的每个地址信号与所述多个箝位控制信号中的多个箝位控制信号基本同时地被维持有效。
15.如权利要求13所述的装置，其中针对所述多个像素行之一的所述多个地址信号中的每个地址信号与所述多个箝位控制信号中的、针对所述多个像素行中的其他行的多个箝位控制信号基本同时地被维持有效。
16.如权利要求13所述的装置，其中所述多个地址信号中的每地址信号被维持有效持续地址时间间隔T，而所述多个箝位控制信号中的N个的多个箝位控制信号中的每个箝位控制信号被维持有效持续箝位时间间隔N*T，所述箝位时间间隔N*T基本等于所述地址时间间隔T的N倍。
17.如权利要求13所述的装置，其中所述多个地址信号中的、针对所述多个像素行之一的每个地址信号被维持有效持续地址时间间隔T，而所述多个箝位控制信号中的、针对所述多个像素行中的其他像素行的、N个的多个箝位控制信号中的每个箝位控制信号被维持有效持续箝位时间间隔N*T，所述箝位时间间隔N*T基本等于所述地址时间间隔T的N倍。
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