CN108450027A - 高动态范围射线照相成像系统 - Google Patents
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Abstract
本说明书提供了一种X射线检查系统，包括：X射线源；以及对应的检测器，用于检测具有宽范围强度的透射的X射线。检测器包括至少一个晶体，用于在与X射线相互作用时产生光信号。每个晶体连接到至少一个光电二极管和光电倍增管。与晶体连接的处理单元丢弃能量低于预定阈值的所有检测到的辐射。
Description
交叉引用
本申请依赖于2015年10月21日提交的题为“High Dynamic Range RadiographicImaging System”的美国专利临时申请62/244,226的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本说明书总体上涉及成像系统，尤其涉及具有高动态操作范围的高级射线照相成像系统。
背景技术
材料的实际运输(包括邮件、商品、原材料和其他货物的运输)是任何经济的组成部分。通常，这些材料以一种运输集装箱或货物箱的形式运输。这种集装箱或箱子包括用于半拖车、大型卡车和铁路车厢上的集装箱或箱子，以及可以在集装箱船或货运飞机上承运的多式联运集装箱。然而，这种运输或货物集装箱可能用于非法运输违禁品，例如，核材料和放射性材料。检测这些威胁需要快速、安全和准确的检测系统来检测隐藏的违禁品物质的存在。
X射线成像是用于检测货物中违禁品物质的一种最常用方法。然而，在检查大型或快速移动的集装箱(例如，轨道车)时，传统X射线系统通常由于辐射穿透不足而产生具有暗区的图像。这些暗区可能表明存在威胁材料；然而，几乎没有提供有关材料确切性质的信息来区分良性材料和威胁性材料。现有货物检测系统的典型穿透深度范围为200至400mm的铁。这种穿透深度对于某些海运货物集装箱是不够的，特别是对于遇到较高密度和较长路径长度的货物的铁路货物是不够的。因此，绝大多数货物必须充分穿透，以确保适当的筛选。
提高X射线等辐射的穿透水平来检查货物，需要更高的强度源和更低的散射。使用这种高能量X射线系统时面临的一个典型问题是散射辐射对高度衰减货物的影响变得越来越重要。散射辐射是图像中的一种不需要的信号或“噪声”，并容易模糊和掩盖图像，从而降低图像对比度。图像中的对比度损失的程度取决于检测到的散射。与X射线系统相关联的高水平散射辐射导致图像质量差。
散射减少有助于提高图像质量和高能量X射线辐射的穿透能力。X射线系统中用于减少散射的典型方法是准直(通过使用准直器)。然而，准直器的有用性是有限的，因为准直自己产生散射。
X射线照相系统从由X射线检测器阵列检测到的信号产生图像。通常，检测器包括将X射线转换成光线的闪烁晶体，并耦接到将这种光线转换成可测量的电子信号的硅光电二极管。通过模数转换器(ADC)对数据进行采样，以产生信号的数字表示。传统X射线成像系统中使用的常见ADC的分辨率范围从16位到20位。强烈辐射源的使用要求更高的采样分辨率，以允许测量与(由于高X射线衰减而产生的)非常低的信号相关联的数据到与(由于没有X射线衰减或者低X射线衰减而产生的)非常高的信号相关联的数据。具有较高分辨率的一些ADC可用，但与这种ADC相关的电子系统会产生干扰检测低能量X射线的高水平的噪声，因此不适用于这种环境，尤其是在使用脉冲X射线源的系统中。无法检测低强度和高强度X射线，显着影响成像系统的分辨率检测水平。
为了解决上述挑战，对先进和改进的X射线成像系统的需求是至关重要的。因此，需要一种能够扫描货物中的高衰减物体而不损害图像质量的X射线成像系统。还需要一种X射线检测系统，该系统可以减少散射辐射的影响并在最终的输出射线照相图像中产生高水平的对比度。
通常，在X射线检测系统中，当不存在货物时产生高检测信号，并且当存在高度衰减的货物时产生低检测信号。当检查系统源(X射线)的功率增加(例如，10倍)以增加穿透时，高信号(对应于无货物)也增加对应值(例如，10倍)。随着功率的增加，将更多地穿透/检测衰减货物。
因此，需要一种X射线检测系统，该系统包括坚固的电子设计和高动态范围，允许在高度衰减的货物中检测到非常低的信号到从非衰减光束中检测到非常高的信号，因为源强度增加，以增加穿透。特别地，需要一种用于X射线检测系统的先进的ADC系统，其具有与其电子电路相关联的低噪声并且能够提供至少24位的分辨率。
发明内容
本说明书公开了一种X射线检查系统，包括：X射线源；以及检测器，用于检测具有一强度范围的透射的X射线，其中，所述检测器包括：至少一个晶体，用于在与X射线相互作用时产生光信号，所述至少一个晶体与至少一者光电二极管和至少一者光电倍增管耦接；以及处理单元，其与所述至少一个晶体耦接，其中，所述处理单元适于丢弃能量水平低于预定阈值的所有检测到的辐射。
可选地，X射线检查系统还包括与所述光电二极管耦接的电流积分器。
可选地，X射线检查系统还包括与所述光电倍增器耦接的单光子检测器，所述单光子检测器适于实现所透射的X射线的能量敏感的单光子计数。单光子检测器可被配置为跨多个能量阈值运行。
所述X射线源可以是脉冲源和连续波源中的至少一者。
所述光电倍增器可以是固态光电倍增器。
所述至少一个晶体可以包括铈掺杂的硅酸镥钇(LYSO)闪烁晶体和钨酸铅基的闪烁晶体中的至少一者。
可选地，所述至少一个晶体包括非闪烁材料，其中，所述至少一个晶体适于通过切伦科夫辐射产生光信号。
可选地，所述至少一个晶体包括至少一个面，其中，所述至少一个晶体的至少一个面涂覆有波长移位器材料，用于将切伦科夫辐射移位到频率，以提高检测效率。
可选地，所述波长移位器材料包括对三联苯和二苯基丁二烯。
可选地，所述处理单元包括至少一个模数转换器(ADC)。
本说明书还公开了一种X射线检查系统，包括：X射线源；以及检测器，其适于检测所透射的具有一强度范围的X射线，其中，所述检测器包括：至少一个晶体，其适于在与X射线相互作用时产生光信号，其中，所述至少一个晶体与具有第一面积的第一光电二极管和具有第二面积的第二光电二极管耦接，并且其中，所述第一面积与所述第二面积不同；与所述第一光电二极管耦接的第一ADC和与所述第二光电二极管耦接的第二ADC；以及处理单元，其与所述第一ADC和第二ADC耦接，其中，所述处理单元适于通过使用由第一ADC输出的数字信号、由第二ADC输出的数字信号和预定公式来确定最终数字信号。
所述处理单元可以从所述第一光电二极管和所述第二光电二极管输出的数字信号中选择与最高不饱和信号对应的最终数字信号。
可选地，所述处理单元包括至少一个FPGA和至少一个计数寄存器。
可选地，所述X射线源是具有9MV能量和10KW功率的高强度源。可选地，所述X射线源是脉冲源和连续波源中的一个。
可选地，所述第二面积等于所述第一面积的十六分之一，并且所述检测器还包括具有等于所述第一面积的1/256的第三面积的第三光电二极管。
可选地，所述第二面积等于所述第一面积的1/n，并且其中，所述检测器还包括具有等于所述第一面积的1/m的第三面积的第三光电二极管，其中，n是等于或大于2且小于50的数，并且其中，m是等于或大于4、小于500且大于n的数。
本说明书还公开了一种X射线检查系统，包括：X射线源；以及检测器，其适于检测所透射的具有一强度范围的X射线，其中，所述检测器包括：至少一个晶体，其在与X射线相互作用时产生光信号，其中，所述至少一个晶体与不同面积的多个光电二极管和固态光电倍增器耦接；至少一个电流积分器，其与所述多个光电二极管耦接；至少一个单光子检测器，其与所述固态光电倍增器耦接并且适于实现透射的X射线的能量敏感的单光子计数；以及处理单元，其与所述光电倍增器耦接，用于基于由所述多个光电二极管输出的信号的强度来确定指示透射的X射线的信号。
可选地，X射线检查系统还包括与所述多个光电二极管耦接的一个或多个ADC，其中，所述多个光电二极管中的每一个与所述一个或多个ADC中的一不同ADC耦接。
所述处理单元可以适于通过使用由所述一个或多个ADC输出的数字信号和预定公式来确定最终数字信号。
在下面提供的附图和详细描述中将更加深入地描述本发明的前述和其他实施例。
附图说明
将会理解本发明的这些和其他特征和优点，因为当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，这些和其他特征和优点变得更好理解：
图1A示出了根据本说明书的一个实施例的检测器阵列配置的剖视图；
图1B示出了根据本说明书的一个实施例的检测器阵列配置的俯视图；
图2A示出了根据本说明书的一个实施例的辐射检测系统的方框图；
图2B示出了根据本说明书的另一实施例的辐射检测系统的方框图；
图3A是本说明书的成像系统用于扫描ANSI 42.46标准穿透模体物体的示例性图示；
图3B示出了在放射照相图像中计算对比噪声比(CNR)的方法；
图4A示出了对于各种厚度在图3A所示的标准穿透模体物体的ANSI测试期间产生的散射和透射辐射的典型能谱分布；
图4B示出了在图3A所示的标准穿透模体物体的ANSI测试期间检测到的X射线的典型光谱；
图5示出了根据本说明书的一个实施例的用于各种能量阈值的通过10MeV-10kW直线加速器单光子计数检测器获得的ANSI 42.46穿透模体的图像；
图6示出了根据本说明书的一个实施例的用于各种能量阈值的通过10MeV-10kW直线加速器单光子计数检测器使用加权平均方法获得的ANSI 42.46穿透模体的图像；
图7示出了根据本说明书的一个实施例的包括耦接到相同闪烁单元的多个不同面积的光电二极管的检测器组件；
图8示出了根据本说明书的一个实施例的包括耦接到相同闪烁单元的不同面积的三个光电二极管的检测器组件；
图9A示出了根据本说明书的一个实施例的设置图8中描述的三个光电二极管结构的第一配置；
图9B示出了根据本说明书的一个实施例的设置图8中描述的三个光电二极管结构的第二配置；
图9C示出了根据本说明书的一个实施例的设置图8中描述的三个光电二极管结构的第三配置；
图10示出了根据本说明书的一个实施例的射线照相检测器组件中的双光电二极管配置；
图11示出了根据本说明书的一个实施例的包括两个光电二极管和一个固态光子倍增器的混合检测器单元；
图12A示出了涂覆对三联苯和TBP膜的波长移位器的吸收光谱；
图12B示出了在230nm的激发波长下的不同层厚的对三联苯膜的光致发光光谱；以及，
图13示出了根据本说明书的一个实施例的在涂布和不涂布波长移位器膜的情况下检测切伦科夫辐射的模拟结果。
具体实施方式
本说明书涉及用于增强诸如X射线系统等射线照相成像系统的动态操作范围的系统和方法。在一个实施例中，本说明书中描述的成像系统使得能够以足够的穿透深度扫描高密度货物，用于检测密集货物中的违禁品物质。本说明书还描述了具有高强度X射线源的成像系统，该系统可以用于高密度货物扫描，对散射辐射具有更低的影响，散射辐射通常在传统高强度X射线系统中观察到。本说明书还描述了减少在放射照相成像期间产生的X射线散射辐射的影响的新型方法。
当由检测器测量的X射线透射信号强时，不需要将X射线系统配置为丢弃散射，因为在这种情况下，图像中的对比度不受损害。然而，对于透射通过货物的X射线信号明显低于散射X射线的情况，应该丢弃散射辐射，因为在这种情况下，图像对比度可能会受到损害。散射辐射信号的特征在于，与透射的信号的能量相比，具有较低的能量，因为X射线在每次康普顿相互作用中都会损失能量。在一个实施例中，本说明书描述了一种成像系统，其中，通过使用丢弃低于阈值能量的辐射的检测器组件中的能量敏感电子装置来减少散射辐射。
大多数X射线系统采用具有光电二极管的电流集成电子元件，其测量沉积在检测器上的总能量。然而，与这种电子元件相关联的噪声限制了可以检测到的最低数量的X射线(噪声通常大于一些X射线)。另外，这些检测器不能区分透射和散射的X射线。
众所周知，单光子计数(SPC)检测器不具有高于低能量阈值的噪声水平，因此，可用于测量单X射线。然而，基于SPC的检测的问题是低至中等衰减的信号的高堆积(两个或更多个X射线几乎同时到达)，特别是对于在短脉冲中产生X射线的源。因此，在这种情况下，SPC检测器无法工作。
在本说明书的一个实施例中，公开了一种混合检测器方法，其包括用于高计数率的光电二极管和具有用于以低计数率的散射辐射丢弃的能量敏感度的SPC检测器。
在一个实施例中，本说明书提供了用于实现X射线的更高穿透的至少两种方法，这两种方法可以单独地或在X射线检查系统中组合地使用。第一种方法旨在通过增加X射线源的功率来增加穿透正被检查的货物。在一个实施例中，本说明书提供了用于增加检测器的动态范围以充分读取由X射线源的功率的增加导致的高强度和低强度信号的系统和方法。在一个实施例中，适当地选择以读取高信号和低信号的具有不同尺寸的光电二极管用于测量高强度X射线。在另一实施例中，结合使用光电二极管和固态光电倍增管来测量低强度X射线。
第二种方法旨在减少来自正被检查的货物的散射。在一个实施例中，丢弃低于预定能量阈值的散射或作为主要散射的低能量X射线。在一个实施例中，使用光谱模数转换器，以通过使用加权来改善丢弃率。在另一实施例中，使用非闪烁晶体来检测切伦科夫光，因为晶体自动地丢弃一些散射，而不使用阈值电子元件。然而，光输出很低，大部分光都是在UV(紫外线)范围内产生的。因此，在一个实施例中，还使用波长移位器将UV转移至固态光电倍增器更敏感的可见光。
本说明书的系统和方法增强了射线照相系统的动态操作范围。传统的高能量成像系统不能提供用于货物扫描的高穿透能力，因为缺乏能够在一定范围的强度等级上将透射的辐射采样的稳健的检测系统。在货物扫描期间，透射的辐射可能具有非常低的强度等级(由高衰减物体产生)或非常高强度的等级(由低衰减物体产生)。传统的高分辨率ADC不能用于上述目的，因为其动态范围不允许其在非常低和非常高的信号的宽范围中操作。传统的ADC具有16到20位的范围。然而，要求ADC在24位或更高的动态范围内操作。在一个实施例中，本说明书描述了包括多个低分辨率ADC(例如，20位或更低分辨率)的新型解决方案，以实现提供用于在宽范围的强度等级上检测辐射的动态范围的有效高分辨率ADC(例如，24位分辨率和更高分辨率)。
本说明书涉及多个实施例。提供以下公开内容，以使本领域普通技术人员能够实践本发明。在本说明书中使用的语言不应被解释为任何一个具体实施例的普遍否认或用于将权利要求限制为超出其中使用的术语的含义。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用。而且，所使用的术语和措辞是为了描述示例性实施例的目的，而不应被认为是限制性的。因此，本发明符合与所公开的原理和特征一致的多种替代、修改和等同物的最广泛范围。为了清楚起见，未详细描述与在与本发明有关的技术领域中已知的技术材料相关的细节，以免不必要地模糊本发明。
在本文中应当注意，除非另有明确指出，否则与特定实施例相关描述的任何特征或部件可以与任何其他实施例一起使用和实现。
图1A示出了根据本说明书的一个实施例的包括晶体的检测器组件配置的剖视图，每个晶体耦接到光电二极管和固态光电倍增器以及相关联的电子元件。如图1A所示，检测器组件包括多个晶体101，使得每个晶体耦接到固态光电倍增器(SSPM)103。在旨在增加SSPM的响应的实施例中，耦接到光电传感器的晶体的面涂覆有波长移位器(WLS)材料102，如下所述。在图1B中示出上述实施例的俯视图。多个晶体101中的每一个耦接到固态光电倍增器103和光电二极管104。光电二极管104耦接到包括电流集成电子元件的光电二极管电子板，并且固态光电倍增器103耦接到固态光电倍增器电子板，该固态光电倍增器电子板包括能量敏感的单光子计数电子元件。
图2A示出了根据本说明书的一个实施例的包括耦接到单晶单元的光电二极管和固态光电倍增器的X射线检测系统的方框图。在一个实施例中，X射线检测系统200包括晶体单元阵列201，其在与X射线相互作用时产生光。在图2A中，示出了仅对应于单晶单元的检测系统200。在图2A所示的实施例中，每个晶体单元201耦接到光电二极管202和固态光电倍增器(SSPM)203。SSPM 203耦接到单光子计数器(SPC)205。SPC205被配置为基于信号能量将信号采样并且耦接到能量阈值系统207。能量阈值系统207包括丢弃低于指定电压(能量)的脉冲以减少散射辐射的鉴别器。电流积分模数转换器(ADC)208将输入模拟数据转换为数字信号。在一个实施例中，包括一个或多个芯片的处理单元206控制整个检测系统200的操作。
使用高功率X射线源增加穿透能力，需要高动态范围的电子元件来测量从高强度信号到非常低强度信号的宽范围的透射信号。通常，在X射线照相系统中，用于测量辐射的检测器包括将X射线转换成光线的闪烁晶体，并且闪烁晶体耦接到将这种光线转换为可测量的电子信号的硅光电二极管。数据通过模数转换器(ADC)进一步采样，以产生信号的数字表示。传统X射线成像系统中使用的常见ADC具有16位或20位的分辨率。强烈辐射源的使用要求更高的采样分辨率，以允许测量与非常低的信号(由于高X射线衰减而产生的)相关联的数据到与非常高的信号(由于没有X射线衰减或者低X射线衰减而产生的)相关联的数据。具有较高分辨率的一些ADC可用，但与这种ADC相关的电子系统会产生干扰低能量X射线的检测的高水平的噪声。
本说明书通过新型检测器配置提供了上述问题的解决方案，新型检测器配置包括具有20位或更少的分辨率的多个ADC，所述ADC共同被配置为提供高分辨率ADC系统，该系统具有24位或更多的分辨率并且适合于检测宽范围的透射信号。
如前所述，检测器组件中使用的闪烁晶体通常耦接到光电二极管，光电二极管将光转换成可测量的电子信号。对于给定的均匀强度源，除了其他参数，光电二极管的输出还取决于该光电二极管中有源单元面积。因此，如果所有其他参数相同，则在相同衬底上制造的光电二极管通常会输出与其面积成比例的电流。在本说明书的一个实施例中，不同面积的多个光电二极管耦接到相同的闪烁单元，以增加成像系统的动态操作范围。上述配置允许测量从非常低强度的信号到非常高的强度信号的宽范围的透射信号。
在实施例中，在X射线检查系统中的检测电路中使用的模数转换器具有高于某个阈值的饱和极限。为了防止饱和，ADC的增益降低。然而，这可能导致以不充分的分辨率测量较低强度的信号。在一个实施例中，使用不同尺寸的两个光电二极管，其中，一个光电二极管大于另一个光电二极管。两个光电二极管中的每一个都连接到ADC。较小的光电二极管用于测量高强度信号，较大的光电二极管用于测量较低强度的信号。这两个光电二极管可以用来测量位于中等强度范围内的信号，从而覆盖整个动态范围。在一个实施例中，可以采用具有24位分辨率的单个光电二极管来测量信号的整个动态范围。
图2B示出了根据本说明书的一个实施例的包括耦接到单晶单元的不同面积的多个光电二极管的X射线检测系统的方框图。如图2B所示，存在于检测器组件中的晶体单元阵列中的每个晶体单元211耦接到不同面积的多个光电二极管212a、212b...212n，以增强检查系统的动态操作范围。在一个实施例中，光电二极管212a、212b...212n中的每一个分别耦接到单独的模数转换器213a、213b...213n。在一些实施例中，处理单元214控制整个检测系统的操作。由于在每个光电二极管中生成的输出电流与该光电二极管中的有源单元的面积成比例，所以使得电子系统能够检测从非常低的强度信号开始到非常高的强度信号的宽范围的透射信号。因此，涉及耦接到单个闪烁单元的不同面积的多个光电二极管的以上配置增强了检测系统的动态操作范围。
在本说明书的另一实施例中，在图2B中示出的晶体单元也耦接到固态光电倍增管。在一个实施例中，固态光电倍增器还耦接到单光子计数(SPC)电子元件，该电子元件被配置为基于信号的能级对信号进行采样。在实施例中，仅当采样信号的计数率低并且电子堆积不显着时才使用固态光电倍增器。在一个实施例中，SPC电子元件用于丢弃低于阈值能量的信号，以减小散射辐射的影响。
图3A是本说明书的成像系统用于扫描ANSI 42.46标准穿透模体物体的示例性图示。如图3A所示，铁路货物集装箱300包括放置在其内部的ANSI 42.46穿透模体物体301。ANSI 42.46标准穿透模体物体301用于评估高能射线照相系统的穿透能力，并包括60cm x60cm或更大的直线铁块，位于其后面的、厚度是块体的20％的菱形形状的箭状物。X射线系统穿透的成功ANSI测试是基于评估该X射线系统确定检测图像中菱形箭状物方向的能力。如图3A所示，模体物体301放置在铁路货物集装箱300的中心并且朝着X射线源302倾斜。X射线检测器303阵列被配置为检测透射通过物体301的X射线。在图3A的左上方示出的图像310描绘了ANSI 42.46标准穿透模体物体301的典型配置，其具有放置在其后面的相同材料的近似菱形形状的箭状物304。
确定X射线系统的穿透能力的典型方法是计算穿透模体(例如，图3A中所示的ANSI42.46模体物体)的X射线图像的对比噪声比(CNR)。图3B示出了计算穿透模体(例如，图3A中所示的ANSI 42.46模体物体)的X射线图像的对比噪声比(CNR)的方法。在图3B所示的计算中，术语object指的是放置在穿透模体后面的菱形箭状物物体322上检测到的平均信号计数，术语bkg(或背景，background)是指在对应于背景区域321中捕获的信号的菱形箭状物物体322外部检测到的平均信号计数。在一个实施例中，箭状物物体322的边缘区域不用于计算CNR。术语σ是指对应的物体和背景信号的标准误差。如图3B所示，计算CNR的数学公式323是：
因为CNR是图像中的物体可见度的指标，所以CNR越高，表明通过ANSI穿透测试的可能性越高。
图4A示出了对于各种配置在图3A所示的标准60cm穿透模体物体的ANSI测试期间产生的散射和透射辐射的典型能谱分布400。水平轴410描绘透射和散射辐射的能量，而垂直轴420描绘辐射强度。如能谱分布400中所示，与散射辐射402相比，透射辐射401的能量更高。而且，针对如图所示的各种配置，与散射辐射402的强度水平相比，透射辐射401的强度水平通常较低。
图4B示出了在图3A所示的标准穿透模体物体的ANSI测试期间检测到的X射线的典型光谱。水平轴430描绘了由检测器组件检测到的透射辐射和散射辐射的能谱，而垂直轴440描绘了辐射的强度。本领域的普通技术人员可以理解，放射照相系统中使用的最普通的检测器由将X射线能量转换为光的闪烁晶体组成。这些检测器不能准确地记录入射能量，因为X射线由于逸出在检测器中相互作用的康普顿散射的X射线而沉积了部分能量。因此，如图4B所示，与扫描过程中产生的实际能量相比，检测到的X射线的能量转变成更低的值。在图4B中示出这种变化，其中，检测到的透射辐射411的能量显着转变成更低水平(与图4A中所示的透射辐射的实际能量相比)。类似地，检测到的散射辐射412的能量也已经转变成更低的值(与图4A中所示的散射辐射的实际能量相比)。
在一个实施例中，本说明书描述了一种减少散射辐射的独特方法，其中，使用能量阈值来丢弃具有低于该特定阈值的能量的所有辐射。从图4A和图4B所示的曲线图可以看出，显然，与散射辐射相比，透射辐射具有相对较高的能谱。因此，在一个实施例中，当丢弃低于特定能量阈值的辐射时，与散射辐射的比例相比，检测到的辐射频谱中的透射的信号的相对比例显着增加。在上述实施例中散射辐射的丢弃导致优良的CNR比，这提高了整体图像质量。
图5示出了根据本说明书的一个实施例的用于各种能量阈值的通过10MeV-10kW直线加速器单光子计数检测器获得的ANSI 42.46穿透模体的图像。在图5的图像510中，没有使用能量阈值，这意味着检测整个入射散射的和透射的辐射并且包括在用于图像形成的最终信号中。如图像510所示，没有特定的能量阈值，CNR在0.51处非常低，并且图像质量差，因为几乎不可能区分标准穿透模体图像501中的菱形箭状物物体502。
在如图5的图像520所示的实施例中，1MeV的能量阈值用于如图3A所示的标准穿透模体的ANSI测试。使用1MeV的能量阈值意味着大部分散射辐射被检测器丢弃，并且不构成用于图像形成的最终信号的一部分。所得到的最终信号包括更高比例的透射辐射，导致更好质量的图片。如图像520中所示，使用1MeV的能量阈值，实现了0.77的CNR，并且与图像510相比，菱形箭状物物体502更清晰可见。
在图5的图像530中示出的另一实施例中，2MeV的能量阈值用于标准穿透模体的ANSI测试，如图3A所示。使用2MeV的能量阈值，意味着低于2MeV能量的所有辐射被检测器丢弃。低能量辐射的很大一部分包括不构成用于图像形成的最终信号的一部分的散射辐射。所得到的最终信号包括更高比例的透射辐射，导致更好质量的图片。如图像530中所示，使用2MeV的能量阈值，获得1.79的CNR，并且与图像510或图像520相比，菱形箭状物物体502具有高得多的可见度。
因此，如图5所示，利用1-MeV能量阈值，CNR从0.51增加到0.77，并且利用2-MeV能量阈值，增加到1.79。在各种实施例中，进一步增加能量阈值不会导致进一步的CNR增益，因为随着更高的能量阈值，所透射的信号也被丢弃。
在一个实施例中，本说明书描述了通过在整个能谱上使用能量阈值和能量加权来增强射线照相系统的范围的新颖方法。在一个实施例中，使用能量阈值来丢弃低能量散射辐射，并且将检测到的频谱加权，以对主要包括透射的信号的高能量辐射提供更高的重要性。
图6示出了根据本说明书的一个实施例的用于各种能量阈值的通过10MeV-10kW直线加速器单光子计数检测器使用能量加权方法获得的ANSI 42.46穿透模体的图像。在图6的图像610中，没有使用能量阈值，因此，检测到所有输入散射的和透射的辐射并包括在用于图像形成的最终信号中。根据一个实施例，检测系统在上述扫描过程中使用光谱的能量加权，这意味着与低能量信号相比，高能量辐射具有更重要的意义，结果，与在图5所示的对应图像510中使用的信号相比，用于图像形成的最终信号具有显着更高的透射辐射比例。如图像610所示，没有特定的能量阈值并且具有能量加权，与图5所示的图像510中获得的CNR相比，CNR在0.73处更好。具有0.73的CNR，图像质量仍然差，因为不容易区分标准穿透模体图像601中的菱形箭状物物体602。
如图像620所示，使用1MeV的阈值并且通过加权平均光谱形成，与在图5的对应图像520中获得的0.77CNR相比，CNR在1.20处相对更好。从绝对的角度来看，1.2的CNR提供更好的视野，并且菱形箭状物物体602在图像601中显著可见。
如在图像630中所示，使用2MeV的阈值并且通过加权平均光谱形成，与在图5的对应图像530中获得的1.37的CNR相比，CNR在2.26处更好。如图像630所示的通过2.26的CNR获得的图像质量可见并且非常清晰。
使用高功率X射线源来提高穿透能力，还需要测量宽范围强度的透射信号。通常，在X射线照相系统中，用于测量辐射的检测器包括用于将X射线转换成光线的闪烁晶体，并且耦接到将光线转换为可测量电子信号的硅光电二极管。电子信号通过模数转换器(ADC)进一步被采样，以产生信号的数字表示。传统X射线成像系统中使用的常见ADC具有16位或20位的分辨率。强烈辐射源的使用要求更高的采样分辨率，以允许测量与非常低的信号(由于高X射线衰减而产生的)相关联的数据到与非常高的信号(由于非常低X射线衰减而产生的)相关联的数据。具有较高分辨率的ADC可用，但与这种ADC相关的电子系统会产生干扰检测低能量X射线的高水平的噪声，因此不是优选的。无法检测低强度X射线会显着影响穿透能力，从而在图像中导致暗区，很少或没有扫描区域的信息。
本说明书通过新型检测器配置提供了上述问题的解决方案，新型检测器配置包括多个传统的ADC，所述ADC共同被配置为提供适合于检测宽范围的透射信号的高分辨率ADC系统。
对于给定的均匀强度源，除了其他参数，光电二极管的输出还取决于该光电二极管中的有源单元的区域。因此，如果所有其他参数相同，则在相同衬底上制造的光电二极管通常会输出与其面积成比例的电流。在本说明书的一个实施例中，不同面积的多个光电二极管耦接到相同的闪烁单元，以增加成像系统的动态操作范围，从而允许在宽的强度范围内测量透射信号。
图7示出了根据本说明书的一个实施例的包括耦接到辐射检测器组件中的相同闪烁单元的不同面积的多个光电二极管的电子系统。在图7中，多个光电二极管701a、701b...701n耦接到检测器组件中的相同闪烁单元(图7中未示出)，因此对应于最终辐射图像上的单个像素。在一个实施例中，系统被配置为使得光电二极管701a、701b...701n具有从大面积光电二极管开始到非常小的面积的光电二极管的不同面积。由于每个光电二极管中生成的输出电流与该光电二极管中的有源单元的面积成正比，因此使电子系统能够检测宽范围的透射信号。例如，在输入信号非常小的情况下，可能不会在小面积光电二极管中触发输出电流，但可能在至少一个大面积光电二极管中触发输出电流。类似地，在输入信号较大的情况下，可能会在大面积光电二极管上触发非常高的电流，这可能会超出与其耦接的ADC的饱和极限，但是信号可能会被一个小面积光电二极管检测到。因此，图7中所示的配置增强了检测系统的动态操作范围。在一个实施例中，第n个光电二极管701n的面积被配置为第一光电二极管701a的面积的1/D(n-1)倍，其中，D是常数。作为示例，如果D等于16，则第二光电二极管701b的面积将是第一光电二极管701a的面积的1/16倍，并且第三光电二极管701c的面积将是第一光电二极管701a的面积的1/256倍。应该理解，D可以是大于0的任何数字或其分数。
在一个实施例中，光电二极管701a、701b...701n中的每一个分别耦接到单独的ADC(模数转换器)702a、702b......702n。ADC检测在相应的光电二极管中生成的模拟电流并将其转换成数字格式。在一个实施例中，ADC 702a、702b......702n中的每一个耦接到在现场可编程门阵列(FPGA)710中配置的单独的计数寄存器703a、703b...703n，用于存储由相应ADC采样的信号的数字值。计数寄存器703a、703b......703n中的每一个还耦接到FPGA710中的最终计数寄存器730，用于存储输入信号的最终数字值。在一些实施例中，最终计数寄存器730按照以下公式计算输入信号的值：
最终计数＝计数1+D*计数2...+Dn-1*计数N，其中，计数N是计数寄存器703n中的信号值。
在其他实施例中，最终信号基于不饱和的最大光电二极管的输出。在一些实施例中，FPGA 710还包括ADC控制单元720，其控制所有ADC 703a、703b...703n的操作，将每个ADC维持在其相应信号范围内，同时还配置相应信号的增益并且还向每个ADC提供定时信号。
图8示出了根据本说明书的另一实施例的包括耦接到辐射检测器组件中的相同闪烁单元的不同面积的三个光电二极管的电子系统。在图8中，三个光电二极管801a、801b和801c耦接到检测器组件中的相同闪烁单元(图8中未示出)，因此对应于获得的最终辐射图像中的单个像素。在一个实施例中，光电二极管801a、801和801c中的每一个分别耦接到单独的ADC(模数转换器)802a、802b和802c，其对相应光电二极管中生成的模拟电流进行采样并将其转换为数字格式。在一个实施例中，ADC 802a、802b和802c中的每一个耦接到配置在FPGA 810中的单独的计数寄存器803a、803b和803c，用于存储由相应的ADC采样的信号的数字值。计数寄存器803a、803b和803c中的每一个还被耦接到FPGA810中的最终计数寄存器830，其存储对应于输入信号的数字值。在一些实施例中，FPGA 810还包括ADC控制单元820，该ADC控制单元820控制所有ADC 802a、802b和802c的操作，以维持其相应的信号范围，同时还为相应信号配置增益并且还向每个ADC提供定时信号。
在一个实施例中，系统被配置为使得光电二极管801a、801b和801c具有从大面积光电二极管801a开始到小面积光电二极管801c的不同面积。在一个实施例中，光电二极管801b的面积是光电二极管801a的面积的1/16倍，并且光电二极管801c的面积是光电二极管801a的面积的1/256倍。涉及耦接到单个闪烁单元的不同面积的多个光电二极管的上述配置增强了检测系统的动态操作范围。
随着输入信号的强度增加，耦接到光电二极管801a的ADC将在耦接到光电二极管801b和801c的ADC之前达到其饱和极限，以此类推。在一个实施例中，如果耦接到光电二极管的ADC都不饱和，则选择来自最大光电二极管的信号，因为该信号具有最高采样分辨率。如果耦接到光电二极管的ADC中的一个饱和，将使用具有最大强度的光电二极管。
在本说明书中描述的实施例使检测系统能够使用传统的16位或20位ADC可靠地检测宽范围的透射辐射，而没有在具有24位或更高分辨率的ADC的检测系统中通常看到的任何噪声或干扰。
在一个实施例中，ADC 802a、802b和802c具有16位分辨率并且使用具有面积A、A/16和A/256的光电二极管的上述配置，系统有效地实现24位分辨率。
耦接到单个闪烁单元的多个光电二极管可以以各种配置来设置。图9A、图9B和图9C分别示出了用于设置图8中所示的三个光电二极管的不同配置。
在图9A、图9B和图9C所示的实施例中，光电二极管901、902和903分别具有A、A/16和A/256的相对面积(其中，A表示光电二极管901的面积)。相对面积也可以描述为A、A/n和A/m，其中，n是等于或大于2且小于50的数字；并且其中，m是等于或大于4、小于500且大于n的数字。
在图9A中，p表示光电二极管901的节距，并且m表示光电二极管901的长度，而w表示光电二极管903的长度，并且g表示光电二极管901和光电二极管903的侧面之间的间隙。在一些实施例中，长度m可以与p相同，但可以增大，以补偿由于分割间隙g或由于在光电二极管生产中可实现的最小w的任何限制而导致的有效面积损失。在本说明书的一个实施例中，长度m保持在w的十倍与二十倍之间的范围内，并且间隙g被配置为等于或小于w的一半，以在串扰结果和最小有效面积之间折衷。
因为全部三个光电二极管901、902和903用相同的工艺构成并且具有共同的阴极，所以从其中每一个生成的电流与用于给定入射源(忽略电容差)的其面积成比例，该比例在一个实施例中是1、1/16和1/256。
图10示出了根据本说明书的一个实施例的射线照相检测器组件中的双光电二极管配置的放置技术。如图10所示，两个光电二极管1001和1002耦接到单个闪烁单元(图中未示出)并且表示图像的单个像素。在图10中，p表示光电二极管1001的间距，并且m表示光电二极管1001的长度，而w表示光电二极管1002的长度，并且g表示光电二极管1001和光电二极管1002的侧面之间的间隙。在一些实施例中，长度m可以与p相同，但是可以增大，以补偿由于分割间隙g或由于在光电二极管生产中可实现的最小w的任何限制而导致的有效面积损失。在本说明书的一个实施例中，长度m保持在w的十倍与w的二十倍之间的范围内，并且间隙g被配置为等于或小于w的一半，以在串扰结果和最小有效面积之间折衷。在一个实施例中，为了实现24位分辨率，使用包括具有面积A和A/16的两个光电二极管的结构，并且每个光电二极管耦接到20位ADC。
在一个实施例中，本说明书描述了一种新颖混合检测器，其包括用于增强有效动态操作范围的多个光电二极管以及用于丢弃散射辐射的固态光电倍增器。图11示出了根据本说明书的一个实施例的包括两个光电二极管和一个固态光子倍增器的混合检测器单元。如图11所示，光电检测单元1100包括两个独立的光电二极管1101和1102以及固态光子倍增器(SSPM)1103。光电二极管1101和1102以及SSPM 1103耦接到辐射检测器组件中的单个闪烁单元并且表示在最终的辐射图像上的单个像素。在一个实施例中，固态光子倍增器1103有助于辐射检测器组件的散射丢弃能力。在另一实施例中，检测器组件被配置为使得两个光电二极管1101、1102连接到单晶单元(未示出)，并且SSPM 1103耦接到相邻的晶体单元(未示出)。
在两个或更多个信号在检测器的单个时间响应内到达时，用于辐射检测器组件中的发光晶体理想地应当具有快速响应，以减少使得检测器无法区分的信号的堆积。使用连续波(CW)X射线源，减少了堆积，因为辐射及时传播，与脉冲直线加速器(线性加速器)X射线源不同，在该脉冲直线加速器(线性加速器)X射线源中，以微秒脉冲产生X射线，长时间没有辐射。在本说明书的一个实施例中，由诸如钨酸铅等材料(响应时间～8ns)开发的快速闪烁体与脉冲式直线加速器X射线源一起使用。
在另一实施例中，用仅通过切伦科夫辐射产生光的非闪烁晶体获得更快的响应。在这种非闪烁晶体的情况下，由于切伦科夫辐射仅由速度高于晶体的光速的电子产生，因此具有固有散射丢弃的附加优点。然而，切伦科夫辐射仅产生约200个光子/MeV的低光输出，并且大部分辐射是紫外(UV)范围，这与SSPM不太匹配。在涉及增加SSPM的响应的本说明书的实施例中，耦接到光传感器的晶体的面涂覆有波长移位器(WLS)。WLS将UV光转变成可见光谱，从而提高SSPM的效率。在涉及晶体吸收一些UV光的情况的另一实施例中，晶体的所有面都涂覆有WLS膜，以改变波长。
在本说明书的一个实施例中，对三联苯(PT)或四苯基丁二烯(TBP)膜用作波长移位器，以将可测量的光子范围扩展到UV区域并增强射线检测系统响应。在其他实施例中，可以使用各种其他WLS材料。
图12A示出了在特定解决方案中测量的PT和TBP膜涂覆的光子倍增器的吸收光谱。在图12A中，1201表示PT膜的吸收光谱，1202表示TBP膜的吸收光谱。如图12A所示，对于范围从250nm到300nm的入射波长，基于PT膜的WLS 1201的量子效率比基于TPB膜的WLS 1202更好；并且对于处于300nm至400nm范围内的入射波长，基于TPB膜的WLS 1202的吸收效率更高。
图12B示出了在230nm的激发波长下的不同层厚的PT膜的光致发光光谱。在图12B中，1203表示50μg/cm2厚度的PT膜的光致发光光谱，1204表示100μg/cm2厚度的PT膜的光致发光光谱，1205表示200μg/cm2厚度的PT膜的光致发光光谱。从图12B所示的曲线图可以看出，随着膜厚度从50μg/cm2增大到100μg/cm2，强度水平显著增加。然而，200μg/cm2膜的强度水平与针对100μg/cm2观察到的强度水平相似。因此，厚度约100μg/cm2的PT膜吸收了几乎所有的输入光子，并且表示基于PT膜的波长移位器的最佳厚度。
图13示出了根据本说明书的一个实施例的在涂布和不涂布波长移位器膜的情况下检测切伦科夫辐射的模拟结果。在图13中，示出了直方图，其描绘了诸如固态光子倍增器(SSPM)等光子倍增器在各种波长的入射辐射下检测到的光子的数量。在本说明书的上述实施例中，在涂布WLS膜的情况下，UV切伦科夫辐射转变成更高的波长。在图13中，曲线1301表示没有任何WLS膜的光子直方图，1302表示具有WLS膜的光子直方图。对于波长大于300nm的辐射，当使用WLS膜时，检测效率更高。曲线图1303表示在各种辐射波长下的光子倍增器(SSPM)的光检测效率。在特定的模拟过程中，与没有WLS膜的光子计数为631相比，具有WLS膜的光子计数为1317，这意味着WLS的涂布将来自切伦科夫辐射的信号增强约2倍。
上面的示例仅仅是对本发明系统的许多应用的说明。尽管在本文中仅描述了本发明的几个实施例，但应该理解的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可能以许多其他具体形式来体现本发明。因此，本示例和实施例应被认为是说明性的而非限制性的，并且可以在所附权利要求的范围内修改本发明。
Claims (21)
1.一种X射线检查系统，包括：X射线源；以及检测器，用于检测具有一强度范围的透射的X射线，其中，所述检测器包括：
至少一个晶体，用于在与X射线相互作用时产生光信号，所述至少一个晶体与至少一个光电二极管以及至少一个光电倍增管耦接；以及
处理单元，与所述至少一个晶体耦接，其中，所述处理单元适于丢弃能量水平低于预定阈值的能量水平的所有检测到的辐射。
2.根据权利要求1所述的X射线检查系统，还包括：与所述光电二极管耦接的电流积分器。
3.根据权利要求1所述的X射线检查系统，还包括：与所述光电倍增器耦接的单光子检测器，所述单光子检测器适于实现所透射的X射线的能量敏感的单光子计数。
4.根据权利要求1所述的X射线检查系统，其中，所述X射线源是脉冲源和连续波源中的至少一者。
5.根据权利要求1所述的X射线检查系统，其中，所述光电倍增器是固态光电倍增器。
6.根据权利要求1所述的X射线检查系统，其中，所述至少一个晶体包括铈掺杂的硅酸镥钇(LYSO)闪烁晶体和钨酸铅基的闪烁晶体中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的X射线检查系统，其中，所述至少一个晶体包括非闪烁材料，并且其中，所述至少一个晶体适于通过切伦科夫辐射产生光信号。
8.根据权利要求1所述的X射线检查系统，其中，所述至少一个晶体包括至少一个面，其中，所述至少一个晶体的所述至少一个面涂覆有波长移位器材料，所述波长移位器材料用于将切伦科夫辐射移位到提高检测效率的频率。
9.根据权利要求8所述的X射线检查系统，其中，所述波长移位器材料包括对三联苯和二苯基丁二烯。
10.根据权利要求3所述的X射线检查系统，其中，所述单光子检测器被配置为在多个能量阈值上运行。
11.根据权利要求1所述的X射线检查系统，其中，所述处理单元包括至少一个模数转换器(ADC)。
12.一种X射线检查系统，包括：X射线源；以及检测器，适于检测具有一强度范围的透射的X射线，其中，所述检测器包括：
至少一个晶体，适于在与X射线相互作用时产生光信号，其中，所述至少一个晶体与具有第一面积的第一光电二极管和具有第二面积的第二光电二极管耦接，并且其中，所述第一面积不同于所述第二面积；
与所述第一光电二极管耦接的第一ADC以及与所述第二光电二极管耦接的第二ADC；以及
处理单元，与所述第一ADC和第二ADC耦接，其中，所述处理单元适于通过使用所述第一ADC输出的数字信号、所述第二ADC输出的数字信号和预定公式来确定最终数字信号。
13.根据权利要求12所述的X射线检查系统，其中，所述处理单元从所述第一光电二极管和所述第二光电二极管输出的数字信号中选择与最高不饱和信号对应的最终数字信号。
14.根据权利要求12所述的X射线检查系统，其中，所述处理单元包括至少一个FPGA和至少一个计数寄存器。
15.根据权利要求12所述的X射线检查系统，其中，所述X射线源是具有9MV能量和10KW功率的高强度源。
16.根据权利要求12所述的X射线检查系统，其中，所述X射线源是脉冲源和连续波源中的一者。
17.根据权利要求12所述的X射线检查系统，其中，所述第二面积等于所述第一面积的十六分之一，并且其中，所述检测器还包括：具有第三面积的第三光电二极管，所述第三面积等于所述第一面积的1/256。
18.根据权利要求12所述的X射线检查系统，其中，所述第二面积等于所述第一面积的1/n，并且其中，所述检测器还包括：具有第三面积的第三光电二极管，所述第三面积等于所述第一面积的1/m，其中，n是大于或等于2且小于50的数，并且其中，m是大于或等于4且小于500且大于n的数。
19.一种X射线检查系统，包括：X射线源；以及检测器，适于检测具有一强度范围的透射的X射线，其中，所述检测器包括：
至少一个晶体，适于在与X射线相互作用时产生光信号，其中，所述至少一个晶体与固态光电倍增器和不同面积的多个光电二极管耦接；
至少一个电流积分器，与所述多个光电二极管耦接；
至少一个单光子检测器，与所述固态光电倍增器耦接，并且所述单光子检测器适于实现透射的X射线的能量敏感的单光子计数；以及
处理单元，与所述光电倍增器耦接，所述处理单元用于基于由所述多个光电二极管输出的信号的强度来确定指示所透射的X射线的信号。
20.根据权利要求19所述的X射线检查系统，还包括：与所述多个光电二极管耦接的一个或多个ADC，其中，所述多个光电二极管中的每一者与所述一个或多个ADC中的一个不同ADC耦接。
21.根据权利要求19所述的X射线检查系统，其中，所述处理单元适于通过使用预定公式和由所述一个或多个ADC输出的数字信号来确定最终数字信号。
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