CN109073768B - 用于x射线检测器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于平板X射线成像检测器的方法和装置。在一个实施例中，装置包括三(3)层，包括顶层、中间层和底层。顶层生成顶层图像；中间层生成中间层图像；以及底层生成底层图像。中间层也同时作为中间X射线能量滤波器操作。

Description

用于X射线检测器的系统和方法
其他申请的交叉引用
本申请要求于2016年2月19日提交的美国专利临时申请序列号62/297,345的优先权，其通过引用被并入本文。
技术领域
本公开通常涉及X射线成像，并且更具体地涉及用于平板X射线成像器的系统和方法。
背景技术
数种射线照相术诊断和屏蔽技术取决于嵌入在杂乱软组织环境中具有高衰减系数的小对象的可视化。这些包括但不限于冠状血管造影术(其中造影剂被添加至心脏中的血管以评估心血管疾病)和胸部射线照相术中钙化检测(其中肺结节的良性以其钙含量为特征)。增强这些对象的可检测性因此是非常需要的。
长期以来提出的用于实现这一目的的技术是双能量(DE)减影成像，其利用不同组织类型的X射线衰减系数的不同能量相关性来从射线照相图像移除软组织部分并因此增强感兴趣对象的可视化。
DE系统通过以下操作：获得一个低能量图像和一个高能量图像、并执行加权减法以将它们组合成其中已经移除了杂乱软组织结构的最终图像(用于显示)。
另一种DE成像方法是单摄方法，其中两个图像是同时获得的。这是通过垂直堆叠两个传感器层以形成所谓的夹层结构的双层检测器来实现的。频谱分离是由未被吸收而穿过顶层的高能量光子的固有较高概率与在两层之间存在金属束硬化中间滤波器的组合而生成的。单摄技术因此对于患者和心脏运动比kVp切换更具容忍性，并且与大多数当前X射线源兼容。然而，硬化中间滤波器的存在意味着一部分X射线被浪费在其中，引起患者剂量效率低下。
因此，提供了一种克服现有系统缺点的新型X射线成像器。
发明内容
本公开涉及一种待被用于X射线成像的检测器，具有至少三层，包括顶层、中间层和底层。在一个实施例中，本公开可以用作单摄双能量(DE)成像器。在当前实施例中，成像器或检测器的每个层包括耦合至特定厚度的闪烁体层或半导体材料层的传感器。顶层和底层分别生成低能量图像和高能量图像，而中间层用作滤波器以在射束到达底层之前硬化射束，并且也可以(根据接收到能量)同时生成图像。
因此，本公开的系统然后可以以许多不同的模式操作。一个示例是在全频谱X射线模式中，其中来自所有三个层的信号被简单地叠加或通过加权平均被组合以形成单个图像。在该模式中，没有浪费输送至患者的剂量并且获得的图像将显示来自与常规射线照相检测器类似的整个X射线频谱的信息。第二示例模式是作为DE成像器，其中仅使用或操纵来自顶层和底层的信号以诸如从患者的软组织获得没有任何杂乱回波的图像。所有检测器的模式(包括这两个示例)并不相互排斥，因此成像器可以同时在所有模式下操作，因为所有必要的数据都是在单个X射线曝光中捕获的。
在本公开的一个方面中，提供了一种用于X射线检测器的装置，包括：用于检测X射线并生成顶层图像的顶层；用于检测X射线并生成中间层图像的中间层；以及用于检测X射线并生成底层图像的底层；其中中间层也同时作为中间X射线能量滤波器操作。
在另一方面中，顶层、中间层和底层包括直接转换X射线检测器。替代地，顶层、中间层和底层包括间接转换X射线检测器。在另一方面中，系统可以包括：集成在顶层内的顶层闪烁体层；集成在中间层内的中间闪烁体层；以及集成在底层内的底层闪烁体层。
在另一方面中，中间层对中间能量频谱敏感。在另一方面中，顶层对低能量频谱敏感并且底层对高能量频谱敏感。
在本公开的第二方面中，提供了一种X射线成像方法，包括：获得一组至少三个图像，包括高能量图像、中间能量图像和低能量图像；将至少三个图像组合以生成全频谱X射线图像；以及操纵至少三个图像中的至少两个图像以生成至少一个增强的X射线图像。
在又一方面中，操纵至少三个图像中的至少两个图像包括选择高能量图像和低能量图像；以及将高能量图像和低能量图像组合以生成一组新的双能量图像。
在另一方面中，操纵至少三个图像中的至少两个图像包括选择高能量图像、中间能量图像和低能量图像；获得高能量空间图像数据、中间能量空间图像数据和低能量空间图像数据；使用高能量空间图像数据、中间能量空间图像数据和低能量空间图像数据来识别散射的辐射；以及操纵高能量图像、中间能量图像和低能量图像以生成一组散射噪声减小的图像。
在又一方面中，操纵至少三个图像中的至少两个图像包括选择高能量图像、中间能量图像和低能量图像；将高能量图像、中间能量图像和低能量图像映射至彩色通道中；以及基于映射来生成彩色X射线图像。
在另一方面中，操纵至少三个图像中的至少两个图像包括选择高能量图像、中间能量图像和低能量图像；操纵高能量图像和中间能量图像以生成中间-高能量图像；操纵低能量图像和中间能量图像以生成中间-低能量图像；以及操纵高能量图像、中间-高能量图像、中间能量图像、中间-低能量图像和低能量图像以生成一组频谱增强的双能量图像。
在方面中，操纵至少三个图像中的至少两个图像包括选择高能量图像、中间能量图像和低能量图像；操纵中间能量图像数据以增强低能量图像和高能量图像的信噪比；以及操纵高能量图像、中间能量图像和低能量图像以生成一组较高信噪比双能量图像。
附图说明
现在将参照附图，仅通过示例的方式描述本公开的实施例。
图1a是用于X射线成像的系统的示意图；
图1b是用在图1a的系统中的三层X射线成像器的示意图；
图2是示出在检测器的每个层上不同入射X射线频谱的示例的图；
图3是示例应用中两个已选择X射线路径的示意图；
图4是闪烁体中信号扩展的图示；
图5是对于跨诊断X射线能量范围的3种不同材料/组织的质量衰减系数的图；
图6a是示出对于碘化脉管检测应用在改变顶部闪烁体厚度时获得的品质因数的图；
图6b是示出对于碘化脉管检测应用在改变中间闪烁体厚度时获得的品质因数的图；
图7a是示出对于钙化结节检测应用在改变顶部闪烁体厚度时获得的品质因数的图；
图7b是示出对于钙化结节检测应用在改变中间闪烁体厚度时获得的品质因数的图；
图8a是概述使用本公开的X射线成像检测器生成图像的方法的流程图；
图8b是概述生成图像的另一实施例的流程图；
图8c是概述生成图像的又一实施例的流程图；
图8d是概述生成图像的又一实施例的流程图；
图8e是概述生成图像的一实施例的流程图；以及
图8f是概述生成图像的另一实施例的流程图。
具体实施方式
本公开涉及一种用于平板X射线成像检测器的方法和装置。在一个实施例中，装置包括至少三(3)层，包括顶层、中间层和底层。在另一实施例中，中间层同时操作以从X射线束接收中间水平能量并用作中间X射线能量滤波器。中间频率或能量然后可以被传输到处理器以使能够进一步应用本公开的X射线成像检测器。
图1a图示了用于X射线成像的成像环境或系统的示意图。系统100包括X射线辐射源102，该X射线辐射源102生成以一组X射线束104形式的X射线辐射，该X射线辐射朝向感兴趣对象106(例如患者的手)传输，用于通过X射线检测器系统108成像。在本公开中，X射线检测器系统108优选地包括X射线图像检测器110，用于检测X射线束104的传输部分以便产生对象106的图像112。通常，待成像的对象106位于X射线辐射源102和X射线检测器系统108之间，使得X射线穿过对象106并与X射线检测器系统108相互作用。所生成的图像112然后可以被显示用于在计算机系统116的显示器114或监控器上观看。替代地，图像112可以存储在存储器或数据库(未示出)中用于稍后检索。
对于一些X射线检测器系统108，可能需要同步硬件118以获得X射线源102与正对X射线束104的撞击传输部分取样的X射线检测器系统108之间的正确定时。
转到图1b，示出了根据本公开的实施例的X射线图像检测器的示意图。在优选实施例中，X射线成像检测器110包括被视为顶层120a、中间层或中层120b和底层120c的一组三层120。这些层120以如下方式堆叠：当定向在X射线成像环境中时，X射线束104将穿过对象106并顺序地到达每个层。首先，X射线束104将到达顶层120a；接着，X射线束104的剩余部分将到达中间层120b；并且随后，X射线束104的剩余部分将到达底层120c。
检测器110的每个层120包括X射线敏感材料层122。对于操作在间接模式的X射线成像检测器110，该X射线敏感材料层可以是闪烁体或闪烁体层。对于操作在直接模式的X射线成像检测器110，该X射线敏感材料层可以由半导体材料制造。每个层120可以通过诸如硫氧化钆或碘化铯等X射线敏感材料的物理特性来与其他层区分开。替代地，层可以通过材料的厚度(在图1b中被视为tt、ti和tb，其中下标t表示顶层，下标i表示中间层，以及下标b表示底层)来区分开。每个层120也包括耦合至X射线敏感材料层122的传感器层124。在一个实施例中，传感器层124通过在基底层125的顶部上使用大面积薄膜硅半导体(例如但不限于非晶硅、多晶硅、有机半导体、氧化铟镓锌)来制造。传感器层124优选地包括可以被视为被细分为像素的区域，由此每个像素包含薄膜晶体管(TFT)和传感器。
在其中层120用作间接转换器的实施例中，与每个TFT相关联的光电二极管生成与通过位于传感器顶部上的X射线敏感闪烁体生成的光相关的信号。在其中层120用作直接X射线转换器的实施例中，与每个TFT相关联的电极生成与X射线敏感半导体材料中的电流相关的信号。在直接X射线转换器中，不需要闪烁体和光电二极管，因为X射线半导体直接将X射线转换为电荷。在任一实施例中，TFT将拾取这些信号，随后这些信号被传输至允许基于这些信号生成图像或多个图像112的其他读出电子器件126。使用必需的电路和计算设备，每个层可以捕获或取得单个图像，随后该单个图像可以在被显示或保存之前被处理。替代基于TFT的X射线检测器，如本领域技术人员应当理解的，也可以采用大面积基于硅CMOS的X射线检测器。
在操作中，X射线束104被引导朝向X射线成像检测器110，使得X射线束在到达检测器110之前穿过对象106。X射线束通常包含具有跨诊断X射线能量范围的能量的X射线光子。能量频谱的具体细节将取决于X射线源102的特征。这些特征包括但不限于源操作电压、阳极材料、过滤材料或滤波器厚度。
一旦到达检测器110，X射线束104将到达检测器110的顶层120a。由于X射线的能量相关特性以及较低能量的X射线的物质相互作用具有更高的与物质相互作用的机会，层120a将概率地吸收更多的入射X射线的较低端或X射线束104的能量频谱，并生成顶层或低能量图像。这暗示了通过顶层120a生成的图像将与X射线能量频谱的较低端更紧密相关联。X射线束104的剩余部分继续前进至中间层120b。这里，中间层将优选地吸收剩余光子的频谱的较低能量端，以留下具有较高平均能量的X射线束104以前进至底层120c。与此同时，在与被吸收在中间层的那些光子相对应的中间层中形成或生成中间层或中间能量图像。最终，较高平均能量的X射线束到达底层120c，其中该较高平均能量的X射线束的一部分将被吸收，并且底层图像或高能量图像可以使用大多数(如果不是所有的话)的与之前所述相比较高平均能量的剩余光子来生成。通过该过程，实现了当前公开的优点，其中可以在单个X射线曝光期间获得三个独立图像，每个图像形成为具有增大平均能量的不同频谱信息。
在曝光期间，检测器110的中间层120b的角色是双重的。中间层120b同时地(1)用作频谱滤波器以允许在顶层和底层之间入射频谱的平均能量的较大差异，以及(2)自身用作敏感层以产生信号，该信号可以用于改善通过其他层获得的图像或生成新类型的图像。中间层的双重操作是本公开关于现有检测器设计的优点。
同时地用作滤波器和X射线传感器二者的中间层120b的存在允许本公开的检测器以数个不同模式起作用(如以下更详细概述)。每种模式与其中来自中间层120b的信号被使用(或不被使用)或与来自顶层和底层的图像组合(或不组合)以产生一个或多个最终图像的方式不同。
换言之，在单个X射线曝光中，本公开的成像检测器110能够同时获得其中每个图像携带不同频谱信息的三个单独图像，并且随后处理、操纵和/或组合图像(或者图像的子集)以生成新的、增强的图像。向用户或医师显示这些最终生成的图像(或者图像的组合)。这些图像也可以被保持用于稍后检索。
当前公开的优点在于，在每个层处生成的三个图像(每个图像携带了不同频谱信息)在相同的X射线曝光期间被获得。也就是说，仅需要经历上面详述的操作过程一次以获得所有三个图像，从而节省了对患者的X射线辐射剂量并减少了运动伪影。此外，一旦获得了三个不同图像，它们可以以任何数量的组合使用而无需再次获得。因此，可以仅利用患者对X射线辐射的单个曝光来获得多种不同类型的增强图像。因此，另一个优点在于，对于获得多种类型图像，患者所暴露的剂量较低。
其中X射线成像器操作的每个模式可以被视为与其中从通过检测器的每个层获得的一些或所有图像生成的一个或多个结果图像的方式不同。
检测器的可能操作模式中的一个操作模式的一个示例是作为双能量检测器，其中来自顶层和底层的信号分别用作低能量图像和高能量图像。这两个图像例如可以通过对数减法来组合以生成两个增强的图像，这允许更容易检测某些材料或组织类型。在该示例中，中间层仅用作滤波器，其允许在顶层和底层之间较高的频谱分离。已知这种更高的频谱分离通常引起更好的增强DE图像以及更好的DE能力。
然而，即使在上述ED检测器的示例中，通过X射线敏感中间层的存在改善了检测器的能力。
在该示例中，中间层同时用作滤波器和敏感层二者的事实改善了检测器的能力。此外，通过独立微调所有三个转换层(即在间接检测情形中的闪烁体以及在直接检测情形中的半导体层)的厚度，可能的是获得生成改善的可能增强DE图像所需的最优频谱分离。
首先，中间层的信号可以用于改善生成的DE图像。这可以通过以多种方式使用由中间层图像提供的信息来完成。例如，这些包括但不限于通过使用考虑了来自中间层的信息的统计算法来增强通过减小顶层或底层图像中的噪声而获得的最终DE图像，或者作为另一示例，识别顶层和底层之间的散射源，这可以允许散射抑制算法减小底层中的散射噪声。
其次，中间层中生成的图像可以与其他层中获得的那些图像的一些组合或者不组合使用，以还生成如其他图像组合模式所描述的其他图像类型。这可以在不需要另外的X射线曝光的情况下完成。换言之，即使在用作DE成像器时，本公开仍然能够以在此所述或稍后开发的任何其他模式同时操作。
作为操作模式可以如何使用获得的图像的另一示例，如果来自所有三个层的图像以简单的加法或平均形式组合，可以生成全频谱X射线图像。该全频谱X射线图像将包含跨由X射线曝光发出的大部分(如果不是全部)X射线频谱的信息。换言之，这类似于具有较厚敏感层的X射线检测器，但有利地避免了具有较厚敏感层的检测器将可能具有的一些信号扩展问题。此外，通过使用每个层的已知空间位置，可以识别层间散射源，并且可以通过采用散射校正算法来减小层间散射源在图像中引起的噪声。
图像组合的另一示例是彩色X射线图像。这可以通过选择在顶层处生成的图像、在中间层处生成的图像和在底层处生成的图像，并且将这些图像映射至彩色图像的红色通道、绿色通道和蓝色通道来实现。这将引起以彩色图像的形式可视化X射线频谱信息的清晰方式并且可以有助于某些组织或材料类型检测。
在图像组合模式的另一示例中，可以同时生成其他两组可能的DE图像，以及前面提到的DE图像。也就是说，除了组合来自顶层和底层的信号之外，还可以通过组合来自顶层和中间层的图像来生成一组增强的DE图像，以及通过组合来自中间层和底层的图像来生成另一组增强的DE图像。这是因为当X射线束穿过每个检测器层时吸收的X射线频谱的平均能量增大。因此，选择这些其他两对图像将提供两个附加的频谱不同的图像，这些图像可以与原始的三个图像一起使用以通过包括加权减法的方法生成一组新的增强DE图像。每组不同的增强DE图像将突显不同材料或组织类型，并且因此它们可以帮助材料或组织类型可检测性或者减少杂波。
最终，底层中的SNR通常是低的，因为大部分X射线信号沉积在顶层中。使用适当的加权函数和滤波器组合来自中间层和底层的图像的方法也可以在底层中产生改善的SNR。
转到图8a，示出了概述X射线成像方法的流程图。最初获得(200)一组至少三个图像，优选地从单个X射线曝光获得。在优选实施例中，这些图像可以被视为高能量图像、中间能量图像和低能量图像。如应当理解的，这些图像是基于成像检测器的顶层、中间层和底层来生成的。然后可以组合(202)图像以生成或形成全频谱X射线图像。也可以操纵(204)图像中的至少两个图像以提供其他图像(例如前面公开的)。更具体地，可以操纵至少两个图像以生成新的X射线图像。
转到图8b，示出了概述操纵(204)至少两个图像的第一实施例的流程图。在当前实施例中，选择(206)高能量图像和低能量图像。然后组合(208)高能量图像和低能量图像，并且然后生成(210)一组图像(例如双能量图像)。在一个实施例中，通过执行较高能量图像和低能量图像的加权减法来实现组合(208)。
转到图8c，示出了概述操纵(204)至少两个图像的另一实施例的流程图。在当前实施例中，选择(212)高能量图像、中间能量图像和低能量图像。然后从图像或经由已知技术获得(214)高能量空间数据、中间能量空间数据和低能量空间数据。然后可以使用高能量空间数据、中间能量空间数据和低能量空间数据来识别(216)散射辐射，并且生成(218)一组散射噪声减小的图像。在另一实施例中，可以通过使用散射噪声校正算法来执行该一组散射噪声减小的图像。
转到图8d，示出了概述操纵(204)至少两个图像的另一实施例的流程图。在当前实施例中，选择(220)高能量图像、中间能量图像和低能量图像。然后将图像映射(222)至彩色通道并且然后可以生成(224)彩色X射线图像。
转到图8e，示出了概述操纵(204)至少两个图像的另一实施例的流程图。在当前实施例中，获得或选择(226)高能量图像、中间能量图像和低能量图像。然后通过组合或操纵中间能量图像和高能量图像来生成(228)中间-高能量图像。然后通过组合或操纵中间能量图像和低能量图像来生成(230)中间-低能量图像。然后可以基于高能量图像、中间-高能量图像、中间能量图像、中间-低能量图像以及低能量图像例如通过操纵图像来生成(232)频谱增强的图像。在一个实施例中，可以通过对高能量图像、中间-高能量图像、中间能量图像、中间-低能量图像和低能量图像中的至少两个图像执行加权减法来生成频谱增强的图像。
转到图8f，示出了概述操纵(204)至少两个图像的另一实施例的流程图。在当前实施例中，获得或选择(234)高能量图像、中间能量图像和低能量图像。然后可以通过中间能量图像来增强(236)低能量图像和高能量图像的信噪比，并且然后可以通过例如执行增强的高能量图像和低能量图像的加权减法来生成(238)一组高信噪比图像。
在另一实施例中，获得或选择高能量图像、中间能量图像和低能量图像，并且然后执行高能量图像、中间能量图像和低能量图像的叠加或加权平均来生成全频谱X射线图像。
本公开的功能不限于上述这些操作模式，而是相反，由于在单个X射线曝光期间产生三个频谱不同的图像的能力，存在检测器也可被用于生成可能的增强图像的简单示例。
下面给出了如何设计和优化本公开实施例以便部分地用作DE成像器的概述。该概述旨在说明给出的公开的许多能力之一以及可以进入特定实施例的设计过程的类型。本领域技术人员应当理解，具有本公开的三层检测器的频谱图像数据的创新性组合和操纵也可能利用四层或更多检测器实施例。
在以下描述中，示出了根据本公开的三层X射线检测器的一个实施例。在描述中，X射线检测器优选地指用于DE成像的检测器，其中中间层同时作为滤波器和用于中频检测器操作。
在该示例实施例中，公开了其中所有敏感层用作间接检测传感器的三层检测器。也就是说，三个层由与堆叠的FPD耦合的碘化铯闪烁体构成，使得该三个层形成如本公开中所述的三层检测器。由于碘化铯的成熟性、可用性和结构化生长的能力，该碘化铯对于该示例被选择用作闪烁体材料。由于该材料与FPD技术的通用和己建立的集成，该材料也很有吸引力。CsI:TI柱状闪烁体的填充效率被设为75％。在使用碘化铯的同时，预期其他类似材料，例如氧硫化钆(GOS)或其他闪烁体。替代地，也可以采用不同厚度的直接X射线转换半导体用于三层检测器。
选择两个示例对象应用：冠状血管造影术中碘化脉管检测和胸部射线照相术中肺钙化检测。两者都是在软组织中嵌入了相对较高X射线衰减系数的较小对象的情形。因此，两者都是其中DE成像可以是有益的情形。
图3是X射线束104的、或者以(光子/cm2 keV)测量的穿过对象106指向X射线图像检测器110的频谱(视作Φ(E))的单个曝光的示意图。为了讨论的目的，在当前示例中，X射线成像器110是单层或单个基于闪烁体的FPD。这被用于确定对于单层成像器的信号和噪声特征。示意性地，本公开的装置(例如图1b中所示)可以被视为一组基于三个单层闪烁体的FPD。
如图3中所示，突出了两个X射线路径：1)第一X射线束104a，其在到达检测器或层120之前将仅穿过软组织130(厚度ts(以cm计))，以及2)第二X射线束104b，其在到达检测器或层120之前将穿过碘化脉管132或钙化组织(厚度th(以cm计))以及其周围软组织130。为了清楚和解释，第一X射线束产生检测器信号SS，而第二X射线束产生检测器信号Sh。如可见，层120包括闪烁体层122和基底层124。
可以使用以下等式来计算对于完全位于一个X射线束路径中的大小A(mm2)的像素的期望平均信号
Figure GDA0003649398370000101
和/>
Figure GDA0003649398370000102
Figure GDA0003649398370000103
Figure GDA0003649398370000104
其中μs(E)和μh(E)分别是在X射线光子能量E(keV)处软组织和碘化脉管或钙化组织的X射线衰减系数(cm-1)，η(E)是闪烁体层的X射线吸收比(即其量子效率)，并且
Figure GDA0003649398370000105
是闪烁体增益函数的平均值。为了简便，假设衰减系数遍及软组织和碘化脉管是恒定的。
闪烁体层的量子效率通过以下给出：
Figure GDA00036493983700001012
其中
Figure GDA00036493983700001013
是闪烁体层的衰减系数(也被视为恒定的)，并且/>
Figure GDA0003649398370000106
是闪烁体的厚度。通常，其是入射X射线光子的将由闪烁体层吸收的部分。
闪烁体增益函数
Figure GDA0003649398370000107
是与闪烁体中由于入射X射线的能量(E)生成的光学光子数量相对应的随机变量。这意味着生成的信号/>
Figure GDA0003649398370000108
和/>
Figure GDA0003649398370000109
是复合随机变量，假定将到达像素的光子数量N将遵循泊松分布。然而，因为对于典型X射线生成的闪烁体光子的数量小(例如碘化铯闪烁体对于25keV光子可以生成～1500光学光子)，当与N比较时，闪烁体光子对信号方差的贡献可以被忽略并且仅需要考虑其平均值。接着，该值可以表达为：
Figure GDA00036493983700001010
其中γ(E)(光子/keV)是通过能量E的被吸收部分在闪烁体层中生成并收集的光子的平均数，以及Eabs(E)是由于在闪烁体中相互作用的能量(E)的X射线光子而在闪烁体中吸收的能量。对于常见的无机闪烁体，增益近似与沉积的辐射成正比，消除了生成的光子数量(γ(E)＝γ)的能量依懒性并减少等式(4)为
Figure GDA00036493983700001011
根据这些计算，可以生成由这两个随机变量的贡献产生的对于每个信号中的期望方差的表达式。这样的表达式为：
Figure GDA0003649398370000111
Figure GDA0003649398370000112
还执行用于确定K边缘因素的进一步实验。当入射在闪烁体上的X射线光子的能量超过其K边缘能量之一时，一些这样的能量将在逃逸的特征X射线发射中丢失。这在Eabs(E)中作为闪烁体增益
Figure GDA0003649398370000113
的一部分来考虑。之前已经计算了Eabs以与在K边缘能量之下和之下的E线性相关，而同时在那些能量处显示相当大的下降。
要考虑的另一因素是可能由闪烁体层引起的模糊。已经示出CsI:TI闪烁体的针状结构以将光引导到成像器的荧光屏的顶部表面和底部表面并减小横向扩展，从而提高空间分辨率。然而，这些结构化闪烁体的理论和模拟分析已经显示，在闪烁体中生成的光量子的部分仍将横向行进并导致光学模糊。信号的这样的空间扩展影响成像器的分辨率并减小空间噪声方差。
通过考虑能量E的无限薄单能X射线锐方向性射束的信号在到达检测器平面之前如何在厚度
Figure GDA0003649398370000114
的CsI:TI结构化闪烁体中扩展，使用分析模型来近似估算噪声减小。这被已知为系统的点响应函数(PRF)并且表示其确定性磷光粉模糊。其在检测器上的任何点(x,y)的值是这些参数的函数，并且因此/>
Figure GDA0003649398370000115
如应当理解的，该闪烁体模糊将影响检测器的信号方差并且取决于检测器的像素间距p。对于由以x＝y＝0为中心的整个正方形像素入射的X射线束引起的信号，可以通过对来自像素中每个区域元素的PRF贡献进行积分来计算并通过像素间扩展函数(ISF)来表达该信号在磷光体中的任何位置(x,y)的扩展，或者
Figure GDA0003649398370000116
ISF可以被用于计算在位于i＝j＝0处的像素上入射的信号将如何扩展至其相邻像素(参见图4)。扩展引起对于检测器阵列的第i像素、第j像素的ΔSi,j的增大信号，其中这可以使用如下来计算：
Figure GDA0003649398370000117
最后，归一化版本的ΔS(ΔS')可以被视为是作为信号扩展的结果而被应用于未模糊图像的平滑内核。ΔS'可以适用于标准偏差σG的二维离散高斯内核，因为对于
Figure GDA0003649398370000121
的值，ΔS'与具有正常噪声的零频率图像卷积将使图像的标准偏差以因子
Figure GDA0003649398370000122
减小。现在可以更新由单能X射线源生成的信号的标准偏差，以包括闪烁体模糊，如下
Figure GDA0003649398370000123
其中
Figure GDA0003649398370000124
和/>
Figure GDA0003649398370000125
分别是对于期望的软组织和碘化脉管或钙化信号的ΔS的适配的高斯内核的标准偏差。
以上信号扩展模型仅可适用于单能源的情形。然而，其可以容易地通过首先定义能量相关性σG(E)来被扩大至任何源频谱，在每个能量E处，σG(E)将表示通过使用该能量的锐方向性射束的过程获得的σG。可以通过包括连续
Figure GDA0003649398370000126
作为等式(5)和等式(6)中被积函数的一部分来获得对于/>
Figure GDA0003649398370000127
和/>
Figure GDA0003649398370000128
的全多能信号方差(更多细节参见等式(17)至等式(20))。
这种用于计算信号和方差的模型可以扩展至三层检测器设计。在该实施例示例中，改善或优化了检测器，用于操作作为使用顶层和底层的信号的单摄双能量检测器。这些将被组合以帮助检测嵌入在软组织中的上述感兴趣对象。在曝光期间使用三个获得的图像中的任何一个或全部的所有其他可能的图像组合模式仍可以同时操作。这是通过中间层的独特双重功能来实现的。优化过程并未限制检测器在其他模式中的功能。然而，该示例将聚焦在检测器作为DE成像器的模式并且将优化检测器以获得如下定义的最佳可能的增强DE图像。
与在本公开的任何实施例中的情形一样，中间层具有双重功能。首先，中间层可以生成可以用于其他模式的图像或用于生成的DE图像的稍后增强的图像。其次，中间层可以用作滤波器来增大在顶层和底层上入射频谱的平均能量差。这实现了获得对于DE成像所需的低能量图像和高能量图像所需的能量分离，而无需额外的金属中间滤波器。
生成的DE图像的目的在于去除软组织中的对比(即，不感兴趣的组织类型)并且因此增强感兴趣的对象。通过利用跨诊断X射线能量范围组织的质量衰减系数(μ/ρ)的不同变化率来获得背景抑制。这被示出在图5的图中，其中碘和软组织或骨骼之间的μ/ρ上的差异看起来在频谱的低端(～40keV)比在频谱的高端(～100keV)更高。通过智能地组合来自顶层的图像(其可以视为低能量图像)和来自底层的图像(其可以视为高能量图像)，获得了具有抑制背景的增强图像。
在该示例中，选择对数减法方法来组合这两个图像并获得增强的DE图像。对数减法定义了增强DE信号(SDE)，旨在以以下方式使用低能量信号(在该情形中，来自顶层St的信号)和高能量信号(在该情形中，来自底层Sb的信号)来抑制软组织：
SDE(x，y)＝ln(Sb(x，y))-wln(St(x，y)) (10)
其中w是加权因子。该因子被定义使得在增强图像中尽可能消除软组织对比，并且优选地，该因子通过其在高能量和低能量处其衰减系数的比率给出，
Figure GDA0003649398370000131
其中EH和EL是在没有对象被成像时到达底部检测器层和顶部检测器层的平均能量。这些可以使用以下来计算：
Figure GDA0003649398370000132
其中
Figure GDA0003649398370000133
(i＝t,i,b是顶层、中间层和底层的量子效率)。注意，由于X射线源的广谱并且由于对象中的吸收，实践上，应稍微调整w的值以获得改善的消除，因为无法实现理想的100％消除。
为了能够对对数减法的结果进行建模，有必要对于在每个所述X射线路径上开发顶层和底层处的信号的期望值的表达式。对于感兴趣的每个路径(s和h)，顶层(St)内的那些像素的平均值将遵循等式(1)和等式(2)，因为该层120a等同于单层检测器。然而，对于底层(Sb)的信号需要扩展这些等式以包括由于顶层和中间层的过滤。这些将因此变成：
Figure GDA0003649398370000134
Figure GDA0003649398370000135
Figure GDA0003649398370000136
Figure GDA0003649398370000137
这些信号的各自方差也将需要考虑检测器设计，并且可以通过将等式(5)、等式(6)和等式(9)扩展为以下来计算：
Figure GDA0003649398370000138
/>
Figure GDA0003649398370000141
Figure GDA0003649398370000142
Figure GDA0003649398370000143
其中
Figure GDA0003649398370000144
表示对于适配能量E的单能曝光、厚度/>
Figure GDA0003649398370000145
的检测器以及像素间距p的ΔS′的高斯内核的标准偏差。该项和1/4π因子的添加有效地解决了闪烁体模糊。
现在描述用于使用该模型来评估图像品质的方法。增强图像的品质定义为一旦已经消除了软组织则取决于两个组织类型之间的对比。在该示例中，对比被定义为完全地位于上述感兴趣路径中的任一个中的两个像素之间的信号差(SD)，并且可以利用如下计算：
Figure GDA0003649398370000146
可以通过组合等式(13)至等式(16)以及等式(22)来容易地计算SD的平均值
Figure GDA0003649398370000147
反过来，方差/>
Figure GDA0003649398370000148
可以视为其噪声的度量。假设不同层120之间没有串扰，则顶层和底层中的噪声是不相关的，并且因此/>
Figure GDA0003649398370000149
可以使用以下计算：
Figure GDA00036493983700001410
现在可以定义一个参数，该参数可以在感兴趣对象的嘈杂背景中评估该感兴趣对象的可检测性。该参数被选择为对数减法图像的信噪比(SDNR)，并且可以计算为：
Figure GDA00036493983700001411
SDNR可以被视为是对于生成的DE图像的数值品质因数或FoM。如应当理解的，品质因数涉及表示设备、系统或方法相对于其备选例的性能的度量。该数量将因此允许将检测器的特定实施例的双能量成像器的性能与设定制造材料和参数值进行比较。
为了确定该示例中的检测器参数的优选配置，在此开发的分析模型被用于计算FoM用于改变制造参数的值。在该示例中研究的参数是顶部和中间闪烁体的厚度。底部闪烁体被固定在500μm处作为在增大的量子效率与减少的闪烁体模糊之间的合理折衷。钨阳极X射线源被用于计算，因为计算广泛用于射线照相术设置。为了计算，假设在120keV的峰值X射线管电压下操作并具有3mm铝过滤。
研究了两个示例应用。在第一个中，考虑了位于20cm软组织中增大的碘质量负荷(ImI)的碘化脉管。在第二个中，评估了改变在相同软组织中的厚度(tc)的小钙结节。所有质量衰减和质量能量吸收系数、以及所有材料和组织密度都是从已知来源获得。
其中检测器和应用参数两者在分析期间都被改变的范围在下面的表1中描述。
表1：在该示例中被用于改善或优化检测器的理论性能的检测器参数和范围(前2行)以及应用参数和范围(后2行)。
Figure GDA0003649398370000151
该分析的结果最佳地示出在图6和图7中，其中明显的是，改变每个闪烁体厚度将影响选择的FoM。因此，为各种应用参值给出最佳结果的那些检测器参值被选择为这些示例的理想选择。具体地，在碘化脉管检测的情形中，这些值是tt＝210μm以及ti＝560μm，而对于肺钙化检测的情形，这些值是tt＝225μm和tm＝440μm。
采用该方法，因此可能的是选择本公开的特定模式(在该示例中，作为DE检测器)，并且优化对于给定应用(在该示例中，碘化脉管和肺钙化检测)的特定制造参数。因此，他用作开发特殊模式可能带来的操作类型的示例。重要的是重申，所有其他图像组合模式将仍然能够在本公开的任何示例中起作用，尽管其制造参数被优化。
在前面的描述中，处于解释的目的，阐述了许多细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可能不需要这些具体细节。在其他情况下，以框图形式示出了公知的电气结构和电路，以免模糊理解。例如，没有提供关于本文描述的实施例是否实现为软件例程、硬件电路、固件或者它们的组合的具体细节。
上述实施例仅旨在是示例。本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下对特定实施例进行改变、修改和变化，所述范围仅由所附权利要求定义。

Claims (45)

1.一种用于X射线检测器的装置，包括：
顶层，用于检测X射线并基于X射线曝光生成顶层图像；
中间层，用于检测X射线并基于所述X射线曝光生成中间层图像；
底层，用于检测X射线并基于所述X射线曝光生成底层图像；以及
处理器，用于接收所述顶层图像、所述中间层图像和所述底层图像、选择所述顶层图像、所述中间层图像和所述底层图像中的至少两个图像、组合所选择的图像以生成至少一个材料减法图像以及基于所述顶层图像、所述中间层图像和所述底层图像中的至少一个图像生成全频谱X射线图像。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述顶层、所述中间层和所述底层包括直接转换X射线检测器。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述顶层、所述中间层和所述底层包括间接转换X射线检测器。
4.根据权利要求3所述的装置，进一步包括：
顶层闪烁体层，集成在所述顶层内；
中间闪烁体层，集成在所述中间层内；以及
底层闪烁体层，集成在所述底层内。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述中间层对中间能量频谱敏感。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述顶层对较低能量频谱敏感并且所述底层对高能量频谱敏感。
7.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
顶层检测器、中间层检测器和底层检测器。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述顶层检测器、所述中间层检测器和所述底层检测器由非晶硅、多晶硅、透明金属氧化物、和有机或CMOS硅半导体中的至少一种制造。
9.根据权利要求4所述的装置，其中所述顶层包括支撑所述顶层闪烁体层的顶层基底层。
10.根据权利要求4所述的装置，其中所述底层包括支撑所述底层闪烁体层的底层基底层。
11.根据权利要求4所述的装置，其中所述中间层包括支撑所述中间层闪烁体层的中间层基底层。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述中间层同时作为中间X射线能量滤波器操作。
13.一种X射线成像方法，包括：
从单个X射线曝光获得一组至少三个图像，所述一组至少三个图像包括高能量图像、中间能量图像和低能量图像；
选择所述高能量图像、所述中间能量图像和所述低能量图像中的至少两个图像；以及
组合所选择的图像以生成至少一个材料减法图像。
14.根据权利要求13所述的方法，其中操纵所述至少三个图像中的所述至少两个图像包括：
选择所述高能量图像、所述中间能量图像和所述低能量图像；以及
执行所述高能量图像、所述中间能量图像和所述低能量图像的至少叠加或加权平均以生成全频谱X射线图像。
15.根据权利要求13所述的方法，其中操纵所述至少三个图像中的所述至少两个图像包括：
选择所述高能量图像和所述低能量图像；以及
执行所述高能量图像和所述低能量图像的加权减法以生成双能量图像。
16.根据权利要求13所述的方法，其中操纵所述至少三个图像中的所述至少两个图像包括：
选择所述高能量图像、所述中间能量图像和所述低能量图像；
获得高能量空间图像数据、中间能量空间图像数据和低能量空间图像数据；
使用所述高能量空间图像数据、所述中间能量空间图像数据和所述低能量空间图像数据来识别散射的辐射；以及
使用散射噪声校正算法来生成一组散射噪声减小的图像。
17.根据权利要求13所述的方法，其中操纵所述至少三个图像中的所述至少两个图像包括：
选择所述高能量图像、所述中间能量图像和所述低能量图像；
将所述高能量图像、所述中间能量图像和所述低能量图像映射至彩色通道中；以及
基于所述映射来生成彩色X射线图像。
18.根据权利要求13所述的方法，其中操纵所述至少三个图像中的所述至少两个图像包括：
选择所述高能量图像、所述中间能量图像和所述低能量图像；
组合所述高能量图像和所述中间能量图像以生成中间-高能量图像；
组合所述低能量图像和所述中间能量图像以生成中间-低能量图像；以及
执行所述高能量图像、所述中间-高能量图像、所述中间能量图像、所述中间-低能量图像和所述低能量图像中的至少两个的加权减法以生成增强的双能量图像。
19.根据权利要求13所述的方法，其中操纵所述至少三个图像中的所述至少两个图像包括：
选择所述高能量图像、所述中间能量图像和所述低能量图像；
提取中间能量图像数据用于统计算法以增强所述低能量图像和所述高能量图像的信噪比；以及
执行增强的高能量图像和增强的低能量图像的加权减法以生成较高信噪比双能量图像。
20.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
显示至少一个增强的X射线图像。
21.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
组合所述至少三个图像以生成全频谱X射线图像。
22.一种用于X射线检测器的装置，包括：
顶层，用于检测X射线并基于X射线曝光生成顶层图像；
中间层，用于检测X射线并基于所述X射线曝光生成中间层图像；
底层，用于检测X射线并基于所述X射线曝光生成底层图像；以及
处理器，用于接收所述顶层图像、所述中间层图像和所述底层图像、选择所述顶层图像、所述中间层图像和所述底层图像中的至少两个图像、组合所选择的图像以生成至少一个材料减法图像以及基于所述顶层图像、所述中间层图像和所述底层图像中的至少一个图像生成全频谱X射线图像，
其中组合所选择的图像以生成至少一个材料减法图像包括以下步骤中的至少一者：
a)在所选择的图像之间执行加权减法；
b)对高能量图像、中间能量图像和低能量图像中的至少两个图像执行加权加法以生成增强的射线照相图像；
c)组合所述中间能量图像和所述高能量图像，并且使用所组合的中间能量和高能量图像以及所述低能量图像来执行加权减法以生成所述至少一个材料减法图像；
d)提取中间能量图像数据以用于统计算法来增强所述低能量图像的信噪比以生成增强的低能量图像并且增强所述高能量图像的信噪比以生成增强的高能量图像，组合所述增强的低能量图像和所述增强的高能量图像，并且对所组合的增强的低能量图像和增强的高能量图像执行加权减法，以生成所述至少一个材料减法图像；以及
e)执行多次材料减法以获得至少一个多材料减法图像。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述顶层包括集成在所述顶层内的顶层闪烁体层，所述中间层包括集成在所述中间层内的中间层闪烁体层，并且所述底层包括集成在所述底层内的底层闪烁体层。
24.根据权利要求23所述的装置，其中所述顶层闪烁体层、所述中间层闪烁体层和所述底层闪烁体层彼此不同。
25.根据权利要求24所述的装置，其中所述顶层闪烁体层、所述中间层闪烁体层和所述底层闪烁体层具有不同的厚度。
26.根据权利要求24所述的装置，其中所述顶层闪烁体层、所述中间层闪烁体层和所述底层闪烁体层是不同的材料。
27.根据权利要求23所述的装置，其中所述顶层闪烁体层、所述中间层闪烁体层和所述底层闪烁体层彼此相同。
28.根据权利要求22所述的装置，其中所述装置进一步包括狭缝准直X射线源。
29.根据权利要求22所述的装置，其中所述装置用于断层合成应用中。
30.根据权利要求22所述的装置，其中所述装置用于断层摄影应用中。
31.根据权利要求22所述的装置，其中所述中间层对中间能量频谱敏感。
32.根据权利要求31所述的装置，其中所述顶层对低能量频谱敏感并且所述底层对高能量频谱敏感。
33.根据权利要求22所述的装置，进一步包括：
顶层阵列读出层、中间阵列读出层和底层阵列读出层。
34.根据权利要求33所述的装置，其中所述顶层阵列读出层、所述中间层阵列读出层和所述底层阵列读出层由非晶硅、多晶硅、透明金属氧化物、有机半导体和CMOS硅半导体中的至少一种制成。
35.根据权利要求22所述的装置，其中所述顶层包括集成在所述顶层内的顶层直接转换层，所述中间层包括集成在所述中间层内的中间层直接转换层，并且所述底层包括集成在所述底层内的底层直接转换层。
36.根据权利要求35所述的装置，其中所述顶层直接转换层、所述中间层直接转换层和所述底层直接转换层彼此不同。
37.根据权利要求36所述的装置，其中所述顶层直接转换层、所述中间层直接转换层和所述底层直接转换层具有不同的厚度。
38.根据权利要求36所述的装置，其中所述顶层直接转换层、所述中间层直接转换层和所述底层直接转换层是不同的材料。
39.根据权利要求35所述的装置，其中所述顶层直接转换层、所述中间层直接转换层和所述底层直接转换层彼此相同。
40.根据权利要求35所述的装置，进一步包括：
顶层阵列读出层、中间层阵列读出层和底层阵列读出层。
41.根据权利要求40所述的装置，其中所述顶层阵列读出层、所述中间层阵列读出层和所述底层阵列读出层由非晶硅、多晶硅、透明金属氧化物、有机半导体和CMOS硅半导体中的至少一种制成。
42.根据权利要求22所述的装置，其中所述顶层、所述中间层和所述底层由间接转换层和直接转换层中的至少一种制成。
43.根据权利要求22所述的装置，其中所述中间层同时作为中间X射线能量滤波器操作。
44.一种X射线成像方法，包括：
使用权利要求22所述的装置从单个X射线曝光获得一组至少三个图像，所述一组至少三个图像包括高能量图像、中间能量图像和低能量图像；
选择所述高能量图像、所述中间能量图像和所述低能量图像中的至少两个图像；以及
组合所选择的图像以生成至少一个材料减法图像；
其中组合所选择的图像以生成至少一个材料减法图像包括以下步骤中的至少一者：
a)在所选择的图像之间执行加权减法；
b)对所述高能量图像、所述中间能量图像和所述低能量图像中的至少两个图像执行加权加法以生成增强的射线照相图像；
c)组合所述中间能量图像和所述高能量图像，并且使用所组合的中间能量和高能量图像以及所述低能量图像来执行加权减法以生成所述至少一个材料减法图像；
d)提取中间能量图像数据以用于统计算法来增强所述低能量图像的信噪比以生成增强的低能量图像并且增强所述高能量图像的信噪比以生成增强的高能量图像，组合所述增强的低能量图像和所述增强的高能量图像，并且对所组合的增强的低能量图像和增强的高能量图像执行加权减法以生成所述至少一个材料减法图像；以及
e)执行多次材料减法以获得至少一个多材料减法图像。
45.根据权利要求44所述的方法，进一步包括：
基于所述高能量图像、所述中间能量图像和所述低能量图像中的至少一个图像生成全频谱X射线图像。
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