用于对前列腺进行成像的装置
【背景技术】
前列腺是人类男性生殖系统的一个腺体。前列腺分泌弱碱性液体,这些液体在体积上约占精液的30%。精液的碱性有助于延长精子的寿命。前列腺疾病是常见的疾病,并且患病风险随着年龄增加。医学成像(例如,放射线照相)能够帮助诊断前列腺疾病。然而,由于前列腺在人体内深处,给前列腺成像可以是困难的。例如,前列腺周围的厚组织可能导致降低成像分辨率或者需要增加足够多的辐射剂量来保证成像。
【发明内容】
本文公开了一种装置,该装置包括:插入管,所述插入管被配置为插入到人体中;设置在所述插入管内的金属靶,所述金属靶经配置以通过接收辐射来放射X-射线。根据实施例,所述插入管被配置为插入到人体的直肠中。其中所述插入管被配置为插入到人体的直肠中。
根据实施例,当插入管插入人体时,所述金属靶被配置为在人体的内部。
根据实施例,所述金属靶被配置为沿所述插入管移动。
根据实施例,所述金属靶被配置为相对所述插入管旋转。
根据实施例,所述金属靶包含被配置为接收所述辐射的倾斜的表面。
根据实施例,所述辐射为电子。
根据实施例,所述装置还包括设置在所述插入管内的电子发射器,所述电子发射器被配置为发射电子并且被配置为使得所述电子向所述金属靶加速。
根据实施例,当所述插入管插入人体时,所述电子发射器被配置为留在人体的外部。
根据实施例,所述辐射是电磁辐射。
根据实施例,所述电磁辐射是另一X-射线。
根据实施例,所述金属靶被配置为发射由电磁辐射引起的荧光X-射线。
根据实施例,所述装置还包括被配置成将电磁辐射引导到金属靶的多毛细管透镜。
根据实施例,所述装置还包括被配置成产生电磁辐射的放射源。
根据实施例,当所述插入管插入人体时,所述放射源被配置为留在人体的外部。
根据实施例,所述X-射线光子具有的能量在20千电子伏特至30千电子伏特之间。
根据实施例,所述装置还包括图像传感器,所述图像传感器被配置为使用所述X-射线来获取人体的一部分的图像。
本文公开了一种方法,该方法包含:将内含有金属靶的插入管插入到人体中;通过将辐射引导到所述金属靶上使金属靶放射X-射线;用所述X-射线对人体的一部分成像。
根据实施例,所述将插入管插入人体中包含将插入管插入所述人体的直肠中。
根据实施例,所述人体的一部分是前列腺。
根据实施例,所述方法还包括沿所述插入管移动所述金属靶或相对于所述插入管旋转所述金属靶。
根据实施例,所述X-射线光子具有的能量在20千电子伏特至30千电子伏特之间。
根据实施例,所述辐射为电子。
根据实施例,所述方法还包括在所述人体外部产生电子。
根据实施例,所述辐射是电磁辐射。
根据实施例,所述电磁辐射是另一X-射线。
根据实施例,从所述金属靶发出的X-射线是由所述电磁辐射引起的所述金属靶的荧光所致。
根据实施例,所述方法还包括在所述人体外部产生电磁辐射。
根据实施例,通过使用多毛细管透镜将所述辐射引导到所述金属靶上。
【附图说明】
图1A和图1B分别根据实施例示意性地示出了装置的功能图。
图2A和图2B分别根据实施例示意性地示出了包含所述装置的系统。
图3根据实施例示意性地示出了包含有像素阵列的图像传感器。
图4A根据实施例示出了图像传感器的横截面示意图。
图4B根据实施例示出了图像传感器的详细横截面示意图。
图4C根据实施例示出了图像传感器的另一种详细横截面示意图。
图5A和图5B根据实施例分别示出了图像传感器的电子系统的部件图。
图6示意性地示出了流过所述图像传感器的辐射吸收层的电触点的电流的时间变化(上曲线),以及所述电触点上的对应电压的时间变化(下曲线)。
图7根据实施例示出了所述装置的使用方法的示例性流程图。
【具体实施方式】
图1A和图1B分别根据一个实施例示意性地示出了装置101的功能图。所述装置101具有插入管102,所述插入管102被配置成插入到人体内。所述词语"插入"可以包括完全插入或部分插入。插入管102可以具有小的直径(例如,小于50毫米)),使其适于插入人体直肠中。
插入管102具有设置在其内部的金属靶106。金属靶106可能被密封从而保护其不被人体体液侵蚀。金属靶106可通过接收辐射发射X-射线。至少有一部分插入管102对X-射线是透明的。插入管102可以对辐射是不透明的。金属靶106可包括钨,铼,钼,铜或者这些金属的组合或其它合适的金属。金属靶106可沿插入管102移动,或相对于插入管102旋转(例如,绕插入管102的轴线)。金属靶106可具有相对于插入管102成角度的倾斜表面106A。所述倾斜表面106A接收辐射并发射X-射线。金属靶106可以定向(例如,通过将其移动或旋转))从而使其发射的X-射线指向人体的一部分。所述人体的一部分可以是前列腺。X-射线的光子可以具有20千电子伏特至30千电子伏特之间的能量。根据一个实施例,插入管102的一部分或全部可以插入到人体中。当插入管102的一部分或全部插入人体时,金属靶106也可位于人体内。例如,金属靶106可位于插入管102的顶端。
如图1A所示,根据实施例,所述辐射是电子并且所述插入管102内部具有电子发射器105。电子发射器105可以基于发射电子的任何合适的机制(例如,场发射或热电子发射)来发射电子。电子发射器105可使得电子向金属靶106加速,例如,通过在电子发射器105和金属靶106之间的电势(例如30千伏至150千伏))。包含电子发射器105的一部分插入管102可以被配置为位于人体的外部,而将包含金属靶106的一部分插入管102插入到人体内。
装置101可以具有信号线103和控制单元104。控制单元104可以被配置成,通过信号线103,从插入管102接受信号、传输信号给插入管102或者控制插入管102的移动。图1A中的实施例中,控制单元104可用于控制插入管102内的金属靶106的运动,用于给电子发射器105供电,或通过信号线103来建立电子发射器105和金属靶106之间的电势。
如图1B所示,根据实施例,所述辐射是一种电磁辐射,比如另一X-射线或γ射线。所述电磁辐射可以具有比金属靶106发射的X-射线更高的光子能量(即较短的波长)。装置101可在插入管102外部具有辐射源108,并被配置为产生电磁辐射。当插入管102插入人体时,辐射源108可以保持在人的外部。在一个示例中,装置101具有多毛细管透镜107连接辐射源108和插入管102。所述多毛细管透镜107是小空心管(例如,玻璃管)的阵列,通过在所述管体的内部的多次全反射来引导特定的电磁辐射。来自辐射源108的电磁辐射可以通过多毛细管透镜107或其它合适的光学装置导向金属靶106。当金属靶106接收所述电磁辐射时,该电磁辐射会导致金属靶106放射来自X-射线荧光的X-射线。X-射线荧光(XRF)是指,例如当材料暴露于高能X-射线或γ射线时,被激发的材料发射特征荧光X-射线。如果原子暴露于具有大于其电子电离能的光子能量的X-射线或γ射线,所述材料的原子的内部轨道上的电子可以被电离,在所述内部轨道上留下空位。当所述原子的外轨道上的电子松弛来填充内部轨道上的空位时,X-射线(荧光X-射线或次级X-射线))被发射出来。发射的X-射线具有的光子能量等同于外部电子轨道与内部电子轨道电子之间的能量差。
如图2A和图2B所示,根据实施例,装置101还可以包括图像传感器200,所述图像传感器200被配置为使用插入管102内的金属靶106所发射的X-射线来获取所述人体部分(例如,前列腺)的图像。
图2A和图2B分别根据实施例示意性地示出了一个系统,所述系统包括了以上描述的装置101以及图像传感器200。插入管102可以部分或全部插入到人体的直肠1603中。图像传感器200可使用从金属靶106发射并透射过前列腺160的X-射线生成前列腺1602的图像。所述系统可用作前列腺1602上的放射显影。
图3根据一个实施例示意性地显示了图像传感器200可具有一个阵列的像素150。像素150阵列可以是一个矩形阵列150,蜂窝状阵列,六边形阵列或任何其它合适的阵列。图像传感器200可以计算在一段时间内射在像素150上的X-射线光子的数目。每个像素150可被配置用于,比如在辐射粒子射到像素之前或射到的同时,测量它的暗电流。像素150可被配置成并行运行。例如,图像传感器200可以在计入一个X-射线光子射入一个像素150的之前、之后或同时,计入另一个摄入另一个像素150的X-射线光子。像素150可以是单独可寻址的。
图4A根据实施例显示了图像传感器200的截面示意图。图像传感器200可以包括辐射吸收层110和电子器件层120(例如,专用集成电路ASIC)用于处理或分析入射在辐射吸收层110上的辐射粒子所产生的电信号。该图像传感器200可以包含或者不包含闪烁体探测器。辐射吸收层110可以包含诸如单晶硅的半导体材料。该半导体可以具有针对辐射的高的质量衰减系数。
图4B中根据实施例显示了图像传感器200的更详细的横截面示意图,如图所示,辐射吸收层110可以包含一个或多个二极管(例如,p-i-n或p-n),这些二极管是由第一掺杂区111,第二掺杂区113的一个或多个离散区域114组成。可以选用一个本征区112把第二掺杂区113和第一掺杂区111分隔开来。离散区域114彼此之间可以由第一掺杂区111或本征区112分隔。第一掺杂区111与第二掺杂区113具有相反的掺杂类型(例如,掺杂区111是p型的而掺杂区113是n型的,或着掺杂区111是n型的而掺杂区113是p型的)。在图4B的实施例中,每个第二掺杂区113的离散区域114和第一掺杂区111以及可选的本征区112形成一个二极管。也就是说,在图4B的例子中,所述辐射吸收层110具有多个二极管,这些二极管以第一掺杂区111为共享电极。第一掺杂区111可具有离散部分。辐射吸收层110可具有电触点119A,电触点119A与第一掺杂区111有电接触。辐射吸收层110可以具有多个离散的电触点119B,每个电触点119B都和离散区域114有电接触。
当辐射粒子撞击包含二极管的辐射吸收层110,辐射粒子可以被吸收,并通过多种机制生成一个或多个电荷载流子。电荷载流子在电场作用下可以漂移至电触点119A和119B。该电场可以是外加电场。在一个实施例中,电荷载流子漂移的可能方向是使得单个辐射粒子所产生的电荷载流子基本上不会被两个不同的离散区域114共享(在这里,“基本上不会被共享”是指少于2%,少于0.5%,少于0.1%,或少于0.01%的这些电荷载流子会流至和这些电荷载流子的其余部分流至的离散区域114所不同的离散区域114)。由单个辐射粒子入射至一个离散区域114对应范围所产生的电荷载流子基本不会被其他的离散区114共享。和一个离散区域114相关联的一个像素150可以是这个离散区域114周围的区域,在这个区域中基本上所有(大于98%,大于99.5%,大于99.9%,或者大于99.99%)的由辐射粒子入射至此区域所产生的电荷载流子会流至此离散区域114。也就是说少于2%,少于1%,少于0.1%,或少于0.01%的这些电荷载流子会流出该像素150。
图4C中根据实施例显示了图像传感器200的一种详细的替代性的横截面示意图,如图所示,所述辐射吸收层110可以包含半导体材料(比如单晶硅)的电阻器,但不包含二极管。该半导体可以具有针对辐射的高的质量衰减系数。辐射吸收层110可具有电触点119A,该电触点119A与该半导体的表面层上的半导体有电接触。辐射吸收层110可以具有多个电触点119B,它们在该半导体的另一表面上。
当辐射粒子撞击包含电阻器但不包含二极管的辐射吸收层110,辐射粒子可以被吸收并通过多种机制生成一个或多个电荷载流子。一个辐射粒子可能产生10到100000个电荷载流子。电荷载流子在电场作用下可以漂移至电触点119A和119B。该电场可以是外加电场。在一个实施例中,电荷载流子漂移的可能方向是使得单个辐射粒子所产生的电荷载流子基本上不会被两个不同的电触点119B共享(在这里,“基本上不会共享”是指少于2%,少于0.5%,少于0.1%,或少于0.01%的这些电荷载流子会流至和这些电荷载流子的其余部分流至的电触点119B所不同的电触点119B)。由单个辐射粒子入射至一个电触点119B所对应范围产生的电荷载流子基本不会被其他的电触点119B共享。和一个电触点119B相对应的一个像素150可以是这个电触点119B周围的区域,在这个区域中基本上所有(大于98%,大于99.5%,大于99.9%,或者大于99.99%)的由辐射粒子入射至此区域所产生的电荷载流子会流至此电触点119B。也就是说少于2%,少于0.5%,少于0.1%,或少于0.01%的这些电荷载流子会流出该电触点119B所对应的像素150。
电子器件层120可以包括电子系统121,该电子系统121适合于处理或解释由入射至辐射吸收层110的辐射所产生的信号。所述电子系统121可以包含模拟电路,诸如滤波网络、放大器、积分器和比较器,或者包含诸如微处理器和存储器的数字电路。电子系统121可以包括一个或多个模拟数字转换器(ADC)。电子系统121可以包括像素共享的组件或者专用于单一像素的部件。例如,电子系统121可以包括专用于单个像素150的放大器和所有像素150共享的微处理器。所述电子系统121可以通过通孔131电连接到所述像素150。通孔之间的空间可以填充有填充物材料130,该填充物材料130可以增强电子器件层120和辐射吸收层110连接的机械稳定性。也可以使用其它接合技术在不使用通孔的情况下将电子系统121连接到像素。
图5A和图5B分别根据实施例示出了电子系统121的组件示意图。电子系统121可包括第一电压比较器301,第二电压比较器302,计数器320,开关305,可选择使用的电压计306和控制器310。
第一电压比较器301可配置用于将至少其中一个电触点119B的电压和第一阈值进行比较。第一电压比较器301可以被配置成直接监测电压,或者通过对在一段时间内流经电触点119B的电流进行积分来计算电压。第一电压比较器301可以可控地被控制器310激活或关闭。第一电压比较器301可以是时间连续比较器。即第一电压比较器301可以被配置成持续地被激活并持续地监测电压。第一电压比较器301可以是钟控比较器。第一阈值可以是入射辐射粒子在电触点119B上可产生的最大电压的5-10%、10%-20%、20-30%、30-40%或40-50%。所述最大电压可能取决于入射辐射粒子的能量,辐射吸收层110的材料以及其它因素。例如,第一阈值可以是50毫伏、100毫伏、150毫伏、或200毫伏。
第二电压比较器302被配置成用于将上述电压与第二阈值进行比较。第二电压比较器302可以被配置成直接监测电压,或者通过对在一段时间内流经二极管或电触点119B的电流进行积分来计算电压。第二电压比较器302可以是时间连续比较器。第二电压比较器302可以可控地被控制器310激活或关闭。当第二电压比较器302被关闭时,该第二电压比较器302的功耗可以小于该第二电压比较器302被激活时的功耗的1%、5%、10%或20%。所述第二阈值的绝对值大于所述第一阈值的绝对值。在本文中,术语一个实数x的“绝对值”或“模量”|x|是指与该实数x与符号无关的其非负数数值。即,
第二阈值可以是第一阈值的200%-300%。第二阈值可以至少是一个入射辐射粒子在电触点119B上刻产生的最大电压的50%。例如,第二阈值可以是100毫伏、150毫伏、200毫伏、250毫伏或300毫伏。第二电压比较器302与第一电压比较器310可以是同一部件。即,系统121可以具有一个电压比较器,该电压比较器可在不同的时间段将一个电压与与两个不同的阈值进行比较。
第一电压比较器301或第二电压比较器302可包含一个或多个运算放大器或者任何其它合适的电路。第一电压比较器301或第二电压比较器302可具有高运行速度使得系统121可以在高入射辐射粒子辐照量的情况下运行。然而,具有高运行速度通常是以功率消耗为代价的。
计数器320被配置成可以记录至少一定数量的入射到包含有电触点119B的像素150的辐射粒子。计数器320可以是软件组件(例如,存储在计算机存储器中的数值)或者硬件部件(例如,集成电路4017IC或7490IC)。
控制器310可以是硬件组件,例如微控制器和微处理器。控制器310被配置为从第一电压比较器301确定所述电压的绝对值等于或大于第一阈值的绝对值的时刻开始启用时间延迟(例如,所述电压的绝对值从低于第一阈值的绝对值的值增加至一个等于或高于第一阈值的绝对值的值)。这里使用绝对值是因为电压可以是负的或正的,取决于使用了二极管的阴极或阳极的电压或者哪个电触点被使用了。控制器310可以被配置为在第一电压比较器301确认所述电压的绝对值等于或大于第一阈值的绝对值之前,保持使得第二电压比较器302、计数器320和任何其它第一电压比较器301不需要使用的电路处于非激活状态。时间延迟可能在电压稳定之前或之后终止,电压稳定即指电压的变化率基本为零。短语“电压变化率基本为零”意味着电压的时间变化小于0.1%每纳秒(0.1%/ns)。短语“电压变化率基本上是非零”意味着电压的时间变化至少为0.1%每纳秒(0.1%/ns)。
控制器310可被配置为在时间延迟期间(包括开始和停用)激活第二电压比较器。在一个实施例中,控制器310被配置为在时间延迟开始时激活第二电压比较器。术语"激活"意味着使所述组件进入工作状态(例如,通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平等信号,通过提供电源等)。术语"停用"意味着使所述组件进入非运行状态(例如,通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平等信号,通过切断电源等)。工作状态相较于非运行状态可具有较高(例如,10倍以上,100倍以上,1000倍以上)的功耗。控制器310本身可以处于非激活状态,直到第一电压比较器301的输出在电压绝对值等于或超过第一阈值的绝对值时激活控制器310。
控制器310可被配置为,如果第二电压比较器302在时间延迟期间内确定电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值,导致计数器320寄存的数值增加1。
控制器310可被配置为使可选择使用的电压计306在时间延迟期满时测量电压。控制器310可被配置为将电触点119B连接到电接地,来复位电压并且对累积在电触点119B上的任何电荷载流子进行放电。在一个实施例中,电触点119B在时间延迟的期满之后连接到电接地。在一个实施例中,电触点119B连接到电接地的复位时间有限。控制器310可以通过控制开关305来将电触点119B连接到电接地。所述开关可以是诸如场效应晶体管(FET)的晶体管。
在一个实施例中,系统121没有模拟滤波网络(例如,电阻-电容电路)。在一个实施例中,系统121没有模拟电路。
电压计306可以将它测量的电压作为作为模拟或数字信号提供给控制器310。
电子系统121可以包括电连接到电触点119B的积分器309,其中积分器被配置成从电触点119B收集电荷载流子。积分器309可包含在放大器的反馈路径中的电容器。所述放大器被配置为所谓的电容互阻抗放大器(CITA)。电容互阻抗放大器通过抑制放大器饱和从而具有高的动态范围,并通过限制信号通路中的带宽来提高信噪比。来自电触点119B的电荷载流子在一段时间("积分周期")内累积在电容器上。积分周期结束后,电容电压被采样再由复位开关复位。积分器309可以包括直接连接到电触点119B的电容器。
图6示意性地示出了流过电触点119B的电流的时间变化(上曲线)以及相对应的在电触点119B上的电压的时间变化(下曲线),所述电流是由入射在包含电触点119B的像素150上的辐射粒子产生的电荷载流子导致的。电压可以是电流相对于时间的积分。在时间t0,辐射粒子击中像素150,电荷载流子开始在像素150中产生,电流开始流过电触点119B,而且电触点119B的电压绝对值开始上升。在时间t1,第一电压比较器301确定该电压的绝对值等于或超过第一阈值V1的绝对值,控制器310启动时间延迟TD1,并且控制器310可能在时间延迟TD1开始时终止第一电压比较器301。如果控制器310在t1之前处于非激活状态,则控制器310在t1被激活。在时间延迟TD1期间,控制器310激活第二电压比较器302。术语“期间”在此是指在时间延迟的开始和终止(即结束)以及之间的任何时间。例如,控制器310可在TD1终止时激活第二电压比较器302。如果在TD1期间,第二电压比较器302在时间t2确定电压绝对值等于或超过第二阈值V2的绝对值,控制器310会等待代稳定电压稳定下来。电压在时间te稳定,即当由辐射粒子产生的所有电荷载流子流出辐射吸收层110时。在时间ts,时间延迟TD1期满。在时间te之时或之后,控制器310使电压计306对电压进行数字化并决定辐射粒子的能量属于哪个能量收集器。然后,控制器310使得暂存于计数器320上的与该能量收集器相对应的数值增加1。在图6的实例中,时间ts在时间te之后;即TD1结束在所有辐射粒子产生的电荷载流子流出辐射吸收层110之后。如果时间te不能容易地被测量,TD1可以根据经验来选择以允许有足够的时间来收集几乎全部的由一个辐射粒子产生的电荷载流子但又不至于太长而冒险使得有另一个辐射粒子射入。即,TD1可以根据经验选择,使得在实验上时间ts在时间te之后。时间ts也不一定在时间te之后,因为控制器310一旦达到V2就可以忽略TD1,并等待时间te。所述电压与由暗电流对该电压的贡献之间的差异的变化率因此在te处基本为零。控制器310可被配置为在TD1期满或t2时或者其间的任何时间停用第二电压比较器302。
时间te处的电压与由辐射粒子产生的电荷载流子的量成比例,与辐射粒子的能量有关。控制器310可经配置以使用电压计306来确定辐射粒子的能量。
在TD1到期或由电压计306进行数字化之后,以较后者为准,控制器310在复位周期RST将电触点119B连接到电接地使得累积在电触点119B上的电荷载流子流向地并复位电压。在复位周期RST之后,系统121准备好检测另一个入射的辐射粒子。如果第一电压比较器301已经被停用,控制器310可以在RST期满之前的任何时间激活它。如果控制器310已经被停用,它可以在RST期满之前被激活。
图7示出了根据实施例的装置101的使用方法的示例性流程图。
在步骤701中,含有金属靶106的插入管102被插入到人体中(例如,人体的的直肠中)。在可选择的步骤702中,金属靶106沿插入管102或相对于插入管102旋转。从这里开始,所述流程可以进行任选的步骤703当金属靶106接收到的辐射为电子时,或者进入任选的步骤704当金属靶106接收到的辐射为电磁辐射时。在可选步骤703中,电子在人体外部产生(例如,通过电子发射器105)。在可选步骤704中,电磁辐射在人体外部产生(例如,通过辐射源108)。在步骤705中,通过把辐射引导到所述金属靶106上,X-射线从金属靶106发射。在步骤706中,所述人体的一部分(例如,前列腺)由来自所述金属靶106的X-射线成像。
尽管本文公开了各种方面和实施例,其他方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不非限制性的,其真正范围和精神由权利要求指示。