CN118159197A - 在计算机断层扫描中使用辐射检测器的成像方法 - Google Patents

在计算机断层扫描中使用辐射检测器的成像方法 Download PDF

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CN118159197A CN202180103647.5A CN202180103647A CN118159197A CN 118159197 A CN118159197 A CN 118159197A CN 202180103647 A CN202180103647 A CN 202180103647A CN 118159197 A CN118159197 A CN 118159197A
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曹培炎
刘雨润
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Abstract

本文公开了一种方法,所述方法包括:拍摄物体(1030、1032)的第一多个2D(二维)图像,仅对波长短于或等于第一波长的入射光子进行计数(1210);由所述第一多个2D图像重建所述物体(1030、1032)的第一3D(三维)图像(1220);拍摄所述物体(1030、1032)的第二多个2D图像,仅对波长短于或等于第二波长的入射光子进行计数,其中所述第二波长短于所述第一波长(1230);由所述第二多个2D图像重建所述物体(1030、1032)的第二3D图像(1240);以及由所述第一3D图像和所述第二3D图像生成所述物体(1030、1032)的第三3D图像(1250)。

Description

在计算机断层扫描中使用辐射检测器的成像方法
【背景技术】
辐射检测器是一种测量辐射性质的装置。性质的示例可以包括辐射的强度、相位和偏振的空间分布。辐射可以是已经与物体相互作用的辐射。例如,由辐射检测器测量的辐射可以是已经穿透物体的辐射。辐射可以是电磁辐射,例如红外光、可见光、紫外光、X射线或γ射线。辐射也可以是其它类型,例如α射线和β射线。成像系统可以包括一个或多个图像传感器,每个图像传感器可以具有一个或多个辐射检测器。
【发明内容】
本文公开了一种方法,所述方法包括:拍摄物体的第一多个2D(二维)图像,仅对波长短于或等于第一波长的入射光子进行计数;由所述第一多个2D图像重建所述物体的第一3D(三维)图像;拍摄所述物体的第二多个2D图像,仅对波长短于或等于第二波长的入射光子进行计数,其中所述第二波长短于所述第一波长;由所述第二多个2D图像重建所述物体的第二3D图像;以及由所述第一3D图像和所述第二3D图像生成所述物体的第三3D图像。
在一方面,在所述拍摄所述第一多个2D图像中计数的所述入射光子是X射线光子,并且,在所述拍摄所述第二多个2D图像中计数的所述入射光子是X射线光子。
在一方面,化学元素的发射峰值在所述第一波长与所述第二波长之间。
在一方面,在所述第一波长与所述第二波长之间没有所述化学元素的其他发射峰值。
在一方面,基于所述第一3D图像与所述第二3D图像之间的差异来生成所述第三3D图像。
在一方面,所述第三3D图像是所述第一3D图像与所述第二3D图像之间的差异。
在一方面,所述拍摄所述第一多个2D图像包括:从辐射吸收层的电极的电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值时开始时间延迟;在所述时间延迟期间激活第二电路;以及如果所述电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值,则将入射在所述辐射吸收层上的光子的计数增加一,其中,如果其波长等于所述第一波长的光子入射在所述辐射吸收层上,则所述入射光子会使得所述电压的所述绝对值至多为所述第二阈值的绝对值。
在一方面,所述拍摄所述第一多个2D图像还包括在所述时间延迟期满时测量所述电压。
在一方面,所述拍摄所述第一多个2D图像还包括基于所述时间延迟期满时的所述电压的值来确定光子能量。
在一方面,在所述时间延迟期满时,所述电压的变化率基本上为零。
在一方面,在所述时间延迟期满时,所述电压的变化率基本上为非零。
在一方面,所述激活所述第二电路是在所述时间延迟开始或期满时。
在一方面,所述第二电路被配置为将所述电压的所述绝对值与所述第二阈值的绝对值进行比较。
在一方面,所述拍摄所述第一多个2D图像还包括在所述时间延迟开始或期间去激活第一电路。
在一方面,所述第一电路被配置为将所述电压的所述绝对值与所述第一阈值的绝对值进行比较。
在一方面,所述拍摄所述第一多个2D图像还包括:在所述时间延迟期满时或在所述电压的所述绝对值等于或超过所述第二阈值的绝对值时,去激活所述第二电路。
在一方面,所述拍摄所述第二多个2D图像包括:从所述电压的所述绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值时开始所述时间延迟;在所述时间延迟期间激活所述第二电路;以及如果所述电压的所述绝对值等于或超过第三阈值的绝对值,则将入射在所述辐射吸收层上的光子的计数增加一,其中,如果其波长等于所述第二波长的光子入射在所述辐射吸收层上,则所述入射光子会使得所述电压的所述绝对值至多为所述第三阈值的绝对值。
在一方面,所述第二电路电连接到所述电极。
在一方面,半导体X射线检测器包括所述第二电路和所述辐射吸收层。
在一方面,所述拍摄所述第一多个2D图像包括使用所述半导体X射线检测器拍摄所述第一多个2D图像,以及所述拍摄所述第二多个2D图像包括使用所述半导体X射线检测器来拍摄所述第二多个2D图像。
【附图说明】
图1A示意性地示出了根据实施例的半导体X射线检测器。
图1B示出了根据实施例的半导体X射线检测器100。
图2示出了根据实施例的图1A中的检测器的一部分的示例性俯视图。
图3A和图3B各自示出了根据实施例的图1A或图1B中的检测器的电子系统的部件图。
图4示意性地示出了根据实施例的流过暴露于X射线的X射线吸收层的二极管的电极或电阻器的电触点的电流的时间变化(上部曲线),以及该电极的电压的相应时间变化(下部曲线),该电流是由通过入射在X射线吸收层上的X射线光子产生的电荷载流子引起的。
图5示意性地示出了根据实施例的以图4所示的方式运行的电子系统中的由噪声(例如,暗电流)引起的流过电极的电流的时间变化(上部曲线),以及该电极的电压的相应时间变化(下部曲线)。
图6示意性地示出了根据实施例的当电子系统运行用来以更高速率检测入射的X射线光子时流过暴露于X射线的X射线吸收层的电极的电流的时间变化(上部曲线),以及该电极的电压的相应时间变化(下部曲线),该电流是由通过入射在X射线吸收层上的X射线光子产生的电荷载流子引起的。
图7示意性地示出了根据实施例的以图6所示的方式运行的电子系统中的由噪声(例如,暗电流)引起的流过电极的电流的时间变化(上部曲线),以及该电极的电压的相应时间变化(下部曲线)。
图8示意性地示出了根据实施例的在以图6所示的RST于te之前期满的方式运行的电子系统中,由入射在X射线吸收层上的一系列X射线光子产生的电荷载流子引起的流过电极的电流的时间变化(上部曲线),以及该电极的电压的相应时间变化。
图9A示出了根据实施例的适用于使用诸如如图4所示那样运行的电子系统之类的系统来检测X射线的方法的流程图。
图9B示出了根据实施例的适用于使用诸如如图6所示那样运行的电子系统之类的系统来检测X射线的方法的流程图。
图10A和图10B示出了根据实施例的运行中的成像系统。
图11示出了根据实施例的在成像系统中使用的光子的光子光谱曲线。
图12是概括成像系统的运行的流程图。
【具体实施方式】
X射线检测器
图1A示意性地示出了根据实施例的半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100可以包括X射线吸收层110以及用于处理或分析入射的X射线在X射线吸收层110中产生的电信号的电子器件层120(例如ASIC)。在实施例中,半导体X射线检测器100不包括闪烁体。X射线吸收层110可以包括半导体材料,诸如,硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。半导体对于感兴趣的X射线能量可以具有高质量衰减系数。X射线吸收层110可以包括由第一掺杂区111、第二掺杂区113的一个或多个离散区114形成的一个或多个二极管(例如,p-i-n或p-n)。第二掺杂区113可以通过可选的本征区112与第一掺杂区111分离。离散部分114通过第一掺杂区111或本征区112彼此分离。第一掺杂区111和第二掺杂区113具有相反类型的掺杂(例如,第一掺杂区111是p型,第二掺杂区113是n型,或者,第一掺杂区111是n型,第二掺杂区113是p型)。在图1A中的示例中,第二掺杂区113的每个离散区114与第一掺杂区111和可选的本征区112形成二极管。即,在图1A中的示例中,X射线吸收层110具有多个二极管,这些二极管具有作为共用电极的第一掺杂区111。第一掺杂区111也可以具有多个离散部分。
图1B示出了根据可替换实施例的半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100可以包括X射线吸收层110以及用于处理或分析入射的X射线在X射线吸收层110中产生的电信号的电子器件层120(例如ASIC)。在实施例中,半导体X射线检测器100不包括闪烁体。X射线吸收层110可以包括半导体材料,诸如,硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。半导体对于感兴趣的X射线能量可以具有高质量衰减系数。X射线吸收层110可以不包括二极管但包括电阻器。
当X射线光子撞击包括二极管的X射线吸收层110时,它可以通过多种机制被吸收并产生一个或多个电荷载流子。X射线光子可以产生10到100000个电荷载流子。电荷载流子可以在电场下漂移到其中一个二极管的电极。该电场可以是外部电场。电触点119B可以包括多个离散部分,每个离散部分与离散区114电接触。在一个实施例中,电荷载流子可以在多个方向上漂移,并使得由单个X射线光子产生的电荷载流子基本上不被两个不同的离散区114共用(这里“基本上不……共用”意指相比于这些电荷载流子的其余部分,这些电荷载流子中的小于5%,小于2%或小于1%的电荷载流子流向一个不同的离散区114)。在一个实施例中,由单个X射线光子产生的电荷载流子可以由两个不同的离散区114共用。
图2示出了具有4×4的离散区114的阵列的装置100的一部分的示例性俯视图。由入射在这些离散区114中的一个离散区114的占用空间(footprint)周围的X射线光子产生的电荷载流子基本上不与这些离散区114中的另一个离散区114共用。离散区114周围的区域被称为与该离散区114相关联的像素,在该区域中,由入射到其中的X射线光子产生的基本上全部(大于95%,大于98%或者大于99%的)电荷载流子流向该离散区114。即,这些电荷载流子中的小于5%、小于2%或小于1%的电荷载流子流出该像素。通过测量流入每个离散区114中的漂移电流,或每个离散区114的电压的变化率,可以确定被吸收的X射线光子的数量(与入射X射线强度有关)和/或与离散区114相关联的像素中的X射线光子的能量。因此,可以通过单独测量进入离散区114阵列中的每一个离散区114的漂移电流或测量离散区114阵列中的每一个离散区114的电压变化率来确定入射X射线强度的空间分布(例如,图像)。像素可以被组织成任何合适的阵列,例如正方形阵列、三角形阵列和蜂窝阵列。像素可以具有任何合适的形状,例如圆形、三角形、正方形、矩形和六角形。像素可以是可单独寻址的。
当X射线光子撞击包括电阻器但不包括二极管的X射线吸收层110时,它可以通过多种机制被吸收并产生一个或多个电荷载流子。X射线光子可以产生10到100000个电荷载流子。电荷载流子可以在电场下漂移到电触点119A和119B。该电场可以是外部电场。电触点119B包括多个离散部分。在一个实施例中,电荷载流子可以在多个方向上漂移,并使得由单个X射线光子产生的电荷载流子基本上不被电触点119B的两个不同的离散部分共用(这里“基本上不……共用”意指相比于这些电荷载流子的其余部分,这些电荷载流子中的小于5%,小于2%或小于1%的电荷载流子流向一个不同的离散部分)。在一个实施例中,由单个X射线光子产生的电荷载流子可以被电触点119B的两个不同的离散部分共用。由入射在电触点119B的这些离散部分中的一个离散部分的占用空间周围的X射线光子产生的电荷载流子基本上不与电触点119B的这些离散部分中的另一个离散部分共用。电触点119B的离散部分周围的区域被称为与该电触点119B的该离散部分相关联的像素,在该区域中,由入射到其中的X射线光子产生的基本上全部(大于95%,大于98%或者大于99%的)电荷载流子流向电触点119B的该离散部分。即,这些电荷载流子中的小于5%、小于2%或小于1%的电荷载流子流出与电触点119B的该一个离散部分相关联的像素。通过测量流入电触点119B的每个离散部分中的漂移电流,或电触点119B的每个离散部分的电压的变化率,可以确定被吸收的X射线光子的数量(与入射X射线强度有关)和/或与电触点119B的离散部分相关联的像素中的X射线光子的能量。因此,可以通过单独测量进入电触点119B的离散部分阵列中的每一个离散部分的漂移电流或测量电触点119B的离散部分阵列中的每一个离散部分的电压变化率来确定入射X射线强度的空间分布(例如,图像)。像素可以被组织成任何合适的阵列,例如正方形阵列、三角形阵列和蜂窝阵列。像素可以具有任何合适的形状,例如圆形、三角形、正方形、矩形和六角形。像素可以是可单独寻址的。
电子器件层120可以包括适合于处理或解释由入射在X射线吸收层110上的X射线光子产生的信号的电子系统121。电子系统121可以包括诸如滤波器网络、放大器、积分器和比较器的模拟电路,或者诸如微处理器和存储器的数字电路。电子系统121可以包括由多个像素共用的部件或专用于单个像素的部件。例如,电子系统121可以包括专用于每个像素的放大器和在所有像素之间共用的微处理器。电子系统121可以通过通孔131电连接到像素。通孔之间的空间可以使用填充材料130填充,这可以增加电子器件层120与X射线吸收层110的连接的机械稳定性。其它接合技术可以在不使用通孔的情况下将电子系统121连接到像素。
电子系统
图3A和图3B均示出了根据实施例的电子系统121的部件图。电子系统121可以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、电压计306和控制器310。
第一电压比较器301被配置为将二极管300的电极的电压与第一阈值进行比较。二极管可以是由第一掺杂区111、第二掺杂区113的多个离散区114中的一个,以及可选的本征区112形成的二极管。或者,第一电压比较器301被配置为将电触点(例如,电触点119B的离散部分)的电压与第一阈值进行比较。第一电压比较器301可以被配置为直接监视电压,或者通过在一段时间内对流过二极管或电触点119B的电流进行积分来计算电压。第一电压比较器301可以由控制器310可控地激活或去激活。第一电压比较器301可以是连续比较器。即,第一电压比较器301可以被配置为连续激活并连续监视电压。被配置为连续比较器的第一电压比较器301降低了系统121错过由入射X射线光子产生的信号的机会。当入射X射线强度相对较高时,被配置为连续比较器的第一电压比较器301尤其适合。第一电压比较器301可以是时钟控制比较器,其具有较低功耗的益处。被配置为时钟控制比较器的第一电压比较器301可能会使系统121错过由一些入射X射线光子产生的信号。当入射X射线强度较低时,由于两个连续光子之间的时间间隔相对较长,因此错过入射X射线光子的机会较低。因此,当入射X射线强度相对较低时,被配置为时钟控制比较器的第一电压比较器301尤其适合。第一阈值可以是一个入射X射线光子可在二极管或电阻器上产生的最大电压的5-10%、10%-20%、20-30%、30-40%或40-50%。最大电压可取决于入射X射线光子的能量(即入射X射线的波长)、X射线吸收层110的材料和其它因素。例如,第一阈值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
第二电压比较器302被配置为将电压与第二阈值进行比较。第二电压比较器302可以被配置为直接监测电压或者通过在一段时间内对流过二极管或电触点的电流进行积分来计算电压。第二电压比较器302可以是连续比较器。第二电压比较器302可以由控制器310可控地激活或去激活。当第二电压比较器302被去激活时,第二电压比较器302的功耗可以比在第二电压比较器302被激活时的功耗少1%、5%、10%或者20%。第二阈值的绝对值大于第一阈值的绝对值。如本文所使用的,实数x的术语“绝对值”或“模数”|x|是不考虑其符号的x的非负值。即,如果x>=0,则|x|=x,并且如果x<0,则|x|=-x。
第二阈值可以是第一阈值的200%-300%。第二阈值可以是一个入射X射线光子可以在二极管或电阻器上产生的最大电压的至少50%。例如,第二阈值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二电压比较器302和第一电压比较器310可以是同一部件。即,系统121可以具有一个电压比较器,其可以在不同时间将电压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可以包括一个或多个运算放大器或任何其他合适的电路。第一电压比较器301或第二电压比较器302可以具有高速以允许系统121在高通量的入射X射线下运行。然而,具有高速通常以功耗为代价。
计数器320被配置为记录到达二极管或电阻器的X射线光子的数量。计数器320可以是软件部件(例如,存储在计算机存储器中的数量)或硬件部件(例如,4017IC和7490IC)。
控制器310可以是硬件部件,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确定电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值(例如,电压的绝对值从低于第一阈值的绝对值增加为等于或高于第一阈值的绝对值的值)的时间开始时间延迟。这里使用绝对值是因为电压可以是负的或正的,这取决于是使用二极管的阴极还是阳极的电压或使用哪个电触点。控制器310可以被配置为在第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值的时间之前,将第二电压比较器302、计数器320和第一电压比较器301的运行不需要的任何其他电路保持为去激活。时间延迟可以在电压变得稳定即电压的变化率基本上为零之前或之后期满。“电压的变化率基本上为零”的短语意指电压的时间变化小于0.1%/ns。“电压的变化率基本上不为零”的短语意指电压的时间变化至少为0.1%/ns。
控制器310可以被配置为在时间延迟期间(包括开始和期满)激活第二电压比较器。在实施例中,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”意指使部件进入运行状态(例如,通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平之类的信号,通过提供电力等)。术语“去激活”意指使部件进入非运行状态(例如,通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平之类的信号,通过切断电力等)。运行状态可以具有比非运行状态更高的功耗(例如,为非运行状态的10倍,100倍,1000倍)。控制器310本身可以被去激活,直到当电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值时第一电压比较器301的输出激活控制器310为止。
控制器310可以被配置为如果在时间延迟期间,第二电压比较器302确定电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值,则使得由计数器320记录的数量增加1。
控制器310可以被配置为使得电压计306在时间延迟期满时测量电压。控制器310可以被配置为将电极连接到电接地,以便使电压复位并对在电极上累积的任何电荷载流子进行放电。在实施例中,电极在时间延迟期满之后连接到电接地。在实施例中,电极在有限的复位时间段内连接到电接地。控制器310可以通过控制开关305将电极连接到电接地。开关可以是诸如场效应晶体管(FET)的晶体管。
在实施例中,系统121不具有模拟滤波器网络(例如,RC网络)。在实施例中,系统121没有模拟电路。电压计306可以将其测量的电压作为模拟或数字信号馈送到控制器310。
系统121可以包括电连接到二极管300的电极或电触点的电容器模块309,其中电容器模块被配置为从电极收集电荷载流子。电容器模块可以在放大器的反馈路径中包括电容器。这样配置的放大器称为电容互阻抗放大器(CTIA)。CTIA通过阻止放大器饱和而具有高动态范围,并通过限制信号路径中的带宽来提高信噪比。在一段时间(“积分期”)(例如,如图4所示,在t0到t1或t1-t2之间)内来自电极的电荷载流子累积在电容器上。积分期期满后,对电容器电压进行采样,然后通过复位开关使电容器电压复位。电容器模块可包括直接连接到电极的电容器。
电极电流和电压
图4示意性地示出了由入射在二极管或电阻器上的X射线光子产生的电荷载流子引起的流过电极的电流的时间变化(上部曲线),以及电极的电压的相应时间变化(下部曲线)。电压可以是电流相对于时间的积分。在时间t0,X射线光子撞击二极管或电阻器,电荷载流子开始在二极管或电阻器中产生,电流开始流过二极管的电极或电阻器,并且电极或电触点的电压的绝对值开始增加。在时间t1,第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超过第一阈值V1的绝对值,控制器310开始时间延迟TD1,并且控制器310可以在TD1开始时去激活第一电压比较器301。如果控制器310在t1之前被去激活,则控制器310在t1被激活。在TD1期间,控制器310激活第二电压比较器302。如这里使用的术语“在……期间”意指开始和期满(即结束)以及它们之间的任何时间。例如,控制器310可以在TD1期满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确定电压的绝对值等于或超过第二阈值V2的绝对值,则控制器310使得由计数器320记录的数量增加1。在时间te,由X射线光子产生的所有电荷载流子漂移到X射线吸收层110之外。在时间ts,时间延迟TD1期满。在图4的示例中,时间ts在时间te之后;即,在由X射线光子产生的所有电荷载流子漂移到X射线吸收层110之外后,TD1期满。因此,电压的变化率在ts基本上为零。控制器310可以被配置为在TD1期满时或在t2或在其间的任何时间去激活第二电压比较器302。
控制器310可以被配置为使得电压计306在时间延迟TD1期满时测量电压。在实施例中,控制器310使电压计306在时间延迟TD1期满之后电压的变化率基本上变为零之后测量电压。此时刻的电压与由X射线光子产生的电荷载流子的量成比例,其与X射线光子的能量有关。控制器310可以被配置为基于电压计306测量的电压来确定X射线光子的能量。确定能量的一种方法是对电压进行分区。计数器320可以具有用于各分区的子计数器。当控制器310确定X射线光子的能量落入一分区中时,控制器310可以使在用于该分区的子计数器中记录的数量增加1。因此,系统121可能能够检测X射线图像并且可能能够分辨各X射线光子的X射线光子能量。
在TD1期满之后,控制器310在复位期RST内将电极连接到电接地,以使得累积在电极上的电荷载流子可以流到地并使电压复位。在RST之后,系统121准备好检测另一个入射的X射线光子。隐含地,在图4的示例中,系统121可以处理的入射X射线光子的速率被限制为1/(TD1+RST)。如果第一电压比较器301已经被去激活,则控制器310可以在RST期满之前的任何时间激活它。如果控制器310已经被去激活,则它可以在RST期满之前被激活。
图5示意性地示出了以图4所示的方式运行的系统121中的由噪声(例如,暗电流、背景辐射、散射X射线、荧光X射线、来自相邻像素的共享电荷)引起的流过电极的电流的时间变化(上部曲线),以及该电极的电压的相应时间变化(下部曲线)。在时间t0,噪声开始。如果噪声没有大到足以使电压的绝对值超过V1的绝对值,则控制器310不激活第二电压比较器302。如果在时间t1由第一电压比较器301确定噪声大到足以使电压的绝对值超过V1的绝对值,则控制器310开始时间延迟TD1,并且控制器310可以在TD1开始时去激活第一电压比较器301。在TD1期间(例如,在TD1期满时),控制器310激活第二电压比较器302。在TD1期间,噪声极不可能大到足以使电压的绝对值超过V2的绝对值。因此,控制器310不会使计数器320记录的数量增加。在时间te,噪声结束。在时间ts,时间延迟TD1期满。控制器310可以被配置为在TD1期满时去激活第二电压比较器302。如果在TD1期间电压的绝对值没有超过V2的绝对值,则控制器310可以被配置为不使电压计306测量电压。在TD1期满之后,控制器310在复位期RST内将电极连接到电接地,以使得作为噪音的结果累积在电极上的电荷载流子可以流到地并使电压复位。因此,系统121可以非常有效地抑制噪声。
图6示意性地示出了当系统121运行用来以高于1/(TD1+RST)的速率检测入射的X射线光子时,由入射在二极管或电阻器上的X射线光子产生的电荷载流子引起的流过电极的电流的时间变化(上部曲线),以及电极的电压的相应时间变化(下部曲线)。电压可以是电流相对于时间的积分。在时间t0,X射线光子撞击二极管或电阻器,电荷载流子开始在二极管或电阻器中产生,电流开始流过二极管的电极或电阻器的电触点,并且电极或电触点的电压的绝对值开始增加。在时间t1,第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超过第一阈值V1的绝对值,控制器310开始比TD1短的时间延迟TD2,并且控制器310可以在TD2开始时去激活第一电压比较器301。如果控制器310在t1之前被去激活,则控制器310在t1被激活。在TD2期间(例如,在TD2期满时),控制器310激活第二电压比较器302。如果在TD2期间,第二电压比较器302在时间t2确定电压的绝对值等于或超过第二阈值V2的绝对值,则控制器310使得由计数器320记录的数量增加1。在时间te,由X射线光子产生的所有电荷载流子漂移到X射线吸收层110之外。在时间th,时间延迟TD2期满。在图6的示例中,时间th在时间te之前;即,在由X射线光子产生的所有电荷载流子漂移到X射线吸收层110之外前,TD2期满。因此,电压的变化率在th基本上为非零。控制器310可以被配置为在TD2期满时或在t2或在其间的任何时间去激活第二电压比较器302。
控制器310可以被配置为从TD2期间作为时间函数的电压外推te处的电压,并且使用外推电压来确定X射线光子的能量。
在TD2期满之后,控制器310在复位期RST内将电极连接到电接地,以使得累积在电极上的电荷载流子可以流到地并使电压复位。在实施例中,RST在te之前期满。RST之后的电压变化率可以基本上非零,这是因为在te之前RST期满时由X射线光子产生的所有电荷载流子还没有漂移出X射线吸收层110。在te之后电压的变化率基本上变为零,并且在te之后电压稳定到残余电压VR。在实施例中,RST在te或te之后期满,并且在RST之后的电压变化率可以基本上为零,这是因为由X射线光子产生的所有电荷载流子在te漂移出X射线吸收层110。在RST之后,系统121准备好检测另一个入射的X射线光子。如果第一电压比较器301已经被去激活,则控制器310可以在RST期满之前的任何时间激活它。如果控制器310已经被去激活,则它可以在RST期满之前被激活。
图7示意性地示出了以图6所示的方式运行的系统121中的由噪声(例如,暗电流、背景辐射、散射X射线、荧光X射线、来自相邻像素的共享电荷)引起的流过电极的电流的时间变化(上部曲线),以及该电极的电压的相应时间变化(下部曲线)。在时间t0,噪声开始。如果噪声没有大到足以使电压的绝对值超过V1的绝对值,则控制器310不激活第二电压比较器302。如果在时间t1由第一电压比较器301确定噪声大到足以使电压的绝对值超过V1的绝对值,则控制器310开始时间延迟TD2并且控制器310可以在TD2开始时去激活第一电压比较器301。在TD2期间(例如,在TD2期满时),控制器310激活第二电压比较器302。在TD2期间,噪声极不可能大到足以使电压的绝对值超过V2的绝对值。因此,控制器310不会使计数器320登记的数量增加。在时间te,噪声结束。在时间th,时间延迟TD2期满。控制器310可以被配置为在TD2期满时去激活第二电压比较器302。在TD2期满之后,控制器310在复位期RST内将电极连接到电接地,以使得作为噪音的结果累积在电极上的电荷载流子可以流到地并使电压复位。因此,系统121可以非常有效地抑制噪声。
图8示意性地示出了在以图6所示的RST于te之前期满的方式运行的系统121中,由入射在二极管或电阻器上的一系列X射线光子产生的电荷载流子引起的流过电极的电流的时间变化(上部曲线),以及该电极的电压的相应时间变化(下部曲线)。由每个入射X射线光子产生的电荷载流子引起的电压曲线被该光子之前的残余电压所抵消。残余电压的绝对值随着每个入射光子而连续地增加。当残余电压的绝对值超过V1(参见图8中的虚线矩形)时,控制器开始时间延迟TD2,并且控制器310可以在TD2开始时去激活第一电压比较器301。如果在TD2期间没有其他X射线光子入射到二极管或电阻器上,则控制器在TD2结束时的复位时间段RST期间将电极连接到电接地,从而使残余电压复位。因此,残余电压不会导致计数器320记录的数量增加。
运行流程图
图9A示出了适用于使用诸如如图4所示那样运行的系统121之类的系统来检测X射线的方法的流程图。在步骤901中,例如使用第一电压比较器301将暴露于X射线的二极管的电极或电阻器的电触点的电压与第一阈值进行比较。在步骤902中,例如利用控制器310确定电压的绝对值是否等于或超过第一阈值V1的绝对值。如果电压的绝对值不等于或超过第一阈值的绝对值,则该方法返回到步骤901。如果电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值,则继续执行步骤903。在步骤903中,例如使用控制器310开始时间延迟TD1。在步骤904中,在时间延迟TD1期间(例如,在TD1期满时),例如使用控制器310激活电路(例如,第二电压比较器302或计数器320)。在步骤905中,例如使用第二电压比较器302将电压与第二阈值V2进行比较。在步骤906中,例如使用控制器310确定电压的绝对值是否等于或超过第二阈值V2的绝对值。如果电压的绝对值不等于或超过第二阈值的绝对值,则该方法前进到步骤910。如果电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值,则继续执行步骤907。在步骤907中,例如,使用控制器310使计数器320中记录的数量增加一。在可选步骤908中,例如使用电压计306测量时间延迟TD1期满时的电压。在可选步骤909中,例如使用控制器310,基于在步骤908中测量的电压来确定X射线光子能量。对于每个能量区间可以有一个计数器。在测量X射线光子能量后,光子能量所属的区间的计数器可以增加一。该方法在步骤909之后前进到步骤910。在步骤910中,例如通过将二极管的电极或电阻器的电触点连接到电接地来将电压复位到电接地。例如,当相邻像素共享从单个光子产生的电荷载流子的大部分(例如,>30%)时,可以省略步骤908和步骤909。
图9B示出了适用于使用诸如如图6所示那样运行的系统121之类的系统来检测X射线的方法的流程图。在步骤1001中,例如使用第一电压比较器301将暴露于X射线的二极管的电极或电阻器的电触点的电压与第一阈值进行比较。在步骤1002中,例如利用控制器310确定电压的绝对值是否等于或超过第一阈值V1的绝对值。如果电压的绝对值不等于或超过第一阈值的绝对值,则该方法返回到步骤1001。如果电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值,则继续执行步骤1003。在步骤1003中,例如使用控制器310开始时间延迟TD2。在步骤1004中,在时间延迟TD2期间(例如,在TD2期满时),例如使用控制器310激活电路(例如,第二电压比较器302或计数器320)。在步骤1005中,例如使用第二电压比较器302将电压与第二阈值进行比较。在步骤1006中,例如使用控制器310确定电压的绝对值是否等于或超过第二阈值V2的绝对值。如果电压的绝对值不等于或超过第二阈值的绝对值,则该方法前进到步骤1010。如果电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值,则继续执行步骤1007。在步骤1007中,例如,使用控制器310使计数器320中记录的数量增加一。该方法在步骤1007之后前进到步骤1010。在步骤1010中,例如通过将二极管的电极或电阻器的电触点连接到电接地来将电压复位到电接地。
半导体X射线检测器100可用于相衬X射线成像(PCI)(也称为相敏X射线成像)。PCI包括至少部分地使用由物体引起的X射线束的相移(包括相移的空间分布)来形成该物体的图像的技术。获得相移的一种方法是将相位转换为强度变化。
PCI可以与断层扫描技术相结合,以获得物体折射率实部的3D分布。与传统的基于强度的X射线成像(例如,射线照相)相比,PCI对物体的密度变化更敏感。PCI对于对软组织进行成像特别有用。
成像系统
图10A示出了根据实施例的成像系统1000的透视图。在实施例中,成像系统1000可以包括辐射源1015、掩模1020和半导体X射线检测器100。掩模1020可以包括掩模窗口1022。
在实施例中,物体1030+1030可以位于掩模1020与半导体X射线检测器100之间。例如,物体1030+1032可以包括纸盒1030和纸盒1030内部的银勺1032。
在实施例中,辐射源1015可以被配置为产生朝向掩模1020的辐射(例如,X射线)。来自辐射源1015的入射在掩模1020的掩模窗口1022上的这一部分辐射可以被允许穿过掩模1020(例如,掩模窗口1022可以是透明的或非不透明的),而来自辐射源1015的入射在掩模1020的其它部分上的这一部分辐射会被阻挡。结果,来自辐射源1015的入射在掩模1020上的辐射在穿过掩模1020的掩模窗口1022后变成由箭头1011表示的辐射束(因此在下文中该辐射束可以被称为辐射束1011)。
在实施例中,掩模1020的掩模窗口1022可以具有如图10A所示的矩形形状。结果,辐射束1011具有如图10A所示的截棱锥形状。在实施例中,辐射源1015、掩模1020和半导体X射线检测器100可以处于如图10A所示的第一系统布置中。
第一2D(二维)图像拍摄
在实施例中,当成像系统1000处于如图10A所示的第一系统布置时,半导体X射线检测器100可以拍摄物体1030+1032的第一2D图像(未示出)。具体地,在实施例中,辐射束1011的辐射在与物体1030+1032相互作用并穿过物体1030+1032之后可以入射到半导体X射线检测器100上。使用辐射束1011的该入射辐射,半导体X射线检测器100可以拍摄物体1030+1032的第一2D图像。
第二2D图像拍摄
在实施例中,在半导体X射线检测器100拍摄物体1030+1032的第一2D图像之后,成像系统1000可以围绕物体1030+1032旋转到如图10B所示的第二系统布置。
在实施例中,当成像系统1000处于如图10B所示的第二系统布置时,半导体X射线检测器100可以拍摄物体1030+1032的第二2D图像(未示出)。具体地,在实施例中,辐射束1012的辐射在与物体1030+1032相互作用并穿过物体1030+1032之后可以入射到半导体X射线检测器100上。使用辐射束1012的该入射辐射,半导体X射线检测器100可以拍摄物体1030+1032的第二2D图像。
在实施例中,辐射束1012可以以与产生辐射束1011(图10A)的方式类似的方式产生。
第一3D(三维)图像重建
在实施例中,在半导体X射线检测器100拍摄如上所述的物体1030+1032的第一和第二2D图像之后,半导体X射线检测器100可以由物体1030+1032的第一和第二2D图像重建物体1030+1032的第一3D图像。
第二3D图像重建
在实施例中,物体1030+1032的第二3D图像可以以与获得第一3D图像的方式类似的方式获得。具体地,在实施例中,半导体X射线检测器100可以以与半导体X射线检测器100分别拍摄第一2D图像和第二2D图像的方式拍摄物体1030+1032的第三2D图像和第四2D图像(未示出)。接下来,在实施例中,在半导体X射线检测器100拍摄第三和第四2D图像之后,半导体X射线检测器100可以由第三和第四2D图像重建第二3D图像。
光子光谱曲线
图11示出了从银勺1032(图10A和图10B)向半导体X射线检测器100传播的光子的光子光谱曲线1100。参照图10A至图11,光子光谱曲线1100是一些发射峰值和一个正则曲线的组合。
发射峰值来自化学元素银的特征光子。结果,发射峰值位于这些银特征光子的波长处。例如,发射峰值Kα是在光子的波长(0.45nm)处通过在银原子中电子从能级L(n=2)跃迁到能级K(n=1)所产生的。又例如,发射峰值Lβ是在光子的波长(0.60nm)处通过在银原子中电子从能级N(n=4)跃迁到能级L(n=2)所产生的。
光子光谱曲线1100的正则曲线是从来自银勺1032的上述银特征光子以外的光子得到的。对应于正则曲线的光子尤其可以包括(A)穿过银勺1032的辐射源1015的光子,和(B)由于与银勺1032的原子相互作用的光子的加速度而从银勺1032发射的轫致辐射光子。
第一选择性光子计数方案
在实施例中,参照图10A至图11,当半导体X射线检测器100拍摄物体1030+1032的第一和第二2D图像时,半导体X射线检测器100可以被配置为仅对其波长短于或等于第一波长的入射光子进行计数(即,不对波长大于第一波长的入射光子进行计数)。这种计数方案可以称为第一选择性光子计数方案。
在实施例中,第一选择性光子计数方案可以按如下实现。假设其波长等于第一波长的光子入射在半导体X射线检测器100的辐射吸收层110上,并且入射光子使得辐射吸收层110的二极管300(图3A和图3A)的电极电压的绝对值至多为2V。然后,可以将第二阈值设置为2V(即,第二电压比较器302被配置为当电极电压的绝对值等于或超过2V时触发光子计数增量)。
结果,当半导体X射线检测器100拍摄物体1030+1032的第一和第二2D图像时,其波长短于或等于第一波长的入射光子将使得电压的绝对值等于或超过第二阈值(2V)的绝对值,从而使得第二电压比较器302触发光子计数增量(因此实现第一选择性光子计数方案)。
第二选择性光子计数方案
在实施例中,参照图10A至图11,当半导体X射线检测器100拍摄物体1030+1032的第三和第四2D图像时,半导体X射线检测器100可以被配置为仅对其波长短于或等于第二波长的入射光子进行计数(即,不对波长大于第二波长的入射光子进行计数)。这种计数方案可以称为第二选择性光子计数方案。
在实施例中,第二选择性光子计数方案可以按如下实现。假设其波长等于第二波长的光子入射在半导体X射线检测器100的辐射吸收层110上,并且入射光子使得辐射吸收层110的二极管300(图3A和图3A)的电极电压的绝对值至多为3V。然后,可以将第二阈值设置为3V(即,第二电压比较器302被配置为当电极电压的绝对值等于或超过3V时触发光子计数增量)。
为了避免混淆,在下文中,将(V2的)3V的值称为第三阈值,而将(V2的)2V的值称为第二阈值(意味着第二阈值和第三阈值是值或常量,而不是变量)。
结果,当半导体X射线检测器100拍摄物体1030+1032的第三和第四2D图像时,其波长短于或等于第二波长的入射光子将使得电压的绝对值等于或超过第三阈值(3V)的绝对值,从而使得第二电压比较器302触发光子计数增量(因此实现第二选择性光子计数方案)。
发射峰值利用率
在实施例中,第一波长可以大于第二波长,并且发射峰值Kα可以在第一波长与第二波长之间。例如,发射峰值Kα为0.45nm,第一波长和第二波长可以分别选择为0.5nm和0.4nm,使得如图11所示发射峰Kα(λ=0.45nm)在第一波长与第二波长之间。
在实施例中,只有一个银的发射峰值(例如,发射峰值Kα)在第一波长与第二波长之间(即,银的其他发射峰值不在第一波长与第二波长之间)。例如,参照图11,只有发射峰值Kα(λ=0.45nm)在第一波长(λ=0.5nm)与第二波长(λ=0.4nm)之间,而银的其他发射峰值(例如,Kβ、Lα、Lβ等)不在第一波长与第二波长之间。
两个3D图像的差异
在实施例中,在如上所述重建物体1030+1032的第一和第二3D图像之后,可以从第一和第二3D图像产生物体1030+1032的第三3D图像。在实施例中,可以基于第一3D图像与第二3D图像之间的差异来产生第三3D图像。在实施例中,物体1030+1032的第三3D图像可以由半导体X射线检测器100产生。
在实施例中,可以基于第一3D图像与第二3D图像之间的差异来产生第三3D图像。换句话说,第三3D图像的每个图像元素是(A)第一3D图像的对应图像元素与(B)第二3D图像的对应图像元素之间的差。例如,假设第一3D图像的图像元素的值为55,第二3D图像的对应图像元素的值为46。那么,第三3D图像的对应图像元素的值为55–46=9。
在(A)半导体X射线检测器100被配置为在拍摄第一和第二2D图像时,仅对波长短于或等于第一波长的入射光子进行计数,(B)半导体X射线检测器100被配置为在拍摄第三和第四个2D图像时,仅对波长短于或等于第二波长的入射光子进行计数,以及(C)银的发射峰值(Kα)在第一波长与第二波长之间的情况下,第三3D图像的每个图像元素的值指示在物体1030+1032中的相应位置处的银的量。换句话说,第三3D图像只示出了银勺1032。
通常,参照图11,可以选择银的任何发射峰值(例如,Kβ、Lα等),然后可以选择第一波长和第二波长,使得所选择的发射峰值在第一波长与第二波长之间。然而,在上述实施例中,选择发射峰值Kα是因为该发射峰值是从正则曲线计数的最高发射峰值。
用于概括的流程图
图12是概括图10A和图10B的成像系统1000的运行的流程图1200。具体地,参照图10A至图12,在步骤1210中,可以拍摄物体的第一多个2D图像,仅对具有小于或等于第一波长的波长的入射光子进行计数。例如,在上述实施例中,物体1030+1032的第一和第二2D图像被拍摄,其中仅对波长短于或等于第一波长(例如,0.5nm)的入射光子进行计数。
在步骤1220中,可以由第一多个2D图像重建物体的第一3D图像。例如,在上述实施例中,物体1030+1032的第一3D图像由如上所述的第一和第二2D图像重建。
在步骤1230中,可以拍摄物体的第二多个2D图像,仅对具有小于或等于第二波长的波长的入射光子进行计数,其中第二波长短于第一波长。例如,在上述实施例中,物体1030+1032的第三和第四2D图像被拍摄,其中仅对波长短于或等于第二波长(例如,0.4nm)的入射光子进行计数,并且其中第二波长(0.4nm)比第一波长(0.5nm)小。
在步骤1240中,可以由第二多个2D图像重建物体的第二3D图像。例如,在上述实施例中,物体1030+1032的第二3D图像由如上所述的第三和第四2D图像重建。
在步骤1250中,可以由第一3D图像和第二3D图像产生物体的第三3D图像。例如,在上述实施例中,物体1030+1032的第三3D图像由如上所述的第一3D图像和第二3D图像产生。
可替换实施例
在上述实施例中,半导体X射线检测器100拍摄所有2D图像。通常,2D图像可以由不同的半导体X射线检测器100拍摄。
在上述实施例中,半导体X射线检测器100重建并产生3D图像。通常,3D图像可以由不同的半导体X射线检测器100重建和产生。
尽管本文已经公开了各个方面和实施例,但其他方面和实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。本文所公开的各个方面和实施例是出于说明的目的而不是限制性的,真正的范围和精神由所附权利要求指示。

Claims (20)

1.一种方法,包括:
拍摄物体的第一多个2D(二维)图像,仅对波长短于或等于第一波长的入射光子进行计数;
由所述第一多个2D图像重建所述物体的第一3D(三维)图像;
拍摄所述物体的第二多个2D图像,仅对波长短于或等于第二波长的入射光子进行计数,其中所述第二波长短于所述第一波长;
由所述第二多个2D图像重建所述物体的第二3D图像;以及
由所述第一3D图像和所述第二3D图像生成所述物体的第三3D图像。
2.根据权利要求1所述的方法,
其中,在所述拍摄所述第一多个2D图像中计数的所述入射光子是X射线光子,并且
其中,在所述拍摄所述第二多个2D图像中计数的所述入射光子是X射线光子。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,化学元素的发射峰值在所述第一波长与所述第二波长之间。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,在所述第一波长与所述第二波长之间没有所述化学元素的其他发射峰值。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,基于所述第一3D图像与所述第二3D图像之间的差异来生成所述第三3D图像。
6.根据权利要求5所述的方法,其中,所述第三3D图像是所述第一3D图像与所述第二3D图像之间的差异。
7.根据权利要求1所述的方法,其中,所述拍摄所述第一多个2D图像包括:
从辐射吸收层的电极的电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值时开始时间延迟;
在所述时间延迟期间激活第二电路;以及
如果所述电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值,则将入射在所述辐射吸收层上的光子的计数增加一,
其中,如果其波长等于所述第一波长的光子入射在所述辐射吸收层上,则所述入射光子会使得所述电压的所述绝对值至多为所述第二阈值的绝对值。
8.根据权利要求7所述的方法,其中,所述拍摄所述第一多个2D图像还包括在所述时间延迟期满时测量所述电压。
9.根据权利要求7所述的方法,其中,所述拍摄所述第一多个2D图像还包括基于所述时间延迟期满时的所述电压的值来确定光子能量。
10.根据权利要求7所述的方法,其中,在所述时间延迟期满时,所述电压的变化率基本上为零。
11.根据权利要求7所述的方法,其中,在所述时间延迟期满时,所述电压的变化率基本上为非零。
12.根据权利要求7所述的方法,其中,所述激活所述第二电路是在所述时间延迟开始或期满时。
13.根据权利要求7所述的方法,其中,所述第二电路被配置为将所述电压的所述绝对值与所述第二阈值的绝对值进行比较。
14.根据权利要求7所述的方法,其中,所述拍摄所述第一多个2D图像还包括在所述时间延迟开始或期间去激活第一电路。
15.根据权利要求14所述的方法,其中,所述第一电路被配置为将所述电压的所述绝对值与所述第一阈值的绝对值进行比较。
16.根据权利要求7所述的方法,其中,所述拍摄所述第一多个2D图像还包括:在所述时间延迟期满时或在所述电压的所述绝对值等于或超过所述第二阈值的绝对值时,去激活所述第二电路。
17.根据权利要求7所述的方法,其中,所述拍摄所述第二多个2D图像包括:
从所述电压的所述绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值时开始所述时间延迟;
在所述时间延迟期间激活所述第二电路;以及
如果所述电压的所述绝对值等于或超过第三阈值的绝对值,则将入射在所述辐射吸收层上的光子的计数增加一,
其中,如果其波长等于所述第二波长的光子入射在所述辐射吸收层上,则所述入射光子会使得所述电压的所述绝对值至多为所述第三阈值的绝对值。
18.根据权利要求17所述的方法,其中,所述第二电路电连接到所述电极。
19.根据权利要求17所述的方法,其中,半导体X射线检测器包括所述第二电路和所述辐射吸收层。
20.根据权利要求19所述的方法,
其中,所述拍摄所述第一多个2D图像包括使用所述半导体X射线检测器拍摄所述第一多个2D图像,并且
其中,所述拍摄所述第二多个2D图像包括使用所述半导体X射线检测器拍摄所述第二多个2D图像。
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