CN1649542A - 用于减小图像伪像的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于形成X射线图像的X射线设备，该设备包括：X射线检测器(4)，用于把X射线变换成电信号；检测器曝光单元(5)，用于根据第一和第二曝光参数发射电磁辐射，第一曝光参数的数值由获取模式规定，而第二曝光参数不由获取模式规定；以及控制单元(13)，用于在获取模式改变后改变和控制检测器曝光单元(5)的至少一个第二曝光参数。
Description
本发明涉及用于减小X射线检测器的图像伪像(artifacts)的设备和方法。
X射线检测器是把X射线变换成可以被评估的典型的电子信号的设备。在一个时刻获取的X射线信号被称为X射线图像。X射线图像由至少一个X射线信号值构成。X射线图像的时间系列被称为X射线图像序列。
X射线检测器尤其在医学领域中的成像X射线设备中被使用。当代的检测器例如利用变换层，它主要包含闪烁材料，所述闪烁材料吸收X射线和发射基本上正比于入射的X射线的总的能量的光量子。闪烁材料典型地通过光学透明的粘结剂被附着到光电二极管(它是基于诸如硅的半导体材料)或一维或二维构建的光电二极管装置，或被汽相沉积在其上。光电二极管装置可以附加地包括电子装置，用于读出、放大和数字化光电二极管信号。光电二极管吸收光量子，并把这样的量子变换成载荷子(charge carrier)。载荷子被读出和被变换成电压。X射线信号值也称为像素值。像素典型地代表图像点。
其他的X射线检测器例如可以由直接变换材料制成。X射线检测器能够计数各个X射线量子或累计入射的X射线能量。
X射线检测器的光电二极管或光电二极管装置可以由硅制成，在这种情形下可以使用晶体的、多晶或非晶体的硅。当使用非晶体的硅(a-Si:H)时，可以制造具有特别大的表面积的X射线检测器(例如在当代的X射线照相术中使用的)。当例如由闪烁材料发射的光量子被变换时，载荷子从a-Si:H的价带上升到传导带。自由的载荷子可被读出。然而，a-Si:H具有大量的、在能带之间的本地俘获状态，在所述俘获状态中，载荷子在它们例如由于热激发而再次被发射之前的一些时间内被保持。在X射线图像序列的情形下，上述的情形使得X射线检测器呈现所谓的余辉，它取决于本地辐射历史。结果，每个像素包含不属于在瞬时照射期间内直接生成的载荷子的信号分量。如果检测器的一部分在先前的图像中被强烈照射，以及在瞬时照射期间只被曝光于小量X射线量子，则余辉信号对于总的信号可以具有决定性影响。这引起部分不合用的图像。X射线图像的这样的信号分量也被称为图像伪像。这样的不正确的图像是不能容忍的(即，尤其是在照射病人的情形下)，因为所施加的X射线剂量应当尽可能好地被转换成合用的医学数据并且不能被不必要地施加。
X射线检测器常常被使用来获取X射线图像的时间序列。该获取参数的数值(诸如图像获取时间、检测器分辨率和X射线曝光时间等)控制在其中获取序列的获取模式。在X射线图像序列的过程中常常希望改变至少一个获取参数，以便适配于改变要求，例如在介入检查期间，这就是说，例如在对病人手术介入期间所获取的X射线图像的情形下。一个获取参数的改变导致另一个检测模式。
WO 98/01992公开了一种X射线设备，它不仅包括X射线和X射线源，而且还包括发射电磁辐射的附加的辐射源。这样的附加辐射源(也称为偏置光源)可被使用来在X射线曝光之前和/或在其期间，通过附加地施加均匀的光信号来填充a-Si:H中的俘获状态，这样，通过X射线曝光生成的信号最终不能将载荷子丢失到已填充的俘获状态，其意思是X射线也被直接变换成可读的载荷子。由已填充的俘获状态发射的附加信号是高度均匀的，并且不引起图像的显著的恶化。WO98/01992解释了，获取参数(例如，图像获取时间、检测器分辨率等等)的改变(即，获取模式的改变)可能会通过附加的光和由其发射的载荷子而导致被移到俘获状态的载荷子的动态平衡的改变。这必然导致图像伪像，因为来自俘获状态的背景信号形成要被减去的偏移信号的一部分。然而，偏移信号的绝对值是在平衡状态下确定的。为了避免图像伪像，WO 98/01992提出不改变获取参数；这意味着对设备的合用性和灵活性的明显限制。
在给定的情况下(例如在介入的情形下)，可能必须从一个模式改变到另一个模式。这导致所俘获的和所发射的载荷子的比值的不平衡，并从而导致在这样的改变后的图像伪像。
所以，本发明的一个目的是提供一种用于减小X射线检测器的不想要的图像伪像的设备和方法。
本目的是藉助于用于获取X射线图像的X射线设备达到的，该设备包括：X射线检测器，用于把X射线变换成电信号；检测器曝光单元，用于根据第一和第二曝光参数发射电磁辐射，第一曝光参数的数值由获取模式规定，而第二曝光参数不由获取模式规定；以及控制单元，用于在获取模式改变时改变和控制检测器曝光单元的至少一个第二曝光参数。
为了得到尽可能好的图像，在数字X射线检测器的情形下，在获取后执行两个重要的校正：首先减去偏移信号以及随后执行增益标准化。偏移信号尤其由泄漏电流和从俘获状态发射的载荷子组成。而且，在闪烁材料中还有余辉效应。偏移图像(即在相关的获取模式下每个像素的偏移信号)在稳态下被测量以及被存储，以使得在获取序列期间它可被使用来从图像信号中减去偏移信号。获取模式由获取参数确定。获取参数例如是图像获取时间、检测器分辨率和X射线曝光时间。X射线典型地以脉冲方式被加到X射线检测器。在这种情形下，在脉冲之间具有用于读出像素信号以及也用于以后的电子复位的时间，在该复位期间剩余的电荷从光电二极管流出。在复位操作期间，优选地启动发射偏置光的的附加检测器曝光单元，以使得由检测器曝光产生的、但不是在俘获状态下被激发的载荷子也流出。有可能利用某一波长的偏置光，以使得载荷子不上升到传导带。这样的偏置光可以连续地被施加。
当俘获状态的状态密度函数处在非稳态时，在稳态时测量的偏移信号不代表瞬时偏移值。当达到新的稳态时，在减去偏移后将有信号背景，它导致附加噪声和动态范围减小。在许多情况下，图像将不再适用于医学评估。
增益归一化确保受均匀照射的X射线检测器产生均匀的输出信号，而不管检测器像素的性质。增益归一化的质量也可能受到俘获状态的非稳态的有害的影响。
获取参数的改变典型地引起由附加照射从俘获状态中的价带激发的载荷子与从俘获状态再次发射的载荷子的比值的非稳态。当具有新的获取参数的获取序列持续足够长时，将渐近地达到新的稳态。
检测器曝光单元的第一曝光参数的数值由获取模式规定。例如，当偏置光脉冲要在复位阶段出现时，偏置光脉冲间隔必须被改变成与图像获取时间一致。第二曝光参数的数值(诸如曝光强度或曝光时间)不是由获取模式的改变规定的。另一个第二曝光参数是曝光波长组成。当不同的波长的至少两个偏置光源或用于改变光源的波长的装置是可提供时可以控制偏置光的波长组成。
在获取模式改变后由图像伪像的出现所造成的问题按照本发明被处理为如下：在由曝光参数确定的获取模式改变后检测器曝光单元的至少一个第二曝光参数被改变和被控制，即使得要达到的新的稳态尽可能小地偏离以前的稳态，从而只产生小的伪像信号。
为了实行曝光参数的控制和改变，使用知道在模式改变之前和之后的曝光参数的控制单元，这样，它可以在改变和控制曝光单元的曝光参数方面执行适当的控制。
在核医学检查的情形下，放射性标记材料被注入到病人体内，以使得病人自己成为X射线源。然而，X射线照相设备具有用于病人的X射线曝光的X射线源。这是在权利要求2中描述的。
控制单元优选地也适用于控制X射线检测器和可能形成X射线设备的一部分的X射线源。这提供以下优点：所有的系统部件的控制被合并在一个部件中以及相应的参数可供使用于所有的控制和调整操作。X射线设备的部件的附加控制在权利要求3中公开。
控制获取模式的获取参数包括图像获取时间、X射线曝光时间、和检测器分辨率。这是在权利要求4中涉及的。
曝光强度、曝光时间和曝光波长组成是特别具表示性的曝光参数。这是在权利要求5中公开的。
按照本发明，当诸如曝光时间那样的第二曝光参数的改变和控制正比于获取参数(例如图像获取时间)的改变发生时是有利的。这是因为当例如图像获取时间被延长时，整体偏置光强度被正比于延长减小。曝光时间的相应的成比例的延长导致与获取参数改变之前相同的整体偏置光强度，从而导致在新的曝光模式下俘获状态密度函数的基本上相同的稳态。这个按比例的改变在权利要求6中涉及。
而且，按照本发明，当曝光参数的改变和控制在获取模式改变后作为时间的函数发生时是有利的。正如已描述的，由于闪烁材料或其他检测器元件，存在附加的影响。为了抵消这样的影响或得到用于达到稳态的特别有利的方法，曝光参数作为时间的函数被控制，即，从一个图像到下一个图像，第二曝光参数在至少一个获取参数改变后被不同地调节。曝光时间上的相应的改变可以例如藉助于在检测器上形成的所规定的校准图像而被实验地确定。控制应当收敛至恒定的最终数值。这是在权利要求7中公开的。
当事先已确定的曝光参数的改变和控制值被存储在可由控制单元读出的表格、以使得可以藉助于来自这个表格的数值对于获取模式的给定的改变进行改变和控制时，是特别有利的。这在权利要求8中描述。
正如已描述的，X射线检测器典型地在脉冲模式下工作，以及检测器曝光单元只在复位阶段时是工作的，因此确保排出所产生的载荷子。这个有利的实施例是在权利要求9中公开的。
权利要求10公开了按照本发明的、用于增强图像质量的方法。X射线检测器以脉冲或连续方式由X射线照射。另外，X射线检测器被曝光于来自检测器曝光单元的偏置光。这个曝光可以在X射线检测器没有被曝光于X射线的阶段内(即，优选地在复位阶段内)在由X射线连续照射期间发生。在获取模式改变的情形下，控制单元改变和控制至少一个第二曝光参数，以使得俘获状态的稳态可以以尽可能小的改变被调节。在检测器像素中生成的载荷子被读出，以及被变换成例如电流信号或电压信号。这样荻取的信号也可被数字化。
此后将参照某些附图详细地描述本发明的实施例。其中：
图1是按照本发明的X射线设备的示意图，
图2是二维光电二极管安排的一部分的示意图，
图3是按照本发明的X射线设备的检测器的截面图，该检测器配备有偏置光源，
图4显示用于控制按照本发明的X射线设备的时序图的一部分，
图5显示在获取参数改变之前和之后，暗图像的藉助于偏移信号校正的平均值的方差，以及
图6显示在按照本发明改变和控制曝光参数之后，图5的平均值的方差。
图1显示X射线设备，它包括X射线源1，它通过X射线束3照射物体2(特别是要被放射性检查的病人)。没有被吸收的X射线由X射线检测器4变换成电子图像信号IS。图像信号被加到图像处理单元10，它输出相应于经处理的X射线图像的图像信号电流PS。经处理的X射线图像可以被存储在存储媒体12和/或被显示在显示屏幕11上。偏置光源5被安排在检测器4的后面，以及把检测器曝光于与由控制单元13施加的曝光参数一致的偏置光下。在本实施例中的控制单元13不仅仅控制偏置光源5，而且也控制X射线检测器4和X射线源1，即，经由高压生成器14控制后者。控制单元13还包括存储器15，它被使用来存储用于改变和控制X射线设备的参数(例如，X射线设备获取参数和曝光参数)的数据和表格以及用于在以后的阶段再次读出这样的数据和表格。
偏置光源5可以以已知的方式被形成，例如，作为LED的矩阵。附加的散射片(未示出)确保曝光是非常均匀的。另一个实施例由包括两种类型的LED的矩阵构成，所述LED例如被安排成国际象棋盘的形式以及发射不同的各自波长的光。这能够特别灵活地改变检测器曝光，因此构成抵消图像伪像的有利的可能性。
图2是二维检测器安排的一部分的示意图。图2显示3×3个光电二极管21。X射线检测器可以具有100×200，1024×1024，2000×2000个光电二极管的矩阵尺寸或另外的尺寸。光电二极管21吸收入射光量子，以及把这些量子变换成载荷子。行驱动器电路25经由地址引线24控制开关元件23(在本例中由开关晶体管形成)，以及当开关元件23接通时，一行光电二极管的所收集的载荷子经由读出引线22被加到累计放大器元件26；最后多路复用器电路27接连地切换各个呈现的电压。在例如数字化的进一步步骤后可能得到图像信号流IS。行驱动器电路被耦合到控制单元13，从而能够控制行排序。
图3是X射线检测器4和被安排在检测器后面的偏置光源5的部分A(图1上由虚线表示)的详细截面图。闪烁器7吸收入射的X射线并发射光量子。图上显示由偏置光源5发射的光量子如何能直接或间接地经由优选地透明基片30(例如由玻璃制成的基片)而被入射到光电二极管结构21。
图4显示X射线设备的时序图的一部分。图上的线A显示图像触发；向上箭头表示在本例中所涉及的是上升沿触发。图像获取时间(即，在两个图像触发脉冲之间过去的时间间隔)由符号TB表示。图上的线B表示由检测器曝光单元曝光的持续时间，该持续时间由数值TL表示。图上的线C表示电子复位的持续时间(用参考符号TR表示)，在这个持续时间期间所有的载荷子都从光电二极管流出。图上的线D显示X射线曝光时间(用TX表示)；图上的线E显示图像信号读出阶段，在该阶段X射线图像信号在读出时间间隔TA期间被读出；图上的线F显示图像传输时间，在该传输时间期间图像信号被加到图像处理单元(传输时间TT)。假定，在偏置光脉冲之间的时间距离也是曝光参数。然而，因为在优选实施例中的偏置光脉冲只在电子复位阶段期间才发生，所以偏置光脉冲的时间的距离是其数值由获取模式确定的曝光参数。当图像获取时间TB改变时，偏置光脉冲之间的时间距离数值也必须改变，以便确保偏置光脉冲在复位阶段内仍旧出现。在本例中，偏置光脉冲间隔被定义为图像获取时间TB。由获取模式施加的这样的曝光参数形成第一参数组的一部分，它们不可用于由控制单元的控制和调整。
序号 模式 检测器 有效图像 最大图像速率 最大Tx
分辨率 尺寸[mm2] [图像/s] [ms]
1 全图像， 1×1 176×176 30 19.5
脉冲
2 全图像， 2×2 176×176 60 8.0
组合，脉冲
3 全图像， 1×1 176×176 30 连续
连续
4 变焦 1×1 110×110 60 6.5
表1：用于心脏检查的数字X射线检测器的各种获取模式
表1显示被专门配置成用于心脏检查的数字X射线检测器的各种获取模式。该检测器具有176×176mm2的有效表面积。列1包含当前选择的获取模式号。列2提供获取模式的概略的描述。在“全图像”的情形下，所有的像素都对图像有贡献；在“变焦”的情形下，只有有限的部分的光电二极管安排对图像有贡献。“脉冲”是指由X射线源1以脉冲方式发射X射线，而“连续”是指连续地发射X射线。“组合”描述其中多个像素被组合以便形成一个图像点的获取模式；在本例中，2×2像素被组合以便形成一个图像点。在组合模式中，可以较快地读出以及图像点具有较好的信号噪声比。列3表示检测器分辨率，即，它规定如何进行组合。列4显示有效的图像尺寸，以mm2计。列5描述最大图像速率，即，在序列获取的情形下每秒可读出的X射线图像的最大数目。最后一列表示在最大图像速率下的最大X射线曝光时间TX，以ms计。
在各种模式下调节不同的获取参数。例如，有可能组合光电二极管，以便在光电二极管级别提供实际上更大的图像点。这对于涉及到每个图像较小的施加X射线速率的应用提供特别的优点；较大的图像点又意味着不太好的分辨率，但也意味着较好的信号噪声比。在具有组合像素的模式2下，因为要读出的图像信号值数目较少，因而得到更高的每秒最大图像速率。根据读出时间TA和复位时间TB，对于给定的图像信号速率得到每个图像的最大X射线曝光时间TX。表1要被理解为可以在其间进行切换的一组获取模式的一个例子。该表不包括获取参数，诸如X射线脉冲强度、X射线管的阳极电压等等。
特别地是当图像获取时间TB被改变时，由于在新的模式中在俘获状态下由偏置光激发的载荷子对由俘获状态发射的载荷子的比值还没有稳定，因而出现图像伪像。然后图像获取时间TB增加，在偏置光脉冲之间的距离也增加，以及平均地，较少的载荷子在俘获状态下被激发。因为所俘获的载荷子的发射(像所有的衰变过程一样)满足指数规律(强度＝A.exp(-t/τ)，其中A是比例因子，以及t是自从该过程开始以来经历过的时间)，以及因为随后出现的时间常数τ相对于图像获取时间TB较大，因此在新的模式开始时，比起稳定化的状态甚至有更多的载荷子被发射。在模式改变后，经偏移校正的暗图像随后呈现附加的伪像信号，该伪像信号在理想情况下渐近地趋近于零。对按照本发明的检测器曝光单元的至少一个第二曝光参数(例如，曝光时间TL)的改变和控制使得由曝光单元加到检测器的整体光强度不改变，减小了伪像信号。
图5显示在没有按照本发明的第二曝光参数的适配时伪像信号的示例的行为。已在检测器上被平均的经偏移校正的暗图像信号的值在这里表示为相对于图像号的数字检测器值数单位(LSB)。对于两个序列中的20个图像显示出：从图像9到图像10发生模式改变。曲线K1显示对于图像获取时间TB从135ms到565ms的改变的数值，以及曲线K2属于其中进行像素尺寸改变的模式的改变，即，组合像素以形成图像点。在2×2像素的组合的情形下，图像荻取时间TB随后被减小到约一半，因为列像素可以同时被读出。作为第二曝光参数的偏置光脉冲持续时间TL并不随模式改变而改变。
图6显示在与曲线K1和K2相同的情况下测量的曲线K3和K4；曲线K1和K3属于像K2和K4那样相同的模式改变。偏置光脉冲时间TL按照本发明正比于图像获取时间TB的改变而被改变；因此，在从2×2组合像素改变到非组合的像素后，选择偏置光脉冲持续时间TL的两倍。看来是在图像获取时间TB改变的情形下，可以达到使伪像信号减小到非常小的残余的伪像，而在像素尺寸改变的情形下，达到伪像信号的较不显著的减小。这是由于在像素尺寸改变的情形下其他效应对伪像信号有附加贡献。
具有与以前的模式相同的整体光量的偏置光的脉冲持续时间TL的正比例的延长典型地导致不完全相同的稳态，这是因为：因为在较长的时间间隔内俘获状态的较大的部分被腾空，因此，由于在脉冲之间的改变的时间间隔也得到其他俘获状态密度函数。因此，下一个偏置光脉冲遇到自由的俘获状态的不同的布局。所以，动态稳态对于相同的整体偏置光曝光是不完全相同的。为了改进该改变，可以进行不直接正比于图像获取时间TB改变的改变，或可以以这样的方式控制该改变，以使得以最佳方式达到新的稳态。当较长的或较短的偏置光脉冲持续时间TL在简短的时间段内被调节时，该持续时间缓慢地收敛到最终数值，或当偏置光脉冲持续时间TL被调节成以逐渐更小的距离从(和围绕)最终数值起伏时，经偏移校正的信号方差可被更精确地控制到零线。这样控制的改变值导致甚至更好的伪像抑制。这样控制的改变的精确的数值可以在检测器校准过程中被确定。检测器校准是在带有和不带有X射线曝光的情况下从所规定的测量确定检测器的参数的必要的步骤，这些参数(即，对于每个像素的偏移值、对于每个像素的增益值等等)是在用于图像信号的进一步处理的以后的阶段中所需要的，
总之，得到改进的X射线设备，包括具有检测器曝光单元的X射线检测器，检测器曝光单元被控制单元控制成使得与现有技术相比较，在获取模式改变后达到图像伪像的减小。图像质量得到提高并且允许在没有形成不再适用于医学评估的X射线图像的风险下改变模式。
Claims (10)
1.用于形成X射线图像的X射线设备，该设备包括
X射线检测器(4)，用于把X射线变换成电信号，
检测器曝光单元(5)，用于根据第一和第二曝光参数发射电磁辐射，第一曝光参数的数值由获取模式规定，而第二曝光参数不由获取模式规定，以及
控制单元，用于在获取模式改变后改变和控制检测器曝光单元(5)的至少一个第二曝光参数。
2.如权利要求1中要求的X射线设备，其特征在于，X射线设备附加地包括X射线源(1)。
3.如权利要求1或2中要求的X射线设备，其特征在于，控制单元(13)被附加地安排成控制X射线设备的至少一个另外的部件(1，4)。
4.如权利要求1中要求的X射线设备，其特征在于，图像获取时间和/或X射线曝光时间和/或检测器分辨率是确定获取模式的获取参数。
5.如权利要求1中要求的X射线设备，其特征在于，控制单元(13)被安排成改变和控制检测器曝光单元(5)的曝光强度和/或曝光时间和/或曝光波长组成。
6.如权利要求1中要求的X射线设备，其特征在于，曝光参数正比于获取参数的改变而被改变和控制。
7.如权利要求1中要求的X射线设备，其特征在于，曝光参数的改变和控制满足一个函数，该函数从获取模式改变向一个恒定的最终值收敛。
8.如权利要求1中要求的X射线设备，其特征在于，控制单元(13)被安排成从存储媒体(15)中读出用于改变和控制曝光参数的数值。
9.如权利要求1中要求的X射线设备，其特征在于，检测器曝光单元(5)只在X射线检测器(4)的电子复位阶段内是工作的。
10.藉助于用于形成X射线图像的X射线设备把X射线变换成电信号的方法，该方法包括以下步骤：
用X射线照射X射线检测器(4)，
根据第一和第二曝光参数，利用发射电磁辐射的检测器曝光单元(5)附加地照射X射线检测器，该第一曝光参数的数值不由获取模式规定，
在获取模式改变后，改变和控制检测器曝光单元(5)的至少一个第二曝光参数，
读出由X射线检测器(4)产生的电信号。
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