CN209928024U - 一种实现自动增益切换的x射线影像探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实现自动增益切换的X射线影像探测器。该影像探测器包括检测模块、选择开关、控制模块、多个电荷放大器和信号处理模块。该影像探测器通过对每个电荷放大器各个电荷增益档下图像灰度值在过低及饱和状态时的X射线有效剂量进行预值检测，得到各个电荷增益档对应的X射线有效剂量最小值和最大值，以便于正常拍片时，根据测量的X射线有效剂量，控制选择开关切换至与该X射线有效剂量对应的电荷增益档，实现自动、准确、高效的成像，防止图像出现饱和或亮度过低，以提高影像品质，降低坏片率，从而避免发生患者反复被辐射的情况。

Description

一种实现自动增益切换的X射线影像探测器

技术领域

本实用新型涉及一种实现自动增益切换的X射线影像探测器(以下简称X射线影像探测器)，属于辐射成像技术领域。

背景技术

X射线成像系统是用X射线探测器接收直接投影的X射线而成像。如果不考虑量子噪声，理想状态是当一个X射线点光源直接照射到探测器时，理想探测器接收信号所成的像是一个空间分布均匀的图像(通常可以采用简单的中值或低通滤波的方法来降低量子噪声)。由于实际的探测器上的每一个像素单元接收信号的灵敏度是不一样的，因此所成的像的亮度是不均匀的。

在获取X射线图像时，由于X射线强度的不同，很容易出现当前积分增益下输出的图像亮度过低或饱和的情况，从而影响成像效果。现有X射线探测器虽可以设置积分增益档，但都是在使用过程中预先设置好，且图像采集过程中不可更改的，这就造成了X射线输出完成后才可得知图像亮度大小。如果采集到的图像亮度饱和或过低，则需调整X射线强度或积分增益档下重新采集图像，从而造成患者反复被辐射的情况。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种实现自动增益切换的X射线影像探测器。

为了实现上述目的，本实用新型采用下述的技术方案：

一种实现自动增益切换的X射线影像探测器，包括检测模块、选择开关、控制模块、多个电荷放大器和信号处理模块；每个所述电荷放大器分别与对应的所述信号处理模块连接，各所述信号处理模块与所述控制模块连接，所述控制模块分别与所述检测模块、所述选择开关连接，所述选择开关分别与每个所述电荷放大器连接；

所述检测模块分别对每个所述电荷放大器的各个电荷增益档的图像灰度最小值和最大值对应的X射线强度进行测量，并通过所述控制模块计算和存储各所述电荷增益档对应的X射线有效剂量最小值和最大值；

在正常拍片时，所述控制模块根据计算的X射线有效剂量，控制所述选择开关切换至与该X射线有效剂量对应的电荷增益档。

其中较优地，在每个电荷放大器的各个电荷增益档下，通过所述电荷放大器和所述信号处理模块将得到的不同能级X射线对应的图像灰度值传输给所述控制模块，得到各所述电荷增益档对应的图像灰度最小值和最大值。

其中较优地，所述检测模块采用半导体探头实现，用于对X射线强度进行测量，并获取所述X射线强度的电压值和有效电平输出时间，所述X射线强度的电压值和有效电平输出时间的乘积为X射线的有效剂量。

其中较优地，每个所述电荷放大器包括低噪声差分输入单端输出运算放大器、复位开关、多个电容值不同的反馈电容及多个控制开关；所述低噪声差分输入单端输出运算放大器的反相输入端分别与所述复位开关和每个所述控制开关的一端连接，所述低噪声差分输入单端输出运算放大器的同相输入端与基准电压连接，所述复位开关的另一端与所述低噪声差分输入单端输出运算放大器的输出端连接，每个控制开关的另一端与对应的所述反馈电容的一端连接，所述反馈电容的另一端分别与所述低噪声差分输入单端输出运算放大器的输出端连接。

其中较优地，每个所述控制开关的一端还分别与所述选择开关的另一端连接，通过所述选择开关控制所述控制开关，以使得所述电荷放大器切换至某一个反馈电容对应的电荷增益开关。

其中较优地，每个所述信号处理模块根据如下公式得到所述光电转换模块采集的X射线对应的图像灰度值；

X＝K*Vout

其中，K表示比例系数，Vout表示经所述信号处理模块处理后的电压信号，K为正数。

其中较优地，所述控制模块根据如下公式得到不同能级X射线有效剂量大小；

E＝V*s

其中，V表示X射线强度大小的电压值，s表示X射线强度有效电平输出时间。

本实用新型所提供的X射线影像探测器通过对每个电荷放大器各个电荷增益档下图像灰度值在过低及饱和状态时的X射线有效剂量进行预值检测，得到各个电荷增益档下不会出现过低及饱和状态时对应的X射线有效剂量范围，以便于正常拍片时，根据测量的X射线有效剂量自动切换至更合适的电荷增益档，实现自动、准确、高效的成像，防止图像出现饱和或亮度过低，以提高影像品质，降低坏片率，从而避免发生患者反复被辐射的情况。

附图说明

图1为本实用新型所提供的X射线影像探测器的结构示意图；

图2为本实用新型所提供的X射线影像探测器中，每个电荷放大器的电路原理图；

图3为本实用新型所提供的X射线影像探测器实现自动增益切换的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术内容做进一步的详细说明。

如图1所示，本实用新型所提供的X射线影像探测器包括依次连接的闪烁晶体层L1、光电转换模块L2、基板L3、检测模块T，及第一选择开关IGS[0]、第二选择开关IGS[1]、对应于光电转换模块L2的多个电荷放大器10和信号处理模块20，及控制模块30；其中，光电转换模块L2对应与每个电荷放大器10的输入端连接，每个电荷放大器10的输出端与对应信号处理模块20的输入端连接，每个信号处理模块20的输出端分别与控制模块30的输入端连接，控制模块30的输入端还与检测模块T输出端连接，控制模块30的输出端与第一选择开关IGS[0]、第二选择开关IGS[1]的一端连接，第一选择开关IGS[0]、第二选择开关IGS[1]的另一端分别与每个电荷放大器10的输入端连接。

具体的说，闪烁晶体层L1用于当X射线管发射的X射线穿过投照物体后投影到本X射线影像探测器时，闪烁晶体层L1会将X射线转换为可见光。闪烁晶体层L1优选碘化铯(CsI)材料，也可以采用GOS等其他材料。

光电转换模块L2用于将接收的可见光的能量转换为等比例的电荷量，并将该电荷量传输到对应的电荷放大器10转换为电压信号。其中，光电转换模块L2可以采用与图像像素数量相同的光电转换单元组成的X射线图像阵列传感器，该X射线图像阵列传感器的面板上设置有由m×n个尺寸大小均等的像素组成的像素阵列。像素阵列由m行n列像素组成，m、n均为大于等于1的自然数。每个像素对应于一个光电转换单元，该光电转换单元L20可以采用由光电二极管组成的光电转换芯片(Photo Dioder,PD芯片)；每个光电转换单元L20分别通过门开关(如图2示出的门开关SGT，一般处于有效状态下)与对应的电荷放大器10的输入端连接，用于将每个像素的对应的电荷量传输到对应电荷放大器10转换为电压信号。

基板L3用于固定闪烁晶体层L1、光电转换模块L2及安装检测模块T；该基板L3表面平整光滑，材质可以是材料均匀的铝、铜的金属材料为佳。

检测模块T用于对X射线强度进行测量，并获取X射线强度大小的电压值及X射线强度有效电平输出时间，并将X射线强度大小的电压值及X射线强度有效电平输出时间传输到控制模块30，以便于控制模块30根据如下公式得到X射线有效剂量大小。

E＝V*s (1)

其中，V表示X射线强度大小的电压值，s表示X射线强度有效电平输出时间

需要强调的是，检测模块T对X射线强度进行测量，经过信号放大电路的放大作用后，通过A/D转换电路(模数转换电路)将经放大的X射线强度转换为电压信号，并通过比较器输出X射线强度有效电平。

检测模块T可以采用半导体探头，半导体探头可以设置在基板中的不同位置上，以形成不同规格的本X射线影像探测器。根据实际需求，可以选取合适规格的本X射线影像探测器，并通过控制模块30依据测量的X射线的有效剂量的大小，控制第一选择开关IGS[0]、第二选择开关IGS[1]自动切换本影像探测器到合适的电荷增益档。

如图2所示，每个电荷放大器10包括低噪声差分输入单端输出运算放大器A、复位开关S14、多个电容值不同的反馈电容及对应于多个反馈电容的控制开关(S11～St,t为正整数)；其中，低噪声差分输入单端输出运算放大器A的反相输入端分别与复位开关S14和每个控制开关的一端连接，低噪声差分输入单端输出运算放大器A的同相输入端与基准电压V_ICM连接，复位开关S14的另一端与低噪声差分输入单端输出运算放大器A的输出端连接，每个控制开关的一端还分别与第一选择开关IGS[0]和第二选择开关IGS[1]的另一端连接，每个控制开关的另一端与对应的反馈电容的一端连接，每个反馈电容的另一端分别与低噪声差分输入单端输出运算放大器A的输出端连接。

由于每个电荷放大器10的反馈电容的电容值不同，而本X射线影像探测器采集同一能级的X射线对应的电荷量不变，即对应于图像中的每个像素的光电转换单元所采集的X射线对应的电荷量不变，根据每个光电转换单元采集的同一能级的X射线的电荷量等于对应的电荷放大器10的反馈电容与该电荷放大器10的输出电压的乘积，可以得出，电荷放大器10的反馈电容与该电荷放大器10的输出电压成反比。

此外，如图1和图2所示，每个电荷放大器10中，低噪声差分输入单端输出运算放大器A的反相输入端通过门开关SGT与对应的光电转换单元L20连接，而每个电荷放大器10又分别与对应的信号处理模块20连接；每个光电转换单元L20将转换的每个像素对应的电荷量传输到电荷放大器10，经电荷放大器10转换为对应的电压信号后，传输到对应的信号处理模块20，通过信号处理模块20将每个像素对应的电压信号经单端转差分、放大、模数转换等处理，并根据如下公式得到每个像素对应的灰度值。

X＝K*Vout (2)

其中，K表示比例系数，Vout表示经信号处理模块处理后的电压信号，K为正数。不难发现，同一能级的X射线情况下，针对每个像素而言，每个电荷放大器10的反馈电容的电容值越大，该像素的灰度值越小。当每个电荷放大器10的反馈电容的电容值不变时，针对每个像素而言，能级越大的X射线对应的电压信号越大，使得该像素的灰度值越大。

因此，可以根据实际需求，将每个电荷放大器10的多个反馈电容的电容值设置成不同的数值，以使得本X射线影像探测器的每个电荷放大器10具有多个电荷增益档。针对每个像素而言，每个反馈电容对应于一个电荷增益档，该电荷增益档在保证图像清晰度的情况下，对应于一个图像灰度最大值与最小值；当每像素的灰度值低于最小灰度值时，使得图像亮度过低；当每个像素的灰度值高于最大灰度值时，使得图像饱和。

将本X射线影像探测器的每个电荷放大器10置于同一个电荷增益档，改变X射线的能级，通过电荷放大器10和信号处理模块20可以得到多个与不同能级X射线对应的图像灰度值，通过控制模块30分别判断由不同能级X射线对应的所有像素的灰度值所组成的图像，以确定出每个电荷增益档不会出现图像亮度过低状态时的图像灰度最小值，和不会出现图像饱和状态时的图像灰度最大值，并得到位于该图像灰度最大值与最小值之间的X射线的能级范围。

由于本X射线影像探测器会对不同能级X射线的强度分别进行测量，并将获取的不同能级的X射线强度大小的电压值及X射线强度有效电平输出时间，传输给控制模块30得到不同能级的X射线的有效剂量；因此，根据所确定的位于每个电荷增益档对应的图像灰度最大值与最小值之间的X射线能级范围，可以得到位于每个电荷增益档的图像灰度最大值与最小值之间的X射线的有效剂量范围，该剂量范围会被控制模块30直接存储，从而在使用本X射线影像探测器时，可以根据测量的X射线的有效剂量的大小自动切换至本X射线影像探测器合适的电荷增益档，以进行更准确的进行图像亮度的调节，避免图像饱和或亮度过低以提高图像品质，降低坏片率，避免因坏片而要求对病人的二次摄影。

需要强调的是，在使用本X射线影像探测器根据测量的X射线的有效剂量的大小自动切换至合适的电荷增益档时，需要保证复位开关S14处于断开状态；当需要使本X射线影像探测器恢复至初始状态(不需要切换电荷增益档的状态)时，可以控制复位开关S14处于闭合状态。

以上讲述了本实用新型所提供的X射线影像探测器的具体结构，下面详细说明该X射线影像探测器采用的自动增益切换的方法。

如图3所示，本X射线影像探测器所采用的自动增益切换的方法包括如下步骤：

步骤S1：分别对每个电荷放大器的各个电荷增益档的图像灰度最小值和最大值对应的X射线强度进行测量，计算和存储各所述电荷增益档对应的X射线有效剂量最小值和最大值。

该步骤包括如下子步骤：

步骤S11:在每个电荷放大器的各个电荷增益档下，将得到的不同能级X射线对应的图像灰度值传输给控制模块，得到各电荷增益档对应的图像灰度最小值和最大值；

将本X射线影像探测器的每个电荷放大器10置于同一个电荷增益档，调节X射线管按照最小能级到最大能级的顺序，并以相同步长改变X射线管的管电压，通过每个光电转换单元L20检测并分别获取当前电荷增益档下不同管电压(不同能级)的X射线对应的电荷量，并依次通过对应的电荷放大器10和信号处理模块20分别获取当前电荷增益档下不同管电压的X射线对应的图像灰度值。

由于每个光电转换单元L20对应于图像中的一个像素单元，因此，每个管电压的X射线对应的图像灰度值为当前管电压的X射线下所有像素的灰度值；控制模块30根据每个管电压的X射线对应的图像灰度值所组成的图像，确定出当前电荷增益档下不会出现图像亮度过低状态时的最小图像灰度值及对应的X射线管的管电压，和不会出现图像饱和状态时的最大图像灰度值及对应的X射线管的管电压。

由于X射线管的管电压等同于X射线发射的X射线的能级，因此，当前电荷增益档下图像灰度值不会出现过低和饱和状态时对应的图像灰度值范围为图像灰度最小值～图像灰度最大值，其所对应的X射线能级范围为生成图像灰度最小值时对应的X射线能级～生成图像灰度最大值时对应的X射线能级。采用上述方法，将每个电荷放大器10依次置于不同电荷增益档，可以得到每个电荷放大器10各个电荷增益档下不会出现过低及饱和状态时对应的图像灰度值范围及X射线能级范围。

步骤S12：分别获取各电荷增益档的图像灰度最小值和最大值对应的X射线强度大小的电压值及有效电平输出时间，并将获取的X射线强度大小的电压值及有效电平输出时间传输给控制模块，分别得到各个电荷增益档的图像灰度最小值和最大值对应的X射线有效剂量。

对每个电荷放大器各个电荷增益档下图像灰度值在过低及饱和状态时的X射线有效剂量进行预值检测，由于步骤S11中确定的每个电荷放大器当前电荷增益档下对应的图像灰度值范围及X射线能级范围分别为，图像灰度最小值～图像灰度最大值和生成图像灰度最小值时对应的X射线能级～生成图像灰度最大值时对应的X射线能级，因此，通过检测模块T分别对生成图像灰度最小值时对应的X射线强度和生成图像灰度最大值时对应的X射线强度进行测量，获取两个能级X射线强度大小的电压值及X射线强度有效电平输出时间，并将两个能级X射线强度大小的电压值及X射线强度有效电平输出时间传输到控制模块30，以便于控制模块根据公式(1)分别计算出这两个能级X射线的有效剂量，从而得到并存储每个电荷放大器当前电荷增益档下图像灰度最小值和最大值对应的X射线有效剂量；对应的X射线有效剂量范围为，在所计算的两个能级X射线的有效剂量之间，每个电荷放大器当前电荷增益档下图像灰度最小值和最大值对应的X射线有效剂量对应的X射线有效剂量范围会被控制模块30直接储存。同一样，采用上述方法，可以得到每个电荷放大器10各个电荷增益档下图像灰度最小值和最大值对应的X射线有效剂量，不会出现过低及饱和状态时对应的X射线有效剂量范围，并分别被储存在控制模块30中。

步骤S2：在正常拍片时，根据计算的X射线有效剂量，控制选择开关切换至与该X射线有效剂量对应的电荷增益档。

该步骤包括如下子步骤：

步骤S21：发射X射线并进行测量，将得到的该X射线强度的电压值和有效电平输出时间传输给控制模块，计算该X射线的有效剂量。

通过X射线管发射X射线，X射线穿过投照物体后，投影到本X射线图像探测器，通过检测模块T对该X射线进行测量，并将获取的该X射线强度大小的电压值及X射线强度有效电平输出时间传输到控制模块30，以便于控制模块30根据公式(1)计算出该X射线的有效剂量。

步骤S22：根据X射线的有效剂量，判断该X射线的有效剂量是否在当前电荷增益档下对应的X射线有效剂量最小值和最小值之间；如果不在，则控制选择开关切换至与该X射线有效剂量对应的电荷增益档。

控制模块30判断步骤S21中计算的X射线的有效剂量是否在其存储的每个电荷放大器10当前电荷增益档下图像灰度最小值和最大值对应的X射线有效剂量之间，如果不在所存储的当前电荷增益档下图像灰度最小值和最大值对应的X射线有效剂量之间，则认为当前电荷增益档下得到的图像灰度值达到饱和或者亮度过低，控制模块30会控

制第一选择开关IGS[0]与第二选择开关IGS[1]，将每个电荷放大器10切换至与该X射线有效剂对应的电荷增益档,保证不会因在该X射线有效剂量下输出的图像亮度偏低或饱和而影响图像显示效果，达到准确、高效图像处理及展示的目的。

假设每个电荷放大器10具有3个电荷增益档，每个电荷增益档对应的反馈电容的电容值分别为0.2pF、0.5pF和1pF；当第一选择开关IGS[0]与第二选择开关IGS[1]均为0时，可以切换至反馈电容为0.2pF所对应的电荷增益档；当第一选择开关IGS[0]为1、第二选择开关IGS[1]为0时，可以切换至反馈电容为0.5pF所对应的电荷增益档；当第一选择开关IGS[0]与第二选择开关IGS[1]均为1时，可以切换至反馈电容为1pF所对应的电荷增益档。如果每个电荷放大器10处于反馈电容为0.5pF所对应的电荷增益档时，控制模块30判断发射的X射线的有效剂量在当前电荷增益档下会使图像亮度饱和，则控制第一选择开关IGS[0]与第二选择开关IGS[1]均为1，将当前电荷增益档切换至反馈电容为1pF所对应的电荷增益档，以满足发射的X射线的有效剂量在该电荷增益档下不会使图像亮度饱和。如果每个电荷放大器10处于反馈电容为0.5pF所对应的电荷增益档时，控制模块30判断发射的X射线的有效剂量在当前电荷增益档下会使图像亮度过低，则控制第一选择开关IGS[0]与第二选择开关IGS[1]均为0，将当前电荷增益档切换至反馈电容为0.2pF所对应的电荷增益档，保证不会因在该X射线有效剂量下输出的图像亮度偏低而影响图像显示效果，达到准确、高效图像处理及展示的目的。

本实用新型所提供的X射线影像探测器通过对每个电荷放大器各个电荷增益档下图像灰度值在过低及饱和状态时的X射线有效剂量进行预值检测，得到并存储各个电荷增益档的图像灰度最小值和最大值对应的X射线有效剂量；以便于正常拍片时，根据测量的X射线有效剂量，控制第一选择开关和第二选择开关自动切换至与该X射线有效剂量对应的电荷增益档，实现自动、准确、高效的成像，防止图像出现饱和或亮度过低，以提高影像品质，降低坏片率，从而避免发生患者反复被辐射的情况。

以上对本实用新型所提供的实现自动增益切换的X射线影像探测器进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本实用新型专利权的保护范围。

Claims (7)

1.一种实现自动增益切换的X射线影像探测器，其特征在于包括检测模块、选择开关、控制模块、多个电荷放大器和信号处理模块；每个所述电荷放大器分别与对应的所述信号处理模块连接，各所述信号处理模块与所述控制模块连接，所述控制模块分别与所述检测模块、所述选择开关连接，所述选择开关分别与每个所述电荷放大器连接；

所述检测模块，用于对X射线强度进行测量，获取所述X射线强度对应的电压值和有效电平输出时间；

所述控制模块，用于根据所述电压值和所述有效电平输出时间得到的X射线有效剂量，及存储的每个所述电荷放大器的各个电荷增益档对应的X射线有效剂量的最小值和最大值，控制所述选择开关切换至对应的电荷增益档。

2.如权利要求1所述的实现自动增益切换的X射线影像探测器，其特征在于：

在每个电荷放大器的各个电荷增益档下，通过所述电荷放大器和所述信号处理模块将得到的不同能级X射线对应的图像灰度值传输给所述控制模块，得到各所述电荷增益档对应的图像灰度最小值和最大值。

3.如权利要求1所述的实现自动增益切换的X射线影像探测器，其特征在于：

所述检测模块采用半导体探头实现，用于对X射线强度进行测量，并获取所述X射线强度的电压值和有效电平输出时间，所述X射线强度的电压值和有效电平输出时间的乘积为X射线的有效剂量。

4.如权利要求1所述的实现自动增益切换的X射线影像探测器，其特征在于：

每个所述电荷放大器包括低噪声差分输入单端输出运算放大器、复位开关、多个电容值不同的反馈电容及多个控制开关；所述低噪声差分输入单端输出运算放大器的反相输入端分别与所述复位开关和每个所述控制开关的一端连接，所述低噪声差分输入单端输出运算放大器的同相输入端与基准电压连接，所述复位开关的另一端与所述低噪声差分输入单端输出运算放大器的输出端连接，每个控制开关的另一端与对应的所述反馈电容的一端连接，所述反馈电容的另一端分别与所述低噪声差分输入单端输出运算放大器的输出端连接。

5.如权利要求4所述的实现自动增益切换的X射线影像探测器，其特征在于：

每个所述控制开关的一端还分别与所述选择开关的另一端连接，通过所述选择开关控制所述控制开关，以使得所述电荷放大器切换至某一个反馈电容对应的电荷增益开关。

6.如权利要求1所述的实现自动增益切换的X射线影像探测器，其特征在于：

每个所述信号处理模块根据如下公式得到光电转换模块采集的X射线对应的图像灰度值；

X＝K*Vout

其中，K表示比例系数，Vout表示经所述信号处理模块处理后的电压信号，K为正数。

7.如权利要求1所述的实现自动增益切换的X射线影像探测器，其特征在于：

所述控制模块根据如下公式得到不同能级X射线有效剂量大小；

E＝V*s

其中，V表示X射线强度大小的电压值，s表示X射线强度有效电平输出时间。

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