TWI413407B - 數位放射線攝影x射線成像感測器及偵測一具有成像像素的一二維陣列之數位放射線攝影成像面板上的x射線照射之方法 - Google Patents

Description

數位放射線攝影X射線成像感測器及偵測一具有成像像素的一二維陣列之數位放射線攝影成像面板上的X射線照射之方法

本發明之一般領域係數位影像放射線攝影，且特定而言係關於數位放射線攝影系統，在該等系統中數位成像面板及隨附電子元件與主放射線攝影系統無線通信且可與各種製造商之X射線系統互換使用。

數位放射線攝影作為對依賴照相膠片層來捕獲輻射曝光以產生及儲存一物體之內部實體特徵之影像的基於照相之成像技術之替代，正逐漸被人們接受。藉由數位放射線攝影，在輻射敏感層上捕獲之輻射影像曝光逐個像素地轉換為電子影像資料，該電子影像資料隨後儲存於記憶體組中以便隨後讀出及顯示於合適的電子影像顯示裝置上。數位放射線攝影之成功的一個推動力為以下能力：快速視覺化並可經由資料網路將儲存之影像傳遞至一個或多個遠端位置以供放射學家分析及診斷，而不存在由於必須經由郵件或信差發送實體膠片以到達地處遙遠之放射學家所造成之延遲。

數位放射線攝影面板具有組織成多列與多行之二維偵測元件("像素")陣列。為了自面板讀出影像資訊，通常按順序選擇像素列，且每一行上之相應像素連接至一電荷放大器。每一行之電荷放大器之輸出被施加至類比至數位轉換器以產生數位化影像資料，該資料隨後可被儲存並按需要經適當影像處理以供隨後顯示。

為了使影像獲取及隨後自成像面板之資料讀出同步，必需使對面板操作之控制與來自包含於數位放射線攝影成像系統中之遠端X射線源的照射成像X射線的發生相同步。此可藉由經由纜線傳遞指示X射線源之開始及停止的控制信號來完成。最近，已提出無線成像盒，其藉由使用成像盒中之X射線感測器來偵測來自遠端X射線源之照射X射線之開始及終止而獨立於主系統進行操作。可在美國專利第6,069,935號中找到此種無線及/或獨立X射線照射感測之實例。在一個此種實例中，由一電腦監視位於成像盒中成像面板外之專用X射線事件觸發二極體，以偵測入射輻射並輸出指示輻射之入射的信號。此種系統具有某些缺點。包含觸發二極體使生產率降低，從而使盒過於昂貴。而且，該等二極體本身可能被受測物件之某些不透輻射之部分阻擋，或可能完全處於輻射束之場域以外。在此專利所述之另一實例中，成像面板本身之感測器係藉由使用幀獲取技術連續讀出。藉由自全部面板感測器連續讀出資料幀以及藉由檢查該等資料幀而確定面板是否曝露於X射線，來完成關於成像感測器是否曝露於X射線之確定。一個缺點為必須連續讀出感測器，此消耗相對大量的電功率，此對於獨立於主成像系統而操作之電池供電之成像盒而言可能為嚴重問題。

在美國專利第6,404,845 B1號中可見另一實例，其中在等待曝光時期期間監視成像面板中之某些參考像素，其中將參考像素之值與預定臨限位準進行比較。當預定數目之參考像素超過該臨限位準時，確定曝光位準已開始。然而，此方法亦消耗大量功率，且因此係不夠理想之解決方法。

在美國專利申請案第2004/0065836 A1號中可見另一實例。在此實例中，藉由監視面板中成像像素所汲取之電流量來偵測成像面板上X輻射之發生，且當所汲取之電流量超過預定量時產生X射線發生信號。然而，此申請案中揭示之實例限於與CMOS或CCD感測器一起使用，且不適用於其它類型感測器，例如廣泛用於無膠片成像X射線感測器面板中之非晶系或晶體矽光電二極體或金屬絕緣半導體(MIS)感測器。

因此需要一種能夠獨立於主成像系統而操作之無線X射線成像感測器面板，其具有製造之成本效益且可可靠地偵測來自主成像系統中X射線源之照射X射線之發生。

根據本發明之一態樣，提供一種數位放射線攝影X射線成像感測器，其經調適以獨立偵測來自一遠端X射線源之照射X射線之存在，且該數位放射線攝影X射線成像感測器包含一成像面板，該成像面板包括成像像素的一二維陣列，其中該等像素之每一者均具有一本質電容器，該本質電容器由該等照射X射線直接或間接充電以建立一正被X射線照射之物件之一影像。該X射線成像感測器亦包括：一參考電壓之源；一電荷平衡電容器，其在一共同節點處連接至該等像素本質電容器；及一控制單元，其用於回應於該等像素電容器與該電荷平衡電容器之間的電荷平衡變化而改變對該電荷平衡電容器之一電荷注入位準，以便在該共同節點上維持一由該參考電壓確定之恆定電荷電壓。該影像感測器進一步包括一控制信號產生器，其回應於該控制單元以當該電荷注入位準超過一預定臨限值時指示該成像面板上照射X射線之存在。

在本發明之當前較佳實施例中，所描述類型之X射線成像感測器具備：一成像面板，該成像面板包括成像像素的一二維陣列，該等像素之每一者均具有一本質電容器，該本質電容器由照射X射線直接或間接充電以建立一正被X射線照射之物件之一影像及一外部電容器，其在一共同節點處連接至像素本質電容器。該X射線成像感測器進一步具備一照射X射線偵測單元，其包括：一參考電壓源；一電荷電壓源，其耦接至該共同節點；及一脈衝寬度調變脈衝串之源，其可切換地連接至該電荷電壓源及該共同節點以改變對該外部電容器之電荷注入，從而在該共同節點上建立一代表該外部電容器與該等像素電容器之間電荷平衡的電壓。該偵測單元亦包括一控制器，該控制器在等待照射X射線開始之時期期間可操作以將該脈衝串之脈衝寬度設定於一將該共同節點電壓維持於一由該參考電壓確定之預定值所必需之第一持續時間，且用於在該面板上X射線之照射期間將該脈衝寬度調整至一將該共同節點電壓維持於此預定值所必需之第二持續時間。該偵測單元最後包括一脈衝寬度偵測電路，其回應於該第二脈衝寬度持續時間以輸出一指示來自該遠端源之X射線照射之X射線偵測信號。

參看圖1，X射線成像感測器10包含平板X射線成像面板12，其中離散的X射線像素分別排列於具有列14及行16之二維陣列中。如數位放射線攝影技術中熟知，像素中之材料將照射X射線轉換為最初儲存於像素之電荷元件中以供隨後讀出的電子，此讀出通常在開關控制單元18之控制下逐列地完成。按順序每次一列地將每一行中的像素之電荷傳遞至單元20中之電荷放大器(前置放大器)電路(每行有一個)，且隨後由類比至數位(A/D)轉換器將每一像素之電荷值轉換成本機地儲存在RAM記憶體中之數位資料，以用於隨後在儲存在資料儲存單元24中之前傳送至系統數位影像資料處理器22以進行合適的影像處理操作。

根據本發明，下文更詳細描述之X射線偵測單元30操作以監視成像面板12以偵測來自遠端X射線源之照射X射線之開始，從而產生施加於成像控制器32之輸出控制信號。成像控制器32又回應於來自偵測單元30之控制信號而操作以用已知方式控制自面板12讀出成像像素電荷值之時序(連同其它已知功能)。

現參看圖2，一X射線感測像素(成像面板12中幾百萬個中之一個)由等效電路40表示，該等效電路40包括本質電容(電容器)42、反向偏壓二極體44及洩漏電流阻抗46。如所熟知，像素元件可為非晶系或晶體光電二極體(間接放射線攝影)或用於直接放射線攝影之金屬絕緣半導體(MIS)。

外部電荷平衡電容器50連接至節點52，節點52由成像面板12中之所有感測器像素40之本質電容器42共用。電荷儲集器54用作電荷電壓源，其經由隔離二極體56耦接至節點52。節點52經由感測電壓線58耦接至控制器32中之比較器，以用於與用於在節點52上設定像素偏置電壓的參考電壓60進行比較。在控制器32中產生可變寬度脈衝串，並經由線62將其施加於固態FET開關64以控制自儲集器54至電荷平衡電容器50之電荷注入之位準。

對儲集器54之電壓輸入產生電荷儲集，電荷藉由在線62上之可變寬度脈衝之控制下斷開及閉合開關64而計量供給至電荷平衡電容器50，該等可變寬度脈衝係同步於系統時脈69而在控制器32中產生。此等脈衝由反相器66反轉從而以與斷開及閉合開關64之順序相反的順序閉合及斷開FET開關68。因此當開關64斷開以阻止電荷注入至電容器50時，開關68閉合以將二極體56之陽極連接至地，以進一步加強電荷儲集器與電容器50及像素電容器42之隔離。假定對電荷儲集器之輸入電壓及節點52上之電壓二者均為正，則像素二極體44表示像素被反向偏壓。電容器42表示二極體44中之固有或本質電容，且阻抗46表示用於模型化洩漏電流之二極體漏電阻。當複數個像素由節點52上之電壓偏壓時，等效電路40亦可用於表示每一像素之電容及電阻之並聯組合。舉例而言，在具有250萬個像素之扁平面板中，若每一像素具有1 pF之電容，則等效電容將為2.5 μF。類似地，分路電阻或漏電阻將為個別像素之電阻除以250萬。電荷電容器50可為標稱值，例如100 pF。

在成像面板上無X射線照射時之操作週期期間，一行中之每一個別像素將其與共同節點52相對之節點45經由FET開關47連接至用於該行之相關電荷前置放大器20a之讀出輸入處的虛擬接地電位。因此在等待成像面板像素之曝光發生以照射成像X射線期間，所有像素保持在正常ON狀態(儘管被反向偏壓)。

在操作中，當面板閒置及等待節點52上之偏壓穩定時，在控制器32中將節點52上之電壓與線60上之參考電壓相比較。控制器32隨後回應於此比較而操作以改變施加於開關64及68之脈衝之寬度，以便將合適量之電荷注入電容器50以導致節點52上之電壓穩定在等於參考電壓60之值。

當節點上之電壓達到等於參考電壓60之值時，自控制器32發出之脈衝寬度處於理想為零之第一值，或(實際而言)處於僅足以補償在此狀態期間漏出成像面板中之寄生元件之電荷所需之極窄的寬度。

當面板閒置且等待曝露於照射X射線時，開關47及49保持閉合。此允許連接至開關47之像素之節點45由於放大器20之動作而處於虛擬接地電位。放大器20a中之開關49之閉合允許偏置電流旁路電容器51以便防止放大器飽和。

在對成像面板像素之成像X射線曝光開始時，電荷產生於每一像素電容器42上。此導致由於電容器50(一方面)與所有像素電容器42之並聯電容(另一方面)之間的電荷平衡而引起之電容器50上與共同節點52處之電壓改變。節點52上之電壓改變之量值取決於電容器50之相對大小及像素電容器42之並聯電容。像素之電容之較小值將引起較小的電壓改變。節點52上之電壓改變會導致線62上脈衝寬度之相應改變，以便增加自儲集器54之電荷注入並使節點52上之電壓返回至參考電壓60之位準以便在節點52上維持恆定電壓。脈衝寬度調變偵測器70連續監視來自控制器32之脈衝串，且當偵測到之脈衝寬度上升至關於成像面板12上之X射線照射之預定臨限位準以上時，在線72上將指示X射線照射之輸出控制信號發送至控制器32。一旦偵測到X射線照射開始，則控制器32作用以斷開開關47，從而允許像素電容器成比例於照射在像素上之X射線通量之強度而完全充電。

在本發明之較佳實施例中，一旦偵測到X射線照射，則控制器32作用以斷開除一段中之成像像素開關47之外的所有其他成像像素之開關47。較佳地，該段包含至少一列像素，該列像素在曝露於照射X射線期間保持在ON狀態。此特徵允許當照射X射線不存在而導致脈衝寬度變窄從而降至X射線照射位準以下時對曝光終止之可靠偵測。

在圖3中，固定電荷電容器50由可變電荷電容器50'替換，控制器32在偵測到X射線照射之開始之後立即降低該可變電荷電容器50'之電容值。此電容器50'值之降低與面板12中除一段像素之外的所有像素之開關47之斷開(如上文所述)相一致。藉由將電容器50'降低至與經由其各別開關47而保持連接至虛擬接地之該等像素之降低的電容值一致的適當值，對節點52處之信號變化之反饋靈敏度顯著增強而超過電容器50'之值未以此方式變化之情況下的反饋靈敏度。因此，對X射線照射終止之偵測得以明顯改良而優於圖2之恆定電容器實施例。

參看圖4，展示本發明之另一較佳實施例，其中電荷儲集器54由具有恆定電流輸出位準之可程式恆定電流源76替換，控制器32回應於來自脈衝寬度調變偵測器之輸出的高/低輸入控制而設定該恆定電流輸出位準，在成像面板12上X射線照射開始之前的操作週期期間將該恆定電流輸出位準設定於第一高值，且在面板12上偵測到X射線照射之後立即將該恆定電流輸出位準設定於第二較低值。此目的為當像素電容器之數目自整個面板減少至經由開關47連接至虛擬接地的一段像素時增強反饋偵測電路之靈敏度。在X射線照射開始之前，恆定電流之較高值使得可將電容器50快速充電以設定用於整個成像面板之偏壓。在X射線照射開始之後，控制器32減少該恆定電流值以顧及由於連接至虛擬接地之較少數目之像素引起之對電容器50之降低的電荷汲取。藉由恆定輸入電壓，脈衝寬度變化將增加而保持節點52上之恆定電壓為恆定的，藉此增加脈衝寬度調變之偵測靈敏度且因此增強對面板12上之X射線照射之終止的偵測。

10．．．數位放射線攝影感測器

12．．．X射線成像面板

14．．．像素列

16．．．像素行

18．．．開關控制

20．．．前置放大器及A/D

20a．．．前置放大器電路

22．．．數位影像資料處理器

24．．．資料儲存單元

30．．．照射X射線偵測單元

32．．．成像面板控制器

40．．．像素等效電路

42．．．像素本質電容器

44．．．反向偏壓二極體

45．．．至放大器之像素節點

46．．．洩漏電流阻抗

47．．．FET開關

49．．．電容器旁路開關

50．．．外部電荷平衡電容器

50'．．．可變電荷平衡電容器

51．．．放大器電容器

52．．．共同節點

54．．．電荷儲集器

56．．．隔離二極體

58．．．電壓感測線

60．．．參考電壓源

62．．．PWM線

64．．．FET開關

66．．．反相器

68．．．FET開關

69．．．系統時脈

70．．．脈衝寬度調變偵測器

72．．．輸出控制信號線

76．．．恆定電流源

圖1為在本發明中有用的類型之X射線感測器系統之方塊圖。

圖2為本發明之X射線成像感測器之示意圖。

圖3為表現本發明之替代實施例的圖2之成像感測器之一部分之示意圖。

圖4為表現本發明之另一替代實施例的圖2之成像感測器之一部分之示意圖。

12．．．X射線成像面板

18．．．開關控制

20a．．．前置放大器電路

32．．．成像面板控制器

40．．．像素等效電路

42．．．像素本質電容器

44．．．反向偏壓二極體

45．．．至放大器之像素節點

46．．．洩漏電流阻抗

47．．．FET開關

49．．．電容器旁路開關

50．．．外部電荷平衡電容器

51．．．放大器電容器

52．．．共同節點

54．．．電荷儲集器

56．．．隔離二極體

58．．．電壓感測線

60．．．參考電壓源

62．．．PWM線

64．．．FET開關

66．．．反相器

68．．．FET開關

69．．．系統時脈

70．．．脈衝寬度調變偵測器

72．．．輸出控制信號線

Claims (10)

1. 一種數位放射線攝影X射線成像感測器，其經調適以獨立偵測來自一遠端X射線源之照射(impinging)X射線之存在，該數位放射線攝影X射線成像感測器包含：一成像面板，其包括一成像像素的二維陣列，該等像素之每一者均具有一本質(intrinsic)電容器，該本質電容器由該等照射X射線直接或間接充電以建立一正被X射線照射之物件之一影像；一參考電壓之一源；一電荷平衡電容器，其在一共同節點處連接至該等像素本質電容器；一控制單元，其用於回應於該等像素電容器與該電荷平衡電容器之間的電荷平衡變化而改變對該電荷平衡電容器之一電荷注入位準(level)，以便在該共同節點上維持一由該參考電壓決定之恆定電荷電壓；及一控制信號產生器，其回應於該控制單元以便當該電荷注入位準超過一預定臨限值時產生一指示該成像面板上照射X射線之存在的輸出控制信號。
2. 如請求項1之成像感測器，其中該控制單元包括用於改變該電荷注入之一脈衝寬度調變脈衝串之產生器。
3. 如請求項1之成像感測器，其中該等像素電容器之與該共同節點相對之個別節點當在該成像面板上偵測到X射線照射之前連接至一虛擬接地，且在偵測到X射線照射之後，除一段個別像素節點之外的全部其他像素節點自 該虛擬接地斷開；藉此虛擬接地至該一段之連接之保持使得可偵測該成像面板上X射線照射之終止。
4. 一種數位放射線攝影X射線成像感測器，其經調適以獨立偵測來自一遠端X射線源之照射X射線之存在，該數位放射線攝影X射線成像感測器包含：一成像面板，其包括一成像像素的二維陣列，該等像素之每一者均具有一本質電容器，該本質電容器由該等照射X射線直接或間接充電以建立一正被X射線照射之物件之一影像；一外部電容器，其在一共同節點處連接至該等像素本質電容器；及一照射X射線偵測單元，其包括：(a)一參考電壓源，(b)一電荷源，用以在該共同節點處建立一電荷電壓，(c)一脈衝寬度調變脈衝串之一源，其可切換地連接至該電荷電壓源及該共同節點以改變對該外部電容器之電荷注入，從而在該共同節點上建立一代表該外部電容器與該等像素電容器之間電荷平衡的電壓，(d)一控制器，其在等待照射X射線開始時可操作以將該脈衝串之脈衝寬度設定於將該共同節點電壓維持於一由該參考電壓決定之預定值所必需之一第一持續時間，且用於將該脈衝寬度調整至在該面板上該等X 射線之照射期間將該共同節點電壓維持於該預定值所必需之一第二持續時間，及(e)一脈衝寬度偵測電路，其回應於該第二脈衝寬度持續時間以便輸出一指示來自該遠端源之X射線之照射的X射線偵測信號。
5. 如請求項4之成像感測器，其中該脈衝寬度在該成像面板上X射線照射期間增加至一較長持續時間，從而增加該外部電容器上之電荷以對應於該像素電容器陣列上之增加的電荷。
6. 如請求項4之成像感測器，其中該等像素電容器之與該共同節點相對之個別節點當等待在該成像面板上偵測到X射線照射開始時連接至一虛擬接地，且在偵測到X射線照射開始之後，除一段個別像素節點之外的全部其他像素節點自該虛擬接地斷開；藉此虛擬接地至該一段之連接之保持使得可偵測該成像面板上X射線照射之終止。
7. 一種數位放射線攝影X射線成像感測器，其經調適以獨立偵測來自一遠端X射線源之照射X射線之存在，該數位放射線攝影X射線成像感測器包含：一成像面板，其包括一成像像素的二維陣列，該等像素之每一者均具有一本質電容器，該本質電容器由該等照射X射線直接或間接充電以建立一正被X射線照射之物件之一影像；一參考電壓之一源； 一電荷平衡電容器，其在一共同節點處連接至該等像素本質電容器；一電荷注入源；一脈衝串之一源，其可切換地連接至該共同節點及該電荷注入源，該等脈衝回應於該電荷平衡電容器與該等成像像素電容器之間的電荷平衡變化而經寬度調變，以便在該共同節點上維持一由該參考電壓決定之恆定電荷電壓，脈衝寬度持續時間在開始在該等成像像素上照射X射線期間增加至一臨限值以上；及一脈衝寬度調變偵測器，其回應於在該臨限值以上之脈衝寬度持續時間以產生一指示該成像面板上之該等照射X射線之存在的輸出控制信號。
8. 如請求項7之成像感測器，其中當該等脈衝寬度持續時間增加至該臨限值以上時該輸出控制信號指示X射線照射開始，且當該等脈衝寬度持續時間落至該臨限值以下時該輸出控制信號指示X射線照射停止。
9. 如請求項7之成像感測器，其中該等像素電容器之與該共同節點相對之個別節點當等待在該成像面板上偵測到X射線照射之開始時連接至一虛擬接地，且在偵測到X射線照射開始之後，除一段個別像素節點之外的全部其他像素節點自該虛擬接地斷開；藉此虛擬接地至該一段之連接之保持使得可偵測該成像面板上X射線照射之終止。
10. 一種偵測一具有成像像素的一二維陣列之數位放射線攝 影成像面板上的X射線照射之方法，該等像素之每一者均具有一本質電容器，該本質電容器由該等照射X射線直接或間接充電以建立一正被X射線照射之物件之一影像，該方法包含：提供一在一共同節點處連接至該等成像像素之該等電容器的外部電容器；藉由在一脈衝串控制下將電荷脈衝注入該外部電容器而在一先於該成像面板上該等X射線照射之開始的時段期間在該等像素電容器上建立一預定偏壓，該脈衝串係回應於在該共同節點處感測到之電荷電壓而經脈衝寬度調變；及偵測該脈衝串之該寬度調變，且當該偵測到之脈衝寬度超過一預定臨限值時產生一指示該成像面板上X射線照射開始之輸出控制信號。