TWI840416B - 輻射成像的方法和系統及電腦程式產品 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種方法，其包括：在輻射檢測器的像素陣列中的像素處獲得信號，其中所述信號產生自入射在所述輻射檢測器上的輻射；通過利用在所述像素陣列中的一組參考像素處從所述輻射產生的一組參考信號的組合來校正所述信號而獲得校正信號，其中一組權重被分別應用於所述組合中的所述參考信號組；並基於所述校正信號形成圖像；其中所述權重組是所述像素相對於所述像素陣列的位置的函數。

Description

輻射成像的方法和系統及電腦程式產品
本發明是有關於一種方法和系統，且特別是有關於一種輻射成像的方法和系統。
輻射檢測器是可用於測量輻射的通量、空間分佈、光譜或其他特性的裝置。
輻射檢測器可用於許多應用，其中一個重要的應用是成像。輻射成像是一種射線照相技術，可用於揭示非均勻組成和不透明物體，比如人體，的內部結構。
用於成像的早期輻射檢測器包括攝影板和攝影膠片。攝影板可以是具有光敏乳劑塗層的玻璃板。雖然攝影板被攝影膠片取代，但由於它們提供的優良品質和極端穩定性，使得它們仍可用於特殊情況。攝影膠片可以是具有光敏乳劑塗層的塑料薄膜（比如條狀或片狀）。
在1980s，可光激發的磷光板（PSP板）開始可用。PSP板可在其晶格中包含具有色心的磷光體材料。當PSP板暴露於輻射時，由輻射激發的電子被捕獲在色心中，直到它們被在PSP板表面上掃描的雷射束刺激。當雷射掃描所述PSP板時，被捕獲的激發電子發出光，這些光被光電倍增管收集，收集的光被轉換成數位影像。與攝影板和攝影膠片相比，PSP版可重複使用。
另一種輻射檢測器是輻射影像增強器。輻射影像增強器的元件通常在真空中密封。與攝影板、攝影膠片以及PSP板相比，輻射影像增強器可產生即時影像，即，不需要曝光後處理來產生影像。輻射首先撞擊輸入磷光體（例如，碘化銫）並被轉換成可見光。然後可見光撞擊光電陰極（例如，含有銫和銻化合物的薄金屬層）並引起電子發射。發射的電子數目與入射輻射的強度成比例。發射的電子通過電子光學元件投射到輸出磷光體上並使輸出磷光體產生可見光影像。
閃爍體在某種程度上與輻射影像增強器的操作類似，因為閃爍體（例如，碘化鈉）吸收輻射並發射可見光，然後可通過合適的圖像感測器檢測到可見光。在閃爍體中，可見光在所有方向上擴散和散射，從而降低空間分辨率。減小閃爍體厚度有助於改善空間分辨率，但也減少了輻射的吸收。因此，閃爍體必須在吸收效率和分辨率之間達成折衷。
半導體輻射檢測器通過將輻射直接轉換成電信號很大程度上克服了如上所述問題。半導體輻射檢測器可包括吸收感興趣波長輻射的半導體層。當在半導體層中吸收輻射粒子時，產生多個電荷載子（例如，電子和空穴）並在電場下朝向半導體層上的電接點掃過。當前可用的半導體輻射檢測器（例如，Medipix）中所需的繁瑣的熱管理可使得具有較大面積和大量像素的檢測器難以生產或不可能生產。
本發明公開一種方法，其包括：在輻射檢測器的像素的陣列中的像素處獲得信號，其中所述信號產生自入射在所述輻射檢測器上的輻射；通過利用在所述像素陣列中的一組參考像素處從所述輻射產生的一組參考信號組的組合來校正所述信號而獲得校正信號，其中權重組被分別應用於所述組合中的所述參考信號組；並基於所述校正信號形成影像；其中所述權重組是所述像素相對於所述陣列的位置的函數。
根據實施例，所述像素的陣列中的每個像素均包含所述輻射檢測器的輻射吸收層的一部分。
根據實施例，所述權重組是所述輻射吸收層的厚度的函數。
根據實施例，所述輻射吸收層包括矽。
根據實施例，所述信號是由所述輻射在所述輻射吸收層中產生的電荷載子所產生的。
根據實施例，所述權重組是所述輻射在所述像素處的傳播方向的函數。
根據實施例，所述權重組是所述參考像素組相對於所述像素的相對位置的函數。
根據實施例，所述像素是所述參考像素組的成員。
根據實施例，所述輻射是X射線或伽馬射線。
根據實施例，所述信號和所述參考信號組產生於相同時間段內。
根據實施例，所述組合是所述參考信號組與應用其中的所述權重組的和。
根據實施例，所述信號表示在所述像素處的所述輻射的強度。
根據實施例，所述輻射檢測器包括輻射吸收層和電子層；其中所述輻射吸收層包括電極；其中所述電子層包括電子系統；其中所述電子系統包括：第一電壓比較器，其被配置為將所述電極的電壓與第一閾值進行比較，第二電壓比較器，其被配置為將所述電壓與第二閾值進行比較，計數器，其被配置為記錄到達所述輻射吸收層的多個輻射光子，以及控制器；其中所述控制器被配置為在所述第一電壓比較器確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值的絕對值時啟動時間延遲；其中所述控制器被配置為在所述時間延遲期間啟動第二電壓比較器；其中所述控制器被配置為如果所述第二電壓比較器確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第二閾值的絕對值，則使所述計數器記錄的數目增加一。
根據實施例，所述電子系統更包括電連接到所述電極的積分器，其中所述積分器被配置為從所述電極收集電荷載子。
根據實施例，所述控制器被配置為在所述時間延遲的開始或期滿時啟動所述第二電壓比較器。
根據實施例，所述電子系統更包括電壓表，其中所述控制器被配置為使所述電壓表在所述時間延遲期滿時測量所述電壓。
根據實施例，所述控制器被配置為基於在所述時間延遲期滿時測得的所述電壓的值來確定輻射光子能量。
根據實施例，所述控制器被配置為將所述電極連接到電接地。
根據實施例，所述電壓的變化率在所述時間延遲期滿時大致為零。
根據實施例，所述電壓的變化率在所述時間延遲期滿時大致為非零。
本發明公開一種電腦程式產品，其包括其上記錄有指令的非暫時性電腦可讀介質，所述指令由實現上述任一項方法的電腦執行。
本發明公開一種系統，其包括：輻射檢測器，其被配置為在所述輻射檢測器的像素的陣列中的像素處，從入射在所述輻射檢測器上的輻射產生信號；處理器，其被配置為通過利用在所述像素陣列中的一組參考像素處從所述輻射產生的一組參考信號組的組合來校正信號而獲得校正信號，其中權重組被分別應用於所述組合中的所述參考信號組；其中所述處理器被配置為基於所述校正信號形成影像；其中所述權重組是所述像素相對於所述陣列的位置的函數。
根據實施例，所述像素的陣列中的每個像素均包含所述輻射檢測器的輻射吸收層的一部分。
根據實施例，所述權重組是所述輻射吸收層的厚度的函數。
根據實施例，所述輻射吸收層包括矽。
根據實施例，所述信號是由所述輻射在所述輻射吸收層中產生的電荷載子所產生的。
根據實施例，所述權重組是所述輻射在所述像素處的傳播方向的函數。
根據實施例，所述權重組是所述參考像素組相對於所述像素的相對位置的函數。
根據實施例，所述像素是所述參考像素組的成員。
根據實施例，所述輻射是X射線或伽馬射線。
根據實施例，所述信號和所述參考信號組產生於相同時間段內。
根據實施例，所述組合是所述參考信號組與應用其中的所述權重組的和。
根據實施例，所述信號表示在所述像素處的所述輻射的強度。
圖1A示意示出根據實施例的輻射檢測器100的橫截面圖。所述輻射檢測器100可包括輻射吸收層110和電子層120（例如，ASIC），用於處理或分析在所述輻射吸收層110中產生的入射輻射的電信號。在實施例中，所述輻射檢測器100不包括閃爍體。所述輻射吸收層110可包括半導體材料，比如矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或其組合。所述半導體對於感興趣的輻射能量可具有高的質量衰減係數。在所述電子層120遠端的所述輻射吸收層110的平面表面103被配置為接收輻射。所述輻射是X射線或伽馬射線。
如圖1B中根據實施例的輻射檢測器100的詳細橫截面圖所示，所述輻射吸收層110可包括由第一摻雜區111、第二摻雜區113的一個或多個離散區114組成的一個或多個二極體（例如，p-i-n或p-n）。所述第二摻雜區113可通過可選的本徵區112而與所述第一摻雜區111分離。所述離散區114通過所述第一摻雜區111或所述本徵區112而彼此分離。所述第一摻雜區111和所述第二摻雜區113具有相反類型的摻雜（例如，第一摻雜區111是p型並且第二摻雜區113是n型，或者第一摻雜區111是n型並且第二摻雜區113是p型）。在圖1B中的示例中，所述第二摻雜區113的每個離散區114與所述第一摻雜區111和所述可選的本徵區112一起組成一個二極體。即是，在圖1B的示例中，所述輻射吸收層110包括多個具有所述第一摻雜區111作為共用電極的二極體。所述第一摻雜區111還可具有離散部分。
當輻射粒子撞擊包括二極體的所述輻射吸收層110時，所述輻射粒子可被吸收並通過若干機制產生一個或多個電荷載子。一個輻射粒子可產生10到100000個電荷載子。所述電荷載子可在電場下向其中一個二極體的電極漂移。所述電場可以是外部電場。所述電接點119B可包括離散部分，其中的每個離散部分與所述離散區114電接觸。在實施例中，所述電荷載子可向多個方向漂移，使得由單個輻射粒子產生的所述電荷載子大致未被兩個不同的離散區114共用（“大致未被共用”在這裡意指這些電荷載子中的不到2%、不到0.5%、不到0.1%、或不到0.01%流向與餘下電荷載子不同的一個所述離散區114）。由入射在所述離散區114之一的足跡周圍的輻射粒子所產生的電荷載子大致未被另一所述離散區114共用。與一個離散區114相關聯的一個像素150可以是所述離散區114周圍的區，由以0°入射角入射在其中的輻射粒子所產生的電荷載子大致全部（超過98％、超過99.5％、超過99.9％或超過99.99％）流向離散區114。即是，所述電荷載子中的不到2％、不到1％、不到0.1％、或不到0.01％流到所述像素之外。
如圖1C中根據實施例的輻射檢測器100的替代詳細橫截面圖所示，所述輻射吸收層110可包括具有半導體材料，比如矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe、或其組合的電阻器，但不包括二極體。所述半導體對於感興趣的輻射能量可具有高的質量衰減係數。
當一個輻射粒子撞擊包括電阻器但不包括二極體的所述輻射吸收層110時，所述輻射粒子可被吸收並通過若干機制產生一個或多個電荷載子。一個輻射粒子可產生10到100000個電荷載子。所述電荷載子可在電場下向電接點119A和電接點119B漂移。所述電場可以是外部電場。所述電接點119B包括離散部分。在實施例中，所述電荷載子可向多個方向漂移，使得由單個輻射粒子產生的所述電荷載子大致未被所述電接點119B兩個不同的離散部分共用（“大致未被共用”在這裡意指這些電荷載子中不到2%、不到0.5%、不到0.1%或不到0.01%流向與餘下電荷載子不同組的離散部分）。由入射在所述電接點119B離散部分之一的足跡周圍的輻射粒子所產生的電荷載子大致未被另一所述電接點119B離散部分共用。與所述電接點119B離散部分之一相關聯的一個像素150可以是所述離散部分周圍的區，由以0°入射角入射在其中的輻射粒子所產生的電荷載子大致全部（超過98％、超過99.5％、超過99.9％或超過99.99％）流向電接點119B離散部分。即是，所述電荷載子中的不到2％、不到0.5％、不到0.1％、或不到0.01％流到與所述電接點119B離散部分之一相關聯的所述像素之外。
所述電子層120可包括電子系統121，其適於處理或解釋由入射在輻射吸收層110上的輻射粒子所產生的信號。所述電子系統121可包括類比電路比如濾波器網絡、放大器、積分器、比較器，或數位電路比如微處理器和內存。所述電子系統121可包括由所述像素共用的元件或專用於單個像素的元件。例如，所述電子系統121可包括專用於每個所述像素的放大器和在所有像素間共用的微處理器。所述電子系統121可通過通孔131電連接到所述像素。所述通孔131之間的空間可用填充材料130填充，其可增加所述電子層120到所述輻射吸收層110連接的機械穩定性。其他鍵合技術有可能在不使用通孔的情況下將所述電子系統121連接到所述像素。
圖2示意示出所述輻射檢測器100可具有所述像素150的陣列。每個所述像素150均可包含所述輻射吸收層110的一部分。所述陣列可以是矩形陣列、蜂窩陣列、六邊形陣列、或任何其他合適的陣列。每個所述像素150可被配置為檢測入射在其上的輻射粒子，測量所述輻射粒子的能量，或兩者兼顧。例如，每個像素150可被配置為對一段時間內入射其上的，能量落在多個倉中的輻射粒子的數目進行計數。所有像素150可被配置為對相同的時間段內入射其上的，在多個能量倉中的輻射粒子的數目進行計數。每個像素150可具有其自己的類比數位轉換器（ADC），所述ADC被配置為將表示入射輻射粒子能量的類比信號數位化為數位信號。所述ADC可具有10位或更高的分辨率。每個所述像素150可被配置為測量其暗電流，例如，在每個輻射粒子入射到其上之前或同時。每個所述像素150可被配置為從入射在其上的輻射粒子的能量中減去所述暗電流的貢獻值。所述像素150可被配置為並行操作。例如，當一個像素150測量一個入射的輻射粒子時，另一個像素150可能正在等待另一個輻射粒子到達。所述像素150可以但不必是可單獨尋址的。
如圖3所示，由於像素150相對於輻射源109的位置不同，所述陣列中的所述像素150可以以不同的入射角接收來自所述輻射源109的輻射粒子。所述輻射檢測器100在其中不同位置處的空間分辨率可取決於在這些位置處的入射角。當所述入射角為傾斜的（例如，>45°）時的所述空間分辨率可低於當所述入射角為0°時的所述空間分辨率。例如，當中心處的入射角為0°並且邊緣處的入射角為傾斜時，所述輻射檢測器100的邊緣處的所述空間分辨率可低於所述輻射檢測器100的中心處的所述空間分辨率。如果所述輻射檢測器100的視場大（例如，0.5π或更大）或者所述輻射吸收層110的厚度與所述像素150的相比大小相當或更大，則所述空間分辨率從中心到邊緣的降低可以是顯著的。所述輻射檢測器100的視場是立體角，通過所述立體角所述輻射檢測器100對輻射敏感。圖4A示意示出當輻射粒子以傾斜入射角穿過所述輻射吸收層110時，可在與所述電接點119B的多個離散部分相關聯的像素150中產生電荷載子。圖4B示意示出當輻射粒子以0°入射角穿過所述輻射吸收層110時，可在與所述電接點119B的單個離散部分相關聯的像素中產生電荷載子。
在所述像素陣列中的像素處從所述入射輻射（例如，由於圖4A中所示的效果）產生的所述信號，可被在所述像素陣列中的一組參考像素處從所述輻射產生的一組參考信號的組合而校正。一組權重分別應用於所述組合中的所述參考信號組。所述組合可使用公式來表示，其中是所述組合，是所述參考信號組，是所述權重組。所述權重組可以是所述像素相對於所述陣列的位置的函數。如圖5A所示的示例中，為校正來自所述像素150A的信號，所述像素150A的所述參考像素組可包括相鄰像素（例如，圖5A 中的R1、R2、R3、R4、R5、R6、R9、和R10），或在所述陣列內特定位置的像素。所述像素150A本身可以是所述參考像素組的成員。所述參考像素組可在與在像素150A處生成所述信號相同的時間段期間分別在所述參考像素組處被生成。與所述像素150A相關聯的所述權重組分別被應用於所述參考信號組以校正所述像素150A的所述信號。所述權重組可以是所述參考像素相對於所述陣列的相對位置的函數。所述參考信號組的所述組合可以是所述參考信號組與應用其中的所述權重組的和。例如，所述像素150A的所述校正信號可以是E150A = e150A + [(e150A × p150A ) + (eR9 × pR9 ) + (eR10 × pR10 ) + (eR1 × pR1 ) + (eR2 × pR2 ) + (eR3 × pR3 ) + (eR4 × pR4 ) + (eR5 × pR5 ) + (eR6 × pR6 )]，其中e150A 是所述像素150A的所述信號，所述參考信號組包括所述像素150A的所述信號e150A 、所述像素R9的所述信號eR9 、所述像素R10的所述信號eR10 、所述像素R1的所述信號eR1 、所述像素R2的所述信號eR2 、所述像素R3的所述信號eR3 、所述像素R4的所述信號eR4 、像素R5的信號eR5 、和像素R6的信號eR6 ，p150A 是應用於e150A 的所述權重，pR9 是應用於eR9 的所述權重，pR10 是應用於eR10 的所述權重，pR1 是應用於eR1 的所述權重，pR2 是應用於eR2 的所述權重，pR3 是應用於eR3 的所述權重，pR4 是應用於eR4 的所述權重，pR5 是應用於eR5 的所述權重，pR6 是應用於eR6 的所述權重。
根據實施例，所述權重組是所述輻射在所述像素中的傳播方向的函數，其位於在所述輻射吸收層110內的所述輻射在所述像素處的傳播方向內。所述輻射的傳播方向可與所述入射角相關。如圖5B所示的示例中，由所述像素150A接收的所述輻射粒子的入射角是傾斜的（例如，>45°）並且所述傳播方向也不垂直於所述輻射檢測器100的表面。所述輻射粒子在其到達所述像素150A之前，可在其他像素（例如，R2、R7、R8）中產生電荷載子。在這種情況下，所述參考像素組可包括沿所述輻射粒子的行進路徑的所述像素（例如，R2、R7、R8）。所述參考像素組還可包括其他像素（例如，R1、R3、R4、R5、R6、R9、R10）。所述參考像素組也可以包括所述像素150A本身。例如，所述像素150A的所述校正信號可以是E150A = e150A + [(e150A × p150A ) + (eR9 × pR9 ) + (eR10 × pR10 ) + (eR1 × pR1 ) + (eR2 × pR2 ) + (eR3 × pR3 ) + (eR4 × pR4 ) + (eR5 × pR5 ) + (eR6 × pR6 ) + (eR7 × pR7 ) + (eR8 × pR8 )]，其中pR7 是應用於eR7 的所述權重，pR8 是應用於eR8 的所述權重。
根據實施例，所述權重組是所述參考像素組相對於所述像素的相對位置的函數。在圖5B所示的示例中，所述輻射粒子在參考像素R7和參考像素R8中比在參考像素R5中產生更多的電荷載子，因為當所述輻射粒子到達所述像素150A時，它幾乎完全被吸收並且因此它在參考像素R5中產生的任何信號預計比它在參考像素R7和參考像素R8中產生的信號弱得多。因此，參考像素R7和參考像素R8的所述權重可能大於參考像素R5的所述權重。
根據實施例，所述權重組是所述輻射檢測器100的所述輻射吸收層的厚度的函數。圖5C中所示為具有比所述輻射檢測器100更厚的輻射吸收層的輻射檢測器101。在所述傳播方向上，輻射粒子可以穿過較厚輻射吸收層中的更多像素。因此，所述參考像素組可包括比相鄰像素更多的像素。例如，所述參考像素組可包括參考像素R1-R6、R9、R10、和R11-R26。因此，所述權重組將包括參考像素R11-R26的權重。
圖6示意示出根據實施例的系統9000。所述系統9000具有輻射檢測器100和處理器115，所述處理器115被配置為對來自所述輻射檢測器100中的一個或多個像素的信號執行校正。所述處理器115可被配置為基於所述校正信號形成影像1100。
圖7示意示出根據實施例的方法的流程圖。在步驟151中，獲得在輻射檢測器的陣列中的像素處的信號（例如，所述輻射檢測器100的所述像素150A的信號e150A ）。所述信號由入射在所述輻射檢測器100上的輻射產生。在步驟152中，通過利用在所述陣列中的一組參考像素處從所述輻射產生的一組參考信號的組合來校正所述信號而獲得校正信號。一組權重被分別應用於所述組合中的所述參考信號組。所述權重組是所述像素相對於所述陣列的位置（例如，像素150A的位置）的函數。在步驟153中，基於所述校正信號（例如，校正信號E150A ）形成影像。所述方法可通過使用電腦執行指令來實現，其中所述指令被記錄在包括非暫時性電腦可讀介質的電腦程式產品上。
上述輻射檢測器100可以用於各種如下面所提供的系統。
圖8示意示出一種系統，所述系統包括本文所述的輻射檢測器100。所述系統可用於醫學成像，比如胸部輻射射線照相術、腹部輻射射線照相術等。所述系統包括輻射源1201。從所述輻射源1201發射的輻射穿透物體1202（例如，人體部分比如胸部、肢體、腹部），被所述物體1202的內部結構（例如，骨骼、肌肉、脂肪和器官等）不同程度地衰減，並被投射到所述輻射檢測器100。所述輻射檢測器100通過檢測輻射的強度分佈形成圖像。
圖9示意示出一種系統，所述系統包括本文所述的輻射檢測器100。所述系統可用於醫學成像比如牙科輻射射線照相術。所述系統包括輻射源1301。從所述輻射源1301發射的輻射穿透作為哺乳動物（例如，人）口腔的一部分的物體1302。所述物體1302可包括上頜骨、上顎骨、牙齒、下頜骨或舌頭。所述輻射被所述物體1302的不同結構不同程度地衰減並被投射到所述輻射檢測器100。所述輻射檢測器100通過檢測輻射的強度分佈來形成影像。牙齒比齲齒、感染、牙周韌帶吸收更多的輻射。牙科患者接受的輻射劑量通常很小（對於全口系列大約為0.150mSv）。
圖10示意示出一種貨物掃描或非侵入式檢查（NII）系統，所述系統包括本文所述的輻射檢測器100。所述系統可用於檢查和識別運輸系統中的貨物，比如集裝箱、車輛、船舶、行李等。所述系統包括輻射源1401。從所述輻射源1401發射的輻射可從物體1402（例如，運輸集裝箱、車輛、船舶等）反向散射並被投射到所述輻射檢測器100。所述物體1402的不同內部結構可不同地反向散射輻射。所述輻射檢測器100通過檢測所述反向散射的輻射的強度分佈和/或所述反向散射的輻射粒子的能量來形成影像。
圖11示意示出另一種貨物掃描或非侵入式檢查（NII）系統，所述系統包括本文所述的輻射檢測器100。所述系統可用於公共交通站和機場的行李檢查。所述系統包括輻射源1501。從所述輻射源1501發射的輻射可穿透一件行李1502，被行李的內容物不同程度地衰減，並被投射到所述輻射檢測器100。所述輻射檢測器100通過檢測透射的輻射的強度分佈來形成影像。所述系統可揭示行李的內容並識別公共交通上禁止的物品，例如槍支、麻醉品、利器、易燃物品。
圖12示意示出一種全身掃描儀系統，所述系統包括本文所述的輻射檢測器100。所述全身掃描儀系統可檢測人體上的物體以進行安全檢查，而無需物理地移除衣物或進行身體接觸。所述全身掃描儀系統能夠檢測非金屬物體。所述全身掃描儀系統包括輻射源1601。從所述輻射源1601發射的輻射可從被檢查的人1602及其上的物體反向散射，並被投射到所述輻射檢測器100。所述物體和所述人體可不同地反向散射輻射。所述輻射檢測器100通過檢測反向散射的輻射的強度分佈來形成影像。所述輻射檢測器100和所述輻射源1601可被配置為沿線性或旋轉方向掃描人。
圖13示意示出輻射電腦斷層掃描（輻射CT）系統。所述輻射CT系統使用電腦處理的輻射來產生被掃描物體的特定區域的斷層影像（虛擬“切片”）。所述斷層影像可用於各種醫學學科中的診斷和治療目的，或用於探傷檢測、失效分析、計量學、裝配分析和逆向工程。所述輻射CT系統包括本文所述的輻射檢測器100和輻射源1701。所述輻射檢測器100和所述輻射源1701可被配置為沿著一個或多個圓形或螺旋形路徑同步旋轉。
這裡所述輻射檢測器100可具有其他應用，比如輻射望遠鏡、乳腺輻射照相、工業輻射缺陷檢測、輻射顯微鏡或輻射顯微照相、輻射鑄件檢驗、輻射無損檢測、輻射焊縫檢驗、輻射數位減影血管造影等。
所述輻射檢測器100中的所述電子層120可包括電子系統121，其適於處理或解釋或校正由入射在包括有輻射吸收層110的所述像素150上的輻射粒子所產生的信號。所述電子系統121可包括類比電路比如濾波器網絡、放大器、積分器、比較器，或數位電路比如微處理器和內存。所述電子系統121可包括由所述像素共用的元件或專用於單個像素的元件。例如，所述電子系統121可包括專用於每個所述像素的放大器和在所有像素間共用的微處理器。所述電子系統121可通過通孔131電連接到所述像素。所述通孔131之間的空間可用填充材料130填充，其可增加所述電子層120到所述輻射吸收層110連接的機械穩定性。其他鍵合技術有可能在不使用通孔的情況下將所述電子系統121連接到所述像素。
圖14A和圖14B各自示出根據實施例的所述電子系統121的元件圖。所述電子系統121可包括第一電壓比較器301、第二電壓比較器302、計數器320、開關305、可選的電壓表306、控制器310和記憶體330。
第一電壓比較器301被配置為將至少一個電接點119B的電壓與第一閾值進行比較。所述第一電壓比較器301可被配置為直接監測電壓，或者通過對在一段時間內流過電接點119B的電流積分來計算電壓。所述第一電壓比較器301可由所述控制器310可控地啟動或停用。所述第一電壓比較器301可以是連續比較器。即，第一電壓比較器301可以被配置為連續被啟用並監視電壓。所述第一電壓比較器301可以是鐘控比較器。所述第一閾值可以是一個入射輻射粒子可在所述電接點119B上產生的最大電壓的5-10％、10％-20％、20-30％、30-40％或40-50％。所述最大電壓可取決於入射輻射粒子的能量、輻射吸收層110的材料和其他因素。例如，第一閾值可以是50mV，100mV，150mV或200mV。
所述第二電壓比較器302被配置為將所述電壓與第二閾值進行比較。所述第二電壓比較器302可被配置為直接監測所述電壓，或者通過對一段時間內流過所述二極體或電接點的電流積分來計算電壓。所述第二電壓比較器302可以是連續比較器。所述第二電壓比較器302可被所述控制器310可控地啟動或停用。在所述第二電壓比較器302被停用時，所述第二電壓比較器302的功耗可以是啟動所述第二電壓比較器302時的功耗的不到1％、不到5％、不到10％或不到20%。所述第二閾值的絕對值大於所述第一閾值的絕對值。如本文中所使用的，術語實數x 的“絕對值”或“模數”| x |是x的非負值而不考慮它的符號。即，。所述第二閾值可以是所述第一閾值的200％-300％。所述第二閾值可以是一個入射輻射粒子可在電接點119B上產生的最大電壓的至少50%。例如，所述第二閾值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。所述第二電壓比較器302和所述第一電壓比較器301可以是相同元件。即，所述系統121可以具有一個電壓比較器，其可在不同時間將電壓與兩個不同的閾值進行比較。
所述第一電壓比較器301或所述第二電壓比較器302可包括一個或多個運算放大器或任何其他適合的電路。所述第一電壓比較器301或所述第二電壓比較器302可具有高速度以允許所述系統121在高通量的入射輻射粒子下操作。然而，具有高速度通常以功耗為代價。
所述計數器320被配置為記錄入射在包括所述電接點119B的像素150上的至少若干個輻射粒子。所述計數器320可以是軟件元件（例如，電腦記憶體中存儲的數字）或硬件元件（例如，4017IC和7490IC）。
所述記憶體330被配置為存儲與像素150相關聯的權重組，產生信號，並校正像素150的信號。所述記憶體330還可以在信號校正期間被用來存儲臨時性的值或結果，並且存儲程序、步驟、或信號校正功能。所述記憶體330可以由多個非易失性記憶體設備構成，如快閃記憶體。
所述控制器310可以是諸如微控制器和微處理器等的硬件元件。所述控制器310被配置為從所述第一電壓比較器301確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值的絕對值（例如，所述電壓的絕對值從低於所述第一閾值的絕對值增加到等於或超過所述第一閾值的絕對值的值）時啟動時間延遲。在這裡使用絕對值是因為電壓可以是負的或正的，這取決於是使用二極體的陰極電壓還是陽極電壓或使用哪個電接點。所述控制器310可被配置為在所述第一電壓比較器301確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值的絕對值之前，保持停用所述第二電壓比較器302、所述計數器320、以及所述第一電壓比較器301的操作中不需要的任何其他電路。在所述電壓變得穩定，即所述電壓的變化率大致為零，之前或之後，所述時間延遲可期滿。短語“變化率大致為零”意指時間變化小於0.1％/ns。短語“變化率大致為非零”意指所述電壓的時間變化至少為0.1％/ns。
所述控制310可被配置為在所述時間延遲期間（其包括開始和期滿）啟動所述第二電壓比較器302。在實施例中，所述控制器310被配置為在所述時間延遲開始時啟動所述第二電壓比較器302。術語“啟動”意指使元件進入操作狀態（例如，通過發送諸如電壓脈衝或邏輯電平等信號，通過提供電力等）。術語“停用”意指使元件進入非操作狀態（例如，通過發送諸如電壓脈衝或邏輯電平等信號，通過切斷電力等）。操作狀態可具有比非操作狀態更高的功耗（例如，高10倍、高100倍、高1000倍）。所述控制器310本身可被停用，直到所述第一電壓比較器301的電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值的絕對值時才啟動所述控制器310。
如果在所述時間延遲期間，所述第二電壓比較器302確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第二閾值的絕對值，則所述控制器310可被配置為使所述計數器320記錄的數目中至少有一個數目增加一。
所述控制器310可被配置為使所述可選的電壓表306在所述時間延遲期滿時測量所述電壓。所述控制器310可被配置為使所述電接點119B連接到電接地，以使電壓複位並且使所述電接點119B上累積的任何電荷載子放電。在實施例中，所述電接點119B在所述時間延遲期滿後連接到電接地。在實施例中，所述電接點119B連接到電接地並持續有限的複位時段。所述控制器310可通過控制所述開關305而使所述電接點119B連接到電接地。所述開關可以是電晶體，比如場效應電晶體（FET）。
所述控制器310可被設置為通過從所述記憶體330讀取所述權重組，執行存儲在所述記憶體330中的程序或步驟來執行信號校正。
在實施例中，所述系統121沒有類比濾波器網絡（例如，RC網絡）。在實施例中，所述系統121沒有類比電路。
所述電壓表 306可將其測量的電壓作為類比或數位信號饋送給所述控制器310。
所述系統121可包括電連接到所述電接點119B的積分器309，其中所述積分器被配置為收集來自所述電接點119B的電荷載子。所述積分器309可在運算放大器的反饋路徑中包括電容器。如此配置的所述運算放大器稱為電容跨阻放大器（CTIA）。CTIA通過防止所述運算放大器飽和而具有高的動態範圍，並通過限制信號路徑中的帶寬來提高信噪比。來自所述電接點119B的電荷載子在一段時間（“積分期”）內累積在電容器上。在所述積分期期滿後，電容器電壓進行採樣，然後通過複位開關進行複位。所述積分器309可包括直接連接到所述電接點119B的電容器。
圖15示意示出流過所述電接點119B的，由入射在包括所述電接點119B的像素150上的輻射粒子產生的電荷載子所引起的電流的時間變化（上曲線）和所述電接點119B電壓的對應時間變化（下曲線）。所述電壓可以是電流相對於時間的積分。在時間t0 ，所述輻射粒子撞擊所述像素150，電荷載子開始在所述像素150中產生，電流開始流過所述電接點119B，並且所述電接點119B的電壓的絕對值開始增加。在時間t1 ，所述第一電壓比較器301確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值V1的絕對值，所述控制器310啟動時間延遲TD1並且所述控制器310可在所述TD1開始時停用所述第一電壓比較器301。如果所述控制器310在時間t1 之前被停用，在時間t1 啟動所述控制器310。在所述TD1期間，所述控制器310啟動所述第二電壓比較器302。如這裡使用的術語在時間延遲“期間”意指開始和期滿（即，結束）以及中間的任何時間。例如，所述控制器310可在所述TD1期滿時啟動所述第二電壓比較器302。如果在所述TD1期間，所述第二電壓比較器302確定在時間t2 電壓的絕對值等於或超過所述第二閾值V2的絕對值，則所述控制器310等待電壓穩定。所述電壓在時間te 穩定，這時輻射粒子產生的所有電荷載子漂移出所述輻射吸收層110。在時間ts ，所述時間延遲TD1期滿。在時間te 之時或之後，所述控制器310使所述電壓表 306數位化所述電壓並且確定輻射粒子的能量落在哪個倉中。然後所述控制器310使對應於所述倉的所述計數器320記錄的數目增加一。在圖15的示例中，所述時間ts 在所述時間te 之後；即TD1在輻射粒子產生的所有電荷載子漂移出輻射吸收層110之後期滿。如果無法輕易測得時間te ，TD1可根據經驗選擇以允許有足夠的時間來收集由輻射粒子產生的大致上全部的電荷載子，但TD1不能太長，否則會有另一個入射輻射粒子產生的電荷載子被收集的風險。即，TD1可根據經驗選擇使得時間ts 在時間te 之後。時間ts 不一定在時間te 之後，因為一旦達到V2，所述控制器310可忽視TD1並等待時間te 。因此，電壓和暗電流對電壓的貢獻值之間的差異的變化率在時間te 大致為零。所述控制器310可被配置為在TD1期滿時或在時間t2 或中間的任何時間停用第二電壓比較器302。
在時間te 的電壓與由輻射粒子產生的電荷載子的數目成比例，所述數目與輻射粒子的能量有關。所述控制器310可被配置為使用所述電壓表306來確定輻射粒子的能量。
在TD1期滿或被所述電壓表306數位化後（以較遲者為准），所述控制器使所述電接點119B連接到電接地310並持續一個複位時段RST，以允許所述電接點119B上累積的電荷載子流到地面並複位電壓。在RST之後，所述電子系統121已準備好檢測另一個入射輻射粒子。若所述第一電壓比較器301被停用，所述控制器310可在RST期滿之前的任何時間啟動它。若所述控制器310被停用，則其可在RST期滿之前被啟動。
儘管本發明已經公開了各個方面和實施例，但是其他方面和實施例對於本領域技術人員而言將是顯而易見的。本發明公開的各個方面和實施例是為了說明的目的而不是限制性的，其真正的範圍和精神應該以本發明中的申請專利範圍為準。
100、101:輻射檢測器 103:平面表面 109、1201、1301、1401、1501、1601、1701:輻射源 110:輻射吸收層 111:第一摻雜區 112:本徵區 113:第二摻雜區 114:離散區 115:處理器 119A、119B:電接點 120:電子層 1202、1302、1402:物體 121:電子系統 130:填充材料 131:通孔 150:像素 1502:行李 151、152、153:步驟 150A、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11-R26:像素 1602:人 301:第一電壓比較器 302:第二電壓比較器 305:開關 306:電壓表 309:積分器 310:計數器 320:計數器 330:記憶體 1100:影像 9000:系統 e150A、eR1、eR2、eR3、eR4、eR5、eR6、eR9、eR10:信號 p150A、pR1、pR2、pR3、pR4、pR5、pR6、pR7、pR8、pR9、pR10:權重 E150A:校正信號 t1、t2、te、tS:時間
圖1A示意示出根據實施例的輻射檢測器的橫截面圖。 圖1B示意示出根據實施例的所述輻射檢測器的詳細橫截面圖。 圖1C示意示出根據實施例的所述輻射檢測器的替代詳細橫截面圖。 圖2示意示出根據實施例的所述輻射檢測器可具有像素陣列。 圖3示意示出根據實施例的所述像素陣列中的所述像素可接收不同入射角的輻射粒子。 圖4A示意示出了當具有傾斜入射角的輻射粒子穿過所述輻射吸收層時在多個像素中產生的電荷載子。 圖4B示意示出了當具有0°入射角的輻射粒子穿過所述輻射吸收層時在多個像素中產生的電荷載子。 圖5A-圖5C示意示出根據實施例的利用參考像素信號對像素信號進行校正。 圖6示意示出根據實施例的包括所述輻射檢測器和處理器的系統的功能圖。 圖7示意示出根據實施例的一種方法的流程圖。 圖8示意示出根據實施例的包括本發明所述方法的一種系統，其適用於醫學成像，例如，胸部輻射射線照相術、腹部輻射射線照相術等。 圖9示意示出根據實施例的包括本發明所述方法的一種系統，其適用於牙科輻射射線照相術。 圖10示意示出根據實施例的包括本發明所述方法的一種貨物掃描或非侵入式檢查（NII）系統。 圖11示意示出根據實施例的包括本發明所述方法的另一種貨物掃描或非侵入式檢查（NII）系統。 圖12示意示出根據實施例的包括本發明所述方法的一種全身掃描系統。 圖13示意示出根據實施例的包括本發明所述方法的一種輻射電腦斷層成像（輻射CT）系統。 圖14A和圖14B各自示意示出根據實施例的如圖1A、圖1B和圖1C中所示的所述輻射檢測器的電子系統元件圖。 圖15示意示出根據實施例的，流過二極體的電極或暴露於輻射的輻射吸收層的電阻器的電接點的，由入射在所述輻射吸收層上的輻射粒子產生的電荷載子引起的，電流的時間變化（上曲線），以及所述電極電壓的相應時間變化（下曲線）。
100:輻射檢測器
109:輻射源
110:輻射吸收層
150A、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10:像素

Claims (25)

  1. 一種輻射成像的方法，其包括：在輻射檢測器的像素的陣列中的像素處獲得信號，其中所述信號產生自入射在所述輻射檢測器上的輻射；通過利用在所述陣列中的一組參考像素處從所述輻射產生的參考信號組的組合來校正所述信號而獲得校正信號，其中權重組被分別應用於所述組合中的所述參考信號組；並且基於所述校正信號形成影像；其中所述權重組是所述像素相對於所述陣列的位置的函數，其中所述像素的所述陣列中的每個所述像素包含所述輻射檢測器的輻射吸收層的一部分，所述權重組是所述輻射吸收層的厚度的函數，或者所述權重組是所述輻射在所述像素處的傳播方向的函數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的輻射成像的方法，其中所述信號是由所述輻射在所述輻射吸收層中產生的電荷載子所產生的。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的輻射成像的方法，其中所述權重組是所述參考像素組相對於所述像素的相對位置的函數。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的輻射成像的方法，其中所述像素是所述參考像素組的成員。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的輻射成像的方法，其中所述輻射是X射線或伽馬射線。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的輻射成像的方法，其中所述信號和所述參考信號組產生於相同時間段內。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的輻射成像的方法，其中所述組合是所述參考信號組與應用其中的所述權重組的和。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的輻射成像的方法，其中所述信號表示在所述像素處的所述輻射的強度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的輻射成像的方法，其中所述輻射檢測器包括輻射吸收層和電子層；其中所述輻射吸收層包括電極；其中所述電子層包括電子系統；其中所述電子系統包括：第一電壓比較器，其被配置為將所述電極的電壓與第一閾值進行比較，第二電壓比較器，其被配置為將所述電壓與第二閾值進行比較，計數器，其被配置為記錄到達所述輻射吸收層的多個輻射光子，以及控制器；其中所述控制器被配置為從所述第一電壓比較器確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值的絕對值時啟動時間延遲；其中所述控制器被配置為在所述時間延遲期間啟動所述第二電壓比較器； 其中所述控制器被配置為如果所述第二電壓比較器確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第二閾值的絕對值，則使所述計數器記錄的數目增加一。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的輻射成像的方法，其中所述電子系統更包括電連接到所述電極的積分器，其中所述積分器被配置為從所述電極收集電荷載子。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的輻射成像的方法，其中所述控制器被配置為在所述時間延遲的開始或期滿時啟動所述第二電壓比較器。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的輻射成像的方法，其中所述電子系統更包括電壓表，其中所述控制器被配置為使所述電壓表在所述時間延遲期滿時測量所述電壓。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的輻射成像的方法，其中所述控制器被配置為基於在所述時間延遲期滿時測得的所述電壓的值來確定輻射光子能量。
  14. 如申請專利範圍第9項所述的輻射成像的方法，其中所述控制器被配置為將所述電極連接到電接地。
  15. 如申請專利範圍第9項所述的輻射成像的方法，其中所述電壓的變化率在所述時間延遲期滿時大致為零。
  16. 如申請專利範圍第9項所述的輻射成像的方法，其中所述電壓的變化率在所述時間延遲期滿時大致為非零。
  17. 一種電腦程式產品，其包括其上記錄有指令的非暫時性電腦可讀介質，所述指令由實現申請專利範圍第1-8中的任一項的方法的電腦執行。
  18. 一種輻射成像的系統，其包括：輻射檢測器，其被配置為在所述輻射檢測器的像素的陣列中的像素處，從入射在所述輻射檢測器上的輻射產生信號；處理器，其被配置為通過利用在所述像素的所述陣列中的參考像素組處從所述輻射產生的一組參考信號的組合來校正信號而獲得校正信號，其中權重組被分別應用於所述組合中的所述參考信號組；其中所述處理器被配置為基於所述校正信號形成影像；其中所述權重組是所述像素相對於所述陣列的位置的函數，其中所述像素的所述陣列中的每個所述像素包含所述輻射檢測器的輻射吸收層的一部分，所述權重組是所述輻射吸收層的厚度的函數，或者所述權重組是所述輻射在所述像素處的傳播方向的函數。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的輻射成像的系統，其中所述信號是由所述輻射在所述輻射吸收層中產生的電荷載子所產生的。
  20. 如申請專利範圍第18項所述的輻射成像的系統，其中所述權重組是所述參考像素組相對於所述像素的相對位置的函數。
  21. 如申請專利範圍第18項所述的輻射成像的系統，其中所述像素是所述參考像素組的成員。
  22. 如申請專利範圍第18項所述的輻射成像的系統，其中所述輻射是X射線或伽馬射線。
  23. 如申請專利範圍第18項所述的輻射成像的系統，其中所述信號和所述參考信號組產生於相同時間段內。
  24. 如申請專利範圍第18項所述的輻射成像的系統，其中所述組合是所述參考信號組與應用其中的所述權重組的和。
  25. 如申請專利範圍第18項所述的輻射成像的系統，其中所述信號表示在所述像素處的所述輻射的強度。
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