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CN102170828A - 射线照相成像系统 - Google Patents

射线照相成像系统 Download PDF

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CN102170828A CN2009801383959A CN200980138395A CN102170828A CN 102170828 A CN102170828 A CN 102170828A CN 2009801383959 A CN2009801383959 A CN 2009801383959A CN 200980138395 A CN200980138395 A CN 200980138395A CN 102170828 A CN102170828 A CN 102170828A
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Abstract

公开了一种能够获得具有宽动态范围的响应而不用强放射性射线照射对象(人体)的射线照相成像系统。针对利用来自X射线生成器（25）的特定放射性射线剂量的照射，CCD控制器（22）对于长曝光时间段和与其不同的短曝光时间段从每个CCD图像传感器（1至12）读出成像信号两次。主控制器（26）采用定时以使存储器（24）执行基于两次顺序读出的成像信号的图像数据的图像合成。因此，能够利用足够弱而不会对对象（诸如人体或其它物体）产生不良影响的辐射剂量来执行射线照射成像，并且不需要如常规已进行的这种利用强放射性射线照射对象。

Description

射线照相成像系统
技术领域
本发明涉及一种例如用于胸部和附肢骨骼的X射线乳房造影和照相的射线照相成像系统，诸如X射线成像系统。
背景技术
对于用于医学诊断的X射线成像的常规X射线成像系统，通常使用了这样的成像系统：照相胶片紧密粘附于荧光感光纸，使X射线图像曝光，并且通过自动显影装置使X射线图像显影、定影、清洗并晾干。然而，近年来，鉴于具有简单操作(诸如不需要显影处理)并且由于数字化数据而容易整理归档，替代胶片使用成像板(IP)的计算射线照相(CR)取代了常规成像系统。
然而，在利用成像板(IP)方法的X射线成像设备中，必须使用扫描仪等来扫描并加载图像以便在X射线照相之后获得数字图像。这在简单性方面成为问题，因为需要几分钟来获得图像并且需要仅用于数据擦除的擦除器。
因此，存在即将发生的向数字射线照相(DR)的最近转变。在数字射线照相中，直接或间接把X射线图像输入到图像输入设备中以获得图形信号。
数字射线照相的示例之一包括这样的系统：利用闪烁体把通过使用X射线而获得的图像转换成可见光图像，并且利用具有薄膜晶体管(TFT)的平板探测器(FPD)进行观测。这种系统具有这样的特点：与计算射线照相(CR)相比，使用更小的设备并且具有更好的影像质量。然而，这种系统具有一些缺点，诸如：由于使用大型TFT面板而引起成本增加，以及由于TFT的大像素尺寸而引起分辨率降低下至3 lp/mm到4 lp/mm。
另外，数字射线照相(DR)的另一示例包括组合使用闪烁体和多个CCD的公知方法，如参考文献1中所示。这种组合使用闪烁体和多个CCD的方法通过使用便宜的CCD而在成本方面具有优点并且具有通过在光学系统中选择放大率来设置任何分辨率的能力。然而，在动态范围中存在问题，所述动态范围是数字射线照相(DR)中的DR系统的主要性能因素。
将关于以下情况参照图6描述有效图像区域比：四个区域传感器用于在具有组合使用的闪烁体和多个CCD的常规射线照相成像设备中的射线照相成像探测器。
图6是描述构成参考文献1中公开的常规射线照相成像设备中的射线照相成像探测器的区域传感器的有效图像区域比的示意图。
如图6中所示，常规射线照相成像探测器200包括：X射线闪烁体202，用于根据区域传感器201上透射的X射线的剂量发射光以获得成像信号。当成像区域大时，把成像区域分成多个区域。在本文中，当射线照相成像探测器200使用四个区域传感器201时，X射线闪烁体202同样分成四个。X射线闪烁体202上的四个单独分割区域中的每一个称为分割图像区域202a。单独分割图像区域202a的图像通过透镜203会聚，并且该图像形成在对应的区域传感器201上。排列多个透镜203以构成透镜阵列203a。
在对应的区域传感器201上对一个分割图像区域202a进行成像的这个区域称为有效图像区域201a。另外，区域传感器201中的具有灵敏度的区域称为可感觉图像区域201b。
在本文中，有效图像区域201a被成像得小于可感觉图像区域201b以在外围具有空间(在外围提供未使用的像素)。有效图像区域201a与可感觉图像区域201b之比(有效图像区域201a/可感觉图像区域201b)称为有效图像区域比。另外，从四个分割图像区域202a(即，总体X射线闪烁体202)创建的总体区域的图像数据称为总体图像数据。
通常，在用于数字射线照相(DR)的DR系统中使用的荧光体(闪烁体)根据106的X射线剂量的宽变化而表现出具有基本上良好线性的响应(发射)，所述106的X射线剂量的宽变化的范围为从在高灵敏度照相期间穿透人体的极弱X射线剂量(10-3 mR)到在低灵敏度照相期间的大X射线剂量(103 mR)。
因此，随后的光电转换过程的响应方式是获得这种宽动态范围的关键。
由于前述具有薄膜晶体管(TFT)的平板探测器(FPD)具有大像素尺寸，所以它具有相对宽的动态范围。另一方面，CCD的光电二极管(PD)的动态范围为103或更小，其不足以覆盖荧光体(闪烁体)的发光特性。另外，由于参考文献1中公开的常规射线照相成像设备使用普通CCD驱动方法，所以不能获得具有宽动态范围的图像。
关于用于解决该问题的装置，如参考文献2中所公开的，提出了一种荧光设备，在该设备中合成通过经过改变辐射到对象上的强度和剂量来对对象进行成像而获得的多个成像信号以形成一个图像。
在参考文献2中，多个X射线能级(其中改变X射线的强度或照射剂量)照射到对象上，并且能够获得具有宽动态范围和更清楚明暗的图像而没有饱和的不可见部分或平整的阴影部分。
参考文献1：日本特开公布No. 2000-235709
参考文献2：日本特开公布No. 03-38979。
发明内容
虽然参考文献2中公开的常规荧光设备有可能获得具有宽动态范围和更清楚明暗的图像，但是必须在强辐射剂量和弱辐射剂量之间改变照射到对象上的辐射剂量。因此，该常规荧光设备具有这样的缺点：需要把强辐射照射到对象(人体)上。例如，关于X射线医学诊断设备，鉴于对人体的有害影响，把强辐射照射到人体上不是优选的。即使在观测物质的情况下，也存在由强辐射的照射改变样本自身的状态的可能性。在如参考文献2中的由线传感器包围的线性区域中，不可能利用具有强辐射剂量或弱辐射剂量的过程来应付需要宽动态范围的情况。
本发明旨在解决上述传统问题。本发明的目的在于提供一种能够获得具有更宽动态范围的响应而不需要把强辐射照射到对象(人体)上的射线照相成像系统。
根据本发明的射线照相成像系统包括：辐射生成部分，用于生成辐射并把辐射照射到对象上；闪烁体部分，用于把来自对象的辐射转换成光；成像部分，用于对来自闪烁体部分的光执行光电转换并把所述光成像为对象的图像；控制部分，用于针对由辐射生成部分的辐射的恒定剂量的照射而利用不同长度的曝光时间段多次从成像部分读取成像信号，并且控制以把来自多次读出的成像信号的图像数据合成为图像，由此实现上述目的。
优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，在成像部分中，在控制部分的控制下执行至少一次长时间曝光和至少一次短时间曝光的至少两次曝光，并且对应于至少一次利用所述长时间曝光和至少一次利用所述短时间曝光至少两次执行由成像部分的读取。
仍然优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，所述长时间曝光为从50毫秒到500毫秒，而所述短时间曝光为从10毫秒到50毫秒。
仍然优选地，根据本发明的射线照相成像系统还包括：A/D转换部分，用于对从成像部分读取的成像信号执行A/D转换；和存储部分，用于临时存储来自A/D转换部分的图形信号。
仍然优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，所述存储部分至少合成来自成像部分的所述长时间曝光的图形信号和来自成像部分的所述短时间曝光的图形信号。
仍然优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，所述辐射生成部分利用足够弱而不会对对象造成有害影响的辐射剂量来照射辐射。
仍然优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，所述辐射剂量的范围为170μGy (微格雷(microgray))±20μGy (微格雷)。
仍然优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，所述成像部分包括：多个光电二极管D，以二维排列以用于执行光电转换；电荷转移部分，用于读取由光电二极管光电转换的信号电荷并在预定方向上转移该信号电荷；和输出部分，用于把由电荷转移部分所转移的信号电荷转换成电压，并放大所转换的电压以允许输出成像信号。
仍然优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，所述成像部分被分成多个分割区域，所述多个分割区域中的每个分割区域包括：多个光电二极管，以二维排列以用于执行光电转换；电荷转移部分，用于读取由光电二极管光电转换的信号电荷并在预定方向上转移该信号电荷；和输出部分，用于把由电荷转移部分所转移的信号电荷转换成电压，并放大所转换的电压以允许输出成像信号。
仍然优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，所述控制部分至少控制来自成像部分的所述长时间曝光的成像信号和来自成像部分的所述短时间曝光的成像信号的信号输出。
仍然优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，在由辐射生成部分照射辐射的状态期间，利用电子快门的定时来重置成像部分的电势，在所述定时处溢漏信号上升；以及在溢漏信号上升所在的定时之前的时段定义为长曝光时间段或短曝光时间段之一，而在溢漏信号上升所在的定时之后的时间段定义为长曝光时间段或短曝光时间段中的另一个。
仍然优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，在所述长曝光时间段和所述短曝光时间段期间溢漏电压相同或者改变。
仍然优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，所述成像部分由朝着所述闪烁体部分二维排列的固态成像阵列构成。
仍然优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，所述闪烁体部分包括作为放大器提供在其中的图像增强器。
仍然优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，所述辐射是X射线、电子束、紫外射线和红外射线中的任何一种。
仍然优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，所述射线照相成像系统使用帧累积驱动或场累积驱动中的至少一种，在所述帧累积驱动中通过把行分成奇数行和偶数行来执行从光电二极管的信号读取，而在所述场累积驱动中通过把来自奇数行和偶数行的数据相加来执行从光电二极管的信号读取。
仍然优选地，在根据本发明的射线照相成像系统中，在多次读取期间，通过帧累积驱动来执行包含有用信息的曝光以及通过场累积驱动来执行其它曝光。
在下文中将描述具有上述结构的本发明的功能。
在本发明中，针对由辐射生成部分的辐射的恒定剂量的照射而利用不同长度的曝光时间段来多次执行从成像部分读取成像信号，并且从多次读出的成像信号中获得的图像数据被合成为图像。
结果，把强辐射照射到对象(诸如人体和其它物质)上变得不必要，并且能够获得具有更宽动态范围的响应。
根据具有上述结构的本发明，针对由辐射生成部分的辐射的恒定剂量的照射以不同的曝光时间段多次执行从成像部分读取成像信号，并且从多次读出的成像信号中获得的图像数据被合成为图像。因此，能够利用足够弱而不会对对象(诸如人体和其它物质)造成有害影响的辐射剂量来获得具有更宽动态范围的响应，而不需要如常规进行的那样把强辐射照射到这种对象(诸如人体和其它物质)上。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的X射线成像系统的基本部件的示例性结构的框图。
图2是描述图1中的CCD图像传感器1的示例性平面结构的示意图。
图3(a)是图2中的包括光电二极管PD的平面部分P的放大图。图3(b)是图3(a)中的线A-B的横截面图。
图4是用于描述在图1的射线照相成像系统20中通过X射线源的两次发射的帧累积方法的宽动态范围模式的各信号的时序图。
图5是用于描述其中在图1的射线照相成像系统20中在通过X射线源的一次发射的帧累积方法的宽动态范围模式中使用电子快门的情况的各信号的时序图。
图6是描述构成参考文献1中公开的常规射线照相成像设备中的射线照相成像探测器的区域传感器的有效图像区域比的示意图。
20    X射线成像设备
1-12    CCD图像传感器
21    闪烁体
22    CCD控制器
23    A/D转换器
24    存储器
25    X射线生成器
26    主控制器
27    算术单元
28    个人计算机
φ v1 -φ v4     垂直转移时钟
T    电荷转移脉冲
VCCD    垂直电荷转移部分
PD    光电二极管
101    奇数行上的光电二极管
101a    偶数行上的光电二极管
T1     奇数行的PD长曝光时间段
T2     偶数行的PD长曝光时间段
T11    奇数行的PD短曝光时间段
T12    偶数行的PD短曝光时间段
T21    处于黑电平的奇数行的PD短曝光时间段
T22    处于黑电平的偶数行的PD短曝光时间段
L    低强度X射线的照射时段
L1    低强度X射线的长照射时段
L2    低强度X射线的短照射时段
OS    输出信号
OUT1, OUT11, OUT 21    奇数行侧信号输出
OUT2, OUT12, OUT 22    偶数行侧信号输出。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述应用于X射线成像系统的根据本发明的射线照相成像系统的实施例。
图1是示出本发明的实施例中的X射线成像系统的示例性基本部件结构的框图。
在图1中，根据本实施例的X射线成像系统20包括：CCD图像传感器1至12，作为成像部分以用于对待成像为对象的图像的来自将在稍后描述的闪烁体21的可见光(诸如荧光)执行光电转换；闪烁体21，作为闪烁体部分以用于把来自对象的辐射转换成光(在本文中为荧光)；CCD控制器22，用于控制来自CCD图像传感器1至12的成像信号的读取；A/D转换器23，作为A/D转换部分；存储器24，作为存储部分以用于图像合成处理；X射线生成器25，作为辐射生成部分以用于生成辐射(X射线、电子束、紫外射线和红外射线；在本文中它为X射线)并把该辐射照射到对象上；主控制器26，用于控制CCD控制器22和存储器24的工作定时；算术单元27，用于执行预定图像处理；和个人计算机28，用于屏幕显示，其中这十二个CCD图像传感器1至12被划分为一个块，并且为这十二个CCD图像传感器1至12中的每一个CCD图像传感器提供用于CCD驱动的CCD控制器22和A/D转换器23。
CCD控制器22和主控制器26构成控制部分，该控制部分针对由辐射生成部分的恒定剂量的辐射的照射而利用不同长度的曝光时间段多次从CCD图像传感器1至12读取成像信号，并且利用存储器24将从多次读出的成像信号中获得的图像信号合成为图像。
CCD图像传感器1至12中的每个CCD图像传感器是CCD固态成像元件，并且由用作用于对来自闪烁体21的荧光的成像光执行光电转换以从该成像光捕捉图像的多个光接收部分的多个光电二极管构成。在这种情况下，成像部分被分成多个分割区域，每个分割区域由CCD图像传感器1至12构成并且CCD图像传感器1至12中的每个CCD图像传感器包括：多个光电二极管PD，以二维排列以用于执行光电转换；电荷转移部分，用于读取由光电二极管PD光电转换的信号电荷并在预定方向上转移该信号电荷；和输出部分，用于把由电荷转移部分所转移的信号电荷转换成电压，并放大所转换的电压以允许输出成像信号。由用作CCD固态成像元件的CCD图像传感器1至12照相的X射线剂量的范围为从0μGy到50μGy，并且针对长时间曝光的曝光时间段为从50毫秒到500毫秒，而针对短时间曝光的曝光时间为所述长时间曝光的十分之一或更少。
闪烁体21是针对辐射(诸如X射线)的光接收传感器，它由当利用电离辐射被照射时发射荧光的物质制成。闪烁体21定位为朝向CCD图像传感器1至12，CCD图像传感器1至12中的每个CCD图像传感器由二维排列的固态成像阵列构成。可以把图像增强器(放大器)添加到闪烁体21。
CCD控制器22执行信号读取控制以连续控制把信号电荷读取脉冲输出到CCD图像传感器1至12并且允许来自CCD图像传感器1至12的数据(多个成像信号)输出到A/D转换器23。
A/D转换器23对从CCD图像传感器1至12连续读出的成像信号执行转换成图像数据的A/D转换。
存储器24临时存储由A/D转换器23对其执行了A/D转换的图像数据(多个成像信号)。存储器24用于把来自长时间曝光的成像信号和来自短时间曝光的成像信号合成为图像。首先到达的来自长时间曝光的成像信号被存储在存储器24(帧存储器)中，并且随后到达的来自短时间曝光的成像信号和存储在存储器24(帧存储器)中的成像信号被处理以彼此相加从而合成为图像，因此示出明暗的差异。如此，具有清楚明暗的图像与平整的图像重叠，从而能够获得清晰的图像。
X射线生成器25生成作为辐射的X射线并把X射线照射到待测量的对象或物体上。
在下文中，将详细描述在这种情况下的X射线的照射能量(单位：mR或剂量)。
X射线剂量根据照相地点或照相距离而变化。对于胸部照相，利用“大约120 kV, 3 mAs到5 mAs，SID (管形灯焦点到待照相的物体之间的距离)：180 cm，利用格栅”进行胸部照相。这是不会对人体或者对样本自身的状态造成有害影响的弱X射线剂量，因为不优选把强辐射剂量照射到人体上，并且即使对于物质的观测也不优选允许样本自身的状态由于这种辐射的强照射而改变。
在穿过病人或格栅之后，剂量显著降低并撞击荧光板，并且因此转换的荧光由CCD固态成像元件照相。在这个阶段，例如，120 kV和5mAs(管电流和照相时间)的指示导致120 kV 125 mA 40毫秒(5 mAs=125 mA×0.04秒)等。在这个阶段，X射线剂量范围为170μGy (微格雷)±20μGy (微格雷)。这意味着大约170μGy (微格雷)的X射线剂量照射到病人上。根据测试结果，在CCD固态成像元件的情况下，在穿透病人或格栅之后的剂量的最大值为大约50μGy (微格雷)。因此，CCD固态成像元件检测范围从0到50μGy (微格雷)的X射线剂量以进行成像。
然而，这种X射线剂量取决于荧光板的性能。对于暗荧光板，需要较大的剂量，而对于亮荧光板能够利用较小的剂量来执行照相。
固态成像元件以在荧光板处被转换的荧光的形式接收X射线。由于固态成像元件的动态范围比荧光板的动态范围窄，所以具有窄响应范围的固态成像元件利用不同长度的累积时间段来读取多次的荧光累积，使得能够最大限度地利用荧光板的性能。
结果，即使在具有常规固态成像元件的系统中对于超过响应范围的剂量而言像素饱和或者对于低于响应范围的剂量而言不存在像素响应的情况下，获得图像也变成可能。
主控制器26是定时控制部分，用于通过控制CCD控制器22来控制从CCD图像传感器1至12向A/D转换器23输出数据的定时和从A/D转换器23向存储器24输出数据的定时。主控制器26以这样的控制方式控制CCD控制器22，即在CCD图像传感器1至12中的各光电二极管PD处在一个照相机会期间至少两次执行利用不同长度的累积时间段的信号累积及其信号电荷的读取，并且读出的信号电荷由外部信号处理电路(在本文中为存储器24)合成。
算术单元27视情况而定对来自存储器24(帧存储器)的图像数据执行算术运算和图像处理，使得图像将是清楚的。如果图像合成未由存储器24执行，则算术单元27有可能执行图像合成处理作为它的算术处理。
个人计算机28接收存储器24中累积的数据的输入，使得对象的X射线图像能够显示在个人计算机28的显示屏幕上。
如上所述，由CCD图像传感器1至12中的各光电二极管PD在一个照相机会期间多次执行把信号电荷读取到电荷转移部分，多次读出的信号电荷被读出到外部部件而不相加，并且图像合成通过图像处理来执行。结果，即使对具有作为明暗同时存在的高亮度和低亮度的区域的对象进行成像，这些区域也被合成并且能够获得具有更宽动态范围的响应而不会如常规进行的那样造成平整的图像。
在下文中，将详细地进一步描述CCD图像传感器1。
图2是描述图1中的CCD图像传感器1的示例性平面结构的示意图。
如图2中所示，根据本实施例的CCD图像传感器1包括以矩阵在行方向和列方向上二维排列的多个光电二极管PD。CCD图像传感器1从所述多个光电二极管PD把信号电荷读取到预定垂直电荷转移路径102(VCCD)，并且通过所述预定垂直电荷转移路径102在垂直方向上转移信号电荷。
接下来，来自多个垂直电荷转移路径102的信号电荷被转移到水平电荷转移路径103，并且从各垂直电荷转移路径102接收的信号电荷由水平电荷转移路径103在水平方向上转移。在水平电荷转移路径103的电荷转移末端部分中提供信号检测部分104。信号检测部分104连续接收从水平电荷转移路径103转移的信号电荷，并且根据信号电荷的电荷量来放大电压并输出电压作为成像信号。
图3(a)是图2中的包括光电二极管PD的平面部分P的放大图。图3(b)是图3(a)中的线A-B的横截面图。
如图3(a)中所示，根据本实施例的电荷转移部分读取在光电二极管PD处生成的信号电荷并通过垂直电荷转移路径(VCCD)在垂直方向上转移信号电荷。例如，在奇数行上的光电二极管101处生成的信号电荷被转移到转移电极V1下方的电荷转移区域。在平面图中位于奇数行上的光电二极管101下方的偶数行上的光电二极管101a处生成的信号电荷被转移到转移电极V3下方的电荷转移区域。例如，构成垂直电荷转移路径102(VCCD)的四个转移电极V1至V4被配置为一组，并且从用作电荷转移驱动部分的CCD控制器22向各转移电极V1至V4提供垂直转移时钟φv1至φv4的四个相位以进行电荷转移驱动。
转移电极V1还用作用于把光电二极管101中累积的信号电荷读出到垂直电荷转移路径102的转移栅TG。类似地，转移电极V3还用作用于把光电二极管101a中累积的信号电荷读出到垂直电荷转移路径102的转移栅TG。
如图3(b)中所示，根据本实施例的垂直电荷转移路径102(VCCD)包括：P型阱106，提供在N型硅衬底105的前表面侧。N型区域107提供在P型阱106的前表面侧，该N型区域107构成光电二极管101。另外，在该前表面侧，提供表面P＋型扩散层108以减小暗电流。
转移栅电极111形成在构成垂直电荷转移路径102的N型扩散层109上方以及在N型扩散层109和N型区域107之间的P型阱106的P型区域上方，其中在它们之间插入绝缘膜110。把正电势施加于转移栅电极111(转移电极V1)造成在转移栅电极111下方的P型阱106的P型区域中形成沟道，导致把光电二极管101中累积的信号电荷读出到垂直电荷转移路径102的N型扩散层109。
由铝材料等制成的光屏蔽膜112提供在转移栅电极111以及垂直转移电极和水平转移电极上方。
垂直溢漏(VOD)结构应用于N型硅衬底105。垂直溢漏(VOD)结构用作用于把过量信号电荷清除到更接近N型硅衬底105的一侧的溢漏部分，当把能够对P型阱106反向偏置的电压施加于N型硅衬底105并且超过光电二极管101的势阱的过量光进入时生成所述过量信号电荷。
图4是用于描述在图1的射线照相成像系统20中通过X射线源的两次发射的帧累积方法的宽动态范围模式的各信号的时序图。
在图4中，在代表来自CCD控制器22的垂直转移控制信号的垂直转移时钟φv1至φv4之中，在低电平侧上升的脉冲(朝着下侧上升的脉冲)用于由VCCD控制电荷转移，而在垂直转移时钟φv1和φv3的高电平侧上升的具有触发形状的各电荷转移脉冲T用于从光电二极管PD向VCCD转移电荷。总的来说，奇数行上的PD连接到转移电极V1以用于电荷转移，而偶数行上的PD连接到转移电极V3以用于电荷转移。对于光电二极管PD的电荷累积状态，由上组箭头指示的长时段代表奇数行的PD长曝光时间段T1，而由下组箭头指示的长时段代表偶数行的PD长曝光时间段T2。随后，电荷转移脉冲T应该上升的位置由虚线包围，但电荷转移脉冲T未上升持续两个周期(两次)，因此处于长时间曝光状态并且没有电荷从光电二极管PD向VCCD转移。后面的由上组箭头指示的短时段代表奇数行的PD短曝光时间段T11，而由下组箭头指示的短时段代表偶数行的PD短曝光时间段T12。另外，由上组箭头指示的奇数行的PD短曝光时间段T21和由下组箭头指示的偶数行的PD短曝光时间段T22代表其中未从X射线源(即X射线生成器25)照射X射线的处于黑电平的时段。X射线由X射线生成器25以低密度(不会对活体造成有害影响的X射线剂量)发射两次，一次在长照射时段L1期间而一次在短照射时段L2期间。OS代表一个输出信号(多个输出信号)。在长照射时段L1期间发射低密度X射线并且随后从光电二极管PD转移电荷，并且以奇数行侧信号输出OUT1和偶数行侧信号输出OUT2的次序输出成像信号。另外，在短照射时段L2期间发射低密度X射线并且随后从光电二极管PD转移电荷，并且以奇数行侧信号输出OUT11和偶数行侧信号输出OUT12的次序输出成像信号。其后的奇数行侧信号输出OUT21和偶数行侧信号输出OUT22是处于黑电平的信号输出。
图5是用于描述其中在图1的射线照相成像系统20中在通过X射线源的一次发射的帧累积方法的宽动态范围模式中使用电子快门的情况的各信号的时序图。
图4的情况和图5的情况之间的差别在于：在图5的情况下使用电子快门。在图4中，X射线由X射线源(即X射线生成器25)以低密度(不会对活体造成有害影响的X射线剂量)发射两次，一次在长照射时段L1期间而一次在短照射时段L2期间；而在图5中，X射线由X射线源(即X射线生成器25)以低密度(不会对活体造成有害影响的X射线剂量)在照射时段L(长照射时段L1+短照射时段L2)期间发射一次。在这种情况下，由于因X射线造成的来自闪烁体21的荧光所引起的光电二极管PD中的信号电荷的累积通过溢漏信号φOFD中的上升信号(电子快门的定时信号S)的输出而被重置，并且针对X射线的照射时段L，曝光时间能够被分成PD长曝光时间段T1和PD短曝光时间段T11以及PD长曝光时间段T2和PD短曝光时间段T12。
在这种情况下，使用电子快门。当使X射线源维持在高电平时，在OFD(溢漏)的上升信号(电子快门的定时信号S)的上升处重置CCD的电势。长时间信号继续直到这个点，并且其后开始短时间信号，由此把X射线源的照射分成两种类型的时间。
在由X射线生成器25照射辐射的状态期间，电子快门的定时是在通过溢漏信号φOFD上升所在的定时(电子快门的定时信号S)重置作为成像部分的CCD图像传感器1至12的电势时。另外，在溢漏信号φOFD上升所在的定时之前的时段定义为长曝光时间段，而在溢漏信号φOFD上升所在的定时之后的时段定义为短曝光时间段。溢漏电压也能够在长曝光时间段和短曝光时间段之间改变。结果，能够累积更多信号电荷。注意，溢漏电压通常是固定的。
如上所述，利用不同长度的照射时间段一次或两次照射低密度X射线，并且对应于每次照射在光电二极管PD处使X射线曝光或者利用快门定时使X射线曝光以输出成像信号，由此获得具有宽动态范围的图像。对于容易吸收X射线所在的活体的部位，在没有X射线的长时间照射的情况下不能获得具有清楚明暗的图像。另外，对于不吸收X射线所在的活体的部位，利用X射线的短时间照射能够获得具有清楚明暗的图像。在不吸收X射线所在的活体的部位上长时间照射X射线导致黑色平整的图像。因此，通过X射线的短时间照射的明部分和通过X射线的长时间照射的暗部分的合成使得能够获得其中明部分和暗部分二者都清楚的图像。在这种情况下的成像能够使静止图像或视频图像应用于对象。
因此，根据本实施例，针对由X射线生成器25的辐射的恒定剂量的照射，由CCD控制器22两次执行从CCD图像传感器1至12读取成像信号，一次在长曝光时间段期间而一次在短曝光时间段期间；并且主控制器26利用正确的定时允许存储器24把来自连续两次读取的成像信号的图像数据合成为图像。结果，能够利用足够弱而不会对对象(诸如人体和其它物质)造成有害影响的辐射剂量来获得更宽动态范围，如常规进行的那样把强辐射照射到这种对象上变成不必要，并且获得具有更宽动态范围的响应变成可能。
根据本实施例，首先执行X射线的长时间照射及其读取；然而，没有以上规定的限制，可以在X射线的长时间照射及其读取之前执行X射线的短时间照射及其读取。
另外，根据本实施例，描述了帧累积驱动，其中通过把行分成奇数行和偶数行来执行从光电二极管PD(像素)的信号读取；然而，除了此之外或者与此分开，可以通过场累积驱动来实施从光电二极管PD(像素)的信号读取，其中通过把奇数行和偶数行的像素数据相加在一起来执行从光电二极管PD(像素)的信号读取。
另外，在多次读取期间，还有可能通过帧累积驱动来执行包含有用信息的曝光以及通过场累积驱动来执行其它曝光。
通过这种驱动方法，增加信号读取速度变成可能，并且因此能够在75%的时间内执行信号读取。
另外，在CCD固态成像元件的驱动期间长时间曝光和短时间曝光的组合允许获得高动态范围；然而，没有以上规定的限制，也能够通过三次执行读取、利用长时间曝光、中间时间曝光和短时间曝光的组合来获得这种高动态范围。也能够通过执行多个曝光时间段和多次信号读取来获得这种高动态范围。
在下文中将描述在长时间曝光期间成像的部位和在中间或短时间曝光期间成像的部位的示例。
甚至相同部位可以是成像区域，例如肺要在长时间曝光期间成像而骨等要在中间或短时间曝光期间成像。
在胸部照相中，在骨部分和肺部分之间存在X射线吸收率的差异。由于X射线吸收率的差异，到CCD固态成像元件的光量变化。另外，X射线穿过活体(诸如人体)，导致晕影。使用当前固态成像元件以高清晰度对具有低吸收率的部分或具有高吸收率的部分进行成像的尝试将由于窄动态范围而不会成功获得优质图像。然而，通过对具有高吸收率的部分的长时间曝光而获得的图像和通过对具有低吸收率的部分的中间或短时间曝光而获得的图像能够彼此重叠并合成为一个图像，使得能够获得具有高动态范围的更清楚图像。在这种情况下，在图像合成中校正方法也是重要的。
另外，在下文中将描述关于长时间曝光以及中间和短时间曝光的时间的定义。
例如，长时间曝光能够设置为十秒，而中间和短时间曝光能够设置为一秒。
虽然曝光根据待测量的部位而变化，但是对于长时间曝光而言它定义为从50毫秒到500毫秒，并且对于中间和短时间曝光而言它定义为多达50毫秒。短时间曝光的时间段设置为长时间曝光的时间段的十分之一或更少。一秒或更大的时间设置将导致运动主体的模糊，这是不可行的。
根据本实施例，用作成像部分的CCD图像传感器分成多个分割区域(在下文中为十二个CCD图像传感器1至12)，并且所述多个分割区域中的每个分割区域包括：多个光电二极管PD，二维排列以用于执行光电转换；电荷转移部分，用于读取由光电二极管PD光电转换的信号电荷并在预定方向上转移该信号电荷；和输出部分，用于把由电荷转移部分所转移的信号电荷转换成电压，并放大所转换的电压以允许输出成像信号。没有以上规定的限制，即使当成像部分是一个区域而非分割成多个分割区域时，也有可能配置本发明，并且该成像部分包括：多个光电二极管PD，二维排列以用于执行光电转换；电荷转移部分，用于读取由光电二极管PD光电转换的信号电荷并在预定方向上转移信号电荷；和输出部分，用于把由电荷转移部分所转移的信号电荷转换成电压，并放大所转换的电压以允许输出成像信号。另外，根据本实施例，CCD图像传感器已被描述为成像部分；然而，没有以上规定的限制，CMOS图像传感器(CMOS固态成像元件)可以用作成像部分。
用作成像部分的CMOS图像传感器包括：光电二极管PD，作为光电转换部分，形成为CMOS图像传感器的半导体衬底的前表面层。与光电二极管PD相邻，提供电荷转移晶体管(电荷转移装置)的电荷转移部分以用于把信号电荷转移到浮动扩散部分FD。在电荷转移部分上方提供栅电极作为提取电极，其中在它们之间插入栅绝缘膜。另外，CMOS图像传感器包括读取电路，在该读取电路中针对每个光电二极管PD被转移到浮动扩散部分FD的信号电荷被转换成电压并且根据转换的电压被放大，并且该读取电路读取放大的信号作为每个像素部分的成像信号。总的来说，类似于上述CCD图像传感器，CMOS图像传感器可以分成多个分割区域(例如，十二个CMOS图像传感器)，并且每个分割区域可以包括：多个光电二极管PD，以二维排列以用于执行光电转换；电荷转移部分，用于在预定方向上把由光电二极管PD光电转换的信号电荷转移到浮动扩散部分FD；和信号读取电路，在该信号读取电路中，转移到浮动扩散部分FD的信号电荷被转换成电压并且根据所转换的电压被放大，并且该信号读取电路读取放大的信号作为每个像素部分的成像信号。
类似于CCD图像传感器的情况，在CMOS图像传感器的情况下，成像部分包括：多个光电二极管PD，二维排列以用于执行光电转换；电荷转移部分，用于读取由光电二极管PD光电转换的信号电荷并在预定方向上转移该信号电荷(在CMOS图像传感器的情况下到浮动扩散部分FD)；和输出部分(在CMOS图像传感器的情况下为信号读取电路)，用于把由电荷转移部分所转移的信号电荷转换成电压，并放大所转换的电压以允许输出成像信号。
如上所述，通过使用本发明的优选实施例，举例说明了本发明。然而，本发明不应该解释为仅基于上述实施例。理解的是，本发明的范围应该解释为仅基于权利要求。还理解的是，本领域技术人员能够根据本发明的详细优选实施例的描述基于本发明的描述和公知常识来实现技术的等效范围。另外，理解的是，本说明书中引用的任何专利、任何专利申请和任何参考文献应该按照与其中具体地描述内容相同的方式被结合在本说明书中以供参考。
产业应用性
本发明能够应用于例如用于胸部和附肢骨骼的X射线乳房造影和照相的射线照相成像系统(诸如X射线成像系统)的领域。根据本发明，针对由辐射生成部分的辐射的恒定剂量的照射利用不同曝光时间段多次执行从成像部分读取成像信号，并且从多次读出的成像信号中获得的图像数据被合成为图像。因此，能够获得具有更宽动态范围的响应而不需要如常规进行的那样把强辐射照射到对象(人体)上。

Claims (17)

1. 一种射线照相成像系统，包括：
辐射生成部分，用于生成辐射并把辐射照射到对象上；
闪烁体部分，用于把来自对象的辐射转换成光；
成像部分，用于对来自闪烁体部分的光执行光电转换并把所述光成像为对象的图像；以及
控制部分，用于针对由辐射生成部分的辐射的恒定剂量的照射而利用不同长度的曝光时间段多次从成像部分读取成像信号，并且控制以把来自多次读出的成像信号的图像数据合成为图像。
2. 根据权利要求1所述的射线照相成像系统，其中在成像部分中，在控制部分的控制下执行至少一次长时间曝光和至少一次短时间曝光的至少两次曝光，并且对应于至少一次利用所述长时间曝光和至少一次利用所述短时间曝光至少两次执行由成像部分的读取。
3. 根据权利要求2所述的射线照相成像系统，其中所述长时间曝光为从50毫秒到500毫秒，并且所述短时间曝光是所述长时间曝光的十分之一或更少。
4. 根据权利要求1所述的射线照相成像系统，还包括：A/D转换部分，用于对从成像部分读取的成像信号执行A/D转换；和存储部分，用于临时存储来自A/D转换部分的图形信号。
5. 根据权利要求4所述的射线照相成像系统，其中所述存储部分至少合成来自所述成像部分的所述长时间曝光的图形信号和来自所述成像部分的所述短时间曝光的图形信号。
6. 根据权利要求1所述的射线照相成像系统，其中所述辐射生成部分利用足够弱而不会对所述对象造成有害影响的辐射剂量来照射辐射。
7. 根据权利要求6所述的射线照相成像系统，其中所述辐射剂量的范围为170μGy (微格雷)±20μGy (微格雷)。
8. 根据权利要求1所述的射线照相成像系统，其中所述成像部分包括：多个光电二极管，以二维排列以用于执行光电转换；电荷转移部分，用于读取由光电二极管光电转换的信号电荷并在预定方向上转移所述信号电荷；和输出部分，用于把由电荷转移部分所转移的信号电荷转换成电压，并放大所转换的电压以允许输出成像信号。
9. 根据权利要求1所述的射线照相成像系统，其中所述成像部分分成多个分割区域，所述多个分割区域中的每个分割区域包括：
多个光电二极管，以二维排列以用于执行光电转换；
电荷转移部分，用于读取由光电二极管光电转换的信号电荷并在预定方向上转移所述信号电荷；以及
输出部分，用于把由电荷转移部分所转移的信号电荷转换成电压，并放大所转换的电压以允许输出成像信号。
10. 根据权利要求1所述的射线照相成像系统，其中所述控制部分至少控制来自成像部分的所述长时间曝光的成像信号和来自成像部分的所述短时间曝光的成像信号的信号输出。
11. 根据权利要求1所述的射线照相成像系统，其中在由辐射生成部分照射辐射的状态期间，利用电子快门的定时来重置成像部分的电势，溢漏信号在所述定时处上升；并且在溢漏信号上升所在的定时之前的时段定义为长曝光时间段或短曝光时间段之一，而在溢漏信号上升所在的定时之后的时段定义为长曝光时间段或短曝光时间段中的另一个。
12. 根据权利要求11所述的射线照相成像系统，其中在所述长曝光时间段和所述短曝光时间段期间溢漏电压相同或者改变。
13. 根据权利要求1所述的射线照相成像系统，其中所述成像部分由朝着所述闪烁体部分二维排列的固态成像阵列构成。
14. 根据权利要求1所述的射线照相成像系统，其中所述闪烁体部分包括作为放大器提供在其中的图像增强器。
15. 根据权利要求1所述的射线照相成像系统，其中所述辐射是X射线、电子束、紫外射线和红外射线中的任何一种。
16. 根据权利要求9所述的射线照相成像系统，其中所述射线照相成像系统使用帧累积驱动或场累积驱动中的至少一种，在所述帧累积驱动中通过把行分成奇数行和偶数行来执行从光电二极管的信号读取，而在所述场累积驱动中通过把来自奇数行和偶数行的数据相加来执行从光电二极管的信号读取。
17. 根据权利要求16所述的射线照相成像系统，其中在多次读取期间，通过帧累积驱动来执行包含有用信息的曝光以及通过场累积驱动来执行其它曝光。
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