阅读说明：本技术 利用不对称反射屏的双屏数字射线造影 (Dual screen digital radiography with asymmetric reflective screens ) 是由 安东尼·鲁宾斯基 W.赵 约翰·A·罗兰兹 于 2018-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于检测辐射的结构。所述结构可以包括具有第一厚度的第一屏幕和具有大于所述第一厚度的第二厚度的第二屏幕。所述结构还可以包括布置在所述第一屏幕和所述第二屏幕之间的光传感器阵列。所述第一屏幕的背侧可以面对朝向所述结构入射的入射辐射。所述第一屏幕可以包括第一反射层,所述第一反射层可以将在所述第一屏幕中散射的光子朝向所述光传感器阵列反射。所述第二屏幕可以面对所述光传感器阵列,使得所述第一屏幕和所述第二屏幕被定向在相反方向上。所述第二屏幕可以包括第二反射层,所述第二反射层可以将穿过所述光传感器阵列的光子朝向所述光传感器阵列反射。(The present invention relates to a structure for detecting radiation. The structure may include a first screen having a first thickness and a second screen having a second thickness greater than the first thickness. The structure may further include a photosensor array disposed between the first screen and the second screen. The back side of the first screen may face incident radiation incident towards the structure. The first screen may include a first reflective layer, which may reflect photons scattered in the first screen toward the photosensor array. The second screen may face the photosensor array such that the first screen and the second screen are oriented in opposite directions. The second screen may include a second reflective layer that may reflect photons that pass through the photosensor array toward the photosensor array.)

利用不对称反射屏的双屏数字射线造影

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年8月3日提交的美国临时申请62/540,620和2018年7月30日提交的美国临时申请62/711,883的权益。

技术领域

本申请大体上涉及辐射探测器和数字射线造影(digital radiography)。

背景技术

在数字射线造影中，成像系统可以包括吸收辐射并产生光的屏幕，其中，所产生的光由光传感器阵列感测以产生电信号。所产生的电信号可以被成像系统使用以产生数字图像。在一些示例中，所产生的图像的质量(例如，清晰度、分辨率)可以被诸如光散射和/或其他现象等各种现象影响。

发明内容

在一些示例中，大体上说明了数字射线造影应用中的结构。结构可以包括具有第一厚度的第一屏幕和具有大于第一厚度的第二厚度的第二屏幕。结构还可以包括布置在第一屏幕和第二屏幕之间的光传感器阵列。第一屏幕可以被定向为面对光传感器阵列，使得第一屏幕的背侧面对朝向结构入射的入射辐射。第一屏幕可以包括第一荧光层，第一荧光层将入射在结构上的入射辐射转换为光子。第一屏幕还可以包括布置在第一屏幕背侧上的第一反射层。第一反射层可以将在第一荧光层中散射的光子朝向光传感器阵列反射。第二屏幕可以被定向为面对光传感器阵列，使得第一屏幕和第二屏幕被定向在相反方向上。第二屏幕可以包括第二荧光层。第二屏幕还可以包括布置在第二屏幕背侧上的第二反射层。第二反射层可以将穿过光传感器阵列的光子朝向光传感器阵列反射。光传感器阵列可以用于捕获光子并将所捕获的光子转换为电信号。

在一些示例中，大体上说明了成像系统。成像系统可以包括被构造为与结构通信的处理器。结构可以包括具有第一厚度的第一屏幕和具有大于第一厚度的第二厚度的第二屏幕。结构还可以包括布置在第一屏幕和第二屏幕之间的光传感器阵列。第一屏幕可以被定向为面对光传感器阵列，使得第一屏幕的背侧面对朝向结构入射的入射辐射。第一屏幕可以包括第一荧光层，第一荧光层将入射在结构上的入射辐射转换为光子。第一屏幕可以包括布置在第一屏幕背侧上的第一反射层。第一反射层可以将在第一荧光层中散射的光子朝向光传感器阵列反射。第二屏幕可以被定向为面对光传感器阵列，使得第一屏幕和第二屏幕被定向在相反方向上。第二屏幕可以包括第二荧光层。第二屏幕还可以包括布置在第二屏幕背侧上的第二反射层。第二反射层可以将穿过光传感器阵列的光子朝向光传感器阵列反射。光传感器阵列可以用于捕获光子并将所捕获的光子转换为电信号。处理器可以被构造为从结构接收电信号并使用电信号产生图像。

在一些示例中，大体上说明了X射线装置。装置可以包括辐射探测器、X射线源和处理器。X射线源可以用于向布置在X射线源和辐射探测器之间的对象照射X射线。辐射探测器可以包括具有第一厚度的第一屏幕和具有大于第一厚度的第二厚度的第二屏幕。辐射探测器还可以包括布置在第一屏幕和第二屏幕之间的光传感器阵列。第一屏幕可以被定向为面对光传感器阵列，使得第一屏幕的背侧面对朝向辐射探测器照射的X射线。第一屏幕可以包括将X射线转换为光子的第一荧光层。第一屏幕还包括布置在第一屏幕的背侧上的第一反射层。第一反射层可以将在第一荧光层中散射的光子朝向光传感器阵列反射。第二屏幕可以被定向成面对光传感器阵列，使得第一屏幕和第二屏幕被定向在相反方向上。第二屏幕可以包括第二荧光层。第二屏幕还可以包括布置在第二屏幕的背侧上的第二反射层。第二反射层可以将穿过光传感器阵列的光子朝向光传感器阵列反射。光传感器阵列可以用于捕获光子并将所捕获的光子转换为电信号。处理器可以用于从辐射探测器接收电信号并使用电信号产生对象的图像。

参照附图详细说明各个实施例的进一步特征以及结构和操作。在附图中，类似的附图标记表示等同或功能类似的元件。

附图说明

图1示出在一实施例中可以用于实施利用非对称反射屏幕的双屏数字射线造影的示例结构。

图2示出在一实施例中可以用于实施利用非对称反射屏幕的双屏数字射线造影的示例结构。

图3示出在一实施例中与利用非对称反射屏幕的双屏数字射线造影相关的性能指标的示例性结果。

图4示出在一实施例中与利用非对称反射屏幕的双屏数字射线造影相关的性能指标的示例性结果。

图5示出X射线探测器的标准构造和本公开描述的双屏构造的差异。

图6示出表明具有一个屏幕的标准或常规构造和本公开描述的双屏构造之间的MTF差异的实验结果。

图7示出表明具有一个屏幕的标准或常规构造和本公开描述的双屏构造之间的DQE差异的实验结果。

具体实施方式

下面将参照附图详细说明本发明的实施例。在说明本发明时，为了清楚地理解本发明的概念，省略本领域已知的相关功能或结构的说明，以避免在不必要的细节的情况下使本发明变得难以理解。

有源矩阵间接平板成像仪(AMFPI：active-matrix indirect flat-panelimager)可以在数字射线造影的应用中使用。在一些示例中，AMFPI可以包括单面增感屏(single intensifying screen)，并且可以通过如下方式来制造：在增感屏下方放置传感器阵列(例如薄膜晶体管阵列)，使得AMFPI可以通过使X射线从增感屏上方入射进行操作。单面增感屏的厚度可以基于X射线吸收和空间分辨率之间的权衡。例如，增加厚度可以提高吸收和灵敏度，但也可以由于光在增感屏的荧光层中的散射而降低分辨率。

在屏-片(screen-film)射线造影中，双屏系统可以包括布置在从单面增感屏划分成的两个分区之间的二元乳化胶片(dual-emulsion film)。这种构造可以减小由入射辐射和胶片之间缩短的距离导致的光散射，但是可能会引起交叉现象，在这种现象中光子可以穿透胶片乳胶并然后从相对的分区反射。

下面为了进一步说明，根据本公开的结构(例如，图1所示的结构100)可以解决各种数字放射造影系统和片-屏(film-screen)放射造影系统的一些缺点。

图1示出可以根据本文描述的至少一些实施例布置的用于实施利用非对称反射屏幕的双屏数字射线造影的示例结构100。结构100可以包括第一屏幕110、第二屏幕120、光传感器阵列105和基板107。第一屏幕110可以定向成为使得第一屏幕的背侧面对诸如入射X射线102等朝向结构100入射的入射辐射。光传感器阵列105可以布置在第一屏幕110和第二屏幕120之间。第一屏幕110和第二屏幕120可以在相反方向上定向，使得第一屏幕110和第二屏幕120彼此面对。在图1所示的结构100的定向中，第一屏幕110的背侧可以是结构100的顶表面，并且第二屏幕120的背侧可以是结构100的底表面。第一屏幕110的厚度可以小于第二屏幕120的厚度。第一屏幕110可以布置在光传感器阵列105的上方，使得入射X射线102可以入射在第一屏幕110上。在一些示例中，由于第一屏幕110的厚度小于第二屏幕120的厚度，第一屏幕110可以布置在光传感器阵列105的上方。

屏幕110可以包括闪烁荧光层114和反射层112，其中，反射层114可以由高反射材料制成。屏幕120可以包括闪烁荧光层122和反射层124，其中，反射层124可以由高反射材料制成。例如，反射层114、124可以涂覆有一层诸如二氧化钛等白色材料。反射层114、124可以具有相同或不同的尺寸，并且可以涂覆有相同或不同的材料。荧光层114、124都可以包括荧光晶体，所述荧光晶体可以捕获入射X射线102并且将所捕获的X射线转换为光子。在一些示例中，荧光层114的厚度可以小于荧光层124的厚度，使得屏幕110可以薄于屏幕120。在一些示例中，屏幕110、120都可以是颗粒型(如Gd02S2:Tb)或柱型(如CsI:TI)或两者的组合。在一些示例中，用于较厚屏幕(例如，屏幕120)的额外支撑件可以可选地布置在反射层122下方以增加结构稳定性。

光传感器阵列105可以包括光敏存储元件108，光敏存储元件可以包括多个开关元件106。基板107可以具有较小的光学厚度，并可以布置在光传感器阵列105和荧光层124之间。光敏存储元件108和开关元件106可以布置在基板107的顶部。光传感器阵列105可以是a-Si:H n-i-p光电二极管、MIS型或其他类型。光传感器阵列105可以对从任一侧入射的光敏感，并且可以在由屏幕110、120发射的波长处具有低透射率。例如，光传感器阵列105可以在由屏幕110、120发射的光的波长处具有高的光学吸收(90％以上)，使得可以减少像素串扰和交叉效应。在一个示例中，基板107可以是厚度小于30微米且优选小于10微米的薄玻璃、塑料或纤维素。光传感器阵列105可以捕获光子并可以将所捕获的光子转换为电信号，其中，电信号可以被(与结构100分离的)设备使用，以产生数字图像。例如，每个开关元件106可以与图像相对应，使得可以通过切换特定的列、行、像素组来读取一组像素值以生成图像。

在一个示例中，结构100可以是产生图像的成像系统的部件。在操作中，荧光层114可以接收入射X射线102并且将入射X射线102转换为光。当所转换的光到达光传感器阵列105时，光传感器阵列105可以从所转换的光中捕获光子，并且可以将光子转换为电信号。在图1所示的示例中，当入射X射线102到达荧光层114时，荧光层114中的晶体可以将X射线转换为光子140。光子140可以在荧光层114中散射。一些所散射光子可以朝向光传感器阵列105入射，而其他散射光子可以远离光传感器阵列105。反射层112可以将所散射的光子朝向光传感器阵列105反射，以便光传感器阵列105捕获散射光子。

在一些示例中，入射X射线102可能不能被荧光层114完全捕获(例如，荧光层114可能没有足够的晶体来转换所有入射X射线)。未被捕获的X射线可以穿过光传感器阵列105，并且第二屏幕120的荧光层124中的晶体可以将所捕获的X射线转换为光子150。光子150可以在荧光层124中散射。一些散射光子可以朝向光传感器阵列105入射，而其他散射光子可以远离光传感器阵列105。反射层122可以将所散射的光子朝向光传感器阵列105反射以便光传感器阵列105捕获所散射的光子。因此，第二屏幕120有助于光传感器阵列105从屏幕110的反射中重新捕获未被光传感器阵列105吸收的光子。

在一些示例中，可以通过调整光传感器阵列105的光学特性对从(面对入射X射线的)顶部屏幕110转换的光进行加权。由于射束硬化效应(beam hardening effect)，来自屏幕110的光可以包括来自入射X射线光谱的低能量部分的更多信息，并且对此的加强可以提高在由利用结构100的成像系统生成的图像中的低对比度物体的可见性。

在一个示例中，过程可以通过计算机设备或硬件处理器来实施以构建结构100，并且可以从执行射线造影检查以确定射束质量或荧光层114、124的半值层(HVL：half-valuelayer)开始。随后，可以使用数学模型来确定诸如信噪比(SNR)、调制传递函数(MTF：modulation transfer function)等性能指标，作为两个屏幕110、120的涂层重量或厚度的比值的函数。然后，基于射线造影检查和性能指标的结果，选择荧光层114、124的厚度比值，所述厚度比值可在结构100的期望实施中提供最佳性能。

例如，可以选择两个闪烁荧光层114、124的厚度，以使利用结构100的成像系统的量子检测效率(DQE：detective quantum efficiency)最大化。DQE是每输入量子的输出信噪比(SNR)，并且DQE取决于空间频率和X射线暴露程度。DQE性能的基本限制由X射线吸收效率和两个噪声因子的乘积给出，其中一个噪声因子量化对吸收事件的响应的幅度的变化(斯旺克因子(Swank factor))并且一个噪声因子量化对事件的空间响应的变化(鲁伯兹因子(Lubberts factor))。鲁伯兹因子描述DQE的降低，该降低产生的因素是由在距光传感器阵列不同距离处发生的x射线吸收事件导致的光的空间扩展的差异。在一个示例中，为了最大化量子检测效率，可以将两个闪烁荧光层114、124之中的较薄者(较小厚度)为两个闪烁荧光层114、124的厚度之和的30％和45％之间。

在一些示例中，可以选择两个闪烁荧光层114、124的厚度，以最大化利用结构100的成像系统的MTF。为了最大化MTF，可以将两个闪烁屏幕之中的较薄者选择为总闪烁层厚度的20％和40％之间。

在一个示例中，结构100可以是成像系统的部件。成像系统可以包括彼此通信的结构100、处理器和存储器。结构100的第一屏幕110可以接收入射X射线102，并且可以将入射X射线转换为光子。反射层114可以将在第一荧光层112中散射的光子朝向光传感器阵列105反射。第二屏幕120的反射层124可以将穿过光传感器阵列105的光子反射回光传感器阵列105。光传感器阵列105可以将所捕获的光子转换为电信号，并且可以将电信号输出到处理器。处理器可以将电信号存储在存储器中，并且可以使用电信号产生图像。

在一个示例中，结构100可以是包括X射线源和处理器的装置中的辐射探测器。X射线源可以是产生X射线的X射线管，或者是可以制造X射线的其他设备。诸如物体等对象可以布置在X射线源和结构100之间。X射线源可以将X射线照射到对象上，其中，对象可以吸收一部分X射线，从而导致X射线的衰减。已衰减的X射线可以作为入射X射线102朝向结构100入射。结构100的第一屏幕110可以接收入射X射线102，并且可以将入射X射线转换为光子。反射层114可以将在第一荧光层112中散射的光子朝向光传感器阵列105反射。第二屏幕120的反射层124可以将穿过光传感器阵列105的光子反射回光传感器阵列105。光传感器阵列105可以捕获光子并将所捕获的光子转换为电信号。处理器可以用于从辐射探测器接收电信号并使用电信号产生对象的图像。

图2示出根据本文所述的至少一些实施例布置的可用于实施利用非对称反射屏的双屏数字射线造影的示例结构200。下面可以参考图1的以上说明来描述图2。

结构200可以包括第一屏幕110、第二屏幕120、光传感器阵列205和纤维光学板202。光传感器阵列205可以包括光敏存储元件108，光敏存储元件可以包括多个开关元件106。纤维光学板202可以具有基本上为0的光学厚度，例如可忽略的光学厚度和1至3mm的物理厚度。在一些示例中，纤维光学板202的纤维数值孔径可以相对较大。

图3示出根据本文描述的至少一些实施例布置的与使用非对称反射屏的双屏数字射线造影有关的性能指标的示例结果。下面可以参照图2的上述说明来描述图3。

图3示出图表302，图表302表示利用具有白色背衬(反射层112、122)且分辨率为5lp/mm(线对/毫米)的双屏结构(例如，结构100和/或200)的成像系统的鲁伯兹因子和DQE。在图表302中，双屏结构中的两个屏幕的总厚度为160微米(0.160mm)，其中，较薄屏幕(第一屏幕110)的背侧(包括反射层112的一侧)位于0微米处，并且较厚屏幕的背侧(包括反射层114的一侧)位于160微米处。如图表302所示，最优DQE点位于0.06mm处，这意味着光传感器阵列(例如，上述的光传感器阵列105、205)相对于总厚度的最优位置距0微米点或者距接收入射X射线的较薄屏幕的背侧0.06mm(60微米)。通过使光传感器阵列处于0.06mm处以最大化DQE，两个屏幕此时的厚度比值大约是37％。

图3示出图表304，图表304表示使用不具有反射层的双屏结构(例如，结构100、200和/或300)的鲁伯兹因子、DQE和斯旺克因子。如图表304所示，DQE低于图表302中所示的DQE，这意味着通过包含反射层将增加成像系统的DQE。鲁伯兹因子描述了DQE的下降，该下降产生的因素是由在距光传感器阵列不同距离处发生的X射线吸收事件引起的光的空间扩展的差异。

图4示出根据本文描述的至少一些实施例布置的与利用不对称反射屏的双屏数字射线造影有关的性能指标的示例性结果示例。下面可以参照图1至图3的上述说明来描述图4。

图表402示出大量计算的结果，其中，单面增感屏细分为具有不同相对厚度的两个部分并在图表402的x轴所示的不同位置处夹持在光传感器阵列周围。类似于图3的示例，与图表402有关的双屏结构包括(例如，结构100和/或200)白色背衬(反射层112、122)，并且具有5lp/mm(线对/毫米)的分辨率。两个屏幕的总厚度是160微米。70kVp RQA5的入射x射线束从左侧入射。图表402示出每个构造的MTF和归一化噪声功率谱(NNPS：normalized noisepower spectrum)。最优MTF点位于0.04mm处，这意味着光传感器阵列(例如，上述的光传感器阵列105、205)的与总厚度有关的最优位置是距0微米点或者接收入射X射线的较薄屏幕的背侧0.04mm(40微米)。通过使光传感器阵列在0.06mm处以最大化MTF，两个屏幕此时的厚度比值大约是25％。

图5示出X射线探测器的标准构造和本公开描述的双屏构造之间的差异。如图5所示，标准构造包括一个闪烁体，并且玻璃基板是探测器的最底层。双屏构造将比顶部屏幕(“屏幕1”)更厚的另一屏幕(“屏幕2”)添加在玻璃基板的下方，并且顶部屏幕和底部屏幕都具有各自的反光背衬。

图6示出表明具有一个屏幕的标准或常规构造和本公开描述的双屏构造之间的MTF差异的实验结果。如图6所示，在高灵敏度构造和高分辨率构造下，双屏构造的建模MTF均大于常规构造的建模MTF。还如图6所示，在高灵敏度构造和高分辨率构造下，双屏构造的测量MTF大于常规构造的测量MTF。

图7示出表明具有一个屏幕的标准构造和本公开描述的双屏构造的DQE差异的实验结果。图7所示的实验结果基于使用RQA9入射X射线束的实验。如图7所示，双屏构造的测量DQE大于常规构造的DQE。

这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并无意于限制本发明。除非上下文另外明确指出，如本文所使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”也意味着包括复数形式。还应理解，在本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或部件。

所附权利要求中的所有装置或步骤加上功能元件(如果有的话)的相应结构、材料、动作和等同物旨在包括与其他要求保护的元件组合地执行功能的任意结构、材料或动作来作为具体权利要求。已经出于说明和描述的目的给出了本发明的描述，但并不意味着穷举或将本发明限制为所公开的形式。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并使本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的各种实施例，这些实施例具有适合于预期的特定用途的各种修改。