一种平板探测器实现自动曝光控制功能的方法与流程

1.本发明涉及x射线成像领域的探测器和成像系统，具体涉及一种使平板探测器实现自动曝光控制功能的方法。


背景技术：

2.自x射线被发现以来，其被广泛应用于各种领域，进行x射线成像。经过百余年的发展，完整的x射线成像系统主要有x射线发生装置、x射线探测装置、受照体和其它辅助装置组成。现在通用的人造x射线发生装置主要由高压发生器和x射线管组成，用于产生x射线。x射线探测装置主要用于接受穿过受照体的x射线用于产生图像，x射线探测装置探测到的x射线信号强度与x射线发生装置产生的x射线有很大关系，如果产生的x射线过多，会造成受照体经受过多的x射线辐照，图像过曝；如果产生的x射线过少，x射线探测装置接收到的信号太少，图像则会模糊不清。尤其在医用x射线成像领域，有效降低人体受到的x射线辐射至关重要。
3.为了控制适当的x射线量，首选方式是对x射线发生装置进行必要的曝光参数设置，主要包括控制峰值管电压kvp、管电流ma、曝光时间ms。通过曝光参数的设置确定了产生的x射线量，但是当受照体发生改变时，如何确定有效的曝光参数成为难点，只能由操作人员根据以往经验进行设置。当受照体频繁发生变化时，典型的如医用x射线领域中的受照体病人，每人体型都不一样，如何设置适当的曝光参数成为难点。为了解决这个问题，出现了自动曝光控制(aec，auto exposure control)系统。如图1所示，x射线管组件1产生x射线，透过受照体2后，由x射线探测器3探测并成像，传统的aec由真空电离室和控制器组成，将真空电离室4放置到受照体2和x射线探测器3之间，真空电离室4电连接有控制器5，控制器5与x射线管组件1的供能组件高压发生器6电连接，x射线探测器3和高压发生器6均外接计算机控制系统7。在x射线产生时，给x射线管组件1预设更长的曝光时间ms，真空电离室3会探测到透过受照体2的辐射剂量，当总的辐射剂量达到系统设定的阈值时，aec的控制器5就会向x射线发生装置中的高压发生器6发出中断信号，停止曝光。对于具有相同成像需求的，设定好固定的阈值后，曝光终止只与真空电离室探测到的累积剂量有关，而不受受照体的影响。通过aec，可以针对不同的受照体得到相同效果的x射线影像，确保受照体仅受到必须的辐照，尤其是当受照体是人时，这项工作十分重要。因此，在医用x射线成像领域，aec成为了x射线摄影系统的标准配置。
4.传统的医用aec电离室一般分为3个区域，见图1aec中标识的左中右三区，对应的是常见的检查区域，在工作时根据实际需要选择合适的检查区域。这种aec存在三个主要问题：一是电离室放置于受照体和x射线探测装置之间，它仍会吸收部分x射线造成信号损失，同时由于电离室的不均匀性，也会对原始图像造成干扰，甚至形成伪影；二是电离室感兴趣区(roi，region of interest)固定，难以满足复杂成像时对感兴趣区的设置；三是aec电离室必须与探测装置一同固定安装才能确保准确，使用时较为不变。
5.随着技术的发展，x射线探测装置已经全面进入数字化时代，x射线平板探测器因
具有轻便、成像速度快、全数字化控制等特点，成为主流的x射线探测装置，在数字化x射线平板探测器上直接实现精确的aec功能，是目前的研究重点。


技术实现要素：

6.本发明解决的问题是如何摈弃带真空电离室aec设计，在平板探测器内部直接实现aec功能。
7.为解决上述问题，本发明提供一种平板探测器实现自动曝光控制功能的方法，所述平板探测器包括依次电连接的感光层、tft阵列及控制电路板，所述tft阵列为若干像素组成的矩阵，所述像素包括像素电容、tft开关、门控线和数据线，所述门控线和数据线分别与控制电路板电连接；包括以下步骤：
8.s1：设置aec阈值p_threshold和roi区域；
9.s2：x射线管组件和平板探测器进入准备状态，使门控线驱动tft开关接通，对tft阵列中的所有像素电容和数据线复位后，再驱动tft开关全部断开；
10.s3：调整门控线电压，以驱使tft开关打开一定比例，同时打开数据线读取整列数据作为参考值p_ref；
11.s4：控制x射线管组件发出x射线，当x射线到达感光层时，感光层吸收x射线转换成电荷并存储到像素电容中；
12.s5：在x射线持续产生的过程中，调整门控线电压使tft开关打开一定比例，同时打开数据线实时读取整列数据作为数据值p_i；
13.s6：调整门控线电压以使得tft开关关闭，同时对数据线进行复位；
14.s7：重复步骤s5和s6，并计算每次循环中p_i与p_ref的差值p_delta，将若干次p_delta进行累加，根据累加值与设定阈值p_threshold的关系，由控制电路板在达到结束条件时发送曝光中止命令；
15.s8：控制x射线曝光结束，控制电路板通过门控线逐行接通tft开关，同时通过数据线逐行读出像素电容内存储的电荷，形成数字图像。
16.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
17.通过本申请的一种在平板探测器内部实现aec功能的方法，基于此方法操作的平板探测器，可以通过相关组件实时获取对x射线的接受状态，当达到曝光数据阈值时，由控制电路板反馈曝光中止命令。可以省略传统的真空电离室等aec部件，解决传统aec存在的图像干扰、伪影问题。
18.作为优选，在步骤s7中，设累加值为p_sum，判断p_sum是否达到设定的阈值p_threshold；如果没有达到阈值，即p_sum<p_threshold则继续循环；如果p_sum达到设定的阈值则判定达到结束条件，即p_sum≥p_threshold则由控制电路板发送曝光中止命令。
19.作为优选，在步骤s7中，
20.先假设每个s5～s7的循环中采集一次p_delta的时间为t；
21.设定采集前m次循环得到累加值p_sum_m，消耗时间为m*t；
22.再继续进行n次循环采集，得到累加的p_sum_m+n，消耗时间为n*t；
23.计算剩余应该持续的曝光时间t：
24.t＝(p_threshold
‑
p_sum_m+n)/(p_sum_m+n
‑
p_sum_m)*n*t；
25.在t时间后控制曝光结束。
26.作为优选，在步骤s3中，多次重复步骤s3的数据采集流程，取多次采集到的数据的平均值作为参考值。
27.作为优选，在步骤s3和s5中，tft开关的打开比例范围为0～50％。
28.作为优选，在步骤s3和s5中，打开的tft开关为选定的roi区域对应的行，打开的数据线为选定的roi区域对应的列。
29.作为优选，在步骤s3和s5中，控制tft开关的打开比例相同。
30.作为优选，所述感光层为闪烁荧光体，至少包括碘化铯、硫氧化钆中的一种；或者，所述感光层为光电半导体，至少包括非晶硒、碘化铅、钙钛矿类材料中一种。
31.作为优选，当所述感光层为闪烁荧光体时，所述像素电容为光电二极管的结电容。
32.作为优选，当所述感光层为光电半导体时，所述像素电容为单独的存储电容，所述存储电容的电容上级为像素电极。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是现有的带aec功能的x射线摄像系统的结构图；
35.图2是本发明实施例平板探测器内部主要结构的结构图；
36.图3是本发明实施例tft阵列的结构图；
37.图4是本发明实施例1实现自动曝光控制方法的流程图；
38.图5是本发明实施例2实现自动曝光控制方法的流程图。
39.其中，附图标记为：
40.1、x射线管组件，2、受照体，3、x射线探测器，4、真空电离室，5、控制器，6、高压发生器，7、计算机控制系统，8、感光层，9、tft阵列，91、像素电容，92、tft开关，93、门控线，94、数据线，10、控制电路板。
具体实施方式
41.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
42.如图2和图3所示，本申请一种平板探测器实现自动曝光控制功能的方法，实施载体为数字化x射线平板探测器，实施场景也包括图1涉及的，该平板探测器包括依次电连接的感光层8、tft阵列9及控制电路板10，tft阵列9为若干像素组成的矩阵，像素包括像素电容91、tft开关92、门控线93和数据线94，门控线93和数据线94分别与控制电路板10电连接；控制电路板10可以与外部上位机通讯连接。容易知道，平板探测器还应包含外壳、外接电缆和电源等附件，此为本领域技术人员熟知，在此不再赘述。
43.实际选择时，感光层8可以是闪烁荧光体，包括但不限于碘化铯、硫氧化钆，此时像素电容91为光电二极管的结电容。或者，感光层8也可以选用光电半导体，包括但不限于非晶硒、碘化铅、钙钛矿类材料，此时像素电容91为单独的存储电容，存储电容的电容上级为
像素电极。
44.实施例1
45.请参阅图4所示，本实施例提供了一种平板探测器实现自动曝光控制功能的方法，包括以下步骤：
46.s1：设置aec阈值p_threshold和roi区域；对于类似于传统aec的固定式的roi区域，可以在平板探测器中预先设置好。也可以通过上位机，根据受照体的特点对平板探测器进行选择设置，自由选择感兴趣区。aec阈值p_threshold是经验值，可以采用类似传统aec的方法通过校准得到，或者根据探测器响应特性计算得到，应由上位机根据管电压、密度档位进行设置。
47.s2：x射线管组件1和平板探测器进入准备状态，使门控线驱动tft开关接通，对tft阵列中的所有像素电容和数据线复位后，再驱动tft开关全部断开；其中，x射线管组件1属于x射线发生装置中的主要组件。
48.s3：调整门控线电压，以驱使tft开关打开一定比例，同时打开数据线读取整列数据作为参考值p_ref；作为优选，可以重复参考值的采集流程，取多次采集到的参考值的数据的平均值作为参考值p_ref。
49.s4：控制x射线管组件发出x射线，当x射线到达感光层时，感光层吸收x射线转换成电荷并存储到像素电容中；
50.s5：在x射线持续产生的过程中，调整门控线电压使tft开关打开一定比例，同时打开数据线实时读取整列数据作为数据值p_i；
51.在步骤s3和s5中，tft开关92的打开比例范围为0～50％。过大的打开比例会造成像素电容91中的有效信号丢失，较佳地，可以控制tft开关保持关闭，即tft开关的打开比例为0。各tft开关92的打开比例可以是相同的，也可以是不同的。较佳地，在步骤s3和s5中，可以控制tft开关92的打开比例相同，打开比例相同时，曝光控制的精度更好，速度更快。
52.在步骤s3和s5中，各tft开关92的打开区域可以是全幅的，也可以是选定的roi区域对应的行，打开次序可按需选择设定，通过公知经验进行合理的电路设计，按区选定可以更好地选择roi区域。根据需要，如果有多个roi区域，可以通过与、或、平均等方式进行合并处理。
53.s6：调整门控线电压以使得tft开关关闭，同时对数据线进行复位；
54.上述步骤s3、s5、s6中的数据线，可以是全幅的，也可以是选定的roi区域对应的列，打开次序可选，可以同时操作多列来节省时间。
55.s701：按预设周期重复上述步骤s5和s6，并计算每次循环中p_i与p_ref的差值p_delta，将若干次p_delta累加为p_sum；
56.s702：判断p_sum是否达到设定的阈值p_threshold；如果没有达到阈值，即p_sum<p_threshold，则继续循环；
57.s703：如果p_sum达到设定的阈值，即p_sum≥p_threshold，则由控制电路板发送曝光中止命令；
58.其中，曝光中止命令可以由平板探测器通过上位机发送给x射线发生装置，或者也可以借由通信部件直接发送给x射线发生装置，用以省略上位机的信息交互延时，使曝光控制更精确。
59.s8：控制x射线曝光结束，控制电路板通过门控线逐行接通tft开关，同时通过数据线逐行读出像素电容内存储的电荷，形成数字图像。
60.通过本申请的一种在平板探测器内部实现aec功能的方法，基于此方法操作的平板探测器，可以通过相关组件实时获取对x射线的接受状态，当达到曝光数据阈值时，由控制电路板反馈曝光中止命令。可以省略传统的真空电离室等aec部件，解决传统aec存在的图像干扰、伪影问题。
61.实施例2
62.本实施例的基本结构及方法流程与实施例一相同，不同之处在于，实施例1中通过累加的p_sum与设定阈值p_threshold对比来判断是否满足中止条件。而本实施例中，在在步骤s6之后，通过比例计算后续应该持续的曝光时间。请参阅图5所示，其流程如下：
63.s711：重复步骤s5和s6，计算每次采集循环中p_i与p_ref的差值p_delta，将p_delta累加得到累加值p_sum_m，假设每采集一次p_delta的时间为t；单次循环中，t越小则最终的曝光控制越精确。
64.s712：循环采集m次，消耗时间为m*t；
65.s713：再继续n次循环采集，消耗时间为n*t；
66.这里确保n次循环采集的p_delta差异不大，表明此时吸收的x射线较为稳定。
67.s714：计算m+n次循环中的累加值p_sum_m+n。
68.s715：计算剩余应该持续的曝光时间t：
69.t＝(p_threshold
‑
p_sum_m+n)/(p_sum_m+n
‑
p_sum_m)*n*t；
70.s716：将剩余持续曝光时间t发送给上位机，在t时间后控制曝光结束。
71.其中，曝光剩余时间可以由平板探测器通过上位机发送给x射线发生装置，或者也可以借由通信部件直接发送给x射线发生装置，用以省略上位机的信息交互延时，使曝光控制更精确。
72.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。