用于数字放射线摄影检测器的事件检测的制作方法

专利名称：用于数字放射线摄影检测器的事件检测的制作方法
技术领域：
本发明的一般领域是数字图像放射线摄影，尤其是数字放射线摄影系统，其中数 字成像板和附带的电子装置与主放射线摄影系统进行无线通信，并且可以与各个厂商
的x-射线系统互换使用。
背景技术：
作为替代基于照相的成像技术的数字放射线摄影正日益获得接受，基于照相的成 像技术依靠胶片薄膜层来记录放射线曝光以产生和存储对象的内部物理特征的图像。 利用数字放射线摄影，放射线感光层上记录的放射线图像曝光被一个像素一个像素地
转换成电子图像数据，然后把电子图像数据存储在存储体(memory bank)中供以后读 出和显示在合适的电子图像显示设备上。数字放射线摄影的成功的驱动力之一是这样 的能力快速显现并且经由数据网络把所存储的图像传送到一个或多个远程位置供放 射学家分析和诊断，不存在通过邮件或经由信使把实体胶片送到远处的放射学家而引 起的延迟。
数字放射线摄影板具有以行和列组成的检测元件("像素")的二维阵列。为了 从板读出图像信息，通常顺序地选择像素的行，并且把每个列上的对应像素连接到电 荷放大器。把每个列的电荷放大器的输出施加于模数转换器以产生数字图像数据，数 字图像数据然后可以被存储并按后面显示的需要进行合适的图像处理。
为了使图像获取和随后从成像板的数据读出同步，需要使板操作的控制与来自包 含在数字放射线摄影成像系统中的远程X射线源的照射(impinging)成像X射线的发 生同步。这可以通过经由电缆线传送指示X射线源的开始和停止的控制信号来完成。 最近，已经提出了无线成像盒，通过使用成像盒中的X射线传感器检测来自远程X射 线源的照射X射线的开始和终止从而独立于主系统工作。在美国专利6,069,935中可 以找到这种无线和/或独立的X射线照射检测的例子。在一个这样的例子中，计算机 监视位于成像板外的成像盒中的专用X射线事件触发二极管以检测入射放射线以及
输出表明入射放射线的信号。这样的系统具有某些缺点。包括了触发二极管降低了制 造产量从而使盒过于昂贵。同样，二极管本身可能受到待测物体的某些放射线密封部 分的阻挡或完全处于放射线束的区域之外。在该专利描述的另一个例子中，使用帧抓
取(frame-grabbing )技术连续地读出成像板本身的传感器。通过从全部板传感器连 续地读出数据帧来确定成像传感器是否暴露在X射线下，并且通过^r查数据帧来确定 板是否暴露在X射线下。其缺点是必须对传感器连续地读取，这消耗相对高的电功率， 对于独立于主成像系统工作的电池供电的盒可能是一个严重的问题。
在美国专利6，404, 845 Bl中找到另一个例子，其中在等待曝光(exposure)期间 监视成像板中的某些参考像素，把参考像素的值与预定门限电平进行比较。当预定数 量的参考像素超过门限电平时，确定已经开始曝光电平。然而，这个方法也消耗大量 功率，因此是与期望的解决方案有差距的。
在美国专利2004 / 0065836 Al中找到另一个例子。在该例子中，通过监^L板中成 像像素引起的电流量来检测成像板上的X射线辐射的发生，并且当引起的电流量超过 预定量时产生X射线发生信号。然而，在该申请中揭示的例子局限于与CMOS或CCD传 感器一起使用，不能应用于其它类型的传感器，如在无胶片化(filmless)成像X射 线传感器板中广泛使用的无定形或结晶硅(crys ta 11 ine s i 1 icon)光电二极管或金属 绝缘半导体(MIS)传感器。
因此，对于能够独立于主成像系统操作的，制造成本低廉的和能够可靠地^r测来 自主成像系统中的X射线源的照射X射线的发生的无线X射线成像传感器板存在需 求。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供了适用于独立地片企测来自远程X射线源的照射X射 线的存在的一种数字放射线摄影X射线成像传感器，它包括成像板，该成像板包括成 像像素的二维阵列，其中每个像素具有通过照射X射线直接或间接地充电的固有 (intrinsic)电容器以建立受X射线照射的对象的图像。X射线成像传感器还包括 参考电压源、连接在到像素固有电容器的公共节点处的电荷平衡电容器以及控制单 元，该控制单元响应于像素电容器和电荷平衡电容器之间的电荷平衡中的变化而改变 到电荷平衡电容器的电荷注入水平，以在公共节点上维持如参考电压确定的恒定充电 电压。成像传感器还包括响应于控制单元的控制信号发生器，用于当电荷注入水平超 过预定门限值时指示在成像板上存在照射X射线。
在本发明的一个当前较佳实施例中，所描述类型的X射线成像传感器配备有包括
成像像素的二维阵列的成像板，每个像素具有通过照射x射线直接或间接地充电以建 立受x射线照射的物体的图像的固有电容器，以及连接在到像素固有电容器的公共节 点处的外部电容器。x射线成像传感器还配备有照射x射线检测单元，它包括参考电
压源、耦合到公共节点的充电电压源以及脉沖的脉宽调制列(train)的源，其可切 换地连接到充电电压源和公共节点以改变注入到外部电容器的电荷来在公共节点上 建立表示外部电容器和像素电容器之间的电荷平衡的电压。检测单元还包括控制器， 用于在一个时段中，在等待照射X射线的开始时，将脉冲列的脉宽设置为将公共节点 电压维持在由参考电压确定的预定值所必需的第一持续时间，以及用于在X射线照射 在板上时，将脉宽调节为将公共节点电压維持在预定值所必需的第二持续时间。检测 单元最终包括响应于第二脉宽持续时间的脉宽检测电路，其用于输出X射线检测信 号，该信号指示来自远程源的X射线的照射。


本发明的上述的或其它的目的、特征和优点将从下述的结合

的本发明实 施例的更详细的说明变得显而易见。附图中的元件相互之间不必定成比例。 图1是在本发明中有用的类型的X射线传感器系统的方框图。 图2是本发明的X射线成像传感器的示意图。
图3是表示本发明的另一实施例的图2的成像传感器的一部分的示意图。 图4是表示本发明的再一的实施例的图2的成像传感器的一部分的示意图。
具体实施例方式
参考图l, X射线成像传感器10包括平板X射线成像板12，其中分立的X射线像 素以具有行和列14和16的二维阵列分别排列。如在数字放射线摄影领域中所已广为 人知的那样，像素中的材料把照射X射线转换成电子，起初把这些电子存储在像素的 电荷单元中供以后读出， 一般是在切换控制单元18的控制下一行接一行地完成的。 每次一行，把每个列中的像素的电荷顺序传送到单元20中每个列一个的电荷放大器 (前置放大器)电路，然后通过模数(A/D)转换器把每个像素的电荷值转换成数字 数据，并本地存储在RAM存储器中，供以后传送到系统数字图像数据处理器22，以 用于在存储在数据存储单元24中之前进行合适的图像处理操作。
根据本发明，下面要更详细地描述的X射线检测单元30工作以监视成像板12以 检测来自远程X射线源的照射X射线的发生，以产生施加于成像控制器32的输出控 制信号。因此，除了其它已知功能之外，成像控制器32响应于来自检测单元30的 控制信号而工作，按已知方式控制来自板12的成像像素电荷值的读出定时。
现在参考图2,等效电路40表示成像板12中的数百万个X射线感测像素中的一 个，它包括固有电容(电容器)42、反向偏置二极管44以及漏电流阻抗46。众所周 知，像素元素可以是无定形的或结晶的光电二极管(间接放射线摄影)或用于直接放 射线摄影的金属绝缘半导体(MIS)。
外部电荷平衡电容器50连接到节点52，该节点为成像板12中传感器像素40的 所有固有电容器42所共有。电荷库54作为充电电压源，经由隔离二极管56耦合到 节点52。节点52经由感测电压线58耦合到控制器32中用于与参考电压60进行比 较的比较器，该参考电压60用来设置节点52上的像素偏置电压。在控制器32中产 生可变宽度的脉冲列，并且经由线62施加于固态FET开关64，以控制从库54到电 荷平衡电容器50的电荷注入水平。
输入到库54的电压产生电荷贮藏，它在线62上的可变宽度脉沖的控制下，通过 开关64的断开和闭合记录到电荷平衡电容器50,线62上的可变宽度脉沖同步于系 统时钟69在控制器32中产生。反相器使这些脉冲反相，以与开关64的断开和闭合 相反的顺序闭合和断开FET开关68。因此，当开关64断开而阻挡电荷注入电容器50 时，开关68是闭合的，使二极管56的阳极连接到地以进一步增强从电容器50的电 荷库和像素电容器42的隔离。假定输入到电荷贮藏处的电压和节点52上的电压两者 都是正的，那么像素二极管44表示像素是反向偏置的。电容器42表示二极管44中 的固有的或内在的电容，而阻抗46表示用来模拟漏电流的二极管漏电阻。当节点52 上的电压偏置多个像素时，还可以使用等效电路40来表示各像素的电容和电阻的并 联组合。例如，在具有250万个像素的平板中，如果每个像素具有1 pF的电容，则 等效电容为2.5 pF。相似地，分流或漏电阻为单个像素的电阻除以250万。充电电 容器50可以是额定值，例如，100 pF。
在工作期间，当没有X射线照射在成像板上时，列中每个单个像素具有其与公共
节点52相对的节点45，其通过FET开关47连接到与该列的相关联的电荷前置放*
器20a的读出输入处的虚地电位。因此所有像素都维持在正常的ON (导通)(尽管
是反向偏置)状态直到发生照射x射线使成像冲反像素曝光。
在工作中，当板空闲而等待在节点52上的偏置电压稳定时，在控制器32中对节 点52上的电压与线60上的参考电压进行比较。然后控制器32响应于这个比较而进 行操作以改变施加于开关64和68的脉冲的宽度，从而把合适的电荷量注入电容器 50使得节点52上的电压稳定在与参考电压60相等的值上。
当节点上的电压到达等于参考电压60的值时，从控制器32发出的脉冲宽度处于 第一值，理想地，该值为零，或实际上，处于在该状态期间正好足以补偿成像板中的 寄生元件的漏电所需要的极窄的宽度。
在板空闲并等待暴露于照射X射线时，开关47和49保持闭合。这使得连接到开 关47的像素的节点45由于放大器的动作而处于虛地。放大器20a中的开关49的闭 合使得偏置电流绕开电容器51,从而防止放大器饱和。
在成像X射线对成像板像素的曝光的开始时，在每个像素电容器42上产生电荷。 由于电容器50和所有像素电容器42的并联电容之间的电荷平衡使得在电容器50和 公共节点52处的电压的改变。在节点52上的电压改变的幅度取决于电容器50和像 素电容器42的并联电容的相对大小。像素电容的值越小，其引起的电压改变也会越 小。节点52上的电压改变使得在线62上的脉宽相应的改变，从而增加来自库54的 电荷注入，并且使节点52上的电压返回参考电压60的电平以在节点52上维持恒定 的电压。脉宽调制检测器70连续地监^L来自控制器32的脉沖列，当4企测的脉宽上升 超过与成像板12的X射线的照射相关的预定门限值时，在线72上把表明X射线的照 射的输出控制信号发送到控制器32。 一旦检测到X射线照射的开始，控制器32就运 转以断开开关47,该开关47允许以正比于照射在像素上X射线流(flux)的强度 (intensity)对像素电容器完全充电。
在本发明的一个较佳实施例中，在检测X射线照射时，控制器32运转以断开除了 一个部分之外的所有的成像像素开关47。较佳的是，这个部分包括至少一行像素， 该行像素在暴露于照射X射线期间保持在ON状态。当没有照射的X射线而导致脉宽 变窄使得落在X射线照射水平之下时，这个特征考虑到了对于曝光停止的可靠检测。
在图3中，由可变充电电容器50，来代替固定的充电电容器50,在检测X射线照
射开始后控制器32立即降低可变充电电容器50，的电容值。电容器50，值的降低与上
述的板12中用于除了一个部分之外的所有像素的开关47的断开一致。通过与经过它
们各自的开关47保持接到虚地的那些像素的降低了的电容值相呼应地降低电容器50，到合适值，节点52处的信号变化的反馈灵敏度相对于电容器50，的值不是按此方式变 化的话的情况大大地增加。因此，对于X射线照射的停止的检测相对于图2所示的恒 定电容器实施例被显著地改进了 。
参考图4,其示出了本发明的另一个较佳实施例，其中电荷库54由可编程恒流源 76来代替，该可编程恒流源76具有响应于来自脉宽调制检测器输出的高/低输入控 制的由控制器32设置的恒定电流输出水平，其在发生X射线照射到成像板12之前的 工作期间处于第一、高值，而在紧跟于在板12上的X射线照射被;险测到之后处于第 二、低值。其目的是当通过开关47连接到虛地的像素电容器的数量已经从整个板的 减少到剩下的一部分像素时增加反馈检测电路的灵敏度。在X射线照射开始之前，高 的恒定电流值使电容器50快速充电以为整个成像板设置偏置电压。在X射线照射开 始之后，通过控制器32减小恒定电流值，以考虑到由连接到虛地的像素的数量较少 引起的电容器50上电荷消耗的减少。在恒定输入电压下，脉宽变化会增加以维持节 点52上的电压恒定，从而增加脉宽调制的检测灵敏度，并且因此而增强板12上X射 线照射停止的检测。
部件列表
10.数字放射线摄影传感器
12. X射线成像板 14.像素行 16.像素列 18.切换控制
20.前置放大器和模数转换器
20a.前置放大器电路
22.数字图像数据处理器
24.数据存储单元
30.照射X射线^r测单元
32.成像板控制器
40.像素等效电路
42.像素固有电容
44. 反向偏置二极管
45. 连到放大器的像素节点
46. 漏电流阻抗
47. FET开关
49. 电容旁路开关
50. 外部电荷平衡电容器 50，.可变电荷平衡电容器
51. 放大器电容器
52. 公共节点 54.电荷库
56.隔离二极管 58.电压感测线 60.参考电压源
62. PWM线
64. FET开关66.反向器
68. FET开关
69. 系统时钟
70. 脉宽调制检测器 72.输出控制信号线 76.恒定电流源
权利要求
1.一种用于独立地检测来自远程X射线源的照射X射线的存在的数字放射线摄影X射线成像传感器，包括成像板，包括成像像素的二维阵列，每个像素具有被照射X射线直接或间接地充电以建立受X射线照射的物体的图像的固有电容器；参考电压源；连接在到所述像素固有电容器的公共节点处的电荷平衡电容器；控制单元，用于响应于在所述像素电容器和所述电荷平衡电容器之间的电荷平衡中的变化而改变注入到电荷平衡电容器的电荷水平，以在所述公共节点上维持如所述参考电压确定的恒定充电电压；以及控制信号发生器，响应于控制单元，用于当电荷注入水平超过预定门限值时产生指示在所述成像板上存在照射X射线的输出控制信号。
2. 如权利要求1所述的成像传感器，其中所述控制单元包括用于改变电荷注入的 脉沖的脉宽调制列的发生器。
3. 如权利要求1所述的成像传感器，其中在检测到成像板上的X射线照射之前， 与所述公共节点相对的所述像素电容器的各个节点连接到虛地，而在检测到X射线照 射之后，除了一部分之外的所有单个像素节点都与所述虛地断开；这样保持虛地与所述一部分的连接使得检测成像板上X射线的照射的停止成为可能。
4. 如权利要求3所述的成像传感器，其中当关于保持连接到虛地的所述一部分像 素的电荷注入降到所述预定门限值之下时，所述控制信号发生器指示X射线照射的终 止。
5. 如权利要求3所述的成像传感器，其中所述部分包括像素的至少一行。
6. 如权利要求3所述的成像传感器，其中所述电荷平衡电容器是可变电容器，而 所述控制单元包括用于在所述控制信号发生器指示所述成像板上存在X射线照射之 后改变所述电容器值的装置。
7. 如权利要求1所述的成像传感器，其中所述控制单元包括可编程恒定电流源。
8. 如权利要求3所述的成像传感器，其中所述控制单元包括可编程恒定电流源，它在检测到x射线照射之前把第一水平的输入电流输出到所述电荷平衡电容器，而在 冲t测到x射线照射之后把第二、较低水平的输入电流输出到所述电荷平衡电容器。
9. 一种用于独立地检测来自远程X射线源的照射X射线的存在的数字放射线摄影 X射线成像传感器，它包括成像板，包括成像像素的二维阵列，每个像素具有被照射X射线直接或间接地充 电以建立受X射线照射的物体的图像的固有电容器；连接在到所述像素固有电容器的公共节点处的外部电容器；以及 照射X射线检测单元，包括(a) 参考电压源；(b) 用于在所述公共节点处建立充电电压的电荷源；(c) 脉沖的脉宽调制列的源，可切换地连接到所述充电电压源和所述公共节点以改 变注入到所述外部电容器的电荷从而在公共节点上建立表示所述外部电容器和所述 像素电容器之间电荷平衡的电压；(d) 控制器，用于在等待照射X射线的发生时以把所述脉沖列的所述脉宽设置为使 所述公共节点电压维持在由所述参考电压确定的预定值所必需的第一持续时间，以及 在X射线照射在所述板上期间调节所述脉宽至使所述公共节点电压维持为所述预定 值所需要的第二持续时间；以及(e) 响应于所述第二脉宽持续时间的脉宽检测电路，用于输出指示来自所述远程源 的X射线照射的X射线检测信号。
10. 如权利要求9所述的成像传感器，其中在X射线照射在所述成像板上期间增 加脉宽到较长的持续时间以增加在所述外部电容器上的电荷以对应于像素电容器阵 列上增加的电荷。
11. 如权利要求9所述的成像传感器，其中在等待检测所述成像板上的X射线照 射的开始时，将与所述公共节点相对的所述像素电容器的各个节点连接到虛地，并且 在检测到X射线照射的开始后，除了一部分之外的所有单个像素节点都与所述虛地断开；这样保持虛地与所述一部分的连接而使得检测在所述成像板上x射线的照射的停 止成为可能。
12. 如权利要求11所述的成像传感器，其中当关于保持连接到虚地的所述一部分像素的电荷注入降到所述预定门限值之下时，所述控制信号发生器指示X射线照射的 终止。
13. 如权利要求11所述的成像传感器，其中所述部分包括像素的至少一行。
14. 如权利要求11所述的成像传感器，其中所述电荷平衡电容器是可变电容器， 而所述控制单元包括用于在所述控制信号发生器指示在所述成像板上存在X射线照 射之后改变所述电容器值的装置。
15. 如权利要求11所述的成像传感器，其中所述电荷源是可编程恒定电流源，它 在检测到X射线照射之前把第一水平的充电电流输出到所述电荷平衡电容器，并且在 检测到X射线照射之后把第二、较低水平的充电电流输出到其中电荷平衡电容器。
16. 用于独立地检测来自远程X射线源的照射X射线的存在的一种数字放射线摄 影X射线成像传感器，包括成像板，包括成像像素的二维阵列，每个像素具有被照射X射线直接或间接地充 电以建立受X射线照射的物体的图像的固有电容器； 参考电压源；连接在到所述像素固有电容器的公共节点处的电荷平衡电容器； 电荷注入源；脉沖列的源，可切换地连接到所述公共节点和所述电荷注入源，响应于在所述电 荷平衡电容器和所述成像像素电容器之间的电荷平衡的变化而对所述脉冲进行宽度 调制，以在所述公共节点处维持由所述参考电压确定的恒定充电电压，在所述成像像 素上X射线照射的开始期间，所述脉宽持续时间增加到门限值之上；以及脉宽调制检测器，用于响应于门限值之上的脉宽持续时间而产生指示在所述成像 板上照射X射线的存在的输出控制信号。
17. 如权利要求16所述的成像传感器，其中当所述脉宽持续时间增加到所述门限 值之上时，所述输出控制信号指示X射线照射的开始，并且当所述脉宽持续时间下降 到所述门限值之下时，指示X射线照射的停止。
18. 如权利要求16所述的成像传感器，其中，在等待检测在所述成像板上X射线 照射的开始时，将与所述公共节点相对的所述像素电容器的各个节点连接到虚地，并 且在检测到X射线照射开始之后，除了一部分之外的所有单个像素节点都与所述虛地 断开；这样保持虚地与所述一部分的连接使得;险测在所述成像上x射线的照射的停止成为可能。
19. 如权利要求18所述的成像传感器，其中，当关于保持连接到虚地的所述一部 分像素的电荷注入降到所述预定门限值之下时，所述控制信号发生器指示X射线照射 的终止。
20. 如权利要求18所述的成像传感器，其中，所述部分包括像素的至少一行。
21. 如权利要求18所述的成像传感器，其中，所述电荷平衡电容器是可变电容器， 并且所述控制单元包括用于在所述控制信号发生器指示在所述成像板上存在X射线 照射之后改变所述电容器值的装置。
22. 如权利要求18所述的成像传感器，其中，所述电荷源是可编程恒定电流源， 它在检测到X射线照4t之前把第一水平的充电电流输出到电荷平衡电容器，并且在检 测到X射线照射之后把第二、较低水平的充电电流输出到所述电荷平衡电容器。
23. 用于检测数字放射线摄影成像板上X射线照射的方法，所述数字放射线摄影 成像板具有成像像素的二维阵列，每个像素具有被照射X射线直接或间接地充电以建 立受X射线照射的物体的图像的固有电容器，包括提供连接在到所述成像像素的电容器的公共节点处的外部电容器； 在所述成像板上发生X射线照射之前的期间，在响应于在所述公共节点处感测的充电电压进行脉宽调制的脉沖列的控制下，通过把充电脉沖注入所述外部电容器而在所述像素电容器上建立预定的偏置电压；以及检测所述脉冲列的宽度调制，并且当检测到的脉宽超过预定门限值时，产生指示在所述成像板上X射线照射开始的输出控制信号。
24. 如权利要求23所述的方法，还包括下列步骤 提供参考电压；控制所述脉宽调制以将在所述公共节点上的充电电压相对于所述参考电压维持在 恒定值；其中在所述成像板上X射线照射开始时，增加所述脉宽以维持在所述外部电容器 和所述像素电容器之间的电荷平衡，从而使在所述公共节点上的电荷值维持在恒定值。'
25. 如权利要求23所述的方法，其中，在所述之前期间，与所述公共节点相对的 所述成像像素的各个节点连接到虛地电位，所述方法还包括下列步骤响应于表示X射线照射的开始的所述输出信号，将除了一部分之外的所有成像像 素与虛地电位断开；继续监视在所述外部电容器和成像像素的一部分之间的所述公共节点处的电荷平衡；以及当所述脉宽降到所述预定门限值之下时，产生指示X射线照射的停止的第二输出 信号。
26. 如权利要求25所述的方法，其中，所述一部分包括像素的至少一行。
27. 如权利要求25所述的方法，还包括下列步骤在产生指示X射线照射开始的所述控制信号之后，改变所述外部电容器的值，从 而增强X射线照射的停止的检测。
28. 如权利要求25所述的方法，还包括下列步骤 把可编程水平的充电电流输入到所述电荷平衡电容器；在检测到X射线照射之前向所述电荷平衡电容器设置充电电流的第一水平；以及 在检测到X射线照射之后向所述电荷平衡电容器设置充电电流的第二、较低的水平。
全文摘要
一种无线、独立的数字成像传感器利用外部电荷平衡电容器在传感器板中充电电容器和像素固有电容器之间的公共节点处建立检测电压。可变宽度脉冲列响应于检测电压而控制注入到外部电容器的电荷以在公共处维持等于参考电压的恒定电压。检测到表示开始露出X射线的脉冲宽度增加到门限水平之上，从而产生用于控制成像传感器的后续图像获取功能的输出控制信号。
文档编号H04N5/32GK101346988SQ200680049091
公开日2009年1月14日 申请日期2006年12月12日 优先权日2005年12月30日
发明者G·盖斯比施, J·M·西尔伯曼, J·R·豪弗, J·约克斯顿, S·杜尔亚蒂 申请人:卡尔斯特里姆保健公司