双能量成像设备和方法与流程

1.本公开涉及现场x-射线和γ射线检测器，更具体地涉及一种用于x-射线和/或γ射线检测的设备和方法。


背景技术：

2.在双能量成像中，可以获得对象在两个能量范围内的电磁辐射(诸如x-射线)的衰减。与仅使用单个能量范围的情况相比，该信息然后可以用于生成对象的更详细的图像。


技术实现要素：

3.该发明内容被提供以便以简化形式介绍概念的选择，这些概念将在以下的具体实施方式中进一步描述。该发明内容并非旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
4.目的是提供一种用于x-射线和/或γ射线检测的设备和方法。上述和其他目的是通过独立权利要求的特征实现的。根据从属权利要求、说明书和附图，其他实施形式是明显的。
5.根据第一方面，一种设备包括：检测器，该检测器包括多个像素，其中多个像素包括被配置为检测第一能量范围内的入射x-射线或γ射线辐射的第一像素子集和被配置为检测第二能量范围内的入射x-射线或γ射线辐射的第二像素子集，其中第二能量范围是第一能量范围的子范围；和处理单元，该处理单元耦接至检测器并且被配置为：从多个像素中的每个像素获得信号；基于每个像素的信号计算多个像素中的每个像素的辐射强度值；和使用第二像素子集中的至少一个像素的所获得的辐射强度值和第一像素子集中的至少两个像素的所获得的辐射强度值计算第二像素子集中的至少一个像素在第一能量范围内的辐射强度估算值。例如，该设备可以通过估算第一能量范围内的缺失信息来提高成像分辨率。
6.在第一方面的实施形式中，该处理单元还被配置为通过执行以下操作来计算辐射强度估算值：计算多个像素中的多个像素对中的每个像素对的衰减因子，其中多个像素对中的每个像素对包括第一像素子集中的一个像素和第二像素子集中的一个像素；使用空间滤波器和多个像素对的衰减因子计算经滤波的衰减因子；和使用第二像素子集中的至少一个像素的所获得的辐射强度值和经滤波的衰减因子来计算在第一能量范围内的辐射强度估算值。例如，该设备可以通过使用其他像素的衰减因子来有效地计算估算值。
7.在第一方面的另一实施形式中，空间滤波器包括空间低通滤波器、移动平均滤波器、移动中值滤波器、加权中值滤波器或高斯滤波器。例如，该设备可以有效地计算经滤波的衰减因子。
8.在第一方面的另一实施形式中，该处理单元还被配置为使用第一像素子集中的至少一个像素的所获得的辐射强度值和第二像素子集中的至少两个像素的所获得的辐射强度值来计算第一像素子集中的至少一个像素在第二能量范围内的辐射强度估算值。例如，
该设备可以通过估算第二能量范围内的缺失信息来进一步提高成像分辨率。
9.在第一方面的另一实施形式中，检测器还包括滤波器，该滤波器被布置为阻止第二能量范围外的入射x-射线或γ射线辐射的至少一部分进入第二多个像素。例如，该设备可以有效地防止第二能量范围外的入射射线辐射进入第二多个像素。因此，第二多个像素可以用于双能量成像。
10.在第一方面的另一实施形式中，该滤波器还包括多个孔口，该多个孔口被布置为允许入射x-射线或γ射线辐射进入第一多个像素。例如，该设备可以允许辐射进入第一多个像素，同时防止第二能量范围外的入射射线辐射进入第二多个像素。因此，第一多个像素和第二多个像素可以用于双能量成像。
11.在第一方面的另一实施形式中，第一像素子集和第二像素子集在空间上排列成交替图案。例如，该设备可以使用每隔一个的像素来测量第一能量范围内的入射辐射，并且使用每隔一个的像素来测量第二能量范围内的入射辐射。
12.根据第二方面，双能量x-射线或γ射线成像装置包括根据第一方面的设备。
13.根据第三方面，提供了一种使用包括多个像素的检测器进行成像的方法，其中该多个像素包括被配置为检测第一能量范围内的入射x-射线或γ射线辐射的第一像素子集和被配置为检测第二能量范围内的入射x-射线或γ射线辐射的第二像素子集，其中该第二能量范围是第一能量范围的子范围，该方法包括：从多个像素中的每个像素获得信号；基于每个像素的信号来计算多个像素中的每个像素的辐射强度值；和使用第二像素子集中的至少一个像素的所获得的辐射强度值和第一像素子集中的至少两个像素的所获得的辐射强度值来计算第二像素子集中的至少一个像素在第一能量范围内的辐射强度估算值。例如，该方法可以通过估算第一能量范围内的缺失信息来提高成像分辨率。
14.在第三方面的实施形式中，计算辐射强度估算值包括：计算多个像素中的多个像素对中的每个像素对的衰减因子，其中该多个像素对中的每个像素对包括第一像素子集中的一个像素和第二像素子集中的一个像素；使用空间滤波器和多个像素对的衰减因子来计算经滤波的衰减因子；使用第二像素子集中的至少一个像素的所获得的辐射强度值和经滤波的衰减因子来计算在第一能量范围内的辐射强度估算值。例如，该方法可以通过使用其他像素的衰减因子来有效地计算估算值。
15.在第三方面的另一实施形式中，空间滤波器包括空间低通滤波器、移动平均滤波器、移动中值滤波器、加权中值滤波器或高斯滤波器。例如，该方法可以有效地计算经滤波的衰减因子。
16.在第三方面的另一实施形式中，该方法还包括使用第一像素子集中的至少一个像素的所获得的辐射强度值和第二像素子集中的至少两个像素的所获得的辐射强度值来计算第一像素子集中的至少一个像素在第二能量范围内的辐射强度估算值。例如，该方法可以通过估算第二能量范围内的缺失信息来进一步提高成像分辨率。
17.根据第四方面，计算机程序产品包括被配置为当在计算机上执行该计算机程序产品时执行根据第三方面的方法的程序代码。
18.许多附加的特征将更容易理解，因为它们通过参考结合附图考虑的以下详细描述而变得更好理解。
附图说明
19.在下文中，参考所附的图和附图更详细地描述示例性实施例，其中：
20.图1图示了根据实施例的设备的示意图；
21.图2图示了根据实施例的检测器的示意图；
22.图3图示了根据另一个实施例的检测器的示意图；
23.图4图示了根据实施例的辐射强度值估算的示意图；
24.图5图示了根据实施例的te和he计数以及衰减因子的曲线图表示；
25.图6图示了根据另一个实施例的te和he计数以及衰减因子的曲线图表示；
26.图7图示了根据实施例的作为灰度图像的经暗校正的原始数据的示意图；
27.图8图示了根据实施例的作为灰度图像的衰减因子的示意图；
28.图9图示了根据实施例的作为灰度图像的经滤波的衰减因子的示意图；
29.图10图示了根据实施例的作为灰度图像的经恢复的te输出的示意图；
30.图11图示了根据实施例的作为灰度图像的经恢复的he输出的示意图；和
31.图12图示了根据实施例的方法的流程图。
32.在下文中，相同的附图标记是指相似或至少功能上等同的特征。
具体实施方式
33.在以下描述中，参考了附图，这些附图形成了本公开的一部分，并且在附图中通过说明的方式示出了可以放置本公开的特定方面。可以理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他方面，并且可以进行结构或逻辑改变。因此，以下详细描述不应被理解为限制意义的，因为本公开的范围由所附权利要求限定。
34.例如，应当理解的是，结合所描述的方法的公开内容也可以适用于被配置为执行该方法的对应设备或系统，反之亦然。例如，如果描述了特定的方法步骤，则对应的设备可以包括执行所描述的方法步骤的单元，即使该单元没有在图中明确地描述或图示。在另一方面，例如，如果基于功能单元来描述特定装置，则对应的方法可以包括执行所描述的功能的步骤，即使这样的步骤没有在图中明确地描述或图示。此外，应当理解的是，本文描述的各种示例性方面的特征可以彼此组合，除非另有特别说明。
35.图1图示了根据实施例的设备100的示意图。
36.根据实施例，设备100包括检测器101，检测器101包括多个像素。多个像素可以包括被配置为检测第一能量范围内的入射x-射线或γ射线辐射的第一像素子集和被配置为检测第二能量范围内的入射x-射线或γ射线辐射的第二像素子集。第二能量范围可以是第一能量范围的子范围。
37.多个像素可以在空间上排列成例如一维行或二维阵列或矩阵。
38.第一能量范围可以对应于例如双能量x-射线成像中的所谓的总能量(te)。
39.第二能量范围可以对应于例如双能量x-射线成像中的所谓的高能量(he)。由于he能量范围是te能量范围的子范围，因此设备100可以通过从te事件中减去he事件来获得所谓的低能量(le)信息。这样，设备100可以通过使用le和he信号来执行双能量成像。
40.设备100还可以包括耦接至检测器101的处理单元102。处理单元102可以被配置为从多个像素中的每个像素获得信号。
41.处理单元102可以基于从多个像素获得的信号进行预处理。然后，处理单元102可以将经预处理的信号用于连续操作。例如，处理单元102可以执行去噪和/或暗帧减影(dark-frame subtraction)。
42.来自每个像素的信号可以与入射辐射的强度成比例。例如，每个信号可以与由于入射辐射而在像素中发生的事件的数量成比例。
43.处理单元102还可以配置为基于每个像素的信号来获得多个像素中的每个像素的辐射强度值。
44.处理单元102可以通过例如对信号进行模数转换并适当地缩放转换结果来获得辐射强度值。替代地或附加地，处理单元102可以执行其他操作和/或计算以获得辐射强度值。
45.辐射强度值可以对应于像素位置处的入射辐射的强度。辐射强度值还可以被称为事件计数或类似物。所获得的辐射强度值还可以被称为测量的辐射强度值、检测的辐射强度值或类似值。
46.处理单元102还可以被称为信号处理单元、计算单元或类似单元。
47.处理单元102还可以被配置为使用第二像素子集中的至少一个像素的所获得的辐射强度值和第一像素子集中的至少两个像素的所获得的辐射强度值来计算第二像素子集中的至少一个像素在第一能量范围内的辐射强度估算值。
48.在一些实施例中，处理单元102还可以被配置为使用第二像素子集中的每个像素的所获得的辐射强度值和第一像素子集中的至少两个像素的所获得的辐射强度值来计算第二像素子集中的每个像素在第一能量范围内的辐射强度估算值。
49.由于第二像素子集仅能够检测第二能量范围内的入射辐射，因此第二子集中的像素的位置处的第一能量范围内的入射辐射的强度信息可能会丢失。因此，成像分辨率可能会降低。如上所公开的，设备100可以通过使用来自其他像素的成像信息来近似估计丢失的信息。因此，设备100可以提高成像质量。
50.多个像素中的每个像素可以例如被配置为检测像素附近的入射x-射线和/或γ射线辐射。
51.处理单元102可以例如电耦接至多个像素中的每个像素。在一些实施例中，处理单元102可以被实施为专用集成电路(asic)。在一些其他的实施例中，asic可以与检测器101集成到单个单元中。在其他实施例中，处理单元102可以在与检测器101分离的设备中实施。
52.处理单元102可以包括至少一个处理器。该至少一个处理器可以包括例如各种处理设备，诸如协同处理器、微处理器、控制器、数字信号处理器(dsp)、具有或不具有伴随dsp的处理电路，或包括集成电路的各种其他处理设备，诸如例如专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、微控制器单元(mcu)、硬件加速器、专用计算机芯片等中的一个或多个。
53.处理单元102还可以包括存储器。存储器可以被配置为存储例如计算机程序等。该存储器可以包括一个或多个易失性存储器设备、一个或多个非易失性存储器设备、和/或一个或多个易失性存储器设备和非易失性存储器设备的组合。例如，存储器可以被实施为磁存储设备(诸如硬盘驱动器、软盘、磁带等)、光磁存储设备、半导体存储器(诸如掩膜rom、prom(可编程rom)、eprom(可擦除prom)、闪存rom、ram(随机存取存储器)，等)。
54.本领域技术人员可以理解，当处理单元102被配置为实施某些功能时，处理单元102的某一组件和/或某些组件，诸如至少一个处理器和/或存储器，可以被配置为实施该功
能。此外，当至少一个处理器被配置为实施某些功能时，可以使用例如包括在存储器中的程序代码来实施该功能。
55.设备100可以实施在例如双能量x-射线或γ射线成像装置中。
56.图2图示了根据实施例的检测器101的示意图。
57.根据实施例，检测器101还包括滤波器205，滤波器205被布置为阻止第二能量范围外的入射x-射线或γ射线辐射206的至少一部分进入第二多个像素203。
58.根据实施例，滤波器205还包括多个孔口，该多个孔口被布置为允许入射x-射线或γ射线辐射206进入第一多个像素202。
59.例如，在图2的实施例中，多个像素201包括第一像素子集202和第二像素子集203。第二像素子集203中的像素各自均被滤波器205覆盖。因此，滤波器205包括用于第一多个像素202的孔口。
60.在图2的实施例中，检测器还包括闪烁体层204。闪烁体层204可以将入射辐射206转换成较低能量的电磁辐射。然后，可以通过例如对应于多个像素201的光电二极管来检测该较低能量的电磁辐射。
61.滤波器205可以包括例如铜。滤波器205的厚度例如可以在0.1至10毫米(mm)的范围内，例如1.5mm。
62.滤波器205还可以被称为高能滤波器、x-射线滤波器或类似物。
63.由于第一像素子集202未被滤波器205覆盖，且第二像素子集203被滤波器205覆盖，因此设备100可以通过使用一种类型的闪烁体204测量入射辐射206来获得关于入射辐射206的双能量信息。
64.由于第一像素子集202未被滤波器205覆盖，因此像素可以获得总能量(te)信号。在另一方面，由于第二像素子集203被滤波器205覆盖，因此像素可以获得例如高能(he)信号。
65.te/he信号可以由例如处理单元102通过从te信号中减去he信号而转换成低能(le)信号。然后，可以在例如双能量(de)成像算法中使用le和he信号。替代地，可以修改双能量算法以使用te和he信号。
66.图3图示了根据另一个实施例的检测器101的示意图。
67.根据实施例，第一像素子集202和第二像素子集203在空间上排列成交替图案。
68.例如，在图3的实施例中，每隔一个的像素位于第一像素子集202中，每隔一个的像素位于第二像素子集203中。
69.在一些实施例中，多个像素201可以排列成一维行。然后，待成像的对象可以通过例如传送带相对于多个像素201移动，以便获得对象的二维图像。这可以被称为线扫描，并且其可以用于低成本的成像方案。
70.在一些实施例中，第一子集202和第二子集203中的像素可以耦接至单个asic。处理单元102可以包括asic。然而，在第一子集202和第二子集203之间的信号电平差可能很大。因此，如果在asic中只能使用一个增益设置，则信噪比不能针对两个子集都进行优化。因此，在一些实施例中，第一像素子集202可以耦接至第一asic，第二像素子集203可以耦接至第二asic。这可以允许每个能量范围的asic增益调谐。然而，这可能需要每个像素小了两倍的传感器填充因子，这可能会降低整体信号水平。
71.图4图示了根据实施例的辐射强度值估算的示意图。
72.根据实施例，处理单元102还被配置为通过执行以下操作来计算辐射强度估算值。
73.处理单元102可以为多个像素中的多个像素对中的每个像素对301计算衰减因子r 401。多个像素对中的每个像素对301可以包括第一子集202中的一个像素和第二子集203中的一个像素。
74.处理单元102为其计算衰减因子r 401的像素对301的数量可以变化。例如，多个像素对中的像素对301的数量可以大于三个，诸如五个、六个、七个或九个。
75.衰减因子r 401可以定量与第一像素子集202相比，第二像素子集203中的辐射强度衰减了多少。衰减因子r 401可以例如计算为r＝n
he
/n
te
，其中n
te
是像素对301中的第一像素子集202中的像素的所获得的辐射强度值，n
he
是像素对301中的第二像素子集203中的像素的所获得的辐射强度值。
76.n
te
还可以被称为获得/测量的te计数，n
he
还可以被称为获得/测量的he计数。在本文中，te计数可以是指由于入射辐射206而在第一能量范围内的事件的数量，而he计数可以是指由于入射辐射206而在第二能量范围内的事件的数量。
77.处理单元102可以使用空间滤波器402和多个像素对301的衰减因子r 401来计算经滤波的衰减因子r
f 403。
78.处理单元102可以使用第二像素子集中的至少一个像素的所获得的辐射强度值n
he 404和经滤波的衰减因子r
f 403来计算在第一能量范围n
te,e 406中的辐射强度估算值。例如，处理单元102可以使用n
te,e
＝n
he
/rf来计算辐射强度估算值406。
79.根据实施例，空间滤波器402包括空间低通滤波器、移动平均滤波器、移动中值滤波器、加权中值滤波器或高斯滤波器。适当的空间滤波器类型和与空间滤波器相关的参数可以根据成像应用而变化。
80.空间滤波器402可以是例如一维或二维的。例如，如果多个像素201在空间上排列成一维阵列，则空间滤波器402可以是一维的。在另一方面，如果多个像素201在空间上排列成二维阵列，则空间滤波器402可以是二维的。
81.在计算经滤波的衰减因子r
f 403时，滤波器402可以应用加权。例如，滤波器402可以对更接近于对其计算辐射强度估算值406的像素的像素对301的更多衰减因子r 401进行加权。
82.例如，处理单元102可以通过执行空间滤波器402和衰减因子r 401之间的卷积运算来计算经滤波的衰减因子r
f 403。替代地，例如，在非线性空间滤波器的情况下，处理单元102可以执行一些其他计算操作。
83.在其他实施例中，处理单元102可以以其他方式计算辐射强度估算值。例如，处理单元102可以滤波从第一像素子集202和/或第二像素子集203获得的辐射强度值，并且基于经滤波的强度值来计算经滤波的衰减因子r
f 403。
84.根据实施例，处理单元102还被配置为使用第一像素子集202中的至少一个像素的所获得的辐射强度值和第二像素子集中的至少两个像素的所获得的辐射强度值来计算第一像素子集202中的至少一个像素在第二能量范围内的辐射强度估算值。因此，处理单元102可以例如计算第一像素子集202中的像素的he计数估算值。例如，处理单元102可以计算如本文中公开的经滤波的衰减因子rf，然后将he计数估算值计算为n
he,e
＝rf×nte
。
85.图5图示了根据实施例的te和he计数以及衰减因子的曲线图表示。
86.在图5的实施例中，图示了测量的te计数501和经估算的te计数406以及测量的he计数404和经估算的he计数502。测量的计数用实心圆表示，经估算的计数用非实心圆表示。
87.在图5的实施例中，衰减因子401由空心圆表示。对于每个像素对，每个衰减因子计算为r＝n
he
/n
te
。经滤波的衰减因子r
f 403用线表示。已经使用长度为7的移动中值滤波器由衰减因子401计算经滤波的衰减因子r
f 403。
88.已经使用如上文所公开的经滤波的衰减因子r
f 403和测量的te计数501来计算图5的实施例中图示的经估算的he计数502。类似地，已经使用如上文所公开的经滤波的衰减因子r
f 403和测量的he计数404来计算经估算的te计数406。
89.图6图示了根据另一个实施例的te和he计数以及衰减因子的曲线图表示。
90.图6的实施例中图示的曲线代表图5的实施例中图示的曲线的一部分。
91.图7图示了根据实施例的作为灰度图像的经暗校正的原始数据700的示意图。原始数据700对应于测量的te和he计数。
92.在图7的实施例中，水平方向上，每隔一列对应于测量的te计数，每隔一列对应于测量的he计数。因此，每个能量范围的水平分辨率是原始数据700的总水平分辨率的一半。
93.图8图示了根据实施例的作为灰度图像的衰减因子401的示意图。
94.在图8的实施例中，已经为本文中所公开的图7的实施例中的每个水平像素对计算了衰减因子401。
95.图9图示了根据实施例的作为灰度图像的经滤波的衰减因子403的示意图。
96.在图9的实施例中，已经通过在水平方向上进行滤波，由图8的实施例的衰减因子获得经滤波的衰减因子403。
97.图10图示了根据实施例的作为灰度图像的经恢复的te输出1000的示意图。
98.可以通过使用来自原始数据700的测量的te列并且通过使用来自原始数据700的测量的he计数以及本文中所公开的经滤波的衰减因子403来计算其他列的经估算的te计数来获得经恢复的te输出1000。
99.图11图示了根据实施例的作为灰度图像的经恢复的he输出的示意图。
100.可以通过使用来自原始数据700的测量的he列并且通过使用来自原始数据700的测量的te计数以及本文中所公开的经滤波的衰减因子403来计算其他列的经估算的he计数来获得经恢复的he输出1100。
101.图12图示了根据实施例的方法1200的流程图。
102.根据实施例，使用包括多个像素的检测器进行成像的方法1200包括从多个像素中的每个像素获得1201信号，其中多个像素包括被配置为检测第一能量范围内的入射x-射线或γ射线辐射的第一像素子集和被配置为检测第二能量范围内的入射x-射线或γ射线辐射的第二像素子集，其中第二能量范围是第一能量范围的子范围。
103.方法1200还可以包括基于每个像素的信号计算1202多个像素中的每个像素的辐射强度值。
104.方法1200还可以包括使用第二像素子集中的至少一个像素的所获得的辐射强度值和第一像素子集中的至少两个像素的所获得的辐射强度值来计算1203第二像素子集中的至少一个像素在第一能量范围内的辐射强度估算值。
105.方法1200可以由例如处理单元102执行。
106.本文中给出的任何范围或设备值均可以在不损失所寻求的效果的情况下被扩展或改变。此外，除非明确禁止，否则任何实施例均可以与另外的实施例组合。
107.尽管已经以结构特征和/或动作特有的语言描述了该主题，但是应当理解的是，在所附权利要求中定义的主题不一定限于上述特定特征或动作。相反，以上描述的特定特征和动作被公开为实施权利要求的示例，其他等效的特征和动作旨在落入权利要求的范围内。
108.应当理解的是，上述益处和优点可以涉及一个实施例或可以涉及几个实施例。实施例不限于解决任何或所有所述问题的实施例或具有任何或所有所述益处和优点的实施例。还应当理解的是，对“一个(an)”项的提及可以指一个或多个这些项。
109.本文中描述的方法的步骤可以以任何合适的顺序进行，或在适当的情况下同时进行。此外，在不脱离本文中描述的主题的精神和范围的情况下，可以从任何方法中删除单个块。上文描述的任何实施例的方面可以在不损失所寻求的效果的情况下与所描述的任何其他实施例的方面相结合，以形成其他实施例。
110.在本文中使用的术语“包括”是指包括所识别的方法、块或元件，但是这样的块或元件不包括排他性列表，并且方法或装置可以包含附加的块或元件。
111.应当理解的是，以上描述仅作为示例给出，并且本领域技术人员可以进行各种修改。以上说明书、示例和数据提供了示例性实施例的结构和用途的完整描述。尽管以上已经以一定程度的特殊性或参考一个或多个单个实施例描述了各种实施例，但是本领域的技术人员可以在不脱离本说明书的精神或范围的情况下对所公开的实施例进行多种改变。