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CN109073769B - 用于x射线探测器中的改进的量子探测效率的方法及装置 - Google Patents

用于x射线探测器中的改进的量子探测效率的方法及装置 Download PDF

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CN109073769B CN201780013455.9A CN201780013455A CN109073769B CN 109073769 B CN109073769 B CN 109073769B CN 201780013455 A CN201780013455 A CN 201780013455A CN 109073769 B CN109073769 B CN 109073769B
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Abstract

本公开涉及一种用于对用于改进的X射线探测器的调制传递函数和量子探测效率的方法及装置进行改进的方法及装置。所述方法及装置包括对由微传感器元件所获取的微元件输出进行数字化，并根据这些数字化的微元件输出来生成像素输出。每个像素输出为多个加权因子化的微元件输出之和。

Description

用于X射线探测器中的改进的量子探测效率的方法及装置
对其它申请的交叉引用
本申请要求2016年2月19日提交的美国临时专利申请No.62/297,336和2016年2月22日提交的美国临时专利申请No.62/298,076的利益，其通过引用被纳入本文。
技术领域
本公开总体涉及X射线探测器，更具体地，涉及用于X射线探测器的改进的调制传递函数和量子探测效率的方法及装置。
背景技术
与辐射照射量相关联的公知风险是开发能够使用较低的患者照射量来生成更优图像的新探测器技术的关键动力。在诊疗放射学中，较低的患者照射量通常导致探测器中交互的x射线量子较少、图像信噪比(SNR)降低。图像SNR，表示为空间频率依赖的噪声等效的量子数(NEQ)，确定在噪音受限的图像中能够和无法看到的。例如，最近比较乳腺癌筛检项目中使用计算机X线摄影(CR)和平板数字X线摄影(DR)的诊断准确性，发现相较于CR，DR具有更好的癌症检测率，这归因于系统调制传递函数(MTF)和图像SNR的差异。量子探测效率(DQE)，起初叫做等效量子效率，描述了用于入射到探测器上的指定数目的x射线量子的NEQ。
理想探测器的DQE等于用于所有重要空间频率的量子效率(探测器中交互的x射线量子分数)。然而，实际上因若干考虑因素，随着频率增加，DQE总是进一步降低，所述考虑因素包括：如MTF所描述的分辨率损失；次级量子的散射(磷中的光散射或光导体中的电荷迁移)；来自光电交互和康普顿散射的特征发射的再吸收或溢出；以及噪声混淆。噪声混淆是随着用于在乳房摄影能量的a-硒探测器的频率、DQE衰减的主因，降低了用于使小病变和精细的图像细节可视化的SNR。
因此，提供一种用于X射线探测器中的改进的调制传递函数和量子探测效率的新方法及装置。
发明内容
本公开提供了一种用于X射线探测器中的改进的调制传递函数(MTF)和量子检测效率(DQE)的新方法及装置，该X射线探测器用在放射射线摄影、乳房摄影、计算机断层扫描和核医学成像中。在一个实施例中，本公开提供了一种通过改进MTF、消除或减少噪声混淆或两者来实现较平坦的DQE响应的方法及装置。
本公开的装置包括传感器阵列，该传感器阵列具有小于期望的图像像素尺寸的物理传感器元件。图像像素值由测量的传感器阵列数据合成，同时实现反混淆滤波器，从而形成变迹孔径像素(AAP)结构。在一个实施例中，这可以使用CMOS传感器阵列或耦接到诸如但不限于硒、碘化铯或硫氧化钆的高分辨率转化层的其它技术来实现。将来自大量的小传感器元件的图像像素进行合成的过程能够直接在传感器阵列上实现，从而消除或减少对传送用于后处理的大量传感器阵列数据的非常高的读出带宽的需求。
在另一实施例中，本公开使用确定性加权在传感器元件之间引入受控信号共享。也就是说，使用预定的加权因子将来自每个微传感器元件的信号与来自其它微传感器元件的信号进行组合，以合成用于生成图像像素值的探测器值。以此方式，通过将来自数个微传感器元件的测量信号与预定的加权因子进行组合来生成每个探测器输出元件值。
在本公开的一方面，提供了一种对数字平面X射线探测器中的调制传递函数(MTF)和量子探测能量(DQE)进行改进的方法，包括对由一组微元件接收的X射线能量进行感应；基于感应到的X射线能量，生成用于该组微元件中的每个微元件的微元件输出；以及基于至少两个加权因子化的微元件输出，生成用于期望的像素图像尺寸的一组像素输出。
在另一方面，生成一组像素输出包括检索一组微元件输出；将加权因子施加于检索到的微元件输出中的每个，以生成一组加权因子化的微元件输出；以及计算该组加权因子化的微元件输出之和。在又一方面，加权因子包括下列中的至少一种：sinc函数、提供修正的频率响应权重因子以增强或抑制其它空间频率的加权因子；增强输出图像中的信噪比的加权因子，或增强图像质量的加权因子。
在另一方面，所述方法进一步包括传送该组像素输出。在进一步的方面，生成微元件输出包括确定微元件所感应到的能量的等级；将感应到的能量的等级数字化，以生成微元件输出。在另一方面，微元件的尺寸小于期望的像素图像尺寸的尺寸。
在本公开的另一方面，提供了一种用于改进数字平面n X射线探测器中的调制传递函数(MTF)和量子探测能量(DQE)的探测器，包括用于接收X射线能量并用于释放次级量子的转换器层；以及包含一组微元件的传感器层，该组微元件用于感应次级量子，以基于期望的图像像素尺寸生成用于计算一组像素输出的微元件输出；其中该组微元件的每个微元件的尺寸小于期望的图像像素尺寸。
在另一方面，该探测器进一步包括至少一个模拟数字(A/D)转换器，用于将由该组微元件感应到的能量数字化成微元件输出。在进一步的方面，该探测器进一步包括用于生成一组像素输出的中央处理单元。在另一方面，通过增加至少两个加权因子化的微元件输出来生成该组像素输出。
附图说明
现在将仅通过举例，参考附图来描述本公开的实施例。
图1为常规X射线探测器的示意图；
图2a为根据当前公开的X射线探测器的第一实施例的示意图；
图2b为根据当前公开的X射线探测器的第二实施例的示意图；
图3为概述对X射线探测器中的量子探测效率进行改进的方法的流程图；
图4为X射线光子交互并在转换器层中沉积能量的常规探测器的示意图；
图5为根据本公开的探测器的另一实施例的示意图；
图6为示出常规探测器及AAP探测器两者的性能的图示，其中信号和噪声通过简单物理过程的级联在空间域及空间频率域内传播；
图7为示出AAP探测器和常规探测器之间理论MTF、正则化NPS和DQE的一组曲线图(假设可忽略的读出噪声和理想的转换器层)；
图8为示出本公开的探测器的视觉影响的一对仿真图；
图9为示出用基于碘化铯的AAP探测器所获取的实验数据的曲线图；
图10为示出用基于硒的AAP探测器所获取的实验数据的曲线图。
具体实施例
本公开涉及一种用于X射线探测器的改进的调制传递函数(MTF)和量子探测效率(DQE)的方法及装置。MTF和DQE一般表示为作为空间频率的函数的曲线，或作为处于特定空间频率处的特定值。在一个实施例中，本公开涉及使用来自X射线探测器内的小像素或微元件对MTF曲线以及DQE值进行改进或优化。
为清楚起见，在下面的描述中，术语“信号”指的是在微元件中收集的、从X射线能量吸收直接或间接释放的电荷。直接型传感器对由X射线能量吸收直接释放的电荷敏感，而间接型传感器对由光量子吸收所释放的电荷敏感，该光量子吸收是作为X射线能量吸收的结果而生成的。术语信号还可以包括从X射线能量吸收产生的其它可测量的量。术语“数字信号”指的是使用模拟-数字转换器(ADC)电路转换成数字值的信号。
转向图1，示出了一种常规X射线探测器的示意图。探测器10包括转换器层12和传感器层14。传感器层14包括用于感应入射X射线18的一组物理传感器元件16。在常规探测器中，物理传感器元件可以视为具有通常与期望的图像像素尺寸“p”相同的尺寸“a”。
操作时，X射线18将信号直接或间接沉积在物理传感器元件16上。在X射线18与转换器层12进行交互并在转换器层12中释放次级量子19后，由生成输出20的传感器元件16对释放的次级量子19进行感应或捕获。输出20可以是诸如电荷或电压的模拟信号。输出20通常与每个物理传感器元件16的测量信号成比例。在常规探测器中，通常因传感器增益及偏移方面的差异而对这些值进行修正，以获取与每个传感器元件的测量信号成比例的值。
来自每个元件16的结果信号20生成与每个元件16上沉积的X射线能量成比例的数字值。探测器10接着生成输出20，在阵列中值的数量等于物理传感器元件的数量的情况下，该输出20包括与以探测器的间隔“a”测量的信号相对应的数字值阵列。这样，每个数字值通常由来自一个物理传感器元件16的数字化信号给出。在一些探测器中，可以将信号20求和成非重叠的群组(通常每群组2x2、3x3或4x4个元件)。通常，通过以模拟形式对信号20进行组合来执行该求和。这具有减少输出20的数量并且从而增大期望的图像像素尺寸“p”的效果。
主要在与单个图像像素相对应的单个物理传感器元件16中对来自任一交互的X射线光子的信号进行测量，然而可以存在由元件之间的光或电荷共享导致的图像像素之间(即传感器元件之间)的某一信号共享。常规探测器被设计成使元件之间的此信号共享最小化，以实现高空间分辨率。
转向图2a，示出了根据本公开的变迹孔径像素(AAP)探测器的示意图。AAP探测器30包括AAP转换器层32，该AAP转换器层32位于用于接收X射线36的AAP传感器层34的顶部上。AAP传感器层34包括微传感器元件，或具有小于期望的图像像素尺寸“p”的尺寸“e”的微元件38。对于一些应用，对于放射射线摄影和乳房摄影“p”可以是0.05至0.2毫米，对于计算机断层扫描“p”可以是0.25至2.5毫米，并且对于核医学成像“p”可以是1至5毫米之间。不同于常规探测器，在本公开的探测器中，多个微元件38促成与各个像素相对应的像素输出，由此e总是小于p。
操作时，X射线36将信号沉积到微元件38上。接着，由诸如ADC 44将由每个微元件38产生的信号数字化，以生成与由每个微元件38沉积或感应的X射线能量成比例的数字信号或值(或微元件输出)42。然后，将来自每个微元件38的数字值42与加权因子50进行组合，诸如经处理器或中央处理单元(CPU)46，以生成与AAP探测器30的间隔“p”相对应的数字值。使用尺寸为“e”的微元件38连同加权因子以创建间隔为“p”的像素输出48的组合实现本公开的方法，其中“e”小于“p”。“e”与“p”之间的关系优选为2:1、3:1、4:1或8:1，然而，可以使用任何比率，且该比率可以是应用或用途相关的。“e”与“p”之间的较高比率通常将增加处理时间。
尽管值“e”的选择是随意的(且基于系统的设计)，但能够将多个微元件输出42与加权因子组合以生成像素输出48的益处是当前公开的优点。
如将描述的，在图2a的系统中，使来自微元件38的读数数字化允许对微元件输出42进行分割，使得它们能够促成多于一个像素输出48。如能在图2a中看到的，输出42可以促成任意数目的像素输出48，且依赖于探测器的设计或设置。这些输出42甚至可以互相重叠，因为它们被指导为用加权因子50来进行处理。在一个实施例中，微元件输出42的重叠具有低通滤波器的效果，以改进MTF和DQE。微元件输出42对像素输出的影响受控于加权因子，使得物理上离像素输出48较远定位的微元件输出42的影响小于物理上更接近像素输出48的微元件输出42。加权因子值可以为正或负。
关于加权因子，优选地对这些因子进行挑选或选择，以提供期望的特征响应。例如，加权因子可以从sinc函数中获取，被选择为抑制输出信号中高于采样截止频率0.5/a的空间频率并且使低于此频率的频率(矩形通带)通过。可替换地，加权因子可以被选择为提供修正的频率响应，以便使响应滚降平滑，从而减少吉布斯振铃(Gibbs ringing)。在另一实施例中，加权因子可以被选择为增强或抑制其它空间频率，以提供图像外观的改进，诸如边缘增强。而且，可以基于特定探测器的信号噪声频率响应特性来选择它们，以增强输出图像中的信噪比。而且，加权因子可以是X射线照射量(exposure)的函数，以增强图像质量，并可以考虑具体探测器的性能特性(包括但不限于空间分辨率和探测器电子噪声)，以改进或最大化图像质量。还可以考虑用于计算机断层扫描的重建算法来选择加权因子，以抑制或增强特定空间频率。
在当前系统中，微元件的使用允许传感器元件之间的受控信号共享。换言之，使用预定的加权因子将来自每个微元件的信号与来自其他微元件的系统进行组合，以合成用于生成图像像素值的探测器值(或数字值)。以此方式，通过将由数个微元件所测量的信号与预定的加权因子进行组合来生成每个像素输出48。在优选的实施例中，像素输出与微元件输出之间的关系是已知且预定的。
转向图2b，示出了本公开的另一实施例。在图2b的实施例中，系统不同于图2a的实施例在于移除了ADC和CPU。在当前实施例中，微元件输出42处于模拟域中，但可以经由硬件电路连接到多个像素输出48。根据图2b的系统的设计优选地考虑优选地用微元件输出与像素输出之间的硬件电路来实现的加权因子。
转向图3，示出了用于X射线探测器的改进的MTF和DQE的方法。首先，可以确定探测器的各个微元件的尺寸(100)。如将理解的，在探测器的整个传感器层中微元件通常具有相同尺寸。出于说明目的，可以将微元件视为具有尺寸或间隔“e”。在确定元件的尺寸后，确定期望的图像像素尺寸“p”(102)。为了实现MTF和DQE的改进，“e”必须小于“p”。例如，但不限于这些示例，e可以等于p/2、p/3或p/4。“e”的值还可以是p/2.7或p/10.6，由此“e”可以是“p”的非整数部分。
在X射线源被启动且朝向探测器递送X射线后，微元件对沉积在它们各自的表面上的X射线能量进行感应(或释放次级量子)(104)。接着，优选地对能量进行数字化，以基于每个表面的读数形成信号(106)。可以经模拟数字(A/D)转换器执行数字化。可替换地，假如使用硬件电路模拟地实现系统，则可以无需执行数字化。
接着将来自微元件的信号进行组合，以使用加权因子生成与探测器的间隔“p”相对应的数字值(或像素输出)。这样，基于微元件输出的像素输出提供的读数比常规系统更精确，常规系统仅用单个物理元件的单个读数，而不是利用微元件的多个加权因子化的读数来生成该读数。使用加权因子处理这些信号提供了之前未被实现的益处。
在一个实施例中，对微元件输出进行数字化后，可以通过增加一组预定的加权因子化的微元件输出来计算像素输出。换言之，基于探测器的设计，通过检索预定的微元件输出42并且接着将加权因子应用于检索到的预定的微元件输出42中的一个并且然后将这些值加在一起来计算每个像素输出。
更具体地，使用加权因子生成数字值可以是来自(多个)微元件的(多个)信号与包括重采样之前的加权因子的核函数(kernel)的离散卷积。可替换地，假如加权因子本身是测量信号或其它量的函数，则可以将数字值的生成(108)作为非线性卷积来执行。在另一实施例中，可以通过对来自微元件的数值信号进行傅里叶变换、之后乘以加权函数(描述AAP滤波器的期望的通带的函数)的傅里叶变换、再然后进行逆傅里叶变换以生成数字值的输出阵列，来执行数字值的生成。接着将这些像素输出诸如以阵列形式传送给处理器，在该处理器中可以对它们进行进一步处理(110)。
下面对本公开的益处以及采样计算进行概述。
通常将数字探测器的DQE表示为高达采样截止频率uc的空间频率的函数，uc＝0.5/a[循环/毫米]，并且a[毫米]为一个图像像素的宽度。给出用于DQE的标准表达式：
Figure GDA0003707541890000071
其中假设探测器读出噪声是可忽略的，T(u)是系统调制传递函数(MTF)，X是入射到探测器上的x射线照射量，QO为x射线谱中每单元面积以及每单元照射量的x射线量子的数目，W(u)是与均匀照射量X和平均图像像素值d相对应的维纳图像噪声功率谱(NPS)。
当次级散射的空间扩散可忽略并且调制传递函数(MTF)主要由像素孔径尺寸(诸如用基于硒的探测器)确定时，|T(u)|＝|sinc(au)|，并且能够使用级联系统将DQE描述为DQE(u)＝DQE(0)sinc2(au)。在此示例中，因噪声混淆，DQE值在相对零频率值的采样截止频率下落入分数sinc2(auc)＝sinc2(0.5)＝4/π2≈0.41。这造成额外的高频噪声，该额外的高频噪声将给予来自基于硒的探测器的图像它们特有的高频噪声结构。
图4图示了常规探测器，其中X射线光子交互并将能量沉积在一般由基于硒(Se)、碘化铯(CsI)、硫氧化钆(Gd2O2S)的材料制成的转换器层中。在此示例中，传感器元件尺寸a直接与图像像素尺寸相对应。
图5图示了根据本公开的AAP探测器。它具有相似的转换层，但传感器元件的尺寸e小于期望的图像像素。
可以使用级联系统分析(CSA)模型来描述常规探测器及AAP探测器两者的性能，其中如图6所示在空间及空间频率域中描述通过简单的物理处理的级联的信号及噪声传播。每个模型的输入为x射线量子
Figure GDA0003707541890000072
的空间分布，其中每个x射线光子被表示为狄拉克δ函数(Diracδ-function)。如所描述的，顶标～用于指示随机变量或函数。为简单起见，使用一维(x)图示，但所有结果也可应用于二维(x,y)。来自模型的输出为
Figure GDA0003707541890000073
是由表示图像像素数据的相关联的离散数字值缩放(scaled)的均匀间隔的δ函数的序列。上标
Figure GDA00037075418900000818
用于指示仅包含表示离散传感器或像素值的缩放的δ函数的函数。
对于每个模型，三个列分别表示：i)空间域中的图像信号；ii)空间频率域中的图像信号(仅量级)；以及iii)维纳噪声功率谱。
每个模型的输入为
Figure GDA0003707541890000081
点处理表示入射到探测器上的x射线量子的泊松随机分布：
Figure GDA0003707541890000082
其中每个入射光子表示为狄拉克δ函数，并且
Figure GDA0003707541890000083
为描述
Figure GDA0003707541890000084
个光子中的第n个的坐标的随机变量(RV)。顶标波浪号(～)用于指示RV，顶标横杠(ˉ)用于指示期望值。实际上，
Figure GDA0003707541890000085
不是均匀分布的，从而反映了穿过患者的非均匀x射线传输，但对于信号和噪声的傅里叶度量，假设对移不变性和广义的稳态噪声进行处理，从而要求
Figure GDA0003707541890000086
以均匀的概率分布在被表示为在极限情况L→∞下具有宽度L的无限探测器上。因此,
Figure GDA0003707541890000087
Figure GDA0003707541890000088
的傅里叶变换为
Figure GDA0003707541890000089
许多移位δ函数的傅里叶变换(FT)的叠加。傅里叶移位定理的应用显示每个δ函数的FT具有统一的量级(magnitude)及相位
Figure GDA00037075418900000810
给出
Figure GDA00037075418900000811
并且
Figure GDA00037075418900000812
其独立于频率。
Figure GDA00037075418900000813
的维纳NPS为
Figure GDA00037075418900000814
对于每一个，假设所有入射的x射线量子(统一量子效率)在理想的转换器层中交互，使得每个传感器元件为理想的光子计数器。此假设便于描述本公开的探测器，但不是使用它的必要条件。常规探测器的将用理想转换器获取的DQE由DQEC(u)给出，其中
Figure GDA00037075418900000815
对于本公开的探测器，AAP探测器也表示为光子计数传感器元件的阵列，但具有尺寸e的元件，其中e<a。来自传感器数据的图像像素值的评估由离散卷积操作来确定，表示为卷积整数(参见图6中的2.1)与处于均匀间隔a的卷积整数(参见图6中的2.2)的评估的组合。类似于
Figure GDA00037075418900000816
中间预采样结果
Figure GDA00037075418900000817
是物理上不可得到的。因此给出来自AAP探测器的输出：
Figure GDA0003707541890000091
和：
Figure GDA0003707541890000092
因为
Figure GDA0003707541890000093
通过下列给出对应的正则化NPS
Figure GDA0003707541890000094
所以给出AAP探测器的MTF:
Figure GDA0003707541890000095
其中F(0)为F(u)的零频率值，并且变量ε用于指示“e”。因使用滤波器F(u)和来自以间隔a和ε的采样的混淆的组合效应，在AAP探测器的情况下DQE更为复杂一些。然而，检查方程(20)显示F(u)的好的选择为低通滤波器，其阻断所有高于采样截止频率uc＝0.5/a的频率，以避免来自以间隔a的重采样的噪声混淆移动至低于uc的频率。然后，通过下列给出DQE
Figure GDA0003707541890000096
此结果显示滤波器的频率响应不影响DQE，只要它描述具有截止频率uc＝0.5/a的低通滤波器，且因为ε<a，AAP探测器比常规探测器更难忍受读出噪声。
图7图示了由用于常规(合并的(binned))探测器及AAP探测器(矩形低通滤波器，ε＝50μm，a＝200μm)的CSA模型所预测的预采样MTF、正则化NPS和DQE曲线。常规MTF遵循方程(15)给出的sinc(au)形状，而AAP MTF遵循方程(21)给出的高达截止频率uc＝0.5/a的sinc(εu)。因此，尽管AAP方法导致MTF增加了因子sinc(εu)/sinc(au)，等于在截止频率增加了53％，但若有信号混淆，它还是从图像消除了信号混淆。
出于说明目的，假设可忽略读出噪声而对NPS进行评估。图7中的正则化NPS独立于用于常规探测器及AAP探测器的频率。因读出噪声的附加影响，对于AAP探测器，它可能稍大于一(unity)。重要的是要注意到，除读出噪声外，正则化NPS对于两种探测器都是相同的。这意味着在相同的显示对比设置的情况下，常规图像及AAP图像将似乎具有相同的量子噪声。DQE曲线显示了通过AAP探测器的频率所带来的预测的改进。假如读出噪声可忽略，则DQE增加了因子sinc2(εu)/sinc2(au)，等于在图像采样截止频率下2.5x的增加。
对于AAP探测器，转换器层还可以影响MTF和DQE。此处示出的结果与分辨率非常高的转换器层相对应。假如转换器层导致次级图像量子(例如磷中的光子或光导体中电荷迁移)的侧散射，结果可能稍有不同。然而，AAP设计使得在所有情况下MTF和DQE都改进。
本公开优于常规探测器的一个优点在于视觉影响。在图8中用简单的仿真图示了期望的DQE改进的视觉影响，该仿真与e＝50μm而无读出噪声以及p＝200μm像素相对应。在不同振幅的三个行和不同的空间频率的5个列中，每个图像具有15个二维正弦测试模式。1.0循环/毫米(cycles/mm)、1.5循环/毫米、2.0循环/毫米、2.4循环/毫米和3.0循环/毫米的频率被选择为低于、略低于以及高于2.5循环/毫米的采样截止频率。从上到下的行中的模式具有60、100和140像素值的振幅，而在原始的50μm传感器信号中用标准方差100添加白高斯噪声，以仿真在每个频率下的噪声受限图像。将AAP滤波器选择为具有统一高度和高达采样截止频率uc＝0.5/a的频率响应的矩形低通滤波器。
现在公开AAP探测器设计的进一步实施例。在当前公开中，公开了如关于图5和6图示及描述的创建变迹孔径的方法，目标是增大高频MTF和DQE值。该方法使用传感器阵列，该传感器阵列具有小于期望像素的尺寸p的尺寸ε的传感器元件。例如，这可以使用能够具有和10-25μm一样小的元件的CMOS传感器阵列来实现。尽管这与20-50循环/毫米的采样截止频率相对应，但此高分辨率不可能具有任何临床意义，并且实现此类图像中的高SNR所需的患者照射量在大多数应用中也令人望而却步。另外，放射射线摄影部门的工作负载使得此类大图像文件的归档、传送及显示不太有利或令人望而却步。本公开涉及一种直接在传感器阵列上对传感器元件数据进行数字化和处理或作为成像系统内的后处理以使用算法对大于传感器元件的图像像素进行合成的方法，该算法将增大MTF并减少噪声混淆，并且由此提高DQE。在优选的实施例中，转换器层具有非常高的空间分辨率(没有诸如磷中的光散射或光导体中的电荷迁移之类的次级量子的空间扩散)，使得分辨率大部分由元件尺寸确定，即使是在小元件或微元件的情况下。因此，对于转换层，硒可能是优选材料，然而用其它材料也能实现同样益处。当使用低于转换器材料的K-边缘能量的x射线能量时，诸如对于乳房摄影成像，还可以通过CsI或其它转换器而从该方法中获取实质益处。
在本公开级联模型的实施例中，相较于具有同样尺寸的像素的常规检测器，小传感器元件的简单合并不会在采样截止频率下提高MTF或DQE。无论合并的元件数目或元件尺寸如何，由于sinc2形状，在理想转换器层情况下处于uc的DQE保持为少于零频率值的一半。为了改进MTF和DQE，使用变迹孔径像素(AAP)设计，其中数据在具有尺寸ε的传感器元件中获取，并接着被处理成以合成具有尺寸p的图像像素。传感器优选地具有极低的读出噪声，以确保高DQE值、能够用CMOS传感器实现的其它事物。图6中图示了空间域及空间频率域中的信号和噪声特性。
在本公开的一个具体实施例中，来自微元件的信号
Figure GDA0003707541890000116
随后与滤波器核函数f(x)进行卷积，以生成预采样函数
Figure GDA0003707541890000111
随后以间隔a对该预采样函数进行评估，以生成输出信号
Figure GDA0003707541890000112
该输出信号
Figure GDA0003707541890000113
包括由离散探测器输出值
Figure GDA0003707541890000114
缩放的间隔a上的狄拉克δ函数的序列。实际上，由来自每个小元件的离散值与离散矢量fi的数值卷积来合成离散值
Figure GDA0003707541890000115
对两个探测器执行AAP设计的实验验证。第一为基于CMOS的面板，其具有带0.5毫米CsI转换器层的50μm的传感器元件。使用截止频率为2.5循环/毫米的矩形低通滤波器来合成具有200μm像素的图像。针对具有RQA-5光谱的4μGy空气KERMA的探测器照射量(70KV，2毫米增加的AI，6.4mAs，7.1毫米AI HVL，150厘米源图像距离)对MTF和DQE进行测量。为了比较，使用来自相同原始图像的传感器数据的4x4合并来生成具有同样200μm尺寸的像素的常规图像。对所有的图像进行增益及偏移校正。额外的读出噪声被验证为相对x射线量子噪声是可忽略的。
使用基于硒的临床放射射线摄影探测器来进行相同的比较，该探测器具有70μm的传感器元件与硒转换器层和非晶硅传感器阵列。使用AAP和4x4合并方法对具有280μm像素的图像进行合成。使用具有IEC W/Rh光谱的90μGy空气KERMA(28kV，2毫米增加的AI，24mAs，0.75毫米AI HVL，65厘米源图像距离，无网格)用公知的用于计算DQE的放射射线摄影的方法对MTF和DQE进行测量。
图6中的图示的用途示出能够用每种方法获取的信号和噪声的频率响应，包括DQE。AAP方法的益处能够通过比较这两张图来确定，因为它们是用相同的空间及空间频率比例绘制的。每个图中的左列示出入射X射线量子的相同随机分布的传播。通过将图6中用于AAP探测器的
Figure GDA0003707541890000121
(图6的2.1)和用于常规探测器的
Figure GDA0003707541890000122
进行比较，看出微元件的频率响应比大元件的宽得多。通过选择如图所示的sinc形状的核函数f(x)＝sinc(x/a)，我们获取低通滤波器，其在阻断所有高于图像截止频率u＝0.5/a的频率的同时，通过相同加权使低于该图像截止频率的频率通过。这通过保留小元件(孔径MTF)的超级频率响应以及减少噪声混淆来增加DQE。
底部行图示了输出图像信号和噪声。尽管两种探测器设计具有相同数量的图像像素且在相同的间隔a上，但由于频率响应不同且信号混淆减少，AAP探测器
Figure GDA0003707541890000123
的像素值以细微的方式不同于常规探测器
Figure GDA0003707541890000124
的像素值。在中间列看出每个的频率响应，其中相较于常规探测器，
Figure GDA0003707541890000125
具有更均匀的基本谱分量。另外，存在较少的高阶混淆的重叠，这导致减少的信号混淆。类似于常规探测器，维纳NPS也独立于频率。因此，基于硒的AAP图像(相较于具有相同像素尺寸的常规探测器)中的噪声的外观将不变，即使大大减少了噪声混淆。相反，MTF改进了，从而导致DQE改进。
图7示出了使用AAP方法(ε＝0.05毫米，a＝0.2毫米)获取的理论DQE与常规探测器(a＝0.2毫米)的比较。在零频率DQE值方面无差异，而高频DQE增加了几乎2.5的因子。此结果假设统一量子效率。实践中获取的实际DQE将是此图示中显示的由量子效率缩放的理论DQE。
如上提及的，当使用本公开的方法及装置时，体验到视觉影响的改进。在图8的仿真图像中，对常规(合并的，上部)和AAP(下部)方法的视觉外观进行比较。一种观察是两个图像中的噪声无法区分。这是预期的，因为它们每个都具有平坦的NPS，且图像通过相同的显示窗口显示。常规图像如预期的在头4列中与频率增加形成对照地显示降低处降低，而第5列显示被混淆到较低频率的模式。
通过比较，与头4列中的频率相比，AAP图像显示几乎没有变化，与期望的较平坦的MTF一致。然而，第5列中的模式已被完全消除，因为它包含高于采样截止频率uc的频率，因而由AAP滤波器F(u)从图像中消除。此观察给出滤波器阻断信号和噪声中所有高于uc的频率的能力的置信度(confidence)。
图9和图10中示出了具体的实验数据。关于图9，比较常规(像素合并)和AAP方法，在用CMOS/CsI探测器中获取的预采样MTF、NPS和DQE曲线中反映了CMOS/CSI探测器实验验证。CsI转换器层中的光散射降低了空间分辨率，因此测量的MTF随频率下降得比不包含转换器的方程(15)的理论模型快。AAP MTF仅显示了不太大的改进，然而它显示了AAP方法的低通特性，因为从图像消除了高于uc＝0.5/a的频率。AAP仅显示了高于常规MTF的不太大的改进，因为此探测器的MTF大部分由CsI转换器层的光分辨率特性确定。结果，几乎没有噪声混淆，且DQE尽管以从0.2至0.4的截止频率改进了因子2，但小于方程(22)所预测的。
关于图10，显示了来自硒探测器实验验证的实验结果。用硒探测器获取的结果接近理论预测，因为硒转换器几乎没有造成空间分辨率损失，使得它更接近理想的转换器层。图10显示了测量的预采样MTF、NFS和DQE曲线，该曲线比较了使用硒探测器测量的常规(合并的)方法和AAP方法。常规MTF类似于方程(15)的理论曲线，而AAP MTF更接近包括uc＝0.5/a≈1.8循环/毫米的低通截止频率的方程(21)。对于常规及AAP图像，NPF相对平坦，并且处于uc的DQE从0.25至0.5，约为2倍，从而导致几乎独立于频率的DQE。
如公开的，对于具有基本计算能力并且其中传感器元件能够被制造成小于可能具有用于临床成像的实际价值的元件的探测器，本公开的方法及装置可能有利。例如，用具有25μm传感器(20循环/毫米)的全尺寸探测器可获取的高频率可能没有直接的临床价值，且生成的文件尺寸对于当前的实际显示、传输和存储可能太大。本公开的方法可以提供一种架构方法，其中将图像像素与物理传感器元件分离开来。关于CMOS和其它具有非常小的传感器的新探测器设计，这可以是运用可获取的信息对处于具有实际重要性的频率的DQE进行改进的方法。大像素值的合成能够直接在探测器上实时进行，从而减少或消除读出系统中对非常高的数据传输带宽的需求。
本公开的优点包括但不限于由于小传感器元件的超级频率响应而造成的预采样MTF的改进。另一优点为当针对具有像素尺寸a的图像合成大图像像素保留了改进的MTF且阻断了高于图像采样截止频率uc＝0.5/a的频率时，使用sinc形状的核函数。结果，预采样MTF未超过此频率，这减少了图像中的频谱混叠现象。而且，从图像中消除了大部分噪声混淆，然而维纳NPS在所有空间频率上都保持为平坦的。另一优点是低频DQE值不受AAP算法影响，然而处于截止频率的DQE值增加了高达2.5x的因子。基于实验数据，对于具有0.05毫米元件的基于CMOS/CsI的探测器，通过比较4x4合并以用AAP方法模拟0.2毫米探测器以合成具有同样像素尺寸的图像，高频DQE从0.2增至0.4。还基于实验数据，对于基于硒的具有0.07毫米的元件的探测器，通过比较4x4合并以用AAP方法仿真0.28毫米探测器以合成具有同样像素尺寸的图像，高频MTF从0.5增至0.8，并且高频DQE从0.22增至0.52。
在优选的实施例中，直接在探测器传感器阵列上实施或执行该方法。这需要将每个物理传感器元件获取的信号转换为数字值，并使用来自许多传感器元件的数据对大于传感器元件的图像像素进行合成。此计算(或加权因子处理)可以执行为与滤波器核函数的卷积，或通过进行物理传感器数据的傅里叶变换、乘以滤波器传递函数、并进行逆傅里叶变换。能够将滤波器核函数形状设计为在诸如读出噪声水平、MTF的形状和维纳噪声功率谱的形状(尤其是，来自校正和未校正噪声的相对贡献)之类的特定探测器条件下，使DQE最大化。在优选的实施例中，能够使用类似于此公开中概述的使MTF和/或DQE最大化的级联模型、或诸如改变滤波器核函数直至DQE或DQE区域增大或最大化的交互方法之类的其它方法来对滤波器进行优化。该滤波器还能用于对MTF和NPS以及DQE进行整形。例如，可能优选地在采样截止频率附近使MTF和NPS以及DQE更平滑地降至0。这可以减少或最小化吉布斯振铃和由具有尖锐的低通滤波器频率响应的反混淆滤波器产生的其它现象。
在前面的描述中，出于解释目的，记载了若干细节，为的是提供对实施例的彻底了解。然而，对于本领域技术人员来说显然可以不需要这些具体细节。在其它实例中，以框图形式示出了公知的电结构及电路，为的是不让理解晦涩。例如，不提供关于是否将本文描述的实施例实现为软件例程、硬件电路、固件还是其组合的具体细节。
上面描述的实施例旨在仅为示例。本领域技术人员能够对特定的实施例实现改变、修正和修改，而不背离仅由本文所附的权利要求定义的范畴。

Claims (15)

1.一种对X射线探测器中的调制传递函数(MTF)和量子探测能量(DQE)进行改进的方法，包括：
对由一组微元件所接收的X射线能量进行感应；
基于感应到的X射线能量，生成用于所述一组微元件中的每个微元件的微元件输出；以及
生成用于期望的像素图像尺寸的一组像素输出，所述一组像素输出中的每一个基于来自所述一组微元件中的至少两个微元件的至少两个加权因子化的微元件输出，其中至少两个微元件形成单个像素；并且
其中微元件的尺寸小于期望的像素图像尺寸的尺寸。
2.根据权利要求1所述的方法，其中生成一组像素输出包括：
检索一组微元件输出；
将加权因子施加于检索到的微元件输出中的每个，以生成一组加权因子化的微元件输出；以及
计算所述一组加权因子化的微元件输出之和。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述加权因子包括下列中的至少一种：sinc函数、提供修正的频率响应权重因子以增强或抑制其它空间频率的加权因子、增强输出图像中的信噪比的加权因子，或增强图像质量的加权因子。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
传送所述一组像素输出。
5.根据权利要求1所述的方法，其中生成微元件输出包括：
确定由所述微元件感应到的能量的等级；
对感应到的能量的所述等级进行数字化，以生成所述微元件输出。
6.根据权利要求1所述的方法，其中微元件的尺寸小于期望的像素图像尺寸的尺寸。
7.根据权利要求2所述的方法，其中所述加权因子由滤波器核函数形状确定，以优化MTF曲线、DQE曲线、或者MTF曲线和DQE曲线两者。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述微元件中的每一个是小于显示的图像像素的探测器元件。
9.一种用于对X射线探测器中的调制传递函数(MTF)和量子探测能量(DQE)进行改进的探测器，包括：
转换器层，用于接收X射线能量并用于释放次级量子；以及
传感器层，包括一组微元件，所述一组微元件用于对所述次级量子进行感应以生成微元件输出，所述微元件输出用于基于期望的图像像素尺寸来计算一组像素输出；
其中所述一组微元件中的每个微元件的尺寸小于所述期望的图像像素尺寸。
10.根据权利要求9所述的探测器，进一步包括至少一个模拟-数字(A/D)转换器，用于将由所述一组微元件感应到的能量数字化为微元件输出。
11.根据权利要求10所述的探测器，进一步包括用于生成一组像素输出的中央处理单元。
12.根据权利要求11所述的探测器，其中所述一组像素输出通过增加至少两个加权因子化的微元件输出来生成。
13.根据权利要求9所述的探测器，其中微元件的尺寸小于期望的像素图像尺寸的尺寸。
14.根据权利要求12所述的探测器，其中所述至少两个加权因子化的微元件输出基于滤波器核函数形状，以优化MTF曲线、DQE曲线、或者MTF曲线和DQE曲线两者。
15.根据权利要求9所述的探测器，其中所述微元件中的每一个是小于显示的图像像素的探测器元件。
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