CN110891490A - X射线成像***及x射线图像跟踪方法 - Google Patents

X射线成像***及x射线图像跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本文公开了一种在对人或动物实施介入性放射学手术期间用X射线成像***(10)进行图像跟踪的方法。该方法可包括通过X射线成像***(10)的第一X射线检测器(30)获取人或动物体内的物体(50)的第一图像；在所述介入性放射学手术期间，在获得第一图像之后，用X射线成像***(10)获取物体(50)的第二图像；基于第一图像和第二图像确定第一X射线检测器(30)的位移；用X射线成像***(10)的驱动器(29)使第一X射线检测器(30)以所述位移运动。X射线成像***(10)包括第一X射线检测器(30)、第二X射线检测器(40)和驱动器(29)。第一X射线检测器(30)的空间分辨率高于所述第二X射线检测器(40)的空间分辨率。

Description

X射线成像***及X射线图像跟踪方法
【技术领域】
本发明涉及X射线图像跟踪方法，特别涉及用包括两个X射线检测器的X射线成像***进行X射线图像跟踪的方法。
【背景技术】
X射线检测器可以是用于测量X射线的通量、空间分布、光谱或其它特性的器件。
X射线检测器可用于许多应用。一个重要的应用是成像。X射线成像是一种射线照相技术，可以用于揭示非均匀组成的以及不透明的物体(例如人体)的内部结构。
早期用于成像的X射线检测器包括摄影板和摄影胶片。摄影板可以是具有光敏乳剂涂层的玻璃板。虽然摄影板被照相胶片代替，由于它们提供较好的质量和极好的稳定性，因而仍然可以在特殊情况下使用。摄影胶片可以是具有光敏乳剂涂层的塑料膜(例如，带或片)。
在20世纪80年代，出现了光激励萤光板(PSP板)。PSP板可包含在它的晶格中具有色心的萤光材料。在将PSP板暴露于X射线时，X射线激发的电子被困在色心中，直到它们受到在板表面上扫描的激光光束的激励。在激光扫描板时，被捕获的激发电子发出光，发出的光又被光电倍增管收集。被收集的光转换成数字图像。与摄影板以及被照相胶片相反，PSP板可被重复使用。
另一种X射线检测器是X射线图像增强器。X射线图像增强器的部件通常在真空中密封。与摄影板、摄影胶片和PSP板相反，X射线图像增强器可以产生实时图像，即不需要曝光后处理来产生图像。X射线首先撞击输入荧光体(例如，碘化铯)，并被转换成为可见光。然后，该可见光撞击光电阴极(例如含有铯和锑化合物的薄金属层)，并引起电子发射。所发射的电子数量与入射X射线的强度成比例。所发射的电子通过电子光学件投射到输出荧光体上，使输出荧光体产生可见光图像。
闪烁体的操作与X射线图像增强器有些类似之处在于，闪烁体(例如，碘化钠)吸收X射线并且发射可见光，该可见光然后可以被对可见光合适的图像感测器检测到。在闪烁体中，可见光会在各个方向上传播和散射，从而降低了空间解析度。使闪烁体厚度减少有助于提高空间解析度，但也减少了X射线吸收。因此，闪烁体必须在吸收效率与解析度之间达成妥协。
半导体X射线检测器通过将X射线直接转换成电信号而在很大程度上克服了这种问题。半导体X射线检测器可包括半导体层，其在感兴趣的波长吸收X射线。当X射线光子被半导体层中吸收时，产生出多个载流子(例如，电子和空穴)，这些载流子在电场下被扫向半导体层上的电触点。现有的半导体X射线检测器(例如，Medipix)中需要的繁琐的热管理会使得难以生产或者不可能生产出具有大面积和大量像素的检测器。
【发明内容】
本文公开了一种包括下述各项的方法：在对人或动物实施介入性放射手术期间，X射线成像***的第一X射线检测器获取人或动物体内的物体的第一图像；在该介入性放射手术期间，在获得所述第一图像之后，用X射线成像***获取所述物体的第二图像；基于所述第一图像和所述第二图像确定所述第一X射线检测器的位移；用X射线成像***的驱动器将第一X射线检测器以所述位移运动；其中所述X射线成像***包括第一X射线检测器、第二X射线检测器、驱动器；其中，所述第一X射线检测器和所述第二X射线检测器各自能获得图像；其中，所述第一X射线检测器的空间分辨率高于所述第二X射线检测器的空间分辨率；其中，所述第一X射线检测器的检测区域小于所述第二X射线检测器的检测区域；其中，所述驱动器被配置成使所述第一X射线检测器在一个或多个方向上相对于所述第二X射线检测器运动；其中，所述一个或多个方向中的一个方向不垂直于所述第二X射线检测器的成像平面。
根据实施例，所述物体是导管的一部分、探针的一部分、针的一部分、或导线的一部分。
根据实施例，所述物体包括标记，该标记配置成显示所述第一图像和所述第二图像中的对比。
根据实施例，确定所述位移包括从第一图像或第二图像中减去背景，或包括确定第一图像和第二图像之间的差异。
根据实施例，所述第二图像由所述第一X射线检测器拍摄。
根据实施例，所述第二图像由所述第二X射线检测器拍摄。
根据实施例：所述方法还包括：用所述第二X射线检测器拍摄图像以确定包含所述物体的感兴趣区域；使所述第一X射线检测器运动以使所述第一X射线检测器的检测区域与所述感兴趣区域重叠。
根据实施例，通过处理由第二X射线检测器拍摄的图像来确定所述感兴趣区域。
根据实施例，所述方法还包括：通过结合由所述第一X射线检测器形成的图像和由所述第二X射线检测器形成的另一图像来制造合成图像。
根据实施例，所述第一X射线检测器配置成对入射于其上的X射线的光子进行计数。
根据实施例，所述第一X射线检测器是像素化的。
根据实施例，所述第一X射线检测器包括碲化镉(CdTe)或碲化镉锌(CZT)。
根据实施例，所述第二X射线检测器包括闪烁体。
根据实施例，驱动器包括从铝、铝复合材料、碳纤维及其组合组成的组群中选择的材料。
根据实施例，所述驱动器包括机械手臂。
根据实施例，所述驱动器包括第一轨道和第二轨道；其中，所述第一X射线检测器配置成沿所述第一轨道滑动；并且其中，所述第一轨道配置成沿所述第二轨道滑动，其中所述第一轨道和所述第二轨道不平行。
根据实施例，第一X射线检测器包括：X射线吸收层，其包括电极；第一电压比较器，其配置成将电极的电压与第一阈值进行比较；第二电压比较器，其配置成将所述电压与第二阈值进行比较；计数器，其被配置成记录由所述X射线吸收层吸收的X射线光子数；控制器；所述控制器配置成从所述第一电压比较器确定所述电压的绝对值大于等于所述第一阈值的绝对值的时刻起开始时间延迟；所述控制器被配置为在所述时间时延期间激活所述第二电压比较器；所述控制器配置成如果第二电压比较器确定所述电压的绝对值大于等于所述第二阈值的绝对值，则使由所述计数器记录的数字增加1。
根据实施例，第一X射线检测器还包括电连接到电极的电容器模块，其中，所述电容器模块配置成从所述电极收集载流子。
根据实施例，所述控制器配置成在所述时间延迟的开始或终止时激活第二电压比较器。
根据实施例，第一X射线检测器还包括电压计，其中，所述控制器配置成在所述时延迟终止时使所述电压计测量电压。
根据实施例，控制器配置成基于在所述时间延迟终止时测量的电压值确定X射线光子能量。
根据实施例，所述控制器被配置成将所述电极连接到电接地。
根据实施例，在所述时间延迟终止时，电压的变化率基本上是零。
根据实施例，在所述时间延迟终止时，电压的变化率基本上是非零的。
根据实施例，X射线吸收层包括二极管。
根据实施例，第一X射线检测器不包括闪烁体。
本发明公开了一种计算机程序产品，其包括具有记录在其上的指令的非瞬态计算机可读介质，被计算机执行的指令实施包括下述各项的方法：在对人或动物实施介入性放射学手术期间，用X射线成像***的第一X射线检测器获取人或动物体内的物体的第一图像；在介入性放射学手术期间，在获得第一图像之后，用X射线成像***获取物体的第二图像；基于所述第一图像和所述第二图像确定所述第一X射线检测器的位移；用X射线成像***的驱动器将第一X射线检测器以所述位移运动；其中X射线成像***包括第一X射线检测器、第二X射线检测器、驱动器；其中，第一X射线检测器和第二X射线检测器各自能采集图像；其中，所述第一X射线检测器的空间分辨率高于所述第二X射线检测器的空间分辨率；其中，所述第一X射线检测器的检测区域小于所述第二X射线检测器的检测区域；其中，所述驱动器配置成在一个或多个方向上使所述第一X射线检测器相对于所述第二X射线检测器运动；其中，所述一个或多个方向中的一个方向不垂直于第二X射线检测器的成像平面。
根据实施例，所述物体是导管的一部分、探针的一部分、针的一部分、或导线的一部分。
根据实施例，所述物体包括配置成显示所述第一图像和所述第二图像中的对比的标记。
根据实施例，所述位移的确定包括从第一图像或第二图像中减去背景，或包括确定第一图像和第二图像之间的差异。
根据实施例，第二图像由第一X射线检测器拍摄。
根据实施例，第二图像由第二X射线检测器拍摄。
根据实施例，所述方法还包括：用第二X射线检测器拍摄图像以确定感兴趣区域；使第一X射线检测器运动以使所述第一X射线检测器的检测区域与所述感兴趣区域重叠。
根据实施例，通过处理由第二X射线检测器拍摄的图像来完成对所述感兴趣区域的确定。
根据实施例，所述方法还包括：通过结合由所述第一X射线检测器形成的图像和由所述第二X射线检测器形成的另一图像来制造合成图像。
根据实施例，第一X射线检测器被配置成对入射于其上的X射线的光子进行计数。
根据实施例，第一X射线检测器是像素化的。
根据实施例，第一X射线检测器包括碲化镉(CdTe)或碲化镉锌(CZT)。
根据实施例，第二X射线检测器包括闪烁体。
根据实施例，驱动器包括从含有铝、铝复合材料、碳纤维及其组合的组群中选择的材料。
根据实施例，所述驱动器包括机械手臂。
根据实施例，驱动器包括第一轨道和第二轨道；其中，所述第一X射线检测器配置成沿所述第一轨道滑动；并且其中，所述第一轨道配置成沿所述第二轨道滑动，其中所述第一轨道和所述第二轨道不平行。
根据实施例，第一X射线检测器包括：X射线吸收层，其包括电极；第一电压比较器，其被配置成将电极的电压与第一阈值进行比较；第二电压比较器，其被配置成将所述电压与第二阈值进行比较；计数器，其被配置成记录由所述X射线吸收层吸收的X射线光子数；控制器；其中，所述控制器被配置成从所述第一电压比较器确定所述电压的绝对值大于等于所述第一阈值的绝对值的时刻起开始时间延迟；其中，所述控制器配置成在所述时间时延期间激活所述第二电压比较器；所述控制器配置成如果第二电压比较器确定所述电压的绝对值大于等于所述第二阈值的绝对值，则使由所述计数器记录的数字增加1。
根据实施例，第一X射线检测器还包括电连接到电极的电容器模块，其中，所述电容器模块配置成从所述电极收集载流子。
根据实施例，所述控制器配置成在所述时间延迟的开始或终止时激活第二电压比较器。
根据实施例，第一X射线检测器还包括电压计，其中，所述控制器配置成在所述时间延迟终止时使所述电压计测量电压。
根据实施例，控制器配置成基于在所述时间延迟终止时测量的电压值确定X射线光子能量。
根据实施例，所述控制器配置成将所述电极连接到电接地。
根据实施例，在所述时间延迟终止时，电压的变化率基本上是零。
根据实施例，在所述时间延迟终止时，电压的变化率基本上是非零的。
根据实施例，所述X射线吸收层包括二极管。
根据实施例，第一X射线检测器不包括闪烁体。
【附图说明】
图1示意性地示出了根据实施例的适于检测X射线的X射线成像***。
图2示意性地示出了根据实施例的X射线成像***的变型。
图3示意性地示出了根据实施例的对人或动物实施介入性放射学手术期间使用X射线成像***进行图像跟踪。
图4示意性地示出了根据实施例的适用于使用如图3所示的X射线成像***进行图像跟踪方法的流程图。
图5示意性地示出了作为示例的X射线检测器。
图6A示意性地示出了根据实施例的X射线检测器的横截面图。
图6B示意性地示出了根据实施例的X射线检测器的详细横截面视图。
图6C示意性地示出了根据实施例的X射线检测器的备选详细横截面视图。
图7A和图7B各自示出了根据实施例的电子***的部件图。
【具体实施方式】
图1示意性地示出了根据实施例的适于X射线检测的X射线成像***10，该***包括第一X射线检测器30和第二X射线检测器40。第一X射线检测器30被配置成相对于第二X射线检测器40运动。第一X射线检测器30的空间解析度高于第二X射线检测器40的空间解析度。第一X射线检测器30和第二X射线检测器40各自能够形成图像。第一X射线检测器30通常可以具有小于第二X射线检测器40的检测区域。如本文所使用的，X射线检测器的检测区域是能够检测X射线的区域。
第一X射线检测器30可以是任何合适的X射线检测器，包括但不限于图5和图6A-图6C中所示的X射线检测器100。第一X射线检测器可对入射于其上的X射线光子进行计数。第一X射线检测器30可以是像素化(pixelated)的。第一X射线检测器可包括碲化镉(CdTe)或镉锌碲化镉(CZT)。半导体CdTe和CZT作为用于室温检测硬性X射线的材料选择而出现，它们在成像中提供了高的空间和时间解析度。具有第一CZT检测器的X射线检测器的一种应用是医学操作(诸如心脏手术)中的医学成像。在实施例中，第二X射线检测器40可以具有闪烁体；或者，第二X射线检测器40可以是能进行光计数的半导体X射线检测器，但解析度低于第一X射线检测器30。
在一实施例中，第一X射线检测器30可以按重叠方式位于第二X射线检测器40上方。或者，第一X射线检测器30可以位于第二X射线检测器40的一侧。
X射线成像***10可暴露于X射线源。在实施例中，X射线成像***10还包括用于来自X射线源的X射线的特定滤波器，使得只有与第一检测器30对应的检测区域能够接收到足够的X射线剂量，而其余的检测区域可仅接收减少的X射线剂量。X射线成像***10可以减少患者接收的辐射剂量。在实施例中，所述过滤器在中间可以具有矩形孔以允许X射线通过，该矩形孔与对应于第一检测器30的检测区域对准；过滤器的其余部分由可降低X射线辐射剂量的预定厚度的铜制成。
在实施例中，第一X射线检测器30的帧率高于第二X射线检测器40的帧率；这样的X射线成像***10可以作为DSA检测器工作。例如，第一X射线检测器30可以每秒30帧工作，而第二X射线检测器40仅以每秒10帧工作。
X射线成像***10还包括驱动器29，该驱动器配置成让第一X射线检测器30相对于第二X射线检测器40沿一个或多个方向运动；且所述一个或多个方向中的至少一个方向不垂直于第二X射线检测器40的成像平面。如本文中所使用的，成像平面是辐射检测器从其中获得图像的平面。当第一X射线检测器30和第二X射线检测器40用来拍摄来自物体的图像时，第一X射线检测器30通常用于拍摄关于物体上的感兴趣区域的高解析度图像，而第二X射线检测器40通常用于拍摄整个物体或物体的包括感兴趣区域在内的较大区域的低解析度背景图像。在这样的示例中，第一X射线检测器30的成像平面与第二X射线检测器40相同或相近，第一X射线检测器30大致平行于第二X射线检测器40运动。
在一实施例中，驱动器29包括具有低X射线吸收的材料，所述材料可以选自铝、铝复合材料、碳纤维及其组合的组群。这样的材料选择确保了驱动器29通常不显示在X射线成像结果中。驱动器29可以从第二X射线检测器40的视图中移出。
根据实施例，如图1所示，驱动器29包括第一轨道21和第二轨道22；第一X射线检测器30可沿第一轨道21滑动；且第一轨道21可沿第二轨道22滑动，使得第一X射线检测器30相对于第二X射线检测器40运动。第一轨道和第二轨道不是平行的。第一轨道21和第二轨道22可以成90°或不是90°的角度。第一轨道21和第二轨道22的方向可以平行或可以不平行于第二检测器40的边缘；因此，第一X射线检测器30的边缘的方向可以平行或可以不平行于第二检测器40的边缘。
图2示意性地示出了根据实施例的X射线成像***10的变型，其中驱动器29包括机械手臂23，该机械手臂与第一X射线检测器30连接；使用时，机械手臂23将第一X射线检测器30相对于第二X射线检测器40运动至感兴趣的区域。驱动器29可以具有其它形式以使第一X射线检测器30相对于第二X射线检测器40运动。
图3示意性地示出了根据实施例的对人或动物实施介入性放射学手术期间，使用X射线成像***10进行图像跟踪。人或动物体可以暴露于来自X射线源的连续或间歇的X射线源。具有检测区域41的第二X射线检测器40可以被配置成拍摄包含在人或动物体内的物体50及其周围区域的图像。具有检测区域31的第一X射线检测器30可以被配置成跟随检测区域41内的物体50，并且可以拍摄出比第二X射线检测器40所拍摄图像解析度更高的物体50的图像。
介入性放射学手术可以提供对疾病的图像引导诊断和治疗，并且可以覆盖广泛的手术，例如血管内手术、穿刺活组织切片检查、射频消蚀等。
物体50可以是小型医疗器械的一部分，例如导管、探针、针、线、管或任何其他专用工具。物体50可以通过小手术切口***人或动物体内进行手术。物体50可具有变化的性质(例如，长度、材料、形状)，以使其具有不同的功能，如破坏肿瘤、治疗患病的血管、止血、停止血凝块迁移等。在实施例中，物体50可以包括标记，其被配置成显示由第一X射线检测器30和第二X射线检测器40拍摄的图像的对比。
在图3的示例中，物体50可以是导管的端部，其可经由皮肤***到血管60中。所述导管包括标记，该标记包括靠近导管端部的高对比条纹。导管的端部在血管60的一部分中运动，第二X射线检测器40拍摄该血管60的一部分的图像。第一X射线检测器30跟踪并拍摄导管端部的图像。
图4示出了根据实施例的适用于使用图3所示X射线成像***10进行图像跟踪的方法的流程图。
在步骤70中，例如使用第二X射线检测器40在t1拍摄一图像，在t2拍摄另一图像。具有较大数值下标的时间t不早于具有较小数值下标的时间(即，t1≤t2≤t3≤t4等)。在t1和t2处拍摄的图像在感兴趣的检测区域(例如包括图3中的血管60的一部分)重叠。
在实施例中，在t1处拍摄的图像可以具有或可以不具有存在于感兴趣的检测区域中的物体50。在t2拍摄的图像可以是物体50进入感兴趣的相同检测区域之后拍摄的图像，因此物体50出现在该区域中。在实施例中，第二X射线检测器40可以以特定的帧率(例如，3-50帧/秒)拍摄图像，并且每个图像都具有时戳(例如t1、t2等)。在t1和t2处拍摄的图像可以是或可以不是由第二X射线检测器40拍摄的连续图像。
在步骤71中，物体50在t2处的位置或其它相关信息通过对t1和t2获取的图像进行处理来确定，并根据物体50在t2处的位置来计算第一X射线检测器30的位移。该位移可以等于或近似于在成像平面中从t2处第一X射线检测器40的位置到t2处物体50的位置的位移。
图像处理可以通过用于对象识别和跟踪的各种技术来完成。在实施例中，处理图像可以包括从当前图像(例如在t2处拍摄的图像)减去背景(例如如果物体50不在其中时在t1处的图像)。假定当前图像(例如t2处的图像)与背景之间的差可对应于物体50，并可被计算以识别物体50。在实施例中，处理图像可以包括确定当前图像(例如t2处的图像)与先前图像(例如t1处的图像)之间的差别。当前图像和先前图像之间的绝对差可以用于将当前图像划分为变化的和不变化的区域。变化的区域可以与物体50关联，并可以被进一步处理以识别物体50。在实施例中，诸如角落、边缘或标记等物体50的特征(例如，图3中导管端部的高对比标记)可以用来描述物体50。换句话说，特征的位置或者其他相关信息(或者特征上的点)可以用来描述物体50的位置或其他相关信息。可以对图像中的特征进行匹配以识别和跟踪物体50，并且特征匹配可以通过找出具有比容许值更好的值的、图像(例如，t2处的图像)中特征的相关性得分(correlation score)或其他匹配准则来完成。特征匹配可以与背景减除(background subtraction)或图像差(image differential)一起使用，以提高图像处理期间对物体识别和跟踪的准确性和效率。
在步骤72中，例如利用驱动器29将第一X射线检测器30以步骤71中确定的位移来重新定位，并用第一X射线检测器30在t3处拍摄物体50的图像。物体可以在t2和t3之间的时间段期间(即，成像处理和重新定位第一X射线检测器30的时间段)运动。在实施例中，物体50在t2和t3之间的时间段期间的运动足够小，使得如果第一X射线检测器30运动至物体50在t2处的位置，物体50在t3仍然处于第一X射线检测器30的检测区域31中。在另一实施例中，可以执行物体50在t2与t3之间的时间段期间的动作预测，并在步骤71中的位移计算期间将其考虑在内，以保证物体50在t3落入第一X射线检测器30的检测区31中。
在步骤73中，在t4处用第一X射线检测器30拍摄图像，并且处理在t3和t4处拍摄的图像以检查在t4处物体50是否仍在第一X射线检测器30的检测区域31内。成像处理按类似于步骤71中描述的方式进行。当在t4处物体50仍在第一X射线检测器30的检测区域31内时，流程可以跟从图4中的路径A并移至步骤74。当物体在t4处运动超过第一X射线检测器30的检测区域31以外时，流程可以跟从图4中的路径B并移至步骤76。
在实施例中，第一X射线检测器30可以按特定的帧率拍摄图像(例如，3到50帧/秒)，并且每个图像都具有时戳(例如，t3、t4等)。在t3和t4处拍摄的图像可以是或可以不必然是由第一X射线检测器30拍摄的连续图像。第一X射线检测器30的帧率可等于或快于第二X射线检测器40的帧率。
在步骤74中，物体50在t4处的位置或其他相关信息通过对t3和t4的图像进行处理来确定，并且第一X射线检测器30的位移按与步骤71中所述的方式以相似的方式计算。该位移可以等于或近似于成像平面中从t3处第一X射线检测器30的位置到t4处物体50的位置的位移。
在步骤75中，例如通过驱动器29以步骤74中确定的位移重新定位第一X射线检测器30，在结束对第一X射线检测器30的重新定位时用第一X射线检测器30拍摄物体50的图像，并且如果跟踪没有终止或暂停则流程可返回到步骤73。
在步骤76中，在t5处用第二X射线检测器40拍摄图像，并且处理在t3和t5处拍摄的图像以检查在t5处物体50是否在第二X射线检测器40的检测区域41内。时间t5可以等于或近似于t4，并且t4与t5之间的时间间隔可取决于第一X射线检测器30和第二X射线检测器40的帧率。当在t5处物体50处于第二X射线检测器40的检测区域41内时，流程可以按照图4中的路径C，并移至步骤77。当在t5处物体50运动超出了第二X射线检测器40的检测区域41之外，同时检测区域41小于介入性放射学手术的整个感兴趣的区域，流程可按照图4中的路径D，并移到步骤78。
在步骤77中，物体50在t5处的位置或其他相关信息通过处理第一X射线检测器30在t3处拍摄的图像以及第二X射线检测器40在t5处拍摄的图像来确定，并且第一X射线检测器30的位移以与步骤71中所述方式类似的方式计算。位移可以等于或近似于在成像平面中从t3处第一X射线检测器30的位置到t5处物体50的位置的位移。然后，流程可返回到步骤75。
在可选的步骤78中，第二X射线检测器40可运动以在物体50在t3时的位置周围搜索。在物体50被定位之后(例如，通过识别物体50的特征)，流程可返回到步骤77。
图4中的步骤70-78仅用于说明目的。步骤70-78的细节可以变化，并可以执行一些附加步骤，其取决于介入性放射学手术的应用需求和情况。
用X射线成像***10进行图像跟踪的方法(例如图4中所示的方法)可以在电脑上通过电脑程序产品执行一些指令时实现。电脑程序产品可包括其上记录有指令的非瞬态电脑可读介质。
图5示意性地示出了作为例子的X射线检测器100。X射线检测器100可被用作图1和图2的X射线成像***10中的第一X射线检测器30或第二X射线检测器40。该X射线检测器100具有像素150的阵列。该阵列可以是矩形阵列、五边形阵列、蜂窝状阵列、六边形阵列或任何其他适合的阵列。每个像素150可配置成检测入射于其上的来自X射线源的X射线，并且可配置成测量X射线的特征(例如，光子能量、波长和频率)。例如，每个像素150配置成在一段时间内对其上入射的、能量落在多个仓中的光子的数目进行计数。所有像素150可配置成在相同时段内对其上入射的、能量在多个仓内的光子的数目进行计数。每个像素150可具有它自己的模数转换器(ADC)，该模数转换器配置成将代表入射光子能量的模拟信号数字化为数字信号。像素150可配置成并行地操作。例如，在一个像素150测量入射X射线光子时，另一个像素150可等待X射线光子到达。像素150可不必独立可寻址。
图6A示意示出了根据实施例的检测器100的横截面图。X射线检测器100可包括X射线吸收层110和电子层120(例如，ASIC)，该电子层用于处理或分析入射X射线在X射线吸收层110中产生的电信号。X射线检测器100可以包括或可以不包括闪烁体。X射线吸收层110可包括半导体材料，例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。半导体对于感兴趣的X射线可具有高的质量衰减系数。
如在图6B中的X射线检测器100的详细横截面所示，根据实施例，X射线吸收层110可包括由第一掺杂区111以及第二掺杂区113的一个或多个离散区114形成的一个或多个二极管(例如，p-i-n或p-n)。第二掺杂区113可通过本征区112(可选)与第一掺杂区111分离。离散部分114通过第一掺杂区111或本征区112彼此分离。第一掺杂区111和第二掺杂区113具有相反类型的掺杂(例如，区111是p型并且区113是n型，或者区111是n型并且区113是p型)。在图6B中的示例中，第二掺杂区113的数个离散区114中的每一个离散区与第一掺杂区111以及本征区112(可选)一起形成二极管。即，在图6B中的示例中，X射线吸收层110具有多个二极管，这些二极管以第一掺杂区111作为共用电极。第一掺杂区111还可具有离散部分。
当来自X射线源的X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括二极管)时，X射线光子可被吸收，并通过多个机制产生一个或多个载流子。载流子可在电场下向数个二极管中的一个二极管的电极漂移。电场可以是外部电场。电触点119B可包括数个离散部分，每个离散部分与离散区114电接触。在实施例中，载流子可在数个方向上漂移，使得单个光子产生的载流子大致未被两个不同的离散区114共享(“大致未被共享”在这里意指这些载流子中不到2％、不到0.5％、不到0.1％或不到0.01％的载流子流向与余下载流子不同的数个离散区114中的一个离散区)。在这些离散区114中的一个离散区的足迹周围入射的X射线光子所产生的载流子大致未与这些离散区114中的另一个离散区共享。与离散区114关联的像素150可以是围绕该离散区114的区域，其中入射到该区域中的X射线光子所产生的载流子大致全部(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或超过99.99％)流向该离散区114。即，这些载流子中不到2％、不到1％、不到0.1％或不到0.01％流到该像素外。
如在图6C中的X射线检测器100的备选详细横截面所示，根据实施例的X射线吸收层110可包括具有半导体材料(例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合)的电阻器，但不包括二极管。半导体对于感兴趣的X射线可具有高的质量衰减系数。
在X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括电阻器但不包括二极管)时，该X射线光子可被吸收，并通过多个机制产生一个或多个载流子。一个X射线光子可产生10至100000个载流子。载流子可在电场下向电触点119A以及电触点119B漂移。该电场可以是外部电场。电触点119B包括离散部分。在实施例中，载流子可在数个方向上漂移，使得单个X射线光子产生的载流子大致未被电触点119B的两个不同的离散部分共享(“大致未被共享”在这里意指这些载流子中不到2％、不到0.5％、不到0.1％或不到0.01％的载流子流向与余下载流子不同的数个离散部分中的一个离散部分)。在电触点119B的这些离散部分中的一个离散部分的足迹周围入射的X射线光子所产生的载流子大致未与电触点119B的这些离散部分的另一个离散部分共享。与电触点119B的一离散部分相关联的像素150可以是围绕该离散部分的区域，其中由入射到该区域中的X射线光子所产生的载流子大致全部(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或超过99.99％)流向电触点119B的该离散部分。即，这些载流子中不到2％、不到0.5％、不到0.1％或不到0.01％的载流子流到与电触点119B的该离散部分相关联的像素之外。
电子层120可包括电子***121，该电子***适于处理或解释由X射线吸收层110上入射的X射线产生的信号。电子***121可包括：模拟电路，例如滤波网路、放大器、整合器和比较器；或者数字电路，例如微处理器和存储器。电子***121可包括一个或多个ADC。电子***121可包括由多个像素共享的部件或专用于单个像素的部件。例如，电子***121可包括专用于每个像素的放大器和在所有像素之间共用的微处理器。电子***121可通过通孔131电连接到像素。通孔之间的空间可用填充材料130填充，其可使电子层120与X射线吸收层110的连接的机械稳定性增加。在不使用通孔的情况下使电子***121连接到像素的其他接合技术是可能的。
入射到辐射吸收层110上的X射线所产生的信号可以具有电流的形式。类似地，暗噪音也可以具有电流的形式(例如，来自电触点119B的直流电流)。如果该电流可以被确认，那么电流可得到补偿(例如，从电子***121转移)。
图7A和图7B各自示出了根据实施例的电子***121的部件图。该***121包括电容器模块309，该电容器模块电连接到二极管300的电极或电触点，其中所述电容模块配置成从该电极收集载流子。所述电容器模块可以包括电容器，来自电极的载流子在一段时间(“整合期间”)在所述电容器上聚集。在整合期间结束后，电容器电压被采样，然后由复位开关复位。电容器模块可包括直接连接到电极的电容器。该电容器可处于放大器的回馈路径中。如此配置的放大器被称为电容互阻抗放大器(CTIA)。CTIA通过不让放大器饱和而具有高的动态范围，并通过限制信号路径中的带宽来提高信噪比。
除了包括电流源模块388的电容器模块309，电子***121可进一步包括第一电压比较器301、第二电压比较器302、计数器320、开关305、电压计306和控制器310，如图7A和图7B所示。
第一电压比较器301配置成将二极管300的电极电压与第一阈值进行比较。二极管可以是由第一掺杂区111、第二掺杂区113的数个离散区114中的一个离散区、以及可选的本征区112形成。或者，第一电压比较器301配置成将电触点(例如，电触点119B的离散部分)的电压与第一阈值进行比较。第一电压比较器301可配置成直接监控电压，或通过对一段时间内流经二极管或电触点的电流进行整合来计算电压。第一电压比较器301可由控制器310可控地激活或停用。第一电压比较器301可以是连续比较器。即，第一电压比较器301可配置成连续地激活，并连续地监控电压。第一电压比较器301被配置为连续比较器，减少了***121错过由入射X射线光子产生的信号的可能性。当入射X射线强度相对较高时，配置为连续比较器的第一电压比较器301是特别合适的。第一电压比较器301可以是钟控比较器，其具有较低功耗的好处。配置为钟控比较器的第一电压比较器301可使***121错过由一些入射X射线光子产生的信号。当入射X射线强度低时，由于两个连续光子之间的时间间隔相对较长，所以错过入射X射线光子的机会较低。因此，当入射X射线强度较低时，第一电压比较器301被配置为种控比较器特别适合。第一阈值可以是一个入射X射线光子在二极管或电阻中产生的最大电压的5-10％、10％-20％、20-30％、30-40％或40-50％。所述最大电压可取决于入射X射线光子的能量(即，入射X射线的波长)、X射线吸收层110的材料以及其它因素。例如，第一阈值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
第二电压比较器302配置成将电压与第二阈值进行比较。第二电压比较器302可配置成直接监控电压，或通过将一段时间内流过二极管或电触点的电流进行整合来计算所述电压。第二电压比较器302可以是连续比较器。第二电压比较器302可由控制器310可控地激活或停用。当第二电压比较器302被停用时，第二电压比较器302的功耗可以比第二电压比较器302被激活时的功耗小1％、小5％、小10％或小20％。第二阈值的绝对值大于第一阈值的绝对值。如本文中所使用的，术语实数x的“绝对值”或“模”|x|是x的不考虑其符号的非负值。即，
Figure BDA0002365714270000151
第二阈值可以是第一阈值的200％-300％。第二阈值可以是一个入射X射线光子在二极管或电阻器中可产生的最大电压的至少50％。例如，第二阈值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二电压比较器302和第一电压比较器301可以是相同的部件。即，***121可以具有一个电压比较器，该电压比较器可以在不同的时间将电压与两个不同的阈值进行比较。
第一电压比较器301或第二电压比较器302可包括一个或多个运算放大器或任何其它合适的电路。第一电压比较器301或第二电压比较器302可具有高的速度，以允许***121在入射X射线的高通量情况下工作。然而，具有高的速度常以功耗为代价。
计数器320配置成记录到达二极管或电阻器的X射线光子数。计数器320可以是软件部件(例如，存储在计算机存储器中的数字)或硬件部件(例如4017IC和7490IC)。
控制器310可以是诸如微控制器和微处理器之类的硬件部件。控制器310配置成从第一电压比较器301确定电压绝对值大于等于第一阈值的绝对值(例如，电压的绝对值从低于第一阈值的绝对值增加到等于或高于第一阈值的绝对值)的时刻起开始时间延迟。这里使用的是绝对值，因为电压可以是负的或正的，这取决于所用的是二极管阴极或阳极的电压，或者所用的是哪个电触点。控制器310可配置成在第一电压比较器301确定电压的绝对值大于等于第一阈值的绝对值之前，保持停用第二电压比较器302、计数器320和任何第一电压比较器301的操作不需要的其它电路。时间延迟可在电压变稳定(即，电压的变化率基本上为零)之前或之后结束。术语“电压的变化率基本为零”意味着电压的时间变化小于0.1％/ns。术语“电压的变化率基本上是非零”意味着电压的时间变化是至少0.1％/ns。
控制器310可配置成在时间延迟期间(包括开始和结束)来激活第二电压比较器。在实施例中，控制器310配置成在时间延迟开始时激活第二电压比较器。术语"激活"意味着使所述部件进入操作状态(例如，通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平信号、通过提供功率等)。术语"停用"意味着使所述部件进入非操作状态(例如，通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平信号、通过切断电源等)。操作状态可具有比非操作状态更高的功耗(例如，10倍以上、100倍更高、1000倍以上)。控制器310本身可以被停用，直到电压的绝对值大于等于第一阈值的绝对值时第一电压比较器301的输出激活控制器310。
控制器310可配置成如果在时间延迟期间第二电压比较器302确定电压的绝对值大于等于第二阈值的绝对值，则使计数器320记录的数增加1。
控制器310可配置成在时间延迟期满时让电压计306测量电压。控制器310可被配置成将电极连接到电接地，以复位电压并释放累积在电极上的载流子。在一实施例中，时间延迟结束后，电极连接到电接地。在一实施例中，电极在有限的复位时间连接到电接地。控制器310可通过控制开关305将电极连接到电接地。开关可以是晶体管，诸如场效应晶体管(FET)。
控制器310可配置成控制电流源模块388。例如，控制器310可以通过控制电流源模块388来改变暗噪声的补偿幅度。
在实施例中，***121没有模拟滤波网络(例如，RC网络)。在实施例中，***121没有模拟电路。
电压表306可将其测量的作为模拟或数字信号的电压反馈给控制器310。
尽管本文公开各种方面和实施例，其它方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不意在为限制性的，其真正范围和精神由下列权利要求示明。

Claims (52)

1.一种方法，包括：
在对人或动物实施介入性放射学手术期间，用X射线成像***的第一X射线检测器获取人或动物体内的物体的第一图像；
在所述介入性放射学手术期间，在获得所述第一图像之后，用X射线成像***获取所述物体的第二图像；
基于所述第一图像和所述第二图像确定第一X射线检测器的位移；
用所述X射线成像***的驱动器使所述第一X射线检测器以所述位移运动；
其中，所述X射线成像***包括第一X射线检测器、第二X射线检测器、驱动器；
其中，所述第一X射线检测器和所述第二X射线检测器各自能够获取图像；
其中，所述第一X射线检测器的空间分辨率高于所述第二X射线检测器的空间分辨率；
其中，所述第一X射线检测器的检测区域小于所述第二X射线检测器的检测区域；
其中，所述驱动器配置成使所述第一X射线检测器相对于所述第二X射线检测器沿一个或多个方向运动；
其中所述一个或多个方向中的一个方向不垂直于所述第二X射线检测器的成像平面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物体是导管的一部分、探针的一部分、针的一部分或导线的一部分。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物体包括标记，所述标记配置成显示所述第一图像和所述第二图像的对比。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述位移的确定包括从所述第一图像或所述第二图像中减去背景，或者包括确定所述第一图像与所述第二图像之间的差异。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二图像由所述第一X射线检测器拍摄。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二图像由所述第二X射线检测器拍摄。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
用所述第二X射线检测器拍摄图像以确定包含所述物体的感兴趣区域；
使所述第一X射线检测器运动，以便使所述第一X射线检测器的检测区域与所述感兴趣区域重叠。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过处理所述第二X射线检测器拍摄的图像来确定所述感兴趣区域。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
通过结合由所述第一X射线检测器形成的图像和由所述第二X射线检测器形成的另一图像来制造合成图像。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一X射线检测器配置成对入射于所述第一X射线检测器上的X射线光子进行计数。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一X射线检测器是像素化的。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一X射线检测器包括碲化镉(CdTe)或碲化镉锌(CZT)。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二X射线检测器包括闪烁体。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述驱动器包括选自铝、铝复合材料、碳纤维及其组合的组群的材料。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述驱动器包括机械手臂。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述驱动器包括第一轨道和第二轨道；其中，所述第一X射线检测器配置成沿所述第一轨道滑动；并且其中，所述第一轨道配置成沿所述第二轨道滑动，其中所述第一轨道和所述第二轨道不平行。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一X射线检测器包括：
包括电极的X射线吸收层；
第一电压比较器，该第一电压比较器配置成将所述电极的电压与第一阈值进行比较；
第二电压比较器，该第二电压比较器配置成将所述电压与第二阈值进行比较；
计数器，该计数器配置成记录由所述X射线吸收层吸收的X射线光子数；
控制器；
其中，所述控制器配置成从所述第一电压比较器确定所述电压的绝对值大于等于所述第一阈值的绝对值的时刻起开始时间延迟；
其中，所述控制器配置成在所述时间延迟期间激活所述第二电压比较器；
其中，所述控制器配置成如果所述第二电压比较器确定所述电压的绝对值大于等于所述第二阈值的绝对值，则使由所述计数器记录的数字增加1。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一X射线检测器还包括电连接到所述电极的电容器模块，其中，所述电容器模块配置成从所述电极收集载流子。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述控制器配置成在所示时间延迟的开始或终止时激活所述第二电压比较器。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一X射线检测器还包括电压计，其中，所述控制器配置成在所述时间延迟期满时让所述电压计测量电压。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述控制器配置成基于所述时间延迟结束时测量的电压值来确定X射线光子能量。
22.根据权利要求17所述的方法，其中，所述控制器配置成将所述电极连接到电接地。
23.根据权利要求17所述的方法，其中，所述电压的变化率在所述时间延迟结束时基本为零。
24.根据权利要求17所述的方法，其中，所述电压的变化率在所述时间延迟结束时基本上是非零的。
25.根据权利要求17所述方法，其中，所述X射线吸收层包括二极管。
26.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一X射线检测器不包括闪烁体。
27.一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括非瞬态计算机可读介质，该非瞬态计算机可读介质上记录有指令，由计算机执行的所述指令来实施包括下述各项的方法：
在对人或动物实施介入性放射学手术期间，利用X射线成像***的第一X射线检测器获取人或动物体内的物体的第一图像；
在所述介入性放射学手术期间，在获得所述第一图像后，用所述X射线成像***获取所述物体的第二图像；
基于所述第一图像和所述第二图像确定所述第一X射线检测器的位移；
用所述X射线成像***的驱动器使所述第一X射线检测器以所述位移运动；
所述X射线成像***包括第一X射线检测器、第二X射线检测器、驱动器；
其中，所述第一X射线检测器和所述第二X射线检测器各自能够获取图像；
其中，所述第一X射线检测器的空间分辨率高于所述第二X射线检测器的空间分辨率；
其中，所述第一X射线检测器的检测区域小于所述第二X射线检测器的检测区域；
其中，所述驱动器配置成将所述第一X射线检测器相对于所述第二X射线检测器沿一个或多个方向上运动；
其中所述一个或多个方向的一个方向不垂直于所述第二X射线检测器的成像平面。
28.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中，所述物体是导管的一部分、探针的一部分、针的一部分或导线的一部分。
29.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中，所述物体包括标记，该标记配置成显示所述第一图像和所述第二图像中的对比。
30.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中所述位移的确定包括从所述第一图像或所述第二图像中减去背景，或者包括确定所述第一图像和所述第二图像之间的差异。
31.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中，所述第二图像由所述第一X射线检测器拍摄。
32.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中，所述第二图像由所述第二X射线检测器拍摄。
33.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中所述方法还包括：
用所述第二X射线检测器拍摄图像以确定感兴趣的区域；
使所述第一X射线检测器使所述第一X射线检测器的检测区域与所述感兴趣区域重叠。
34.根据权利要求33所述的计算机程序产品，其中，通过处理由所述第二X射线检测器拍摄的图像来确定所述感兴趣区域。
35.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中，所述方法还包括：
通过结合由所述第一X射线检测器形成的图像和由所述第二X射线检测器形成的另一图像来制造合成图像。
36.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中，所述第一X射线检测器配置成对入射于该第一X射线检测器上的X射线光子进行计数。
37.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中，所述第一X射线检测器是像素化的。
38.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中，所述第一X射线检测器包括碲化镉(CdTe)或碲化镉锌(CZT)。
39.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中，所述第二X射线检测器包括闪烁体。
40.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中，所述驱动器包括选自由铝、铝复合材料、碳纤维及其组合的组群的材料。
41.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中，所述驱动器包括机械手臂。
42.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中，所述驱动器包括第一轨道和第二轨道；其中，所述第一X射线检测器配置成沿所述第一轨道滑动；并且其中，所述第一轨道配置成沿所述第二轨道滑动，其中所述第一轨道和所述第二轨道不平行。
43.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中，所述第一X射线检测器包括：
包括电极的X射线吸收层；
第一电压比较器，该第一电压比较器配置成将所述电极的电压与第一阈值进行比较；
第二电压比较器，该第二电压比较器配置成将所述电压与第二阈值进行比较；
计数器，该计数器配置成记录由所述X射线吸收层吸收的X射线光子数；
控制器；
其中，所述控制器配置成从所述第一电压比较器确定所述电压的绝对值大于等于所述第一阈值的绝对值的时刻起开始时间延迟；
其中，所述控制器配置成在所述时间延迟期间激活所述第二电压比较器；
其中，所述控制器配置成如果所述第二电压比较器确定所述电压的绝对值大于等于所述第二阈值的绝对值，使由所述计数器记录的数字增加1。
44.根据权利要求43所述的计算机程序产品，其中，所述第一X射线检测器还包括电连接到所述电极的电容器模块，其中，所述电容器模块配置成从所述电极收集载流子。
45.根据权利要求43所述的计算机程序产品，其中，所述控制器配置成在所述时间延迟的开始或结束时激活所述第二电压比较器。
46.根据权利要求43所述的计算机程序产品，其中，所述第一X射线检测器还包括电压计，其中，所述控制器配置成在所述时间延迟结束时使所述电压计测量电压。
47.根据权利要求43所述的计算机程序产品，其中，所述控制器配置成基于在所述时间延迟结束时所测量的电压值来确定X射线光子能量。
48.根据权利要求43所述的计算机程序产品，其中，所述控制器配置成将所述电极连接到电接地。
49.根据权利要求43所述的计算机程序产品，其中，在所述时间延迟结束时，所述电压的变化率基本为零。
50.根据权利要求43所述的计算机程序产品，其中，在所述时间延迟结束时，所述电压的变化率基本上为非零。
51.根据权利要求43所述的计算机程序产品，其中，所述X射线吸收层包括二极管。
52.根据权利要求43所述的计算机程序产品，其中，所述第一X射线检测器不包括闪烁体。
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