高位深度成像的方法和系统

【背景技术】

图像传感器或成像传感器是可以检测辐射的空间强度分布的传感器。图像传感器通常通过电信号表示检测到的图像。基于半导体器件的图像传感器可以分为几种类型，其包括半导体电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)和N型金属氧化物半导体(NMOS)。互补金属氧化物半导体图像传感器是用互补金属氧化物半导体工艺制成的一种有源像素传感器。入射在所述互补金属氧化物半导体图像传感器中的像素上的光被转换为电压。所述电压被数字化为离散值，该离散值表示入射在所述像素上的所述光的强度。有源像素传感器(APS)是包括具有光电探测器和有源放大器的像素的图像传感器。半导体电荷耦合器件图像传感器包括像素中的电容器。当光入射在所述像素上时，所述光产生电荷并且所述电荷被存储在所述电容器上。所述被存储的电荷被转换成电压，并且所述电压被数字化为离散值，该离散值表示入射在所述像素上的所述光的强度。

【发明内容】

本文公开一种方法，其包括：使用辐射来捕获组织的第一图像；基于所述第一图像选择所述组织的区域；使用所述辐射捕获所述区域中的所述组织的第二图像；其中所述第二图像的信噪比高于所述第一图像的信噪比。

在某方面，所述第一图像的信噪比小于2

在某方面，所述第二图像的信噪比大于2

在某方面，所述第二图像的信噪比至少为第一图像的信噪比的2

在某方面，所述第一图像中的噪声由散粒噪声组成。

在某方面，所述第二图像中的噪声由散粒噪声组成。

在某方面，所述方法进一步包括在捕获所述第二图像之前防止所述区域之外的所述组织暴露于所述辐射。

在某方面，所述第二图像是以比所述第一图像更高的辐射剂量捕获的。

在某方面，所述组织是人体的乳腺组织。

在某方面，所述辐射是X射线。

在某方面，所述第一图像和所述第二图像是使用图像传感器捕获的，所述图像传感器被配置为在一段时间内对入射在所述图像传感器的多个像素上的辐射粒子数进行计数。

在某方面，所述图像传感器包括：辐射吸收层，其包括电触点；第一电压比较器，其被配置为将所述电触点的电压与第一阈值进行比较；第二电压比较器，其被配置为将所述电压与第二阈值进行比较；计数器，其被配置为记录入射在所述辐射吸收层上的辐射粒子的数目；控制器；其中所述控制器被配置为从所述第一电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值时开始时间延迟；其中所述控制器被配置为在所述时间延迟期间启动所述第二电压比较器；其中所述控制器被配置为当所述第二电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超过所述第二阈值的绝对值时，使得所述辐射粒子中的至少一个的数目增加一。

在某方面，所述图像传感器不包括闪烁体。

本文公开一种计算机程序产品，其包括其上记录有指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令由实现权利要求1-13中的任一项的方法的计算机执行。

本文公开一种系统，该系统包括：辐射源，其被配置为将辐射引导至组织；夹具，其被配置为用来压缩组织；一种具有窗口的掩模，该掩模被配置为调整所述窗口相对于所述夹具的位置并调整所述窗口的尺寸，其中，除了在窗口里，所述辐射不能穿透所述掩模；图像传感器；处理器，其被配置为：使所述图像传感器利用所述辐射捕获所述组织的第一图像，根据第一图片选择所述组织的区域，使所述掩模调整所述窗口的位置和大小，以使所述区域与所述窗口范围一致，并且使所述图像传感器利用所述辐射捕获所述区域中的所述组织的第二图像；其中，所述第二图像的信噪比高于所述第一图像的信噪比。

在某方面，所述第一图像的信噪比小于2

在某方面，所述第二图像的信噪比大于2

在某方面，所述第二图像的信噪比至少为第一图像的信噪比的2

在某方面，所述第一图像中的噪声由散粒噪声组成。

在某方面，所述第二图像中的噪声由散粒噪声组成。

在某方面，所述第二图像是以比所述第一图像更高的辐射剂量捕获的。

在某方面，所述组织是人体的乳腺组织。

在某方面，所述辐射是X射线。

在某方面，所述图像传感器被配置为在一段时间内对入射在所述图像传感器的多个像素上的辐射粒子数进行计数。

在某方面，所述图像传感器包括：辐射吸收层，其包括电触点；第一电压比较器，其被配置为将所述电触点的电压与第一阈值进行比较；第二电压比较器，其被配置为将所述电压与第二阈值进行比较；计数器，其被配置为记录入射在所述辐射吸收层上的辐射粒子的数目；控制器；其中所述控制器被配置为从所述第一电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值时开始时间延迟；其中所述控制器被配置为在所述时间延迟期间启动所述第二电压比较器；其中所述控制器被配置为当所述第二电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超过所述第二阈值的绝对值时，使得所述辐射粒子中的至少一个的数目增加一。

在某方面，所述图像传感器不包括闪烁体。

【附图说明】

图1示出分别由其像素的位深度为8位、4位、2位和1位的图像传感器从同一场景捕获的图像。

图2A示意示出根据实施例的方法的流程图。

图2B示出图2A的方法所涉及的所述第一图像、所述区域和所述第二图像的示意性示例。

图3示意示出根据实施例的系统。

图4示意示出根据实施例的图像传感器可以具有像素阵列。

图5A示意示出根据实施例的所述图像传感器的横截面图。

图5B示意示出根据实施例的所述图像传感器的详细横截面图。

图5C示意示出根据实施例的所述图像传感器的替代性详细横截面图。

图6A和图6B示意示出根据实施例的所述图像传感器的电子系统的组件图。

图7示意示出流经所述图像传感器的辐射吸收层的电触点的电流的时间变化(上曲线)以及所述电触点上的所述电压的相应时间变化(下曲线)。

【具体实施方式】

用于测量图像传感器的性能的度量之一是其像素的位深度。具有位深度B的像素在其范围R内可以具有2

在某些图像传感器中，所述噪声包括暗噪声。所述暗噪声是即使没有信号也存在的噪声，因此其名称中的单词为“暗”。有信号的存在时所述暗噪声也仍然存在。所述暗噪声可能取决于这些图像传感器的温度。因为这些图像传感器中始终存在所述暗噪声，所以如果所述暗噪声是主要噪声，则长时间暴露于场景不会降低信噪比。如果图像传感器没有受到所述暗噪声的影响(例如，以下所述的图像传感器能够从其记录的信号中排除所述暗噪声)，则更长的曝光时间可能会降低信噪比。

在诸如乳腺X射线照相术的医学成像的应用中，可以通过以较低的信噪比捕获整个对象的图像来对所述对象进行调查，该信噪比通常使用较低剂量的辐射。如果所述对象的一部分难以以较低的信噪比成像，则可以以较高的信噪比捕获该部分的图像。图2A示意示出方法的流程图。在过程2010中，使用辐射捕获组织的第一图像2015。在示例中，所述组织是人体的乳腺组织。在该示例中，辐射是X射线。用于捕获第一图像2015的辐射剂量可以是有限的，例如，通过使用短曝光时间。当所述组织是正常的软组织时，低剂量就足够了。在过程2020中，基于所述第一图像2015选择所述组织的区域2025。所述区域2025的密度可以比所述组织的其余部分的密度更大，因此用于捕获所述第一图像2015的所述剂量不足以提供足够大的信噪比。所述区域2025可以包括钙化或重叠结构(例如，小叶、腺体)。在可选过程2030中，在过程2040之前防止将所述区域2025以外的所述组织暴露于所述辐射。在示例中，可以将对所述辐射不透明的掩模和对所述辐射不透明的窗口放置在所述组织的上端，使得该窗口仅允许入射到该区域的辐射通过。所述掩模可以由合适的材料制成，比如铅。在过程2040中，使用所述辐射捕获所述区域2025中的所述组织的第二图像2045。所述第二图像2045的信噪比高于所述第一图像2015的信噪比。所述第二图像2045的更高的信噪比可以通过使用更高剂量的辐射来实现(例如，增加曝光的持续时间，增加辐射的强度，或两者兼而有之)。在示例中，所述第一图像2015的信噪比小于2

图3示意示出系统3000。所述系统3000具有被配置为将辐射3020引导至组织3060的辐射源3010。所述系统3000具有被配置为压缩组织3060的夹具3050。所述系统3000还具有掩模3030。所述掩模3030具有窗口3035。除了在所述窗口3035内，所述掩模3030对于所述辐射3020是不透明的。即，所述辐射3020除了穿过所述窗口3035之外不能穿过所述掩模3030。所述窗口3035的尺寸为可调整的。所述窗口3035相对于所述夹具3050的位置也是可调整的。例如，所述系统3000可以具有被配置为移动所述掩模3030并调整所述窗口3035尺寸的致动器3040。所述系统3000具有图像传感器3070和处理器3080。所述处理器3080被配置为使所述图像传感器3070利用所述辐射3020捕获所述组织3060的第一图像2015，根据所述第一图像2015选择所述组织3060的所述区域2025，使所述掩模3030调整所述窗口3035得位置和大小以使所述区域2025与所述窗口3035范围一致，以及使所述图像传感器3070利用所述辐射3020捕获在所述区域2025内的所述组织3060的第二图像2045。

图4-图7示意示出可以在以上方法和系统中使用的图像传感器100的结构和操作。图4示意示出根据实施例的所述图像传感器100可以具有像素150的阵列。所述像素150的阵列可以是矩形阵列、蜂窝形阵列、六边形阵列或任何其他合适的阵列。所述图像传感器100可以在一段时间内对入射在所述像素150上的辐射粒子的数量进行计数。所述辐射粒子的一个示例是X射线光子。在示例中，所述X射线光子具有在20keV和30keV之间的能量。所述像素150可以被配置为并行操作。例如，所述图像传感器100可以在其对入射在另一个像素150上的另一个辐射粒子计数之前、之后或同时，对入射在一个像素150上的一个辐射粒子进行计数。所述像素150可以是可单独寻址的。

图5A示意示出根据实施例的所述图像传感器100的横截面图。所述图像传感器100可包括辐射吸收层110和电子器件层120(例如，专用集成电路)，其用于处理或分析在所述辐射吸收层110中产生的入射辐射的电信号。所述图像传感器100不包括闪烁体。所述辐射吸收层110可包括半导体材料，例如单晶硅。所述半导体对于感兴趣的辐射能量可具有高的质量衰减系数。

如图5B中根据实施例的所述图像传感器100的详细横截面图所示，所述辐射吸收层110可包括由第一掺杂区111、第二掺杂区113的一个或多个离散区114组成的一个或多个二极管(例如，p-i-n或p-n)。所述第二掺杂区113可通过可选的本征区112而与所述第一掺杂区111分离。所述离散区114通过所述第一掺杂区111或所述本征区112而彼此分离。所述第一掺杂区111和所述第二掺杂区113具有相反类型的掺杂(例如，区域111是p型并且区域113是n型，或者区域111是n型并且区域113是p型)。在图5B的示例中，所述第二掺杂区113的每个离散区114与所述第一掺杂区111和所述可选的本征区112一起组成一个二极管。即，在图5B的示例中，所述辐射吸收层110包括多个二极管，所述多个二极管具有所述第一掺杂区111作为共用电极。所述第一掺杂区111也可具有离散部分。所述辐射吸收层110可具有与所述第一掺杂区111电连接的电触点119A。所述辐射吸收层110可具有多个离散的电触点119B，其中的每一个电触点均与所述离散区114电连接。

当辐射粒子撞击包括二极管的所述辐射吸收层110时，所述辐射粒子可被吸收并通过若干机制产生一个或多个载流子。所述载流子可在电场下向所述电触点119A和电触点119B漂移。所述电场可以是外部电场。在实施例中，所述载流子可向不同方向漂移，使得由单个辐射粒子产生的所述载流子大致未被两个不同的离散区114共用(“大致未被共用”在这里意指这些载流子中的不到2％、不到0.5％、不到0.1％、或不到0.01％流向与余下载流子不同的一个所述离散区114)。由入射在所述离散区114之一的足迹周围的辐射粒子所产生的载流子大致未被另一所述离散区114共用。与一个离散区114相关联的一个像素150可以是所述离散区114周围的区，由入射在其中的一个辐射粒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％)流向其中。即，所述载流子中的不到2％、不到1％、不到0.1％、或不到0.01％流到所述像素150之外。

如图5C中所示的根据实施例的所述图像传感器100的替代详细横截面图。所述辐射吸收层110可包括半导体材料，比如单晶硅，的电阻器，但不包括二极管。所述半导体对于感兴趣的辐射能量可具有高的质量衰减系数。所述辐射吸收层110可具有与所述半导体一个表面上的所述半导体电连接的电触点119A。所述辐射吸收层110可具有在所述半导体另一个表面上的多个电触点119B。

当辐射粒子撞击包括所述电阻器但不包括二极管的所述辐射吸收层110时，所述辐射粒子可被吸收并通过若干机制产生一个或多个载流子。一个辐射粒子可产生10到100000个载流子。所述载流子可在电场下向电触点119A和电触点119B漂移。所述电场可以是外部电场。所述电触点119B包括离散部分。在实施例中，所述载流子可向不同方向漂移，使得由单个辐射粒子产生的所述载流子大致未被所述电触点119B两个不同的离散部分共用(“大致未被共用”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％流向与余下载流子不同组的离散部分)。由入射在所述电触点119B离散部分之一的足迹周围的辐射粒子所产生的载流子大致未被另一所述电触点119B离散部分共用。与所述电触点119B离散部分之一相关联的一个像素150可以是所述离散部分周围的区，由入射在其中的辐射粒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％)流向该电触点119B。即，所述载流子中的不到2％、不到0.5％、不到0.1％、或不到0.01％流到与所述电触点119B离散部分之一相关联的所述像素之外。

所述电子器件层120可包括电子系统121，其适于处理或解释由入射在所述辐射吸收层110上的辐射所产生的信号。所述电子系统121可包括模拟电路比如滤波器网络、放大器、积分器、比较器，或数字电路比如微处理器和内存。所述电子系统121可包括一个或多个模拟数字转换器。所述电子系统121可包括由所述像素150共用的组件或专用于单个像素150的组件。例如，所述电子系统121可包括专用于每个所述像素150的放大器和在所有像素150间共用的微处理器。所述电子系统121可通过通孔131电连接到所述像素150。所述通孔之间的空间可用填充材料130填充，其可增加所述电子器件层120到所述辐射吸收层110连接的机械稳定性。其他键合技术有可能在不使用通孔的情况下将所述电子系统121连接到所述像素。

图6A和图6B各自示出根据实施例的所述电子系统121的组件图。所述电子系统121可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、可选的电压表306和控制器310。

所述第一电压比较器301被配置为将至少一个所述电触点119B的所述电压与第一阈值进行比较。所述第一电压比较器301可被配置为直接监测所述电压，或者通过对在一段时间内流过所述电触点119B的电流进行积分来计算所述电压。所述第一电压比较器301可由所述控制器310可控地启动或停用。所述第一电压比较器301可以是连续比较器。即，所述第一电压比较器301可被配置为被连续启动，并连续地监测所述电压。所述第一电压比较器301可以是钟控比较器。所述第一阈值可以是一个入射辐射粒子能够在所述电触点119B上产生的最大电压的1-5％、5-10％、10％-20％、20-30％、30-40％或40-50％。所述最大电压可取决于入射辐射粒子的能量、所述辐射吸收层110的材料、和其他因素。例如，所述第一阈值可以是50mV、100mV、150mV、或200mV。

所述第二电压比较器302被配置为将所述电压与第二阈值进行比较。所述第二电压比较器302可被配置为直接监测所述电压，或通过对一段时间内流过所述二极管或电触点的电流进行积分来计算所述电压。所述第二电压比较器302可以是连续比较器。所述第二电压比较器302可由所述控制器310可控地启动或停用。当所述第二电压比较器302被停用时，其功耗可以是所述第二电压比较器302启动时功耗的不到1％、不到5％、不到10％、或不到20％。所述第二阈值的绝对值大于所述第一阈值的绝对值。如本文所使用的，术语实数x的“绝对值”或“模数”|x|是x的非负值而不考虑它的符号。即，

所述第一电压比较器301或所述第二电压比较器302可包括一个或多个运算放大器或任何其他适合的电路。所述第一电压比较器301或所述第二电压比较器302可具有高速度以允许所述系统121在高通量的入射辐射粒子下操作。然而，具有高速度通常以功耗为代价。

所述计数器320被配置为记录入射在所述辐射吸收层110上的若干辐射粒子的数目。所述计数器320可以是软件组件(例如，电脑内存中存储的数字)或硬件组件(例如，4017IC和7490IC)。

所述控制器310可以是诸如微控制器和微处理器等硬件组件。所述控制器310被配置为从所述第一电压比较器301确定所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值(例如，所述电压的绝对值从低于所述第一阈值的绝对值增加到等于或超过所述第一阈值的绝对值的值)时开始时间延迟。在这里使用绝对值是因为所述电压可以是负的或正的，这取决于是使用二极管的阴极电压还是阳极电压或使用哪个电触点。所述控制器310可被配置为在所述第一电压比较器301确定所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值之前，保持停用所述第二电压比较器302、所述计数器320、以及所述第一电压比较器301的操作中不需要的任何其他电路。在所述电压变得稳定，即所述电压的变化率大致为零，的之前或之后，所述时间延迟可终结。短语“变化率大致为零”意指时间变化小于0.1％/ns。短语“变化率大致为非零”意指所述电压的时间变化至少为0.1％/ns。

所述控制310可被配置为在所述时间延迟期间(其包括开始和终结)启动所述第二电压比较器。在实施例中，所述控制器310被配置为在所述时间延迟开始时启动所述第二电压比较器。术语“启动”意指使组件进入操作状态(例如，通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平等信号，通过提供电力等)。术语“停用”意指使组件进入非操作状态(例如，通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平等信号，通过切断电力等)。操作状态可具有比非操作状态更高的功耗(例如，高10倍、高100倍、高1000倍)。所述控制器310本身可被停用，直到所述第一电压比较器301的输出电压的绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值时才启动所述控制器310。

如果在所述时间延迟期间，所述第二电压比较器302确定所述电压的绝对值等于或超过所述第二阈值的绝对值，则所述控制器310可被配置为使所述计数器320记录的数目中至少有一个数目增加一。

所述控制器310可被配置为使所述可选的电压表306在所述时间延迟终结时测量所述电压。所述控制器310可被配置为使所述电触点119B连接到电接地，以使所述电压复位并使所述电触点119B上累积的所有载流子放电。在实施例中，所述电触点119B在所述时间延迟终结后连接到电接地。在实施例中，所述电触点119B连接到电接地并持续有限的复位时段。所述控制器310可通过控制所述开关305而使所述电触点119B连接到电接地。所述开关可以是晶体管，比如场效应晶体管(FET)。

在实施例中，所述系统121没有模拟滤波器网络(例如，电阻电容网络)。在实施例中，所述系统121没有模拟电路。

所述电压表306可将其测量的电压作为模拟或数字信号馈送给所述控制器310。

所述系统121可包括电连接到所述电触点119B的积分器309，其中所述积分器被配置为收集来自所述电触点119B的载流子。所述积分器309可在运算放大器的反馈路径中包括电容器。如此配置的所述运算放大器称为电容跨阻放大器(CTIA)。电容跨阻放大器通过防止所述运算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。来自所述电触点119B的载流子在一段时间(“积分期”)内累积在电容器上。在所述积分期终结后，对电容器电压进行采样，然后通过复位开关进行复位。所述积分器309可包括直接连接到所述电触点119B的电容器。

图7示意示出流过所述电触点119B的，由入射在包括所述电触点119B的所述像素150上的辐射粒子产生的载流子所引起的所述电流的时间变化(上曲线)，以及所述电触点119B的所述电压的相应时间变化(下曲线)。所述电压可以是所述电流相对于时间的积分。在时间t

在时间t

在TD1终结或被所述电压表306数字化后(以较迟者为准)，所述控制器310使所述电触点119B连接到电接地并持续一个复位时段RST，以允许所述电触点119B上累积的载流子流到地面并复位所述电压。在复位时段RST之后，所述系统121已准备好检测另一个入射辐射粒子。如果所述第一电压比较器301被停用，则所述控制器310可在复位时段RST终结之前的任何时间启动它。如果所述控制器310被停用，则可在复位时段RST终结之前启动它。

尽管本文已经公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。本文公开的各个方面和实施例是为了说明的目的而不是限制性的，其真正的范围和精神应该以本文中的权利要求书为准。