檢測模塊的製作方法

2023-05-12 13:40:31

專利名稱：：檢測模塊的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種用於檢測電磁輻射的檢測模塊，其包括帶有電流積分電路的光電傳感器。本發明還涉及一種用於對混濁介質進行成像的裝置。
背景技術：
：國際申請W02003/077724顯示了一種帶有檢測器系統的光學層析成像掃描器。該已知的光學層析成像掃描器目的是用來對女性乳房進行成像。因此，該已知的光學層析成像掃描器形成一種裝置，用來對由乳房組織形成的混濁介質進行成像。該已知的光學層析成像掃描裝置具有一個近紅外(nir)雷射器，用來照亮將要檢查的女性乳房。使檢測器系統圍繞乳房旋轉，以從該軌道中的幾個角度位置來檢測穿過該乳房發送或由該乳房重新發射的近紅外光(nir-light)。該檢測器系統具有光電二極體，用來將入射光轉換成輸出電流。該己知的檢測器系統以幾個相繼變得越來越長的不同積分間隔，連續地對來自該光學二極體的輸出電流進行積分。然後，數位化在各個積分間隔末端所獲得的值。該解決方案相當於通過重複地對來自光學二極體的輸出電流進行數位化來超採樣或多次採樣。對這些多次採樣進行平均，以提高進行平均後的信號的信噪比。在進行平均後的信號中，量化誤差降低了。這種量化誤差具有和附加噪聲一樣的影響。
發明內容本發明的目的是提供一種用於檢測電磁輻射的檢測模塊，其輸出具有高信噪比，尤其是在入射電磁輻射的低強度處。本發明的目的還在於提供一種用於檢測電磁輻射的檢測模±央，它不需要較長的信號獲取和/或信號處理時間。該目的是通過本發明的用於檢測電磁輻射的檢測模塊來實現的，該檢測模塊包括光電傳感器，用於從入射的電磁輻射中衍生電流；電流積分電路，用於(i)在一個積分時間間隔上對來自所述光電傳感器的電流求積分，以及(ii)在所述積分時間間隔期間，獲取對時間積分的電流的幾個積分樣本，以及運算單元，用於(i)將所述積分樣本擬合為所述積分電流的預定時間相關性，(ii)根據所述擬合，計算在所述積分時間間隔上所累積的累積電荷，以及(iii)提供表示所述累積電荷的輸出強度信號。本發明中用於檢測電磁輻射的檢測模塊從光電傳感器中獲取對時間積分的電流的多個樣本。因此，檢測模塊通過其自身的電流積分電路來跟蹤累積的電荷，其中，該累積的電荷是正在積分時間間隔上對其求積分的電流。將所述多個樣本擬合為對時間積分的電流的預定時間相關性。根據對光電傳感器的設計和入射輻射強度的時間相關性，來確定該預定時間相關性。基於該信息，可以用參數化的數字函數形式，來對該對時間積分的電流的預定時間相關性進行建模。因此，提供了一個數學模型，其精確地將隨時間變化的對時間積分的電流的實際值表示為積分時間間隔進程。在許多實際情況下，入射強度在積分時間間隔上大致為常量。當積分時間間隔比入射電磁輻射強度變化中的一般性時標小很多時，該情況就會顯著出現。例如，線性逼近提供了關於時間長度為10-100毫秒的積分時間間隔的精確結果。另一方面，當預先確定了或者能夠精確估計入射電磁輻射強度中的時間變化時，該強度的時間相關性就會包含在該數學模型內。通過將基於預定時間相關性的擬合過程應用於樣本值，來獲得該數學函數的實際細節，即，該數字函數的一個或幾個參數。然後，根據在積分時間間隔末尾的擬合，簡單地計算隨著在積分時間間隔上的累積、對時間積分的電流的精確值，作為實際的時間相關值。由於考慮到隨著積分時間間隔進程的全部累積電流，所以擬合過程抑制了由電噪聲、光子散粒噪聲和數位化誤差等所引起的誤差。值得注意的是，該擬合過程考慮了在積分時間間隔期間的電流積累的實質部分，而非僅僅依賴於在積分時間間隔末尾處樣本的累積值。實驗顯示，本發明的檢測模塊實際上獲得了非常低的噪聲基底(noisefloor),其小於10fA(10.10"SA)。因此，本發明的檢測模塊能夠精確地測量非常低的、小於25fA的電流，而且其具有良好的信噪比。例如，獲得小於lfA(即，低於10-"A)的均方根(rms)噪聲。值得注意的是，由在電流積分電路中所採用運算放大器產生的阻抗增益來放大積分電流中的噪聲。本發明通過對積分電流隨時間的線性增加進行擬合，消除或有效地減少了噪聲。另外，本發明減小了偏移中的變化的影響，該偏移變化可能由電流積分電路中的電漂移引起，而且歸因於在將該電流積分電路中的集電電容器復位之後所留下的電荷的變化。該偏移變化還與光電傳感器中的暗電流變化有關，並依賴於光電傳感器上的偏置電壓。由於在一個積分時間間隔中進行了對時間積分的電流的多次採樣，所以並不需要較長的測量時間，而且無需連續地平均化對累積電荷的單獨測量，其中，該累積電荷表示在該積分時間間隔期間電磁輻射的入射強度。根據本發明的另一方面，檢測模塊具有同步電路，該同步電路具有以下功能監控幹擾源，並且控制或例如觸發以監控的幹擾源相位為基礎的、對來自光電傳感器的電流的積分。存在許多這種幹擾源實例，值得注意的是開關模式電源，而且由主電源產生的電場是充分存在的且會干擾檢測模塊的操作，尤其是在測量非常低的電流時。例如，當幹擾很低或甚至不存在幹擾時，同步電路就特別適合於初始化對時間積分的電流的採樣。在另一個實例中，該同步電路在所述幹擾的特定相位上觸發對於該對時間積分的電流的採樣，以便重複地檢測電磁輻射。在另一實例中，該同步電路控制運算電路，執行對所監控的幹擾的校正。明顯地，尤其是在檢測非常低的電流時，該採樣的同步還提高了輸出強度信號的信噪比。有效地將噪聲水平降低到從lpA到lfA的範圍以內；甚至可以獲得非常低的小於lpA的噪聲水平結果。根據本發明的一個特定方面，積分電流的預定時間相關性是線性的。該線性關係非常簡單，而且明顯地非常精確地把對時間積分的電流表示為來自目前市場上出售的光電傳感器的輸出。基於該線性關係，易於根據該線性關係的坡度來計算累積電荷，其中，根據所述擬合和積分時間間隔的持續時間來建立該線性關係。此外，對於積分電流的簡單線性關係而言，只需要將極少量的數據傳輸到運算單元。這可以通過廉價的低功率元件來實現。此外，不需要傳輸額外的信號傳輸帶寬並處理簡單的數據集。根據本發明中電流積分電路的另一方面，單次測量所需的樣本數量在單個時間間隔中一般在400-500個樣本的範圍以內。本發明還涉及一種用於對混濁介質進行成像的裝置。這種裝置的一個實例是一種用於對女性乳房進行光學成像或特別是近紅外成像的裝置。對這種混濁介質的成像，特別是人類生物組織有可能在50nm到1.4pm的波長範圍內，在650-900nm的波長範圍內獲得很好的結果，在700-800nm的波長範圍內獲得卓越的結果。對波長範圍的選擇取決於對於低散射(即，其在較短波長上增加)低吸收(即，其在較長波長上增力n)的考慮以及由於如氧化血或非氧化血等造成的特定吸收頻帶的缺乏。很明顯，由於穿過乳房組織的光線的多次散射，所以乳房組織的光學表現為混濁。本發明的成像裝置包括用來容納混濁介質的檢查空間。在實際中，例如，該檢査空間具有腔的形狀，該腔在其頂端打開，並且在該女性在該腔上方舒適地臉朝下(也就是以俯臥的姿勢)的同時，該女性的乳房從上方懸入該腔的開口內。經常利用匹配液來包圍懸入該腔的乳房，以避免在乳房邊緣上的強烈的光躍遷。匹配液的使用明顯減少了在正在檢查的乳房的重建圖像中的偽像。由位於腔的壁上或其附近處的電磁輻射檢測模塊來測量來自乳房的電磁輻射。可替換地，一個或幾個電磁輻射檢測模塊可以圍繞該檢査空間旋轉。該電磁輻射檢測模塊從幾個方向檢測來自該檢查空間的電磁輻射。在該成像裝置的一方面，為了從幾個方向照射該混濁介質，即，女性乳房，可由位於該檢查空間周圍的光源或者圍繞該檢査空間旋轉的光源來照亮乳房。在本發明的成像裝置的另一方面，對要檢查的病人使用造影劑，其產生來自乳房組織的螢光，其中，值得注意的是，螢光在腫瘤組織中被增強。例如，該螢光增強歸因於造影劑濃度的增加，這種造影劑濃度的增加則歸因於造影劑在腫瘤組織中的最佳累積。本發明的成像裝置具有本發明如上所述的一個或多個電磁輻射檢測模塊。在本發明的成像裝置中採用該電磁輻射檢測模塊來檢測電磁輻射，特別是來自混濁介質的光或近紅外輻射，特別是女性乳房。所述一個或多個7電磁輻射檢測模塊提供了表示累積電荷的輸出強度信號，該累積電荷進而表示來自該檢査區域的、從各個方向進行觀測所得到的各個輻射強度。向用於重建該混濁介質的一個或幾個圖像的重建器提供這些輸出強度信號，該混濁介質即女性乳房。可以使用幾種重建算法來重建兩維或三維圖像數據集。本發明的檢測模塊生成具有很好信噪比的輸出強度，尤其是在很低的強度水平上。因而，避免了在重建圖像中的重建偽像，由此重建圖像具有高診斷質量，因為即使是微小對比度的小細節，也能夠被渲染的可以明顯看到。將參照附加的權利要求中定義的實施例，來進一步詳細描述本發明的這些和其他特徵。將參照下述實施例並參照附圖來詳細描述本發明的這些和其他方面，其中圖l表示本發明中用於對混濁介質進行成像的裝置的示意圖；圖2表示具有乳房形狀的混濁介質的杯罩的示意性橫截面圖；圖3表示本發明中用於檢測電磁輻射的檢測模塊的電路圖；圖4表示16fA的採樣的積分光電流；以及圖5表示由在幾個單獨的積分間隔上的實踐所產生的結果。具體實施例方式圖1表示本發明中用於對混濁介質進行成像的裝置的示意圖。值得注意的是，在圖1中示意性示出的用於對混濁介質進行成像的裝置是一種光學乳房X線攝影系統。該光學乳房X線攝影系統包括一個託架ll，要檢查的患者在該託架11上(顯然，要檢査的女性位置採用俯臥姿勢(即，臉朝下)，將一個或兩個乳房懸入必須形成測量杯罩2(見圖2)的檢查空間2內)。在乳房i與杯罩表面之間的空隙內填充散射流體22，其散射屬性例如與平均的乳房的散射屬性非常匹配，由此減少在乳房組織與乳房之外空間之間的光屬性的躍遷。圖2表示具有乳房1的杯罩的示意性橫截面圖。大量光纖23(共510個)與該杯罩的一端相連。一半的光纖在另一端連接到檢測器模塊5，而另一半的光纖在另一端連接到光纖切換器12。光纖切換器12能夠在這256個光源光纖23(255個連接到該杯罩，一個直接連接到檢測器光纖)中的任何一個中傳導來自三個不同雷射器24的光線。照這樣，光源光纖23中的任何一個都能夠在杯罩內提供錐形光束。通過適當地切換該光纖切換器12，所有光源光纖將連續地發射錐形光束。來自選定光源光纖的光線被散射流體和乳房所散射，並被255個檢測器模塊檢測到。與反射的(或反向散射的沐線相比，光在乳房組織內的散射是強烈的，這意味著僅有有限數量的光子可以穿過該乳房。因此，檢測器應該覆蓋較大的動態範圍(大約9個數量級)。使用光電二極體作為檢測器模塊內的光電傳感器5。前端檢測器電極包括這些光電二極體和一個放大器31。該放大器的放大因子可以在幾個值之間進行切換。該機器首先以最低的放大係數進行測量，如果必要的話就增大該放大係數。該檢測器受到計算機14的控制。計算機14還控制雷射器、光纖切換器和泵系統。將計算機、杯罩、光纖、檢測器、光纖切換器和雷射器都安裝在如圖2中所示的床內。該測量從將杯罩2完全充滿散射流體22開始，這是校準測量。在該校準測量之後，使乳房1浸入該流體，然後重新執行該測量過程。校準測量和乳房測量都包括關於三個雷射器24中每一個的255'255個檢測器輸出強度信號(OIS)。可以利用一種稱為圖像重建的處理，來將這些檢測器輸出強度信號(OIS)轉換成三維圖像。由重建器4來執行對乳房圖像的圖像重建，其中，通常在計算機14中以軟體形式來執行該重建。該重建處理照到對於(不清楚的)逆問題的最近似的解，該重建處理以例如代數重建技術(ART)或有限元法(FEM)為基礎。圖3表示本發明中用於檢測電磁輻射的檢測模塊的電路圖。該檢測模塊包含積分器電路32,積分器電路32包括並聯的運算放大器31和電容33。並且復位開關R與該電容33並聯。該積分電路接收來自光電二極體5的光電流。在積分周期期間，例如，大約460次/120毫秒，由採樣單元6對積分的光電二極體電流進行採樣，例如，可以使用24比特ADC作為該採樣單元。將來自該採樣單元的積分樣本提供到運算單元，該運算單元使積分樣本擬合為線性時間相關性(見圖4)。根據在該擬合的結果，計算輸出強度信號，作為在積分時間間隔(即，120毫秒)末尾的擬合的線性關係值。現在較詳細地展示該擬合過程。將在該積分時間間隔期間的積分電流與時間的線性關係設定為y=bx+a，a-偏移量(不考慮)，b-梯度或坡度。該參數計算為tableseeoriginaldocumentpage10其中:s代表t」。在每一個ADC樣本中斷期間，"即時地"進行該計算。圖4表示一種16fA的採樣的積分光電流。在120毫秒的積分時間間隔期間對光電流進行積分和460次採樣。這得到了更合適的噪聲曲線。對於該噪聲曲線，繪製線性擬合，並計算在該積分時間間隔上累積的電荷，作為在該積分時間周期末尾的線性擬合的值，例如，在120毫秒中。該擬合僅涉及兩個標量參數，即，該線性關係的坡度及其在該積分時間間隔一開始時的偏移。圖5表示由在幾個單獨的積分間隔上的實踐產生的結果。使得注意的是，圖5表示對來自光電傳感器的電流的積分的若干次重複。每一個單獨的稍微有噪聲的條紋表示一次單獨的積分。如圖5所示，在每一個單獨積分一開始的偏移可以改變。然而，根據本發明的到線性時間相關性的擬合減少了或甚至消除了在所計算的累積電荷上的偏移中的該變化的影響。權利要求1、一種用於檢測電磁輻射的檢測模塊，包括光電傳感器，用於從入射的電磁輻射中衍生電流；電流積分電路，用於(i)在一個積分時間間隔上對來自所述光電傳感器的電流求積分，以及(H)在所述積分時間間隔期間獲取對時間積分的電流的幾個積分樣本；以及運算單元，用於(i)將所述積分樣本擬合為所述積分電流的預定時間相關性，(ii灘據所述擬合，計算在所述積分時間間隔上所累積的累積電荷，以及(iii)提供表示所述累積電荷的輸出強度信號。2、如權利要求1所述的檢測模塊，還包括同步電路，用於(i)接收監控信號，其表示來自一幹擾源的幹擾，以及(ii)控制所述檢測模塊的操作，以根據所述監控信號形成所述輸出強度信號。3、如權利要求1所述的檢測模塊，其中，所述積分電流的預定時間相關性是線性的。4、如權利要求1所述的檢測模塊，其中，所述電流積分電路被設置為獲得在400-500個樣本的範圍以內的多個積分樣本。5、如權利要求1所述的檢測模塊，其中，所述電流積分電路被設置為以在取值範圍(低高)內以樣本時間強度/秒為單位獲得所述積分樣本。6、一種用於對混濁介質進行成像的裝置，包括用於容納所述混濁介質的檢查空間；一個或多個如權利要求1所述的檢測模塊，其位於所述檢查空間附近，用於檢測來自所述混濁介質的電磁輻射，並且所述一個或多個檢測模塊被設置為提供輸出強度信號，其中重建模塊，用於接收來自所述一個或多個檢測模塊的輸出強度信號，並且根據所述輸出強度信號，重建所述混濁介質的圖像。7、一種用於檢測電磁輻射的方法，包括以下步驟從入射的電磁輻射中衍生電流；在一個積分時間間隔上對所述電流求積分，並在所述積分時間間隔期間獲取對時間積分的電流的幾個積分樣本，以及將所述積分樣本擬合為所述對時間積分的電流的預定時間相關性；根據所述擬合，計算在所述積分時間間隔上所累積的累積電荷，以及提供表示所述累積電荷的輸出強度信號。8、一種用於檢測電磁輻射的方法，其中-(i)接收監控信號，其表示一幹擾源的相位，以及(ii)根據所述監控信號，控制用於對所述電流求積分的電流積分電路。9、一種電腦程式，包括用於以下的指令在一個積分時間間隔期間獲取對時間積分的電流的幾個積分樣本；將所述積分樣本擬合為所述對時間積分的電流的預定時間相關性，以及根據所述擬合，計算在所述積分時間間隔上所累積的累積電荷。全文摘要一種用於檢測電磁輻射的檢測模塊，包括光電傳感器、電流積分電路和運算單元，其中，該運算單元將積分樣本擬合為積分電流的預定時間相關性，並根據所述擬合，計算在積分時間間隔上所累積的累積電荷。特別是，在光學成像裝置中採用該檢測模塊藉助於近紅外光來對例如女性乳房進行成像。文檔編號A61B5/00GK101312681SQ200680043335公開日2008年11月26日申請日期2006年11月9日優先權日2005年11月21日發明者H·馬裡納斯,J·J·萊森申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司