用於數字成像的解相關通道採樣的製作方法
2023-05-17 03:35:26 3
專利名稱：用於數字成像的解相關通道採樣的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及數字成像的領域，更具體地，涉及減少數字圖像中的相關噪聲或結構性噪聲偽像。
背景技術：
基於X射線、磁共振、光學和其他模態的數字圖像廣泛地用在醫療領域中。例如，X射線圖像由放射科醫師使用以檢驗(screen)可以指示癌症的硬化、損傷、團塊或圖案。因此可以認識到，檢驗的準確性取決於圖像。已知噪聲可能在圖像中產生不合需要的偽像。例如，在X射線圖像捕獲和讀取期間引入的相關噪聲可能引起跨越圖像的明顯的帶。電子X射線檢測器可以被分成兩類，即其中使用直接方法將X射線轉換成電荷的類以及其中使用間接方法的類。直接和間接轉換檢測器兩者均積累並存儲在X射線曝光期間接收到的電子電荷。在直接轉換檢測器中，諸如無定形硒的X射線光電導體將X射線光子直接轉換成電荷。在間接轉換檢測器中，使用閃爍器將X射線能量轉換成可見光並且隨後使用諸如無定形矽光電二極體陣列或CCD的光電檢測器將光能量轉換成電子電荷。任一類型(直接或間接)的典型的X射線檢測器被分為圖片元素(即檢測器像素)的M個行乘N個列(還被稱為通道)的陣列。例如，乳房X射線照相術檢測器可以包括4096個行以及每個行的3584個通道。圖I中示出了由行12和通道14構成的示例檢測器陣列10。每個通道耦合到電荷放大器16之一，而每個行耦合到行驅動器15之一。在X射線曝光期間，檢測器陣列的每個像素位置的電荷被積累並存儲。該電荷與在X射線曝光期間在像素處接收到的光子數目相關，並且表示各個透射X射線在行進通過被成像物體時經歷的衰減。在X射線曝光之後，讀出檢測器的電荷圖案並且將其轉換成數字圖像，其中數字圖像的各個像素的亮度與檢測器像素的電子電荷直接相關並且實現了被成像物體的內部結構的視覺表示。在檢測器讀出期間，行驅動器依次訪問各行，並且所訪問的行的每個通道中的像素的電荷被電荷放大器16採樣。然而，外部噪聲可能影響像素電荷，並且當採樣時間相關時噪聲效應相關。由於各行之間的相關噪聲相差呈現為跨越所得到的圖像的帶，因此這是成問題的。因此期望減少各種模態的捕獲圖像中的相關噪聲效應。
發明內容
根據本發明的一個方面，一種裝置包括電路，與通過在與第一行中的多個通道中的通道對應的採樣時間期間對每個通道進行採樣，從該多個通道生成圖像的一部分的設備相關聯，使第一行中的至少第一和第二通道的採樣時間偏移，從而減少第一行中的第一和第二通道之間的噪聲相關。根據本發明的另一方面，一種方法包括通過在與第一行中的多個通道中的通道對應的採樣時間期間對每個通道進行採樣，從該多個通道生成一部分圖像，這包括使第一行中的至少第一和第二通道的採樣時間偏移，從而減少第一行中的第一和第二通道之間的噪
聲相關。與本發明的至少一個實施例相關聯的優點是減少相關噪聲效應。該優點通過如下方式實現使一個行中的各通道的像素採樣時間相對彼此偏移，從而使通道採樣解相關。解相關可以通過不同的技術實現。例如，一個行中的各通道的開始時間、結束時間或者此兩者可以被偏移。這可以使用預定的採樣時間值集合來實現或者通過使採樣時間值隨機化來實現。由於在每個通道上採樣噪聲信號的不同相位，因此使一個行中的採樣時間偏移減少了該行中的各通道之間的噪聲相關，有效地使每個行中的通道噪聲模糊或抖動。諸如通過使各行之間的通道採樣時間變化進行的通道中的隨機採樣進一步使每個通道中的噪聲抖動。
圖I圖示了示例性檢測器陣列。圖2圖示了像素陣列的單個像素的示例性示意圖。圖3是電荷放大器的示例性實施例的示意圖。圖4是圖示圖3的電荷放大器的開關元件的操作的時序圖。圖5是圖不相關噪聲效應的若干區域的圖像。圖6A圖示了驅動電荷放大器的現有技術。圖6B圖示了用於提供針對每個電荷放大器的THl和TH2信號的獨立控制的示例性技術。圖7是圖示在各個PSS和PSE窗口中包括六個像素樣本開始時隙和六個像素樣本結束時隙的本發明的一個實施例的時序圖。圖8圖示了可能影響數字檢測器的外部噪聲。圖9A圖示了相關噪聲效應。圖9B圖示了通過使像素樣本時間隨機變化來減少圖9A的相關噪聲效應。圖9C和9D是在存在30 KHz的噪聲的情況下由檢測器獲取的事物的仿真圖像。圖10是獲取的圖像的相關噪聲幅度相對噪聲頻率的曲線圖。
具體實施例方式將在X射線圖像的背景下描述本發明。然而，本發明不限於與X射線設備一起使用並且本領域技術人員將認識到本發明可以通過各種其他模態實現，包括但不限於，例如正電子發射計算機斷層成像技術(PET)、單光子發射計算斷層成像技術(SPECT)、磁共振成像(MRI)和使用CXD的光學成像。還將認識到，本發明不限於醫療應用，並且將在用於各種其他目的的圖像處理中具有實用性。圖2圖示了像素陣列10的單個像素18的示例性示意圖。像素18包括薄膜電晶體(TFT)開關20、像素電容器22、行驅動器24和電荷放大器26。在x射線21撞擊檢測器時，電荷在像素電容器22處積累。在X射線曝光之後，像素電容器存儲表示像素位置處的X射線衰減的電荷。當行驅動器24被聲明時，經由TFT 20向電荷放大器26傳輸跨越像素電容器22的電壓。電荷放大器將X射線電荷轉換成電壓並且將其發送到ADC用於數位化。圖3是電荷放大器26的示例性實施例的示意圖。電荷放大器26被示出為I禹合到圖2的行驅動器24和像素電容器22。電容器Cp表示源線(列線)到地的電容。這提供了噪聲增益，其增加了系統到地的噪聲或者由源線拾取的外部噪聲的敏感性並且導致了相關噪聲。圖不的電荷放大器26包括稱合到積分器重置開關32的放大器30。電荷放大器包括一對開關RC濾波器34和36。已使用相關雙採樣(⑶S)方案將開關RC濾波器34和36用在現有技術的電荷放大器中以去除電荷放大器相關偏移並且減少低頻噪聲。相關雙採樣方案的基礎牽涉在評估間隔期間獲得兩個電壓樣本；使用第一 RC濾波器34記錄系統偏移和低頻噪聲源的第一樣本，和使用第二 RC濾波器36記錄所存儲的TFT像素電壓的第二樣本。隨後可以從採樣像素電壓中減去參考採樣電壓。這樣的布置減少了低頻噪聲並且從最終像素值去除了元件相關偏移。圖4是圖示圖3的電荷放大器的開關元件的操作的時序圖。RESET (重置)反映控制積分器重置開關32的信號的值，THl和TH2反映RC濾波器34和35的各個開關的值，並且GATE (門)反映控制行驅動器24的信號的值。在每個評估間隔開始時(T0)，積分器開關32被短暫重置以從放大器去除任何先前的電荷。在T1處，重置(Reset)信號被釋放並且開關THl和TH2接通，允許電容器Cl和C2開始跟蹤任何電荷放大器偏移。在T2處，開關THl斷開並且參考電壓(VR)由Cl保持。在T3處，門(Gate)信號被接通並且來自像素電容器22的電荷被傳輸到放大器30的節點30a，向RC濾波器36提供輸出並且對電容器C2充電。在時間！\處，(⑶S2)開關TH2斷開，並且電壓VS在電容器C2處保持。因此，在「⑶S時間」(即CDSl和CDS2之間的時間間隔)期間，來自像素電容器22的電荷被放大、濾波並且作為 電壓VS被保持。從VS中減去VR以去除系統偏移並且減少低頻噪聲，並且隨後將差轉發到A/D轉換器用於數位化。使用⑶S的X射線檢測器遇到的一個常見問題是水平相關噪聲。由於⑶SI和⑶S2時間對於所有通道是相同的，因此外部噪聲信號對一個行中的所有通道有相同的影響。然而，行與行之間的噪聲相位可能不同。所得到的、在不同的相位中捕獲的噪聲引起的偏移導致了各行之間的像素值偏移，其呈現在跨越所得到的圖像的帶中。相關噪聲效應的嚴重性在其中其他噪聲源顯著降低的檢測器系統中可能是更壞的。圖5是圖示相關噪聲的若干區域(諸如區域52)的圖像。這些偽像降低了圖像的整體質量，降低了其用於檢驗癌症的有效性。根據本發明的一個方面，實現了如下技術方案通過使一個行中的各通道的像素採樣時間相對彼此偏移，可以減少相關噪聲效應。例如，可以使一個行中的各通道的開始時間(CDS1)、結束時間(CDS2)或此兩者偏移。這可以使用預定的偽隨機採樣時間值集合來實現或者通過使採樣時間值隨機化來實現。由於在每個通道上對噪聲信號的不同的相位進行採樣，使一個行中的採樣時間偏移減少了該行中的各通道之間的噪聲相關。使用這種被稱為解相關通道採樣的技術，有效地使每個行中的通道噪聲模糊或抖動。通過使各行之間的通道CDS時間變化來使通道中的採樣偏移，進一步使每個通道中的噪聲抖動。⑶S時間(總像素數據跟蹤時間)優選地保持恆定，使得樣本的開始時間⑶SI中的任何移位導致樣本的結束時間CDS2中的相應的移位。在使CDSl和CDS2時間變化的同時使CDS時間保持恆定，確保了電荷放大器在去除系統偏移和減少低頻噪聲方面仍同樣有效，同時具有增添的減少相關噪聲效應的優點。然而，應當注意，本發明不要求CDS時間保持恆定，並且設想如下的本發明的其他實施例其中假設維持用於獲得足夠的像素值樣本的至少最小CDS時間，CDS時間在公共行的各通道之間變化，並且在各行之間的通道中變化。因此本發明設想了像素樣本開始窗口(PSSW)。PSSW可以包括多個開始時隙，其中這些時隙隨機分布在公共行中的各通道之中，和/或分布在公共通道的各行之間。本發明進一步設想了像素樣本結束窗口(PSEW)。PSEW還包括多個結束時隙，這些結束時隙可以在數目上與PSSW的開始時隙的數目匹配，儘管本發明並不要求這樣。開始和結束時隙將用於 驅動各個THl和TH2開關，它們分別控制像素樣本間隔的開始和像素樣本間隔的結束。現在參照圖6A，驅動電荷放大器16的現有技術牽涉將公共THl和TH2信號轉發到所有電荷放大器(這裡，示出了四個電荷放大器16A-16D)。相反地，本發明設想了 THl和TH2信號的獨立控制。圖6B中圖示了一種用於提供針對每個電荷放大器16A-16D的THl和TH2信號的獨立控制的示例性技術。每個TH1/TH2輸入具有專用的可編程的延遲線(通常表示為組60)。在一個實施例中，通過預先識別的時隙數目之間的隨機選擇來對可編程延遲線進行編程。在電荷放大器讀出之間有利地對可編程延遲線重新編程以確保THl和TH2信號在公共通道中的各行之間變化，儘管這不是本發明的要求。在不影響本發明的範圍的情況下，這裡可以換用其他用於使THl和TH2時間在選擇時隙集合之中隨機變化的技術。圖7是圖示在各個PSS和PSE窗口中包括六個像素樣本開始時隙和六個像素樣本結束時隙的本發明的一個實施例的時序圖。將從有限數目的時隙裡在關於CDSl和CDS2的PSS和PSE窗口期間向通道分配時隙。作為結果，每個通道的噪聲信號的不同相位以及外部噪聲對得到的圖像的影響被隨機化並且相關噪聲效應在圖像中將不太可見。例如，圖8圖示了可能影響數字檢測器的外部噪聲。可以容易地認識到，如果給定行中的每個通道在一個特定的相位處對噪聲採樣並且噪聲的相位在行與行之間改變，則在各行之間積累的噪聲偏移可以變化。圖8圖示了如何在像素獲取期間通過五個不同的通道可以對噪聲信號採樣。由於在不同的相位處對噪聲採樣，因此跨越各通道並且在各行之間使噪聲的影響平滑，減少了不合需要的相關噪聲效應。圖9A和9B是在存在20 KHz的噪聲的情況下可以由檢測器獲取的事物的仿真圖像。通過如上文所述使像素樣本時間隨機變化使在圖9A中清晰可見的相關噪聲效應急劇減小，其結果在圖9B中示出。圖9C和9D是在存在30 KHz的噪聲的情況下可以由檢測器獲取的事物的仿真圖像。儘管相關噪聲效應在9C中可見，但是當在一個行中的各通道之中並且在行中的各通道之間使像素樣本時間隨機化時，如圖9D中所示，相關噪聲急劇減少。圖9B和9D之間的相關噪聲的減少表明，本發明展現了關於較高頻率噪聲的提高的性能。圖10是獲取的圖像的相關噪聲幅度相對噪聲頻率的曲線圖。在該仿真中，PSSW和PSEff均是分攤成50個時隙的10微秒的窗口。每個通道的像素開始時間被分配給10、20和30微秒窗口中的50個時隙，同時總CDS時間保持恆定。如圖10中所示，抖動窗口越大，則能夠實現的相關噪聲的抑制就越大。本發明的一個方面牽涉PSS和PSE窗口的尺寸和時隙數目。將認識到，時隙數目、窗口尺寸和窗口中的時隙間距作為極大的設計選擇而是可變的，並且將根據檢測器的尺寸、其中使用檢測器的環境、期望的檢測器速度以及期望的設計成本和複雜性而變化。因此本發明決不限於任何特定的時隙數目或者任何特定的窗口尺寸。即便如此，仿真使用已發現，使用分攤 成10-50個時隙的20微秒的窗口尺寸減少了數字圖像中的相關噪聲。因此，已示出了和描述了一種改進的電荷放大器採樣系統和方法，其經由在各行中以及在各行之間的通道採樣的時間變化，減少了相關噪聲偽像。該通道採樣技術可用於通過使各通道和各行之間的噪聲偏移最小來提高直接和間接X射線檢測器的性能。儘管本發明已被描述為相關雙採樣電荷放大器的附屬物，但是本領域技術人員將容易地認識到，本發明不限於用在雙採樣環境中，而是可以與許多其他受到噪聲偽像的困擾的數據採樣系統一起使用。相似地，本發明的特徵可以通過存儲在非暫態計算機可讀介質上的電腦程式的輔助來實現。在描述示例性實施例之後，可以認識到，上文描述的示例僅是說明性的，並且其他示例也涵蓋在所附權利要求的範圍內。
權利要求
1.一種裝置，包括 電路，與通過在與第一行中的多個通道中的通道對應的採樣時間期間對每個通道進行採樣，從該多個通道生成圖像的一部分的設備相關聯，使第一行中的至少第一通道和第二通道的採樣時間偏移，從而減少第一行中的第一通道和第二通道之間的噪聲相關。
2.根據權利要求I所述的裝置，其中使用隨機化和偽隨機化至少之一來選擇採樣時間。
3.根據權利要求I所述的裝置，其中採樣時間中的至少一個與所有其他通道不同。
4.根據權利要求I所述的裝置，其中第一行中的每個通道的採樣時間與第一行中的所有其他通道不同。
5.根據權利要求I所述的裝置，其中存在多個行，並且其中第一行中的第一通道的採樣時間與第二行中的第一通道的採樣時間不同。
6.根據權利要求I所述的裝置，其中存在多個行，並且其中第一行中的每個通道的採樣時間與第二行中的所有通道不同。
7.根據權利要求I所述的裝置，其中採樣時間由開始時間限定。
8.根據權利要求I所述的裝置，其中採樣時間由結束時間限定。
9.根據權利要求I所述的裝置，其中採樣時間是總像素數據跟蹤時間。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中總像素數據跟蹤時間在第一行中的各通道之間變化。
11.根據權利要求9所述的裝置，其中總像素數據跟蹤時間在第一行和第二行之間的第一通道中變化。
12.根據權利要求I所述的裝置，其中所述電路限定具有在第一行中的各通道之中隨機分布的多個開始時隙的像素樣本開始窗口。
13.根據權利要求12所述的裝置，其中所述電路限定具有多個結束時隙的像素樣本結束窗口。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中所述電路包括具有用於相關雙採樣的第一開關RC濾波器和第二開關RC濾波器的電荷放大器，並且其中開始時隙和結束時隙驅動所述第一開關RC濾波器和第二開關RC濾波器的各開關以分別控制像素樣本間隔的開始以及像素樣本間隔的結束。
15.根據權利要求14所述的裝置，其中所述第一開關RC濾波器和第二開關RC濾波器的每個開關具有帶專用的可編程延遲線的輸入。
16.根據權利要求15所述的裝置，其中通過像素樣本窗口的預先識別的時隙數目之間的隨機選擇來對所述可編程延遲線進行編程。
17.根據權利要求16所述的裝置，其中所述可編程延遲線在電荷放大器讀出之間被重新編程，使得採樣時間在公共通道的相鄰行之間變化。
18.根據權利要求12所述的裝置，其特徵在於被分攤成10-50個時隙的20微秒的窗口尺寸。
19.一種方法,包括 通過在與第一行中的多個通道中的通道對應的採樣時間期間對每個通道進行採樣，從多個通道生成圖像的一部分，這包括使第一行中的至少第一通道和第二通道的採樣時間偏移，從而減少第一行中的第一通道和第二通道之間的噪聲相關。
20.根據權利要求19所述的方法，包括使用隨機化和偽隨機化至少之一來選擇採樣時間。
21.根據權利要求19所述的方法，包括將採樣時間中的至少一個選擇成與所有其他通道不同。
22.根據權利要求19所述的方法，包括將第一行中的每個通道的採樣時間設定成與第一行中的所有其他通道的採樣時間不同。
23.根據權利要求19所述的方法，其中存在多個行，並且包括將第一行中的第一通道的採樣時間設定成與第二行中的第一通道的採樣時間的值不同的值。
24.根據權利要求19所述的方法，其中存在多個行，並且包括將第一行中的每個通道的採樣時間設定成與第二行中的所有通道的採樣時間不同的值。
25.根據權利要求19所述的方法，包括設定與採樣時間對應的採樣開始時間。
26.根據權利要求19所述的方法，包括設定與採樣時間對應的採樣結束時間。
27.根據權利要求19所述的方法，包括設定與採樣時間對應的總像素數據跟蹤時間。
28.根據權利要求27所述的方法，包括針對第一行中的各通道設定不同的總像素數據跟蹤時間。
29.根據權利要求27所述的方法，包括在第一行和第二行之間的第一通道中設定不同的總像素數據跟蹤時間。
30.根據權利要求19所述的方法，包括限定具有在第一行中的各通道之中隨機分布的多個開始時隙的像素樣本開始窗口。
31.根據權利要求30所述的方法，包括限定具有多個結束時隙的像素樣本結束窗口。
32.根據權利要求31所述的方法，包括具有用於相關雙採樣的第一開關RC濾波器和第二開關RC濾波器的電荷放大器，並且包括使用開始時隙和結束時隙驅動所述第一開關RC濾波器和第二開關RC濾波器的各開關，其分別控制像素樣本間隔的開始以及像素樣本間隔的結束。
33.根據權利要求32所述的方法，包括通過具有專用的可編程延遲線的輸入來控制所述第一開關RC濾波器和第二開關RC濾波器的開關。
34.根據權利要求33所述的方法，包括通過像素樣本窗口的預先識別的時隙數目之間的隨機選擇來對所述可編程延遲線進行編程。
35.根據權利要求34所述的方法，包括在電荷放大器讀出之間對所述可編程延遲線重新編程，使得採樣時間在公共通道的相鄰行之間變化。
36.根據權利要求30所述的方法,包括設定被分攤成10-50個時隙的20微秒的窗口尺寸。
全文摘要
一種成像設備通過在採樣時間期間對每個通道進行採樣，從第一行中的多個通道生成圖像的一部分，其中電路使第一行中的至少第一和第二通道的採樣時間偏移，從而減少各通道之間的噪聲相關。像素採樣時間可以由一個行中的各通道的開始時間、結束時間或此兩者限定。可以使用預定的採樣時間值集合或者通過使採樣時間值隨機化來實現偏移。由於在每個通道上對噪聲信號的不同相位進行採樣，因此使一個行中的各通道的像素採樣時間相對彼此偏移使通道採樣解相關，有效地使每個行中的通道噪聲模糊或抖動。諸如通過使各行之間的通道採樣時間變化進行的通道中的隨機採樣進一步使每個通道中的噪聲抖動。
文檔編號H04N5/357GK102939745SQ201180015112
公開日2013年2月20日 申請日期2011年3月21日 優先權日2010年3月22日
發明者D.蘇迪爾布海沙, B.波利舒克, E.帕勒基, A.塞羅納, D.邁爾斯, G.沃克 申請人:豪洛捷公司