用於成像離子輻射的設備及方法

2023-10-09 07:09:34

專利名稱：用於成像離子輻射的設備及方法
技術領域：
本發明一般涉及在諸如射線照相或自動射線照相成像系統的離子輻射成像系統 內的磷光檢測(phosphorescence detction)中，消除螢光屏(phosphor screen)斑點對噪
音的影響。
背景技術：
當以膠捲或數字檢測裝置成像離子輻射(imaging ionizingradiation)時，熒 光屏被用來將離子輻射轉換成可見光。螢光屏具有向圖像提供被稱為屏斑點(screen mottle)的偽像(artifact)的固有問題。屏斑點是宏觀結構斑點和微觀顆粒斑點的組合 結果，其經常被概括為術語「斑點(mottle)」。通常，屏斑點有助於磷光檢測中的噪音，尤 其是相對於檢測裝置在空間上固定的高空間頻率(high spatialfrequency)噪音。在諸 如射線照相或自動射線照相成像系統的離子輻射成像系統(ionizing radiation imaging system)的磷光檢測中，減小或消除斑點對噪音的貢獻將是合乎需要的。這個問題與對小哺 乳動物、昆蟲、魚、種子、活組織檢查樣本、汙點、凝膠體以及類似物進行高空間解析度的射 線照相和自動射線照相所要求的薄螢光屏尤其相關，這是由通過像素等同鏡筒深度(Pixel equivalent column depth)的少量磷光體顆粒(phosphor grain)所引起的。進一步，在期 望減少離子輻射的輻射量以達到所期望的信噪比的情況下，該問題尤其相關，因為噪音的 降低能對照信號的降低(由於輻射量的減少)補償，從而維持所期望的信噪比。文獻中已經報導了許多減少或消除斑點的嘗試。例如，可以參考Cleare等人的 The Am. J. of Roent. And Rad. Physics，Vol. 88，No. 1，第 168-174 頁(1962 年 7 月)；美國公 開專利申請 2006/0210135 ；以及美國專利 1，609，703,3, 717，764,3, 936，644,4, 028，550、 4，088，894,4，107，070,4，208，470,4，394，737,4，710，637,4，829，188,4，891，527, 5，069，982,5, 663，005,5, 830，629以及6，278，765。雖然一些已取得一定程度的改善，但由 於額外的複雜材料、工藝，或構造技術，或使用額外的屏或層，這些嘗試的方案需要更大的 複雜性和成本。例如，一些已提議的方案使用多個射線照相膠捲或多個螢光屏層。一些最小 化了屏的有效轉換效率或屏速度，或者需要使用附加材料諸如金屬條(metal strip)的嵌 入。其它的需要增加諸如發亮劑等額外材料，將(Ba，Sr)F、(CI, Br) :Eu+2磷光體與特定稀 土滷氧化物磷光體結合，在屏製備之前將少量特定三價銻化合物與磷光體混合，或者當磷 光體材料暴露在含氧大氣中時加熱磷光體材料。其它的仍然需要穩定或糾正圖像數據組。美國專利申請公開號No. 2007/0217713以及NewScientist. com通訊社在2007年 12月21日描述了通過組合多個較低解析度圖像來建立較高解析度圖像的技術。法醫科學 家以及天文學家目前將該技術分別應用到安全和天文圖像，以生成較高解析度的圖像。當 移動受試者(subject)並且保持捕獲器件固定或者在保持受試者固定時移動捕獲器件時， 該方法和軟體首先獲取一系列較低解析度圖像。然後，結合較低解析度圖像的相似像素以 建立較高解析度圖像。研究者將該技術也應用於射線照相術以獲得需要較少的輻射輻射量 的可用的射線照相的圖像。然而，以這種形式所獲得的射線照相的圖像也遭受到螢光屏斑點的問題，因為螢光屏在與圖像捕獲器件(由此斑點增加了相對於多個圖像空間固定的噪 音)或者受試者(由此斑點增加了相對於受試者空間固定的噪音)的關係中保持被固定。

發明內容
本發明通過模糊的優點來基本上解決由螢光屏斑點所導致的問題。因此，該發明 獨立於螢光屏和圖像捕獲過程的成本和複雜性來解決螢光屏斑點的問題，使得即使簡單、 廉價的螢光屏以及圖像捕獲過程也可以被與本發明結合使用。在一個實施例中，本發明提供用於成像目標的設備及方法，其包括適於接收處於 固定狀態的目標的支撐元件；適於將來自所述目標的離子輻射轉換為可見光的螢光屏；以 及用於成像所固定的目標的成像裝置。該設備可以為射線照相併且包括X射線源，或者可 以為自動射線照相併且成像用放射性同位素所處理的目標。所述成像裝置可以包括用於按 像素方法算術地平均通過使用螢光屏所獲得的固定目標的單個圖像的序列的特徵。增量地 移位螢光屏以促進螢光屏斑點的減少。該增量移位可以是以大於磷光體顆粒尺寸並小於熒 光屏的物理尺寸和圖像的可見區之間的差的距離，從而模糊螢光屏斑點。本發明的又一實施例涉及用於捕獲目標的多模式圖像的方法及系統。該方法可以 包括步驟並且該系統可以包括部件用於將固定狀態的目標放置在載物臺上的；將螢光屏 安置在來自目標的圖像路徑上以將從目標傳遞的離子輻射轉換為可見光；使用可見光捕獲 所述目標的一系列圖像；增量地移動所述螢光屏以促進在該系列中的螢光屏斑點的減少； 從所述圖像路徑移開所述螢光屏；以及捕獲所述目標的至少一個光學圖像。本發明的再一實施例涉及通過利用螢光屏來捕獲固定的目標的單個圖像的方法 及系統，其中在獲取期間該螢光屏被增量地移動通過大於磷光體顆粒尺寸並且小於螢光屏 的物理尺寸和所述圖像的可見區之間的差的距離，並且其中在每次增量移位期間關閉離子 輻射，並且在每次增量移位後打開離子輻射，以便模糊螢光屏斑點而不模糊圖像。


根據以下對如附圖所示的本發明的實施例的更詳細描述，本發明的前述或其它目 標將變得明顯。圖中的部件相互之間不必按比例。圖1示出基於膠捲的射線照相或自動射線照相成像系統的圖示側面視圖。圖2示出基於膠捲的射線照相或自動射線照相成像系統的螢光屏以及樣本載物 臺(sample object stage)的圖示側面視圖。圖3示出依照本發明的方法的工作流程圖，其中使用膠捲來捕獲圖像。圖4A示出依照本發明的數字射線照相或自動射線照相成像系統圖的圖示側視 圖。圖4B示出圖4A的成像系統的圖示正視圖。圖5示出圖4A和圖4B的成像系統的透視圖。圖6示出4A、圖4B和圖5的數字射線照相或自動射線照相成像系統的樣本載物臺 的圖示側視圖。圖7示出依照本發明的方法的工作流程圖，其中使用數位照相機來捕獲圖像。圖8A示出圖6的樣本載物臺的圖示側視圖，其中螢光屏被安置用於成像模式1。
圖8B示出示圖6的樣本載物臺的圖示側視圖，其中螢光屏被安置用於成像模式2。圖9A和9B示出依照本發明方法的工作流程圖，其中使用數位照相機來捕獲圖像。圖10示出依照本發明的方法的又一實施例的工作流程圖。圖11示出圖4A和圖4B的數字射線照相或自動射線照相成像系統的樣本載物臺 及螢光屏的又一實施例的圖示側視圖。圖12是數字數字立體定向(stereotactic)乳房活檢鑑定幻象(accreditation phantom)(諸如Nuclear Associates Model 18-250)的圖像評估插入物的圖示視圖。圖13A是為了參考而通過固定的螢光屏所捕獲的圖12的圖像評估插入物的單一 數字射線照相的圖像。圖13B是為了參考而通過固定的螢光屏所捕獲的圖12的圖像評估插入物的多個 (具體地為16個)數字射線照相的圖像的圖像平均。圖13C是使用根據本發明的系統和方法，利用增量地移位螢光屏所捕獲的圖12的 圖像評估插入物的多個(具體地為16個)數字射線照相的圖像的圖像平均。圖14A是示出圖13A中所示圖像的圖像評估插入物的部分H的放大圖像。圖14B是示出圖13B中所示圖像平均的圖像評估插入物的部分H的放大圖像。圖14C是示出圖13C中所示圖像平均的圖像評估插入物的部分H的放大圖像。圖15是通過依照本發明的系統和方法獲得的圖12的圖像評估插入物的組E、F、G 和H的測量結果的圖形表示。圖16是通過依照本發明的系統和方法獲得的圖12的圖像評估插入物的組E、F、G 和H的測量結果的又一圖形表示。
具體實施例方式參考附圖，以下具體描述了本發明的較佳實施例，附圖中，相同的標號示意若干圖 中每一個中的結構的相同部件。圖1示意基於膠捲的射線照相或自動射線照相成像系統10，射線照相或自動射線 照相成像系統10包括設置在樣本載物臺30對面的僅用於射線照相的X射線源20。射線照 相的或自動射線照相的膠捲暗盒40被放置在膠捲室50中從源20來看與載物臺30相反的 一側。螢光屏60位於載物臺30和暗盒40之間。支架70定位並支撐載物臺30、屏60以及 暗盒40。線性運動器件80由連接杆90可操作地連接至屏60。當該源被激活用於射線照 相成像並被去激活用於自動射線照相成像時，提供計算機控制系統95以控制器件80以及 X射線源20。在射線照相成像期間，，根據在捕獲單個圖像或系列圖像的期間或之後所必需 的，可以由系統95打開或關閉源20。關於成像系統10的一個實施例，圖2示出樣本載物臺30的圖示側視圖。如圖所 示，螢光屏60被放置於樣本載物臺30之下。膠捲暗盒40被放置在屏60之下，屏60被可 滑動地(slideable)安裝以便在平行於樣本載物臺30和膠捲暗盒40的平面上運動。熒 光屏60相對於支架70在箭頭A的方向可滑動並且與膠捲暗盒40近似接觸(approximate contact)。線性運動器件80可以為通過連接杆90被連接至螢光屏60的線性感應馬達。圖3示意了由根據本發明的成像系統10所執行的方法的實施例。在步驟200中， 將諸如小鼠等處於固定狀態的受試者(未示出)放置在載物臺30上。在步驟210、230和
7250中，使用螢光屏60獲得受試者的一系列單個圖像。圖像捕獲可以(i)由在屏60的不 同增量位置被多重曝光的單一膠捲來達成或者(ii)由可以由在屏60的不同增量位置連續 曝光的多個膠捲來達成。在第一個例子中，在一系列單獨的圖像中的每一個被捕獲在暗盒 40中的膠捲上以後，關閉源20並在步驟220和240中通過器件80將螢光屏60移位距離 「d」，以便促進螢光屏斑點的減少。該距離「d」大於磷光體顆粒尺寸(通常在1和20微米 之間)但小於螢光屏60的物理尺寸和在暗盒40中膠捲上的每個圖像的可見區之間的差。 對於每一圖像，屏60的位置通過圖4中的01、02、03...011被示出。當源20關閉時、在D1、 D2、D3. . . Dn處所拍攝的每一圖像之間的時間應超過磷光衰減至足夠低的水平(例如，對於 摻雜鋱的釓氧硫化物1. 5秒後衰減到)所需的時間，從而達到所需的動態範圍。當在步 驟260處理多重曝光的膠捲時，圖像之間的螢光屏的位移效果導致螢光屏斑點的模糊。在 第二個例子中，對系列中的每個圖像使用單獨的膠捲；但在別的方面，過程是相同的。可替 代地，在每個例子中，在捕獲單個圖像期間，螢光屏可以被移動，並且在屏移動的期間可以 關閉源20。在自動射線照相成像期間，輻射源是在受試者內並且不能被打開或關閉；因此， 在螢光屏正被移動時，必須提供機械的快門(shutter)(未示出)以阻止來自受試者的輻射 到達膠捲。圖4A、圖4B和圖5示出用於高空間解析度射線照相或自動射線照相的電子、數 字射線照相或自動射線照相成像系統100，該成像系統100包括X射線源102和樣本載物 臺104。成像系統100可以為多模式(multimodal)類型的成像系統，諸如KODAK In-Vivo ImagingSystem FX Pro。多模式光學的該類型，射線照相或自動射線照相成像系統100，除 X射線源102之外，可以具有可編程的帶有用於照明傳遞的光纖束108的多光譜光源106、 光學室110、透鏡和照相系統114，以及帶有例如計算機監視器的顯示器件118的通信/計 算機控制系統116。這樣的多模式樣成像系統在之前提及的Vizard等人的美國專利申請號 為11/221,530和Feke等人的美國專利申請號為61/024，621的專利申請中被公開。樣本載物臺104被設置在樣本環境120中，其允許接近正被成像的目標。優選 地，樣本環境120是不透光的(light-tight)並且裝配有用於環境控制的避光氣體埠 (light-locked gas port) 0這樣的環境控制對於受控的射線照相成像或者對於特定樣品 的支撐可能是合乎需要的。成像系統100可包括訪問裝置或元件122以提供對樣本環境120的方便、安全 且不透光的訪問。訪問裝置為本領域技術人員所公知的並且其可包括門、開口、密封圈 (labyrinth)以及類似物。另外，樣本環境120優選地適合於提供用於樣本維護或軟化X射 線傳輸的大氣控制(例如溫度/溼度/替代性氣體等等)。環境控制使實際的射線照相對 比度低於8KeV(空氣吸收)並且有助於生體樣品(biologicalspecimen)的生命支持(life support)o圖6示意圖4A、圖4B和圖5的數字成像系統100的實施例。螢光屏或板124被可 滑動地安裝以便在平行於樣本載物臺104的平面上運動。載物臺104包括支撐和伸展為了 支撐樣本重量所選擇的薄塑料支撐薄片128的矩形框架126。薄片128是光學清晰的並且 沒有明顯的幹涉螢光(fluorescence)。雖然本領域技術人員可以認識到其它配置，但是在一個實施例中，螢光屏124被 安裝以便在相對於架126的箭頭A的方向上與支撐待成像目標的支撐薄片128密切接觸地
8平移。諸如線性感應馬達的線性運動器件130通過連接杆132被連接至螢光屏124，並且被 系統116控制。圖7示意了由系統100所執行的方法的實施例。在步驟300中，處於固定狀態的 諸如小鼠等受試者(未示出)被放置在載物臺104上。在步驟310、330和350中，使用熒 光屏124獲得該受試者的一系列單個的射線照相的圖像。源102可以在圖像之間被關閉或 者從圖像到圖像都不關(leave on)。在自動射線照相成像期間，輻射源是在受試者內並且 不能被打開或關閉；因此在螢光屏正被移動時，透鏡和照相系統114內的電的或機械的快 門(未示出)必須被使用以阻止來自受試者的輻射到達照相機的傳感器。隨著通過照相 系統114捕獲該系列的單獨的圖像，在步驟320和步驟340中，在圖像捕獲之間螢光屏124 被器件130移位小距離「d」。該距離「d」大於磷光體顆粒尺寸但小於螢光屏124的物理尺 寸和圖像的可見區之間的差。對於每一圖像，屏124的位置由圖6中的D1、D2、D3. . . Dn來 指示。當在射線照相的圖像之間關閉源102或者在自動射線照相的圖像之間關閉照相機 快門時，在01、02、03...011處拍攝的每一圖像之間的時間應當超出磷光衰減至足夠低的水 平(例如，對於摻雜鋱的釓氧硫化物1. 5秒後衰減到)所需的時間，從而達到所需的動 態範圍。然後在步驟360中，使用數字圖像處理領域技術人員所悉知的技術來按像素方法 (pixelwise)算術地平均所得到的數字圖像，以便模糊螢光屏斑點。可替代地，螢光屏可以 在捕獲單個圖像期間被移動，並且源102可以在屏的移動期間被關閉。考慮系統10和系統100的操作模式，本領域技術人員將理解，當在(i)對照相機 或成像器件開關控制或者(ii)對X射線源102開關控制下、膠捲或數位照相機或其它成像 器件捕獲來自螢光屏的光時的時間間隔期間，可以發生圖像捕獲。本領域技術人員將進一 步理解到可以通過照相機和X射線源控制的組合來控制圖像捕獲。在本發明的方法的又一實施例中，圖4A、4B和圖5的數字射線照相或自動射線照 相成像系統100被使用在多模式的成像系統模式中。在該模式，成像系統100能夠在包括 明場(bright-field)、暗場(dark-field)(例如發光和螢光(fluorescence))以及射線照 相的或自動射線照相模式的不同模式下對諸如小哺乳動物、昆蟲、魚、種子、活組織檢查樣 本等目標進行分析成像。在對先前提及的Vizard等人的美國專利申請號為11/221，530和對應的美國專利
發明者D·L·維扎德, D·O·伍德, G·菲克 申請人:卡爾斯特裡姆保健公司