专利名称：使用像素阵列子采样的口腔内x射线传感器的触发的制作方法X射线已经在牙科中用于对牙齿和口腔的部分成像很多年了。通常，该过程包括生成X射线和引导X射线到患者的口腔。口腔的不同部分对X射线的衰减不同(例如，骨骼相对于组织)，并且这种衰减上的不同被用于产生图像，例如在胶片上或通过使用电子图像传感器。大多数情况下，X射线源手动地被触发。即，图像的获取由技师或其他人通过例如启动开关来起动。在基于胶片的系统中，一旦胶片被X射线辐射照射，就获取图像。所以不需要“启动”胶片。一旦X射线源被启动并且X射线到达胶片，就获取图像。在电子系统中，所获取的特定图像至少取决于两个因素X射线源的启动和传感器的“启动”。传感器“启动”的制定可基于所使用的传感器的类型而变化，但大多数情况下， 当给传感器提供存储或者输出它的当前图像数据(在此称作“图像获取”)的命令时，“启动”发生。因此，在某些系统中，在X射线源和传感器之间有电链接，以便当X射线源被启动时，(同时地或几乎同时地)发送命令给传感器以执行图像获取。这样就可能生成X射线辐射爆发，并确保图像在X射线照射的相对短的时段内能被传感器获取。
许多用来提供X射线传感器的自动启动或触发而不需要在X射线源的触发器和传感器之间进行电链接或类似链接的技术已经被开发出来。例如专利号为5，694，448的美国专利公开了一种固态成像装置，其在X射线源照射前的等待时段期间“退出工作状态 (clock out)”。源自电荷耦合装置的信号被与阈值相比较，以确定照射的发动。如果满足或超过阈值，则发生图像获取或图像采集。尽管在’ 488专利中公开的传感器不需要于在X 射线源和传感器之间电链接，但它也不是完全令人满意的。与自动触发系统相关联的一个难题涉及在X射线源和传感器之间的对准。在许多情况中，即使使用定位系统或机械装置，X射线传感器(尤其那些放置在口腔中(即口腔内传感器))常常没有被对准。这样只有一部分X射线传感器被辐射照射。在许多情况中，这种部分照射不足以引起简单的基于阈值的触发器去起动图像获取。因此，可能直到技师试图检查他或她相信已经产生的图像，却发现没有这样的图像产生时，才认识到未对准。技师可能接着尝试重新对准X射线源和传感器，并重新起动成像过程。然而这可能需要多次尝试来获取有用的图像，并且每次尝试都使患者照射额外剂量的X射线辐射中。众所周知，X 射线辐射会对个体健康产生不良影响。所以不必要的X射线照射应该避免。与自动触发系统相关联的另一个难题是提供给患者的X射线剂量的相对大的变化。所接收的剂量取决于X射线剂量率、X射线照射时间、X射线照射投影以及对象的X射线衰减。传感器处接收的剂量是时间相关的剂量率在时间上的积分。剂量的变化由许多因素引起，包括X射线源的不同。X射线源由许多不同的生产厂家生产，并且它们的设计和规格经一段时间后已经改变。因此，他们输出的强度改变了。例如，较老的X射线机器通常生成相对高的X射线剂量，而较新的X射线机器生成较低的剂量。还有，某些老的X射线机器使用脉冲照射方案，而较新的机器可能释放稳定的时间恒定的剂量和剂量率。剂量的变化也是解剖结构(由患者到患者)和源到患者的距离变化的结果。正如已知的，X射线剂量和剂量率取决于源和患者之间的距离(d)，其系数为d2。本发明的实施例尤其提供一种使用像素阵列子采样自动触发口腔内X射线传感器的方法。所述方法包括朝向口腔内传感器引导X射线辐射。当X射线辐射撞击像素阵列中的像素时，生成与撞击该像素的X射线辐射相关的电信号。所述方法还包括在处理器或类似的电子装置中通过破坏性地读取位于多行像素中的一行或多行中的像素阵列的周边的第一和第二像素簇，来处理由像素阵列中的一个或多个像素生成的电信号。接着，生成基于来自在一行或多行像素中的每行中的第一和第二像素簇中的每个的信号的组合信号。 当组合信号超过预定阈值时，起动利用来自像素阵列中的所有像素的信息生成的图像的获取。在另一实施例中，本发明提供一种口腔内X射线系统。所述系统包括具有像素阵列的口腔内传感器。所述像素阵列具有多行像素。每个像素生成与撞击该像素的X射线辐射相对应的电信号。处理器或类似的电子装置接收来自所述像素阵列的电信号。所述处理器破坏性地读取在所述多行像素中的一行或多行中的第一和第二像素簇。所述第一和第二像素簇中的每个都位于所述像素阵列的周边。在一个实施例中，所述处理器生成基于来自在所述一行或多行像素中的每行中的第一和第二像素簇中的每个的信号的组合信号，并在所述组合信号超过预定阈值时起动图像(其利用来自所述像素阵列中的所有像素的信息来生成)的获取。在另一实施例中，处理器生成基于所述第一和第二像素簇的组合信号，并在所述组合信号超过阈值时启动图像获取。在另一实施例中，本发明提供一种口腔内X射线系统。所述口腔内X射线系统包括像素阵列、耦合到所述像素阵列的处理器以及簇选择线，该像素阵列包括周边。所述像素阵列中的每个像素生成与撞击该像素的X射线辐射相关的电信号。所述像素阵列至少包括在所述周边的第一侧的第一簇中布置的第一部分像素和在所述周边的第二侧的第二簇中布置的第二部分像素。所述周边的第二侧与所述周边的第一侧相对。当被启用时，所述簇选择线将所述处理器耦合到所述第一簇和所述第二簇中的至少一个，以使得所述处理器能够确定在所述第一簇和所述第二簇中的所述至少一个处生成的电信号的量。如果所述处理器确定所述生成的电信号的量穿越阈值，则所述处理器读取所述像素阵列。通过考虑详细的说明和附图，本发明的其他方面将变得显而易见。图1是牙科X射线系统的示意图，该系统包括X射线源、位于患者口腔内的口腔内传感器以及连接到口腔内传感器的计算机；图Ia是图1所示的口腔内传感器的示意图，其显示了所述传感器的内部部件，包括像素阵列和处理器；图加到图2c图示了由X射线源生成的X射线辐射的射野和所述口腔内传感器之间的对准的变化；图3a是在图1所示的口腔内X射线传感器的像素元件阵列的示意图；图北图示了根据本发明的某些实施例的像素阵列的电路图；图如和4b图示了在本发明的一个实施例中时间选择和触发阈值之间的联系，其中不同的复位时间被用于不同的像素组，以便适应变化X射线剂量和暗电流所产生的影响；图5图示了根据本发明的某些实施例自动触发口腔内传感器的过程。
6连接，并且连接器27是USB线缆。图1图示了由传感器20获取并被计算机30处理的图像数据被发送到显示器38并作为图像40被观看。(绘制的图像40比X射线图像典型的外观更加清晰。)在患者口腔内的口腔内传感器20的位置确定患者解剖结构的什么部分能被成像 (例如上颚对下颚，或门牙对磨牙)。X射线操作者放置(或帮助患者放置)口腔内传感器在患者口腔内的期望位置处。各种传感器保持器(包括那些与准直器一起使用的或包括准直器的)可被用于将传感器20保持在期望位置，直到图像被产生或获取为止。例如，某些保持器被设计成使得患者用他或她的牙齿咬住保持器，并通过保持咬住保持器来保持所述传感器的位置。在所述传感器被定位在期望解剖结构后面之后，将通过X射线源12生成的 X射线射野与所述传感器对准，但是，所述源和所述传感器变得未对准是可能的。未对准可能是由于患者移动他或她的头、移动口腔内传感器(通过重新咬住保持器、移动他或她的舌头等)和其他原因引起的。图加图示了一种对准Al，其中所述传感器20完全位于由X射线源12产生的X射线射野Fl内。图2b图示了两种对准A2和A3，其中所述传感器20大部分位于X射线射野 Fl内，但所述传感器的部分(SPl或者SP^位于射野Fl外部。图2c图示了两种对准A4和 A5，其中所述传感器20大部分位于X射线射野Fl外部，但部分(SP3或者SP4)位于射野Fl 内部。如上面所提到的，在许多已知的系统中，基于手动启动开关或基于图像传感器的输出(即全部像素的输出)超过预定阈值而触发图像获取。在本发明的实施例中，图像获取或采集的触发是基于位于图像传感器内的特定像素簇的子采样的。图3a图示了所述传感器20中的像素的排列。如所提到的，所述传感器20包括多个像素，并且处理器23接收来自所述像素的信息。所述处理器从所述传感器的像素阵列中的像素读出数据。图3a图示了所述传感器的八行像素(行52、54、56、58、60、62、64和66)。 每行包括第一像素簇和第二像素簇。例如行52包括簇70和71。行M包括簇72和73。行 56、58、60、62、64以及66分别包括簇74和75,76和77,78和79,80和81,82和83以及84 和85。在所示的实施例中，每个像素簇70-85包括32个像素。所述像素阵列的每行中的每个像素簇都位于所述传感器的边缘或周边P。例如， 在图3a所示的实施例中，所述传感器20的左手侧(“LHS”)上的每个像素簇(即，簇72、 74、76、78、80、82和84)包括所述行上的开头的32个最左像素，并且在所述传感器20的右手侧(“RHS”)上的每个像素簇(即，簇71、73、75、77、79、81、83和85)包括所述行上的最后的32个最右像素。在像素行的每行中并成图3a所示的大体配置的像素簇被称为“周边像素”。在本发明的一个实施例中，处理器23执行对周边像素的卷帘(rolling-shutter) 模式扫描。在这种实施例中，像素积分时间被设定在预定量，并且一个像素簇在这一时间的某个部分内被采样。例如，积分时间可被设定在5到50毫秒之间，并且扫描或采样时间为对应的更低的量。在一个实施例中，积分时间是16毫秒(ms)，并且每Ims采样一个簇。例如，行52中的簇70被采样并且大约Ims后同一行(行中的像素簇71被采样，该处理一直持续到八行中的所有簇都被读取或采样为止。读取以破坏性方式被执行，这意味着一旦像素的信息被读出，该像素被复位。
像素中的信号包括两个主要部分背景信号和由入射X射线辐射生成的信号。背景信号主要是由1) “暗电流”(通常取决于温度的不可避免的干扰)、2)其他参数以及3) 噪声引起的。在某些实施例中，一种被称为双采样或相关双采样(“DS/CDS”)的信号调理技术被用于提高信号和背景噪声之间的比率。如果使用DS/CDS，像素的信号被读取(“初始像素读数”)，接着该像素被复位，并且复位水平被读取并被从初始像素读数中减去。这种方法帮助去除读出噪声。在某些实施例中，在与在其上构建像素阵列的同一芯片上执行DS/ CDS。模拟值被减去，并直到那时才通过模数转换器转换成数字信号。来自像素簇中的每个像素的值被组合。组合值被相对于预定阈值进行评估。如果所述组合值超过所述阈值，则图像采集被触发。组合来自所述像素的值的方式可以改变，但是用于这样做的某些技术将在下面进行说明。通常，组合值的信噪比(“SNR”)较低。因而，在一个实施例中，所述像素值的组合以一种提高SNR的方式被执行。所述像素值被积分。来自所述像素的信号被从像素到像素相关，并且通过将所述值相加而执行积分。因为所述值被从像素到像素相关，所以当所述值被彼此相加时，噪声被平均掉。值的组合或值的和被与其相比较的阈值(在一个实施例中)是基于经验知识的预定阈值。例如，所述阈值可以是几毫伏或与几PGy(例如5yGy)的X射线剂量相关。在另一实施例中，使用自适应技术确定所述阈值，该技术考虑温度、暗电流或二者。为确保当传感器被X射线辐射照射时所述传感器触发，在一个实施例中，所述传感器20总是被装备好的(或开启)。当所述传感器被这样配置时，它将探测X射线辐射，而不要求操作者启动它。图北描述了像素阵列22的示意图。为解释的目的，所述像素阵列22被描述为 NXM像素阵列；N和M的值可以根据实现方式而变化。像素阵列22包括像素86、复位开关 87和感测开关88。每个像素包括复位/感测开关89、积分元件90、读出放大器91和读出开关92。所述积分元件90响应于接收到基于X射线、暗电流和噪声的能量而累积电荷，这在下面更详细地说明。当我们在本说明书中使用术语电荷时，广泛地说，电荷代表在所述积分元件90处接收的能量的量。在其他实施例中，电子、空穴或其他电子信号，无论是模拟的还是数字的，都代表在积分元件90处接收到的能量的量。每个像素还接收行选择线93和列选择线94中的一个。所述行选择线93控制读出开关92。存储在每个积分元件90上的电荷被通过使用合适的行选择线93和列选择线94读取，并被解读以生成如上所述的X射线图像40。所述积分元件90—旦被读出就被擦除(“破坏性”读取)。在某些实施例中， 有可能积分元件90被读出而不被擦除(“非破坏性”读取)，并替代地周期性地复位像素阵列22的全部或部分。像素阵列22具有四个基本功能状态1)复位状态、幻探测状态、幻积分状态以及 4)读出状态。在所述复位状态，通过将积分元件90设定到参考电压(例如2伏特)，存储在每个像素86的积分元件90上的电荷被去除。通过关闭复位/感测开关89和复位开关 87，同时保持感测开关88和读出开关92打开，积分元件90被设定到参考电压。在所述探测状态，特定复位/感测开关89和感测开关88被关闭以便将特定积分元件90连接到感测线98，同时复位开关87和所有的读出开关92被保持打开。在所述探测状态，所选择的特定像素的合计电荷被测量以便确定是否已经穿越阈值，其可指示X射线辐射的接收。每个积分元件90开始具有大约与来自复位状态的参考电压相等的电压。其后，随着来自X射线能量、暗电流和噪声的电荷在积分元件90处累积，积分元件90处的电压降低。因此，在感测线98和地线99之间测量的所选择的特定像素的合计电压(称为“二极管电压”，因为所选择的一组像素能被视为元二极管(meta diode))随着在任意积分元件 90处的电压降低而降低。为循环通过所述像素簇70-85，感测开关88和合适的行选择线93和列选择线94 被启用以便将合适的像素86耦合到感测线98。例如，为感测簇70 1)行选择线1被启用；并且2)列选择线1-32被启用(簇70)。为感测簇72，行选择线2被启用，并且与感测簇70相同的列选择线保持启用(即列选择线1-32被启用)。为感测簇71，行选择线1被启用，并且列选择线M到M-32被启用。在某些实施例中，额外的感测开关88被提供在所述像素阵列22中。每个感测开关88被连接到像素42的特定部分(例如像素行52-66中的一个)，并且每个感测开关88与其自身的二极管电压相关联。因此，通过感测每个感测开关的二极管电压，多个像素簇70-85被同时感测，这与一个接一个循环通过像素行70-85相反。在所述积分状态，所有开关(87、88、89和92)都是打开的。像素阵列22累积由X 射线辐射和由不期望的噪声成分(例如暗电流)产生的电荷。在所述读出状态，提供信号给列选择线94(从列选择线1到M中的一个)。另外， 沿着行选择线93(从行选择线1到N中的一个)提供信号。作为响应，所选择的像素行的读出开关被关闭。在像素行上的积分元件90上存储的电荷沿着输出路径96被输出。提供给特定列选择线94的指示用于选择所述输出路径96中的一个，并允许沿着选定的输出路径96的电荷输出被输入到A/D转换器97。所述A/D转换器97对从像素接收的模拟信号进行转换，并输出数字信号到所述处理器23。通过提供信号给合适的行选择线93和列选择线 94来针对每个像素86重复这一过程，整个像素阵列22被读出。在某些实施例中，多个像素被并行读出。例如，在某些实施例中，所述A/D转换器 97同时将来自像素86的多个模拟信号转换为数字信号，并沿着多位总线将这些数字信号转发给所述处理器23。在其他实施例中，在每个像素内都提供个体像素A/D转换器，这与单个A/D转换器97相反。在某些实施例中，包括关于图4a_4b描述的实施例中，在积分元件90上累积的电荷增加(而不是降低)了横跨每个积分元件存储的电压。在这种实施例中，所述复位信号通过将横跨每个积分元件90的电压设定到接地而去除在每个积分元件90上存储的电荷。 另外，当所述像素阵列暴露于X射线辐射、暗电流和其他噪声时，二极管电压增加，而不是降低。这样，所述阈值电压被设定在所述复位电压值之上的值，并且一旦二极管电压增加到在所述阈值之上的水平，所述阈值电压被穿越。在替代实施例中，实现了上面描述的像素簇扫描技术的变型。在上面描述的实施例中，所有像素簇被以相同的速度读取或扫描。然而，有可能以不同的速度读取所述簇。在一种实现方式中，一组像素簇被快速地(或快地)(例如每毫秒)读取，而第二组像素簇被缓慢地(或慢地)(例如每IOms)读取。这两组簇被指定阈值(其可能是不同的)。在该替代实施例的一种实现方式中，像素簇位于与上述讨论的周边像素簇相同的位置。然而，有可能的是，像素簇的位置在利用多个读取速度的实施例中可以是不同的。在图如和4b中图示多个读取速度的替代方式中使用的理念。图如包括图100。 在水平轴X上测量时间，并且在纵轴Y上测量信号幅度。图如图示了具有第一相对短复位时间Tl的实施例。众所周知，暗电流是相对小的电流，其流过光感装置，即使在装置没有被辐射激励的情况下也是如此。温度的变化能影响暗电流。如图如中的暗信号曲线DS所示， 由暗电流导致的像素或传感器信号的幅度随时间而增加。像素被周期性地复位(例如每 Tl毫秒)以便去除暗信号。否则，仅仅暗信号就可能达到满足或超过传感器触发阈值TTl 的水平。在图如中图示了两种情况。在第一种情况中，暗信号110与X射线信号112之和 (信号110和112被示出为彼此交叠，而不是彼此相加)超过了所述阈值TT1。在第二种情况中，暗信号114与X射线信号116之和没有超过所述阈值TTl。图4b图示了图150，其具有与图如中类似的轴(X’和Y’)，但具有相对长的复位时间T2。与图如类似，图4b图示了两种情况。在其中一种情况中，暗信号154与X信号 156之和超过了触发阈值TT2，而在第二种情况中，暗信号160与X信号164之和没有超过所述阈值TT2。如上所述，X射线剂量可能会由于多种原因而变化。以不同的速度读取像素的特定组像素有助于补偿这些不同并适于不同的剂量率。在图如的实现方式中(例如第一组簇和阈值TTl)，使用快速读取时间。换句话说，像素的复位时间被设定为相对短的时间。具有短的复位时间在以下情况中是尤其有用的χ射线源是高剂量或高剂量率的源、X射线源和传感器之间的距离短，或者二者皆有。减少复位时间有助于减少错误触发的可能。然而， 只有当X射线信号相对强时，短的复位时间才是稳健的，因为快的复位时间倾向于减少暗信号在暗信号与X射线信号之和中的贡献，如上所述，暗信号与X射线信号之和是与触发阈值相比较的值。在图4b的实现方式中(例如第二组簇和阈值TT2)，使用慢的读取时间。换句话说，用于像素的复位时间被设定为相对长的时间。具有长的复位时间在以下情况中是尤其有用的χ射线源是低剂量或低剂量率的源、X射线源和传感器之间的距离长，或者二者皆有。当X信号相对低时，增加复位时间是稳健的，因为长的复位时间增加了暗信号在暗信号与X射线信号之和中的贡献。增加的读取时间的代价是更低或更慢的图像探测速度。图5描述了用于自动触发传感器20以获取图像的过程200。过程200从步骤202 开始，在该步骤重新设定参数，例如i和N(i = 0 ；N =被监测的像素阵列22中的像素簇的数量)。在某些实施例中，步骤202还包括使用复位开关87重新设定像素阵列22以便去除任何暗电流、噪声或其他不期望的累积的电荷。在步骤204，像素阵列的像素簇i (例如簇0)被处理器23读取。在图3中，簇0被示出为簇70。进行到步骤206，处理器23将读取自簇i的信号值与阈值(例如阈值TTl或TT2)相比较。在步骤208，如果所述比较指示出所述阈值没有被穿越，则所述处理器23进行到步骤210并递增参数i。处理器23在步骤212中通过比较i与在该循环中要核查的像素簇的总数量，确定是否已经到达像素阵列的末端。如果到达了像素阵列22的末端，则处理器23回到步骤202并设定i = 0以返回到像素阵列22的开始。如果还没有到达像素阵列的末端，则处理器23返回到步骤204以读取下一个像素簇i。如果处理器23在步骤208中确定所述阈值已经被穿越，则处理器23 进行到步骤214以读取像素阵列22。此后，处理器23将像素阵列数据输出到计算机30。在某些实施例中，为实现用于循环通过像素簇(例如以每像素簇2ms的速率)的期望循环时间，延迟计数器或类似的技术被合并到过程200中。例如，处理器23可操作地延迟像素读取步骤204，直到从步骤204的前一次执行起经过了预定时间。
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此外，如上所述，在某些实施例中以不同的速度读取不同的像素簇。在一个示例中，处理器23同时执行多个过程200，其中每个过程200实施不同的延迟时间、步骤210中的不同的增量值或它们的组合。可选择地，过程200被改变以便包括嵌套循环以便对于特定像素簇实现不同的循环时间。所述嵌套循环使用特定延迟时间、步骤210中的特定增量值或它们的组合，以实现用于像素簇的期望循环时间。这样，本发明尤其提供了使用所选择的像素组对X射线传感器的自动触发。由上面的讨论显而易见，存在与所公开的触发技术的某些实施例相关联的某些限制。例如，因为使用来自所选择的数量/位置的像素的数据，触发阈值被调节为使得即使在非常低剂量的条件下X射线的发动也会被探测到。例如，在包括所公开的传感器的实施例的测试中，在具有阻止X射线到达传感器表面的2/3的铅屏蔽的情况下，480 μ Gy/s的剂量率和5 μ Gy的总剂量都能成功触发传感器。另外，因为使用来自所选择的数量/位置的像素的值，由传感器产生的信号的SNR被调节(因为总体传感器信号是低的，但噪声的和是恒定的)。另一方面， 因为在某些实施例中像素被复位，触发水平是稳定的并且不需要调节以适应如聚积暗信号的时间相关效应。因此，所公开的技术相对不受由温度变化和暗电流引起的不想要的效应的影响。本发明的各种特征和优点在权利要求书中阐述。


在牙科X射线成像系统中使用的口腔内X射线传感器的自动触发。所述口腔内传感器具有像素阵列。该像素阵列具有多行像素，并且每个像素都生成与撞击到该像素的X射线辐射相关的电信号。电控单元被连接到该口腔内传感器以便从所述像素阵列接收电信号。该电控单元破坏性地读取在多行像素中的一行或多行中的像素簇，所述像素簇中的每个都位于所述像素阵列周边。所述电控单元被配置为基于来自所述一行或多行像素中的每行中的像素簇中的每个的信号生成剂量相关的信号，并起动利用来自每个像素的信息生成的图像的获取。