CN100500097C - Ct系统以及ct检测器阵列的制造方法 - Google Patents

Ct系统以及ct检测器阵列的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种CT系统以及一种制造带有独立的检测室最佳化的CT检测器阵列的方法。准直器组件(84)由沿闪烁器单元(20)的至少一维延伸的一系列多部分准直器元件或板(86)限定。每个准直器元件(84)具有结构上相互独立的准直部件(88)和屏蔽部件(90)。准直部件(88)可以与屏蔽部件(90)相连或通过小的空气隙与屏蔽部件隔开。屏蔽部件(90)比准直部件(88)宽，但准直部件(88)具有较高的高度。采用这种结构，准直组件(84)可使校准和屏蔽达到最优，而且降低了材料的需求，并缩小了总体尺寸。

Description

CT系统以及CT检测器阵列的制造方法
技术领域
本发明总体上涉及诊断显象，更具体地说，涉及一种具有独立于屏蔽部件的准直部件的准直器组件。
背景技术
通常，在计算机断层(CT)成像系统中，X-射线源沿投射路径向受检体或目标、例如病人或一件行李发射扇形光束。在下文中，术语“受检体”和“目标”将包括能够成像的一切，例如内科病人。光束经受检体衰减后射(impinge)在辐射检测器阵列(array of radiation detectors)上。检测器阵列接收到的衰减的射线束的强度一般取决于受检体对X-射线束的衰减。检测器阵列的每一检测器元件产生代表每一检测器元件所接收的衰减射线束的分离的电信号。所述电信号被传输到数据处理系统以进行分析，该系统最终形成一幅图像。
通常，X-射线源和检测器阵列在台架内绕成像平面和受检体旋转。X-射线源一般包括在焦点处发射X-射线束的X-射线管。X-射线检测器一般包括校准检测器接收的X-射线束和减少X-射线散射的准直器、将X-射线转换成光能的闪烁器、设置在闪烁器间减少串扰辐射的多个反射器元件、和检测闪烁器的光输出并由此产生电信号的光电二极管。
如上所述，X-射线检测器一般包括用于校准X-射线束、使由病人散射并被检测室(detector cell)检测到的X-射线减到最少的准直器组件(collimator assembly)。减少接收这种被散射的X-射线即减少了图像干扰，从而改善了最后的重建图像。准直器组件通常是由闪烁器阵列上方的沿一维或二维延伸的多个板或壁所确定的单一结构。通常准直器板具有垂直于投射路径的宽度或厚度，其基本上类似于设在每个闪烁器之间的反射层材料的宽度。因此，准确地将准直器组件的每块板与闪烁器之间的反射层材料间隔对准、从而无阻碍地减少散射或使所述室的任一有效区域或闪烁器区域的阻塞(blockage)减到最小对于制造和组装过程是极为重要的。
现有的制造工艺试图通过按一定空间尺寸制造与整个检测器阵列的宽和长相匹配的连续准直器组件来实现这种精确对准。即，将闪烁器按阵列或单元(pack)排列，并使其定位于安装底座(tooling base)上，使得该阵列或单元被紧固到所述连续准直器组件上。因此，连续的准直器组件的板必须准确地与每个像素化的闪烁器室(pixilated scintillator cells)之间的反射器壁或元件对准；否则，必须废弃所述准直器组件和放弃制造新准直器，或者必须废弃所述闪烁器阵列或单元和放弃制造新单元或阵列。这种工艺要求非常高的紧密度容限(excessively tight tolerancing)，并要求技术非常熟练的操作人员耐心地组装。因此，现有的工艺可能造成零件、材料和人力的浪费。
除了减少X-射线散射外，现有的准直器组件还执行屏蔽功能。也就是说，准直器组件一般包括大量的钨以起减少X-射线散射的作用。然而，通常使用钨的量应超过所需要的最小量。被使用的多余的钨将增加准直器板的横截面宽度。多出的宽度需要作为闪烁器、反射器和光电二极管的多个部件的屏蔽。例如，对于在制造过程中减少的闪烁器边缘来说，这不是罕见的。此外，对于在暴露于X-射线或γ-射线时将褪色的反射器外露部分来说，这也是很普遍的，这对反射器的反射性能将起负面作用。而且，没有屏蔽的X-射线可穿透反射器并被光电二极管阵列吸收形成不希望有的噪声信号。因此，准直器的宽度一般是随添加的钨和其他材料而增大，这样使得减少的边缘和其他外露反射器以及光电二极管被“屏蔽”在X-射线直接照射之外。另外，钨吸收X-射线或γ-射线，同样，对病人施加的辐射剂量必须足以适应钨的吸收性能。这种标准结构如图8所示。
现参见图8，其为标准检测器的横截面示意图。检测器2具有多个布置在阵列4中的闪烁器3，它们被设计成可根据高频电磁能、例如X-射线或γ-射线的接收来输出光，所述光由光电二极管阵列5检测。闪烁器3分别由一系列通过反射桥或层7连接的反射器元件或壁6限定。反射器元件6减少了相邻闪烁器3之间的串扰。在反射层7前面或固定在其上的是共同构成准直器组件9的多个准直器板或元件8。准直器组件9校准投射到闪烁器阵列上的辐射，减少X-射线散射并屏蔽闪烁器边缘、其他外露反射器部分，而且将光电二极管与穿透反射器层6的X-射线屏蔽开。各单个准直器元件(collimator element)8的宽度Wc基本上等于或略宽于每个反射器元件6的宽度Wr。如上所述，准直器元件和反射器元件的这种大致或近似相等的宽度要求将准直器组件9准确地放到闪烁器阵列4中。
另外，如上所述，为了充分屏蔽闪烁器边缘、反射器和光电二极管，准直器板的宽度必须宽于校准和减少X-射线散射的另外需要的宽度。而且为了配合这种尺寸限制，必须保持特定的长阔比。本领域普通技术人员将很容易理解“长阔比”是指Y方向上准直器板的长度或高度与X-方向上准直器板之间的宽度的尺寸比。因此，为了保持正确的校准，每个准直器板的高度必须作成比屏蔽闪烁器边缘、反射器和光电二极管所需的尺寸大很多。所有这些都将延长制造过程、增加附带成本、而且增加了获取数据所需的辐射量。
因此，人们期望设计一种准直部件(collimating components)与屏蔽部件分开的准直器组件。还期望制造出准直部件比屏蔽部件薄的准直器组件，借此提高制造公差，减少材料需求，并降低成像期间所需的剂量。
发明内容
本发明旨在提供一种克服前面提到的缺点、具有多个多部分元件(multi-piece elements)或部件的准直器组件。该准直器组件由沿至少一维延伸的一系列准直器元件或板所限定。每个准直器元件具有结构上相互独立的准直部件和屏蔽部件。准直部件可以与屏蔽部件相连或通过小的空气隙隔开。优选屏蔽部件比准直部件宽，但准直部件比屏蔽部件高。采用这种结构，准直器组件可使校准和屏蔽达到最优，而且减少了材料需求，并缩小了总体尺寸。
因此，按照本发明的一方面，用于CT检测器阵列的准直器包括一第一部件和一第二部件。第一部件被构成为对沿投射路径从投射源投射到待扫描的受检体上的高频电磁能射线进行校准，而第二部件被构成为对CT检测器阵列的闪烁器边缘、反射器和光电二极管中之一进行屏蔽。
按照本发明另一方面，CT系统包括一具有开孔的旋转台架和一台床，所述开孔设在台架中心，其被构成为可接收待扫描的受检体，所述台床可穿过开孔前后移动，其被构成为可对受检体进行定位以获取数据。CT系统还包括一位于旋转台架内、被构成为沿投射路径向受检体投射高频电磁能的高频电磁能投射源。设有CT检测器阵列并将其构成为可接收由受检体射出的高频电磁能。CT检测器阵列包括一被构成为可接收高频电磁能并针对该处输出光的闪烁器阵列。检测器阵列还包括多个滤除高频电磁能散射的准直元件，以及多个固定到或在闪烁器阵列前面的屏蔽元件，以至少对闪烁器边缘进行屏蔽，避免吸收能量。CT检测器阵列还包括一被构成为检测闪烁器阵列的光输出并输出一系列电信号的光电二极管阵列。CT系统还包括一被构成为接收来自光电二极管阵列电信号的数据获取系统(DAS)和一被构成为通过DAS由所接收的电信号重建受检体图像的图像重建器。
按照本发明的再一方面，一种制造带有独立的、检测室最佳化的CT检测器阵列的方法包括形成一限定多个闪烁器的闪烁器单元和在相邻闪烁器之间的闪烁器单元上沉积屏蔽元件的步骤。该方法还包括形成一准直器元件阵列并将该阵列对准、使得每个准直器元件总体上与相应的屏蔽元件对准的步骤。然后将光电二极管阵列耦联到闪烁器单元上。
通过下面结合附图的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将变得更清楚。
附图说明
所示附图说明了用于实现本发明的目前预期的一优选实施方式。附图中：
图1是CT成像系统的透视图；
图2是图1所示系统的方框图；
图3是CT系统探测器阵列的一实施方式的透视图；
图4是探测器的一实施方式的透视图；
图5示出了图4中四片模式(four-slice mode)探测器的各种结构；
图6是本发明的探测器的剖面示意图；
图7是用于非进入式(non-invasive)包裹检查系统的CT系统透视图；
图8是现有探测器的剖面示意图。
具体实施方式
本发明的操作环境是相对于一四片式计算机断层(CT)系统来描述的。然而本领域技术人员应认识到，本发明同样可用于单片式或其他多片式结构。而且，本发明将就X-射线的探测和变换来进行描述。当然，本领域的技术人员将进一步认识到本发明同样可用于其他高频电磁能的检测和变换。本发明将就“第三代”CT扫描机来进行描述，但同样可用于其他CT系统。
参见图1和2，它们示出了计算机断层(CT)成像系统10，其包括代表“第三代”CT扫描机的台架12。台架12具有一向台架对侧的检测器阵列18投射X-射线束16的X-射线源14。检测器阵列18由多个检测器20组成，它们共同对经内科病人22所投射出的X-射线进行检测。每个检测器20产生一电信号，所述电信号表示射出的X-射线束的强度，因而表示穿过病人22后衰减的射束强度。在获取X-射线投影数据的扫描期间，台架12和固定其上的部件绕旋转中心24旋转。
台架12的旋转和X-射线源14的操作由CT系统10的控制机构26操纵。控制机构26包括向X-射线源14提供电源和定时信号的X-射线控制器28，以及控制台架12的旋转速度和位置的台架电动机控制器30。控制机构26中的数据获取系统(DAS)32对来自检测器20的模拟数据进行采样，并将数据转化成数字信号以进行后续处理。图像重建装置34接收来自DAS32的采样和数字化的X-射线数据并进行快速重建。重建后的图像输入到计算机36，计算机将该图像储存到大容量存储器38中。
计算机36也可通过带有键盘的操作台40接收操作员发出的指令和扫描参数。相关的阴极射线管显示器42使操作员能观察到重建图像和来自计算机36的其他数据。计算机36根据操作员所发出的指令和参数向DAS32、X-射线控制器28和台架电动机控制器30提供控制信号和信息。另外，计算机36操纵台式电动机控制器44，该台式电动机控制器控制电动台床46，以对病人22和台架12进行定位。具体地说，台床46移动病人22的体部穿过台架开口48。
如图3和4所示，检测器阵列18包括多个构成闪烁器阵列56的闪烁器57。由一系列准直器板或壁(未示出)限定的准直器组件(，未示出)位于闪烁器阵列56之上，以便在X-射线束射到闪烁器阵列56之前对X-射线束16进行校准。
在图3所示的一实施方式中，检测器阵列18包括57个检测器20，每个检测器20具有16×16的矩阵尺寸(array size)。因而阵列18有16行和912列(16×57检测器)，这使得台架12每次旋转可同时采集16片数据。
图4中的开关阵列(switch arrays)80和82是连接在闪烁器阵列56和DAS32之间的多维半导体矩阵(multi-dimensional semiconductor arrays)。开关阵列80和82包括多个按多维矩阵排列的场效应晶体管(FET)(未示出)。所述FET矩阵包括多个与各个光电二极管60的每一个相连的电导线，以及多条通过柔软的电接口84与DAS 32电连接的输出引线。具体而言，大约一半光电二极管的输出与开关80电连接，另一半光电二极管的输出与开关82电连接。另外，可在每个闪烁器57之间插入一反射层(未示出)，以减少相邻闪烁器的光散射。通过固定架79将每个检测器20紧固到图3所示的检测器框架77上。
开关阵列80和82还包括解码器(未示出)，解码器可根据期望的片数(number of slices)和每片的片分辨率来启动、截止或者组合光电二极管输出。在一实施方式中，解码器是现有技术中公知的解码器芯片或FET控制器。解码器包括多个与开关阵列80和82以及DAS 32耦联的输出和控制线。在一被限定为16片模式的实施方式中，解码器启动开关阵列80和82，使得光电二极管阵列52的所有列被激活，结果，通过DAS32同时获得16片数据以进行处理。当然，还可以有许多其他的片组合。例如，解码器也可以选自包括一、二和四片模式的其他片模式。
如图5所示，通过发送适当的解码器指令，开关阵列80和82可以设置成四片模式，使得可以从一行或多行光电二极管阵列52的四片中采集数据。根据开关阵列80和82的特殊结构，可以启动、截止或组合光电二极管60的各种组合，使得片厚度可以由闪烁器阵列元件57的一行、两行、三行或四行组成。其他例子包括：单片模式，其包括片范围为1.25mm厚到20mm厚的一片；以及两片模式，其包括片范围为1.25mm厚到10mm厚的两片。除所描述这些模式以外还可考虑其他模式。
现参见图6，该图示意地示出了具有带多部分部件的准直器组件的CT检测器。检测器20包括被耦合成接收来自闪烁器元件57的闪烁器阵列56的光发射的光电二极管阵列52。闪烁器元件57由被设计成可根据接收的X-射线、γ-射线或其他形式的高频电磁能发光的单一或复合材料构成。光电二极管52检测闪烁器阵列56的光输出并产生相应的电信号，对这些电信号进行处理，随后用于重建受检体的图像。
与前面相对于图8所述的现有的CT检测器类似，检测器20也包括准直器组件84，以减少X-射线散射并屏蔽闪烁器边缘、其他外露的反射器、和光电二极管阵列的光电二极管。然而，与图8的检测器不同的是，CT检测器20的所述准直器组件是由多个多部分元件86构成。在一实施方式中，每个元件86有单个准直部件88和单个屏蔽部件90，它们结构上彼此独立，尺寸上彼此不同，这将在下面描述。也就是说，每个屏蔽部件的宽度Ws大于每个准直部件的宽度Wr。
具体而言，每个准直部分或部件88在X方向比屏蔽部件90窄。反之，每个准直部件88在Y方向上的尺寸大于屏蔽部件90。X方向对应于CT检测器的宽度，而Y方向对应于检测器的高度。这样，由于准直部件88不起屏蔽部件的作用，因此要保持适当的准直长阔比，但可以采用最佳数量的准直材料。相反，由于屏蔽部件90不负责准直，屏蔽部件不需要特定的长阔比。因此，屏蔽部件90只需具有足够的宽度，以获得对减少的闪烁器边缘和其他外露反射器材料的屏蔽。因此，屏蔽部件90可具有近似200微米的宽度，而准直部件88可以具有等于或小于25微米的宽度。
使准直元件比屏蔽元件窄具有许多优点。例如，第一，宽度上的不同使得准直器组件更容易放置。也就是说，由于准直元件比屏蔽元件窄，因此在放置准直器组件以及使准直器元件彼此相互隔开时具有更大的活动范围。第二，准直器元件宽度的减小降低了准直器组件的材料费用。第三，使准直器元件变窄增加了每个闪烁器所接收的X-射线或γ-射线的量。因此，改善了辐射检测或QDE(Quantum Detection Efficiency量子检测效率)。第四，减少了X-射线的阻塞，从而提高了CT检测器的低信号性能。第五，低信号性能提高的附加效果是减小了施加给受检体的辐射剂量。本领域普通技术人员很容易意识到根据上述结构可从这些明确列举的例子中分析得出许多其他优点。
前述准直器组件的多部分准直器元件在结构上彼此独立。因此，所述准直元件可以由不同于形成屏蔽元件的材料制成。但优选准直元件和屏蔽元件二者都采用具有高原子序数的材料制成。例如，可采用载荷环氧树脂类(loaded epoxies)、铅、铅合金等构成屏蔽元件。另外，准直元件和屏蔽元件可以由复合材料或铸造材料形成，并按照现有的一些工艺来制造。在一示例性工艺中，屏蔽元件采用公知的半导体制造工艺来形成，在其上蚀刻、即化学蚀刻一层屏蔽材料，以制作一系列屏蔽元件。由于屏蔽元件在Y方向上较短，因此化学蚀刻是一种优选的制造工艺。
也可以采用其他制造工艺，包括激光切割、离子束蚀刻(ion beammilling)、或在有一层薄粘接层的闪烁器阵列上固定屏蔽元件格栅。也可以在浇铸过程中形成屏蔽元件，再将对多个屏蔽元件限定了期望高度和宽度的铸模放在闪烁器单元的顶上并填充屏蔽材料，经硬化(curing)和后加工(即，研磨)形成与闪烁器单元成一体的多个屏蔽元件。此外，可将所述铸模构造成限定出一系列准直腔，这些准直腔比一系列屏蔽腔深且窄，使得屏蔽腔先充满屏蔽材料并使之硬化。然后，使准直腔充满准直材料。用这种结构，屏蔽元件可独立于准直元件，且与准直元件的尺寸不同，但彼此互相连接，由此使图6所示的元件之间的间隙最小。
上面已就用于CT成像系统的CT检测器的集成闪烁器和准直器的制造对本发明进行了描述。按照本发明，带有独立于屏蔽元件的准直元件的准直器组件的CT检测器可以用于医学成像系统以及与图7所示类似的包裹检查系统，上述准直器组件具有与屏蔽元件独立的准直元件。
参见图7，包裹/行李检查系统100包括具有中间可以通过包裹或行李件的开口104的旋转台架102。旋转台架102装有高频电磁能源156以及具有类似于前面所述的CT检测器的检测器组件108。还设有输送系统110，其包括传送带112，传送带由构件114支撑，以便自动且连续地使包裹或行李件116通过待扫描开口114。目标166由传送带112送过开口104，然后获得成像数据，传送带112以可控和连续的方式从开口114中移走包裹116。结果，邮局检查员、包裹管理员和其他保安人员可以非进入方式检查包裹116内的爆炸物、刀、枪、违禁品等。
另外，本发明被描述为沿着一维、即沿X轴铸造准直器板。然而也可以沿X和Z轴来形成准直器板，借此呈现出多部分准直器元件的“棋盘式”布置。
因此，按照本发明的一实施方式，CT检测器阵列的准直器包括一第一部件和一第二部件。第一部件设置为对沿投射路径从投射源投射到待扫描的受检体的高频电磁能射线进行校准，而第二部件设置为对CT检测器阵列的闪烁器边缘、反射器和光电二极管中的至少之一进行屏蔽。
按照本发明的另一实施方式，CT系统包括一具有开孔的旋转台架和一台床，该开孔设在台架中心，其构成为可接收待扫描的受检体，所述台床可穿过开孔前后移动，其构成设置为可对受检体进行定位以获取数据。CT系统还包括一位于旋转台架内并被构成为沿投射路径向受检体发射高频电磁能的高频电磁能投射源。设置CT检测器阵列，并将其构成为可接收由受检体射出的高频电磁能。CT检测器阵列包括被构成为可接收高频电磁能并针对该处输出光的闪烁器阵列。检测器阵列还包括多个滤除高频电磁能散射的准直元件、以及多个固定到闪烁器阵列上的屏蔽元件，以至少对闪烁器边缘进行屏蔽避免吸收能量。CT检测器阵列还包括一被构成为检测闪烁器阵列的光输出并输出一系列电信号的光电二极管阵列。CT系统还包括一被构成为接收来自光电二极管阵列的电信号的DAS和一被构成为由DAS所接收电信号来重建受检体图像的图像重建器。
按照本发明的再一实施方式，一种制造带有独立的、检测室最优化的CT检测器阵列的方法包括形成一限定多个闪烁器的闪烁器单元和在相邻闪烁器之间的闪烁器单元上沉积屏蔽元件的步骤。该方法还包括形成一准直器元件阵列并使该阵列对准，使得每个准直器元件总体上与相应的屏蔽元件对准的步骤。然后将光电二极管阵列耦联到闪烁器单元上。
上面通过优选实施方式对本发明进行了描述。应意识到，除明确描述的内容之外的那些等同物、替换物以及变型都是可行的，并都落入所附的权利要求书的保护范围内。

Claims (12)

1.一种CT系统，包括：
旋转台架，其具有中心地设置于其内并构成用于接收待扫描的受检体的开孔；
可穿过所述开孔前后移动的台床，其被构成为使所述受检体定位，以获取数据；
位于所述旋转台架内的高频电磁能投射源，其被构成为沿投射路径向所述受检体发射高频电磁能；
CT检测器阵列，其被构成为接收由所述受检体射出的高频电磁能，该CT检测器阵列包括：
被构成为接收高频电磁能并针对此输出光的闪烁器阵列；
多个滤除高频电磁能散射的准直元件；
多个固定到所述闪烁器阵列上以便至少对闪烁器边缘进行屏蔽、避免吸收能量的屏蔽元件；
被构成为检测所述闪烁器阵列的光输出并输出一系列电信号的光电二极管阵列；
DAS，其被构成为接收来自所述光电二极管阵列的电信号；及
图像重建器，其被构成为从由所述DAS所接收的电信号中重建所述受检体的图像。
2.如权利要求1所述的CT系统，其中，每一屏蔽元件的宽度沿对应于所述CT检测器阵列的宽度的方向大于每一准直元件的宽度。
3.如权利要求2所述的CT系统，其中，每一准直元件的宽度不超过25微米。
4.如权利要求1所述的CT系统，其中，所述多个准直元件和多个屏蔽元件由具有高原子序数的至少一种材料制成。
5.如权利要求1所述的CT系统，其中，所述多个屏蔽元件由复合材料和铸造材料中的一种制成。
6.如权利要求1所述的CT系统被装入医学图像扫描仪中。
7.一种制造带有独立的检测室最佳化的CT检测器阵列的方法，该方法包括以下步骤：
形成一限定多个闪烁器的闪烁器单元；在相邻闪烁器之间的所述闪烁器单元上沉积屏蔽元件；
形成一准直器元件阵列并将该阵列对准、使得每一准直器元件与相应的屏蔽元件对准；及
将光电二极管阵列耦联到所述闪烁器单元上。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述屏蔽元件与所述准直器元件无关。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述沉积屏蔽元件的步骤包括在在浇铸过程中形成所述屏蔽元件。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述沉积步骤还包括蚀刻施加于所述闪烁器单元上的屏蔽材料层的步骤。
11.如权利要求7所述的方法，其中，每一准直器元件的厚度沿对应于所述CT检测器阵列的高度的方向超过每一屏蔽元件的厚度。
12.如权利要求11所述的方法，其中，每一准直器元件的宽度不超过25微米。
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