CN101166469B - 用于光谱ct的双层探测器 - Google Patents

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Abstract

一种辐射探测器(24)包括面对X射线源(14)设置以便将低能辐射转换为可见光并透射高能辐射的上闪烁体(30τ)两维阵列。下闪烁体(30B)两维阵列设置在远离X射线源(14)的上闪烁体(30τ)附近以将发出的高能辐射转换为可见光。每个上和下光电探测器阵列(38τ、30B)的相应活性区域(94、96)光学耦合至闪烁体(30τ、30B)内侧(60)相应的上和下闪烁体(30τ、30B)，闪烁体内侧(60)通常垂直于轴向(Z)。干涉滤光器(110、112)可设置在相关联的上和下闪烁体(38τ、38B)的活性区域(94、96)上，以将上和下闪烁体(38τ、38B)接收的辐射波长限制为由相应上和下闪烁体(30τ、30B)发射的波长。上闪烁体(30τ)可包括ZnSe(Te)和YAG(Ce)的至少一个。

Description

用于光谱CT的双层探测器
技术领域
本申请涉及成像系统的应用。其主题特别应用于光谱计算机体层(CT)扫描仪并将特别参考其进行描述。但是本申请还用于DF和RF成像、X射线透视检查、放射线照相术、以及其它用于医疗和非医疗检查的成像系统。
背景技术
计算机体层(CT)成像通常采用X射线源，该X射线源产生横穿检查区的X射线的扇形射束、楔形射束、或锥形射束。设置在检查区的对象与一部分横穿的X射线相互作用并吸收一部分该X射线。相对X射线源设置包括探测器元件阵列的两维辐射探测器。该辐射探测器包括测量所透射的X射线的强度的闪烁体层和下面的光电探测器底层。在双能量CT系统中，闪烁晶体与两个相应的光电倍增管(例如氟化钙(CaF)和碘化钠(NaI))的每一个耦合。并排设置该两个闪烁体，或者，如U.S.4,247,774所示，闪烁体可被成形以部分重叠以便一些X射线通过两个闪烁体。较低能量的X射线在上CaF闪烁体中被吸收并引起闪烁，而较高能量的X射线通过以在NaI闪烁体中闪烁。该闪烁在相应光电倍增管中引起电流。
通常，X射线源和辐射探测器安装在旋转台架的相对侧上从而使得旋转该台架以获得对象的投影视图的角度范围。在一些配置中，X射线源安装在旋转台架上而辐射探测器安装在固定台架上。在任一种配置中，采用经滤波的反投影或者另一种重构方法从电信号重构投影视图，以产生对象或其选择部分的三维图示。
在双能CT系统中，可同时收集与高能和低能X射线对应的电信号并将其重构为内在记录的分离的图像。该双能片数据还可用于提供射束硬化校正。
发明内容
本发明期望提供一种克服上述及其它问题的改进的方法和装置。
根据本申请的一个方面，公开了一种辐射探测器。上闪烁体两维阵列面对X射线源设置以从那里接收辐射并将低能辐射转换为可见光，以及透射高能辐射。下闪烁体两维阵列设置在远离X射线源的上闪烁体附近以将所透射的高能辐射转换为可见光。与上闪烁体和下闪烁体光学连通的光敏元件阵列观测可见光并将可见光转换为电信号。
根据本申请另一方面，公开了一种制造辐射探测器的方法。将光电探测器两维阵列整体制造在芯片内。在光电探测器的光敏面上制造上闪烁体和下闪烁体。
本申请的一个优点在于采用了安全的闪烁体材料。
另一个优点在于一种商业可实施的光谱扫描仪。
另一个优点在于提供用于光谱CT的高QDE和高光学检测效率的廉价探测器。
而另一个优点在于大大改进了光收集效率。
本领域技术人员在阅读下面对优选实施例的详细描述后将清楚许多其它的优点和益处。
附图说明
本发明可以采用各种组件和组件的布置，以及各种过程操作和过程操作的安排。附图仅仅是为了描述优选实施例的目的而不应解释为限制本发明。
图1图示了一种成像系统；
图2A图示了一部分辐射探测器；
图2B图示了一部分辐射探测器的顶视图，其具有在Z向上延伸的线性瓦片(tile)；
图3示出了厚度不同的YAG闪烁层的吸收的曲线图；
图4图示了一部分辐射探测器，其包括具有干涉滤光器的侧面安装的光电二极管；
图5图示了一部分辐射探测器，其包括具有干涉滤光器的背部安装的光电二极管；
图6A图示了具有栅格的辐射探测器的侧视图；
图6B图示了栅格的顶视图。
具体实施方式
参考图1，计算机体层(CT)成像装置或者CT扫描仪10包括台架12。X射线源14和源准直仪16协作产生指向检查区18的扇形、锥形、楔形、或其它形状的X射线束，该检查区包括对象(未示出)，例如在对象支架20上的患者。对象支架20在Z向上可线性移动，而旋转台架22上的X射线源14围绕Z轴旋转。
优选地，旋转台架22随着对象支架20线性推进同时旋转，以产生X射线源14和准直仪16围绕检查区18的通常螺旋的轨迹。但是，还可采用其它成像模式，例如单片或多片成像模式，其中当对象支架20保持固定时台架22旋转以产生X射线源14的通常为圆形的轨迹，在其上采集轴向图像。在采集了轴向图像后，对象支架选择地在Z向上步进预先确定的距离，并重复轴向图像采集以便以沿Z向的离散的步长采集体积数据。
辐射探测器或者探测器阵列24布置台架22上，在X射线源14的对面。辐射探测器24包括闪烁体或者晶体28的闪烁阵列26。闪烁阵列26布置在层30中并横跨过与X射线束的扇形角相适合的选择的角度范围。辐射闪烁阵列26还沿Z向延伸以形成n×m闪烁体矩阵，例如16×16、32×32、16×32等。将闪烁阵列26的层30在大致垂直于Z向的方向上堆叠。当台架22旋转时辐射探测器24采集一系列投影视图。还考虑在围绕旋转台架的台架的固定部分上设置辐射探测器24，以使X射线在源旋转期间连续地打在辐射探测器的连续变化部分上。在一个实施例中，栅格32(例如抗散射栅格)布置在闪烁阵列26的辐射接收面上。光电二极管或者其它光电探测器38一个或多个阵列36光学耦合至闪烁体阵列26的相应闪烁体28以形成探测器元件或者摄素(dixel)。
重构处理器42采用滤波反投影法、n-PI重构法、或其它重构法重构所采集的投影数据，以生成对象或者其选择部分的三维图像表示，其存储在图像存储器44中。由视频处理器46给出或者以别的方式管理图像表示，以产生在用户界面48或另一个显示设备、打印设备、或者供操作员观测的设备上显示的人眼可视图像。
另外对用户界面48编程以界面连接操作员和CT扫描仪12，以允许操作员初始化、执行、和控制CT成像任务。用户界面48可选择地与通信网络(例如医院或者诊所信息网络)连接，图像重构经该网络传送至医护人员，访问患者信息数据库等等。
参考图2A，闪烁阵列26包括双层(double decker)阵列，该双层阵列包括由反射层58隔开的底部闪烁层30B和顶部闪烁层30T。光电探测器38(例如硅光电探测器、无定形硅、电荷耦合设备、CMOS、或其它半导体光电探测器)的光电探测器阵列36与闪烁阵列26光通信。更特别是，该光电探测器包括具有活性区域阵列的光敏层，以及优选包括与整体形成在芯片50上的光敏层一起形成p-n结的模拟第二层。
经过检查区18的X射线沿方向U打击顶部闪烁层30T。与X射线源最接近的顶部闪烁层30T将已经经过检查区18的射束中最软或者能量最低的X射线转换为光。与X射线源最远的底部闪烁层30B接收最硬的X射线。由光电阵列36的相应光电探测器38检测每层30的摄素所发出的光信号。选择并确定顶层30T的大小以将基本上所有的50keV或更低的X射线光子转换为光，并使基本上所有的90keV或更高的光子传递至底层30B。
在每个双层阵列26的内侧60上沿方向U垂直布置光电探测器阵列36。对顶部和底部闪烁层30T、30B的顶部和底部表面62、64、66、68和侧面70、72涂敷或者以其它方式覆盖光反射涂层或者光反射层80。让与光电探测器38相邻的顶部和底部闪烁层30T、30B的内侧60打开以使光传递到光电探测器阵列36。反射涂层可用作分隔层58。可选择地，分隔层可以是分离层，该分离层被选择用来控制到达底层30B的X射线光子的最小能量。
在一个实施例中，底部闪烁层30B包括硫化氧钆(Gd2O2S、Pr、Ce、或“GOS”)，而顶部闪烁层30T包括硒化锌(ZnSe)，即一种已知的用于宽透射范围的材料。优选地，硒化锌掺杂有碲(Te)。可选择地，顶层30B包括钨酸镉(CdWO4或“CWO”，)。
还想到闪烁阵列26包括多于两个的闪烁层。在这种情况下，存在设置在顶部闪烁层和底部闪烁层30T、30B之间的n个闪烁层，这里n大于0并且小于A，A为整数。
继续参考图2A，另外参考图2B，光电探测器阵列36优选为2D阵列，该2D阵列包括都是垂直芯片50的一部分的上光电探测器阵列和下光电探测器阵列82、84。每个上光电探测器38T的活性区域94与顶部闪烁层30T相对设置并与之耦合，而每个下光电探测器38B的活性区域96与底部闪烁层30B相对设置并与之耦合。每个硅片50包括一对相应的上和下光电探测器38T、38B。硅片50在闪烁阵列26的相邻行之间优选在Z方向上相互平行安置。在一个实施例中，硅片50在X方向上或者在与轴向Z横切的方向上相互平行安置。其承载的每个芯片和闪烁体形成线性瓦片98。如下文所讨论，栅格32保护芯片不受X射线的影响。在芯片50和闪烁层30T、30B之间设置光学胶100以改进光电探测器38和闪烁层30T、30B之间的光学耦合。
在一个实施例中，上和下光电探测器38T、38B可以是背接触的光电二极管，并具有对由闪烁所产生的光辐射敏感的相应活性区域94、96。电接触102优选设置在光电探测器38T、38B的前侧104上。还想到将光能转变成电信号的其它探测器，例如前表面光电探测器和电荷耦合设备(CCD)。
电子装置，例如专用的集成电路(ASIC)(未示出)，产生用于运行光电探测器阵列36的电驱动输出，并接收光电探测器阵列36所产生的探测器信号。ASIC进行选择的探测器信号处理，其导致光电探测器电流转换为数字数据。
对来自每层30摄素的信号进行加权和组合以形成光谱加权的图像数据。可选择地，从每层分别形成图像并将其组合以形成光谱加权的图像数据。该加权可包括零位调整一个或多个摄素层。通过选择摄素中不同的相对权重，产生突出和弱化能谱所选部分(即所选X射线能量吸收范围)的图像数据。通过适当选择权重，重构特别选择的X射线能量吸收范围的CT图像以突出组织，而在所重构的图像中取代或者基本上除去其它所选的组织。例如，可通过减去加权重以突出相应吸收线任一侧的图像来突出乳房组织中的钙和造影剂中的碘。尽管图示说明了两层，但是应当理解可提供更多的层以提供更多的能量区分级别。
继续参考图2A，另外参考图2B，探测器阵列24包括多行闪烁阵列。每行包括光电探测器芯片阵列50和光学耦合至芯片50的闪烁体线性阵列。闪烁体阵列包括顶层30T和底层30B(图2B中未示出)。在图2B中，为图示说明简单起见，以放大的宽度示出芯片50。
在一个实施例中，顶层30T为钇铝石榴石(YAG)。YAG材料由低Z元素组成，并且具有小于5g/ml的相对低密度。该低密度限制了X射线停止功率，并主要吸收射束中的软X射线或者较低能量X射线。YAG材料具有良好(短)的余辉和光输出特性，并在可见光谱区中发光，其中硅光电探测器具有足够的灵敏度。
参考图3，示出了X射线吸收对YAG层厚度和对X射线光子能量的依赖性。例如，一个0.71mm厚的YAG闪烁层吸收大约70％的50keVX射线，而透过超过70％的90keV及以上的X射线。
参考图4，和底层30B相比较顶层30T较薄，以选择性地感测较低能量X射线并透射较高能量X射线。例如，顶层30T必须优选吸收50keV以下能量的X射线，而透射75％或更多的90keV以上能量的X射线。典型地，使光电二极管活性区域94、96与顶层和底层30T、30B各自的厚度匹配。
继续参考图4，在该实施例中，因为反射涂层80不在顶层底面66和下层顶面64之间延伸，所以光从一个闪烁层自由地通过到达另一个闪烁层。上光电探测器38T的活性区域94在尺寸上大大增加以重叠和底部闪烁层30B相关联的区域。优选在制造探测器期间将透射波长l1与包括顶部闪烁层30T的材料的发射波长l2匹配的顶部干涉滤光器110沉积在上光电探测器活性表面94上。顶部干涉滤光器波长l1和顶部闪烁层波长l2相匹配确保仅仅由顶部闪烁层30T发射的光打在上光电探测器38T上。这允许上光电探测器38T的活性区域94被扩大。例如顶部干涉滤光器110的波长l1可以为550nm以和在该实施例中包括顶部闪烁层30T的YAG波长匹配。这样的干涉滤光器将打在上光电探测器38T上的光限制为仅仅YAG发射。
相似地，由具有与底部闪烁层发射波长l4匹配的波长l3的底部干涉滤光器112保护低光电探测器38B的活性区域96不受顶部闪烁层30T波长的影响。例如，底部干涉滤光器112可以是仅仅对下光电探测器38B透过钨酸镉(CWO)的发射波长的540nm波长滤光器。
在一个实施例中，根据所使用的闪烁体，将单个带通滤光器沉积在上光电二极管和下光电二极管其中一个的活性区域上。通过差分得出该信号。
参考图5，光电探测器阵列36包括背部照明的光电二极管(BIP)38，并且为具有在其上形成的功能集成电路的单独的、单块半导体衬底120。该功能集成电路包括在光接收侧上形成的光敏元件或者“摄素”(优选光电二极管)矩阵。通常采用已建立的集成电路制造方法例如掩膜、蒸镀、蚀刻和扩散方法等等由硅或其它半导体晶片制造阵列36的集成电路。
二极管对38T、38B安置在底层38B的下侧。这样，省略了顶层30T的底面66和底层30B的顶面64上的漫反射涂层80。
顶部干涉滤光器110的透射波长为l1，其与包括顶部闪烁层30T的材料的发射波长l2匹配，且该顶部干涉滤光器110优选在制造光电探测器期间沉积在上光电探测器活性区域94上。顶部干涉滤光器波长l1与顶部闪烁层波长l2的匹配确保仅仅由顶部闪烁层30T发射的光由上光电探测器38T接收。
相似地，由具有与底部闪烁层发射波长l4匹配的波长l3的底部干涉滤光器112保护低光电探测器38B的活性区域96不受顶部闪烁层30T的波长的影响。
参考图6A和6B，栅格32包括腿或者条120，其每一个优选重叠每个相应硅片50的厚度。以该方式，栅格32保护硅片50不受X射线辐射。例如，如果硅片厚度大约为0.125mm，则腿120的厚度可以为大约0.140mm。
参照优选实施例描述了本申请。明显地，其他人在阅读和理解前面的详细说明时可进行改动和变更。意旨将本申请解释为包括所有落入附加权利要求或其等价物范围内的这种更改和变更。

Claims (15)

1.一种辐射探测器，包括：
上闪烁体两维阵列，设置为朝向X射线源以从那里接收辐射，将较低能量辐射转换为可见光并透射较高能量辐射；
下闪烁体两维阵列，设置在远离X射线源的上闪烁体附近以将透射的较高能量辐射转换为可见光；
光敏元件上阵列，上阵列的每个光敏元件与相应上闪烁体的侧面光学耦合，上阵列的每个光敏元件具有大过相应上闪烁体的侧面的活性区域，以致每个光敏元件的活性区域朝向相应上闪烁体的侧面以及下闪烁体之一的侧面的一部分；
光敏元件下阵列，下阵列的每个光敏元件与相应下闪烁体的侧面的一部分光学耦合，以观测从那里来的可见光并将可见光转换为表示较高能量辐射的电信号；
在每个光敏元件上阵列的活性区域和相应上闪烁体之间的第一干涉滤光器，该第一干涉滤光器将具有上闪烁体发射的波长的光透射至相应光敏元件上阵列的活性区域，并限制光敏元件上阵列的活性区域接收下闪烁体发射的光，以致光敏元件上阵列将从上闪烁体接收的光转换为表示较低能量辐射的电信号，以及
在每个光敏元件下阵列的活性区域和相应的下闪烁体之间的第二干涉滤光器，该第二干涉滤光器具有与下闪烁体发射的光波长匹配的光波长，以将光敏元件下阵列接收的辐射波长限制为由下闪烁体发射的波长。
2.2．如权利要求1所述的探测器，其中上闪烁体包括：掺杂的硒化锌。
3.3．如权利要求2所述的探测器，其中下闪烁体包括：掺杂的硫化氧钆。
4.4．如权利要求1所述的探测器，其中上闪烁体包括：掺杂的钇铝石榴石。
5.5．如权利要求1所述的探测器，其中光敏元件上阵列和光敏元件下阵列耦合至相应的上闪烁体和下闪烁体的内侧，该内侧通常垂直于轴向。
6.6．如权利要求5所述的探测器，其中在除了与光敏元件相邻的内侧以外的所有侧面上对闪烁体涂敷反射性涂层材料。
7.7．如权利要求1所述的探测器，其中上闪烁体包括下面之一：
ZnSe，
YAG，
CdWO4，和
GOS；
而下闪烁体包括：
GOS；
ZnSe；
YAG；和
CdWO4。
8.8．如权利要求1所述的探测器，还包括多个瓦片，每个瓦片包括：
硅芯片，其设置在与由X射线源发射的辐射方向平行的平面内，该芯片包括：
至少光敏元件上阵列和光敏元件下阵列；
耦合至每个光敏元件上阵列的上闪烁体阵列的上闪烁体；
耦合至每个光敏元件下阵列的下闪烁体阵列的下闪烁体；以及
在上闪烁体和下闪烁体上的反射涂层。
9. 9．如权利要求8所述的探测器，其中硅芯片厚度小于0.15mm。
10.10．一种计算机体层扫描仪，其采用权利要求1的辐射探测器。
11.11．一种制造辐射探测器的方法，包括：
制造上闪烁体和下闪烁体，其中上闪烁体具有上辐射接收面和侧面，而下闪烁体在上闪烁体之下设置并具有侧面；
制造集成在芯片中的光电探测器上阵列以及邻近光电探测器上阵列的光电探测器下阵列；
将光电探测器上阵列光学耦合至上闪烁体的侧面，上阵列的每个光电探测器具有大过相应上闪烁体的侧面的活性区域，以致每个光电探测器的活性区域朝向相应上闪烁体的侧面以及下闪烁体之一的侧面的一部分；
将光电探测器下阵列光学耦合至相应下闪烁体的侧面的一部分，以观测从那里来的可见光并将可见光转换为表示较高能量辐射的电信号；
制造每个光电探测器上阵列的活性区域和相应上闪烁体之间的第一干涉滤光器，该第一干涉滤光器将具有上闪烁体发射的波长的光透射至相应光电探测器上阵列的活性区域，并限制光电探测器上阵列的活性区域接收下闪烁体发射的光，以致光电探测器上阵列将从上闪烁体接收的光转换为表示较低能量辐射的电信号；以及
在每个光电探测器下阵列的活性区域和相应的下闪烁体之间制造第二干涉滤光器，该第二干涉滤光器具有与下闪烁体发射的光波长匹配的光波长，以将光电探测器下阵列接收的辐射波长限制为由下闪烁体发射的波长。
12.12．如权利要求11所述的方法，其中上闪烁体至少为下面之一：
掺杂的硒化锌；
掺杂的硫化氧钆；
钨酸镉；以及
掺杂的钇铝石榴石。
13.13．如权利要求11所述的方法，其中上闪烁体包括硒化锌，而下闪烁体包括硫化氧钆。
14.14．一种辐射探测器，其由权利要求11的方法制造。
15.15．一种辐射探测器，包括：
多个彼此相邻设置的瓦片，每个瓦片包括：
闪烁体上阵列，其朝向X射线源，用于将较低能量X射线转化为可见光并透射较高能量X射线；
闪烁体下阵列，其邻近上行设置并远离X射线源，用于将透射的较高能量X射线转化为可见光；
光电探测器上阵列，上阵列的每个光电探测器与相应上闪烁体的侧面光学耦合，上阵列的每个光电探测器具有大过相应上闪烁体的侧面的活性区域，以致每个光电探测器的活性区域朝向相应上闪烁体的侧面以及下闪烁体之一的侧面的一部分；和
光电探测器下阵列，下阵列的每个光电探测器与相应下闪烁体的侧面的一部分光学耦合，以观测从那里来的可见光并将可见光转换为表示较高能量辐射的电信号；
在每个光电探测器上阵列的活性区域和相应上闪烁体之间的第一干涉滤光器，该第一干涉滤光器将具有上闪烁体发射的波长的光透射至相应光电探测器上阵列的活性区域，并限制光电探测器上阵列的活性区域接收下闪烁体发射的光，以致光电探测器上阵列将从上闪烁体接收的光转换为表示较低能量辐射的电信号；以及
在每个光电探测器下阵列的活性区域和相应的下闪烁体之间的第二干涉滤光器，该第二干涉滤光器具有与下闪烁体发射的光波长匹配的光波长，以将光电探测器下阵列接收的辐射波长限制为由下闪烁体发射的波长。
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