CN101166997A

CN101166997A - 光谱ct的检测器阵列

Info

Publication number: CN101166997A
Application number: CNA2006800143668A
Authority: CN
Inventors: S·莱文; O·沙皮罗; A·阿尔特曼; N·韦纳
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2008-04-23
Also published as: JP2008538966A; CN103760588B; JP5268633B2; WO2006114715A3; WO2006114715A2; US8391439B2; EP1877832A2; EP1877832B1; CN103760588A; RU2007143554A; RU2386981C2; US20100220833A1

Abstract

一种辐射检测器(24)，包括上部闪烁体(30_T)的二维阵列，其设置在面对x射线源的位置来接收辐射，将低能量辐射转换成可见光并透射高能量辐射。下部闪烁体(30_B)的二维阵列，其设置在与上部闪烁体(30_T)相邻并距离x射线源(14)较远的位置来将透射的高能量辐射转换成可见光。上部和下部光电检测器(38_T、38_B)光学耦合至位于闪烁体(30_T、30_B)内侧(60)上的各个上部和下部闪烁体(30_T、30_B)。光学元件(100)光学耦合至上部闪烁体(30_T)，来收集和引导从上部闪烁体(30_T)发出的光进入相应的上部光电检测器(38_T)。

Description

光谱CT的检测器阵列

技术领域

本发明涉及一种成像系统的应用。本发明的主题涉及光谱计算机断层造影(CT)扫描仪的特殊应用，将在下文中详细进行描述。然而，本发明还涉及其与DF和RF成像、X射线荧光检查法、X光照相术和其它成像系统组合用于医学和非医学检查的用途。

背景技术

计算机断层造影(CT)成像通常采用一个x射线源，其产生横穿过检查区域的x射线的扇形射束、楔形射束或锥形射束。安排在检查区域中的对象与横穿的x射线相互影响并吸收一部分的x射线。在x射线源对面设置了包括检测器元件阵列的二维辐射检测器。辐射检测器包括测定传输的x射线的强度的闪烁体层和下层的光电检测层。在双能CT系统中，闪烁晶体分别粘附在两个光电倍增管上，例如，氟化钙(CaF)和碘化钠(Nal)。两种闪烁体可以并排设置，或者，如US4247774中所示的，闪烁体可局部交迭成形，使得一部分x射线通过两种闪烁体。较低能量的x射线被上层CaF闪烁体吸收并在其中引起闪烁，而较高能量的x射线穿过Nal闪烁体并在其中闪烁。这种闪烁升高了相应光电倍增管中的电流。

通常，x射线源和辐射检测器安装在旋转托台的相对两侧上，由此旋转该托台可获得对象的一定角度范围的投影视图。在一些结构中，x射线源安装在旋转托台上，而辐射检测器安装在固定托台上。在另一种结构中，投影视图利用过滤后的背面投影或其它重建方法根据电信号进行重建，产生对象或其选定区域的三维图像显示。

在双能CT系统中，可连续收集与较高和较低能量x射线相对应的电信号并重建成自然对齐的单独图像。双重能量切片数据还可用来产生射束硬化校正。

一些当前使用的CT检测器采用的是氧硫化钆(GOS)层。在光谱CT检测器中，感应低能x射线的上层通常构建来吸收大量能量低于50keV的x射线光子，而将让能量高于90keV的大量x射线光子通过。这些标准需要上层GOS薄于大约0.1mm才能符合。通常，每个光电检测器的活性区域与相应的闪烁体层的厚度相匹配。因为光电检测器的光收集效率与光电检测器的活性区域直接成比例，光电检测器的0.1mm高的活性区域将产生不恰当的低的光收集效率。

本发明提出一种克服了上述问题以及其它问题的改进的方法和设备。

发明内容

依据本发明的一方面，公开了一种辐射检测器。在面对x射线源的地方设置了上部闪烁体来接受辐射，将低能辐射转换成光并透射高能辐射。第一光电检测器与上部闪烁体光学耦合来接受上部闪烁体发出的光并将其转换成电信号。一个光学元件与上部闪烁体和第一光电检测器光学耦合，以收集从上部闪烁体发出的光并将其导入第一光电检测器中。在与上部闪烁体相邻并远离x射线源的地方设置了下部闪烁体来将从上部闪烁体透射的高能辐射转换成光。第二光电检测器与下部闪烁体光学耦合，以接受下部闪烁体发出的光并将其转换成电信号。

依据本发明的另一方面，公开了一种制备辐射检测器的方法。在上部和下部光电检测器的光敏表面上构造上部和下部闪烁体。一个光学元件与上部闪烁体耦合。该光学元件和上部闪烁体与上部光电检测器光学耦合。下部闪烁体与下部光电检测器光学耦合。

本发明的一个优势是提供了节约成本的辐射检测器。

另一个优势是提供了高光学检测效率的光谱CT。

另一个优势是提供了一种x射线检测器，其x射线光谱响应基本不根据温度发生变化。

另一个优势是实质改善了薄的闪烁体的光收集效率。

许多其它的优势和益处在本领域技术人员阅读了以下优选的实施例的详细说明后将成为显而易见的。

附图说明

本发明具体化为多个部件和部件的排列，以及多个处理操作和处理操作的排列。附图仅仅是出于图解优选实施例的目的，而不用来限制本发明。

图1是一种成像系统的示意性图解。

图2是示意性图解了辐射检测器的一部分。

图3示意性图解了辐射检测器的一部分的顶视图。

图4示意性图解了辐射检测器的替换实施例的一部分。

图5示意性图解了包括了多层闪烁体的辐射检测器的一部分。

图6A示意性图解了具有栅格的辐射检测器的侧视图。

图6B示意性图解了栅格的顶视图。

具体实施方式

参看图1，计算机断层造影(CT)成像设备或CT扫描器10包括托台12。x射线源14和源准直仪16配合产生导入检查区域18的扇形、锥形、楔形或其它形状的x射线射束，该区域包含诸如安排在对象平台20上的患者的对象(未示出)。对象平台20在z方向上线性移动，而旋转托台22上的x射线源14围绕z轴旋转。

优选地，旋转托台22与对象平台20的线性前进同时地旋转，产生x射线源14和准直仪16围绕检查区域18的通常为螺旋形的轨迹。然而，还可使用其它成像模式，诸如单-或多-切片成像模式，其中托台22旋转而对象平台20保持固定，产生x射线源14的通常为圆形的轨迹，在其上获得轴图像。在获得轴图像后，对象平台可选地在z方向上步进预定距离，并重复进行轴图像的获得以获得沿着z方向离散步长上的体积数据。

辐射检测器或检测器阵列24设置在x射线源14对面的托台22上。辐射检测器24包括闪烁体或晶体28的闪烁阵列26。闪烁阵列26设置在层30中并横跨选定的角度范围，该角度范围优选与x射线射束的扇形角度相一致。辐射闪烁阵列26还沿着z方向延伸以形成n×m的闪烁体矩阵，诸如16×16，32×32，16×32等。闪烁阵列26的层30在与z方向基本垂直的方向上堆叠。辐射检测器24当托台22旋转时采集一系列投影视图。还计划在环绕旋转托台的托台固定部分上设置辐射检测器24，使得x射线在源旋转期间持续入射在辐射检测器的连续移动部分上。防散射栅格32设置在闪烁阵列26的辐射接收表面上。栅格32具有允许辐射通过的孔径34。光电二极管或其它光电检测器38的单个或多个阵列36与闪烁体阵列26的每个闪烁体28光学耦合，形成检测器元件或设素(dixel)。

重建处理器42利用过滤的背面投影、n-Pl重建方法或其它重建方法来重建采集的投影数据，产生对象或其选定部分的三维图像显示，并存储在图像存储器44中。视频处理器46渲染或处理图像显示，产生显示在用户界面48或其他显示装置、印刷装置等上由操作者浏览的人眼可视的图像。

另外编程用户界面48来使操作人员与CT扫描器12相互作用，以允许操作人员来初始化、执行和控制CT成像会话(imaging session)。用户界面48可选的与诸如医院或临床信息网络的通讯网络接口，经由这种网络可将图像重建传递给医务人员，可访问患者信息数据库等。

参看图2，闪烁阵列26包括双层结构阵列，该阵列包括被层58分隔开的底部或下部闪烁层30_B和顶部或上部闪烁层30_T。诸如硅光电检测器、无定形硅、电荷耦合装置、CMOS、或其它半导体光电检测器的光电检测器38的光电检测器阵列36与闪烁阵列26进行光连接。更具体的，光电检测器包括具有活性区域阵列的光敏层以及优选地集成在芯片50上的模拟的第二层。

穿过检查区域18的x射线沿着方向U撞击顶部闪烁层30_T的顶部。最接近X射线源14的顶部闪烁层30_T将经过检查区域18的射束中最软或最低能量的x射线转换成光。离X射线源最远的底部闪烁层30_B接收最硬的x射线。光电检测器阵列36的相应光电检测器38检测来自每个层30的设素的光信号。选定顶层30_T及其尺寸来将基本所有50keV或更小的x射线光子转换成光并通过基本所有90keV或更高的光子达到底层30_B。

光电检测器阵列36沿着方向U在每个双层结构阵列26的内侧60上垂直地设置。光学耦合邻近光电检测器38的顶部和底部闪烁层30_T、30_B的内侧60，以传送光至光电检测器阵列36。可用光学环氧树脂粘合剂来获得光学耦合。反射涂层可起到分隔层58的作用。

继续参看图2并参看图3，光电检测器阵列36优选是包括均为垂直芯片50的一部分的上部和下部光电检测器阵列82、84的2D的阵列。每个硅芯片50包括一对相应的上部和下部光电检测器38_T、38_B。每个上部光电检测器38_T的活性区域94相对顶部闪烁层30_T设置并耦合至顶部闪烁层30_T，而每个下部光电检测器38_B的活性区域96相对底部闪烁层30_B设置并耦合至底部闪烁层30_B。硅芯片50优选在Z方向上彼此平行安装在闪烁阵列26的相邻行之间。每个芯片和其承载的闪烁体形成线性瓦状片段(tile)98。芯片形成x射线的不灵敏区域；因此，每个都优选是薄的，也就是0.1-0.15mm。

在一个实施例中，上部和下部光电检测器38_T、38_B可以是后触点的光电二极管并具有各自对闪烁引起的辐射很敏感的活性区域94、96。在其正面上优选设置具有电触点的正面光电检测器，诸如光电二极管或电荷耦合装置(CCD)检测光并将其转换成电信号，该电信号通过所述芯片的正表面上的导体传输至底部闪烁体之下的连接器。还可以设计成通过背部发光来转换光的其他检测器。

电子装置，诸如特别应用的集成电路(ASIC)(未示出)，产生电驱动输出来运转光电检测器阵列36，并接收由光电检测器阵列36产生的检测器信号。ASIC执行选定的检测器信号处理，得到将光电检测器电流转换成数字数据。

从每个层30的设素发出的信号被加权并组合，以形成光谱加权的图像数据。加权可包括将一个或多个设素层定为零点。通过在设素之间选择不同的相对加权，产生图像数据，其加强和削弱了能量谱图的选定部分，即选定的x射线能量吸收范围。通过适当地选择加权，可在特别选定的x射线能量吸收范围来重建CT图像，以加强某些组织，同时在重建图像中取代或基本抹去其他选定的组织。例如，可通过从单个设素加权中减去图像或信号来加强各自吸收线的任何一侧，以加强乳腺组织中的钙和造影剂中的碘。虽然图解了两层，但是可以理解的是可以存在多个层来提供更多级别的能量辨别能力。

继续参看图2，在一个实施例中，顶部和底部闪烁层30_T、30_B由相同闪烁材料制成。顶部闪烁层30_T较底部闪烁层30_B薄，以感应低能量x射线并透射高能量x射线。例如，顶部闪烁层30_T应吸收能量低于50keV的x射线，而透射75％或更多的能量高于90keV的x射线。在一个实施例中，用GOS来制备顶部和底部闪烁层30_T、30_B。在这种检测器中，可通过比大约0.5mm更薄的GOS顶部闪烁层30T以及厚度在大约1.3-大约2.0mm之间的GOS底部闪烁层30_B来达到吸收和透射标准。通常，光电检测器活性区域94、96制成与顶部和底部闪烁层30_T、30_B的厚度分别匹配。

包括透明、无散射、与光电检测器活性区域光学耦合的涂敷闪烁体的检测器的光收集效率L_Col-eff与光电检测器的活性区域A_A直接成比例，并可大概表述为：

A_{col - off} = \frac{A_{A} (1 - R_{Si})}{A_{P} (1 - R_{p}) + (A_{A} + A_{D}) (1 - R_{Si})},

其中A_A、A_D是光电检测器的“活性”和“非活性”区域，R_Si是光电检测器在闪烁体发射的波长下的漫反射系数，以及A_P、R_p是闪烁体晶体的涂敷区域的分别的面积和漫反射系数。

例如，对于具有大约95％反射涂层的1mm×1mm横截面的闪烁体来说，光收集效率L_Col-eff当闪烁层厚度为大约1.5mm时大约等于75％。当对于同一种闪烁体闪烁层厚度降低到大约0.25mm时，由于非常少量的发射光进入光电检测器的活性区域，光收集效率L_Col-eff降低大约15％。

透明的、低Z塑料光导材料，诸如PMMA(Perspex^TM)、聚乙烯对苯二酸盐(PET)、聚苯乙烯、聚碳酸酯(Lexan)、环氧树脂铸型等的矩形块或棱镜100光学耦合至阵列中每个顶部闪烁体30_T元件的顶面62。可替换地或额外的，闪烁体的底面光学耦合至透明棱镜。顶部闪烁体30_T的顶面64、顶部和底部闪烁层30_T、30_B的底面66、68和侧面70、72以及棱镜IDO的顶面112均被涂敷或覆盖有光反射涂层或层80。反射涂层80覆盖作为一个单元的棱镜和闪烁体。顶部闪烁层30_T发出的光运送到顶部光电检测器，其中一部分通过闪烁层且一部分通过棱镜。在闪烁体和棱镜100之间没有设置反射涂层。基本与顶部闪烁体30T和棱镜或块100的高度总合相等的上部光电检测器38_T的活性区域94的高度等于高度h1，其基本大于相连的顶部闪烁层30_T的厚度或高度h2。光电检测器的这种增大的活性区域将导致光收集效率的提高。在一个实施例中，顶层30_T的高度h2等于大约0.10mm，棱镜100的高度h3等于大约0.90mm，上部光电检测器活性区域94的高度h1等于大约1.00mm。在不降低由高度h4等于大约0.95mm的下部光电检测器活性区域96收集的光的情况下，上部光电检测器38_T的光收集效率L_Col-eff可增加到大约四倍。在图解的实施例中底部闪烁层30_B的高度h5等于大约1mm。

优选地，块或棱镜100的高度选择为与上部和下部光电检测器30_T、38_B的活性区域相等。

优选地，光学耦合材料，诸如光学耦合粘合剂102，设置在内侧60和光电检测器之间，以改善闪烁层30_T、30_B和光电检测器阵列36之间的光学耦合，并提高了光电检测器38_T、38_B的光收集效率。

因为现在底部闪烁层30_B和顶部闪烁层30_T均可由相同闪烁材料制成，由于仅仅需要建立和维持一个部件供应链，因此降低了生产成本。因为现在每个设素中的闪烁体对具有相同的x射线响应温度系数，还改善了图像质量。这减少了当在延长的成像期间检测器阵列升温的时候对再校正光谱响应的需求。

参看图4，下部闪烁层30B包括密集的、高Z材料，诸如钆氧硫化物(Gd₂O₂S、Pr、Ce或“GOS”)或镉钨酸盐(CdWO₄或“CWO”)，而上部闪烁层30_T包括高Z或低Z材料，诸如硒化锌(ZnSe)，优选地，其掺有碲(Te)。在这个实施例中，硒化锌闪烁体层大约1.5mm厚，如果需要的话，棱镜是大约0.5mm或更薄些。可替换地，上部层30_T包含钇铝石榴石(“YAG”)或其他具有小的x射线吸收使得仅仅吸收射束中的软x射线的材料。在钇铝石榴石的实施例中，闪烁体层大约1.0mm厚，棱镜大约0.5mm或更薄。可替换地，可利用闪烁体的组合，诸如0.5mm的YAG层、0.05mm的GOS层和0.5mm的棱镜。可替换地，棱镜可以是闪烁体，例如具有0.05mm的GOS的0.75mm的ZnSe层。还可尝试许多其他闪烁体和组合。

参看图5，闪烁阵列26包括设置在顶部和底部闪烁层30_T、30_B之间的中间闪烁层30₁、30₂……30_n。优选地，通常只有底层30_B是厚的，而底层30_B之上的每个层优选较薄仅仅对入射在各自中间层的小范围的x射线光谱做出响应。剩余的X射线光谱向前到达较低的中间层上。每个中间闪烁层30₁、30₂……30_n光学耦合至相应的中间光电检测器38₁、38₂……38_n。特别有利的是通过使用上述方法中的光学棱镜100₁、100₂……100_n来提高除了底层30_B之外的全部的光学高度，以引导来自每个中间闪烁层30₁、30₂……30_n的光到达相应的中间光电检测器38₁、38₂……38_n。通常，选择用于层n中的棱镜高度使得棱镜和各个闪烁层的高度总和大概与(图2修改的)闪烁体30_T、30_B的宽度w相等，因而确保了光电检测器活性区域与总涂敷区域的可接受的比例。

参看图6A和6B，栅格32包括立柱或带110，优选地，其每一个分别与每个相应的硅芯片50的厚度交迭。这样，栅格32保护硅芯片50不受到x射线辐射。例如，如果硅芯片是大约0.125mm厚，支柱110可以是大约0.140mm厚。

已经根据优选的实施例描述了本发明。显然地，在阅读和理解了上述详细说明书后能做出多种修正和替换。本申请旨在被解释为包括了落入附属的权利要求书或其等同物的范围之内的所有这些修正和替换。

Claims

1.一种辐射检测器(24)，包括：

上部闪烁体(30_T)，其设置在面对x射线源(14)的位置来接收辐射，将低能量辐射转换成光并透射高能量辐射；

第一光电检测器(38_T)，光学耦合至上部闪烁体(30_T)来接收上部闪烁体(30_T)发出的光并将其转换成电信号；

光学元件(100)，光学耦合至上部闪烁体(30_T)和第一光电检测器(38_T)，来收集并引导从上部闪烁体(30_T)发出的光进入第一光电检测器(38_T)；

下部闪烁体(30_B)，其设置在远离x射线源(14)的位置来将透射的高能量辐射转换成光；以及

第二光电检测器(38_B)，光学耦合至下部闪烁体(30_B)来接收下部闪烁体(30_B)发出的光并将其转换成电信号。

2.如权利要求1所述的辐射检测器，其中第一和第二光电检测器(38_T、38_B)相邻垂直地设置在层状闪烁体(30_T、30_B)的内侧(60)上。

3.如权利要求1所述的辐射检测器，其中上部闪烁体(30_T)具有厚度(h2)，第一光电检测器(38_T)具有其高度(h1)基本大于上部闪烁体厚度(h2)的活性区域(94)。

4.如权利要求1所述的辐射检测器，其中上部和下部闪烁体(30_T、30_B)由钆氧硫化物(GOS)制成。

5.如权利要求4所述的辐射检测器，其中上部闪烁体厚度(h2)等于大约0.1mm，第一光电检测器活性区域(94)的高度(h4)至少是0.65mm。

6.如权利要求1所述的辐射检测器，其中光学元件(100)是透明的低Z材料。

7.如权利要求1所述的辐射检测器，其中光学元件(100)包括下列至少之一：

PMMA(PERSPEX，有机玻璃)、

环氧树脂铸型、

PET聚乙烯对苯二酸盐、

聚碳酸酯(Lexan)、

聚苯乙烯、

YAG和

ZnSe。

8.如权利要求1所述的辐射检测器，还包括：

反射涂层(80)，设置在光学元件(100)的表面上不接触上部闪烁体的地方以及设置在闪烁体(30_T、30_B)除了与光电检测器(38_T、38_B)的光敏区域相邻的表面(60)之外的全部侧面上。

9.如权利要求1所述的辐射检测器，其中上部闪烁体(30_T)包括硒化锌和钇铝石榴石中的一种，以及下部闪烁体(30_B)包括钆氧硫化物。

10.如权利要求1所述的辐射检测器，还包括：

设置在上部和下部闪烁层(30_T、30_B)之间的连续层内的一个或多个中间闪烁体(30₁、30₂……30_n)，其中每个连续的中间闪烁体接收由更靠近x射线源(14)的闪烁体透射的辐射，并将较低能量的辐射转换成光并透射较高能量的辐射。

11.如权利要求10所述的辐射检测器，还包括：

中间光电检测器(38₁、38₂……38_n)，其每个光学耦合至各个中间闪烁体(30₁、30₂……30_n)，来接收从各个中间闪烁体(30₁、30₂……30_n)发出的光并将其转换成电信号；以及

中间光学元件(100₁、100₂……100_n)，其每个光学耦合至各个中间闪烁体(30₁、30₂……30_n)和中间光电检测器(38₁、38₂……38_n)，来收集并引导从各个中间闪烁体(30₁、30₂……30_n)发出的光进入各个中间光电检测器(38₁、38₂……38_n)。

12.一种计算机断层造影扫描仪(12)，包括权利要求1的辐射检测器的阵列。

13.一种x射线成像系统，包括：

x射线源；以及

如权利要求1所述的辐射检测器的二维阵列。

14.一种制备辐射检测器的方法，包括：

在上部和下部光电检测器的光敏表面上制作上部和下部闪烁体(30_T、30_B)；

将光学元件(100)光学耦合至上部闪烁体；

将光学元件和上部闪烁体光学耦合至上部光电检测器；以及

将下部闪烁体光学耦合至下部光电检测器。

15.如权利要求14所述的方法，其中上部闪烁体具有等于大约0.10mm的厚度(h2)，上部光电检测器具有其高度(h1)至少等于0.65mm的光敏表面(94)。

16.如权利要求15所述的方法，其中上部和下部闪烁体由相同闪烁材料制成。

17.如权利要求16所述的方法，其中上部和下部闪烁体由钆氧硫化物(GOS)制成。

18.如权利要求14所述的方法，其中上部闪烁体(30_T)具有厚度(h2)，每个上部光电检测器光敏表面(94)具有基本上大于上部闪烁体厚度(h2)的高度(h1)。

19.如权利要求14所述的方法，其中光学耦合光学元件至上部闪烁体包括光学耦合光学元件穿过上部和下部闪烁体的至少之一。

20.如权利要求14所述的方法，还包括：

除了光学元件和上部闪烁体与上部光电检测器耦合的表面之外，用反射涂层覆盖上部闪烁体和光学元件作为一个单元。

21.如权利要求14所述的方法，其中下部闪烁体包括GOS以及上部闪烁体包括以下至少之一：

GOS、

CdWO₄、

ZnSe以及

YAG。

22.一种由权利要求14的方法制得的辐射检测器。

23.一种辐射检测器，包括：

多个彼此相邻设置的瓦状片段，每个瓦状片段包括：

更薄闪烁体的上部阵列，其面对x射线源，以将低能量x射线转换成可见光并透射高能量x射线；

更厚闪烁体的下部阵列，与上层相邻地设置在x射线源对面，以将高能量x射线转换成可见光；

光电检测器的上部阵列，每个光电检测器具有相关联的活性区域，其每个均光学耦合至相关联的上部闪烁体，以感测上部闪烁体发出的可见光，每个上部光电检测器活性区域较相关联的上部闪烁体具有更大的垂直尺寸；

光电检测器的下部阵列，每个均具有相关联的活性区域，其活性区域光学耦合至下部闪烁体，以感测下部闪烁体发出的可见光；以及

光学元件，与每个上部闪烁体相邻设置并光学耦合至上部光电检测器的相应之一的活性区域，以收集从上部闪烁体发出的光并引导所收集的光到上部光电检测器活性区域，因而提高了上部光电检测器的活性区域的光收集效率。