CN101278208A - 使用薄电路的计算机断层摄影探测器 - Google Patents

使用薄电路的计算机断层摄影探测器 Download PDF

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Abstract

一种x射线探测器阵列(102)包括多个探测器元件或摄素(100)。每个探测器元件包括第一闪烁器(1061)、第二闪烁器(1062)、第一光电探测器(1101)和第二光电探测器(1102)。第一和第二光电探测器(1101，1102)被布置在第一和第二闪烁器(1061，1062)各自的侧面。多个探测器元件(100)的光电探测器(1101，1102)被诸如薄挠性电路的电路板(103)所承载。

Description

使用薄电路的计算机断层摄影探测器
本发明涉及用于计算机断层摄影(CT)系统的x射线探测器阵列。它还获得对于探测除x辐射以外的辐射的应用以及在需要辐射敏感探测器阵列的其它医疗和非医疗应用。
CT扫描器典型地包括接收由x射线管发射的x辐射的探测器。单切片系统常规包括排列在面向x射线管的横向弧上的一维阵列的探测器元件。最近，已经开发出具有精确的、在横向和纵向两个方向上延伸的探测器元件的二维阵列的多层探测器。
相对更常规的系统，多层或区域CT扫描器具有许多优点。例如，这些扫描器典型地提供了沿纵向或z轴增加的空间分辨率、增加的扫描速度、对相对大的体积进行扫描的能力、以及改进对x射线管功率的利用。除其它事项外，这些优点有助于促进开发新的临床应用，从而对患者护理产生重要的提高。
随着多层CT扫描器被广泛接受，趋向于进一步提供更多数目的纵向层以及因此更大的纵向覆盖和空间分辨率。然而，这种朝更大的探测器阵列发展的趋势已将探测器设计复杂化。例如，更大数目的探测器元件导致必须处理和路由相对更大数目的电子信号。此外，探测器元件之间的空间和死角具有各种有害效应，例如图像伪影的引入、减小了剂量利用率以及降低了空间分辨率。相对更大数目的探测器也将变得相对昂贵，并且对有效制造和装配探测器的需求也越来越突出。
此外，大多数CT系统常规上获得在单个相对宽能量范围上的辐射衰减信息。尽管单个能量系统已证明是并且仍将在多种临床应用中非常有用，但是它们在提供与受检对象的物质组成有关的信息方面能力有限。另一方面，双或多能量系统利用波谱信息提供有关对象的物质组成和其它信息。一种用于获取多能量信息的技术是使用多个探测器，所述探测器提供指示具有一个以上能量或能量范围的辐射的多个输出。然而正如将要领会到的，这样的探测器导致增加了物理和电子复杂度，并且还提供了额外的输出信号。当外加上朝更大探测器阵列发展的趋势时，这些问题越来越突出。
本发明的各方面致力于这些问题和其它问题。
根据本发明的第一个方面，x射线探测器阵列包括探测器元件的一维阵列和第一电路板。每个探测器元件包括第一闪烁器和布置在第一闪烁器侧面并光耦合到第一闪烁器的第一光电探测器。第一光电探测器接收由第一闪烁器发射的光并响应其产生电信号。多个第一光电探测器被所述电路板所承载。将第一光电探测器布置在第一电路板和第一闪烁器侧面之间。
根据本发明的更受限方面，第一电路板包括厚度为0.150mm或更薄的挠性电路。
根据本发明的另一方面，辐射探测器包括具有主表面的第一电路板；具有侧面、背面和接收辐射的正面的闪烁器阵列。辐射探测器也包括光电探测器阵列，其电连接到电路板并且与闪烁器阵列进行光通信以接收由其发射的光。将光电探测器阵列布置在闪烁器与电路板主表面之间。
根据本发明的另一方面，一种x射线探测器包括挠性电路和多个x射线探测器元件。挠性电路的厚度约小于0.150mm。每个探测器元件包括第一闪烁器，以及布置在第一闪烁器背面并接收穿过第一闪烁器的x辐射的第二闪烁器。每个探测器元件也包括电连接到挠性电路并与第一闪烁器进行光通信的第一光电二极管，以及电连接到电路板并且与第二闪烁器进行光通信的第二光电二极管。第一光电二极管被布置在第一闪烁器和挠性电路主表面之间。第二光电二极管被布置在第二闪烁器和挠性电路主表面之间。
本领域的技术人员通过阅读并理解随附的说明书将会领会到本发明的其它方面。
图1描述了CT系统；
图2a和图2b描述了探测器阵列；
图3描述了排列为形成精确的二维阵列探测器元件的多个探测器阵列；
图4描述了探测器阵列的一部分；
图5描述了探测器阵列；
图6是垂直堆叠的信号处理电路的截面视图。
参照图1，CT扫描器包括围绕检查区域14旋转的旋转机架18。机架18支撑x射线源12，例如x线管。机架18也支撑x射线敏感探测器20，其对着检查区域14对侧上的弧。由x射线源12产生的x射线穿过检查区域14并被探测器20所探测。因此，扫描器10产生指示沿着多个投影或射线的辐射衰减的扫描数据，所述多个投影或射线穿过布置在检查区域14上的对象。
诸如躺椅支架的支架16支撑检查区域14中的患者或其他对象。患者支架16优选地可沿纵向或z方向移动。在螺旋扫描中，支架16和机架18的运动沿着这样的方式相协调：x射线源12和探测器20相对于患者在大体螺旋路径上横向旋转。
探测器20包括布置在沿横向和纵向方向延伸的弓形阵列上的多个探测器元件100。在能谱(spectral)CT中，探测器20提供指示在两个或多个能量或能量范围处探测到的辐射的信号。在单层探测器的情况中，探测器元件100被排列沿横向延伸的弓形阵列上。
根据扫描器10和探测器20的构型，x射线源12产生通常为扇形、楔形、或者锥形的辐射束，其与探测器20的覆盖大致共同扩张。另外，还可以实施为所谓的第四代扫描器构型，其中探测器20跨越360度的弧并在x射线源12旋转时保持固定。此外，在多维阵列的情况下，各个探测器元件100可聚焦于x射线源12的焦点，并因此形成部分球面。
优选地位于旋转机架18上的数据采集系统26接收源自各个探测器元件100的信号，并提供必要的多路传输、接口、数据通信和类似功能。重建器26对数据进行重建以产生指示患者内部解剖的体积数据。此外，对来自各个能量范围的数据进行处理(重建之前、重建之后、或重建前后)，以提供有关受检对象的物质组成的信息。
控制器28根据执行期望扫描协议的需要调整各个扫描参数，包括x射线源12的各参数、患者躺椅16的运动以及数据测量系统26的操作。
通用计算机用作操作者控制台44。控制台44包括诸如监视器或显示器的人类可读输出设备和诸如键盘和鼠标的输入设备。驻留在控制台中的软件允许操作者通过建立期望的扫描协议、开始和终止扫描、观察和以其他方式操纵体积图像数据、以及以其他方式与扫描器进行交互从而控制扫描器的操作。
现在翻到图2a和图2b，探测器阵列102包括多个探测器元件1001、1002、1003、…100n，每个都连接到电路板103。每个探测器元件或摄素(dixel)100具有用于接收辐射的正面或辐射敏感面104，并且包括一个或多个闪烁器106以及一个或多个光电探测器110。
第一闪烁器1061和第二闪烁器1062按照从每个探测器元件100的正面向背面的顺序进行布置。
第一闪烁器1061和第二闪烁器1062的几何构型和材料优选地以这种方式进行选择：即第一闪烁器1061优先响应于具有相对较低能量的x辐射，而第二闪烁器1062相对更响应于较高能量的x辐射。在一个实施例中，第一闪烁器1061由以下材料制成，例如掺碲硒化锌(ZnSe:Te)、钨酸镉(CdWO4或CWO)或钇铝石榴石(YAG)，而第二闪烁器1062由掺Pr硫氧化钆(Gd2O2S:Pr或GOS)制成。预期还可以是其它材料及材料的组合。
当从正面104观察时，每个闪烁器106尺寸大约为1mmx1mm，尽管取决于特定应用的需要也可实现为其它尺寸。
将第一光电探测器1101相邻第一闪烁器1061一侧布置并与第一闪烁器1061进行光通信，第一光电探测器1101响应于由第一闪烁器1061发射的波长的光。将第二光电探测器1102相邻第二闪烁器1062一侧布置并与第二闪烁器1062进行光通信，第二光电探测器1102响应于由第二闪烁器1062发射的波长的光。
在一个实施例中，光电探测器110为厚度约为0.030mm的硅光电二极管，这是因为更薄的硅变得光学透明。光电二极管也可相对更厚，尽管增加光电二极管的厚度将增加排列在多维阵列中的探测器阵列102的间距。预期还可以是其它的光电二极管，例如砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)光电二极管、电荷耦合探测器或CMOS探测器。
在特别适合于获取有关三个或多个能量范围的信息的排列中，并且参照图4，每个探测器元件100可包括三个或多个闪烁器1061、1062、1063…106n，以及按照从探测器元件100的正面向其背面的顺序布置的三个或多个光电探测器1101、1102、1103…110n。再次，更靠近探测器100正面104布置的闪烁器106优先响应于较低能量的辐射，而更靠近探测器元件100背面定位的那些优先响应于较高能量的辐射。在三个闪烁器的探测器元件100中，合适的材料将分别包括ZnSe:Te、GOS和LySO，尽管预期可以是不同的材料及材料的组合。
此外，并且特别是在并不需要每个探测器元件100提供能谱信息的情况下，每个探测器元件100可仅包括单个闪烁器1061和光电探测器1101。
返回到图2a和图2b，由辐射衰减材料例如钨、钼或铅制成的辐射屏蔽层111保护光电探测器106遭受从源12入射的辐射。
适合的探测器实施方式同样在2005年4月26日提交的美国申请号为60/674,905的“Improved Detector Array for Spectral CT”以及2005年4月26日提交的美国申请号为60/674,900的“Double Decker Detector for SpectralCT”中进行了描述，这两份文献特意以引用方式并入本文中。
继续参照图2a、2b和图4，将多个探测器元件1001、1002、1003…100n中的每个的各自光电探测器110焊接到，经由导电环氧树脂连接到、或者以其它方式电连接到电路板103。
电路板103优选地为挠性电路，该挠性电路包括由以下材料构造的聚合物衬底，例如聚酰亚胺(PI)、诸如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚萘二甲酸乙二酯(PEN)的聚酯。该衬底带有导电线路(conductive trace)，其可在层压到衬底上的铜层中蚀刻得到，或者在银质导电油墨中印刷得到。也可使用其它适合的衬底和导电层。根据电信号的数目和密度，挠性电路103可包括一层、两层或多层电路。
电路板的厚度优选地小于约0.035mm，并且优选地稍稍小于约0.015mm。在电路板总厚度约为0.035mm的实施例中，衬底厚度约为0.025mm，而导电线路厚度约为0.010mm。在电路板总厚度约为0.070mm的实施例中，衬底厚度约为0.060mm。在电路板总厚度约为0.150mm的实施例中，衬底厚度约为0.140mm。尽管增加厚度将增加在多维探测器阵列中布置的探测器阵列102的间距，但是也可以使用相对更厚的电路板103。也可以实施为使用了相对更薄衬底和/或电路线路的相对更薄电路板103。此外，期望选择厚度可在市场上买到的衬底。
在一个或多个特殊应用的集成电路中包括有信号处理电路114a、114b例如复用器、放大器和模数转换器，所述集成电路还电连接到电路板103。信号处理电路114被布置在基本上闪烁器106后面的探测器阵列100背面。假设信号处理电路114的高度低于闪烁器106的深度(例如小于1mm)，该电路不会增加探测器阵列102的厚度。
在本发明的一些实施例中，信号处理电路114a、114b可使用挠性载体折叠真实芯片尺寸封装(FFCSP)技术进行封装，该技术描述于Yamazaki等人的“Real Chip Size Three-Dimensional Stacked Package”，IEEE Trans.OnAdvanced Packaging，第28卷，第3期，2005年8月，第397页以及下列等等，以及“Real Chip 3-Dimensional Stacked Package”，NEC Research andDevelopment，第22卷，第3期，2003年7月。这种技术在日本东京的NEC电子公司以商标FFCSPTM进行市场推广。
参照图6，将两个或多个集成电路604a、604b、604c、604d垂直堆叠。堆叠封装600包括两个或多个单芯片封装602a、602b、602c、602d。每个单芯片封装602包括集成电路604和由包裹铜电路走线608的热塑性树脂制成的挠性电路606。单芯片封装602通过在集成电路604的互连垫上形成金柱凸点603(使用球凸点方法和金丝)制成。集成电路604是焊接到挠性电路606上Ni/Au电极的倒装芯片。将挠性电路606围绕集成电路604的边缘进行折叠，并且粘贴到集成电路604的侧面和背面。借助于焊料凸点610电连接多个单芯片封装602。借助于焊料凸点612将堆叠封装电连接到挠性电路103上。
电连接器116a、116b提供到数据管理系统26或其它信号处理电子器件的电连接。导电线路118提供在光电探测器110、112、信号处理电路114和电连接器116之间需要的电连接。更具体地，信号处理电路114接收来自与探测器阵列102中的各个探测器元件100相关联的光电探测器110的信号。通过对这些信号进行适合的复用、放大以及将其转换成数字形式，能够减少需要通过连接器116进行连接的互连数目，并且合成信号也将变得相对不受噪声影响。信号处理电路可由电路板103承载，当然它也可以在其它地方。
支架109提供机械支撑并且可用于安放探测器20中的探测器阵列102。也可使用键槽115来方便探测器20中探测器阵列102的安放和/或对准。探测器阵列100也可使用环氧树脂、硅或其它适合的灌封胶进行灌封。
如上所述，将电路板103连接到多个探测器元件100。尽管图2a描绘了布置在1×8阵列中的八(8)个探测器元件100，但是其它特别有利的阵列尺寸包括1×16、1×32或1×64阵列。根据特定应用的需要，可实施为其它更大或更小的阵列。
尽管以上讨论集中在每个探测器元件100的成分，但是若将光电探测器110制成n×p的光电二极管阵列则可简化102探测器阵列102的结构，其中n为探测器阵列102中探测器元件100的数目，而p为与每个探测器元件或摄素100相关联的光电探测器110的数目。使用光学粘胶剂将颗同样制成一个或多个闪烁器阵列的闪烁器106粘贴到各个光电探测器110的辐射敏感面，以形成1×n阵列的探测器元件100。
特别是在探测器阵列102中元件100的数目n很大的情况下，若将光电探测器110制成两个或多个子阵列，则也可简化探测器阵列102的结构。将多个子阵列和相关联的闪烁器连接到电路板103，以形成具有期望数目的元件的探测器阵列102。
在另一排列中，探测器阵列102包括n×p阵列的光电探测器110和多个电路板103。然后将每个电路板连接到该阵列中n个探测器元件的子集。
根据另一排列，并参照图5，可将额外的电路板502大致布置在闪烁器106的后面。然后将一个(或多个)电路板103电连接到额外电路板502。将信号处理电路114和连接器116电连接到电路板502。
使用适合的机械安放排列将多个探测器阵列102优选地排列在探测器20中，以形成具有期望横向和纵向范围的探测器元件100的二维阵列。在一个实施例中，键槽115帮助探测器阵列102的配准。
如上所述，探测器20优选地对着在扫描器横向平面中延伸的弧形段。附图3描绘了延z轴观察，或反过来说投影在扫描器横向平面上的多个探测器阵列102a、102b、102c。在第三代扫描器的情况中，每个探测器元件100的辐射接收面104a、104b、104c可被视为大体上垂直于线302a、302b、302c，所述三条线在从这里的共同距离处相交于x射线源12的焦点。为将位于探测器阵列102a、102b、102c之间的死角最小化，将探测器阵列的横向间隔最小化。如所看到的，将各个光电探测器110和电路板103的厚度最小化允许将探测器阵列102相对更靠近地放置在一起。图3所示排列的几何构型也允许信号处理电路114在没有有害影响探测器阵列102a、102b、102c的横向间隔的情况下延伸超过闪烁器106。同样可以沿横向方向布置探测器阵列。
根据探测器20的期望纵向范围，每个探测器阵列100可包括足以覆盖期望纵向范围的元件数目n。或者，可将多个探测器阵列102沿纵向方向堆叠或平铺，以提供期望的纵向范围。还应注意到的是，如需要可纵向偏移探测器阵列102，使得每层中的探测器元件100相对于彼此偏移。
当然，他人在阅读并理解了前面描述的基础上将会想到修正或变更。本发明旨在被解释为包括落入随附权利要求或其等价物的范围内的所有这些修改和变更。

Claims (30)

1、一种x射线探测器阵列，包括：
探测器元件(100)的一维阵列(102)，每个探测器元件包括：
第一闪烁器(1061)，其包括背面、侧面和接收x辐射的正面；以及
第一光电探测器(1101)，其被布置在所述第一闪烁器(1061)侧面并光耦合到所述第一闪烁器(1061)，其中，所述第一光电探测器接收由所述第一闪烁器(1061)发射的光并响应其产生电信号；以及
第一电路板(103)，其中，多个所述第一光电探测器(1101)被所述第一电路板(103)所承载，并且其中，将所述第一光电探测器(1101)布置在所述第一电路板(103)和所述第一闪烁器(1061)侧面之间。
2、如权利要求1所述的x射线探测器阵列，其中，所述第一电路板(103)包括厚度为0.150mm或更薄的挠性电路。
3、如权利要求2所述的x射线探测器阵列，其中，每个探测器元件(100)还包括：
第二闪烁器(1062)，其被布置在所述第一闪烁器(1061)背面，并且包括背面、侧面和接收x辐射的正面；
第二光电探测器(1102)，其被布置在所述第二闪烁器(1062)侧面并光耦合到所述第二闪烁器(1062)，其中，所述第二光电探测器(1102)接收由所述第二闪烁器发射的光并响应其产生电信号，并且其中，多个所述第二光电探测器电连接到所述挠性电路。
4、如权利要求2所述的x射线探测器阵列，其中，每个探测器元件(100)还包括：
第三闪烁器(1063)，其被布置在所述第一闪烁器(1061)背面，并且包括背面、侧面和接收x辐射的正面；
第三光电探测器(1103)，其被布置在所述第三闪烁器(1063)侧面并光耦合到所述第三闪烁器(1063)，其中，所述第三光电探测器接收由所述第三闪烁器发射的光并响应其产生电信号，其中，多个所述第三光电探测器(1103)被所述挠性电路所承载。
5、如权利要求1所述的x射线探测器阵列，其中，所述第一电路板(103)厚度为0.150mm或更薄。
6、如权利要求5所述的x射线探测器阵列，其中，所述第一电路板(103)厚度为0.070mm或更薄。
7、如权利要求6所述的x射线探测器阵列，其中，所述光电探测器(110)包括厚度约为0.030mm的光电二极管。
8、如权利要求5所述的x射线探测器阵列，其中，所述电路板(103)包括衬底，并且所述衬底包括PI、PEN或聚酯。
9、如权利要求1所述的x射线探测器阵列，其中，所述第一光电探测器(1101)包括光电二极管，并且其中，多个所述光电二极管是在公共衬底上制造的。
10、如权利要求1所述的x射线探测器阵列，包括第二电路板，其中，第一多个所述第一光电探测器(1101)被所述第一电路板所承载，并且第二多个所述第一光电探测器(1101)被所述第二电路板所承载。
11、如权利要求1所述的x射线探测器阵列，还包括多个x射线探测器阵列(102)，其被排列为形成多维探测器阵列。
12、如权利要求11所述的x射线探测器阵列，其中，所述多维阵列呈弓形。
13、如权利要求12所述的x射线探测器阵列，其中，所述多维阵列形成部分球面。
14、如权利要求1所述的x射线探测器阵列，还包括由所述第一电路板承载的并与多个所述第一光电探测器电连通的复用器(114)，其中，所述复用器被布置在所述第一闪烁器背面。
15、如权利要求14所述的x射线探测器阵列，还包括由所述第一电路板承载的多个垂直堆叠的集成电路。
16、一种辐射探测器阵列，包括：
第一电路板(103)，其具有主表面；
闪烁器阵列(106)，其具有侧面、背面和接收辐射的正面；
光电探测器阵列(110)，其电连接到所述电路板，并与所述闪烁器阵列进行光通信以便接收由其发射的光，并且其中，所述光电探测器阵列被布置在所述闪烁器阵列和所述第一电路板主表面之间。
17、如权利要求16所述的探测器阵列，其中，所述第一电路板(103)厚度为0.150mm或更薄。
18、如权利要求17所述的探测器阵列，其中，所述光电探测器阵列(110)厚度约为0.030mm。
19、如权利要求17所述的探测器阵列，其中，所述第一电路板(103)的所述厚度为0.070mm或更薄。
20、如权利要求19所述的探测器阵列，其中，所述第一电路板(103)的所述厚度为0.035mm或更薄。
21、如权利要求20所述的探测器阵列，其中，所述第一电路板包括衬底，并且其中，所述衬底包括PI。
22、如权利要求16所述的探测器阵列，其中，所述光电探测器阵列(110)和所述闪烁器阵列(106)为二维阵列，并且其中，所述光电探测器阵列包括更靠近所述闪烁器阵列正面布置的第一多个光电探测器，以及更靠近所述闪烁器阵列背面布置的第二多个光电探测器。
23、如权利要求16所述的探测器阵列，其中，所述光电探测器阵列(110)中的所述光电探测器是在公共衬底上制造的。
24、如权利要求22所述的探测器阵列，其中，所述光电探测器阵列(110)包括布置在所述第一多个光电探测器和所述第二多个光电探测器之间的第三多个探测器。
25、如权利要求16所述的探测器阵列，其中，所述闪烁器阵列(106)包括多个闪烁器元件，并且其中，每个闪烁器元件的横向尺寸约为1mm×1mm。
26、如权利要求16所述的探测器阵列，包括具有主表面的第二电路板，其中，将所述光电探测器阵列中的第一多个光电探测器电连接到所述第一电路板，并且将第二多个光电探测器电连接到所述第二电路板。
27、如权利要求16所述的探测器阵列，包括布置在所述闪烁器阵列背面的信号处理电路。
28、如权利要求27所述的探测器阵列，其中，所述信号处理电路包括多个垂直堆叠的集成电路。
29、一种x射线探测器，包括：
挠性电路(103)，其厚度约小于0.150mm，并且具有第一主表面；
多个x射线探测器元件(100)，每个探测器元件包括：
第一闪烁器(1061)，其包括侧面和接收x辐射的正面；
第二闪烁器(1062)，其被布置在所述第一闪烁器背面，并且接收穿过第一闪烁器的x辐射；
第一光电二极管(1101)，其被电连接到所述挠性电路并与所述第一闪烁器进行光通信，并且其中，所述第一光电二极管被布置在所述第一闪烁器和所述挠性电路主表面之间；
第二光电二极管(1102)，其被电连接到所述挠性电路并与所述第二闪烁器进行光通信，并且其中，所述第二光电二极管被布置在所述第二闪烁器和所述挠性电路主表面之间。
30、如权利要求29所述的x射线探测器，包括多个x射线探测器，其被排列为形成平铺式探测器阵列。
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