CN101903801B - 具有复合树脂中的闪烁体的辐射敏感探测器 - Google Patents

具有复合树脂中的闪烁体的辐射敏感探测器 Download PDF

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Abstract

辐射敏感探测包括光电传感器元件(122)和光耦合至光电传感器元件(122)的闪烁体(116)。闪烁体(116)包括粉状闪烁体和与粉状闪烁体混合的树脂。粉状闪烁体和树脂之间的折射率不匹配小于7％。在一个非限制性的实例中，复合闪烁体材料可以用于形成布置为常规CT或光谱CT中的高分辨率探测器阵列的光纤叶片。

Description

具有复合树脂中的闪烁体的辐射敏感探测器
本申请通常涉及辐射敏感探测器。虽然特别应用于计算机断层摄影（CT）系统而描述本申请，但本申请还可以涉及其他医学和非医学成像应用。
计算机断层摄影（CT）系统包括电离辐射源和辐射敏感探测器，该电离辐射源围绕检查区域旋转并发射横穿检查区域的辐射，该辐射敏感探测器探测横穿检查区域的辐射。这样的探测器阵列可以包括具有多行和多列元素（探测器元件）的二维辐射感测探测器阵列。每个元素包括闪烁体元件，该闪烁体元件产生通过吸收x射线而被刺激的光，并且光耦合至光电传感器的相应的元件。闪烁体元件接收电离辐射并产生指示电离辐射的光，并且，光电传感器接收光并产生指示光的电信号。对信号进行重建以生成指示检查区域的体积图像数据。可以处理体积图像数据以生成指示检查区域的一个或多个图像。
通常，通过烧结闪烁体粉末或通过在高温和高压下结晶而制造闪烁体。遗憾地，这些过程可能是微妙的和昂贵的，并且产生要求繁琐的构建的脆性的闪烁体，以形成辐射敏感探测器的闪烁体像素的阵列。
还可以使用不包括烧结和结晶的技术。经由示例，Pham Gia等人（2005年的11月22日提交的美国专利7,265,357B2）公开了包括粉状钆硫氧化物（Gd2O2S或GOS）和石蜡的混合物的闪烁体。遗憾地，GOS具有大约2.2的折射率（n），而石蜡具有大约1.4至1.6的折射率。所以，这两种材料之间的折射率不匹配大于27%，这可能导致粒子边界处的相对大量的散射，从而降低光效率。
如果聚合物具有大于1.7的折射率，则Pham Gia等人的公开是可优选的。为此，Pham Gia等人将0.5%至2.0%之间的纳米粒子二氧化钛（TiO2）与石蜡混合，以提高聚合物的折射率。将2.0%的TiO2加至石蜡可以提高聚合物的折射率并且可以降低GOS和聚合物之间的折射率不匹配，从而不匹配可以不超过25%。然而，这样的不匹配仍然可能导致粒子边界处的相对大量的散射，从而降低光效率。增加另外的TiO2可能导致提高的散射和浑浊。
本申请的各方面解决上面所提到的问题及其他。
根据一个方面，辐射敏感探测器包括光电传感器元件和光耦合至光电传感器元件的闪烁体，其中，所述闪烁体包括多个光纤叶片，所述光纤叶片包括平行于入射辐射而堆叠的复合荧光材料并且使所发射的光向下集中至所述光电传感器元件，或者其中，所述闪烁体包括多个光纤叶片，所述光纤叶片包括垂直于入射辐射而堆叠的复合荧光材料并且使所发射的光横向地集中至所述光电传感器元件。闪烁体包括粉状闪烁体和与粉状闪烁体混合的树脂。粉状闪烁体和树脂之间的折射率不匹配小于百分之七（7%）。
在另一方面，医学成像系统包括发射横穿检查区域的辐射源和探测横穿检查区域的辐射的探测器阵列。探测器阵列包括多个光电传感器元件和光耦合至多个光电传感器元件的闪烁体，其中，所述闪烁体包括多个光纤叶片，所述光纤叶片包括平行于入射辐射而堆叠的复合荧光材料并且使所发射的光向下集中至所述光电传感器元件，或者其中，所述闪烁体包括多个光纤叶片，所述光纤叶片包括垂直于入射辐射而堆叠的复合荧光材料并且使所发射的光横向地集中至所述光电传感器元件。闪烁体包括粉状闪烁体和与粉状闪烁体混合的树脂。粉状闪烁体和树脂之间的折射率不匹配小于百分之十（10%）。
在另一方面，辐射敏感探测器包括具有复合闪烁体材料的光纤叶片形式，复合闪烁体材料包括嵌入匹配的折射率的树脂的闪烁体粉末。在一个这样的实施例中，光纤叶片取向为垂直于入射的x射线辐射，从而以高的光谱分辨率探测入射的x射线辐射。在第二实施例中，该叶片取向为与入射的x射线辐射平行，从而以高的空间分辨率探测入射的x射线辐射。
在阅读并理解下列详细的说明书的基础上，本领域普通技术人员将意识到本发明的更进一步的方面。
本发明可以采取各种部件和部件的布置的形式，并且可以采取各种步骤和步骤的布置的形式。附图仅仅用于图解优选实施例的目的，不被解释为限制本发明。
图1图解示例的成像系统；
图2图解示例的闪烁体像素；
图3图解元素光效率的图表；
图4图解示例的方法；
图5图解示例的闪烁体；
图6图解示例的闪烁体晶片；
图7图解与具有高的空间分辨率的耦合的光电传感器的阵列连接的示例的闪烁体；
图8图解具有耦合的光电传感器的示例的多层光谱CT闪烁体。
关于图1，计算机断层摄影（CT）系统100包括旋转扫描架部分102，该旋转扫描架部分102围绕纵轴或z轴106的周围的检查区域104旋转。旋转扫描架部分102支撑诸如x射线管的x射线源108，x射线源108生成并发射横穿检查区域104的辐射。
辐射敏感探测器阵列110针对多个投影角或视图而探测源108所发射的辐射，从而遍及至少一百八十（180）度加上扇形角而获得投影。探测器阵列110生成指示所探测到的辐射的信号或投影数据。要意识到，探测器阵列110可以是在积分周期期间对指示所探测到的辐射的电流或电压进行积分的积分探测器或经由两个或更多能量窗而对所探测到的光子进行能量分解的计数探测器。
所图解的探测器阵列110包括耦合至相应的多行118和多列120光电传感器元件122的多行112和多列114闪烁体像素116。滤波器124至少存在于闪烁体像素116之间。在一个非限制性的示例中，探测器阵列110可以包括十六（16）行，每行十六（16）个元素，元素包括闪烁体像素116和相应的光电传感器元件122，从而成为具有二百五十六（256）个元素的探测器阵列110。还预期其他数量的元素。另外，还可以与多个光电传感器元件一起采用单个闪烁体像素，反之亦然。
辐射照在闪烁体像素116上，闪烁体像素116产生指示辐射的光，并且，光由光电传感器122接收。可以包括光电二极管、光电元件等的光电传感器122各自产生指示从相应的闪烁体像素116接收的光的信号。要意识到，所图解的探测器阵列110中的闪烁体像素116和光电传感器元素122的数量、尺寸、形状、闪烁体像素116和光电传感器元素122之间的间距等是出于解释的目的而提供并且是非限制的。
如以下更详细地所描述的，闪烁体像素116包括复合材料，诸如粉状的闪烁体/树脂的混合物，其中，粉状的闪烁体和树脂具有基本上匹配的折射率，从而复合物相对于具有更大的折射率不匹配的混合物而具有相对更高的光效率。例如，折射率不匹配可以小于百分之十（10%），诸如小于百分之七（7%），并且，光效率可以大于百分之五十（50%）。这样的复合材料可以通过将粉状闪烁体分散在树脂中但不烧结粉末也不通过结晶形成大的晶体而形成。
重建器126重建探测器阵列110所生成的投影数据以生成体积图像数据。体积图像数据指示检查区域104内的对象。
计算机用作操作者控制台128。控制台128包括诸如监视器或显示器的人类可读输出设备以及诸如键盘和鼠标的输入设备。驻存在工作台上的软件允许操作者例如通过图形用户界面（GUI）控制扫描器100并与扫描器100交互。
诸如躺椅的对象支撑130支撑检查区域104中的患者或其他对象。对象支撑130是可移动的，以便相对于检查区域104而引导对象，同时执行扫描程序。
图2示出了示例的闪烁体元件116。所图解的闪烁体元件116具有大约三（3）毫米（mm）的高度“H”、大约一（1）mm的宽度“W”以及大约一（1）mm的长度“L”。所图解的闪烁体元件116包括粉状闪烁体以及诸如环硫和聚环硫的树脂的复合材料。复合材料包括按重量大约为百分之七十（70）的合适的闪烁体。合适的闪烁体的示例包括如US4,958,080中所讨论的单晶LYSO(LU1.8Y.2SiO5:Cex)或LSO(Ce2xLu2(1-x)SiO5)。适当的环硫的示例包括US6,534,589中所讨论的环硫。粉状闪烁体具有大约1.81的折射率（n），并且树脂具有大约1.71的折射率。如此，折射率不匹配是大约百分之五点五（5.5%）。所图解的闪烁体元件116的光输出效率大于百分之五十（50）。就是说，通过来自粉末的闪烁而发射的光学光子的多于百分之五十（50）从闪烁体元件的基底出现，以便由光电传感器收集。图3描绘了示出根据树脂的折射率的包括LYSO（n=1.81）和树脂的混合物的该几何结构的元素的光输出效率的图表。
图4图解用于形成所图解的闪烁体元件116的示例的方法。在402，获得适量的树脂和粉状闪烁体。在一个实施例中，这包括获得大约二点五（2.5）克（g）树脂和大约一点五（1.5）g LYSO粉末。在404，然后，对树脂和粉状闪烁体进行处理。经由示例，对粉状闪烁体和树脂进行除气。这可以包括在具有小于三百（300）托的压力的真空下在室温（大约二十（20）摄氏度）下单独地对粉状闪烁体和树脂进行除气。在406，在大约三十（30）分钟或更久的除气之后，将粉状闪烁体加到树脂。在一个实例中，在真空下将粉状闪烁体加到树脂。
在408，混合粉状闪烁体和树脂。在一个实例中，例如通宵地使用旋转球磨机，或持续几分钟地使用诸如Synergy Devices Speedmixer的高速离心搅拌机而混合粉状闪烁体和树脂。在410，对混合物进行处理。经由示例，如在US6,531,532中所讨论的，可以在300托或更大的真空下在室温下对混合物进行除气两（2）个小时。在412，将混合物投入玻璃、聚四氟乙烯（PTFE）、另一合成的含氟聚合物或者与期望的尺寸的晶片相对应的其他材料模具中。在414，对混合物进行处理。例如，可以在真空下在三十（30）摄氏度对混合物加热大约十五（15）分钟。
在416，然后，在九十（90）摄氏度对混合物进行固化大约四十八（48）小时。在418，通过以每小时二十（20）摄氏度的速度冷却至室温而对晶片进行退火，以形成闪烁体晶片。在一个示例中，晶片可以是大约十八（18）mm宽乘以二十五（25）mm长乘以三点五（3.5）mm高。在420，使用精密旋转锯等将晶片切成方块，以形成合适的尺寸的闪烁体元件。例如，在一个实例中，如图2中所示，作为结果的元件116是大约三（3）mm（H）乘以一（1）mm（W）乘以一（1）mm（L）。在另一示例中，作为结果的元素是大约一点五（1.5）mm乘以一（1）mm乘以一（1）mm。每个元素可以吸收大约百分之九十八（98%）的入射辐射。还预期其他尺寸。可以在环氧树脂中使用诸如包括微粒子（0.3μ）二氧化钛（TiO2）的化合物的反射的未充满的化合物来填充闪烁体元件之间的间隙。
对变化进行讨论。
在另一实施例中，可以将诸如包括但不限于硬脂酸、油酸或脂肪酸、氨基酰胺（aminamide）等的表面活性剂的润湿剂加入粉状闪烁体/树脂的混合物，这可以辅助树脂中的粉状闪烁体的分散。
另外，诸如LiAlH4、NaBH4的还原剂可以被包括在粉状闪烁体/树脂的混合物中，以缓解由于闪烁体中的辐射所诱导的诸如H2O、HCl的小分子的形成而可能发生的染色。
在以上所讨论的示例中，粉状闪烁体包括LYSO。在另一实施例中，Lu可以部分地或完全地被钪（Sc）代替，这可以导致更小的密度的闪烁体材料。在一个实例中，作为结果的闪烁体材料可以具有相对于LYSO更低的折射率，并且可以改进光收集效率。
在其他实施例中，预期其他闪烁体材料。例如，可以另外或可替代地使用一个或多个下列材料：
掺铊的碘化铯（CsI(T1)）（n=1.79）、掺铊的碘化钠（NaI(T1)）（n=1.85）、掺纳的碘化铯（CsI(Na)）（n=1.84）、其他碱卤、LSO、石榴石（一般公式X3Y2(ZO4)3），其中X是二价且Z是四价金属离子，或X3Y2(ZO4)3，其中所有金属离子都是三价（～1.7<n<～1.9）和/或其他闪烁体材料。尽管CsI(T1)是吸湿的，并且因而单晶的形式的使用受到限制，但CsI(T1)可以纳入复合材料中，借此树脂封闭CsI(T1)，致使CsI(T1)难以接近而受到大气湿度攻击。
合适的石榴石的示例包括但不限于掺有Ce3+或Pr3+的石榴石，这些石榴石通常是快速发射极，因为它们具有小于一百（100）纳秒（ns）的衰减时间，诸如Y3Al5O12:Ce、Lu3Al5O12:Ce、Gd3Al5O12:Ce、(Lu,Y,Gd)3Al5O12:Ce、(Lu,Y,Gd3)Ga5O12:Ce、(Lu,Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce、Ca3Sc2Si3O12:Ce、(Ca)3(Sc,Al)2Si3O12:Ce、Y3(Sc,Al)5O12:Ce、Lu3(Sc,Al)5O12:Ce、(Lu,Y)3(Sc,Al)5O12:Ce、(Lu,Y)3(Sc,Al,Ga)5O12:Ce、Y3Al5O12:Pr、Lu3Al5O12:Pr、(Lu,Y)3Al5O12:Pr以及掺有Nd3+或Er3+的石榴石。
其他合适的化合物包括如LnI3:Ce、LnBr3:Ce、LnCl3:Ce、Ln2SiO5:Ce、Ln2Si2O7:Ce、RbLn2Br7:Ce、M2LnH5:Ce(M=Li、Na、K、Cs、Rb，并且H=F、Cl)的镧系元素(Ln=Sc、Y、La、Gd、Lu)的化合物；其他合适的化合物包括相应的掺有Pr3+的材料。其他合适的化合物包括如SrS:Ce或CaS:Ce的其他材料以及掺有Eu2+的相同的主晶格和主晶格涂层的组合，所述其他材料可以另外涂有诸如Al2O3、SiO2等的薄的适形的保护涂层。其他合适的粉状闪烁体包括具有小于十（10）微秒（μs）的发射衰减时间的激活剂离子。合适的激活剂离子包括但不限于Ce3+、Nd3+、Pr3+、Eu2+、Er3+、Tl+。另外，粉状闪烁体可以包括但不限于薄的适形的保护涂层。
在其他实施例中，预期其他树脂。例如，在另一实施例中，树脂包括诸如US6,534589B1中所讨论的环硫的环硫。在另一实施例中，树脂包括诸如US6,891,017中所讨论的Essilor环硫的环硫。在另一实施例中，树脂包括诸如US7,274,024B2中所讨论的环氧树脂的具有添加物的环氧树脂。在另一实施例中，树脂包括诸如在US7,091,307B2中所讨论的聚合物的包括硫的聚合物。在另一实施例中，树脂包括诸如在美国公开2006/0022356A17中所讨论的聚碳二亚胺的聚碳二亚胺。
图5图解诸如以上所描述的闪烁体复合材料的闪烁体复合材料500与具有防散射格栅504的闪烁体阵列502连接使用的实施例。防散射格栅504包括可以由相对薄的金属部分形成的防散射板。在所图解的示例中，在聚合之前将闪烁体复合材料500铸造到分隔件508之间的间隙506中。分隔件508可以涂有反光材料，诸如白漆或其他反光材料的薄层。可以经由浸渍过程而涂覆这样的层。可替代地，分隔件508可以镀有铝、银或另一种明亮的金属涂层。
图6图解诸如以上所描述的闪烁体复合材料的闪烁体复合材料用于形成“闪烁光纤”纤维、叶片或薄板602的实施例。在该示例中，在聚合之前首先铸造、滚动或挤压闪烁体复合材料以形成薄板602，例如一百（100）微米厚。薄板602可以涂有低折射率（例如，n=1.4）的薄膜。这样的薄膜604可以小于二（2）微米厚。可以通过浸渍、蒸发或其他技术应用薄膜以提供“荧光光纤”叶片元件。
图7图解薄板602与耦合至光电二极管阵列704的闪烁体阵列702结合使用的实施例。如图所示，在该示例中，薄板602定位在光电二极管706的上方。各自大约九十（90）微米厚的十（10）块涂层薄板602定位在格栅板708之间，各组五（5）块薄板在相应的光电二极管706上对齐。这样的闪烁体配置可以将光供给至每个零点五（0.5）mm宽的光电二极管。在高清晰度的CT扫描器的该实施例中，如果光电二极管706的有源区域制得足够小，则CT扫描器的分辨率仅受到焦斑尺寸的限制。在可替代的实施例中，可以可替代地使用数字光子计数元件。在该情况下，片上开关可以用于在高计数率下将各信道分开。
图8图解薄板602在光谱CT配置中使用的实施例。在图8中，x射线从图的顶部向下入射，其中，多块薄板602彼此平行并垂直于冲击辐射的方向而对齐。在该配置中，薄板602将光输出横向地递送至多排光电二极管，这些光电二极管可以是模拟的或数字的。更具体地，在一系列大约三十个复合材料闪烁体叶片602中吸收入射辐射，每个叶片例如垂直堆叠为一百（100）微米厚以达到所要求的阻止能力。所发射的荧光受到光纤的约束以使旁路集中到达光电二极管阵列802的敏感区域，所述光电二极管可以各自为100微米高或更高。
在所图解的用于在光谱CT中使用的实施例中，光电二极管802是多像素光子计数阵列，由单独的入射光子触发至盖革雪崩效应（Geigeravalanche action）。作为结果的信号由脉冲计数电路804处理并且通过读出电子设备806输出。堆叠的甲板的几何结构为与闪烁体相对的许多二极管提供足够的面积，这提供宽的动态范围（最大计数率/最小计数率）。在一个实施例中，每个闪烁体薄板602内的横向投影的光路为一（1）mm或更小，许可粉末和塑料矩阵（matrix）树脂之间的相当程度的折射率不匹配，不具有大量光损失。
已经关于优选实施例而描述本发明。在阅读并理解前面的详细的说明书的基础上，可以对其他进行修改和变更。其意在将本发明构造为包括所有这样的修改和变更，只要它们落在所附权利要求书及其等同物的范围内。

Claims (15)

1.一种辐射敏感探测器，包括：
光电传感器元件（122）；以及
闪烁体（116），其光耦合至所述光电传感器元件（122），其中，所述闪烁体（116）包括多个光纤叶片，所述光纤叶片包括平行于入射辐射而堆叠的复合荧光材料并且使所发射的光向下集中至所述光电传感器元件，所述闪烁体（116）包括：
粉状闪烁体；以及
与所述粉状闪烁体混合的树脂，其中，所述粉状闪烁体和所述树脂之间的折射率不匹配小于7%。
2.如权利要求1所述的探测器，其中，所述粉状闪烁体包括LYSO。
3.如权利要求1所述的探测器，其中，所述树脂包括聚环硫、硫基聚合物或聚碳二亚胺中的一个。
4.如权利要求1所述的探测器，其中，所述树脂包括塑料矩阵。
5.如权利要求1所述的探测器，其中，所述粉状闪烁体包括来自包括以下的组的材料：Gd3Al5O12:Ce、(Y,Gd)3Al5O12:Ce、(Lu,Y,Gd3)Ga5O12:Ce、(Lu,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce、Ca3Sc2Si3O12:Ce、(Ca)3(Sc,Al)2Si3O12:Ce、Y3(Sc,Al)5O12:Ce、Lu3(Sc,Al)5O12:Ce、(Lu,Y)3(Sc,Al)5O12:Ce、(Lu,Y)3(Sc,Al,Ga)5O12:Ce、Y3Al5O12:Pr、Lu3Al5O12:Pr以及(Lu,Y)3Al5O12:Pr。
6.如权利要求1所述的探测器，其中，所述粉状闪烁体包括来自包括掺有Nd3+的石榴石和掺有Er3+的石榴石的组的材料。
7.如权利要求1所述的探测器，其中，所述粉状闪烁体包括来自包括LnI3:Ce、LnBr3:Ce、LnCl3:Ce、Ln2SiO5:Ce、Ln2Si2O7:Ce、RbLn2Br7:Ce、M2LnH5:Ce和掺有Pr3+的对应的盐的组的材料。
8.如权利要求1所述的探测器，其中，所述粉状闪烁体包括来自包括以下的组的材料：SrS:Ce、涂有Al2O3的SrS:Ce、涂有SiO2的SrS:Ce、CaS:Ce、涂有Al2O3的CaS:Ce和涂有SiO2的CaS:Ce，和掺有Eu2+的相同的主晶格和主晶格涂层的组合。
9.如权利要求1所述的探测器，其中，所述探测器包括多个光电传感器元件（122），并且所述闪烁体（116）包括多个闪烁体像素（116），其中，每个闪烁体像素（116）与所述多个光电传感器元件（122）中的一个相对应。
10.如权利要求1所述的探测器，其中，所述探测器是积分探测器。
11.一种医学成像系统，包括：
辐射源（108），其发射横穿检查区域的辐射；
探测器阵列（110），其探测横穿所述检查区域的辐射，所述探测器阵列（110）包括：
多个光电传感器元件（122）；以及
闪烁体（116），其光耦合至所述多个光电传感器元件（122），其中，所述闪烁体（116）包括多个光纤叶片，所述光纤叶片包括平行于入射辐射而堆叠的复合荧光材料并且使所发射的光向下集中至所述光电传感器元件，所述闪烁体（116）包括：
粉状闪烁体；以及
与所述粉状闪烁体混合的树脂，其中，所述粉状闪烁体和所述树脂之间的折射率不匹配小于10%。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述粉状闪烁体包括具有小于10纳秒的发射衰变时间的激活剂离子。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述激活剂离子是Ce3+、Nd3+、Pr3+、Eu2+、Er3+、Tl+中的一个。
14.如权利要求11所述的系统，其中，所述粉状闪烁体包括薄的适形的保护涂层。
15.如权利要求11所述的系统，其中，所述粉状闪烁体包括LYSO，并且，所述树脂包括环硫、聚碳二亚胺或硫基聚合物中的至少一个。
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