CN102033241A - 用于x射线成像的转换装置及其制造方法和x射线探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于X射线成像的转换装置及其制造方法和X射线探测器,在闪烁体朝向X射线的表面上覆盖具有二维或者三维空间结构的光子晶体,该光子晶体能够对闪烁体产生的朝向光子晶体的可见光进行反射,将闪烁体的可见光输出强度提高100%以上,从而提高了成像亮度和成像分辨率,另外,由于光子晶体可以控制可见光反射的方向,例如使可见光按照垂直于闪烁体表面的方向反射,一定程度上也降低了像素之间的干扰程度,并且,光子晶体的制造方法和材料成本较低,且无毒性,适合于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及X射线成像技术,特别涉及一种用于X射线成像的转换装置及其制造方法和X射线探测器。
背景技术
X射线被广泛的应用于各种领域,诸如高分辨率的医学成像可以包括:数字式的血管造影成像、X断层摄影术等,特别是骨密度检测、放射治疗射野成像和其它利用X射线的非破坏性检测。对于医学成像,由于X射线对被检测者健康的影响,通常采用的X射线强度较弱,如何在较弱强度的X射线条件下实现低干扰、高分辨率和快速图像获取,是主要的实现目标。
通常,X射线探测器主要包括:转换装置和成像装置两部分,如图1所示。现有技术中,转换装置由闪烁体构成,X射线经过被检测者照射在闪烁体表面,闪烁体吸收X射线并相应产生可见光。成像装置利用探测到的可见光进行成像,该成像装置可以采用胶片成像方式、显示器成像方式或者数字成像方式等。
闪烁体通常由诸如Gd2O2S、碘化铯(CsI)等稀土金属氧化物构成,由于X射线经过被检测者后,射入闪烁体的方向各异,即闪烁体会接收到来自各方向的X射线,由于X射线的散射和衍射等影响,会使得X射线的通量较小,且相邻X射线由于方向不同会造成成像后相邻像素之间产生干扰,造成转换装置的模量传递函数(MTF,Modulation Transfer Function)和检出光子效率(DQE,Detective Quantum Efficiency)较低,其中,MTF可以表征成像的分辨率,DQE可以表征像素之间的干扰程度。
为了提高X射线探测器的成像分辨率以及降低像素之间的干扰,目前存在一种方式,采用一种新的半导体材料作为转换装置,例如硒化镉(CdSe),这种新的半导体材料能够直接将X射线转换为电信号,从而大大提高了转换装置的MTF和DQE,但是,由于这种新的半导体材料具有毒性且成本较高,并不适合于推广应用。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种用于X射线成像的转换装置和X射线探测器,以便于提高成像分辨率以及降低像素之间的干扰,且易于推广应用。
一种用于X射线成像的转换装置,该转换装置包括:闪烁体以及光子晶体;
所述光子晶体具有二维或者三维空间结构,且覆盖在所述闪烁体朝向X射线的表面上。
其中,所述光子晶体包括:构成周期性排列的晶格的第一种材料,以及在该晶格的空穴中填充的第二种材料;
所述第一种材料和第二种材料均具有二维或者三维空间结构,且第一种材料和第二种材料之间的折射率差值满足预设的差值条件。
具体地,所述差值条件为:折射率差值在0.01至2之间。
所述光子晶体的空间结构和能带隙使得所述光子晶体对所述闪烁体产生的朝向光子晶体的可见光进行反射,并控制对可见光的反射方向。
其中,所述光子晶体被旋涂在所述闪烁体朝向X射线的表面上,或者,所述光子晶体被喷涂在所述闪烁体朝向X射线的表面上,或者,所述光子晶体被采用溶液沉积的方式覆盖在所述闪烁体朝向X射线的表面上。
一种X射线探测器,该X射线探测器包含上述转换装置以及成像装置;
其中,所述成像装置用于利用从所述转换装置传播来的可见光进行成像。
所述成像装置中的传感器阵列朝向闪烁体的表面上被覆盖具有柱形结构的荧光材料。
一种用于X射线成像的转换装置的制造方法,该方法包括:
在闪烁体朝向X射线的表面上覆盖具有二维或者三维空间结构的光子晶体。
具体地,采用具有二维或者三维空间结构的第一种材料构成周期性排列的晶格,在所述晶格的空穴中填充具有二维或者三维空间结构的第二种材料,从而构成所述光子晶体;
其中,第一种材料和第二种材料之间的折射率差值满足预设的差值条件。
较优地,所述差值条件为:折射率差值在0.01至2之间。
通过控制所述第一种材料的和第二种材料的排列方式和调整所述光子晶体的能带隙,使得所述光子晶体对所述闪烁体产生的朝向光子晶体的可见光进行反射,并控制对可见光的反射方向。
具体地,可以将所述光子晶体旋涂在所述闪烁体朝向X射线的表面上;或者,将所述光子晶体喷涂在所述闪烁体朝向X射线的表面上;或者,采用溶液沉积的方式将所述光子晶体覆盖在所述闪烁体朝向X射线的表面上。
由以上描述可以看出,在闪烁体朝向X射线的表面上覆盖具有二维或者三维空间结构的光子晶体,该光子晶体能够对朝向光子晶体方向的可见光进行反射,即将闪烁体产生的朝向光子晶体方向的可见光反射回来,将闪烁体的可见光输出强度提高100%以上,从而提高了成像亮度和成像分辨率。
更优地,可以通过调整光子晶体的空间结构和调控光子晶体的能带隙,对闪烁体产生的朝向光子晶体的可见光进行反射之外,还能够控制对可见光的反射方向,例如可以控制对可见光的反射方向为垂直射向成像装置表面,从而增强垂直方向上的可见光,一方面提高成像分辨率,一定程度上也降低了像素之间的干扰程度,并且,光子晶体的制造方法和材料成本较低,且无毒性,适合于推广应用。
附图说明
图1为现有技术中X射线探测器的组成示意图。
图2为本发明实施例提供的转换装置示意图。
图3为本发明实施例提供的X射线探测器的组成示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图和具体实施例对发明进行详细描述。
为了提高X射线探测器中转换装置的MTF和DQE,事实上是提高闪烁体发出可见光的效率,在本发明中,可以在闪烁体朝向X射线的表面覆盖具有至少二维空间结构的光子晶体。通过调整光子晶体的空间结构和调节光子晶体的能带隙,能够对闪烁体发出的可见光进行反射,并控制对可见光的反射方向。例如如果光子晶体具有与闪烁体产生的可见光频率相匹配的能带隙,调整光子晶体的空间结构使其将朝向光子晶体的可见光反射为垂直于闪烁体表面的方向。也就是说,对于闪烁体吸收X射线产生的可见光,朝向光子晶体方向的可见光能够被光子晶体反射回来,使得这部分原本传播不到成像装置的可见光也能够被反射后传播至成像装置,从而将闪烁体输出至成像装置的可见光强度提高100%以上。
图2为本发明实施例提供的转换装置示意图,如图2所示,该转换装置包括:闪烁体以及覆盖在该闪烁体朝向X射线的表面上的光子晶体,其中,该光子晶体具有二维或者三维空间结构,经过该光子晶体对可见光的反射作用,能够增加传输至成像装置的可见光。
由于光子晶体是具有周期性介电结构的晶体,晶体内部原子的周期性排列会形成能带结构,能带与能带之间的带隙称为能带隙,落在能带隙中的电磁波将无法继续传播。基于这一原理,发明人想到可以通过具有与闪烁体产生的可见光频率相匹配的能带隙的光子晶体来反射闪烁体发出的可见光,从而增强闪烁体传输至成像装置的可见光输出强度。
如果光子晶体只在一个方向上存在周期性结构,那么能带隙只能出现在这个方向上,如果在两个甚至三个方向上都存在周期性结构,那么会可以在更多方向上出现能带隙,从而更加全方位地对传输至光子晶体表面的可见光方向进行调整。
具体地,可以采用两种不同折射率的材料形成具有周期性空间结构的光子晶体。本发明提供的光子晶体可以由两种具有二维或者三维空间结构的材料构成,其中,第一种材料构成周期性排列的晶格,在第一种材料所构成晶格的空穴中填充第二种材料,第一种材料和第二种材料的折射率差值满足预设的差值条件,通常选择折射率相差较大的两种材料,例如,预设的差值条件可以选择在0.01至2之间。
另外,通过调整第二种材料所填充的空穴位置,可以调整该光子晶体所产生能带隙效应的频率范围,即使该频率范围内的电磁波在能带隙中无法继续传输,在本发明中需要调整该光子晶体的能带隙与闪烁体产生的可见光频率匹配,从而实现对可见光的反射。
另外,在本发明中可以通过调整光子晶体的周期性结构,即调整两种折射率不同的材料的排列方式,来控制对闪烁体发出的可见光进行反射的方向。最优地方式是将朝向光子晶体的可见光垂直于闪烁体表面反射回来,从而一方面增强可见光的输出强度,另一方面,能够降低X射线之间的干扰,也就是说,降低了成像后相邻像素之间的干扰。
其中,第一种材料和第二种材料可以包括但不限于以下材料:诸如二氧化钛(TiO2)的钛氧化物、诸如二氧化硅(SiO2)的硅氧化物、诸如氧化锌(ZnO)的锌氧化物,以及诸如聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等的聚合物。
上述光子晶体可以采用溶液沉积的方式覆盖在闪烁体表面上,或者,可以采用旋涂的方式将光子晶体覆盖在闪烁体表面上,或者,可以采用喷涂的方式将光子晶体覆盖在闪烁体表面上。
在图2所示的转换装置中,闪烁体可以采用Gd2O2S、碘化铯(CsI)等稀土金属化合物。
图3为本发明实施例提供的X射线探测器的组成示意图,在该X射线探测器中,采用如图2所示的转换装置,其成像装置可以是采用胶片成像方式、显示器成像方式或者数字式成像方式中的任一种,均可以采用现有技术中的方式实现。
数字式成像由于其具有易于存储、便于获取动态图像数据、能够实现快速图像捕捉和灰阶调整等优势得到越来越广泛的应用,例如可以广泛用于血管造影术和心跳成像等。下面以数字式成像方式为例对成像装置进行简单描述。
采用数字式成像方式的成像装置可以包括:传感阵列和信号处理单元。其中,传感阵列用于获取闪烁体传播来的可见光,将该可见光转换为电信号,该转换以阵列为单位,每一个阵列可以对应为最终成像的一个像素。信号处理单元对传感阵列输出的电信号进行信号放大、模数转换等处理后,最终成为图像数据。该实现与现有技术相同,但在本发明中,可以在传感阵列朝向闪烁体的表面覆盖具有柱形结构的荧光材料,例如铯材料等,从而对闪烁体传播来的可见光产生光柱效应,避免可见光在传感阵列上的散射或反射现象,提高传感阵列的感光效率,从而进一步提高最终成像的分辨率。该方式在采用显示器成像的成像装置中同样适用。
由以上描述可以看出,本发明提够的装置和方法可以具备以下优点:
1)在闪烁体朝向X射线的表面上覆盖具有二维或者三维空间结构的光子晶体,该光子晶体能够对闪光体产生的朝向光子晶体的可见光进行反射,将闪烁体的可见光输出至成像装置的强度提高100%,从而提高了成像亮度和成像分辨率。
2)可以通过调整光子晶体的空间结构和调控光子晶体的能带隙,对闪烁体产生的朝向光子晶体可见光进行反射并控制可见光的反射方向,例如实现将朝向光子晶体的可见光垂直于闪烁体表面的方向进行反射,增强垂直方向上的可见光,一方面提高成像亮度和分辨率,一定程度上也降低了像素之间的干扰程度,并且,光子晶体的制造方法和材料成本较低,且无毒性,适合于推广应用。
3)在成像装置的传感阵列上,本发明进一步覆盖具有柱形结构的荧光材料,对闪烁体传播来的可见光产生光柱效应,避免可见光在传感阵列上的散射或反射现象,更进一步提高成像分辨率。
4)本发明在现有X射线探测器上原有的装置几乎没有进行改动,易于实现,却能够达到很好的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (12)
1.一种用于X射线成像的转换装置,该转换装置包括:闪烁体以及光子晶体;
所述光子晶体具有二维或者三维空间结构,且覆盖在所述闪烁体朝向X射线的表面上。
2.根据权利要求1所述的转换装置,其特征在于,所述光子晶体包括:构成周期性排列的晶格的第一种材料,以及在该晶格的空穴中填充的第二种材料;
其中,所述第一种材料和第二种材料均具有二维或者三维空间结构,且第一种材料和第二种材料之间的折射率差值满足预设的差值条件。
3.根据权利要求2所述的转换装置,其特征在于,所述差值条件为:折射率差值在0.01至2之间。
4.根据权利要求1至3任一权项所述的转换装置,其特征在于,所述光子晶体的空间结构和能带隙使得所述光子晶体对所述闪烁体产生的朝向光子晶体的可见光进行反射,并控制对可见光的反射方向。
5.根据权利要求1至3任一权项所述的转换装置,其特征在于,所述光子晶体被旋涂在所述闪烁体朝向X射线的表面上,或者,所述光子晶体被喷涂在所述闪烁体朝向X射线的表面上,或者,所述光子晶体被采用溶液沉积的方式覆盖在所述闪烁体朝向X射线的表面上。
6.一种X射线探测器,该X射线探测器包含如权利要求1、2或3所述的转换装置以及成像装置;
其中,所述成像装置用于利用从所述转换装置传播来的可见光进行成像。
7.根据权利要求6所述的X射线探测器,其特征在于,所述成像装置中的传感器阵列朝向闪烁体的表面上被覆盖具有柱形结构的荧光材料。
8.一种用于X射线成像的转换装置的制造方法,该方法包括:
在闪烁体朝向X射线的表面上覆盖具有二维或者三维空间结构的光子晶体。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,采用具有二维或者三维空间结构的第一种材料构成周期性排列的晶格,在所述晶格的空穴中填充具有二维或者三维空间结构的第二种材料,从而构成所述光子晶体;
其中,第一种材料和第二种材料之间的折射率差值满足预设的差值条件。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述差值条件为:折射率差值在0.01至2之间。
11.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,通过控制所述第一种材料的和第二种材料的排列方式和调整所述光子晶体的能带隙,使得所述光子晶体对所述闪烁体产生的朝向光子晶体的可见光进行反射,并控制对可见光的反射方向。
12.根据权利要求8至11任一权项所述的方法,其特征在于,将所述光子晶体旋涂在所述闪烁体朝向X射线的表面上;或者,将所述光子晶体喷涂在所述闪烁体朝向X射线的表面上;或者,采用溶液沉积的方式将所述光子晶体覆盖在所述闪烁体朝向X射线的表面上。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110427 |