CN102113060A - 格栅和制造用于选择性透射电磁辐射特别是x-射线辐射的格栅的方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于选择性透射电磁辐射的格栅(1)和制造该格栅的方法。其中，所述格栅(1)包括具有壁(3)的结构元件，所述结构元件包括辐射吸收材料的多个颗粒(19)，其中，所述颗粒(19)烧结在一起，使得在相邻颗粒(19)之间存在孔隙(21)。所述孔隙(21)至少部分填充有第二固态材料。孔隙(21)的填充能够通过将第二材料引入孔隙中中实现，第二材料为液态的，优选地为熔融形式。第二材料本身也能够是辐射吸收的，且可以有助于提高格栅的机械稳定性并增强辐射吸收性质。

Description

格栅和制造用于选择性透射电磁辐射特别是X-射线辐射的格栅的方法

技术领域

本发明涉及用于选择性透射电磁辐射的格栅、制造该格栅的方法以及包括该格栅的医学成像设备，所述电磁辐射特别是X-射线辐射。

背景技术

用于选择性透射电磁辐射的格栅可以用于例如医学成像设备中，诸如：计算机断层摄影扫描仪(CT)；如C-臂、乳房X线照相术等的标准X-射线扫描仪、单光子发射计算机断层摄影设备(SPECT)或正电子发射断层摄影扫描仪(PET)。其它设备，诸如无损X-射线测试设备，可以使用该格栅。栅格可以安置于诸如X-射线辐射的电磁辐射源和辐射敏感检测设备之间。例如，在CT扫描仪中，电磁辐射源可以是X-射线管，而在SPECT/PET中，注入患者中的放射性同位素可以形成电磁辐射源。辐射敏感检测设备可以是任何任意的辐射检测器，诸如CCD设备、基于闪烁体的检测器、直接转换器等。格栅可以用于选择性地减小不准入射到辐射敏感检测设备上的那种辐射的含量。辐射减小通常借助于辐射吸收来实现。在CT扫描仪中，格栅可以用于减小在照明对象中生成的散射辐射的量，因为该散射辐射可以恶化医学图像质量。随着今天的CT扫描仪经常应用锥束几何结构，因此照明对象的大的体积，散射辐射的量经常超过承载医学信息的非散射主辐射的量。例如，散射辐射能够容易地达到总的辐射强度的90％或更多，取决于对象。

因此，存在对有效地减小散射辐射的格栅的大的需求。满足此需求的格栅可以是在二维上具有辐射吸收结构的格栅，此格栅称作二维抗散射格栅(2D ASG)。因为该二维抗散射格栅可能需要具有透射通道，其中该通道聚焦至发射将被容许透射通过格栅的主辐射的辐射源的焦点，所以该格栅的制造是耗时和昂贵的。

由与本申请的申请人相同的申请人提交的WO2008/007309A1描述了用于选择性透射电磁辐射的格栅，该格栅具有通过选择性激光烧结构建的结构元件。其中，用于制造格栅的方法包括通过选择性激光烧结从粉末材料生长至少一个结构元件的步骤，粉末材料特别是基本辐射不透明材料的粉末。选择性激光烧结容许大的设计自由度。具有通过选择性激光烧结构建的结构元件，格栅能够是高度复杂的三维结构，其是通过常规模制或铣磨技术不易实现的。

然而，必需进一步改善常规烧结格栅的机械稳定性和辐射吸收性质。此外，必需进一步简化该烧结格栅的制造。

发明内容

因此，存在对用于选择性透射电磁辐射的格栅和对用于制造该格栅的方法以及对使用该格栅的医学成像设备的需求，其中，该格栅的机械稳定性和/或辐射吸收性质得到了进一步改善。此外，存在对容许简化制造工艺的制造格栅的方法的需求。

通过根据独立权利要求之一的主题可以满足这些需求。从属权利要求中描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提出了一种制造用于选择性透射电磁辐射的格栅的方法。所述方法包括：提供结构元件，所述结构元件包括包括第一辐射吸收材料的多个颗粒，其中，所述颗粒烧结在一起并且相邻颗粒之间存在孔隙；将液态第二材料引入所述孔隙中；以及固化所述第二材料。

根据本发明的第二方面，提出了一种用于选择性透射电磁辐射的格栅。所述格栅包括结构元件，所述结构元件包括第一辐射吸收材料的多个颗粒，其中，所述颗粒烧结在一起，使得在相邻颗粒之间存在孔隙，并且其中，所述孔隙至少部分填充有第二固态材料。

根据本发明的第三方面，提出了一种医学成像设备，所述设备包括根据本发明的以上第二方面的格栅，所述设备诸如是CT扫描仪、X-射线C臂系统、X-射线乳房照相系统、SPECT扫描仪或PET扫描仪。

本发明的要旨基于以下概念：

用于选择性透射电磁辐射的格栅的核心可以提供为结构元件，通过将颗粒彼此烧结到一起而制备该结构元件，其中所述颗粒包括辐射吸收材料。为此目的，可以使用公知的选择性激光烧结(SLS)工艺，有时也称作直接金属激光烧结(DMLS)。由此，可以实现复杂的二维或三维结构用于结构元件。

然而，在烧结工艺后，在烧结颗粒之间保持有未填充空间的孔隙。本发明的发明人发现，该孔隙可以恶化结构元件的机械稳定性和完整性(integrity)，并且还发现，这些孔隙可以减小格栅的辐射吸收性质。发明人因此提出以第二材料填充该孔隙。通过引入液态形式的第二材料以使得该第二材料可以流到孔隙中可以实现该填充。其后，可以固化引入的液态材料，使得其可以增强整个格栅的机械稳定性。

使用辐射吸收材料作为第二材料，使得填充到孔隙中的第二材料还增加整个格栅的辐射吸收性质，可以是特别有利的。在结构元件的表面，引入的第二材料还有助于平滑由烧结的第一材料的颗粒提供的粗糙表面，由此给结构元件提供平滑壁表面，这于是可以增强整个格栅的辐射吸收性质。

此外，所提出的方法容许以从具有大的颗粒大小的颗粒制备的相当粗糙的结构元件开始。一方面，使用该大的颗粒可以简化激光烧结工艺。另一方面，由于颗粒的大的大小，颗粒之间的孔隙也可以具有大的大小并且结构元件的表面可以非常不平或粗糙。然而，因为孔隙随后填充有优选地辐射吸收的第二材料，所以没有空的大孔隙可以恶化格栅的机械稳定性和/或辐射吸收性质。因此，归因于大的可能颗粒大小，可以简化整个制造工艺，同时维持或甚至提高了机械和辐射吸收性质。

换句话说，提出的概念可以视为用于精确和成本效益的产品的改善方法，该产品例如用于针对X-射线的二维抗散射格栅和计算机断层摄影检测器，但是也可以用于其它应用。该方法组合预制造的抗散射格栅的使用，抗散射格栅例如是通过激光烧结技术制造的。第二制造步骤可以是将预制造的结构浸入液态辐射吸收金属中。该方法提供最大的设计自由度和对X-射线吸收和机械稳定性以及生产速度和成本的优化。该方法也能够用于制造许多其它小的但是高精度的设备，浸入液态介质的预制造的激光烧结壁的组合提供更大的密度和/或机械硬度。

以下，提到本发明的实施例的另外可能的特征、细节和优点。

作为格栅的开始核心提供的结构元件可以提供为适于选择性透射电磁辐射的任何二维或三维几何结构。例如，结构元件可以具有稍微倾斜的竖直壁，以便指向电磁辐射的源的焦点。结构元件的表面可以是弯曲的，例如球形的。特别是，具有聚焦通道的二维格栅可以具有空间上相当复杂的结构。通道可以具有矩形或六边形内部形状，这要求通道壁具有不同角度。

通过烧结来形成结构元件的颗粒包括第一辐射吸收材料，优选地X-射线吸收材料。其中，其取决于应用和/或结构大小，例如辐射吸收通道壁的厚度，由颗粒形成的粉末材料能够视为辐射透明还是辐射吸收还是辐射不透明。这里，术语辐射透明规定为对于特定应用，在入射辐射经过格栅时，吸收不显著部分的入射辐射，例如小于10％。术语辐射吸收规定为吸收显著部分，例如大于10％，而术语辐射不透明规定为在入射辐射经过格栅时吸收基本所有的入射辐射，例如大于90％。在乳房X线照相术应用中，可以使用约20keV的X射线能量。对于这些能量，铜(Cu)能够视为基本辐射不透明的，这意指满足如壁厚度(例如20μm)、通道高度(例如2mm)等的某些几何参数的要求的格栅壁导致待被选择性吸收的那种辐射的吸收，使得发生了辐射检测的质量参数的显著改善。质量参数可以是散射辐射与主辐射的比率(SPR)，信号与噪声的比率(SNR)等。对于例如120keV的范围中的CT应用，钼(Mo)或其它折射材料(例如钨)能够视为基本辐射不透明的，而对于如铜或钛的其它材料，如果结构制作为合适的厚度，同样基本是辐射不透明的。因此，如果得到的格栅满足选择性辐射透射性质，则材料颗粒或粉末可以视为辐射不透明的。例如，虽然纯塑料材料通常视为对医学相关的X-射线能量的所有范围是辐射透明的，但是只要金属粉末含量足够高，金属粉末填充的塑料可以视为辐射不透明的。因为烧结结构元件直接由辐射吸收或辐射不透明材料制作，所以所需的格栅的辐射吸收性质是烧结结构元件所固有的。

为将辐射吸收颗粒烧结到一起，可以使用公知的选择性激光烧结(SLS)工艺。在SLS中，使用合适能量的精细激光束将粉末材料烧结在一起。逐层烧结待制作的对象，然后将得到的对象浸入粉末材料，使得下一层粉末材料能够烧结在已烧结结构的顶部。以此方式，能够形成相当复杂的三维结构，例如具有腔、凸起和凹入结构元件的组合等。选择性激光烧结容许通过以高强度激光束选择性照明顶部粉末层而从例如钼粉末生成精细结构。可以根据所需的结构大小和表面粗糙度来选择金属粉末的颗粒大小。例如CT格栅的典型结构大小(通道壁厚度)为约50μm至300μm，使得约1μm-10μm的颗粒大小是满足需要的。对于PET/SPECT设备，典型的结构大小(通道壁厚度)可以是约100至1000μm，使得约5至50μm的颗粒大小可以满足需要。对于常规X-射线应用，典型结构大小可以是约10至50μm，使得约0.1至5μm的颗粒大小可以满足需要。这些数字仅是示例性的，而不应视为限制。

作为待填充到烧结结构元件的孔隙中的液态第二材料，能够使用能够合适地液化以便能够流入孔隙中的任何材料。优选地，第二材料应当适于使得在固化第二材料后，其能够有助于增强结构元件的机械稳定性。为此目的，第二材料可以具有足够的机械刚度，并且还可以适于粘结到第一辐射吸收材料的颗粒。

优选地，第二材料包括或包含辐射吸收材料，优选地X-射线吸收材料，诸如例如金属，诸如银、铅、或铜和它们的合金，例如锡锑铅合金(tin-antimony-lead alloy，Lettermetal)。填充到结构元件的孔隙中的该辐射吸收材料还可以增强结构元件的辐射吸收性质并由此还增强整个格栅对电磁辐射的选择性透射。此外，液态第二材料不仅流到结构元件内侧深处的孔隙中，而且至少部分填充结构元件表面的开口孔隙，由此减小了结构元件的表面粗糙度。结构元件的这样平滑的表面还可以增强整个格栅的透射性质。

通过将结构元件浸入或投入液化材料的浴液中，可以将液态第二材料引入到孔隙中。由此，液态材料可以流到烧结结构元件的孔隙或腔中并几乎100％填充这些孔隙。

通过熔融可以液化液态材料。例如，能够将具有低熔点的金属加热到其熔点以上，由此产生液态熔融物，结构元件然后可以浸入其中。如果第二材料的熔融温度低于形成结构元件的颗粒的第一辐射吸收材料的熔融温度，则是有利的。于是能够容易地将结构元件浸入熔融的第二材料中，并且结构元件可以保持在其中，直到所有孔隙或腔基本填充有熔融的第二材料。于是在从熔融物取出后冷却时，第二材料将固化。

替代地，第二材料可以是包括小的辐射吸收颗粒的液体或树脂，例如纳米或微米级的。液体或树脂可以填充到孔隙中并可以随后被固化。

根据本发明的另外的实施例，结构元件具有最小结构尺寸且第一辐射吸收材料的颗粒具有的最大颗粒大小大于所述最小结构尺寸的10％，优选地大于20％，并且甚至更优选地大于25％。换句话说，形成格栅的核心的结构元件可以具有在不同延伸方向具有不同尺寸的局部结构。例如，其可以具有具有壁厚度的竖直纵向壁，其中所述壁厚度比所述壁的纵向延伸小得多并且因此形成最小结构尺寸。例如，壁厚度能够在10和1000μm之间。因此，用于形成该局部结构的颗粒必需具有基本小于最小结构尺寸的颗粒大小。在通过选择性激光烧结形成的常规格栅中，非常小的颗粒通常用于形成局部结构，以避免局部结构内的大的孔隙或空隙。常规使用小于最小结构尺寸的5％的颗粒大小。利用于此提出的制造方法，相邻颗粒之间的孔隙的大小比现有技术中的不重要得多，因为空隙可以随后填充有第二材料。因此，可以使用较大颗粒烧结结构元件，该颗粒具有的大小为例如壁厚度的10％或更优选地高达25％，这基本可以简化烧结工艺。

应当注意，“最大颗粒大小”称作包含在粉末中的最大颗粒具有的大小。通常，粉末具有不同大小的颗粒。在常规格栅构建技术中，优选地使用主要具有小颗粒的粉末以减小孔隙的数量和大小。然而，小部分较大颗粒可以不显著恶化总的结果，而许多大颗粒可以导致非常多孔的格栅结构。利用于此提出的方法，可以使用具有许多大颗粒的粉末，而不会对得到的格栅有显著有害的影响，其中例如所有颗粒的90％大于格栅的最小结构尺寸的10％。

最终，以另外的措辞重复了本发明的一些特征和优点。可以在烧结几何结构的后处理中看到提出的制造方法的本质特征。“粗糙的”烧结特征可以浸入例如液态银的浴液中，以填充静态孔隙壁结构。液态材料将进入到腔中，所以表面将平滑得多。银也是吸收X-射线的材料，所以壁结构的效率将更高。稳定性可以提高，并且也可以改善烧结工艺的生产效率。这可能是因为颗粒大小更大，且激光功率将得到更有效的使用且激光焦点将更大。所以，可以利用更粗糙的颗粒构建壁，并且抛光步骤可以再次补偿这个。

应当注意，参照不同主题描述了本发明的方面和实施例。特别是，参照方法类型的权利要求描述了一些实施例，并参照装置类型的权利要求描述了另一些实施例。然而，本领域技术人员从以上和以下描述将了解，除非另外告知，除属于一种类型的主题的任何组合或特征外，涉及不同主题的特征之间的任何组合，特别是装置类型的权利要求的特征和方法类型的权利要求的特征之间的任何组合，视为以此申请公开。

附图说明

将关于如附图中所示的具体实施例进一步描述本发明的特征和优点，但是本发明不限于这些实施例。

图1示出了根据本发明的实施例的包括通道的格栅结构的高架(elevated)透视图；

图2示意性地描绘用于根据本发明的实施例的格栅结构的制造方法；

图3示出了根据本发明的替代实施例的梳状格栅结构的高架透视图；

图4a和4b示出了根据本发明的实施例的格栅结构内的壁的截面视图；

图5示出了具有根据本发明的实施例的格栅的医学成像设备的范例的透视图。

附图中的图样仅是示意性的而不是成比例的。以类似参考符号引用附图中的类似元件。

具体实施方式

将参照图1、2和4描述制造根据本发明的用于选择性透射电磁辐射的格栅的方法的范例实施例。

格栅1包括三维结构元件2，结构元件2包括相互垂直布置的竖直壁3。如在图1的放大部分中能够清楚看到的，壁3形成纵向通道5，电磁辐射能够容易地通过该纵向通道。然而，以不平行于通道5的角度辐照的辐射将在壁3内被吸收，因为壁3包括辐射吸收材料。

如图2中示意性地示出的，能够使用选择性激光烧结技术构建结构元件2。其中，辐射吸收材料的颗粒放置在基底7上。基底7安置在能够在y方向上移动的台9上。使用单个激光，并且可选地偏转激光束的装置，或替代地使用激光阵列11，颗粒可以可被相互烧结在一个或多个激光束的焦点的位置。可以控制激光阵列11，使得一个或多个激光束的焦点的位置根据存储在控制单元31上的三维模型13在基底的整个表面上在x方向和z方向上扫描，所述控制单元连接至激光阵列11和台9。在对烧结颗粒的第一层15进行划线后，台9能够向下移动，能够再次将颗粒均匀分布在已存在烧结结构的表面上，并且能够使用激光阵列11生成烧结颗粒的第二层17。因此，存储在控制单元31中的三维模型13可以通过逐层烧结颗粒而再现。

在制备结构元件2后，通过将结构元件2浸入熔融金属的浴液中，可以填充相邻颗粒之间的孔隙。在图4a和4b中，示出了包括在结构元件2中的壁3、3’的放大的截面图。壁可以具有如图4a中所示的矩形横截面或如图4b中所示的楔形横截面。诸如钼或钨的辐射吸收材料的颗粒19烧结在一起。在壁5、5’的侧面以及在其表面的孔隙21填充有诸如银或铅的固化辐射吸收材料。

此外，将参照图3描述制造根据本发明的用于选择性透射电磁辐射的格栅1’的方法的替代范例实施例。

在第一步骤中，由例如钼或钨制成的金属片104安置于选择性激光烧结设备的工作室中。通过预先的系统校准可以实现相对于SLS设备的激光束的位置的精确定位。金属片可以可逆地(reversibly)地粘结到工作室中以进行固定。在金属片上布置一层金属粉末后，使用选择性激光烧结来烧结待制造的第一层烧结结构。在完成第一层后，将下一层金属粉末布置在金属片和先前烧结的结构的顶部。这能够与工作室的轻微倾斜相结合，使得烧结的下一层相对于金属片具有预定角度。

图3在左手侧示出了在烧结数层金属粉末后得到的梳状格栅结构102。在图3的右手侧，示出了由图3的左手侧上的圆表示的梳状结构的部分的放大图M1。梳状结构具有由金属片104形成的底部。烧结的纵向壁结构103示为在金属片104的长度上延伸。在壁103的顶部，描绘了对准结构106。

应当注意，使用金属片4作为底部基底不是强制性的。替代地，整个格栅可以由完全通过烧结制备的结构元件构成。

在图5中，示出了医学成像设备200的范例。图5示出了CT扫描仪的主要特征，即X-射线源220、辐射检测器210、和患者床230。CT扫描仪可以绕待观察的对象旋转并使用检测器210借助于辐射检测获取投影图像。如上所述的根据本发明的格栅能够用于检测器210中以减小在待观察的对象中生成的散射辐射。

最终，应当注意，术语“包括”、“包含”等不排除其它的元件或步骤，且术语“一”或“一个”不排除多个元件。还有，与不同实施例关联描述的元件可以进行组合。还应当注意，权利要求中的参考符号不应视为限制权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种制造用于选择性透射电磁辐射的格栅(1)的方法，所述方法包括：

提供结构元件(2、102)，所述结构元件包括包括第一辐射吸收材料的多个颗粒(19)，其中，所述颗粒(19)烧结在一起并且相邻颗粒(9)之间存在孔隙(21)；

将液态第二材料引入所述孔隙(21)中；以及

固化所述第二材料。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述液态第二材料包括辐射吸收材料。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一辐射吸收材料的所述颗粒通过选择性激光烧结烧结在一起。

4.如权利要求1至3中的一项所述的方法，通过将所述结构元件浸入液化材料的浴液中将所述液态第二材料引入所述孔隙(21)中。

5.如权利要求1至4中的一项所述的方法，其中，通过熔融来液化所述液态第二材料。

6.一种用于选择性透射电磁辐射的格栅(1)，所述格栅包括结构元件(2、102)，所述结构元件包括包括第一辐射吸收材料的多个颗粒(19)，其中，所述颗粒(19)烧结在一起，使得在相邻颗粒(19)之间存在孔隙(21)，并且其中，所述孔隙(21)至少部分填充有第二固态材料。

7.如权利要求6所述的格栅，其中，所述第二材料是辐射吸收材料。

8.如权利要求6或7所述的格栅，其中，所述第二材料的熔融温度低于所述第一辐射吸收材料的熔融温度。

9.如权利要求6至8中的一项所述的格栅，其中，所述第二材料是金属。

10.如权利要求6至9中的一项所述的格栅，其中，所述第二材料选自包括银、铅、铜和其合金的组。

11.如权利要求6至10中的一项所述的格栅，其中，所述第一辐射吸收材料选自包括钼和钨的组。

12.如权利要求6至11中的一项所述的格栅，其中，所述结构元件具有最小结构尺寸，并且其中，所述第一辐射吸收材料的所述颗粒具有大于所述最小结构尺寸的10％的最大颗粒大小。

13.一种医学成像设备(200)，包括如权利要求6至12中的一项所述的格栅。

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