CN102460214A - 用于光子发射探测的层叠晶体阵列 - Google Patents

用于光子发射探测的层叠晶体阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种层叠晶体阵列(46)，其包括多个晶体片(20)和多个互连器(22)。该互连器(22)具有可导电、间隔开且大体平行的元件(34)，所述元件通过导电间隔器(36)连结，所述间隔器(36)在所述元件间大体正交地延伸，彼此以预设角度旋转偏置。该阵列(46)进一步包括多个电绝缘体(24)和具有多个狭槽(40)的电绝缘外壳(26)。将晶体片(20)、绝缘体(24)和互连器(22)布置在外壳(26)中形成组装件，其中晶体片(20)以并行电路连接在一起。该组装件以更低偏置电压提供可比拟厚度大体等同于所述晶体片(20)厚度总和的单块晶体的光子吸收。

Description

用于光子发射探测的层叠晶体阵列
本申请要求2009年5月14日提交的第12/465,672号美国专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明概括地涉及核探测仪器，具体地，涉及使用层叠晶体阵列进行γ射线或其它X射线发射的术中探测，或者用作正电子发射断层照相术(PET)的辅助仪器。
背景技术
癌症的治疗过程一般基于肿瘤扩散的自然病史，并因此，基于医生可利用的外科手术和非手术条件。外科手术条件一般参考术前、围手术期以及术后的物理鉴定以及肿瘤的手术缩小程度。但最近以来，还参考癌症的发展阶段，根据癌症可能扩散到的组织进行鉴定和评估。以协助医生检查及定位肿瘤组织(作为手术过程的一部分)为目的，该领域已经应用了各种技术(出于当前目的，“肿瘤组织”通常称作癌组织，但本领域中也可发现恶性肿瘤和恶性肿瘤细胞的说法。术语“肿瘤组织”包含以上所有说法)。一般地，医生在术前通过显像(通过成像机构)以及在手术室中尤其通过触诊(例如肿瘤的触感与正常组织的相反)可容易找出较大的肿瘤。然而，为提高手术成功率，医生还需要找出“潜隐性”肿瘤，例如无法通过术前成像或者观察及触摸的常规手术程序发现的肿瘤。一般地，不能成功发现并摘除这种潜隐性肿瘤将导致患者体内的癌细胞继续生长，这种情况通常称作“复发性”癌症。
通常认为，某类型实体瘤的癌扩散是通过肿瘤细胞从最初的肿瘤向附近淋巴结转移(或引流)并且最终经由淋巴系统到达其它致命部位。治疗癌症的医生和医学肿瘤专家认为确定患者的原发瘤是否已经扩散到淋巴结是患者长期预后的主要决定因素。根据病理学对淋巴结进行检查，如果有肿瘤细胞出现，则证实癌细胞扩散到患者淋巴结。如果确定有肿瘤细胞出现在淋巴结，那么患者的患病阶段加深或严重程度恶化。医生通过在原发瘤部位注射辐射性示踪剂来进行辨别引流淋巴结的操作。注射之后，示踪剂沿肿瘤的引流路径到达最近的淋巴结(被称为前哨淋巴结)。γ射线探测装置用于探测示踪剂的轨迹。由于淋巴结相连，病理学家认为如果前哨淋巴结未示出恶性信号，那么在该路径下游的淋巴结很可能没有病变。就其而论，可能没有必要移除附近其它淋巴结。因此，快速找出前哨淋巴结并且进行活组织检查的能力为医生确定癌细胞是否扩散或者是否找出原发瘤部位提供了至关重要的信息。
目前，现有技术使医生能够通过结合同位素标记药物和手持辐射探测装置的方式，提供增强的肿瘤扩散手术评估，例如在原发性与肿瘤相关的淋巴结移除过程中。这种手术用的辐射探测仪器一般具有手持探针，该探针通过柔性电缆，或者最近以来，经由无线通信与仪器操作台进行电通信。仪器控制台布置在手术室设施内但并非无菌区域中，而手持探针和其配套电缆的前伸部分布置在无菌区域内。手持辐射探测针相对较小并且与半导体探测器(例如镉-锌-碲或者闪烁材料(例如碘化铯))协同工作。可从美国专利No.4,782,840中得到示范仪器，该申请的全部内容通过引用并入本文。
不论辐射源产生的能量等级高低，通过使用含有半导体(例如镉-锌-碲)或闪烁材料(例如碘化铯)的探测器，辐射源已经事先被直接探测到。当正到达的光子与探测器内的材料发生碰撞时产生输出信号。主辐射源的能量等级越高，就有越多的前进光子能够完全穿过探测器而不与任何材料发生碰撞，因而探测器无输出产生。由于该原因，为保证发生足够数量的碰撞为可用探测器提供足够的灵敏度，高能探测器有必要以相对“厚”(例如横截面积大)且致密的材料制造。探测器的这种特性通常称作“制动功率”或“吸收功率”。
为了更有效地探测高能辐射，通常有必要通过增加探测器晶体厚度来增加探测器吸收。然而，厚晶体存在一定缺点。首先，晶胞体积(crystalvolume)中出现缺陷的概率随着其厚度显著增加。因此，这种探测器晶体的产出率很低，使得其造价相对昂贵。此外，探测器晶体的电荷收集效率与施加在规定厚度的探测器的偏置电压成比例。最终，如果为提高吸收概率将探测器厚度按规定的量增加，那么必须同样增加施加于晶体的偏置电压从而保持相同电荷收集效率。结果造成操作电压相对较高，电压的产生和管理更加困难并在手术期间可能存在安全隐患。因此，需要经济有效的方法来制造探测器晶体组件，其具有相对厚单块晶体的吸收效率并且以相对低的电压进行偏置。
发明内容
根据本发明实施方案，公开了一种用于探测光子发射的层叠晶体阵列。多个相对薄的晶体片布置成圆柱形且并行电连接。所得晶体阵列产生的光子探测器具有的性能可比拟具有相似总晶体厚度的单块晶体。由于所述传感器由多个相对薄的晶体片构成，与具有相同总晶体厚度的单块晶体相比能够达到更高的产品合格率。此外，所需要的偏置电压取决于单个所述晶体片的厚度而非其厚度总和，所以小于具有相同总晶体厚度的单块晶体需要的偏置电压。
本发明一个示范性实施方案中，层叠晶体阵列包括多个晶体片和多个互连器。所述互连器具有可导电、间隔开且大体平行的元件，所述元件通过导电间隔器连结，所述间隔器在所述元件间大体正交地延伸，彼此间以预设角度旋转偏置。所述阵列进一步包括多个电绝缘体以及具有多个狭槽的电绝缘外壳。将所述晶体片、绝缘体以及互连器形成组装件，其中所述晶体片以并行电路连接在一起，将所述组装件插入所述外壳的同时将每个所述间隔器位于所述外壳的相应狭槽中。所述组装件提供可比拟厚度大体等同于所述晶体片厚度总和的单块晶体的光子吸收。此外，所述组装件以对应于厚度比率的电压进行电偏置，所述厚度比率为所述单个晶体片与具有大体等同于所述晶体片厚度总和的所述单块晶体的厚度比。
本发明又一示范性实施方案中，用于堆叠晶体片的方法包括提供多个晶体片和提供多个互连器的步骤，所述互连器具有可导电、间隔开且大体平行的元件，所述元件通过导电间隔器连结，所述间隔器在所述元件间大体正交地延伸，彼此以预设角度旋转偏置。附加步骤包括提供多个电绝缘体以及提供具有多个狭槽的电绝缘外壳。然后，将所述晶体片、绝缘体以及互连器进行装配从而以并行电路将所述晶体片连接在一起。将最终的装配形成的组装件插入到所述外壳使得每个所述间隔器位于述外壳的相应狭槽中。所述组装件提供可比拟厚度等同于所述晶体片厚度总和的单块晶体的光子吸收。此外，所述组装件以对应于厚度比率的电压进行电偏置，所述厚度比率为所述单个晶体片与具有大体等同于所述晶体片厚度总和的所述单块晶体的厚度比。
附图说明
参照附图阅读本发明说明书及权利要求书，本领域技术人员将直观地了解本发明实施方案的进一步特征，其中：
图1A和1B为根据本发明实施方案辐射探测针的侧视图及腔端(cavity-end)视图；
图2为图1A和1B中辐射探测针的分解图；
图3示出了根据本发明实施方案的晶体互连器；
图4A和4B为分别示出了根据本发明实施方案外壳细节的剖视图及端视图；
图5A和5B为分别示出了根据本发明实施方案接头细节的剖视图及端视图；
图6为根据本发明实施方案的外壳截面局部视图，示出了其中插入有层叠晶体阵列的布置；以及
图7为图6中层叠晶体阵列的电路原理图。
具体实施方式
根据本发明实施方案，图1A、1B及图2示出了辐射探测针的总体布局。探针10包括手柄12、印制电路组件14、连接器16、活接头(union)17、探测器接口18、多个晶体片20、一对晶体互连器22、一对绝缘体24、外壳26、接头28、防护罩30以及盖帽32。
探测器晶体片20大体呈圆柱状，并具有相反的、大体呈平坦的端部。晶体片20优选地由镉-锌-碲(CZT)制成，但可使用任何其它适合于探测光子辐射的半导体材料。
图3示出了晶体互连器22的细节。晶体互连器22包括三个环状、大体平坦、间隔开的元件或“圆环”34a、34b和34c，所述元件或圆环彼此大体平行。第一间隔器36a在圆环34a、34b之间大体正交地延伸，从而保持这些圆环的方向。同样地，第二间隔器36b在圆环34b、34c之间大体正交地延伸，从而保持这些圆环的方向。本发明一个实施方案中，如图3所示，间隔器36a、36b彼此以约90度的角度θ1旋转偏置。圆环34a、34b和34c与间隔器36a、36b彼此之间都电连接。
晶体互连器22可由任何合适的导电材料制成，例如铜铍(CuBe)、铜/铜合金、镍以及不锈钢。也可根据需要适当采用例如金、镍、银和锡的电镀和涂层。提供上述材料单仅用于示范目的，不应当被认为是以任何方式进行限制。
绝缘体24(图2)大体呈盘状并且具有预设厚度及相反的、大体平坦的侧面。绝缘体24可由任何合适电绝缘材料形成例如塑料，如特氟纶(PTFE，杜邦公司的注册商标)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)以及交联聚乙烯。提供上述材料单仅用于示范目的，不应当被认为是以任何方式进行限制。
图4A和4B示出了外壳26的细节。外壳26大体呈圆柱状并具有布置于其中的腔体38。外壳26还包括一组延长狭槽40，该狭槽至少部分地贯穿其中延伸。本发明一个实施方案中，如图4B所示，几个狭槽40(该实施方案中示出延伸至腔体38的整个长度)相互以约90度的角度θ2定向。外壳26可由任何合适的电绝缘材料形成例如塑料，如特氟纶
Figure BDA0000115412020000052
(PTFE，杜邦公司的注册商标)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)以及交联聚乙烯。提供上述材料单仅用于示范目的，不应当被认为是以任何方式进行限制。
图5A和5B示出了接头28的细节。接头28包括大体平坦的接触面部42和柄部44(stem portion)。接头28可由任何合适的导电材料形成，例如铜铍(CuBe)、铜/铜合金、镍和不锈钢。也可根据需要适当采用例如金、镍、银和锡的电镀和涂层。提供上述材料单仅用于示范目的，不应当被认为是以任何方式进行限制。
现在参考图6，晶体探测器阵列46如图所示通过将接头28装入外壳中来进行装配。一对接头互连器22以串联柱状方式布置。三个晶体片20(标号为X1、X2和X3)和两个绝缘体24以所示的方式布置在晶体互连器22之间。然后，这种组装件装入外壳26中使得第一互联器22的间隔器36a、36b刚好放入外壳的一对狭槽40并且第二互连器的间隔器刚好放入外壳余下的一对狭槽。
工作中，如图6所示通过任何简便方式使接头28标记为“(+)”而探测器阵列46的裸露圆环34c标记为“(-)”，将具有极性的偏置电压施加于晶体探测器阵列46。图7示意性地示出了晶体探测阵列46。可见，晶体片20(标号为X1、X2和X3)形成并行电路。所得晶体探测器阵列46制造出光子吸收相当于单块晶体的光子探测器，该单块晶体具有大体等同于晶体片厚度总和的厚度。由于晶体探测器阵列46由相对薄的晶体片20构成，晶体片的缺陷概率较低。因此与总厚度相同的单块晶体相比能够获得更高的产品收率，使该阵列造价比单块晶体低廉。
由于晶体片20的并行电路布置，探测器阵列46所需的偏置电压取决于单个晶体片而非其厚度总和。与厚度等同于单个晶体片20厚度总和的单块晶体相比，该偏置电压小于单块晶体所需的偏置电压。换言之，晶体探测器阵列46优选地以对应于厚度比率的电压进行电偏置，该厚度比率为单个晶体片20与具有大体等同于晶体片厚度总和的单块晶体的厚度比。
作为示范性实施方案，所述层叠晶体探测器阵列46包括三个晶体片20、两个晶体互连器22以及两个绝缘体24。然而，应当理解，可以预见按比例增加或减少这些器件的数目落入本发明阵列的各种配置范围内。例如，阵列46可包括多于三个探测器晶体片20，以及为使该探测器晶体片配置到并行电路的合适数目的晶体互连器22和绝缘体24。
本文所述的晶体互连器22包括一组具有开敞中心的圆环状元件34a、34b和34c，其被认为可将任何机械冲击力(shock force)分散于晶体片20周围。然而，应当理解，元件34a、34b和34c可不受限制地具有在本发明保护范围内的其它形态，不具有开敞中心的环状形态以及任何其它合适的几何形态，例如具有或不具有开敞中心的正方形、矩形以及五边形和八边形。
虽然已经结合本发明的具体实施方式对本发明做出了展示及描述，但本领域技术人员应当理解，在不背离本发明权利要求书范围的情况下可进行形式和细节变化。

Claims (20)

1.一种用于探测光子发射的层叠晶体阵列，其包括：
多个晶体片；
多个互连器，其具有可导电、间隔开且大体平行的元件，所述元件通过导电间隔器连结，所述间隔器在所述元件间大体正交地延伸，彼此以预设角度旋转偏置；
多个电绝缘体；以及
具有多个狭槽的电绝缘外壳，所述晶体片、绝缘体和互连器形成组装件，其中所述晶体片以并行电路连接在一起，所述组装件插入所述外壳的同时每个所述间隔器位于所述外壳的相应狭槽中，
其中所述组装件提供可比拟厚度大体等同于所述晶体片厚度总和的单块晶体的光子吸收，以及
其中所述组装件以对应于厚度比率的电压进行电偏置，所述厚度比率为所述单个晶体片的厚度与具有大体等同于所述晶体片厚度总和的所述单块晶体的厚度之比。
2.根据权利要求1所述的层叠晶体阵列，其中所述晶体片由镉-锌-碲制成。
3.根据权利要求1所述的层叠晶体阵列，其中所述互连器由铜铍、铜、铜合金、镍和不锈钢中的至少一种制成。
4.根据权利要求3所述的层叠晶体阵列，其中所述互连器覆盖有金、镍、银和锡中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的层叠晶体阵列，其中所述互连的间隔器彼此以约90度的角度旋转偏置。
6.根据权利要求1所述的层叠晶体阵列，其中所述元件大体为圆环。
7.根据权利要求1所述的层叠晶体阵列，其中所述绝缘体由PTFE、乙烯聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯和交联聚乙烯中的至少一种制成。
8.根据权利要求1所述的层叠晶体阵列，其中所述外壳由PTFE、乙烯聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯和交联聚乙烯中的至少一种制成。
9.所述的层叠晶体阵列，其中所述外壳大体呈圆柱形。
10.一种用于探测光子发射的层叠晶体阵列，其包括：
三个晶体片；
两个互连器，每个互连器具有三个可导电、间隔开、大体平行的圆环，所述圆环通过两个导电间隔器连结，第一间隔器在第一圆环与第二圆环之间延伸，而第二间隔器在第二圆环与第三圆环之间延伸，所述间隔器关于所述圆环大体正交地延伸并且彼此以约90度的角度旋转偏置；
两个盘状电绝缘体，其具有相反的、大体平坦的侧面；以及
大体呈圆柱形的电绝缘外壳，其具有四个狭槽，所述晶体片、绝缘体和互连器形成组装件，其中所述晶体片以并行电路连接在一起，所述组装件插入所述外壳的同时，每个所述间隔器位于所述外壳的相应狭槽中，
其中所述组装件提供可比拟厚度大体等同于所述晶体片厚度总和的单块晶体的光子吸收，以及
其中所述组装件以对应于厚度比率的电压进行电偏置，所述厚度比率为所述单个晶体片的厚度与具有大体等同于所述晶体片厚度总和的所述单块晶体的厚度之比。
11.根据权利要求10所述的层叠晶体阵列，其中所述晶体片由镉-锌-碲制成。
12.根据权利要求10所述的层叠晶体阵列，其中所述互连器由铜铍制成。
13.根据权利要求10所述的层叠晶体阵列，其中所述绝缘体由PTFE制成。
14.根据权利要求10所述的层叠晶体阵列，其中所述外壳由PTFE制成。
15.一种用于探测光子发射的堆叠晶体片的方法，其包括如下步骤：
提供多个晶体片；
提供多个互连器，所述互连器具有可导电、间隔开、大体平行的元件，所述元件通过导电间隔器连结，所述间隔器在所述元件间大体正交地延伸，彼此以预设角度旋转偏置；
提供多个电绝缘体；
提供具有多个狭槽的电绝缘外壳；
将所述晶体片、绝缘体和互连器进行装配从而以并行电路将所述晶体片连接在一起；以及
将装配形成的组装件插入到所述外壳使得每个所述间隔器位于所述外壳的相应狭槽中，
其中所述组装件提供可比拟厚度大体等同于所述晶体片厚度总和的单块晶体的光子吸收，以及
其中所述组装件以对应于厚度比率的电压进行电偏置，所述厚度比率为所述单个晶体片的厚度与具有大体等同于所述晶体片厚度总和的所述单块晶体的厚度之比。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括以镉-锌-碲制成所述晶体片的步骤。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括以铜铍、铜、铜合金、镍和不锈钢中的至少一种制成所述互连器的步骤。
18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括以金、镍、银和锡材料中的至少一种覆盖所述互连器的步骤。
19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括以约90度的角度使所述互连的间隔器彼此旋转地偏置的步骤。
20.根据权利要求15所述的方法，进一步包括将所述元件形成为大体圆环的步骤。
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