CN102483461B - 具有印刷光探测器阵列的成像测量系统 - Google Patents

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Abstract

提供了低成本大面积光探测器阵列。在第一实施例中，光探测器包括形成于单个厚层材料中的无机光电转换材料。在第二实施例中，光探测器包括若干薄层无机光电转换材料的层压结构，其组合厚度足够大，从而以高的探测器量子效率吸收进入的X射线。在第三实施例中，光探测器包括几层无机或有机光电转换材料的层压结构，其中每层具有复合闪烁体涂层。

Description

具有印刷光探测器阵列的成像测量系统
本申请总体上涉及成像领域，尤其涉及可用于CT和其他成像模态的数据测量系统。这些成像模态在很多环境中有用，例如医学成像、诸如行李扫描的安全成像和其他环境。
先前已知CT成像系统提出的一项挑战是将X射线探测器机械地和电地连接到系统的其余部分。实际上，已知CT数据测量系统成本的大部分源于连接器，连接器使得每个探测器阵列都能够插进数据测量系统并以高的空间和电精度机械固定于其上。CT成像中好的图像质量通常要求每个阵列中的测素(dixel，探测器像素)相对于彼此、相对于X射线管焦斑并相对于托架精确地安装。此外，先前已知的CT成像系统包括大量精密部件来形成闪烁体组件，将其制成并组装到整个系统中也是成本高昂的。
本发明通过利用大面积X射线光探测器阵列以低成本实现了所需的精度。在第一实施例中，X射线光探测器包括形成于单个厚层材料中的无机直接光电转换材料。在第二实施例中，X射线光探测器包括若干薄层无机光电转换材料的层压结构，其组合厚度足够大，从而以高的探测器量子效率吸收进入的X射线。在第三实施例中，X射线光探测器包括几层无机或有机光电二极管的层压结构，其中每层都具有复合闪烁体涂层，该涂层足够薄使得尽管闪烁体粉末和闪烁体粉末散布于其中以形成复合体的树脂之间可能有大的折射率差异，涂层的自我吸收和散射也不会导致闪烁体涂层的光输出实质减少。
这些设计显著降低了整体数据测量系统的成本和复杂性。提出的系统还有助于层的重复以形成多层频谱CT数据测量系统，例如两层频谱CT系统。于是，形成CT或其他成像设备中的数据测量系统的大面积光探测器阵列是非常有利的。本发明还涉及在CT扫描器或其他成像扫描器数据测量系统中使用大面积光探测器阵列的各种结构和几何结构。
根据本发明的一个方面，提供了一种成像系统，包括：辐射源，所述辐射源绕所述成像系统的中心z轴旋转以执行成像扫描；以及印刷无机X射线光探测器阵列，包括弯曲支撑上按照排和列印刷的若干分立无机光探测器，使得每排光探测器沿着弯曲支撑的曲线对齐，且每列光探测器平行于所述成像系统的中心z轴对齐。无机X射线光探测器可以包括例如CIGS、AuInGaSe2或AuInThSe2。每个光探测器形成探测器阵列的测素之一。探测器阵列可以包括两个或更多层，每层包括印刷无机X射线光探测器阵列，以用作频谱CT成像系统。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于成像系统中的可弯曲印刷无机X射线光探测器阵列组件，包括可弯曲支撑。所述可弯曲支撑可以是例如PET片、聚酰亚胺片、PEET片或尼龙片。阵列组件可安装在托架之内，使得每个光探测器形成测素，作为成像设备中的图像数据测量系统。探测器阵列可以包括两个或更多层，以用作频谱CT成像系统。还提供了制造这种阵列的相关方法。
在第三实施例中，X射线光探测器包括几层无机或有机光电二极管的层压结构，其中每层都具有复合闪烁体涂层，该涂层足够薄使得尽管闪烁体粉末和闪烁体粉末散布于其中以形成复合体的树脂之间可能有大的折射率差异，涂层的自我吸收和散射也不会导致闪烁体涂层的光输出实质减少。
在阅读优选实施例的以下详细描述之后，对于本领域的普通技术人员而言，众多优点和益处将变得显而易见。本发明可以通过各种部件和部件布置，以及各种过程操作和过程操作的布置而具体化。附图仅仅用于例示优选实施例，不应被解释为限制本发明。
图1图示了CT成像设备100；
图2和3分别是无机光探测器阵列200的前视图和侧视图；
图4是无机光探测器阵列200的前表面的特写视图；
图5是设置于CT成像设备100之内的无机光探测器阵列200的示意过轴视图；
图6图示了制造和组装无机光探测器阵列200的过程600；
图7是无机光探测器阵列700的部分前视图；
图7A是层压光探测器的视图；
图8是沿图9中的线8-8截取的无机光探测器阵列700的截面侧视图；
图9是无机光探测器阵列700的远端表面的特写视图；
图10图示了制造和组装无机光探测器阵列700的过程1000；
图11是具有超过一层的无机光探测器阵列1100的截面图；
图12是频谱CT成像系统的示意过轴视图；
图13和14分别是第四代CT成像设备1300的示意前视图和示意截面侧视图；
图15示意性示出了具有尺寸变化的测素的光探测器阵列1500；
图16图示了使用复合闪烁体制造和组装无机光探测器阵列的过程1600；
图17是结合探测器测量系统的CT成像系统的示意性过轴视图，探测器测量系统具有层压的光探测器阵列，该光探测器阵列具有复合闪烁体；
图18是利用具有复合闪烁体的无机光探测器阵列的扇形成像元件1801的示意性过轴视图；
图19是结合了若干扇形元件1801的无机探测器阵列1900的示意性截面侧视图；
图20是使用适于频谱CT设备的无机光探测器阵列的扇形成像元件2000的示意性过轴视图；以及
图21到23示出了适于相对于X射线束以某一角度倾斜使用的光探测器阵列2100。
CT成像设备
图1图示了用于执行成像扫描的CT成像设备100的一个范例。CT成像采集系统102包括扫描架104和沿着z轴移动的台子106。要成像的患者或其他对象(未示出)躺在台子106上，被移动设置于扫描架104中的膛108之内。一旦患者或对象就位，X射线源110发射X射线投影112，以被扫描架104内部的X射线数据测量系统114收集。(图1中切掉了扫描架104的一部分116，以示出扫描架104内部容纳的X射线源110和X射线数据测量系统114。)数据测量系统114包括设置于托架118上的若干光探测器(未示出)。X射线源110和数据测量系统114共同绕着膛108旋转，以从各个位置记录CT成像数据，常常结合台子106的线性运动。这种旋转是可能的，因为X射线源110和托架118均安装到扫描架104内部的公共转子(未示出)上。
CT成像采集系统102然后通过通信链路101向CT成像、处理和显示系统120传递CT成像数据。
尽管为了例示的目的，这里所示和描述的系统102和120是独立系统，在其他实施例中它们可以是单个系统的一部分。CT成像数据传递到图像处理器122，其在存储器124中存储数据。图像处理器122以电子方式处理CT成像数据，以生成被成像患者或其他对象的图像。图像处理器122能够在关联显示器126上显示所得图像。可以提供用户输入128，例如键盘和/或鼠标装置，供用户控制处理器122。
CT数据测量系统(四层面)
如图2和3中所示，这里描述的一个数据测量系统包括无机光探测器探测器阵列200，可以是印刷的无机光探测器阵列。阵列200由印刷于支撑204的前表面203上的若干优选无机光探测器202构成，每个光探测器形成阵列200的成像测素215。图2所示的无机光探测器202是矩形形状的，但可以使用任何形状，光探测器的尺寸优选为大约0.5到5mm乘0.5到5mm左右，最优选为大约1mm乘1mm。可以将无机光探测器202布置成光探测器202的组206，例如每组206中十六个光探测器202。在光探测器202的每个相邻组206之间可以有缝隙207，以便在如下所述的曲线配置中适当对准光探测器202。尽管在图2和3中未示出，但在给定组206中任两个相邻光探测器202之间可以有缝隙，在每个方向上获得大约1.2mm的间距。尽管图2中仅示出了三列210，但组206被布置成例如四排208和四十二列210，阵列200中共有2688个光探测器202。于是，无机光探测器阵列200典型地将为长度L大约75到100cm，宽度W大约15cm，厚度t大约100μm。这样的阵列200对于四层面CT成像系统而言是有用的，其中四排208的每排代表成像层面。这样将阵列200设置于CT成像设备100之内，使得z轴如图2中所示那样取向。无机光探测器202以阵列200的这种布置仅仅是代表性的；也可以使用任何其他布置以适合特定应用的需要。
无机光探测器阵列200的支撑204优选是稳定但可弯曲的塑料片。支撑204例如可以是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)片、聚酰亚胺片、聚芳基醚酮(PEEK)片、或尼龙片。沿着支撑204的每侧放置若干基准孔径211。
例如，通过印刷工艺，可以在支撑204上沉积无机光探测器202。作为示范性实施例，Robinson等人的美国专利申请公开No.2007/0163639披露了一种方法和装置，用于制造结合了基于11族(旧式IB)、13族(旧式IIIA)和/或16族(旧式VIA)化合物的无机半导体膜的光伏电池，在此通过引用将该公开并入。总之，Robinson的′639方法开始于色散材料，其包括至少一种来自11、13和/或16族的元素。除了其他优点之外，使用16族或硫属化合物还实现了低熔点，相对于更多传统Si基色散材料而言这是有利的。不过，结合本发明，色散材料可以使用来自11、13和/或16族的任何元素。在一个优选实施例中，使用CIGS(铜铟镓二硒化物)形成色散材料。在另一优选实施例中，例如可以使用基于金的半导体，例如AuInGaSe2或AuInThSe2。
根据Robinson的′639方法，例如，通过高吞吐量的卷对卷印刷工艺将色散材料涂覆到衬底上以形成前体层。接着将所得的前体层固化以形成薄而致密的半导体膜。可以通过将前体层加热到大于前体层退火温度但小于衬底熔化温度的温度来加快固化步骤。使用熔点非常高的衬底，例如PEEK，能够进行更热的固化。使用固化的膜以形成光探测器装置的半导体吸收器。对于这里构思的X射线直接探测，应当选择半导体光探测器的几何结构和材料组成以利用半导体二极管周边表面的电极优化电荷收集效率，使对由进入的X射线的转换形成的电荷的收集最大化，从而以最小时间延迟进行收集。
Robinson的′639印刷方法仅仅是适当印刷方法的一个范例；也可以使用其他适当的印刷工艺。对于诸如阵列200的四层面阵列，这样的工艺包括无机光探测器202以低分辨率在支撑204上的其他种类的卷对卷印刷、丝网印刷和旋涂印刷。在需要更高清晰度时，例如需要更小测素时，也可以采用喷墨式印刷工艺在支撑204上沉积无机光探测器202。
示范性阵列200的无机光探测器202是直接探测器；亦即，它们直接操控进入的X射线并产生指示进入X射线的电信号。在替代实施例中，光探测器可以是间接探测器；在那些实施例中，在光探测器顶部设置闪烁体元件以将进入的X射线转换成另一种形式的光，然后由光探测器操控第二形式的光以间接产生指示进入的X射线的电信号。
如图4所示，支撑204的前表面203上的电导体212从每个无机光探测器202通往阵列200的侧面。为了该图清晰起见，图2未示出导体212。内部两排208中的无机光探测器202的导体212可以在外部两排209中的相邻两个光探测器202之间通过。导体212将无机光探测器202连接到安装在阵列200每侧处的“有源”电子部件214，例如放大器、模数转换器、复用器、专用集成电路(ASIC)等，连同输出连接器。可以沿着侧面在大约5cm宽的边沿中形成有源电子部件214。通过这种方式，导体212可以向每个无机光探测器202输送电力，还可以从每个无机光探测器202输送输出信号。此外，每个无机光探测器202的一个电极还通过例如设置于光探测器202上方的透明传导层连接到地，地可以是公共地。
在替代实施例中，光探测器202可以由若干堆叠的层形成。在这样的实施例中，首先通过在支撑上沉积优选至少约100μm厚的无机材料，然后固化它以形成半导体层，来独立形成光探测器202的每层。然后堆叠和层压半导体层以形成足够厚的半导体，以高效率地吸收X辐射。优选堆叠这种CIGS层达到大约3.5mm的总厚度。然后在基底支撑上设置厚半导体，其中基底支撑包含导电体212和“有源”电子部件214，以处理来自厚堆叠半导体的信号。
如图5所示，一旦组装无机光探测器阵列200以形成测素215，就可以将其插入托架118中，用作CT成像设备，例如上述设备100中的数据测量系统114。于是，图5示意性图示了产生X射线投影112的X射线源110、躺在台子106上要成像的患者或对象502，以及无机光探测器阵列200之间的相互关系。托架118可以包括基准管脚504，其通过阵列200的支撑204中的基准孔径211延伸以便在托架118之内，因此在整个设备100之内适当对准阵列200。可以额外地将管脚504用于适当对准阵列200上方的一个或多个抗散射栅格(未示出)。可以利用适当的粘合剂在托架118上额外地或唯一地将阵列200保持就位。阵列200和托架118共同构成数据测量系统114。在图5中，为了例示的目的，测素215相对于设备中其他部件尺寸的尺寸被极大地夸大。如前所述，在实际的数据测量系统114中，可能有大约四十二组206测素215分布在数据测量系统114的弧长上，而不是图中所示的十五组206。可以在阵列200的弧内表面上设置一层塑料506，例如装填有TiO2的特氟隆(PTFE)。这个层506为阵列200增加了强度。
根据图6所示的过程600，可以在数据测量系统之内制造和组装无机光探测器探测器阵列200。可以改变图6中所示过程600的步骤排序以适应特定应用的需要，可以向这里所示和描述的示范性过程600增加或从其去除一些步骤。
首先在光探测器202阵列200中的支撑204的前表面203上沉积602无机前体材料。例如，可以通过印刷工艺实现这种沉积，如上所述，通过印刷可以将构成光探测器202的无机材料印刷到支撑204上。根据光探测器阵列200的尺寸和应用，适当的印刷工艺可以包括卷对卷印刷、丝网印刷、旋涂印刷和喷墨印刷。也可以从溶液沉积无机材料并进行光刻以形成图案。
然后加热并固化604阵列200以形成薄但致密的半导体膜。
在支撑204中形成606基准孔径211。
在支撑204的前表面203上沉积608电导体212，一个导体212从每个无机光探测器202通往阵列200的侧面。像光探测器202它们自己一样，可以利用施加到支撑204上光探测器202所在的前表面203的印刷工艺添加导体212。类似地，例如，通过设置于光探测器202上方的透明传导层将每个无机光探测器202的一个电极共同连接到地。在阵列200的每侧添加610关联的“有源”电子部件214，例如放大器、模数转换器、复用器、专用集成电路(ASIC)等，连同输出连接器。
可以将无机光探测器阵列200弯曲612成弧形，以顺应X射线源110上处于中心的刚性托架118的半径。例如，利用基准管脚504和/或粘合剂或任何其他手段将弯曲的阵列200安装612到托架，以实现将光探测器202适当聚焦在X射线源110上所需的精确定位。
完成614电子连接，添加完成数据测量系统组装所需的任何其他电子部件。可以在阵列200的弧内表面上方添加616一层506白色塑料，例如特氟隆(PTFE)。这个层506为阵列200增加了强度。
CT数据测量系统(超过四层面)
上文论述的无机光探测器阵列200适合于四层面CT成像设备。为更大的CT成像系统，例如十六到六十四层面或一百二十八层面的系统制造这样的阵列200可能是困难的。必须在阵列支撑204的前表面203上为光探测器202和导体212都找到足够大空间，而不会过度减小光探测器202的有效面积和降低其灵敏度。为了克服这样的困难，图7和8中示出了替代的无机光探测器探测器阵列700，更适合于超过四层面的成像系统。更具体而言，图中示出了中心线701一侧上的这种阵列700的一半。阵列700的两半，一半在图中示出，另一半未示出，关于中心线701是对称的。
于是，阵列700由设置于支撑704的前表面703上的若干无机光探测器702构成，每个无机光探测器形成阵列700的成像测素715。图7所示的无机光探测器702是矩形形状的，但可以有利地使用任何其他形状，例如六边形形状，光探测器的尺寸优选为大约0.5到5mm乘0.5到5mm左右，最优选为大约1mm乘1mm。可以将无机光探测器702布置成光探测器702的组706，每组706中例如有十六个光探测器702。在光探测器702的每个相邻组706之间可以有缝隙707，以便在如下所述的曲线配置中适当对准光探测器702。尽管图7中仅示出了三列710，但将组706布置成例如十六排708和四十二列710。于是，无机光探测器阵列700典型地将为长度L大约75到100cm，宽度W大约20到30cm，厚度t大约100μm。这样的阵列700对于十六层面CT成像系统是有用的，其中十六排708的每排都代表成像层面。这样将阵列700设置于CT成像设备100之内，使得z轴如图7中所示那样取向。无机光探测器702以阵列700的这种布置仅仅是代表性的；也可以使用任何其他布置以适合特定应用的需要。
每个光探测器702由无机材料构成，如上文结合阵列200的光探测器202所述那样。例如，通过印刷工艺，可以在支撑704上沉积无机光探测器702。适当的印刷工艺包括以低分辨率在支撑704上进行无机光探测器702的卷对卷印刷、丝网印刷和旋涂印刷。也可以采用喷墨印刷工艺在支撑704上沉积无机光探测器702。也可以从溶液沉积无机材料并进行光刻以形成图案。
同样像在阵列200中那样，无机光探测器阵列700的支撑704优选是稳定但可弯曲的塑料片。支撑704可以是例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)片、聚酰亚胺片、聚芳基醚酮(PEEK)片或尼龙片。它类似地具有基准孔径711。不过，与阵列200不同的是，阵列700的导体712不在支撑704的前表面703上。
相反，如图8和9中示意性所示，导体712位于支撑704上与前表面703相对的远端表面705上，并通过支撑704中的孔720连接到相应光探测器702。由于支撑704的前表面703上设置的光探测器702的数目导致该前表面上空间限制，因此这种构造是有利的。因为支撑704的远端表面705没有任何光探测器702，所以比前表面703上有多得多的可用空间来放置导体712。
可以利用连续波或脉冲激光的聚焦束，例如10.6μm二氧化碳(CO2)激光或1.06μm的Nd-YAG激光，在支撑704中制造孔720。如果使用CW激光，优选使用氮气覆盖层。涂覆支撑704的远端表面705的相关区域的导体712优选是光亮金属或激光束的其他良好反射体，阻止其进一步穿透。在形成孔720之后，可以从前表面703用导电粘合剂722的微滴填充它们，以完成通往远端表面705上导体712的连接。优选地，采用挠性树脂以允许在后来的阶段进行弯曲而不造成损伤。
可以使用常规的喷墨印刷技术在支撑704(可以是不吸收光滑塑料)的远端表面705上形成导体712。在美国专利No.5933168中公开了这种技术的代表性范例，其指出产生5到7纳克的微滴，在此通过引用将其并入以结合其对喷墨印刷技术的披露。为了修改该专利的教导或其他常规喷墨印刷技术，希望为光探测器702的材料和/或导体712和722的材料选择与所用墨水流体的流体参数匹配的材料。理想地，这些包括密度与体积压缩系数的比值、运动粘度、接触角和表面张力。选择对印刷的材料有耐受性的橡皮膜可能是有用的。据信，喷墨印刷能够实现相邻平行导体712之间小至大约16μm的空间，这对应于32μm的间距和每毫米超过30个导体的密度。
通过这种方式，如图8和9所示，独立而密集隔开的电导体712从每个无机光探测器702通往阵列700的侧面。导体712这样将无机光探测器702连接到安装在阵列700每侧的“有源”电子部件714，例如放大器、模数转换器、复用器、专用集成电路(ASIC)等，连同输出连接器。电子部件714可以形成于沿侧面大约5cm宽的边沿中，可以出现在支撑704的前表面703或远端表面705上。通过这种方式，导体712可以向每个无机光探测器702输送电力，还可以从每个无机光探测器702输送输出信号。同样，例如，通过设置于光探测器702上方的透明传导层将每个无机光探测器702的一个电极连接到公共地。
示范性阵列700的无机光探测器702是直接探测器；亦即，它们直接操控进入的X射线并产生指示进入的X射线的电信号。在替代实施例中，光探测器可以是间接探测器；在那些实施例中，在光探测器顶部设置闪烁体元件以将进入的X射线转换成另一种形式的光，然后由光探测器操控第二形式的光以间接产生指示进入的X射线的电信号。
在图7A中所示的替代实施例中，可以由若干堆叠层，例如图7A所示的五层702a到702e形成光探测器702。在这样的实施例中，首先通过在支撑上沉积优选至少100μm厚的无机材料，然后固化它以形成半导体层，来独立形成层压光探测器702′的每层。然后堆叠并层压半导体层702a到702e以形成厚半导体光探测器阵列702′。在这种层压堆叠702′中，直接转换光探测器层702a到702e精确地彼此紧靠，没有中间元件。
接下来在基底支撑，例如支撑704上设置厚半导体阵列702′，每个直接转换光探测器层702a到702e通过公共粘结结合722并联连接到其下方的对应层。通过这种方式，导电粘合剂722连接堆叠的光探测器阵列702′以形成单个测素。由导电体712将每个测素连接到“有源”电子部件714，以处理来自厚堆叠半导体702′的信号。
一旦已经组装了无机光探测器阵列700，就可以将其插入托架118中，用作CT成像设备，例如上述设备100中的数据测量系统114。这个过程基本如上文结合无机光探测器阵列200所示和所述，包括基准管脚504的使用。
根据图10所示的工艺1000，可以在数据测量系统之内制造和组装无机光探测器探测器阵列700。可以改变图10中所示过程1000的步骤排序以适应特定应用的需要，可以向这里所示和描述的示范性过程1000增加或从其去除一些步骤。
首先在光探测器702阵列700中的支撑704的前表面703上沉积1002无机前体材料。例如，可以通过印刷工艺实现这种沉积，如上所述，通过印刷可以将构成光探测器702的无机材料印刷到支撑704上。根据光探测器阵列700的尺寸和应用，适当的印刷工艺可以包括卷对卷印刷、丝网印刷、旋涂印刷和喷墨印刷。也可以从溶液沉积无机材料并进行光刻以形成图案。
然后加热并固化1004阵列700以形成薄但致密的半导体膜。
在支撑204中形成1006基准孔径211。
在支撑704的远端表面705上沉积1008电导体712，一个导体712从每个无机光探测器702通往阵列700的一侧。像光探测器702自身那样，可以利用印刷工艺添加导体712。在支撑704中形成1010孔720，利用诸如柔性传导环氧树脂722的导体填充1012孔，以将每个无机光探测器702连接到关联导体712。例如，通过设置于光探测器702上方的传导层将每个无机光探测器702的一个电极连接到公共地。该层可以是但不必一定是透明的，可以是浇铸的或印刷的，具有穿孔，以防止通过其的其他电极导体短路。在无机光探测器阵列700的每侧增加1014关联的“有源”电子部件714，例如放大器、模数转换器、复用器、专用集成电路(ASIC)等，连同输出连接器。
可以将无机光探测器阵列700弯曲1016成弧形，以顺应X射线源110上处于中心的刚性托架118的半径。例如，利用基准管脚504和/或粘合剂或任何其他手段将弯曲的阵列700安装1016到托架，以实现将光探测器702适当聚焦到X射线源110上所需的精确定位。
完成1018电子连接，添加完成数据测量系统的组装所需的任何其他电子部件。可以在阵列700形成的弧内表面上方添加1020一层506白色塑料，例如装填了TiO2的特氟隆(PTFE)。这个层506为阵列700增加了强度，并形成对湿气的密封。
在本范例中，无机光探测器阵列700是十六层面阵列，在阵列700的中心线701的每侧上呈现八个层面或排708。据信，这种印刷技术的间距上限是每毫米32个导体。应用这种上限，并假设光探测器702的测素间距为1mm，可以直接应用阵列700的设计以制作在中心线701每侧上具有三十二层面，共六十四层面的阵列。当然，如果发现或已知更高的间距印刷方法，可用层面的数目将相应增加。或者，如果更低空间分辨率的成像过程是可以接受的，则可以减小光探测器702的测素间距，提供放置导体712的更多空间，从而提高层面的数目。
在另一实施例中，如图11所示，提供了一种方法以增加利用光探测器阵列1100做出的成像层面的数量。在本实施例中，支撑1104有多个层。在图11中示出了四层1141、1142、1143和1144作为代表性范例。每层1141、1142、1143和1144优选是稳定但可弯曲的塑料片，例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)片、聚酰亚胺片、聚芳基醚酮(PEEK)片或尼龙片。单层的厚度t可以是大约10μm到100μm。无机光探测器1102设置于顶层1141的前表面1151上。
为了组装多层宏观无机光探测器阵列1100，在其相应前表面1151、1152、1153或1154上利用适当的导体1112网络印刷每层1141、1142、1143和1144。利用柔性粘合剂将层1141、1142、1143和1144粘合到一起以形成支撑1104。在支撑1104中形成孔1120，在每个导体1112和顶表面1151上的对应无机光探测器1102之间提供通信路径。可以利用连续波或脉冲激光的聚焦束，例如10.6μm二氧化碳(CO2)激光或1.06μm的Nd-YAG激光，在支撑1104中制造孔1120。如果使用CW激光，优选使用氮气覆盖层。导体1112优选是光亮金属或激光束的其他良好反射体，以帮助保护支撑1104中更深层在形成孔1120期间免受激光束损伤。这样导体1112形成每个孔1120的基底。控制激光束强度和曝光时间能够确保激光束穿透多层支撑1104仅到达反射金属层1112，而不会更远。在形成孔1120之后，可以利用从光探测器表面1151延伸到孔1120底部的导电粘合剂(未示出)填充它们，以完成通往每个导体1112的连接。
于是，通过提供多层通道，大大增加了阵列1100中用于导体1112的可用空间。这样能够在阵列中形成更多成像层面，而不会牺牲利用阵列获得的图像质量。如上所述，可以结合层压光探测器使用这种方法。
频谱CT扫描器
可以容易地将上文论述的概念应用于频谱CT设备。对于频谱CT而言，数据测量系统114将两个独立的无机光探测器阵列组合到一起，例如，如图12中所示，作为底部无机光探测器阵列1202和顶部无机光探测器阵列1204。顶部阵列1204优选对低能量(较软的)入射X射线做出响应，将其过滤掉，仅留下高能量(硬)X射线，底部阵列1202优选对高能量X射线敏感。这样改善了光子能量频谱测定中的统计信息。
底部无机光探测器阵列1202可以与无机光探测器阵列200(对于最多四个层面的频谱CT扫描器)、无机光探测器阵列700(对于最多六十四个层面的频谱CT扫描器)或无机光探测器阵列1100(对于大于六十四个层面的频谱CT扫描器)相同。不过，底部无机光探测器阵列1202可以优选地结合例如AuInGaSe2或AuInThSe2，它们是较为致密的无机半导体材料。可以有用于基准管脚504的标准基准孔间距。
添加顶部无机光探测器阵列1204以便提供频谱CT成像能力。在设计顶部阵列1204中，与设计底部阵列1202相比，有两个主要差异。首先，顶部阵列1204是较低能量的阵列，优先对较软X射线做出响应，从而包括例如CIGS作为无机半导体材料。第二，与底部无机光探测器阵列1202的部件相比，将顶部无机光探测器阵列1204的光探测器印刷成尺寸稍小、分离稍小且基准孔间距稍微减小。这样允许在托架118中的底部探测器阵列1202上安装顶部探测器阵列1204，仍然能够以对应较小的半径聚焦在X射线源110上。还允许利用与底部探测器阵列1202相同的基准管脚504在数据测量系统114之内安装顶部探测器阵列1204，用于精确定位。可以为每个探测器阵列1202和1204使用独立的顶层506。
第四代CT扫描器
也可以结合第四代CT扫描器，例如图13和14中所示的设备1300使用这里描述的技术。在第四代CT成像设备中，数据测量系统包括围绕要成像的感兴趣区域的X射线探测器的完整环。偏移旋转X射线源发射X射线，X射线被保持固定的探测器接收。
于是，参考图13和14，第四代CT成像设备1300具有固定扫描架1302，扫描架具有膛1304，以接收台子1306，台子1306沿着z轴线性移动，进出膛1304。第四代CT设备1300要成像的患者或其他对象设置于台子1306顶部。偏移X射线源1308绕着感兴趣区域沿圆形路径1310旋转。如上所述，至少设置于扫描架1302之内的第一环包括无机光探测器阵列1312。更具体而言，上文分别描述的实施例的支撑元件204、704和1104可以具有长度L，L等于扫描架1302之内环形托架(未示出)的内圆周。通过那种方式，可以利用粘合剂和/或基准膛-管脚布置在环形托架的内部圆周上安装阵列200、700或110。换言之，在第四代CT设备1300中，固定环托架取代了上述阵列200、700和1100的旋转托架118。环形托架可以是整个环的形式，或仅仅是整个环的几段。
尽管图13和14中未示出，但第四代CT设备1300结合了类似于上文结合第三代CT成像设备100所述的系统120的处理和显示系统。
也可以通过在第一环形无机光探测器阵列1312内部添加第二环形无机光探测器阵列1314来向第四代CT设备1300添加频谱CT能力。于是，在这种频谱CT实施例中，第一无机光探测器阵列1312结合了相对更加致密的半导体，例如AuInGaSe2或AuInThSe2，而第二无机光探测器阵列1314结合了相对较不致密的半导体，例如CIGS。同样，与第一无机光探测器阵列1312的部件相比，第二无机光探测器阵列1314的光探测器的尺寸稍小、分离稍小且基准孔间距稍微减小。这样允许将第二无机光探测器阵列1314安装在环形支撑上第一无机光探测器阵列1312的圆周之内。还允许利用与第一无机光探测器阵列1312相同的基准管脚安装第二无机光探测器阵列1314，以精确定位。可以额外使用更多阵列层。
这里所述的无机光探测器阵列尤其适合于第四代CT成像设备1300。与当前CT成像设备中使用的陶瓷闪烁体和硅光探测器相比，制造和安装该无机光探测器阵列成本低得多。电子连接成本也显著降低。于是在生产足够多探测器以完全围绕感兴趣区域时实现的成本节省可以很大。此外，在第四代CT中对数据测量系统中均匀性和时域稳定性的要求大大减小，因为每个探测器的灵敏度、暗噪声和线性都可以在每次成像曝光之前立即校准。而且，在第四代CT设备1300中仅需要旋转X射线源1308，因此可以降低扫描架的机械成本，因为要求的机械精度更低。
可变尺寸光探测器测素几何结构
示范性无机光探测器阵列200的测素215、示范性无机光探测器阵列700的测素715和示范性无机光探测器阵列1100的测素都被示为和描述为与图中所示具有相同矩形形状。不过，在至少一个替代实施例中，测素的尺寸可以在整个阵列200、700或1100之内改变，例如，如图15中所示。
图15图示了无机光探测器阵列1500，其具有与z轴垂直的第一中心线1501和平行于z轴的第二中心线1505。光探测器阵列1500包括设置于支撑1504上的各种尺寸的若干光探测器测素1515。测素1515被成排和列布置。图15仅图示了与阵列中心最接近的六排1508a到1508f和五列1510a到1510e，在中心处中心线1501和1505相交。可以看出，随着测素1515接近阵列1500的中心线1501或1505之一，它们的尺寸减小。这种几何结构提供了一种成本有效的方式提高探测器阵列1500接近其中心处的空间分辨率，通常在中心处对对象成像，例如，如图5中相对于阵列200所示。
X射线探测器领域中的普通技术人员将理解，通过在X射线束的中心射线上集中剂量并在该区域中采用具有最大分辨率的探测器可以大大提高患者剂量效率。于是，如果测素1515的几何结构与X射线源的特定特征协调，图15的实施例也可能导致所需X射线曝光的减少。具体而言，在探测器1515的边缘处可以将蝴蝶结X射线滤波器(图15中未示出)做得薄得多，在阵列1500的边缘更大。
复合闪烁体
上文描述的实施例结合了无机光探测器阵列，用于将进入的X射线直接转换成电子信号。不过，这样的无机光探测器阵列也可以用于间接光电转换，作为光电二极管与中间闪烁体结合，以形成光探测器。作为这种间接转换的一种替代，可以使用复合闪烁体，例如在美国专利申请No.61/087195(2008年8月8日提交)和PCT专利申请No.PCT/IB2008/055276(2008年12月12日提交，要求享有2007年12月21日提交的美国专利申请No.61/087195的优先权)中描述的复合闪烁体。在此通过引用将那些申请并入本文，以结合它们对复合闪烁体的披露。
这样的复合闪烁体能够实现成本的节约和热应力性能的改善。具体而言，开发一种商业上可行的印刷工艺来制造具有直接转换所需的纯度、质量、速度、线性度和均匀性的无机半导体可能会充满困难。因此，作为一种替代，可以利用一层复合闪烁体涂覆大面积的光电二极管阵列(有机的或无机的)以改善X射线探测性能。
于是，图16图示了制造和组装数据测量系统的过程1600，该数据测量系统包括具有复合闪烁体的无机或有机光电二极管阵列。可以改变图16中所示过程1600的步骤排序以适应特定应用的需要，可以向这里所示和描述的示范性过程1600中增加或从其去除一些步骤。
如上所述，在支撑的前面上沉积1602光电二极管。例如，可以通过印刷工艺实现这种沉积，通过印刷可以将构成光电二极管的材料，例如CIGS、AuInGaSe2或AuInThSe2印刷到支撑上。根据光电二极管阵列的尺寸和应用，适当的印刷工艺可以包括通过真空沉积或优选在大气压下的卷对卷印刷、丝网印刷、旋涂印刷和喷墨印刷。也可以从溶液沉积光电二极管材料并进行光刻以形成图案。在支撑中形成1604基准孔径，还在支撑中形成1606导体孔。在支撑的远端表面上沉积1608电导体，一个导体从每个光电二极管通往阵列的侧面。像光电二极管自身那样，可以利用施加到支撑的印刷工艺添加导体。例如，通过设置于光电二极管上方附近的透明传导层将每个光电二极管的一个电极连接到公共地。
然后，例如通过在适当的树脂或塑料中散布闪烁体粉末，然后固化1612，而在支撑的前面上方浇铸1610薄的复合闪烁体块。可以使用很宽范围的闪烁体材料，包括GOS、石榴石(例如GGAG)、ZnSe、ZnS和ZnO粉末。可以通过湿式化学方法，无需结晶或烧结，来廉价地制备这些闪烁体材料。如果考虑到使湿气的存在或形成最小化，可以使用稀土卤化物，例如LuI3、YI3或SrI2，它们通常给出更高的光输出。
如果复合闪烁体薄，那么闪烁体层中因为散射或自我吸收而损耗的光几乎没有，几何光效率将非常高。于是，复合闪烁体涂层的厚度优选介于约100到250μm之间。替代地或此外，复合闪烁体的粉末成分可以是纳米颗粒或浓度较低。这样确保了尽管复合体中粉末和树脂的折射率之间有显著失配(δn＝0.2)，复合闪烁体涂层中的自我吸收可容忍，且光输出也不被散射严重减小。与树脂的折射率匹配更好的低折射率闪烁体，例如LuPO4或BaF2，能够允许更厚的层。
可以通过任何数量的方式在光电二极管阵列上沉积复合闪烁体涂层。在第一种方式中，沉积复合闪烁体材料的连续膜，该膜具有吸收发射波长处的光的光吸收体或染料，以减少复合闪烁体中的横向串扰。
在第二种方式中，例如以机械方式或利用激光对复合闪烁体涂层划线，以形成测素，每个测素并置在阵列的对应光电二极管元件上，被空气间隙或油漆分开以禁止串扰。于是，在闪烁体块中切割1614一系列平行槽，对应于闪烁体块下方的相邻光电二极管之间的边界。通过这种方式，在闪烁体块中形成细长的层面。在闪烁体块的层面之间的槽之内和边缘面上涂覆白色反射体并固化1616。对闪烁体块做出1618另一系列切口以形成垂直于线圈切口1614的槽，使得组合的槽图案形成与闪烁体块下方的光电二极管组合的测素。在闪烁体块的新槽之内和边缘面上涂布白色反射体并固化1620。如果需要，可以加宽1622一些槽以形成模块，从而可以更容易地将阵列弯曲成曲线配置。
在光电二极管阵列上沉积闪烁体涂层以形成光探测器的第三种方式中，通过适当的印刷工艺直接向每个光电二极管上直接印刷个体复合闪烁体元件，在复合闪烁体元件之间的间隙中增加黑色吸收墨水以防止它们之间串扰。
在光电二极管阵列上设置闪烁体涂层以形成光探测器的第四种方式中，采用商用X射线图像增强屏。利用光学胶合剂将这施加到光电二极管阵列的前面。对应于屏幕下方的相邻光电二极管之间的边界，在增强屏中切割1614一系列平行槽，以形成细长层面，如在浇铸的复合闪烁体块中那样。
将导电粘合剂置于1624支撑的导体孔之内，以便将支撑前表面上的无机光电二极管电连接到支撑的远端表面上的导体。在阵列的每侧安装1626关联的“有源”电子部件，例如放大器、模数转换器、复用器、专用集成电路(ASIC)等，连同输出连接器。也可以向阵列添加1626抗散射栅格。然后将数据测量系统弯曲成弧并通过在托架中基准管脚上方定位支撑的基准孔径以适当地聚焦在X射线源上来将数据测量系统放在托架之内。利用适当的几何形状，可以将这种过程用于第三或第四代数据测量系统。
这些组合式复合闪烁体/无机光电二极管阵列能够以几种方式的任一种方式实现足够的X射线阻止能力。在第一实施例中，可以层压几层复合闪烁体/无机光电二极管以形成厚探测器层压体，例如图17所示的层压体。其中示出的是保持在一起并由基准管脚504对准的复合闪烁体/无机光电二极管阵列的三层层压体1700。在这样的多层层压体中，可以使用商用X射线增强屏以形成层压结构中的复合闪烁体。通过类似方式，可以将组合式复合闪烁体/光电二极管阵列层的多层层压体并入第四代CT成像设备中，其中每层都是完整环的形状。通过以集成模式独立地读出光电二极管阵列，可以在频谱CT设备中适当使用这样的层压体。
在第二实施例中，通过以堆叠关系将若干扇形元件1801组合在一起来制造探测器阵列1800，其中每个元件1801对应于阵列1800的单个成像层面。如图18中所示，每个层面阵列元件1801包括沉积在支撑1804的第一侧1805上的若干有机或无机光电二极管1802和对应的复合闪烁体1803，可能分成组1806，以形成光探测器。为了容易例示，图18中示出了仅一个组1806的个体光电二极管1802和闪烁体1803。尽管可以使用任何形状，但图中所示的光电二极管1802和复合闪烁体1803形状为扇形。复合闪烁体1803暴露于进入的辐射R的顶部的截面尺寸优选为大约0.5到5mm左右。复合闪烁体优选为大约0.5到6mm高，以吸收所有辐射R。这样将阵列1800设置于CT成像设备100之内，使得z轴如图19中所示那样取向。每个光电二极管层面1801沿z轴的厚度t优选约为100μm或更小，使得闪烁体1803中几乎不吸收所发射光学辐射R且几何量子效率(DQDE)高。基底优选稍厚于顶端。在实际层面元件1801中，在支撑1804的弧长上可以分布大约四十二组1806，例如每组中有大约十六个光探测器1802(或总共六百七十二个光探测器1802)，但图中仅示出了十三组1806。
每个光电二极管1802可以由无机材料构成，如上文结合这里的其他实施例所述，或者由有机材料构成。例如，可以通过印刷工艺在支撑1802上沉积光电二极管1802。适当的印刷工艺包括以低分辨率在支撑1804上进行光电二极管1802的诸如通过真空沉积或优选在大气压下的卷对卷印刷、丝网印刷和旋涂印刷。为了实现更高的空间分辨率，也可以采用喷墨印刷工艺以在支撑1804上沉积光探测器1802。也可以从溶液沉积材料并进行光刻以形成图案。
系统1800的支撑1804优选是稳定、薄而刚性的塑料片。支撑1804可以是例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)片、聚酰亚胺片、聚芳基醚酮(PEEK)片或尼龙片。片可以介于例如大约9和30μm厚之间。可以增加额外的薄金属支撑(未示出)以提供额外的强度和刚度。支撑1804同样具有基准孔径1811，像其他实施例中那些一样。
电导体(图中未示出)从每个光电二极管1802通往支撑1804上安装的“有源”电子部件1814。这样的部件可以包括例如放大器、模数转换器、复用器、专用集成电路(ASIC)等，连同输出连接器。可以利用常规喷墨印刷技术或卷对卷印刷形成导体。导体可以位于第一表面1805上，第一表面上还有光探测器1802。或者，导体可以位于支撑1804的相对表面上，例如利用连续波或脉冲激光的聚焦束，例如10.6μm二氧化碳(CO2)激光或1.06μm Nd-YAG激光的聚焦束，来通过支撑1804设置孔。或者，可以类似于图11的实施例使用几层支撑材料1804，以便形成足够空间以安装所有导体。例如，通过设置于光探测器1802上方的透明传导层将每个光探测器1802的一个电极连接到公共地。
作为图中未示出的替代布置，可以由组合式复合闪烁体和光电二极管材料的若干堆叠层形成每个光探测器。在这样的实施例中，首先通过在支撑上沉积优选至少100μm厚的无机材料，然后固化它以形成半导体层，来独立形成层压光探测器的每层。然后添加复合闪烁体以生成间接光探测器。对于大约110μm的一层的组合厚度，复合闪烁体的厚度大约为100μm，光电二极管的厚度大约为10μm。那么，层压体中堆叠在一起的大约10层厚度大约为1mm。这些层平行馈送到单套电子设备中。
一旦已经制造了若干层面元件1801，可以通过将若干层面元件1801堆叠在一起来组装对应阵列1800。在图19中图示了这种情况，其使用四个对应于四层面成像设备100的元件1801。理想地，层面1801稍微呈锥形，在基底比在顶端更厚，以将它们“聚焦”在X射线源110上。基准管脚可以通过每个层面元件1801中的对准基准孔1811(图18)延伸，以在阵列1800中适当定位每个元件1801。
图20示出了适合于频谱CT成像设备的层面元件2001。因此，元件2001对应于单个图像层面，在以结合图18和19的实施例描述的方式与其他类似元件2001堆叠在一起时，形成用于成像的系统2000(未示出)。层面元件2001包括沉积在支撑2004的第一侧2005上的若干光探测器2002和对应的复合闪烁体2003，它们可能是分成组2006的。为了容易例示，图20中示出了仅一个组2006的个体光探测器2002和复合闪烁体2003。尽管可以使用任何形状，但图中所示的光探测器2002和复合闪烁体2003形状为扇形。从进入的辐射R的角度来看，闪烁体2003的截面尺寸优选约为0.5到5mm乘0.5到5mm，最优选大约为1mm乘1mm。在图20中，为了例示的目的，光探测器2002相对于层面元件2001中其他部件尺寸的尺寸被极大地夸大。在实际层面元件2001中，例如，在支撑2004的弧长上会分布大约四十二个组2006，而不是图中所示的十三个组2006。
光探测器2012的第一(远方)阵列2012中的每个组2006都结合了更高能量的复合闪烁体，而第二(更近)阵列2014结合了较低能量的复合闪烁体。同样，与第一阵列2012的部件相比，第二阵列2014的闪烁体和光探测器尺寸稍小，分离稍小。这样允许在第一阵列2012上方安装第二阵列2014，并且仍然适当地聚焦在进入的辐射R的源上。
在又一实施例中，一个或多个组合式复合闪烁体/无机光电二极管层可以相对于X射线束112以某一角度倾斜，以增大其有效厚度，从而减少吸收X射线所需的层压结构的数量。图21到23中示出了代表性阵列2100。如图21中所示，如上所述，支撑2101上印刷了光电二极管2102。然后在光探测器2102的顶部上放置一层复合闪烁体或X射线增强屏2150。复合闪烁体或图像增强屏2150例如可以利用光学粘合剂光学耦合到光电二极管2102。然后对复合闪烁体或屏幕2150划线以形成间隙2170，如图22所示。然后在间隙2170处以扇状方式将阵列折叠成六角形手风琴形状，例如图23所示形状，且并入数据测量系统中。(图21和22中所示的比例尺相对于图23的比例尺大大放大了。)
已经参考优选实施例描述了本发明。显然，他人在阅读和理解前面的详细描述之后可能想到修改和变更。应当将本发明解释为包括所有这样的修改和变更，只要它们在所附权利要求或其等价要件的范围之内。本发明可以通过各种部件和部件布置，以及各种步骤和步骤安排而具体化。附图仅仅为了例示优选实施例，不应被解释为限制本发明。

Claims (12)

1.一种成像系统，包括：
辐射源，其绕着所述成像系统的中心z轴旋转以执行成像扫描；以及
无机光探测器阵列，其包括布置于弯曲支撑上的若干分立无机光探测器，使得每排无机光探测器沿着所述弯曲支撑的曲线对齐，且每列无机光探测器平行于所述成像系统的所述中心z轴对齐，
其中所述弯曲支撑包括可弯曲的片，其中导体路径设置于所述弯曲支撑的与所述支撑上设置有所述无机光探测器的表面基本相对的远端表面上，并且所述成像系统还包括所述支撑中填充有导电材料的孔，以将所述导体路径电连接到所述无机光探测器。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述无机光探测器包括CIGS、AuInGaSe2和AuInThSe2中的至少一种。
3.根据任意前述权利要求所述的成像系统，还包括设置于所述辐射源和所述无机光探测器之间的一个或多个闪烁体。
4.根据权利要求1或2所述的成像系统，其中，所述无机光探测器通过印刷工艺设置于所述弯曲支撑上。
5.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述无机光探测器经由所述导体路径连接到设置于所述弯曲支撑上的一个或多个有源电子部件。
6.根据权利要求5所述的成像系统，其中，所述弯曲支撑由超过一层构成，所述超过一层包括顶层和一个或多个下层，所述无机光探测器设置于所述顶层上，每个下层包括顶表面，所述顶表面接近所述顶层且所述顶表面上设置有所述导体路径中的至少一个。
7.一种用于成像系统中的可弯曲无机光探测器阵列组件，所述阵列包括可弯曲支撑、设置于所述支撑上的若干分立无机光探测器、设置于所述支撑上的一个或多个有源电子部件以及将所述无机光探测器中的每个操作性连接到所述有源电子部件中的至少一个的导体路径，其中所述可弯曲支撑包括可弯曲的片，其中所述导体路径设置于所述支撑的与设置有所述无机光探测器的表面基本相对的远端表面上，并且所述支撑包括填充有导电材料的孔，以将所述导体路径电连接到所述无机光探测器。
8.根据权利要求7所述的可弯曲无机光探测器阵列组件，其中，所述无机光探测器在所述可弯曲支撑上成排和列布置，每排无机光探测器对应于在由成像系统执行的成像扫描期间的单个成像层面，所述列平行于所述成像系统的中心z轴对齐。
9.根据权利要求7或8所述的可弯曲无机光探测器阵列组件，其中，所述组件安装在成像系统之内的托架上以形成成像数据测量系统。
10.根据权利要求7或8所述的可弯曲无机光探测器阵列组件，其中，所述无机光探测器通过印刷工艺设置于所述支撑上。
11.根据权利要求7所述的可弯曲无机光探测器阵列组件，其中，所述支撑由超过一层构成，所述超过一层包括顶层和一个或多个下层，所述无机光探测器设置于所述顶层上，每个下层包括顶表面，所述顶表面接近所述顶层且所述顶表面上设置有所述导体路径中的至少一个。
12.根据权利要求7所述的可弯曲无机光探测器阵列组件，还包括设置于所述可弯曲支撑中的一个或多个基准孔径。
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