CN103149225B - 一种新型双能量x射线成像探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型双能量X射线成像探测器。包括：复合闪烁体由两种不同的片状闪烁体构成，一种片状闪烁体用于吸收双能X射线中的高能X射线并产生闪烁光，另一种片状闪烁体用于吸收双能X射线中的低能X射线并产生闪烁光；所述光学组件位于所述复合闪烁体和所述图像传感器之间，使所述复合闪烁体产生的闪烁光在所述图像传感器的感光面上成像；所述图像传感器探测其感光面所成图像的光场分布并转换为数字图像，对所述数字图像进行算法处理后得到闪烁光发光点的三维空间分布信息。该探测器能够对在连续结构的闪烁体中产生的闪烁光成像，避免了分立的闪烁体阵列结构所引起的系统复杂度高和探测效率低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及射线成像技术领域，尤其涉及一种新型双能量X射线成像探测器。
背景技术
目前，双能量X射线成像系统能够区别X射线所透射材料的密度差异，广泛应用于无损检测中需要对内部材料进行区分的领域，如骨密度测量、安全检测、集装箱检测等。双能量X射线成像系统的工作原理是基于同一物质对不同能量X射线的质量吸收系数不同，以及不同物质对相同能量的X射线的质量吸收系数也不相同的物理规律。在成像过程中，使X射线源产生能量分布一高一低的两组射线，双能量X射线透过被测物质后其射线强度和能谱均会产生变化，这些变化包含了物质的质量和密度等信息，通过对比高能X射线的透射图像和低能X射线的透射图像之间的差异即可区别被测物质内部的密度差异。
在双能量X射线成像系统中，双能量X射线探测器是系统的核心部件，用于区分透射双能X射线中不同能量的X射线所生成的透射图像。一般来讲双能X射线中的高能X射线和低能X射线同时产生且辐照区域相同，因此为了能同时测量透射双能X射线中两种不同能量的X射线，在探测区域内至少需要两种不同的X射线探测器件，一种用于探测低能X射线，另一种用于探测高能X射线，同时X射线探测器件具有面阵化结构以输出双能X射线的透射图像。
在现有技术中，X射线探测器多为闪烁探测器，双能X射线依次穿过两层闪烁体后在两层闪烁体中产生强度分布不同的闪烁光，闪烁光由与闪烁体耦合的光面阵探测器成像。由于闪烁光的发射方向有各向同性的特点，且探测高能X射线的闪烁体较厚，一般厚度大于1mm，图像的空间分辨率会因闪烁光在连续晶体中的发散而产生退化。为了抑制图像空间分辨率的退化，在现有大部分技术方案中闪烁体被切割成体积微小的分立单元，分立单元之间不存在光串扰，以此保证闪烁光的传播被限制在单个闪烁体单元内。但由于分立的闪烁体单元阵列之间不可避免地存在一定间隙，故现有技术方案在抑制空间分辨率退化的同时增加了X射线探测器的探测盲区，降低了X射线探测器的探测效率。同时分立单元构成的闪烁体阵列结构增加了系统集成的复杂性，在各分立单元中闪烁体性能、晶体切割、定位、耦合等因素差异所引起的不一致性，一方面提高了探测器的制造成本，另一方面降低了探测器的探测精度和稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型双能量X射线成像探测器，能够对在连续结构的闪烁体中产生的闪烁光成像，同时保持较高的空间分辨率和较高的探测效率，避免了分立的闪烁体阵列结构所引起的系统复杂度高和探测效率低等问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种新型双能量X射线成像探测器，所述探测器包括复合闪烁体、光学组件和图像传感器，其中：
所述复合闪烁体由两种不同的片状闪烁体构成，一种片状闪烁体用于吸收双能X射线中的高能X射线并产生闪烁光，另一种片状闪烁体用于吸收双能X射线中的低能X射线并产生闪烁光；
所述光学组件位于所述复合闪烁体和所述图像传感器之间，使所述复合闪烁体产生的闪烁光在所述图像传感器的感光面上成像；
所述图像传感器探测其感光面所成图像的光场分布并转换为数字图像，对所述数字图像进行算法处理后得到闪烁光发光点的三维空间分布信息。
所述两种不同的片状闪烁体采用光学胶紧密耦合，所述复合闪烁体位于所述探测器外壳的前端窗口处。
所述光学组件包括调整透镜和透镜阵列，其中：
所述调整透镜为单一或者多个透镜共轴排列构成，用于调节成像放大比例以耦合所述透镜阵列；
所述透镜阵列由若干透镜单元排列而成，所有透镜单元的透镜中心处于同一平面且主光轴保持平行，所有透镜单元各自成像，使所述图像传感器的感光面上所成图像由若干单元图像构成。
所述光学组件由透镜阵列单独构成，所述复合闪烁体产生的闪烁光直接利用所述透镜阵列成像。
所述图像传感器包括感光芯片、读出电路和制冷系统，其中：
所述感光芯片用于采集入射到所述图像传感器感光面的光信号；
所述读出电路用于将所述感光芯片输出的光信号转化为通信用标准信号；
所述制冷系统用于控制所述感光芯片的温度，使其保持低温并维持稳定。
所述探测器还包括：
数据处理单元，用于对所述图像传感器采集到的数据进行显示、分析和变换处理，并利用特定的重建算法计算出闪烁光在所述复合闪烁体内的分布情况，进而分析计算出所述双能X射线中的高能X射线和低能X射线的透射图像。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述探测器包括复合闪烁体、光学组件和图像传感器，其中：所述复合闪烁体由两种不同的片状闪烁体构成，一种片状闪烁体用于吸收双能X射线中的高能X射线并产生闪烁光，另一种片状闪烁体用于吸收双能X射线中的低能X射线并产生闪烁光；所述光学组件位于所述复合闪烁体和所述图像传感器之间，使所述复合闪烁体产生的闪烁光在所述图像传感器的感光面上成像；所述图像传感器探测其感光面所成图像的光场分布并转换为数字图像，对所述数字图像进行算法处理后得到闪烁光发光点的三维空间分布信息。该探测器能够对在连续结构的闪烁体中产生的闪烁光成像，同时保持较高的空间分辨率和较高的探测效率，避免了分立的闪烁体阵列结构所引起的系统复杂度高和探测效率低等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的新型双能量X射线成像探测器结构示意图；
图2为本发明实施例所述复合闪烁体的结构示意图；
图3为本发明实施例所述光学组件由调整透镜和透镜阵列组成的示意图；
图4为本发明实施例所述透镜阵列的示意图；
图5为本发明实施例所述透镜阵列的成像原理示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的新型双能量X射线成像探测器结构示意图，如图1所示，所述探测器包括复合闪烁体1、光学组件2和图像传感器3，复合闪烁体1位于探测器外壳4的前端窗口处，图像传感器3位于探测器外壳4后端，光学组件2位于复合闪烁体1和图像传感器3之间，且三者的中心轴重合，具体来说：
所述复合闪烁体1由两种不同的片状闪烁体构成，一种片状闪烁体用于吸收双能X射线中的高能X射线并产生闪烁光，另一种片状闪烁体用于吸收双能X射线中的低能X射线并产生闪烁光。
在具体实现中，所述两种不同的片状闪烁体采用光学胶紧密耦合，如图2所示为本发明实施例所述复合闪烁体的结构示意图，图2中：复合闪烁体1由低能闪烁体11和高能闪烁体12构成，低能闪烁体11对低能X射线吸收较多，可采用有效原子序数较低的闪烁体材料，如GSO:Ce、YAP:Ce、NaI:Tl、CsI:Tl和CsI:Na等，例如本实例中的材料选用NaI(Tl)，厚度为0.5mm，面积为50mm×50mm，表面做抛光处理并沉积防水透明的有机薄膜；高能闪烁体12对高能X射线吸收较多，可采用有效原子序数较高的闪烁体材料，如Lu2O3:Eu、BGO、LSO:Ce、LYS。O:Ce、LPS:Ce、LuAG:Ce和LuAP:Ce等，例如本实例中的材料选用LSO:Ce，厚度为10mm，面积为50mm×50mm，表面做抛光处理并沉积防水透明的有机薄膜。上述低能闪烁体11和高能闪烁体12均为片状晶体，对X射线的入射面尺寸相同，厚度根据双能X射线的能量调整，并使用光学胶对两者进行粘接耦合，固定在探测器外壳4的前端窗口处。
上述光学组件2位于所述复合闪烁体1和所述图像传感器3之间，使所述复合闪烁体1中产生的闪烁光在所述图像传感器3的感光面上成像；
在具体实现中，上述光学组件2可以由调整透镜和透镜阵列构成，具体来说，调整透镜可以为单一或者多个透镜共轴排列构成，用于调节成像放大比例以耦合所述透镜阵列；透镜阵列由若干透镜单元排列而成，这里所有透镜单元的透镜中心处于同一平面且主光轴保持平行，所有透镜单元各自成像，从而使所述图像传感器的感光面上所成图像由若干单元图像构成。
除本实施例所举出的光学组件实现方式外，其他实现方式也是可行的，例如光学组件2也可以由透镜阵列单独构成，所述复合闪烁体产生的闪烁光直接利用所述透镜阵列成像。
下面以具体实例对该光学组件的实现进行进一步说明，如图3所示为本发明实施例所述光学组件由调整透镜和透镜阵列组成的示意图，图3中：光学组件2由调整透镜21和透镜阵列22构成，调整透镜21为圆形球面平凸透镜，该调整透镜21可由单一或者多个透镜共轴排列组成，其作用为将复合闪烁体1中产生的闪烁光按一定比例缩放，使其尺寸与透镜阵列22匹配以供透镜阵列22进一步成像，实际应用中也可不使用调整透镜21，光学组件2由透镜阵列22单独构成。
如图4所示为本发明实施例所述透镜阵列的示意图，图4中的透镜阵列22由由若干透镜单元221排列而成，这里所有透镜单元221的透镜中心处于同一平面且主光轴保持平行，所有透镜单元221各自成像。例如透镜阵列22可以由100个透镜单元221依10×10的方阵排列而成，单个透镜单元221为方形球面平凸透镜，其面积为1mm×1mm，有效焦距为2mm，所有透镜单元221的透镜中心位于同一平面内且主光轴保持平行。
下面进一步对透镜阵列22的成像原理进行说明，如图5所示为本发明实施例所述透镜阵列的成像原理示意图，图5中：L1~L5表示整个透镜阵列22中5个并排的透镜单元，S和C表示与透镜单元L1~L5相对位置不同的两个图形（对应为低能X射线在低能闪烁体11和高能X射线在高能闪烁体12中产生的透射图像），成像面位于图像传感器3的感光面所处位置，其中S1~S5表示图形S分别通过透镜单元L1~L5在成像面所成实像，并被称为图形S的单元图像；C1~C5表示图形C分别通过透镜单元L1~L5在成像面所成实像，并被称为图形C的单元图像。
在成像过程中，由于图形S和C与透镜单元L1的相对位置不同，导致两者经由透镜单元L1的成像光路不同，从而使S1和C1在成像面的位置不同；同理，S2~S5与C2~C5在成像面的位置也不相同。进一步来说，图形S和C之间的相对位置对于透镜单元L1~L5均不相同，导致各对单元图像S1~S2与C1~C5之间的相对位置不同，这些相对位置的差异保存了S与C之间的相对位置的信息，故可由单元图像重建出图形S和C（也就是双能X射线中的低能X射线和高能X射线的透射图像）。
上述探测器的图像传感器3用于探测其感光面所成图像的光场分布并转换为数字图像，对所述数字图像经特定算法处理后得到闪烁光发光点的三维空间分布信息。具体实现中，上述图像传感器3可以由感光芯片、读出电路和制冷系统构成，其中：
所述感光芯片用于采集入射到所述图像传感器感光面的光信号；具体实现中，该感光芯片可采用CCD或者CMOS等高感光度的面阵型芯片；
所述读出电路用于将所述感光芯片输出的光信号转化为通信用标准信号；这里的通信接口可以包括USB、千兆以太网和Camera Link等；
所述制冷系统用于控制所述感光芯片的温度，使其保持低温并维持稳定。
举例来说，感光芯片可以为CCD面阵型芯片，型号为TRUESENSE KAF-16803，安装在读出电路上，读出电路的数据通信接口为USB和千兆以太网，制冷系统耦合感光芯片背面导热体以实现温度控制。
另外，所述探测器还可以包括有：
数据处理单元，用于对所述图像传感器采集到的数据进行显示、分析和变换处理，并利用特定的重建算法计算出闪烁光在所述复合闪烁体内的分布情况，进而分析计算出所述双能X射线中的高能X射线和低能X射线的透射图像。
上述复合闪烁体1、光学组件2和图像传感器3固定在同一探测器外壳4内，探测器外壳4起到屏蔽外界光源、抑制杂散光、保持探测器内部湿度为零和屏蔽部分X射线的作用。具体实现中，探测器外壳4前端使用的材料包含铅或者钨等常见重金属材料以保护复合闪烁体1以外的部分不受X射线辐射损伤，同时留有窗口以保证双能X射线直接入射至复合闪烁体1；探测器机壳4的内部做发黑处理以抑制杂散光，同时对部分开口进行密封以屏蔽外界光源并保持探测器内部湿度为零。
基于上述实施例所述新型双能量X射线成像探测器，下面对该探测器的工作过程进行具体描述：
1）探测器在安装固定后，连接电源和数据线，开启图像传感器中的制冷系统，待温度稳定后开始采集图像。
2）由双能X射线源产生的双能X射线穿过被测物后垂直入射到复合闪烁体，其中低能X射线主要被低能闪烁体11吸收并产生闪烁光，而高能X射线主要被高能闪烁体12吸收并产生闪烁光。
3）调整光学组件对复合闪烁体产生的闪烁光进行成像并使其成像范围缩小以匹配光学组件中透镜阵列的尺寸，而透镜阵列中每个透镜单元各自生成单元图像，所有单元图像均成像于图像传感器感光芯片的感光面上。
4）图像传感器的感光芯片将采集到的光信号转换为电信号，之后图像传感器的读出电路将电信号转换为数字信号并输出至数据通信接口。
5）再由数据处理单元显示于计算机显示器上，并通过对图像的分析处理重建计算出闪烁光在复合闪烁体内的分布，进而计算出高能X射线和低能X射线的透射图像。
综上所述，本发明实施例所提供的新型双能量X射线成像探测器能够对在连续结构的闪烁体中产生的闪烁光成像，同时保持较高的空间分辨率和较高的探测效率，避免了分立的闪烁体阵列结构所引起的系统复杂度高和探测效率低等问题，具有空间分辨率高、探测效率高、系统复杂度低和制造成本低等优点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种新型双能量X射线成像探测器，其特征在于，所述探测器包括复合闪烁体、光学组件和图像传感器，其中：
所述复合闪烁体由两种不同的片状闪烁体构成，一种片状闪烁体用于吸收双能X射线中的高能X射线并产生闪烁光，另一种片状闪烁体用于吸收双能X射线中的低能X射线并产生闪烁光；
所述光学组件位于所述复合闪烁体和所述图像传感器之间，使所述复合闪烁体产生的闪烁光在所述图像传感器的感光面上成像；
所述图像传感器探测其感光面所成图像的光场分布并转换为数字图像，对所述数字图像进行算法处理后得到闪烁光发光点的三维空间分布信息；
其中，所述光学组件包括调整透镜和透镜阵列，其中：
所述调整透镜为单一或者多个透镜共轴排列构成，用于调节成像放大比例以耦合所述透镜阵列；
所述透镜阵列由若干透镜单元排列而成，所有透镜单元的透镜中心处于同一平面且主光轴保持平行，所有透镜单元各自成像，使所述图像传感器的感光面上所成图像由若干单元图像构成。
2.根据权利要求1所述的新型双能量X射线成像探测器，其特征在于，所述两种不同的片状闪烁体采用光学胶紧密耦合，所述复合闪烁体位于所述探测器外壳的前端窗口处。
3.根据权利要求1所述的新型双能量X射线成像探测器，其特征在于，所述光学组件由透镜阵列单独构成，所述复合闪烁体产生的闪烁光直接利用所述透镜阵列成像。
4.根据权利要求1所述的新型双能量X射线成像探测器，其特征在于，所述图像传感器包括感光芯片、读出电路和制冷系统，其中：
所述感光芯片用于采集入射到所述图像传感器感光面的光信号；
所述读出电路用于将所述感光芯片输出的光信号转化为通信用标准信号；
所述制冷系统用于控制所述感光芯片的温度，使其保持低温并维持稳定。
5.根据权利要求1所述的新型双能量X射线成像探测器，其特征在于，所述探测器还包括：
数据处理单元，用于对所述图像传感器采集到的数据进行显示、分析和变换处理，并利用特定的重建算法计算出闪烁光在所述复合闪烁体内的分布情况，进而分析计算出所述双能X射线中的高能X射线和低能X射线的透射图像。
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2013
- 2013-01-28 CN CN201310033010.0A patent/CN103149225B/zh active Active
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