CN103792565A - 一种光子计数探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光子计数探测器，包括若干探测器单元，该若干探测器单元排列成若干列，具有柱面形状的光子计数探测器探测面。本发明的光子计数探测器通过将光子计数探测器探测面设置成柱面形状，避免了现有平面拼接成像存在的拼接缝隙过大等问题，实现了医学成像系统的大面积成像。

Description

一种光子计数探测器

技术领域

本发明涉及辐射成像技术领域，尤其涉及一种光子计数探测器。

背景技术

在医学辐射成像领域中，光子计数成像技术因所需X射线剂量较低，目前正成为业内的研究热点。以CdTe和CdZnTe为代表的化合物半导体探测器具有能量分辨率高、能够在室温成像等优点，是光子计数探测器的理想材料，但受到工艺限制，单块低缺陷晶体的尺寸较小，无法满足大面积成像的需求，以CdTe为例，单块低缺陷晶体的最大面积不超过4cm×4cm，若要实现大面积成像必须将多块小尺寸探测器排布成阵列，如图1所示，由于小尺寸探测器91的读出芯片92的面积比探测器略大，这样在平面内拼接成大尺寸阵列会形成较大的缝隙A，无法直接实现大面积成像，只能通过多帧不同位置的图像重建出完整图像，而图像重建计算量巨大，同时还存在伪影和射线利用率低的缺点，无法满足医学成像的需求。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光子计数探测器，旨在解决现有技术中光子计数探测器由于探测器单元的拼接缝隙过大影响成像质量的问题。

本发明的技术方案如下：

一种光子计数探测器，包括若干探测器单元，所述若干探测器单元排列成若干列，具有柱面形状的光子计数探测器探测面；

外侧的探测器单元列相对于内侧相邻的探测器单元列向光子计数探测器探测面朝向的一侧弯折预定的角度；

所述探测器单元包括封装在一起的探测器和读出芯片，所述探测器设有探测面；

外侧探测器单元列相对于内侧探测器单元列向光子计数探测器探测面朝向的一侧弯折预定的角度，外侧探测器单元的探测面的边缘和内侧探测器单元的探测面的边缘之间的距离小于一行像素宽度；

每一探测器单元列包括若干探测器单元，所述探测器单元列的若干探测器单元依次设置在一块条形基板上，沿所述条形基板的长度方向排列，所述读出芯片固定在所述条形基板上，所述探测器固定在所述读出芯片上与所述条形基板相对的面；

所述读出芯片设有数据读取部，所述条形基板上对应各探测器单元的数据读取部分别设有数据连接部，所述外侧探测器单元和所述内侧探测器单元相向的侧壁之间具有容置空间，所述内侧探测器单元的读出芯片的数据读取部延伸到所述容置空间中，所述内侧探测器单元对应的数据连接部也延伸到所述容置空间中；

所述数据读取部包括数据读取端口和芯片扇出线，所述数据连接部设有芯片扇出线连接端口，所述芯片扇出线连接所述数据读取端口和相应的数据连接部上的芯片扇出线连接端口；

所述探测器单元还包括高压偏置线，所述探测器设有金属薄膜电极，所述条形基板的数据连接部设有高压偏置线连接端口，内侧探测器单元的所述高压偏置线的一端连接金属薄膜电极，另一端延伸到所述容置空间中并连接相应的数据连接部上的高压偏置线连接端口；

所述数据连接部的下方连接一个数据导出部件，所述数据导出部件用于将所述探测器单元的数据扇出至板级系统；

中间的两列探测器单元并排设置，所述两探测器单元列的探测器单元的探测面彼此持平，所述中间两探测器单元列左右两侧的其它探测器单元列依次相对于与其内侧相邻的探测器单元列弯折预定的角度，所述预定的角度为10°~30°。

本发明的光子计数探测器通过将探测器单元设置成阵列结构并形成柱面形状的光子计数探测器探测面，有效地解决了现有小尺寸探测器拼接时出现的缝隙过大而影响图像重建等问题。在本发明光子计数探测器中，外侧探测器单元列相对于内侧相邻的探测器单元列向光子计数探测器探测面朝向的一侧弯折预定的角度，并且将读出芯片的数据读取部和条形基板的数据连接部设置在上述相邻两列探测器单元列弯折时形成的容置空间中，使得相邻两探测器单元列上的探测器单元的探测面紧邻，解决了现有技术中存在的光子计数探测器阵列拼接缝隙大的问题，能够实现大面积成像，满足医学成像系统的需求。

附图说明

图1为现有技术中光子计数探测器的结构示意图。

图2为本发明光子计数探测器较佳实施例的结构示意图。

图3为本发明光子计数探测器的探测面的结构示意图。

图4为图2所示光子计数探测器中的剖面图。

图5为本发明光子计数探测器中单列探测器单元的结构示意图。

图6为图5所示单列探测器单元中单个探测器单元的结构示意图。

图7为图6所示单个探测器单元的剖面图。

图8为本发明光子计数探测器中相邻两列探测器单元的剖面图。

图9为图8中的B部分的局部放大示意图。

具体实施方式

本发明提供一种光子计数探测器，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2-4所示，本发明的光子计数探测器包括若干探测器单元，该若干探测器单元设置成阵列结构，按照行列对齐的方式排列，图3中左右排列（横向延伸）的探测器单元的定义为行，上下排列（纵向延伸）的探测器单元的定义为列。

光子计数探测器的探测面大致呈柱面形状，左右两侧的探测器单元列相较于中间的探测器单元列向探测面朝向的一侧弯曲。本发明的光子计数探测器通过将光子计数探测器探测面设置成柱面形状，避免了现有平面拼接成像存在的拼接缝隙过大等问题，实现了医学成像系统的大面积成像。

在本实施例中，该探测器单元阵列结构的每一行和每一列各包含八个探测器单元，为了获得较佳成像效果并且简化设计，中间两列探测器单元并排设置，其探测器单元的探测面彼此持平，设置在中间两列探测器单元左右两侧的其余探测器单元列依次相对于与其内侧（靠近中间探测器单元列的一侧）相邻的探测器单元列弯折预定的角度，虽然上述设计形成的光子计数探测器探测面中间位置略平坦，不过整体仍大致呈柱面形状，而且中间位置为主要的探测区域，成像效果较好。该预定的角度为10°~30°，优选为20°。在其他实施例中，中间两列探测器单元也可以像其他两探测器单元列一样相对弯折构成柱面形状的光子计数探测器探测面。

各探测器单元包括探测器10和读出芯片20，进一步参考图5，同一列的探测器单元依次设置在一块条形基板30上，沿条形基板30的长度方向排列。读出芯片20固定在条形基板30相应的位置上，探测器10的底部固定在读出芯片20上与条形基板30相对的面。在本实施例中，探测器10和读出芯片20通过倒装工艺封装在一起形成一个探测器单元，探测器10的表面作为探测器单元的探测面11。探测器10可采用半导体晶体材料，例如采用小尺寸半导体材料CdTe作为光子计数用的探测器，其顶部的探测面11为方形平面。阵列结构中的各探测器单元的探测面11拼接形成大尺寸的光子计数探测器探测面。前述柱面形状的光子计数探测器探测面是指若干小尺寸的平面形状的探测面11依次拼接形成的一个外形近似柱面的组合式探测面，并非严格的圆柱面形状。

如图6-9所示，探测器10的像素尺寸和读出芯片20的像素尺寸基本相同，因此，探测器10与读出芯片20的大小尺寸基本相同，不过读出芯片20需要在其一侧的边缘位置设置数据读取部21，连接读出芯片20内的接口逻辑电路，用于完成数据传输。该数据读取部21设置在读出芯片20的一侧，包括数据读取端口（未图示）和芯片扇出线22。条形基板30是陶瓷PCB板，在邻近数据读取部21的位置设有数据连接部31，数据连接部31的顶面设有与芯片扇出线22连接的芯片扇出线连接端口（未图示）。芯片扇出线22的一端连接读出芯片20的数据读取端口，另一端通过键合工艺扇出至数据连接部31上相应的芯片扇出线连接端口。在本实施例中，读出芯片20的数据读取部21由于设有数据读取端口和芯片扇出线22，不能直接装配到探测器10的底部，因此探测器10和读出芯片20上下叠置装配在一起时，读出芯片20的数据读取部21向外延伸，位于探测器10的该侧侧壁的外侧，相对于探测器10形成一个近似台阶部的结构。除数据读取部21之外，探测器10和读出芯片20的其余部位上下对齐。条形基板30的数据连接部31设置在对应数据读取部21的一侧，数据连接部31相对于读出芯片20的侧壁向外延伸以设置芯片扇出线连接端口并连接芯片扇出线22，因此，数据连接部31也相对于读出芯片20形成一个近似台阶部的结构。另外，各探测器单元还包括高压偏置线40，通过高压偏置线40连接探测器10的金属薄膜电极（偏压电极）12和条形基板30的高压偏置线连接端口32，该金属薄膜电极12设置在探测器10的探测面11上，高压偏置线连接端口32设置在数据连接部31的顶面并且靠近探测器单元的芯片扇出线连接端口，高压偏置线40一端连接探测器10的金属薄膜电极12，另一端连接条形基板30上的该高压偏置线连接端口32。

具体地，在本实施例中，探测器10和读出芯片20大致为扁平的长方体，探测器10的尺寸（长×宽×高）为40×40×5mm，并划分成160×160个像素（未图示），像素尺寸为250μm×250μm。读出芯片20的尺寸为40×41×0.5mm，即数据读取部21向外伸出1mm，读出芯片20的像素尺寸与探测器10的像素尺寸相同。读出芯片20上的每个像素对应连接一个通道模拟读出电路（未图示），该通道模拟读出电路包括前置放大器、脉冲成型器、脉冲甄别器及计数器。

请再参阅图2、图8和图9，如前所述，外侧的探测器单元列相对于内侧相邻的探测器单元列向光子计数探测器探测面朝向的一侧弯折预定的角度，同时为了满足成像的要求，相邻探测器单元的探测面11需要尽量靠近，以减小拼接缝隙的尺寸，避免拼接缝隙过大得不到合格的医学图像。对于上述两相邻的探测器单元列，定义靠近中间位置（靠近中间探测器单元列）的探测器单元列为内侧探测器单元列，内侧探测器单元列上的探测器单元为内侧探测器单元，定义另一探测器单元列为外侧探测器单元列，外侧探测器单元列上的探测器单元为外侧探测器单元。即两相邻的探测器单元列中靠近光子计数探测器中间位置的探测器单元列为内侧探测器单元列，远离中间位置的探测器单元列为外侧探测器单元列。在本实施例中，如图2所示，设置在中间的两列探测器单元并排设置，没有相对弯折，因此，中间的两列探测器单元列中，左侧的中间探测器单元列作为与其相邻的设置在其左侧的探测器单元列的内侧探测器单元列，右侧的中间探测器单元列作为与其相邻的设置在其右侧的探测器单元列的内侧探测器单元列。

内侧探测器单元列和外侧探测器单元列的探测器10相向侧的边缘相互靠近，在本实施例中，相邻两列探测器单元的探测器10之间的间隙小于一行像素宽度（中间两列并排设置的探测器单元列的探测器10之间的间隙也小于一行像素宽度），如图9所示，内侧探测器单元的探测面11的边缘（C点）和外侧探测器单元的探测面11的边缘（D点）之间的距离小于一行像素宽度。由于外侧探测器单元列相对于内侧探测器单元列弯折，因此，在外侧探测器单元和内侧探测器单元相向的侧壁之间形成一个截面形状近似三角形的容置空间50，前述预定的角度具体是指外侧探测器单元和内侧探测器单元的探测器10相向的侧壁之间的夹角，即如图9所示的角度α，其中10°≤α≤30°。由于调整α的值能够影响光子计数探测器的柱面形状探测面的弯曲程度和容置空间50的大小，为了得到较佳的探测面积和较小的拼接缝隙，优选地，该夹角α=20°。

在本实施例中，内侧探测器单元的读出芯片20的数据读取部21延伸到上述容置空间50中，内侧探测器单元对应的条形基板30的数据连接部31也延伸到容置空间50中并且位于数据读取部21的外侧，各探测器单元的芯片扇出线22由上往下弯曲连接数据读取部21的数据读取端口和数据连接部31的芯片扇出线连接端口，内侧探测器单元的高压偏置线40经内侧探测器单元与外侧探测器单元之间的缝隙由上往下弯曲连接探测器10的金属薄膜电极12和数据连接部31的高压偏置线连接端口32，利用容置空间50容置无法叠置到探测器10底部的数据读取部21以及容置无法叠置到读出芯片20底部的数据连接部31，以得到较小的拼接缝隙。

在其他本实施例中，如果中间不设置两列并排的探测器单元列，则各探测器单元列可以依次向同一个方向弯折，各探测器单元的数据读取部21和数据连接部31依次容置在相邻两列探测器单元列之间的容置空间50中。另外，对于更大尺寸的光子计数探测器，可以每两列探测器单元作为一组（如前述实施例中的中间两探测器单元列），组内的两探测器单元列之间不弯折，而相邻两组探测器单元列依次弯折。除柱面形状的光子计数探测器外，当每一探测器单元列中相邻的探测器单元之间也依次弯折时还可以形成探测面近似球面状的光子计数探测器，当然各探测器单元列包含的探测器单元在数量上需要适当调整。

进一步，参见图4、图5、图7和图8，各条形基板30还连接一个数据导出部件，该数据导出部件分别连接一列探测器单元上的各探测器单元对应的数据连接部31，通过数据连接部31和数据导出部件实现探测器单元与外部控制器之间的数据通信。在本实施例中，该数据导出部件是柔性PCB板60，固定在各数据连接部31的下方，用于将各探测器单元的数据扇出至板级系统（未图示）。

进一步地，参见图2、图3和图5，光子计数探测器还包括两个大致为弧形结构的固定件70，该弧形结构与柱面形状的光子计数探测器探测面适配，各条形基板30的两端（即纵向方向上的端部）分别固定上述两固定件70上。具体地，固定件70的侧壁设有若干凹槽（未图示），各条形基板30的两端则各延伸出一个固定块32，通过将条形基板30两端的固定齿块32依次插入固定件70侧壁的凹槽上，使得各条形基板30分别固定在两固定块32之间。

本发明光子计数探测器采用光子计数原理，适当选取能量阈值即可保证无暗场本底，仅需对探测器进行几何因子增益校正即可消除图像的明暗不均，无需进行偏移校正。本发明光子计数探测器通过将探测器单元设置成阵列结构并形成柱面形状的光子计数探测器探测面，有效地解决了现有小尺寸探测器拼接时出现的缝隙过大而影响图像重建等问题。在本发明光子计数探测器中，外侧探测器单元列相对于内侧相邻的探测器单元列向光子计数探测器探测面朝向的一侧弯折预定的角度，并且将读出芯片20的数据读取部21和条形基板30的数据连接部31设置在上述相邻两列探测器单元列弯折时形成的容置空间50中，使得相邻两探测器单元列上的探测器单元的探测面11紧邻，解决了现有技术中存在的光子计数探测器阵列拼接缝隙大的问题，能够实现大面积成像，满足医学成像系统的需求。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光子计数探测器，其特征在于，包括若干探测器单元，所述若干探测器单元排列成若干列，具有柱面形状的光子计数探测器探测面。

2.根据权利要求1所述的光子计数探测器，其特征在于，外侧的探测器单元列相对于内侧相邻的探测器单元列向光子计数探测器探测面朝向的一侧弯折预定的角度。

3.根据权利要求1所述的光子计数探测器，其特征在于，所述探测器单元包括封装在一起的探测器和读出芯片，所述探测器设有探测面。

4.根据权利要求3所述的光子计数探测器，其特征在于，外侧探测器单元列相对于内侧探测器单元列向光子计数探测器探测面朝向的一侧弯折预定的角度，外侧探测器单元的探测面的边缘和内侧探测器单元的探测面的边缘之间的距离小于一行像素宽度。

5.根据权利要求3所述的光子计数探测器，其特征在于，每一探测器单元列包括若干探测器单元，所述探测器单元列的若干探测器单元依次设置在一块条形基板上，沿所述条形基板的长度方向排列，所述读出芯片固定在所述条形基板上，所述探测器固定在所述读出芯片上与所述条形基板相对的面。

6.根据权利要求5所述的光子计数探测器，其特征在于，所述读出芯片设有数据读取部，所述条形基板上对应各探测器单元的数据读取部分别设有数据连接部，所述外侧探测器单元和所述内侧探测器单元相向的侧壁之间具有容置空间，所述内侧探测器单元的读出芯片的数据读取部延伸到所述容置空间中，所述内侧探测器单元对应的数据连接部也延伸到所述容置空间中。

7.根据权利要求6所述的光子计数探测器，其特征在于，所述数据读取部包括数据读取端口和芯片扇出线，所述数据连接部设有芯片扇出线连接端口，所述芯片扇出线连接所述数据读取端口和相应的数据连接部上的芯片扇出线连接端口。

8.根据权利要求7所述的光子计数探测器，其特征在于，所述探测器单元还包括高压偏置线，所述探测器设有金属薄膜电极，所述条形基板的数据连接部设有高压偏置线连接端口，内侧探测器单元的所述高压偏置线的一端连接金属薄膜电极，另一端延伸到所述容置空间中并连接相应的数据连接部上的高压偏置线连接端口。

9.根据权利要求6所述的光子计数探测器，其特征在于，所述数据连接部的下方连接一个数据导出部件，所述数据导出部件用于将所述探测器单元的数据扇出至一板级系统。

10.根据权利要求3所述的光子计数探测器，其特征在于，中间的两列探测器单元并排设置，所述两探测器单元列的探测器单元的探测面彼此持平，所述中间两探测器单元列左右两侧的其它探测器单元列依次相对于与其内侧相邻的探测器单元列弯折预定的角度，所述预定的角度为10°~30°。

Images