CN103959098B - 包括x射线吸收封装的闪烁体组以及包括所述闪烁体组的x射线探测器阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种闪烁体组(2)和包括所述闪烁体组(2)的CT X射线探测器阵列(1)。闪烁体组(2)包括闪烁体像素(3)的阵列。在闪烁体像素(3)的每个的底表面(31)处，提供X射线吸收封装(13)。该封装(13)包括电绝缘的、具有大于60的原子数的高X射线吸收材料，例如，氧化铋(Bi2O3)。X射线吸收封装(13)被插入在闪烁体像素(3)和电子电路(19)之间。电子电路(19)可以被提供作为CMOS技术中的ASIC，并且因此可以对X射线导致的损坏敏感。封装(13)提供对这样的电子电路(19)的良好的X射线防护。

Description

包括X射线吸收封装的闪烁体组以及包括所述闪烁体组的X射 线探测器阵列
技术领域
本发明涉及一种闪烁体组，其可以用于针对计算机断层摄影(CT)的X射线探测器阵列。此外，本发明涉及一种包括所述闪烁体组的X射线探测器阵列。
背景技术
X射线探测器阵列可以用于各种应用，以探测(例如在医学成像中)通过身体传输的X射线。用于CT扫描器中的典型类型X射线探测器阵列包括闪烁体组，在所述闪烁体组中，多个闪烁体被布置为闪烁体像素的阵列。闪烁体可以是晶体、陶瓷闪烁体或复合材料闪烁体的形式。进入其中一个闪烁体像素中的X射线辐射生成闪烁辐射，例如，在可见光谱范围内的光。使用被布置为邻近闪烁体像素的相关联的光电探测器的阵列来探测这种光。光电探测器可以与每个闪烁体像素相关联。当X射线光子被吸收，由闪烁体全方位地发射光，并且因此闪烁体元件的除了指向光电探测器外的所有表面被反射层覆盖，以导向光进入光电探测器，所述反射层通常为加入了树脂的白色粉末。为了有效地反射，反射层必须相当厚。
光电探测器阵列可以被连接至电子电路，例如，所述电子电路用于对来自探测器阵列的电子信号进行放大、数字化和/或多路复用。
通常，不是入射到闪烁体组上的所有X射线都被吸收。不仅通过闪烁体像素本身，而且特别是通过在闪烁体像素之间的内部-闪烁体区域中的反射层，可以传输残留X辐射。这种照射对下层的电子电路是有害的。
在US7,310,405B2中描述了常规的闪烁体。其中，被放置在闪烁体像素之间的内部-闪烁体区域中的反射层包括X射线吸收材料。X射线吸收层用于吸收X射线，从而保护内部-闪烁体区域的下层区域。
发明内容
本发明的目的可以看作提供一种用于X射线探测器阵列中的备选闪烁体组，尤其，该闪烁体组允许简单的制造并对邻近的电子电路进行良好的X射线防护。
这样的目的可以通过根据独立权利要求所述的闪烁体组和X射线探测器阵列来实现。在从属权利要求中定义有利的实施例。
根据本发明的第一方面，提出一种闪烁体组，这样的闪烁体组包括闪烁体像素的阵列和X射线吸收封装。每个闪烁体像素具有顶表面、底表面和侧表面。其中，闪烁体像素被布置为使得相邻的闪烁体像素的侧表面彼此面对。X射线吸收封装包括电绝缘的高X射线吸收材料。所述高X射线吸收材料具有大于50的原子数，优选大于70，更优选地，大于80。X射线吸收封装被布置在闪烁体像素的底表面。
根据本发明的第二方面，提出一种X射线探测器阵列。所述X射线探测器阵列包括根据本发明的第一方面的实施例的上述闪烁体组，并且还包括闪烁辐射探测器的阵列和电子电路。闪烁辐射探测器中的每个被布置为邻近于闪烁体组的相关联的闪烁体像素，以探测在闪烁体像素中生成的闪烁辐射。电子电路被电连接至闪烁辐射探测器的阵列。闪烁体组的X射线吸收封装被布置在闪烁体组的闪烁体像素阵列与电子电路之间。
本发明的主旨可以被看作提供一种具有适于对辐照的X射线的高度吸收的特定区域的闪烁体组。在X射线探测器阵列中，X射线通常在闪烁体像素的顶表面撞击闪烁体组。撞击X射线的部分被吸收进闪烁体像素内。然而，撞击X射线的实质部分可以通过闪烁体像素被传输，或者可以通过相邻闪烁体像素之间的间隙区域穿过闪烁体组，这样的间隙区域通常被提供以使相邻闪烁体像素分开，并且包括反射材料，以向相关联的光学探测器反射在闪烁体像素的每个中生成的光学辐射。
本发明提出将X射线吸收区域(本文中被称为“X射线吸收封装”)布置在闪烁体像素下方，即，在闪烁体像素的底表面。X射线吸收封装包括高X射线吸收的材料，因为包括在其中的材料具有大于50的原子数(也被称为“Z量”)。
由于X射线吸收封装被布置在闪烁体像素下方，有足够的空间可用于提供具有足够厚度的X射线吸收封装，使得预先通过闪烁体像素的阵列传输的X射线实质上没有被进一步传输通过X射线吸收封装，而是实质上在所述封装中被完全吸收。该层的X射线传输可以是例如大约在50KeV的3％和在100KeV的10％。因此，被布置在X射线吸收封装下方的电子电路得到保护，不被X射线损坏。
由于用于X射线吸收封装的材料的电绝缘特性，从电子电路至闪烁体辐射探测器的电连接可以被引导通过封装区域，不需要附加的努力去电力地分离这种电连接，以防止例如短路。
被包括在X射线吸收封装中的高X射线吸收材料可以包括氧化铋(Bi2O3)。铋具有83个原子数，因此是高X射线吸收的。此外，氧化铋是无毒的、电绝缘的并且可以以低成本提供。
X射线吸收封装可以包括在20至70体积百分比之间的，优选在30至60体积百分比之间，更优选为50+/-5体积百分比的高X射线吸收材料，诸如，氧化铋。X射线吸收材料的这种含量已经被表明为提供足够的X射线吸收。X射线吸收封装的剩余体积可以提供用于其他目的。例如，用于形成X射线吸收封装的材料可以由树脂以未固化的粘性状态提供，从而实现足够低的粘度，以使其应用为所述封装。
例如，X射线吸收封装可以包括高X射线吸收材料(诸如氧化铋)的颗粒，所述颗粒被包含在基质材料中。由于在其中包括重元素，所述颗粒可以提供所需的X射线吸收。基质材料可以围绕所述颗粒，并且提供高X射线吸收材料的结构稳定性。基质材料可以是可固化材料，其初始状态为液体，然后固化成为稳定的固体状态。颗粒和基质材料均可以是电绝缘的。
大多数颗粒(例如，至少90％，优选至少95％的颗粒)可以具有1至50微米之间的尺寸，优选在3至20微米之间。这种尺寸分布已经被表明具有有利的特性，例如，相对于在填充用于生成X射线吸收封装的空余空间期间的非固化颗粒/基质-材料混合物的流变特性，同时具有适当的X射线吸收特性。
颗粒可以被并入基质材料，所述基质材料包括例如环氧树脂。环氧树脂是电绝缘的，并且在固化前可以具有足够低的粘度，容易处理，并且可以以低成本提供。
因此，用于填充X射线吸收封装的体积的材料可以通过将高X射线吸收材料的颗粒的粉末混合进基质材料中来制备，所述基质材料初始状态是液体，并且随后可以被固化。例如，氧化铋颗粒可以被混合到环氧树脂中，然后混合物被填充进X射线吸收封装的体积中，并且随后被固化。诸如分散剂的添加剂可以被添加进混合物中，以辅助环氧树脂中的粉末颗粒分散。因此，用于闪烁体组的这种X射线吸收封装可以被容易地制造，并可以以低成本提供。
例如，X射线吸收封装可以覆盖被包括在闪烁体组中的闪烁体像素的每个的底表面的至少80％，更优选地，至少95％。因此，在闪烁体组的区域内，例如下层的电子电路需要受到保护不被X射线损坏，闪烁体像素的底表面的至少主要部分被足够厚的X射线吸收封装层覆盖。优选地，受保护不被X射线损坏的整个区域由X射线吸收封装单独地或以与其他X射线吸收器件组合的方式覆盖，使得电子电路完全得到保护不被X射线损坏。
相邻闪烁体像素之间的分隔空间可以至少部分由最弱的X射线吸收的材料填充。换言之，尽管任何材料示出特定X射线吸收，提供在分隔相邻闪烁体像素的空间内的材料可以具有实质上比用于X射线吸收封装的材料更弱的X射线吸收。例如，相邻闪烁体像素之间的分隔空间可以被提供具有诸如二氧化钛(TiO2)的材料，所述材料示出对由闪烁体像素中所吸收的X射线生成的光的较高的反射，但仅提供欠佳的X射线吸收。然而，在所提出的闪烁体组中，在相邻闪烁体像素之间的空间内的这种欠佳的X射线吸收不会导致X射线辐射传输至下层电子电路，这是因为，由于其中包括高X射线吸收材料，被布置在这种分隔空间下方的额外X射线吸收封装将吸收所述X射线。与在分离相邻闪烁体像素的空间中提供的材料相反，包括在所述封装中的高X射线吸收材料不需要对光的高反射性。因此，一方面，不同的材料可以用于X射线吸收封装，另一方面，对于分隔空间中的反射层，使得不需要对X射线吸收和光反射分别做出让步或折中。
当X射线探测器的电子电路包括以CMOS技术提供的集成电路时，所提出的闪烁体组在X射线探测器中可以是特别有利的。尽管包括CMOS电路的电子芯片可以以低成本和高集成度进行生产，CMOS结构可以对X射线损坏敏感。然而，由于包括在所提出的闪烁体组内的X射线吸收封装，这种CMOS电路得到很好保护不受X射线辐照。
有利地，电子电路可以包括倒装芯片ASIC(application specific integratedcircuit，专用集成电路)。例如，使用CMOS技术，ASIC可以以低成本进行生产，并且之后可以使用倒装芯片技术被连接至基底和/或闪烁辐射探测器的阵列。由于高X射线吸收封装可以由可固化的树脂作为基质材料提供的事实，因此ASIC和每个闪烁辐射探测器之间的电连接可容易地被引导穿过封装，因为可首先准备电连接，随后再通过将可固化的X射线吸收材料引入所述电连接之间的空间来制备封装。
根据所提出的X射线探测器阵列的实施例，闪烁辐射探测器中的每个的闪烁辐射探测表面被布置为沿相关联的闪烁体像素的侧表面。换言之，对于闪烁体组的每个像素，可以提供相关联的光电-探测器，并且其探测表面可以被布置为不在相关联的闪烁体像素的底侧，而是侧表面。然而，本领域技术人员会认识到X射线吸收封装材料的使用或下填式(under-fill)的使用在其他探测器阵列几何结构中可以是有利的，其中，光电-探测表面位于相关联的闪烁体像素的底侧，而不是侧表面。
因此，X射线辐射可以在顶表面进入闪烁体像素，并且可以生成闪烁辐射，然后，所述闪烁辐射可以在闪烁体像素的侧表面被辐射探测表面探测到，而通过闪烁体像素传输的未吸收X射线随后将在下层的X射线吸收封装中被吸收，从而防止下层电子电路的X射线损坏。
X射线探测器阵列可以还包括在闪烁体组的X射线吸收封装和电子电路之间插入的插入器。所述插入器的目的可以是提供在垂直光学探测器和位于插入器下侧的前端电子器件(front-end electronics)之间的电连接的机械上稳定的网络。
应当注意到，对于所提出的闪烁体组和所提出的X射线探测器阵列，本发明的实施例的可能的特征和优点在此部分地被公开。本领域技术人员将认识到所描述的特征可以不同的方式进行交换或组合，从而形成本发明的备选实施例，并且从而可能实现协同效应。
附图说明
相对于附图，下文中将描述本发明的实施例，其中，所述说明或附图均不应被解释为限制本发明的范围。
图1示出了常规X射线探测器阵列的范例；
图2示出了根据本发明的X射线探测器阵列的实施例。
附图仅是示意性的，并且未按比例绘制。
附图标记列表
1 X射线探测器阵列
2 闪烁体组
3 闪烁体像素
5 闪烁体
7 闪烁体
9 闪烁辐射探测器
11 反光油漆层
13 X射线吸收封装
15 电接触点
17 插入器
19 电子电路
21 输入/输出线缆
27 顶表面
29 侧表面
31 底表面
101 探测器阵列
102 闪烁体组
103 闪烁体像素
105 闪烁体
107 闪烁体
109 闪烁辐射探测器
111 反光油漆层
112 空余空间
115 电接触点
117 板
118 电子电路
121 输入/输出线缆
具体实施方式
如图1中所示的X射线探测器阵列被提供用于例如计算机断层摄影。
X射线探测器阵列101包括闪烁体组102。在该闪烁体组102中，多个闪烁体像素103被布置为在阵列中。每个闪烁体像素103包括闪烁体晶体105、107，其可将贯穿X射线转换为可能在可见光谱范围内的闪烁辐射。存在两层闪烁体，上层(即，更接近X射线源)用于仅捕获较软的X射线，以及下层(即，距X射线源更远)用于捕获较硬的X射线。每层中的闪烁体中的每个均与光电-二极管(photo-diode)相关联。通过处理和比较来自这两层光电二极管阵列的数据输出来构建光谱X射线图像。对这种闪烁体布置的更广泛的说明在本申请受托人共同所有的US7,968,853B2和US2010/0220833中被给出。
闪烁辐射探测器109被布置为其侧表面邻近于闪烁体像素103中的每个。闪烁辐射探测器109可以被提供作为垂直光电二极管。除了面向闪烁辐射探测器109的侧表面，闪烁体晶体的所有表面被反光油漆层111覆盖，所述反光油漆层对闪烁辐射具有高反射性，并且可以将闪烁体晶体中生成的闪烁辐射朝向相关联的闪烁辐射探测器表面进行反射。闪烁体辐射探测器109的每个在其较低的边缘处由电接触点115连接至基底117。在基底117与指向闪烁体组102的表面相对的表面处，布置电子电路118。此外，提供任选的弹性输入/输出线缆121，用于电接触电子电路118。
电子电路118可用于放大、数字化和/或多路复用，并且被布置在基底117下方。由于电子电路118可以包括专用于例如在兆分之一安培范围内快速变化的电流的放大的模拟部分，该部分特别需要被保护不受直接的X射线辐射，因为这种X射线辐射会引起直接转换，并且因此引起寄生信号。此外，延长的曝光可以导致例如用于执行模拟部分的集成电路的半导体材料中的损坏，并且从而可以提高泄露电流。
为了保护电子电路118，并且特别地为了保护其模拟部分，由钨或具有高原子数Z的其他任何合适材料制成的板120被放置在基底117和电子电路118之间。在这种方法中，电子电路118后侧被安装在板120上，并且可以通过引线接合来实现相互连接。
然而，在这种方法中，所有信号必须被路由至电子电路118的外围。在具有大量像素103的探测器阵列中，不可能将所有的信号路由至阵列的外围。
因此，使用倒装芯片技术来安装执行电子电路113的芯片可以是有利的。因此，信号路由会较短，并且还能够以较好的方式控制芯片上的功率分布。然而，在这种方法中，要寻找到用于保护电子电路118的新的解决方案。
因此，尽管在图1的X射线探测器阵列101中，闪烁体105、107下面的空间112是空余的；提出使用该空间用于额外的X射线防护。
图2示出了根据本发明的X射线探测器阵列1的实施例。
闪烁体组2包括多个闪烁体像素3，每个闪烁体像素3包括闪烁体5、7。每个闪烁体5、7被反光油漆层11围绕，以便将在相应的闪烁体像素3内生成的闪烁辐射向其侧表面反射。在该侧表面，垂直光电二极管用作闪烁辐射探测器9。每个闪烁辐射探测器9经由电接触点15被连接至插入器17。在插入器17的相对侧处，ASIC被布置为提供电子电路19。ASIC以倒装芯片技术被安装，并且被连接至输入/输出线缆21。
在X射线应用中，闪烁体像素3的顶表面27指向X射线源。X射线可以进入闪烁体5、7，并可以被至少部分地吸收，以在其中生成闪烁辐射。闪烁体像素3的侧表面29被覆盖具有反光油漆层11或由相关联的闪烁辐射探测器9覆盖。
在闪烁体像素3的底表面31处，闪烁体晶体7和插入器17之间的体积由高X射线吸收材料填充，从而形成X射线吸收封装13。这种X射线吸收封装13包括高体积百分比的具有大于50的高原子数的高X射线吸收材料。由于这种高X射线吸收材料，封装13可以用作对下层的电子电路19的X射线保护屏蔽。由于封装13的高X射线吸收特征，实质上没有通过闪烁体像素3传输的X射线可以被进一步通过封装13进行传输。
封装13不仅可以充当X射线屏蔽，而且可以用于在插入器17的顶部上形成闪烁辐射探测器9的光电二极管的机械稳定。
用于封装13的填充材料可以是例如氧化铋(Bi2O3)。铋的高原子数提供这种填充物材料的良好的X射线吸收特性。已经观察到，包括例如高含量的氧化铋并且具有1mm厚度的X射线吸收封装13可以显示出与0.25mm的钨板类似的X射线吸收特性。此外，氧化铋是环境可接受的、无毒且低成本的材料。
由于铋以氧化形式提供，填充物材料足以电绝缘，使得可以防止例如在电接触点15之间的杂散电短路。由于闪烁辐射探测器9的光电二极管可以提供在兆分之一安培的范围内的光电流，这种电绝缘可以是至关重要的。必须在相邻电接触点之间实现大于百兆欧姆(>100MΩ)的电阻。
作为氧化铋作为填充材料的备选，可以使用包括高Z量元素的其他填充物材料，例如氧化铅(PbxOy)、氧化铊(Ta2O5)、氧化铀(UO2)、氧化镥(Lu2O3)、氧化钆(Gd2O3)或其他合适的氧化物。作为其他备选，涂覆有隔离层以保持电绝缘的钨金属颗粒可以用于在X射线吸收封装13中。
填充物材料可以提供，但不是必须提供对闪烁辐射的高反射性。例如，氧化铋显示在可见光谱内的某些吸收，并且具有淡黄色外观。然而，在本文提出的X射线探测器阵列中，这种吸收是没有影响的，因为封装13中的填充材料不是必须用作反射闪烁辐射，该效果由反光油漆层11获得。
用于封装13的填充物材料可以包括高X射线吸收材料颗粒，诸如，氧化铋，这种颗粒被并入在树脂基质中。填充度优选尽可能地高，但出于实际原因，可以大约是体积的50％或重量的90％。在这种配方中，粘性仍可以是足够低的，使得颗粒树脂混合物能够用于填充闪烁体像素3下面的填充空间的填充处理，以便生成X射线吸收封装13。
例如，包括平均尺寸为10微米的氧化铋颗粒的粉末可以与低粘性环氧粘合剂混合。为了获得低粘性、高负载的氧化铋填充物，需要一种有效的分散剂来分散填充物材料中的氧化铋颗粒。最大颗粒含量还可以受到如尺寸、尺寸分布及形状的颗粒特性的影响。填充物材料的特性，特别是其粘度和其氧化铋颗粒含量，可适合于，一方面，填充物材料可以容易地被引入闪烁体像素3下面的空间，以便生成X射线吸收封装13，并且，另一方面，由这种封装13提供足够的X射线吸收。尽管高含量的X射线吸收颗粒(即，氧化铋颗粒)提供高X射线吸收性时，这种高含量会导致高粘度。因此，在填充物材料的树脂基质内的X射线吸收颗粒的含量将需要被优化。
应当注意到，术语“包括”不排除其他元素或步骤，并且限定词“一”或“一个”不排除复数。参考不同实施例描述的元素也可以进行组合。还应当注意，权利要求中的附图标记不被解释为限制权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种X射线探测器阵列，包括：
闪烁体像素(3)的阵列，其中，每个所述闪烁体像素具有顶表面(27)、底表面(31)和侧表面(29)，并且其中，所述闪烁体像素被布置为使得相邻的闪烁体像素的侧表面彼此面对；闪烁辐射探测器(9)的阵列，所述闪烁辐射探测器中的每一个的闪烁辐射探测表面被布置为沿相关联的闪烁体像素的侧表面；
X射线吸收封装(13)，其包括电绝缘的高X射线吸收材料，所述高X射线吸收材料具有大于50的原子数；
电子电路(19)，其被电连接至所述闪烁辐射探测器的阵列；以及
插入器(17)，被插入所述X射线吸收封装和所述电子电路之间，
其中，所述X射线吸收封装(13)被布置在闪烁体像素(3)的所述底表面(31)以及在所述闪烁体像素(3)的阵列与所述插入器(17)之间。
2.根据权利要求1所述的X射线探测器阵列，其中，所述高X射线吸收材料包括氧化铋。
3.根据权利要求1或2之一所述的X射线探测器阵列，其中，所述X射线吸收封装包括在20体积百分比和70体积百分比之间的所述高X射线吸收材料。
4.根据权利要求1或2之一所述的X射线探测器阵列，其中，所述X射线吸收封装包括所述高X射线吸收材料的颗粒，所述颗粒被包括在基质材料中。
5.根据权利要求4所述的X射线探测器阵列，其中，90％的所述颗粒具有1和50μm之间的尺寸。
6.根据权利要求4所述的X射线探测器阵列，其中，所述基质材料为环氧树脂。
7.根据权利要求1或2之一所述的X射线探测器阵列，其中，所述X射线吸收封装覆盖闪烁体像素中的每个的所述底表面的至少80％。
8.根据权利要求1或2之一所述的X射线探测器阵列，其中，相邻的闪烁体像素之间的分隔空间至少部分被填充弱X射线吸收材料。
9.根据权利要求1或2之一所述的X射线探测器阵列，其中，所述X射线吸收材料包括具有不同原子数的材料的混合物。
10.根据权利要求1所述的X射线探测器阵列，其中，所述电子电路包括以CMOS技术提供的集成电路。
11.根据权利要求1或10所述的X射线探测器阵列，其中，所述电子电路包括倒装芯片ASIC。
12.一种CT扫描器，包括根据权利要求1至11中的任一项所述的X射线探测器阵列。
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