CN104838286A - 成像探测器 - Google Patents

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Abstract

探测器阵列(112)包括至少一个探测器像素(306)，所述至少一个探测器像素具有定义三维体积的空腔(400)。所述空腔的表面包括至少两个光敏区域和在它们之间的非光敏区域，定义至少两个子像素(3061、3062)，所述至少两个子像素探测在三维空腔内横穿的可见光子并且产生指示其的相应的信号。所述探测器阵列还包括闪烁体(302)，所述闪烁体包括被定位在所述空腔中的第一子部分，并且所述第一子部分响应于吸收X射线光子而发射可见光子。由所述第一子部分发射的可见光子是由所述至少两个子像素的全部两个探测的。

Description

成像探测器
技术领域
本发明总体上涉及成像探测器，并且更具体地涉及高分辨率和/或光谱鉴别成像探测器，并且结合计算机断层摄影(CT)进行描述。然而，本发明也适于其他成像模态。
背景技术
计算机断层摄影(CT)扫描器总体包括被安装在能旋转的机架上的X射线管，所述能旋转的机架围绕检查区域关于z-轴旋转。X射线管发射横穿检查区域和被定位在其中的对象或目标的辐射。探测器阵列在检查区域对面与X射线管相对，对向一角度弧，探测横穿检查区域的辐射，并且生成指示其的信号。重建器处理所述信号，并且在扫描期间重建指示其检查区域和其中的对象或目标的部分的体积图像数据。
由于以权衡探测效率来换取更高的分辨率，高分辨率和低剂量成像的“真实世界”的探测器实现方式问题是矛盾的。通过范例，探测器布置已经包括了由非活动(或非光敏)区域分开的探测器像素阵列。每个探测器像素包括探测撞击在其上的可见光子的活动(或光敏)区域。几何效率，如探测器阵列的面积的百分比，可以被定义为由探测器阵列的面积划分的活动区域的面积的总和，包括活动面积和非活动面积两者。
为了增加分辨率，在给定了静态探测器阵列大小的情况下，可以减小探测器像素中的每个的活动区域的宽度，导致针对给定的静态探测器阵列大小的更小的探测器像素。然而，在给定了像素之间具有最小固定分隔距离的情况下，减小单个像素的活动面积本身增加了非活动区域的面积的百分比。这样减少活动面积的百分比减小了探测器的几何效率，因此存在分辨率与几何效率之间的权衡。
至少鉴于以上所述，存在对于增加分辨率而具有更少的探测器效率损失、并且任选地更低剂量的其他探测器配置的未解决的需求。
发明内容
本文中描述的方面解决了以上提到的问题和/或其他问题。
在一个方面中，探测器阵列包括至少一个探测器像素，所述至少一个探测器像素具有定义三维体积的空腔。所述空腔的表面包括至少两个光敏区域和在它们之间的非光敏区域，定义至少两个子像素，所述至少两个子像素探测在三维空腔内横穿的可见光子并且产生指示其的相应的信号。所述探测器阵列还包括闪烁体，所述闪烁体包括被定位在所述空腔中的第一子部分，并且所述第一子部分响应于吸收X射线光子而发射所述可见光子。由所述第一子部分发射的可见光子是由所述至少两个子像素两者探测的。
在另一方面中，一种方法包括探测由闪烁体发射的可见光子，所述闪烁体被设置在探测器像素的三维空腔中，其中，所述空腔具有光敏表面，并且所述表面的第一子部分对应于所述探测器像素的第一子像素，并且所述表面的第二不同的子部分对应于所述探测器像素的第二子像素，并且所述第一子部分和所述第二子部分两者都探测由所述闪烁体发射的可见光子。
在另一方面中，一种方法包括：获得具有至少一个探测器像素的探测器片，所述探测器像素包括具有至少两个不同的光敏表面的三维空腔；并且在所述空腔中安装闪烁体。
本发明可以采取各种部件和各部件的布置以及各种步骤和各步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，并且不得被解释为对本发明的限制。
附图说明
图1示意性地图示了包括具有被配置用于高分辨率和/或光谱成像的探测器像素的探测器阵列的范例成像系统。
图2示意性地图示了探测器阵列的多行探测器片。
图3示意性地图示了探测器阵列的范例探测器片。
图4示意性地图示了探测器阵列的高清晰度探测器像素的自上向下的视图。
图5示意性地图示了探测器阵列的高清晰度探测器像素的沿图4的线A-A的横截面视图。
图6图示了作为沿活动区域的位置的函数的探测器像素的子像素对的输出信号。
图7图示了具有四个活动区域的范例探测器像素。
图8图示了具有六个活动区域的范例探测器像素。
图9示意性地图示了具有单片闪烁体的探测器阵列的光谱探测器像素的沿图4的线A-A的横截面视图，。
图10示意性地图示了具有多个光谱离散的闪烁体的探测器阵列的光谱探测器像素的沿图4的线A-A的横截面视图。
图11示意性地图示了探测器阵列的高清晰度光谱探测器像素的沿图4的线A-A的横截面视图。
图12示意性地图示了包括平行六面体空腔的探测器阵列的范例探测器片。
图13示意性地图示了包括具有圆形底部的空腔的探测器阵列的范例探测器片。
图14图示了范例方法。
具体实施方式
首先参考图1，图示了成像系统100，例如计算机断层摄影(CT)扫描器。
成像系统100包括总体固定的机架102和旋转机架104。旋转机架104通过轴承(不可见)等由固定机架102可旋转地支撑，并且围绕检查区域106关于纵向或z-轴旋转。辐射源108(例如X射线管)由旋转机架104支撑，并随旋转机架104旋转，并且发射辐射。准直器109较准辐射，产生横穿检查区域106的一般为锥形、扇形、楔形或其他形状的辐射束。
辐射敏感探测器阵列112在检查区域106对面与辐射源108相对，对象一角度弧，并且探测横穿检查区域106的辐射，并且生成并且输出指示其的信号。辐射敏感探测器阵列112包括一行或多行探测器片114。Chappo等人的美国专利6510195描述了适合的探测器片的范例，通过引用将其整体并入本文。任选地，可以与辐射敏感探测器阵列112一起采用聚焦或非聚焦防散射光栅(ASG)。
在图2中示意性地示出了探测器阵列112的子部分的范例。在该范例中，M行(其中M是整数)2021、2022、……、202M(共同被称为行202)包括N个探测器片114(其中N是整数)。行2021包括探测器片11411、11412、……、1141(N-1)、1141N。行2022包括探测器片11421、11422、……、1142(N-1)、1142N。行202M包括探测器片114M1、114M2、……、114M(N-1)、114MN。N个探测器片114各自被耦合到探测器模块2041、2042、……、204M，所述探测器模块被配置为安装在系统100中，沿z-轴彼此平行。
图3示意性地示出了探测器片114IJ(其中I和J是整数)的非限制性范例。注意到，图示的探测器片114IJ的相对几何结构(即形状、大小等)是非限制性的。探测器片114IJ包括闪烁体层302，闪烁体层302被光学耦合到光敏层308的光敏面304。光敏层308具有由非活动(或非光敏)区域分开的多个活动区域或光敏像素306(为清晰起见仅示出了一个)。光敏层308的非光敏面310被电气耦合到衬底312，衬底312包括读出电子设备(例如ASIC)和/或其他电路。
在一个实例中，光敏层308和光敏像素306是硅，并且光敏像素306是光敏层308的部分。光敏层308的非活动区域包括将每个探测器像素互连到电触点的电极。衬底312可以包括硅ASIC，所述硅ASIC被直接结合到硅光敏层308的非光敏区，与电触点电气通信。在Luhta等人的美国专利申请公开2009/0121146中描述了这样的硅探测器的非限制性范例，通过引用将其整体并入本文。
如下面更详细地描述的，在一个实例中，光敏像素306包括凹槽或空腔，所述凹槽或空腔定义三维(3D)体积并且包括具有由非活动区域分开的多个子像素或活动区域的3D表面，其中，闪烁体的子部分被设置在空腔中，并且由多个子像素以三维来探测在其中发射的可见光子。相对于空腔仅包括单个像素的配置，这样的配置允许增加分辨率。另外，相对于活动区域是二维的配置，增加了光收集效率，这允许减少剂量。此外，多个子像素允许光谱成像。
返回图1，重建器116重建由探测器阵列112输出的信号，并且生成体积三维图像数据。重建器116可以采用高分辨率、光谱和/或其他重建算法来重建信号。对象支撑体118(例如卧榻)将对象或目标支撑在检查区域106中。通用计算系统用作操作者控制台120，操作者控制台120包括人类可读输出设备(例如显示器和/或打印机)，和输入设备(例如键盘和/或鼠标)。驻留在控制台120上的软件允许操作者控制成像系统100的操作，包括对成像协议和/或重建算法，例如更高的分辨率和/或光谱成像协议和/或重建算法的选择。
现在转到图4和图5，示意性地图示了探测器片114IJ的范例。图4示出了探测器片114IJ的自上向下的视图，并且图5示出了沿图4的线A-A的视图。在该范例中，探测器片114IJ被配置为高清晰度片和/或用于高分辨率应用。
如所示的，光敏像素306包括具有多个光敏面402的三维凹槽或空腔400。在该配置中，由多个光敏面402在三维体积内探测可见光子。在该非限制性范例中，光敏像素306包括五(5)个面402：底面4021、前面4022、背面4023、左面4024和右面4025，其中，底面4021一般位于x-z平面中，并且其他面自此沿y方向延伸。
闪烁体302的第一或前突子部分404驻留在空腔400中，并且闪烁体302的第二子部分406在空腔400之外。闪烁体302可以包括预形成的前突子部分404的阵列，每个具有与空腔400内的几何结构相对应的几何结构。这样的阵列可以经由光学粘接剂等而被安装在片114上。在变型中，单个预形成的前突子部分404可以独立地位于单个空腔400中。在另一变型中，前突子部分404可以是沉积到每个空腔400中的粉末或浆体。
光学辐射屏蔽或阻挡材料408(例如钨)被定位在空腔400之外，在光敏像素306面向入射辐射的表面上。一般地，材料408阻挡或衰减撞击在非活动区域处的辐射。光学反射层409被定位在闪烁体302面向入射辐射的表面410上。反射层409将空腔400中的可见光子反射回到空腔400中并且朝向光敏区域。层409可以是涂层、薄膜等。适合的层409的范例包括但不限于白漆、镜子等。
应当理解，空腔400可以包括更多或更少的面，并且相对于面402的底面4021等的形状、角度和/或面402相对于彼此的取向可以是不同的。例如，底面4021可以备选地是圆形、三角形、六边形、八边形或其他形状的底，并且可以存在垂直延伸和/或在从底面4021以角度延伸的一个、三个、六个、八个或其他数量的面。
在该范例中，光敏像素306包括两个分隔的沿x-方向彼此紧邻布置的活动区域或子像素3061和3062，因为活动区域或子像素3061和3062两者都探测由第一子部分404发射的可见光子，所以其共享闪烁体302的第一子部分404。在该范例中，非光敏区域412驻留在两个分开的子像素3061和3062之间，沿z-方向延伸。然而，非光敏区域412中的一个或多个可以沿x-方向或在x-z平面中以一角度延伸。电气触点4141和4142各自将来自两个分隔的子像素3061和3062的信号路由到读出电子设备(为清晰起见未示出)。
简略地，转到图6，示出了在图5中沿x-方向从左移到右的子像素3061和3062中的每个的输出。在图6中，x-轴602表示位置，并且y-轴604表示输出水平。第一曲线606表示子像素3061的输出，并且第二曲线608表示子像素3062的输出。如所示的，两个子像素3061和3062将产生不同的输出信号，即使他们共享闪烁体302的公共第一子部分404。这样，相对于其中非光敏区域412被省略并且像素306产生单个输出信号的配置，探测器像素306产生更高的分辨率数据。
接着在图7中，示意性地图示了其中光敏像素306包括由非光敏区域4121和4122分开的四个分开的子像素7021、7022、7023和7024的范例，所述非光敏区域4121和4122共享空腔400中的闪烁体302的第一子部分404。图8示意性地示出了其中光敏像素306包括由三个非光敏区域4121和4122和4123分隔的六个分开的子像素8021、8023、8023、8024、8025和8026的范例，所述三个非光敏区域4121和4122和4123共享空腔400中的闪烁体302的第一子部分404。本文还预期非光敏区域的其他数量的子像素和/或布置。
图9示意性示出了探测器片114IJ的另一个范例。在该范例中，光敏像素306类似地包括两个分开的子像素3061和3062；然而，将子像素3061和3062沿y-方向分层，在该范例中，子像素3061更靠近入射辐射。非光敏区域900同样驻留在两个分开的子像素3061和3062之间。过孔902(例如硅通孔(TSV))包括电导电极，所述导电电极将由子像素3061生成的信号路由通过子像素3062到达电触点4142，电触点4142与读出电子设备电气通信。
通过使光敏像素306的两个或更多个分层子像素共享闪烁体302的第一子部分404，更靠近入射辐射的(一个或多个)子像素(在该范例中是子像素3061)可以被用于探测更低能量的光子，所述更低能量的光子更靠近闪烁体302的上区域904而被吸收，而离入射辐射较远的(一个或多个)子像素(在该范例中是子像素3062)可以被用于探测更高能量的光子，所述更高能量的光子经过闪烁体302的上区域904，并且更靠近闪烁体302的下区域906而被吸收。
这样的配置允许光谱成像。通过将具有非光敏区域900的子像素的更多的层包括在其间，可以增加光谱分离。另外，来自子像素的不同层的信号可以被组合以生成对应于非光谱扫描器的数据。注意到，为清晰起见，在图9中未标出来自图5的各个部分。为清晰起见，还省略了任选的屏蔽408和任选的反射层409。
图10示意性图示了探测器片114IJ的另一个范例。该探测器片114IJ基本类似于结合图9描述的探测器片，除了包括不同的闪烁材料的离散闪烁体1002和1004(而不是图9中示出的单片闪烁体302)被用于每个探测能量水平。尽管在图10中示出了两个离散闪烁体1002和1004，但是应当理解，探测器片114IJ可以包括多于两个的离散闪烁体。反射层(未示出)可以被添加在闪烁体1002与1004之间。
图11示出了探测器片114IJ的另一个范例，所述范例是图5与图9的组合。在该范例中，上层包括子像素11021a和11021b，并且下层包括子像素11041a和11002b。对于该范例，可以实现更高的分辨率和光谱成像数据两者。
图12图示了空腔400和其中的闪烁体部分302是矩形的实施例。图13图示了其中空腔400包括圆形底部分1300的实施例。
图14图示了方法。
应当意识到，本文中描述的方法的动作顺序并非是限制性的。这样，本文预期其他顺序。另外，可以省略一个或多个动作和/或可以包括一个或多个额外的动作。
在1402中，获得辐射敏感探测器阵列，所述辐射敏感探测器阵列包括具有探测器像素的探测器片，所述探测器像素具带有多个光探测表面的空腔。
在1404中，闪烁体被剪切以包括具有与空腔的几何结构相对应的几何结构的前突。可以通过锯、热线等剪切所述闪烁体以创建前突。
在1406中，经剪切的闪烁体被安装在探测器片上，使得前突在空腔内。可以采用诸如胶水、胶带等的光学粘接剂来耦合闪烁体与探测器像素。
在1408中，闪烁体的与安装有探测器片的面相对的面被削薄。这可以经由磨削或其他方式来实现。
在1410中，任选地，反射层可以被应用到经削薄的面。
如本文中讨论的，闪烁体可以以粉末的形式或混有粘合物的粉末而被备选地应用在凹槽中。
已经参考优选的实施例描述了本发明。他人在阅读和理解了前面的详细说明之后可以想到修改和改变。本发明旨在被解释为包括所有这样的修改和改变，只要它们处于权利要求书或其等价方案的范围之内。

Claims (24)

1.一种探测器阵列(112)，包括：
至少一个探测器像素(306)，其具有定义三维体积的空腔(400)，其中，所述空腔的表面包括至少两个光敏区域和在它们之间的非光敏区域，定义至少两个子像素(3061、3062)，所述至少两个子像素探测在三维空腔内横穿的可见光子并且产生指示其的相应信号；以及
闪烁体(302)，其包括被定位在所述空腔的中第一子部分(404)，并且所述第一子部分响应于吸收X射线光子而发射所述可见光子，其中，由所述第一子部分发射的可见光子是由所述至少两个子像素两者探测的。
2.根据权利要求1所述的探测器阵列，其中，所述至少两个光敏区域被相对于彼此沿横向于射辐射方向的方向布置、共享所述闪烁体的所述第一子部分、并且输出不同的探测器信号。
3.根据权利要求2所述的探测器阵列，还包括：
第一电触点，其将由所述至少两个光敏区域中的第一个生成的第一电信号路由到读出电子设备；以及
第二不同的电触点，其将由所述光敏区域中的第二个生成的第二电信号路由到所述读出电子设备。
4.根据权利要求3所述的探测器阵列，其中，所述第一电信号和所述第二电信号中的每个被单独地重建。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的探测器阵列，其中，所述探测器像素是高分辨率探测器像素。
6.根据权利要求1所述的探测器阵列，其中，将所述光敏区域沿入射辐射的方向分层，并且还包括：
非光敏材料(900)，其被设置在所述至少两个子像素之间，其中，所述至少两个光敏区域共享所述闪烁体的所述第一子部分，并且输出两个不同的探测器信号。
7.根据权利要求6所述的探测器阵列，其中，所述至少两个光敏区域都响应于X射线光子被所述闪烁体的所述第一子部分吸收而探测由所述闪烁体的所述第一子部分发射的可见光子。
8.根据权利要求6至7中的任一项所述的探测器阵列，其中，所述至少两个光敏区域中的一个主要探测第一能量光子，并且所述至少两个光敏区域中的另一个主要探测第二能量光子，其中，所述第一能量和所述第二能量是不同的能量。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的探测器阵列，其中，所述闪烁体的所述第一子部分是单片的。
10.根据权利要求6至8中的任一项所述的探测器阵列，其中，所述闪烁体的所述第一子部分包括分层的多个光谱离散的子闪烁体。
11.根据权利要求6至10中的任一项所述的探测器阵列，还包括：
电极(902、9021、9022)，其将由较靠近所述入射辐射定位的光敏区域生成的第一电信号路由通过离所述入射辐射较远的光敏区域到第一电触点，所述第一电触点将第一电信号路由到读出电子设备；以及
第二电触点，其将由离所述入射辐射较远的所述光敏区域生成的第二电信号路由到所述读出电子设备。
12.根据权利要求1至2中的任一项所述的探测器阵列，其中，所述光敏区域包括至少四个光敏区域，包括沿横向方向布置的第一对光敏区域，以及沿所述横向方向布置的第二对光敏区域，其中，所述第一对光敏区域和所述第二对光敏区域相对于彼此沿入射辐射的方向分层；并且还包括：
第一非光敏材料(412)，其被设置在所述第一对光敏区域之间；以及第二非光敏材料(900)，其被设置在所述第一对光敏区域和所述第二对光敏区域之间。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的探测器阵列，其中，所述闪烁体的所述第一子部分是具有所述空腔的几何结构的预形成的子部分，粉末或浆体驻留在所述空腔中。
14.一种方法，包括：
探测由闪烁体发射的可见光子，所述闪烁体被设置在探测器像素的三维空腔中，其中，所述空腔具有光敏表面，并且所述表面的第一子部分对应于所述探测器像素的第一子像素，并且所述表面的第二不同的子部分对应于所述探测器像素的第二子像素，并且所述第一子部分和所述第二子部分都探测由所述闪烁体发射的可见光子。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一子部分或所述第二子部分中的一个主要探测具有第一能量的光子，而所述第一子部分或所述第二子部分的另一个主要探测具有第二能量的光子，其中，所述第一能量和所述第二能量是不同的能量。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一子部分和所述第二子部分沿入射辐射的方向分层。
17.根据权利要求15至16中的任一项所述的方法，还包括：
重建对应于具有第一能量的所述光子的数据，并且生成第一光谱图像；并且
重建对应于具有第二能量的所述光子的数据，并且生成第二光谱图像。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一子部分和所述第二子部分被沿横向于入射辐射方向的方向彼此紧邻布置。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括：
分别重建对应于由所述第一子部分探测到的所述光子和由所述第二子部分探测到的所述光子的数据，由此生成更高分辨率的数据。
20.一种方法，包括：
获得具有至少一个探测器像素的探测器片，所述探测器像素包括具有至少两个不同的光敏表面的三维空腔；并且
将闪烁体安装在所述空腔中。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述闪烁体包括具有与所述空腔的几何结构相对应的形状的预形成的前突；并且
将所述前突安装在所述空腔中。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：
将所述闪烁体的与所述前突相对的面削薄；并且
将反射层应用在经削薄的面上。
23.根据权利要求20所述的方法，还包括：
通过利用粉末闪烁体材料填充所述空腔来安装所述闪烁体。
24.根据权利要求20所述的方法，还包括：
通过利用闪烁体浆体填充所述空腔来安装所述闪烁体。
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