CN105022080A

CN105022080A - 包括光反射材料的射线探测器

Info

Publication number: CN105022080A
Application number: CN201510453161.0A
Authority: CN
Inventors: N.韦纳; S.莱文
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2015-11-04
Also published as: EP2220516A2; WO2009060340A2; US20100296625A1; US9488738B2; WO2009060340A3; EP2220516B1; CN101849197A; RU2010123014A

Abstract

本发明涉及射线探测器（200）的光反射材料（240），其还包括光电探测元件（220）和与该光电探测元件相邻的成像元件（250）。典型地，环氧树脂用作光反射材料。根据本发明，可将坚韧、易弯曲树脂用作光电探测元件。这具有如下优点：减小了射线探测器内的热应力，进而降低了因为例如温度变化而引起分层的风险。另外，该坚韧、易弯曲树脂还优选具有低折射率，和具有折射率1.58的环氧树脂相比其可增加树脂的散射系数。由此，对于给定级别的光学串扰，与环氧树脂的层厚度相比，低折射率树脂的层厚度可以减小。优选的树脂为硅树脂以及热塑性含氟聚合物树脂。

Description

包括光反射材料的射线探测器

技术领域

本发明涉及射线探测器以及光反射材料在射线探测器中的应用。

背景技术

射线探测器特别地使用在计算机体层（CT）扫描仪中并将特别参考其进行描述。但是，本发明还可用于DF（衍射）和RF（射频）成像、X射线透视检查、放射线照相术、及用于医疗和非医疗检查的其它检查系统。

计算机体层（CT）成像通常采用X射线源，该X射线源产生横穿检查区域的X射线束。安排在检查区域中的对象与横穿的X射线相互作用并吸收一部分X射线。包括探测器元件阵列的二维射线探测器与X射线源相对设置以探测和测量所发射的X射线的强度。

典型地，X射线源和射线探测器安装在旋转的台架的相对侧，从而获得对象的角形范围的投射示图。在一些配置中，将X射线源安装在旋转台架上而将射线探测器安装在固定台架上。在任一配置中，采用过滤的反投影或者另一种重建方法对投影示图进行重建以产生对象或者其被选部分的三维图像表示。

射线探测器可包括由成像元件（例如闪烁晶体）阵列组成的成像板，该成像元件响应于X射线产生称为闪烁事件的光猝发。这样的射线探测器还可包括光电探测器阵列，例如光电二极管阵列，其设置为观察闪烁晶体并产生表示闪烁事件的空间位置和强度的模拟电信号。用于CT扫描仪和一般体格检查的成像板包括独立响应入射的X射线并产生电信号的像素组件，所述电信号用于产生数字图像。在一些探测器中，闪烁体组件包括组装在一起或者例如通过切削或者其它半导体制造技术从公共闪烁体板切割的单个晶体阵列。

现在大多数CT制造商制作X射线探测器阵列，其中每个探测器包括一个或多个闪烁体以及一个或多个光电二极管。该X射线探测器包括发光的晶体的或者陶瓷的X射线闪烁体材料块，其由白色间隔装置或者隔离物相互隔开，并且粘贴到硅光电二极管阵列的前表面上。由光反射材料制成的白色隔离物或者间隔装置通常包括为辐射硬度而选取的环氧树脂，用二氧化钛填充物使其成为白色。光反射材料的功能是为了将X射线在闪烁体的本体中被吸收时通过闪烁而产生的光向下反射进入光电探测元件的灵敏区中，以避免向上的损失，或者侧向散射进相邻的探测器像素（detector pixel）。

探测器阵列可具有许多甚至数百的探测器像素、检测像素，并光学耦合至匹配的硅光电二极管阵列并且并排设置在其上。该硅光电二极管阵列收集闪烁体发出的光并产生电荷，所述电荷可被电子处理并用于显示在随后CT图像中的体素（voxel）特征。

但是，在已知的X射线探测器阵列中存在着问题。随着X射线探测器阵列尺寸的增加，具有高热膨胀系数（CTE）的硬环氧树脂和具有低CTE的易碎硅片之间的热膨胀问题可能引起分层，特别是当组件受到极端温度时。这可能发生在冬天将扫描仪运送至医院的过程中，这时会经历－20℃以下的温度。

另外，用该已知技术制作的白色隔离物或者间隔装置必须相当厚。白色反射层在波长λ下的效率由Kubelka和Munk的散射系数S_λ定义，该散射系数与层厚度d和漫反射系数R_λ相关，如它们的公知公式所定义：

通常，采用其折射率通常超过1.5的环氧树脂可获得不比2000cm^－1大很多的散射系数。这意味着具有100μm厚度的隔离物将透射5％的光作为串扰。当期望减小检测像素尺寸以改进CT图像的空间分辨率时这一点特别重要。

另外，在阵列外侧边缘处的涂层也必须相当厚，其中用于涂层的空间受到限制。厚度为50μm的涂层将失去入射在其上的9％的光。

因此，本发明优选试图单独地或者以任何组合地减轻、缓和或者消除一个或多个上述不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种现有技术的可替换方案。特别地，本发明的目的在于提供解决现有技术的上述关于机械特性、像素间串扰和/或对相对厚的光反射材料或者隔离物层的需要的问题的射线探测器。

因此，在本发明的第一方面，期望通过提供射线探测器来实现上述目的以及若干其它目的，该射线探测器包括：

－具有一个或多个光电探测元件的光电探测元件阵列；

－与该光电探测元件阵列相邻的一个或多成像元件；

－覆盖该一个或多个成像元件的侧面以及顶侧的光反射材料，其中至少一部分光反射材料包括坚韧、易弯曲的树脂。

该树脂的易弯曲性提供了良好的机械特性，并会允许树脂与硅片中的变化一致地随温度而改变其尺寸，而不会对该硅片施加相当大的力。因此，可以允许探测器元件具有不同的热膨胀而不会产生大的分层力。另外，该易弯曲性也将使得阵列的组件能够在光电探测元件阵列上，即使二者中的任何一个不是绝对平坦的，因为它们可被压在一起而相符合。

有利地，该光电探测元件阵列是半导体阵列，例如硅光电二极管。应当注意，成像元件通常设置于并固定于光电探测元件阵列上相应的光电探测元件上。当用于探测射线（例如从上面入射的X射线）时， “侧面”和“顶侧”应理解为是指成像元件的部分。侧面和顶侧一起形成除了朝向光电探测元件的部分成像元件之外的成像元件的外围面。当从在光电探测元件下面的位置的一侧观看射线探测器时，术语“侧面”和“顶侧”具有它们通常的含义，即成像元件的顶侧为向上朝向入射射线（例如X射线）的侧面，而成像元件的侧面为面向侧面的表面，即通常为垂直侧面。

“易弯曲树脂”意思是指因相对小的力而易弯曲的树脂，不像在这些条件下可能碎裂的材料例如环氧树脂。本发明的树脂还是一种坚韧的树脂，意味着需要相当多能量破坏树脂，即树脂具有相当高的韧性。

典型地，该射线探测器为X－射线探测器。

根据本发明的一个方面，坚韧的、易弯曲树脂具有的弹性模量小于2GPa，并优选地小于1GPa。另外，该坚韧的、易弯曲树脂具有的韧性高于0.6J/m³。具有这些机械特性的坚韧的、易弯曲树脂的优点在于其允许探测器元件的不同的热膨胀，而不会产生大的分层力。

根据本发明的一个方面，该坚韧的、易弯曲的树脂具有低折射率。树脂的低折射率会提高散射系数（“白色”）并因此和已知的环氧树脂相比较提高光反射材料的反射系数。由此可获得具有散射系数超过4000cm^－1的光反射材料，该系数是类似的环氧树脂的散射系数的两倍。这相应地减小了对于给定隔离物厚度的阵列的检测像素之间的光学串扰，或者仅仅以一半的隔离物厚度即可获得给定级别的光学串扰。因此，对于给定的串扰级别，可减小隔离物厚度；该减小在辐照期间对于患者是有利的，因为较薄的隔离物减小了患者辐射剂量，例如患者X射线剂量。

高反射系数树脂用作光反射材料以及可能产生的反射材料厚度的减小在必须尽可能紧密地靠在一起的瓦片状（tile）阵列边缘周围特别重要。必须非常仔细地控制每个瓦片的外侧尺寸的容限（tolerance），而光反射材料外层厚度的减小甚至减小数十微米可能是重要的，因为其可促进更廉价制造技术并因而允许进行更廉价的医疗检查。

根据本发明的另一个方面，光反射元件具有的低折射率小于1.5，而优选地小于1.45。这样的低折射率值确保减轻甚至克服了如上所述的现有技术的问题，原因在于可能获得具有散射系数超过4000cm^－1的光反射材料，该值是类似的环氧树脂的散射系数的两倍。已经证明具有1.44的折射率的树脂有利。

根据本发明的另一方面，包括具有低折射率的易弯曲树脂的光反射材料的所述部分包括硅树脂或者热塑性含氟聚合物。合适的硅树脂的实例可以为Nu－Sil LS－6143和Elastosil RT601，而合适的热塑性含氟聚合物的实例可以为PVDF。这些材料的实例具有小于1.45的折射率（即1.43或者1.42），并且已经证明由于其坚韧性、易弯曲性和低的折射率而适合作为辐射体探测器中的光反射材料。

根据本发明的另一方面，光反射材料还包括分散在硅树脂或者热塑性含氟聚合物中的填充物材料颗粒。该填充物材料颗粒包括TiO₂颗粒。“填充物材料”应理解为是指当添加到某种材料时提高其散射系数的材料。

根据本发明的又一方面，填充物材料颗粒具有大约0.5μm的平均颗粒尺寸。因为来自透明的TiO₂颗粒的光在所述颗粒与它们所分散在其中的树脂之间的界面处发生散射，所以所得到的材料的散射系数适当提高。树脂中TiO₂颗粒越多，并且光通过它们与树脂的界面的折射角越大，则散射越大。

根据本发明的再一方面，所述部分光反射材料包括覆盖一个或多个成像元件顶侧的光反射材料。当顶侧仅仅由易弯曲树脂制成时获得了承受环境应力的非常大程度的改进，因为其弹性会减小应力。顶侧上的热收缩力比成像元件之间的光反射材料的热收缩力大得多，因为与成像元件侧面上的以及相邻成像元件之间的隔离物中的光反射材料相比较光反射材料制成的顶侧的面积大得多。

在又一方面，所述部分光反射材料还包括覆盖一个或多个成像元件侧面的光反射材料。因此，如果基本上所有的光反射材料由低折射率的易弯曲树脂制成，则可能最大受益于采用该材料的优点。

本发明还涉及一种射线探测器，其包括具有一个或多个光电探测元件的光电探测元件阵列；与该光电探测元件阵列相邻的一个或多个成像元件；覆盖所述一个或多个成像元件的侧面和顶侧的光反射材料，其中至少一部分光反射材料包括低折射率树脂。

该树脂的低折射率提高了散射系数（“白色”），并因此与已知的环氧树脂相比较提高了光反射材料的反射系数。从而，可获得具有散射系数超过4000cm^－1的光反射材料，该散射系数是类似的环氧树脂的散射系数的两倍。这对于给定隔离物厚度相应减小了所述阵列检测像素之间的光学串扰，或者仅仅以一半的隔离物厚度即可获得给定级别的光学串扰。因此，对于给定级别的串扰，可减小隔离物厚度；该减小在辐照期间会有利于患者，因为较薄的隔离物减小了患者X射线剂量。

高反射系数树脂用作光反射材料以及可能造成的反射材料厚度的减小在必须尽可能紧密地靠在一起的瓦片状阵列边缘周围特别重要。必须非常仔细地控制每个瓦片的外部尺寸的容限，而光反射材料的外层厚度的减小甚至减小数十微米也可能是重要的，因为其可以促进更廉价的制造技术并因而允许更廉价的医疗检查。

根据本发明的一个方面，光反射元件具有的低折射率小于1.5，而优选地小于1.45。这样的低折射率确保克服如上所述的现有技术的问题，因为能够获得具有散射系数超过4000cm^－1的光反射材料，该值是类似的环氧树脂的散射系数的两倍。已经证明具有1.44的折射率的树脂是有利的。

最后，本发明涉及一种包括根据本发明的射线探测器的CT扫描仪。

应当指出在整个说明书中，所用的术语“隔离物”和“间隔装置”同义。在其它文献中术语“分隔物”可用于相同的含义。该隔离物或者间隔装置通常包括或者由光反射材料制成。

本发明的不同方面的每一个都可与其它任何方面结合。本发明的这些及其它方面参照下面所述的实施例将会很清楚且得以阐明。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述根据本发明的射线探测器和用于射线探测器的光反射材料。附图示出了一种实施本发明的方式而不应当理解为限于落在所附权利要求组范围内的其它可能的实施例。

图1是射线探测器的透视图；

图2a是射线探测器的透视图，为了图示说明切除了光反射材料的一部分；

图2b是射线探测器以图2a中的线2B－2B截取的截面图；

图3a是可选射线探测器的透视图，为了图示说明切除了光反射材料的一部分；

图3b是射线探测器以图3a中的线3B－3B截取的截面图；

图4示出了作为树脂厚度的函数的低折射率树脂的和环氧树脂的漫反射系数的曲线图。

具体实施方式

图1是射线探测器100的透视图。该射线探测器100为X射线探测器。X射线探测器100包括具有一个或多个光电探测元件的光电探测元件阵列120。该光电探测元件可以是光电二极管或者将光转换为电的任何其它材料。探测器100还包括具有闪烁层150形式的成像元件，该闪烁层包括一个或多个闪烁体元件。闪烁体层150的闪烁体元件由光反射材料覆盖。图1示出闪烁体层150设置在光电探测元件阵列120之上并固定到其上。该闪烁层可采用光学粘结剂光学耦合至光电探测器阵列的前表面或者顶面。在图1中，由光反射材料覆盖和密封闪烁层元件，即闪烁体元件。

图2a是射线探测器200的透视图，为了图示说明切除了光反射材料的一部分，图2b是射线探测器以穿过图2a中的线2B－2B的垂直平面截取的截面图。射线探测器200是图1的射线探测器100的实例；射线探测器200是X射线探测器。图2a示出了上面设置了闪烁层250的光电探测元件阵列220。闪烁层250包括光反射材料240以及多个闪烁体230，例如氧化硫钆（GOS）闪烁体。在图2a和图2b的实例中，闪烁体230呈盒子形状的矩形元件形式。该闪烁体230可以为例如1mm宽，且具有可达20mm的长度。光反射材料围绕闪烁体的外围面（即闪烁体不面向光电探测元件阵列220的表面）延伸。因此，每两个相邻闪烁体230之间、外侧闪烁体表面的外侧上以及所有闪烁体的顶侧上都是光反射材料。闪烁体层的外表面为平面，于是光反射材料形成顶盖242以及间隔装置或者隔离物241（见图2b）。图2b是以穿过图2a中的线2B－2B的垂直平面截取的横截面。图2b示出了包括光电探测元件阵列220以及闪烁体层250的射线探测器200，该闪烁体层250具有闪烁体230和光反射材料240。顶盖242被显示为覆盖闪烁体230顶侧的层。光反射材料的间隔装置或者隔离物241存在于任意两个相邻的闪烁体之间以及最外闪烁体面的外侧上。光反射材料表面设置为将X射线在闪烁体中被吸收时通过闪烁产生的光向下反射进入光电探测元件的灵敏区，以避免向上的损失，或者侧向散射进入相邻的检测像素。为清楚起见，在图2a和2b中仅仅示出了四个闪烁体；但是，应当注意通常更大数目的闪烁体被布置在每个光电探测元件阵列上。

光反射材料是坚韧的、易弯曲的且折射率低、包含二氧化钛（TiO2）颗粒的树脂，例如硅树脂或者热塑性含氟聚合物。易弯曲树脂的使用可以限于位于闪烁体顶面（如在图2a和图2b的取向上看到的）之上的材料或者限于光反射材料的顶盖242，原因在于由于和间隔装置或者隔离物241的面积相比顶盖或者覆盖闪烁体顶面的材料的面积大得多，所以顶盖或者闪烁体顶面之上的材料的热收缩力比间隔装置或者隔离物241的热收缩力大得多。在仅仅对顶盖或者对位于闪烁体顶面上的材料采用硅树脂或者热塑性含氟聚合物时，树脂的剩余部分可以是任何常规的树脂，例如环氧树脂。

图3a是一种可选的射线探测器300的透视图，为了图示说明切除了光反射材料的一部分，图3b是该射线探测器以穿过图3a中的线3B－3B的垂直平面截取的截面图。射线探测器300是图1的射线探测器100的另一个实例；该射线探测器300也是X射线探测器。当图2a和图2b的射线探测器200是单切片CT类型时，图3a和3b的射线探测器30是多切片CT类型。图3a示出了上面设置了闪烁层形式的成像层350的光电探测元件阵列320。闪烁层350包括光反射材料340以及闪烁体元件330（例如GOS闪烁体）形式的多个成像元件。在图3a和3b的实例中，闪烁体330形成为具有平坦的侧面、顶侧和底侧的盒子形状或者立方体的元件。这样的元件还指“检测像素”。该闪烁体元件330可以例如具有大约1mm的宽度，大约0.5到1.5mm的长度，或者相反。光反射材料围绕闪烁体外围面（即闪烁体不面向光电探测元件阵列320的所有表面）延伸。因此，光反射材料在任意两个相邻闪烁体330的侧面之间、在最外部闪烁体面的外侧上以及在闪烁体顶侧上。闪烁体层的外表面为平面，使得光反射材料形成顶盖342以及间隔装置或者隔离物341（见图3b）。图3b是以图3a中的线3b－3b截取的横截面。图3b示出了包括光电探测元件阵列320以及闪烁体层350的射线探测器300，该闪烁体层350具有闪烁体330和光反射材料340。顶盖342示出为覆盖闪烁体330顶侧的层。光反射材料的间隔装置或者隔离物341存在于任意两个相邻闪烁体之间以及在最外闪烁体面的外侧上。为了清楚起见，在图3a和3b中仅仅示出了四个闪烁体；但是，应当注意通常更多数目的闪烁体被布置在每个光电探测元件阵列上。

光反射材料是坚韧的、易弯曲且折射率低、包含二氧化钛（TiO2）颗粒的树脂，例如硅树脂或者热塑性含氟聚合物。具有或者不具有低折射率的易弯曲树脂的使用可以限于位于闪烁体顶面（如在图3a和图3b的取向上所看到的）之上的材料或者限于光材料的顶盖342，原因在于由于和间隔装置或者隔离物341的面积相比顶盖或者覆盖闪烁体顶面的材料的面积大得多，因而顶盖或者位于闪烁体顶面之上的材料的热收缩力比间隔装置或者隔离物341的热收缩力大得多。在硅树脂或者热塑性含氟聚合物用于顶盖或者用于位于闪烁体顶面之上的材料时，树脂的剩余部分可以是任何常规的树脂，例如环氧树脂。

如果易弯曲树脂用于闪烁体的顶面，则它优选地具有低折射率，但这也不是必需的，因为在顶面上对材料厚度的限制不太严格。

图4示出了作为树脂厚度的函数的低折射率树脂的和环氧树脂的漫反射系数的曲线图。图4的较低的曲线示出了具有涂层的540nm波长的光的漫反射系数，该涂层采用精细分散于环氧树脂中的二氧化钛填充物制作。在波长λ＝540nm下环氧树脂具有1.538的标称折射率（nominal refractive index）和2000cm^－1的散射系数S_λ。相比较地，图4的上面的曲线示出了用具有折射率1.42的PVDF树脂制成的相似涂层。该PVDF树脂在540nm的波长λ下具有6660 cm^－1的散射系数S_λ。

每个涂层通过将精细粉末（平均颗粒尺寸大约0.5μm）分散于树脂的第一部分（部分A）达到70％wt/wt的浓度并在混合于另一个没有其中混合粉末的树脂的脱气（de-aerated）部分（部分B）中之前脱气而形成。该颗粒可以是二氧化钛（TiO₂）。图4的曲线示出了反射系数对涂层厚度的依赖性，并与上面给出的Kubelka－Munk公式非常一致。图4示出具有低折射率的PVDF树脂与环氧树脂相比针对树脂的任意厚度提供更高的反射系数。因此，采用具有低折射率的树脂与具有大约1.58的折射率的环氧树脂相比改善了所述反射系数。由此，对于给定的涂层厚度可减少闪烁体阵列的检测像素之间的光学串扰，或者以减小的隔离物厚度可获得给定级别的串扰。

在制备后大约30分钟内可以将白色树脂施加至切削的闪烁体空白处的检测像素之间，优选在真空中进行以避免气泡。当工件是热的例如45℃时，优选这样做以减小树脂粘度。之后可烘烤该元件以固化树脂。

PVDF树脂的替代物为具有相似折射率的任何硅树脂。可用于该目的的树脂实例包括Nu－Sil LS－6143和Elastosil RT601，但是任何坚韧的、易弯曲的具有低折射率的硅树脂都会实现该目的。

所采用的TiO₂粉末可以是具有平均颗粒尺寸0.55μm的Du Pont 纯Ti R－931，该尺寸与GOS闪烁体的峰值发射波长接近。可对各个颗粒涂敷SiO₂以防止高浓度下它们之间的光学接触并允许散射。

尽管本发明一直结合特定实施例进行描述，但是无论如何不应当理解为限于所呈现的实例。本发明的范围由附加的权利要求组给出。在权利要求的上下文中，术语“包括”及其动词变化形式的使用不排除其它可能的元件或者步骤。不定冠词“一”或“一个”的使用不应该理解为排除复数。在权利要求书中关于元件的在附图中所示的附图标记的使用也不应理解为限制本发明的范围。另外，在不同权利要求中提到的各个特征可有利地组合，并且在不同权利要求中提到这些特征并不排除特征的组合是可能的且是有利的。

Claims

1. 一种射线探测器，包括：

－光电探测元件阵列，其具有一个或多个光电探测元件；

－一个或多个成像元件，其与该光电探测元件阵列相邻；

－光反射材料，其覆盖所述一个或多个成像元件的侧面以及顶侧，其中至少一部分光反射材料包括坚韧且易弯曲的树脂，所述树脂具有小于1.5的折射率，其中所述部分光反射材料包括硅树脂或者热塑性含氟聚合物，所述部分光反射材料还包括分散于硅树脂或者热塑性含氟聚合物中的填充物材料颗粒，所述填充物材料颗粒具有大约0.5μm的平均颗粒尺寸。

2. 如权利要求1所述的射线探测器，其中所述树脂具有的弹性模量小于2Gpa。

3. 如权利要求2所述的射线探测器，其中所述树脂具有的弹性模量小于1Gpa。

4. 如权利要求1所述的射线探测器，其中树脂具有的韧性大于0.6J/m³。

5. 如权利要求1所述的射线探测器，其中所述折射率小于1.45。

6. 如权利要求5所述的射线探测器，其中填充物材料颗粒包括TiO₂颗粒。

7. 如权利要求1所述的射线探测器，其中所述部分光反射材料包括覆盖一个或多个成像元件的顶侧的光反射材料。

8. 如权利要求7所述的射线探测器，其中所述部分光反射材料还包括覆盖一个或多个成像元件侧面的光反射材料。

9. 如权利要求1所述的射线探测器，其中所述一个或多个成像元件包括闪烁体。

10. 一种CT扫描仪，其包括射线探测器，其中该射线探测器包括：

－光电探测元件阵列，其具有一个或多个光电探测元件；

－一个或多个成像元件，其与该光电探测元件阵列相邻；

11. 如权利要求10所述的CT扫描仪，其中所述树脂具有的弹性模量小于2Gpa。

12. 如权利要求11所述的CT扫描仪，其中所述树脂具有的弹性模量小于1Gpa。

13. 如权利要求10所述的CT扫描仪，其中所述折射率小于1.45。