CN1142177A - 层析x射线摄影探测器的温度均衡装置 - Google Patents

Abstract

为了精细图象，要对安装在计算机化层析X射线摄影设备转动台架上的固态探测器的温度进行控制，这是不现实的。然而，可以通过将阵列内的所有探测器与大热容量的物体紧密相连接，并将该组合件与环境隔绝，使阵列内所有探测器的温度均衡化。从而显著的热梯度从阵列中去除，而时间由于校正因子而去除。探测器(14)被安装在公用的热潭(30)上，它提供热容量，而热潭用热绝缘物(70)加以覆盖，并用诸如薄而柔韧的不锈钢平板的热绝缘装置与台架(16)相连接。

Description

层析X射线摄影探测器的温度均衡装置

有关的专利申请

本申请涉及与此同时产生的以约翰·道伯斯(John Dobbs)和代维·班克斯(David Banks)名义存档的，并委托本代理人(代理人号ANA-23)的，共同拥有的未审定美国专利申请系列号NO.08/190945；和与此同时产生的。以伯纳·姆·高登(Bernard M.Gordon)，约翰·道伯斯(John Dobbs)和代维·班克斯(David Banks)名义存储的，并委托本代理人(代理人号ANA-44)的美国专利申请系列NO.08/191428。

技术领域

本发明一般涉及计算机辅助层析X射线摄影，特别涉及由CAT扫描器探测器阵列中温度漂移引起的图象非真实性的消除。

发明背景

计算机辅助层析X射线摄影，通常称为CAT或CT扫描，是一种产生被扫描目标截面，一般是病人截面，的密度图象的方法。在第三代类型的CAT扫描器中，X射线源和X射线探测器阵列在扫描平面中绕病人目标所在的中心区域转动。来自源的X射线从源点，通常称为焦点，通过目标，被单独的探测器所接受。探测器成单行按圆弧形式布置，圆弧的曲率中心与X射线源的焦点相重合。因此，每只探测器相对焦对看相同的角，从而在强度测量期间，所有探测器的每一只理论上都遭受来自未减弱时线束的相同X射线曝光水平。

扫描时，在测量瞬间被单个探测器探测到的X射线被考虑成为一种射线。该射线被其通道上的所有质量部分地减弱，从而产生随减弱而变化，这样也就是随该通道上的质量密度而变化的单个强度测量。对于圆盘的给定位置，通常在若干角向位置中的每一个位置进行投影或视图，也即X射线强度测量。

根据扫描期间在所有投影角上获得的数据所重建的图象就是通过被扫描目标在扫描平面的截面薄片。为了“重建”目标截面的密度图象，图象通常采用拉多(Radon)提出的数学算法被“反投影”。反投影通常涉及像素组中图象的重建，其中组中的每个像素是由代表病人该体积密度的值所产生的，该体积具有像素的面积和等于薄片厚度的高度。由于源和探测器围绕目标而转动，射线从不同方向，或投影角，透过目标，通过像素位置的不同组合。薄片平面中目标的密度分布是从这些测量按数字方法产生的，而每个像素的亮度值被设置代表该分布。其结果是一组代表薄片平面密度图象不同值的像素片。

然布，由于拉多(Radon)数字的运行，任何探测器曝光测量中的不一致性造成诸如出现在图象中附加条纹的不真实性。这种不一致性的一个原因是源，目标和探测器之间的相对移动。对此原因的组成在以下文件进行了论述，例如，共同拥有的未审定申请美国系列号NO.08/190,945，该申请于1994年2月3日以约翰·道伯斯(John Dobbs)名久存挡，题为“X射线层析摄影探测器系统用的模块式探测器布置(代代理人号ANA-23)；以及美国系列号NO.08/191428。该申请于1994年2月3日以伯纳·姆·高登(Bernard M.Gordon)，约翰·道伯斯(John Dobbs)名义存档，题为”扫描图象质量改进的X射线层析摄影系统和方法“(代理人号ANA-44)。这两个申请都委托本代理人，并与本申请同时存档。

任一探测器曝光测量趋于使图象细节模糊的不一致性的其它原因是一个或多个探测器相对其它探测器的探测器灵敏度未校正变化。快速扫描以便使病人目标的移动达到最小，和区分软组织需要的结合造成采用和需要探测水平十分低的X射线辐射。为这种应用的最灵敏的，因此也就是有潜在用途的探测器是固态装置，它们由用于将X射线能量转换成光的钨酸镉闪烁晶体和半导体光电二极管构成，光电二极管用于将光转换成计算机能处理的电信号。然而不幸的是，这两种装置都对温度非常敏感，而X射线源和电源的运行都产生大量热量，引起周围温度显著上升。此外，虽然光电二极管一致地趋向具有相似的温度系数，而钨酸镉晶体则不然。事实上，甚至系数的符号可能一个晶体与一个晶体不同。然而，小到0.1％的错误定标也会在重建图象中造成可见条纹。因此每只固态探测器的精确的温度控制或校正是重要的要求。

不过，所有探测器的适当的温度控制远非易事。看来最终的解决是测量每只探测器的温度，并用伺服回对其进行控制。然而，当几百只探测器紧紧地一起安装在阵列中，且每只探测器的宽度小于两毫米，这样的方法是不现实的。此外，甚至探测器阵列作为单独整体的简单温度控制也有许多问题。在转动台架上安装空调系统占据大量难得的空间，并妨碍接近其它另件。1990年11月6日颁布Zupancic等人的美国专利NO.4969167说明了一种系统，它在探测器附近提供高压的四周空气以冷却它们。虽然这确实可减少探测器之间的不一致性范围，但它不能使定标精确于0.1％之内。

本发明产生于承认，探测器阵列的任何实际类型的温度控制，只要热量从阵列中取出或向其加入，将引起阵列内部的热梯度。然而为了精确标定具有热梯度的探测器阵列，人们不仅必须复制扫描操作期间阵列曝露于其下的热源，还应复制时间延迟。但是在通常的操作中，CAT扫描器根据单独病人的要求经历十分不均匀的时间进程和不均匀的工作负载，由于不经意的病人移动要求重复扫描。相反，将设备限制在严格的时间进程中以复制定标条件是不现实的。由于这些问题的严重性，若干CT设备制造者在他们最新的设计中放弃使用这些有效的固态探测器。

另一方面，假如探测器阵列内部的热梯度能被消除，则所有探测器将基本在共同的测量温度下运行，而时间将不再是一个因素。单个温度测量将精确地反映每个探测器的温度，使得每次测量的单独温度校正成为简单的事情。这基本就是本发明完成的事。

发明目的

发明的总目标是在CT扫描机运行期间基本消除横越探测器阵列的热梯度，这样，探测器基本在同一温度下运行。

本发明的另一目的是将CT扫描器阵列的探测器温度均衡化，这样，探测器的温度能容易地测量，并在预先确定的测量的基础上为每一探测器提供校正。

本发明的又一个目的是大大提高支承探测器阵列的支承组件的热容量(最好高几个量级)，这样，由周围环境到达探测器的热量将不会明显地改变探测器的温度。

本发明的还有一个目的是降低探测器组件和环境之间的导热率，这样，组件和环境之间产生小的热传导。

发明的其它目的有部分是显然的，而部分则将在下文出现。因此，发明包括具有体现以下详细公布的结构，元件组合和另件布置的装置以及将在权利要求中指出的应用范围。发明内容

除将热量传输给安装在计算机化层析X射线摄影设备的转动台架上的探测器阵列的温度控制装置外，本发明的温度均衡装置包括用于支承探测器阵列的热潭装置，该热潭装置具有高导热性用以将所有探测器紧密地相互热致地连接，以及热绝缘装置，使给予和取自热潭和探测器阵列组合的传热达到最小。一般，探测器阵列固定在具有相当大热容量的热潭上(大约要比探测器阵列大两个或两个以上量级)以便减少在探测器阵列组合件内部给定热量的效应，以及温度随时间的下降变化。此外，探测器阵列的探测器与热潭相连接，而热潭和探测器则基本与外部环境在热量上相隔绝。

附图概述

为对本发明的本质和目的进行更为全面的了解，将结合附图参考下列详细说明，其中：

图1是体现本发明的CAT扫描器的端视图；

图2是用于图1实施例中的探测器模块的等轴图；

图3是用于图1实施例中的脊柱的背视图；

图4是图1中脊柱，模块和罩盖组件的截面图；

图5是用于支承图1中脊柱和模块的端部支承正视图，其中部分被剖开；

图6是图5中端部支承的截面图；而

图7是图5和6中端部支承的顶视图。

附图详细说明

为了更完整地了解发明，现在参考图1，它表示了计算机辅助层析X线摄射影(CAT)扫描器10的部分，该部分实施了发明的探测器温度均衡装置。在扫描器10中，X射线源12和X射线探则器阵列14安装在用于绕转动中心18转动的转动台架16的相对两侧。圆盘包括安放病人目标22用的孔20，在源和探测器在扫描期间绕转动中心18转动时它放置在源12和探测器14之间。探测器14测量由源12提供的通过孔20的X射线的强度，并通过多股导线电缆24为计算机提供电输出，从每一只独立的探测器都设置有单独的导线引线。探测器14和目标22之间的反散射板26消除被散射的X射线，即那些不是由直线来自源12的X射线。在本实施例中可以有384个探测器以及在48度圆弧上均匀延伸的相应的反散射板和引线组，圆弧的曲率中心与源12的焦点相重合。探测器14与脊柱30相连接，本发明提出这两者均可用罩盖70加以覆盖，对此下文将更为详细地加以说明。脊柱30的两端均通过下文将说明的支承100与台架圆盘16相连接。循环泵32循环通过脊柱30的传热流体。

图2，3和4详细地展示了本发明提出的探测器安装的一种布置。在图2的结构中，若干探测器14，例如16只探测器组装在模块34上。虽然没有表示，但每只探测器14都包括闪烁晶体，闪烁晶体安装在半导体两极管上。而后者又支承在衬底38上，衬底的背面与固体块36相连接，该固体块最好由高导热率的材料，例如铝制成。16只相连接的配对晶体用于照亮相应的两极管。这两种连接都可采用环氧树脂或其它胶合剂薄层。多股导线电缆24可钎焊至衬底38的二极管输出引线上，以便从每一只探测器向计算机(未表示)提供用于数据存储和图象生成的电输出。固体块36具有大的平面表面40，用以与脊柱30有良好热接触，并有一对定位孔42和44和螺钉孔46，用于和脊柱30相连接。这种模块布置导致探测器和反散板的精确布置和对准，其特点在先前提及的同时存档的申请“X射线层析摄影探测器系统用的模块式探测器布置”中详细地进行了讨论。该申请重要的在于探测器14和脊柱30间的导热率十分高。

本发明提出，脊柱30形成具有相当大热容量的热潭(最好比用于某个现有技术系统中形为印刷电路板的通用支承约大2个或2个以上量级，且最好比探测器阵列本身约大2个或2个以上量级)，以便减少在内部给出一定热量的效应以及温度随时间降低的变化影响。此外，探测器阵列中的探测器是与热潭相连接的。而热潭和探测器则是基本上与外界环境热隔绝的。

图3是脊柱30背表面的视图，它与前表面相对，而模块34安装在前表面上。除去为连接8块反散射模块的32个通孔之外，其中几个通孔在图3中以48表示，每块模块包含48块反散射板26，脊柱30设置有通道50，用于诸如水的传热流体的循环。由图1中循环泵32泵送的流体通过设置在脊柱上的一对孔52被传送到通道50。通道50可由简单的平面盖54加以覆盖。平面盖54示于图4的截面中，它可由诸如RTV的填料成形材料粘结在脊柱30上。与探测器模块34的固体块36相似，发明提出的脊柱30也由高导热率的材料制成。铝的强度高且不昂贵，是一个显然的，但不是唯一的选择。其它以它们的高导热率而著称的材料，它们可包含诸如银、铜、镁及类似物，显然均足以满足脊柱30和探测器34的固体块36。而传热流体的循环，因此也就是通道50对发明不是实质性的，它能改进脊柱整个长度上的导热率，以便按本发明更为精确地将所有探测器的温度加以均衡。关键的是，沿脊柱30的背侧分布一些小孔60，用于安放诸如热电偶或二极管的温度敏感元件。虽然为校正目的，只需一个传感器以确定所有探测器的温度，但使用三只或三只以上的传感器得以证明整个脊柱确实是在0.1℃之内的均匀温度下运行。

图4的组件截面展示，为了有十分高的导热率，探测器模块34的平面表面40的大部分面积与脊柱30直接接触。它还展示，将流体循环通道50定位在探测器模块附近以有效地地沿脊柱30的温度进行均衡。由于有这种连结所有探测器的，高导热率的通道，再结合探测器本身并不产生大量热量这一事实，唯一能出现干扰标定热梯度的位置是通过与围绕探测器阵列14的环境的大量的热交换。

为了使探测器阵列避免通过对流或辐射得到或损失热量，发明提出设置合适的罩盖70，其细节示于图4。为方便起见，罩盖70由三部分组成：直接固定在脊柱30上的背部半盖体72；固定在反散射模块34上的前部内四分之一盖体74；以及固定在由高强度金属或塑料制成的成型薄板78上的若干前部外四分之一盖体76(在图4中只表示了一个其余的在垂直图4的平面中，分布于脊柱的纵向方向，以便使探测器和反散射板的维护能更为容易)，这些盖体可通过粘结将盖体固定在相关的部件上。螺丝80通过薄板78进入探测器模块34使得盖体76是可拆卸的，以便一块或多块探测器模块的更换可方便地进行。这三个盖体具有倒圆的边缘以增加使用寿命，减少台架圆盘绕转动中心18转动时的湍流。这些盖体可由导热率非常低的高强度绝缘材料，诸如聚苯乙烯泡沫制成。为防止对流与脊柱或模块的接触，内、外四分之一盖体74和76各自沿一边边缘具有可弯曲绝缘带56，形成围绕输出电缆24的密封垫82。发现采用导电泡沫作为密封垫82有助于防止电子元件携带静电电荷，不然，静电电荷将在不导电泡沫上聚积，并通过电缆24而放电。在泵32和通道50之间传导循环流体的软管上可围绕相类似的软密封垫，但它不必须是导电的。由于相对红外以及可见光辐射是不透光的(虽然相对X射线则不然)，罩盖70大大减少了通过辐射对于或来自探测器阵列的热传导；还由于导热率十分低，又围绕着阵列，它防止阵列与其外蒙皮之间的大量的传导性传热，而在外蒙皮可能产生对流传热。

宽的平面加热元件90对探测器的标定是有用的，该加热元件最好沿脊柱30背部的长度而连接。为了标定，可这对加热器90加以电功率以便提升脊柱温度。由于加热器90实际上对整个脊柱表面施加了均匀的热量，再由于脊柱表面和所有探测器之间的高导热率，均匀的探测器温度能很快达到平衡，即在几分钟之内达到平衡，并通过至少三只在孔60中的温度传感器来加以验证。单独探测器的无照电流的读数在每一标定温度下不是容易获得的。在每一标定温度下，通过X射线源在源和探测器之间只有空气运行时所获得的单独高尺度读数可产生计算机检查表，以便为每只探测器提供正确的校正因子。在正常的CAT扫描运行期间，根据检测到的脊柱温度，来自检查表的适当校正因子能自动施加于每一相应的探测器输出测量以便制作图象。

最后，可能传输足够热量引起探测器阵列内干扰热梯度的最后留下的面积位于脊柱与台架的连接装置。图5-7从三个角度表示了脊柱30每一端部的支承100，它将这样的传热降低至十分低的水平。本发明提出的支承100的主要另件是可用螺钉连接在台架圆盘16上的支承主体102，和可用螺钉连接在主体102和脊柱30上的薄而柔软的安装平板104。实际上，由于脊柱30和台架圆盘16之间的所有传导性传热都必须通过平板104和主体102，因此只要这二者中有一件具有十分低的导热率就足够了。这样，或者这二者中有一件，或者两件都可由坚韧的塑料或其它类似材料制成。但是，在最佳实施例中，平板104是由不锈钢制成的，不锈钢强度高，使用寿命长，且导热率相当低。由于平板104具有十分薄的截面，它提供的热传导足够的低，从而使支承主体102可由较为普通的材料，包括铝，制成。

其优越性还在于，支承100具有许多特点，它们能导致探测器阵列的精确定位。一根通过平板104内端中的窄缝伸出的，并压在枢轴转动球108上的杠杆臂106被螺丝110带动以精细地调节探测器阵列和X射线源之间的距离。一对通过平板104外端中的各自的孔伸出的枢轴转动臂112，被各自装有弹簧的杆114所带动，以便将平板104保持在恒定的应力之下。由五块加强板116，118，120，122和124组成的组将平板104的弯曲限制在两个平行区域范围。这限制探测器阵列的切向位移，以便使所有的探测器与X射线源保持等距。有脊柱30的一端，通过主体102中央的一根螺丝(未表示)压在加强板124上以便在切向调节探测器阵列，而一对通过主体102而进人加强板124的装有弹簧的螺丝126则消除从调节的后退。这些特点在前述共同拥有的未审定专利申请“X射线层析摄探测器系统用的模块式探测器布置”(代理人号ANA-23)中非常详细地进行了处理。此外，按照本发明的原则，平板122和124也是由低导热率的不锈钢制成，以便对探测器阵列的探测器进行进一步的热绝缘。

这样，我们已对装置进行了说明，它将阵列内部的所有探测器紧密地热致地结合在一起，又将阵列同其环境隔绝。由于在阵列内部没有实质性的热源，其结果是基本消除了阵列内部的热梯度。根据检测到的阵列温度，精确的单个校正因子(为该温度预先确定的)，能施加到每一相应的探测器测量上。因此，固态探测器能在X射线水平十分低的情况下使用以提供高质量，十分详尽的软组织图象。虽然在这里说明了发明的一个实施例，虽然本技术有经验的其它人士可设计出无数的修改方案，然而它们还是离不开下述权利要求规定的发明的精神和范围。

Claims (17)

1、温度均衡装置，用于对安装在计算机化层析X射线摄影设备的转动台架圆盘上的探测器阵列的温度进行均衡，所述装置包括；

具有高导热性的热潭装置，用于将所述探测器紧密地相互热致地连接在所述阵列中和

热绝缘装置，用于使给予和取自热潭装置和探测阵列的所述组合的传热达到最小。

2、如权利要求1所述的温度均衡装置，其中所述热绝缘装置包括：

具有低导热性的热绝缘罩盖装置，用于封闭所述热潭装置和所述探测器以便大大减少由于辐射和对流引起的给予和取自所述探测器的传热；和

具有低导热性的支承装置，用于机械上连接，但热量上隔绝所述热潭装置和所述转动台架。

3、如权利要求2所述的温度均衡装置，其中所述热潭装置包括机械上支承所述探测器的刚性探测器阵列支承。

4、如权利要求3所述的温度均衡装置，其中所述热潭装置还包括与所述探测器阵列支承相连接的若干模块块，相应的所述探测器组在此与所述模块块中的每一块相连接。

5、如权利要求4所述的温度均衡装置，其中所述模块是铝的。

6、如权利要求4所述的温度均衡装置，其中所述脊柱还包括凹入在所述脊柱中，与所述模块块连接相对的流体导管，以便进一步使所述阵列中探测器之间的温度差达到最小。

7、如权利要求4所述的温度均衡装置，其中所述热绝缘罩盖装置包括基本围绕所述探测器阵列支承的刚性低密度材料。

8、如权利要求7所述的温度均衡装置，其中探测器的所述组在此与各自的电输出电缆相连接，且其中

所述罩盖装置还包括弹性密封垫装置，用于靠在所述电输出电缆上。

9、如权利要求8所述的温度均衡装置，其中所述电输出电缆是电绝缘的，而所述弹性密封垫装置是导电的。

10、如权利要求7所述的温度均衡装置，其中所述罩盖装置包括可拆卸盖体，它与若干所述模块块相连接，为接触所述模块块是提供入口。

11、如权利要求3所述的温度均衡装置，其中所述探测器阵列支承是铝的。

12、如权利要求3所述的温度均衡装置，其中所述探测器阵列支承还包括流体导管装置，用于沿所述探测器阵列支承循环传热流体，以便使所述脊柱内的温度梯度达到最小。

13、如权利要求3所述的温度均衡装置，还包括若干温度传感器，用于在若干位置检测所述脊柱的温度。

14、如权利要求3所述的温度均衡装置，其中所述支承装置包括：

两个支承，每个支承与所述探测器阵列支承的相应端部相连接。

15、如权利要求14所述的温度均衡装置，其中每个所述支承包括：

与所述台架圆盘相连接的刚性支承主体；和

与所述探测器阵列支承端部及所述支承主体相连接的薄而柔韧的平板。

16、如权利要求15所述的温度均衡装置，其中所述柔韧平板的厚度与其在所述探测器阵列支承和所述支承主体之间的有效热通道长度相比是小的。

17、如权利要求1所述的温度均衡装置，其中所述热潭装置的热容量至少要比探测器阵列的热容量大两个量级，以便在热量上将阵列的探测器连接在一起。

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