CN115530861A - 辐射检测器模块和成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种辐射检测器模块。辐射检测器模块包括堆叠装置，堆叠装置包括：检测层(1)，具有多个转换器单元(21，23，25)，检测层被设计用于将入射辐射转换为电信号；多个评估单元(7)，被设计用于评估从检测层(1)馈入的电信号；和载体单元(5)，其中多个评估单元(7)在所述堆叠装置中被布置在检测层(1)和载体单元(5)之间，并且其中分别将由导热材料构成的实心材料芯部(9)装入载体单元(5)的如下面区域中，该面区域对应于多个评估单元(7)中相应的评估单元(7)沿着堆叠方向的投影，实心材料芯部覆盖相应的面区域的大部分，并且实心材料芯部经由导热填充材料(11)与相应的评估单元(7)导热接触。

Description

辐射检测器模块和成像系统

技术领域

本发明涉及一种辐射检测器模块、一种包括这种辐射检测器模块的辐射检测器和一种包括这种辐射检测器模块的成像系统。

背景技术

辐射检测器在许多成像应用中使用。因此，辐射检测器、特别是X射线检测器例如在医学成像中的计算机断层扫描中使用，以便产生患者检查区域的断层X射线图像。

在成像中，例如在计算机断层扫描(CT)、血管造影或射线照相中，可以使用计数的、直接转换的检测器或进行积分的、间接转换的检测器。X射线辐射或光子可以在直接转换检测器中通过适当的转换器材料转换成电脉冲。例如，可以将CdTe、CZT、CdZnTeSe、CdTeSe、CdMnTe、InP、TlBr2、HgI2、GaAs或其他材料用作转换器材料。电脉冲可以由评估单元的电子电路来评估，例如以集成电路(专用集成电路，ASIC)的形式的电子电路来评估。在计数的检测器中，入射的X射线辐射可以通过对电脉冲计数来测量，这些电脉冲通过在转换器材料中吸收X射线光子来触发。此外，电脉冲的大小通常与吸收的X射线光子的能量成比例。由此，可以通过将电脉冲的大小与阈值进行比较来提取光谱信息。X射线辐射或光子可以在间接转换检测器中通过适当的转换器材料转换为光，并且借助于光耦合的光电二极管转换为电脉冲。通常将GOS(Gd2O2S)、CsJ、YGO或LuTAG等闪烁探测器用作转换器材料。所产生的电信号继续经由具有电子电路的评估单元被进一步处理。

在辐射检测器的结构中，主要挑战在于导出所形成的热量，既包括在转换器本身中形成的热量和在评估单元中形成的废热。例如，各个评估单元或传感器的废热可以处于1-2瓦的数量级。散热通常经由借助于吹入冷却空气对检测器进行整体冷却来进行。

发明内容

本发明的目的是提供一种辐射检测器模块的优化结构、一种优化的辐射检测器和一种优化的成像系统，其中以改进的方式确保辐射检测器模块的散热。

本发明涉及一种辐射检测器模块，包括堆叠装置，堆叠装置包括：

检测层，具有多个转换器单元，检测层被设计用于将入射辐射转换为电信号，

多个评估单元，被设计用于评估从检测层馈入的电信号，和

载体单元。

在此，多个评估单元在堆叠装置中被布置在检测层和载体单元之间。此外，分别将由导热材料构成的实心材料芯部装入载体单元中的如下面区域中，该面区域对应于多个评估单元中的相应的评估单元沿着堆叠方向的投影，实心材料芯部覆盖相应的面区域的大部分，并且实心材料芯部经由导热填充材料与相应的评估单元导热接触。

辐射检测器模块具有堆叠装置。这包括辐射检测器模块沿堆叠方向基本上以层的形式布置。特别地，当辐射检测器模块被辐射照射时，堆叠方向可以基本上对应于辐射的入射方向。

检测层通常被设计为使得其借助多个转换器单元将入射辐射转换成通常模拟的电信号。特别地，检测层可以包括多个彼此并行布置的转换器单元。根据使用目的，辐射检测器模块可以用于测量不同波长的电磁辐射和/或测量粒子辐射。为此，检测层包括对应于相应检测器类型的转换器单元。

例如，在间接转换X射线检测器(也称为积分检测器)中，检测层包括多个光电二极管，并且这些光电二极管与检测层的第二子层(即闪烁探测器)耦接。闪烁探测器将入射的X射线转换为可见波长范围内的光。在此，第二子层的闪烁探测器可以在检测器模块的宽的区域之上连续延伸，其中可以将分别组合成组件的多个光电二极管与闪烁探测器相关联，但闪烁探测器也可以模块化地设计为多个闪烁探测器元件。由闪烁探测器产生的可见光然后被传输到各空间上相关联的光电二极管上，这些光电二极管又将其转换为电信号。组合成组件的多个光电二极管和闪烁探测器或闪烁探测器元件的相关联的面区域可以被理解为转换器单元，其被设计用于将入射辐射转换为电信号。

例如，在直接转换的检测器(也称为光子计数的检测器)的情况下，入射辐射优选在半导体材料中被直接转换成电信号。因此，这种类型的检测器优选地包括由Si(硅)、GaAs(砷化镓)、HgI₂(碘化汞)和/或a-Se(无定形硒)构成的转换器单元，特别优选地由CdTe(碲化镉)和/或CdZnTe(碲化镉锌)构成的转换器单元作为转换元件。

在这两种类型中，辐射检测器模块分别包括多个像素元件，即检测层内的最小面区域，这些面区域可以被独立地读取。为了进行读取，每个像素与评估单元的相关联的评估像素元件连接。在此，多个像素元件优选地与一个评估单元连接。评估单元通常用于对从多个转换器单元馈入的电子信号进行数字化。例如，转换器单元可以作为ASIC(专用集成电路)实施。其中，例如在各个像素处检测到的电子信号在直接转换检测器中作为脉冲被放大、成形并且根据脉冲大小和阈值进行计数或抑制。

实心材料芯部优选地包括金属(例如铝或铜)或导热陶瓷。有利地，热量可以被良好地导出。导热陶瓷例如可以包括氮化硼，其纯形式的导热性与铜的导热性相似。其他陶瓷材料可以包括碳化硅和氮化铝。实心材料芯部也可以由塑料和陶瓷添加料的组合形成。

实心材料芯部提供了特别大的接触面，并且通过形成具有低热阻的实心材料芯部，为用于通过载体单元对在评估单元或转换器单元中产生的热量进行散热提供了特别有效的选项。

载体单元可以包括电路板材料和用于传递来自多个评估单元的数据的电导线。此外，载体单元也可以以其他方式设计，并且例如可以包括陶瓷、玻璃或复合材料。实心材料芯部可以被压制到载体单元中。

导热填充材料例如可以包括氮化铝或氧化铝。导热填充材料可以包括基于硅树脂或环氧树脂的导热粘合剂。在其他的实施选项中，导热填充材料还可以包括焊料。

导热填充材料跨接评估单元和实心材料芯部之间的可能存在的间隙，并且特别地允许评估单元和实心材料芯部之间的改进的导热接触。填充材料尤其可以确保在相应的评估单元和实心材料芯部的整个接触面上的整面接触。

在此，填充材料优选地是纯导热的且不导电的。优选借助填充材料实现至少2或3W/mK的热传导。

此外，同样可以借助于一种或多种不同的底部填充材料来填充堆叠装置的多个层之间存在的间隙。例如，在间接转换辐射检测器模块中，在闪烁探测器和转换器单元之间的间隙可以借助光学底部填充物填充。例如，在直接或间接转换的情况下，转换器单元和评估单元或可能如下文描述的中间层之间的间隙可以借助于机械底部填充物来填充。例如，可能的中间单元和评估单元之间的间隙同样可以借助于机械底部填充物来填充。机械底部填充物特别用于使结构稳定，而光学底部填充物必须实现将闪烁探测器中产生的光耦合输入到光电二极管中。

根据辐射检测器模块的一个实施变型形式，实心材料芯部从载体单元的上侧连续地延伸直至载体单元的下侧，其中该上侧在堆叠装置中面向多个评估单元，其中该下侧背离多个评估单元。

这可以有利地整体上实现将热量从实心材料芯部进而从辐射检测器模块中改进地散热。有利地，例如可以在载体单元的上侧和下侧处实现实心材料芯部的直接接触。

根据另一实施变型形式，在多个评估单元和检测层之间设计中间层，其中中间层在检测层和多个评估单元之间具有多个导电连接部。中间层例如可以包括由玻璃纤维复合材料、印路板材料、层压纸、陶瓷和/或玻璃构成的基板。中间层也可以称为中介层。

经由中间层中的导电连接部可以将检测层的各个像素与评估单元的评估像素元件的相应接口连接。检测层的像素的空间布置可以借助于中间层由评估单元中的评估像素元件的空间布置来实现。特别地，这可以允许检测层的转换器单元大于评估单元的面积，因为不需要相对置地设置相应的接口。此外，这也可以实现例如将多个转换器单元与一个共同的评估单元耦接。这两者都有助于降低成本。

中间层中的导电连接部可以被设计为通孔和重布线结构。中间层尤其可以在面向多个评估单元的一侧具有重布线结构。也就是说，重布线结构可以被布置在中间层的下侧。在此，重布线结构表示在平行于中间层的平坦侧的平面中延伸的印制导线结构。因此，可以借助于重布线结构来实现传导连接在该平面内的空间重排列。

此外，中间层还可以有利地有助于机械稳定性。

根据另一实施方式，优选传导的支撑结构可以被布置在中间层和载体单元之间，支撑结构包括用于将来自多个评估单元的数据传递至载体单元的多个元件。

也可以设有多个这种支撑结构。一方面，支撑结构可以用于传递来自多个评估单元的数据，评估单元因此例如结合其他部件将数据传递给重建单元。另一方面，支撑结构也可以用作中间层和位于其下方的载体单元之间的承载元件。为此，可以将传导的支撑结构设置在具有多个评估单元的层中。传导的支撑结构特别优选地包括用于传递评估单元的数据的多个元件，这些元件原则上可以以不同的方式和方法设计，例如设计为所谓的“球堆结构”。球堆结构表示由焊球或铜柱和具有重布线结构的板构成的堆叠装置。在另一实施方式中，支撑结构也可以借助所谓的“贯穿模具通孔”技术设计，在通孔(“Through Vias”)在灌封(“模具”)中构成。然后可以将通孔用于传递数据。

这种传导的支撑结构可以实现使中间层的重布线结构与已知的多层的重布线结构相比保持得简单，即尤其保持为单层。此外，由此可以有利地提高中间层的稳定性并简化制造过程。具有中间层和支撑结构的这种构造还可以以特别有利的方式实现传递多个评估单元的数据，其中多个评估单元的平坦侧可以在没有限制与实心材料芯部导出接触的面积的情况下触及，其中评估单元面向载体单元。

此外，根据本发明的辐射检测器模块可以包括冷却体，其中载体单元借助于第二导热填充材料、特别是导热粘合剂导热地与冷却体耦接。第二导热填充材料可以基于与第一导热填充材料相同或相似的材料。优选地，使用具有相对较低流动性的结构粘合剂。此外，借助导热粘合剂、特别是借助结构粘合剂牢固耦接的冷却体可以有助于模块的稳定性。

冷却体通常由具有良好导热的材料构成，进而实现将热量从载体单元散发给如下的体部，这些体部具有通常较大体积且较大表面并且具有热散发的可能的改进选项。例如，冷却体可以被设置用于借助于沿着冷却体引导的冷却空气流确保辐射检测器模块的进一步改进的散热。

冷却体优选地包括金属，特别是铝。金属可以确保良好的导热性。特别地，铝还相对轻，并且由此实现将辐射检测器模块的重量保持得低。

特别地，冷却体和载体单元之间的第二导热填充材料可以直接接触载体单元中的实心材料芯部和冷却体。有利地，通过实心材料芯部和冷却体的直接接触整体上实现从实心材料芯部到冷却体的特别有利的散热，进而实现热量的尤其良好的导出。

本发明还涉及一种辐射检测器，包括多个根据本发明的辐射检测器模块，其中辐射检测器模块至少沿一个方向彼此并行布置。有利地，可以形成具有更大检测面积的更大面积的辐射检测器。辐射检测器模块的上述特征、优点或替代的实施方式同样也可以转用到辐射检测器上，反之亦然。

本发明还涉及一种成像系统，包括如上所描述的至少一个辐射检测器模块(优选地多个辐射检测器模块)和与辐射检测器模块相对置的辐射源，辐射源被设计用于照射辐射检测器模块。

所提出的成像系统的优点基本上对应于辐射检测器模块的优点。在此提到的特征、优点或替代的实施方式也可以转用到成像系统，反之亦然。

成像系统优选地可以被设计为计算机断层扫描设备。在其他的设计方案中，成像系统也可以是其他类型的成像系统，特别是基于X射线辐射的成像系统。辐射源尤其可以被设计为X射线源，其中辐射检测器模块被设计用于检测X射线辐射。例如，成像系统可以是C形臂X射线设备或乳腺X射线设备或用于射线照相的X射线成像系统。

不定冠词“一”或“一个”的使用不排除所涉及的特征也可以多重存在。表述“具有”的使用不排除借助表述“具有”关联的术语可以是相同的。例如，成像系统具有成像系统。表述“单元”的使用不排除表述“单元”所涉及的对象可以具有多个在空间上彼此分离的部件。

在本申请的语境中，表述“基于”尤其可以理解为表述“通过使用”的含义。特别地，基于第二特征产生第一特征(替代地：求出、确定等)的措辞不排除可以基于第三特征产生(替代地：求出、确定等)第一特征。

附图说明

下面参考所附的附图根据示例性的实施方式来解释本发明。附图中的表示是示意性的、强烈简化的，并且不一定符合比例的。在不同的附图中针对相同特征使用相同的附图标记。其中：

图1示出辐射检测器模块的一个示例性的实施方式，

图2示出辐射检测器模块的第二示例性的实施方式，

图3示出辐射检测器模块的第三示例性的实施方式，

图4示出成像系统的一个示例性的实施方式。

具体实施方式

图1至图3示出辐射检测器模块的示例性的实施方式。

所示的辐射检测器模块分别包括堆叠装置，堆叠装置包括：

检测层1，具有多个转换器单元21、23、25，被设计用于将入射辐射转换成电信号，

多个评估单元7，被设计用于评估从检测层1馈入的电信号，和

载体单元5。

堆叠装置中的布置包括：辐射检测器模块基本上以层的形式沿堆叠方向布置。特别地，当辐射检测器模块被辐射照射时，堆叠方向可以基本上对应于辐射的入射方向。

多个评估单元7在堆叠装置中被布置在检测层1和载体单元5之间。特别地，在所示的示例中，评估单元7的数量包括多个评估单元7。在截面图中，示例性地示出两个评估单元7。然而，数量可以包括多于两个，例如四个或八个。此外，在如下面区域中，分别将由导热材料构成的实心材料芯部9装入载体单元5中，该面区域对应于多个评估单元7中相应的评估单元7沿堆叠方向的投影，实心材料芯部覆盖相应的面区域的大部分，并且实心材料芯部经由导热填充材料11与相应的评估单元7导热接触。

所示的辐射检测器模块尤其被设计用于检测X射线辐射。

在此，图1示出间接转换的集成的检测器模块形式的辐射检测器模块。在此，检测层1包括闪烁探测器21，闪烁探测器与组合成组件23中的光电二极管耦接。设计用于将入射辐射转换成电信号的转换器单元在此相应地由组件23之一和闪烁探测器21与组件相关联的面区域形成。

相反，图2和图3示出直接转换的光子计数的检测器模块形式的辐射检测器模块。在此，检测层1包括多个(半导体)转换器单元25，其中转换器单元25直接被设计用于将入射的X射线辐射转换成电信号。

在此，所示出的转换器单元数量是纯示例性的。也可以包括更多或更少的转换器单元。

在这两种类型中，辐射检测器模块分别包括多个像素元件，即检测层1内的最小面积区域，最小面积区域可以被独立地读取。为了进行读取，检测层1的每个像素元件都与评估单元7的相关联的评估像素元件连接，在评估单元中进行电子信号的评估和数字化。例如，评估单元7可以作为ASIC实施。

根据一个有利的实施方式，在所有所示的实施方式中，中间层3被设计在多个评估单元7和检测层1之间，其中中间层3在检测层1和多个评估单元7之间具有多个导电连接部。

来自转换器单元21、23、25的电信号经由焊接连接部传递至中间层3，并且经由在中间层中包含的导电连接部和同样为此所设的焊接连接部传递至评估单元7。

中间层3例如可以包括由玻璃纤维复合材料、电路板材料、层压纸、陶瓷和/或玻璃构成的基板。

借助于中间层3，由评估单元7中的评估像素元素的空间布置可以实现检测层1的像素的空间布置。为此，中间层3中的导电连接部可以被设计为通孔和重布线结构。

此外，在中间层3和载体单元5之间分别布置有传导的支撑结构13，支撑结构13包括用于将数据从多个评估单元7传递到载体单元5的多个元件。这些元件原则上可以被设计为所谓的“球堆结构”13。球堆结构13是由平行的多个电路板和设置在电路板之间的焊球构成的逐层装置，焊球将电路板彼此连接。电路板可以具有借助于通常的方法设计的重布线结构。实施支撑结构的另一选项例如可以为灌封材料中的“贯穿模具通孔”。

评估单元7具有输出端，输出端同样经由中间层3与球堆结构13连接，并且可以经由输出端传递来自多个评估单元7的数据。

载体单元5可以具有电路板材料并且同样具有印制导线，印制导线与球堆结构13导电连接。于是可以将载体单元5的印制导线引导至连接器。根据本发明的辐射检测器也可以经由连接器与其他(在此未示出的)处理单元(例如CT设备的重建装置或评估计算机)连接。

载体单元中的实心材料芯部9优选地包括金属(例如铝或铜)或导热陶瓷。根据一个有利的实施方式，实心材料芯部9分别从载体单元5的上侧连续地延伸直至载体单元5的下侧，其中上侧在堆叠装置中面向多个评估单元7，其中下侧背离多个评估单元7。

导热填充材料11例如可以是包括氮化铝或氧化铝的导热粘合剂。特别地，粘合剂可以基于硅树脂或环氧树脂。在其他的实施选项中，导热填充材料还可以包括焊料。

此外，同样可以借助于一种或多种不同的底部填充材料来填充在堆叠装置的多个层之间存在的间隙。

在图3中，辐射检测器模块还包括冷却体17，其中载体单元5借助于第二导热填充材料15、特别是导热粘合剂与冷却体17导热耦接。

根据一个有利的实施方式，在冷却体17和载体单元5之间的第二导热填充材料15直接接触载体单元5中的实心材料芯部9和冷却体17。

冷却体17优选地包括金属，特别是铝。冷却体例如可以被设置用于借助于沿着冷却体17引导的冷却空气流确保对辐射检测器模块的进一步改进的散热。

图4示出成像系统32、特别医学成像系统的示例性的实施方式，该成像系统具有：辐射检测器36，辐射检测器包括至少一个根据本发明的辐射检测器模块；和与辐射检测器36相对置的辐射源37。辐射源37被设计用于利用辐射照射辐射检测器36。所示出的医学成像系统32尤其被设计为计算机断层扫描设备。计算机断层扫描设备包括具有转子35的机架33。转子35包括作为辐射源37的X射线源和设计用于检测X射线辐射的辐射检测器36。转子35可以围绕转动轴线43转动。检查对象39(在此为患者)被安置在患者床41上，并且沿着旋转轴线43移动通过机架33。通常，对象39例如可以包括动物患者和/或人类患者。计算单元45被设置用于控制成像系统和/或用于基于由辐射检测器36检测到的信号产生X射线图像数据集。

在计算机断层扫描设备的情况下，通常从多个角度方向借助于辐射检测器记录对象的(原始)X射线图像数据集，这些X射线图像数据集基于评估单元的像素电子装置5的处理过的电像素测量信号。然后，可以借助于数学方法基于(原始)X射线图像数据集重建最终的X射线图像数据集，数学方法例如包括滤波反投影或迭代重建方法。

辐射检测器36通常包括多个根据本发明的辐射检测器模块，这些辐射检测器模块至少沿着一个方向(在此特别是旋转方向)彼此并行地布置，以确保大的检测面积。此外，辐射检测器模块也可以沿着第二方向(在此特别是沿着旋转轴线43)彼此并行地布置。

计算单元45可以包括用于控制成像系统32的控制单元和用于基于像素测量信号产生X射线图像数据集的生成单元。

此外，输入装置47和输出装置49与计算单元45连接。输入装置和输出装置例如可以实现用户交互或显示所产生的X射线图像数据集。

Claims (12)

1.一种辐射检测器模块，包括一个堆叠装置，所述堆叠装置包括：

一个检测层(1)，所述检测层具有多个转换器单元(21，23，25)，所述检测层被设计用于将入射辐射转换为电信号，

多个评估单元(7)，所述多个评估单元被设计用于评估从所述检测层(1)馈入的电信号，和

一个载体单元(5)，其中所述多个评估单元(7)在所述堆叠装置中被布置在所述检测层(1)和所述载体单元(5)之间，并且

其中分别将由导热材料构成的实心材料芯部(9)装入所述载体单元(5)中的如下面区域中，所述面区域对应于所述多个评估单元(7)中相应的评估单元(7)沿着堆叠方向的投影，所述实心材料芯部覆盖相应的所述面区域的大部分，并且所述实心材料芯部经由导热填充材料(11)与相应的所述评估单元(7)导热接触。

2.根据权利要求1所述的辐射检测器模块，所述辐射检测器模块被设计用于检测X射线辐射。

3.根据前述权利要求中任一项所述的辐射检测器模块，其中所述实心材料芯部(9)从所述载体单元(5)的上侧连续地延伸直至所述载体单元(5)的下侧，其中所述上侧在所述堆叠装置中面向所述多个评估单元(7)，其中所述下侧背离所述多个评估单元(7)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的辐射检测器模块，其中所述实心材料芯部(9)包括金属或导热陶瓷。

5.根据前述权利要求中任一项所述的辐射检测器模块，其中所述载体单元(5)包括电路板材料和用于传递来自所述多个评估单元(7)的数据的电导线。

6.根据前述权利要求中任一项所述的辐射检测器模块，其中所述导热填充材料包括氮化铝或氧化铝。

7.根据前述权利要求中任一项所述的辐射检测器模块，其中一个中间层(3)被设计在所述多个评估单元(7)和所述检测层(1)之间，其中所述中间层(3)具有在所述检测层(1)和所述多个评估单元(7)之间的多个导电连接部。

8.根据前述权利要求中任一项所述的辐射检测器模块，其中在所述中间层(3)和所述载体单元(5)之间布置一个支撑结构(13)、优选是传导的支撑结构(13)，所述支撑结构包括用于将来自所述多个评估单元(7)的数据传递至所述载体单元(5)的多个元件。

9.根据前述权利要求中任一项所述的辐射检测器模块，其中所述辐射检测器模块还包括一个冷却体(17)，并且其中所述载体单元(5)借助于第二导热填充材料(15)与所述冷却体(17)导热耦接。

10.根据权利要求9所述的辐射检测器模块，其中在所述冷却体(17)和所述载体单元(5)之间的所述第二导热填充材料(15)直接接触所述载体单元(5)中的所述实心材料芯部(9)和所述冷却体(17)。

11.一种辐射检测器(36)，包括多个彼此并行布置的、根据权利要求1至10中任一项所述的辐射检测器模块。

12.一种成像系统(32)，包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的辐射检测器模块和一个与所述辐射检测器模块相对置的辐射源(37)，所述辐射源被设计用于照射所述辐射检测器模块。

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