CN1414397A - 将散射光栅安设在x射线探测器上的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将散射光栅安设在一个X射线探测器上的方法，该探测器具有许多呈矩阵布置的探测器元件(14)，它们构成一个具有对X射线敏感的探测区(15)和对X射线不太敏感的间隙区域(16)的探测器面，其中，借助一种快速试制样品技术直接在X射线探测器的探测器面上为散射光栅构造一个基础结构(17)，随后用一种可强烈吸收X射线的材料涂覆或填充该基础结构，由此在探测器面上的间隙区域(16)上方形成一个吸收X射线的结构(24)。利用本发明的方法，可在进行X光拍摄时避免Moiré干扰并提高可探测到的量子效率(DQE)。

Description

将散射光栅安设在X射线探测器上的方法

技术领域

本发明涉及一种将散射光栅安设在一个X射线探测器上的方法，该探测器具有许多呈矩阵布置的探测器元件。本发明还涉及一种X射线探测器，它带有用该方法安设于其上的散射光栅。

背景技术

在当今的X射线成像技术中，对X射线成像图片的质量提出了高要求。在这种尤其用于X射线医疗诊断的X光拍摄中，一个被检查对象受到一个近似点状的X射线源的X射线照射，测取X射线在透射处于X射线源相对侧的被检查对象后的两维衰减分布。对X射线束透射对象体后的衰减进行逐行检测例如也可以在计算机X射线层析照相装置中进行。除了以X射线胶片和气体探索器作为X射线探测器外，人们也越来越多地采用固体探测器，这种探测器通常具有一个由许多光电半导体元件呈矩阵布置而成的光电接收器。在理想情况下，X射线图片上的每个象点应当与X射线沿一条从点状X射线源到探测器表面上与象点相对应位置的直线轴线透射被检查对象的衰减相对应。由点状X射线源发出的并沿这条轴线呈直线状地撞击到X射线探测器上的X射线束被称为一次射线。

但由X射线源发出的X射线束在对象体内基于不可避免的相互作用会发生散射，因此，除了一次射线外还有散射射线、亦即所谓的二次射线撞击到探测器上。这些散射射线视被检查对象的不同特性可能导致一个X射线探测器的所有接收信号中的90％以上为了拍摄图片能供诊断用都需要调制。这种散射射线另外还是一种噪声源，它会因此降低对微小对比差异的识别能力。造成散射射线这一显著缺点的原因在于，散射射线基于其量子特性，在摄像中会另外造成明显的噪声分量。

因此，为了减少撞击到探测器上的散射射线成分，在被检测对象和探测器之间采用所谓的散射光栅。散射光栅由一些有序排列的吸收X射线的结构组织制成。在这些结构组织之间形成供一次射线尽可能不衰减地通过的通孔或通透缝隙。这些通孔或通透缝隙在聚焦散射光栅中根据到点状X射线源的距离，亦即到X射线管焦点的距离对准该焦点。在不聚焦的散射光栅中，在散射光栅整个面上的所有通孔或通透缝隙均垂直于散射光栅的表面定向。但这会导致一次射线在摄像边缘区内有明显的损耗，因为在这些边缘位置，大部分的一次射线会落到散射光栅上的吸收区域内。

为了获得高的图像质量，对X射线散射光栅的特性提出了很高的要求。一方面散射射线应当尽可能好地被吸收，另一方面一次射线中的绝大部分应当尽可能不衰减地通过散射光栅。可通过散射光栅的高度与厚度(确切地说所述通孔或通透缝隙的直径)的较大比例，亦即通过高的井筒比例(Schachtverhaeltnis)来降低撞击到探测器面上的散射射线成分。但基于在通孔或通透缝隙之间的吸收射线用结构组织或壁元件的厚度，由于部分一次射线被吸收会导致图像干扰。而在采用固体探测器时，光栅的不均匀性，亦即吸收区偏离其理想位置会通过光栅在X射线图片中的投影显象导致图像干扰。

为了将散射光栅造成的图像干扰降到最低，已知可在拍摄时向侧旁方向移动光栅。但在例如1至3毫秒的很短曝光时间内，也可能因光栅移动速度不够导致在图像内形成条纹。而即便曝光时间很长，因光栅运动方向在曝光过程中发生变换也会导致形成干扰性条纹。

在最近一段时间里越来越多地采用固体探测器用于X射线成像，它由许多呈矩阵排列的探测器元件构成。这些探测元件设置在一个通常正方形的或矩形的栅格中。即便在这种固体探测器中，也必须通过有效的抑制手段尽可能地减少散射射线撞击到由探测器元件构成的探测器面上。其中，基于由探测器元件构成的探测器成像元件的规则纹理结构，另外还存在这样的危险，即，成像元件和散射光栅的图像结构相互干涉并由此可能出现Moiré(莫阿)现象。虽然在某些情况下可通过一个随后的图像处理措施将这一现象减至最小或排除。但这只有在探测器上的投影图像绝对没有改变时才能实现。

在美国专利文献US 6,021,173中描述了一种附件，它在一个具有呈矩阵排列的探测器元件的探测器工作时，通过结合利用一个固定设置的散射光栅能避免Moiré图像结构。在这篇文献中，散射光栅直接安设在X射线探测器的探测器面上。散射光栅的吸收射线用结构元件相互间按一定间隔构成，该间隔小于X射线图片中最小可分辨细节的尺寸。所述规则布置的射线吸收结构元件因此以一个高的本振频率投影成像，使其成像处于X射线探测器的分辨能力范围内。由于散射光栅中的结构元件间的间距不能选择得任意小，故必须采用一个其本振频率经适配被限制的探测器。然而这会导致在高的本振频率时可探测的量子效率(DQE)不期望地减小。

发明内容

基于上述现有技术，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种将一个散射光栅安设在一个带有呈矩阵排列的探测器元件的X射线探测器上的方法，利用该方法得到这样一种装置，它能实现无Moiré图像结构的图像拍摄，同时又有高的可探测的量子效率。

上述技术问题通过权利要求1所述方法来解决。权利要求10则提供了一种X射线探测器，它带有一个按所述方法设置的散射光栅。本发明的方法及X射线探测器的有利改进是从属权利要求的内容。

按照本发明的方法，所述散射光栅直接安设在带有呈矩阵排列的探测器元件的X射线探测器上，这些探测器元件构成了一个探测器面，它具有对X射线敏感的探测区和对X射线敏感度很小的或不敏感的间隙区域。通过借助一种快速试制样品技术(Rapid Prototyping Technik)，尤其是立体石版印刷术(Stereolithographie)在X射线探测器的探测器面上为散射光栅构造一个基础结构，随后用一种可强烈吸收X射线的材料涂覆或填充该基础结构，来安设散射光栅。该基础结构设置在X射线探测器的探测器面上，由此形成一个吸收X射线的位于探测器面的间隙区域上的结构。探测器面上对于X射线敏感度很小的或不敏感的间隙区域对应于其中各探测器元件相互邻接的区域。这是因为探测器元件通常不是在整个面上都感光，因此在各个探测器元件的边缘区域内会存在不敏感的间隙区域。

用于散射光栅的基础结构按照本发明的方法这样来构造，即，吸收射线的结构元件优选仅仅分布在探测器的间隙区域上。当基于特别窄的间隙区域不能制造出具有足够小厚度的结构元件时，那么这些结构元件至少对称地在间隙区域上方处于与探测器表面相接触的区域内。当然，当一个聚焦式散射光栅安设在探测器上时，散射光栅上的射线吸收结构元件因其高度增加而偏离该对称性。

通过采用一种快速试制样品技术来构造基础结构，可以用很高的精度制造出非常细密的透孔结构。在快速试制样品技术中，3维CAD设计形状，在此是基础结构的几何形状在CAD系统中被转化为体积数据。这个用于快速试制样品的3维体积模型随后在一个计算机中被横向切层分割。这样的横断层面具有100μm的层厚或更低的层厚。在将数据传递到一个快速试制样品设备中后一层一层地构造原始的模型。在本发明方法所采用的快速试制样品技术中，通过射线、尤其是激光射线的作用进行层的构建。正是激光束给构造非常精细的透孔结构提供了便利。

按照本发明方法的一优选实施形式，采用立体石版印刷术来构造基础结构。在这种方法中，由计算机控制的UV激光束在一个液态聚合物树脂上描绘出基础结构的3维体积模型各层的轮廓。该树脂通过激光的作用在其被照射的点或面上硬化。然后降下设备的构件平台，将一个新的薄层感光性树脂放置于上。通过重复这个步骤，从下至上地逐步构造出基础结构完整的几何形状。在这种情况下，X射线探测器本身放置在构造平台上并在逐层构造基础结构的过程中与构造平台一起降下。不言而喻，该X射线探测器必须适合于免受液态聚合物的影响。在本发明方法一个特别的实施形式中，可采用微立体石版印刷术来构造基础结构。该技术能实现更快地构造出具有更高精度的基础结构。

按照本发明的方法，该基础结构被这样设置在X射线探测器上，即，使得该基础结构的几何形状与以后用于吸收射线的结构元件缩减一定层厚的几何形状相一致。随后，仅仅还要用一种可强烈吸收X射线的高核电荷数的材料，例如铅来涂覆该基础结构，以便在散射光栅上形成吸收射线的结构元件。

在另一种实施形式中，基础结构作为用于散射光栅的阴模安设在X射线探测器上，其中，为吸收射线用结构元件准备好的区域保持空着。随后用一种可强烈吸收射线的材料填充基础结构上空出的该空隙。可采用不同的技术来实现这样的填充。

按照其中一种实施形式，可通过电镀法来完成对空隙的填充，其中，首先例如通过喷镀，在基础结构连同在所述空隙的侧壁和X射线探测器上空出的表面区域上电镀出一起始层。这一导电起始层与一电源的极相连。随后将整个装置浸入一种电解质液中，直至所述空隙被沉积的射线吸收材料填满为止。在涂层时，应尽可能确保电解质液均匀地循环流动。此外，必须采取适宜的方式保护探测器结构免受电解质以及电解时的温度影响。

按照本发明方法的另一实施形式，通过将一种低熔点且可强烈吸收X射线的材料浇注到所述空隙中来完成填充。在此，所选择的该浇注材料必须既不能在浇注过程中也不能通过以后的扩散对探测器造成危害。对于以无定形的非晶质硒为基的探测器来说，必须保证在浇注时硒的温度不能超过40-50℃，以避免结晶。这可通过在探测器和基础结构的表面之间加设一绝热中间层和/或另外通过对探测器的冷却来实现。此外，比较有利的是，在填充时采用减弱的空气压力或真空，以减少或避免填充时的空气夹杂。作为用于填充空隙的优选材料适合采用低共熔混合物、合金或元素。所述元素优选包含铅、锡、铋、镉、铟、水银或镓中的至少一种。

此外，也可以机械地例如通过刮铲、压制、浇铸或其它压力技术方法来填充所述空隙。这一点可这样来实现，即，将一种包含高核电荷数元素的材料一同混合或溶解在一种液态粘接剂中，再将其装入所述空隙中。此外比较有利的是，在充填时利用减小的空气压力或真空来减少或避免气体夹杂。

通过将优选栅格形的吸收X射线的结构仅仅或绝大部分安设在各个探测区域之间的空隙内，可杜绝与探测器的象素结构发生干涉。X射线探测器实际上始终具有一个小于1的充填系数(Fuellfaktor)。这尤其适用于涂覆有荧光材料的a-Si-探测器表面。即便是用硒涂覆的探测器表面，其充填系数也不为1，特别是在探测区或象素较小时更是如此。由此主要降低了在象素表面之间区域内的量子效率。如果现在一次射线仅仅被设置在象素之间的吸收散射射线的结构减弱，那么对于获得高的量子效率而言，这比所述吸收散射射线的结构任意设置时更有利。在象素与射线吸收结构之间不可能发生Moiré干扰。这可利用本发明的方法来实现，而不必专门设置一具有低通特性的转换层。由此可更好地看清图像细节，并且在高本振频率下可探测到的量子效率远远好于利用本发明前言中提到的文献US 6,021,173 A所述装置所实现的量子效率。利用将散射光栅直接安设在探测区上的本发明方法，即便在最短的照射时间下也可排除光栅成像。从而可取消用于使光栅移动的光栅机构和光栅控制装置。此外，通过将一个相对于探测器间隔设置的传统散射光栅取消，减小了几何形状的放大趋势并由此在相同尺寸的探测器情况下增大了被检测对象的尺寸规格。

散射光栅的上述布置改善了对一次射线的利用，因为散射光栅对一次射线不可避免的吸收仅仅发生在探测器的那些对形成图像信号贡献较小的几何形状区域里。

在本发明方法的一个优选实施形式中，基础结构的几何形状精确地根据探测器元件的矩阵形布置来选择，由此形成一个网格状的散射光栅，其中，供X射线穿透的区域与探测区域布置成完全对应。当然也可采用另一种布置方法，其中，吸收射线的结构元件仅仅沿一个平行于探测元件矩阵的行或列布置或者具有一个阶梯形的走向。

优选在安设基础结构之前，在探测器的表面上涂覆一中间层，以改善所安设基础结构的附着性。该中间层可另外改善基础的平整度并降低到探测器元件的传热性。传热性的降低尤其在填充吸收通道时可保护探测器免遭过高温度的影响。

作为利用本发明方法将散射光栅安设其上的X射线探测器，当然也可以是任意类型的探测器。由此例如可采用带有感光材料的探测器或者是带有闪烁体层的探测器。

附图说明

下面借助附图所示实施方式对本发明方法予以详细说明，当然本发明的思想并不受这些实施形式限制，附图中：

图1概略地示出用X射线拍摄一物体时采用一散射光栅的状况；

图2是立体石版印刷术的简化示图；

图3示出实施本发明方法的第一种实施方式；

图4示出实施本发明方法的第二种实施方式；

图5示出实施本发明方法的第三种实施方式；

图6是散射光栅中射线吸收结构的一个几何布置示例的俯视图；

图7示出一个用于在安设基础结构时移动X射线探测器的装置。

具体实施方式

借助图1概括地示出了在X射线诊断仪中用X射线拍摄一个物体3时的典型情况。该物体3位于一X射线管的管焦点1和一个探测器面7之间。该管焦点1可看作是一个近似点状的X射线源。由X射线源的焦点1发射出的X射线2沿朝着X射线探测器7的方向直线传播并穿透物体3。撞击到探测器面7上的一次射线2a从X射线源1发出后直线穿过物体3，然后在探测器面7上提供一个局部可分辨出的有关物体3的衰减值分布。一部分由X射线焦点1发出的X射线2在物体3内被散射。所产生的散射射线2b无助于形成所期望的图像信息，并且在撞击到探测器7上时明显地恶化了信噪比。因此为了改善图像质量，将一个散射光栅4设置在探测器7之前。该散射光栅4具有通孔5和吸收射线区6。通孔5朝向管焦点1地定向，以便让射入的一次射线2a沿直线路径通过后撞击到探测器表面上。不沿这个方向射入的射线，尤其是散射射线2b则被射线吸收区6阻挡或被显著减弱。然而，吸收区基于迄今已公知的生产技术至少要有一定的厚度，由此会导致一次射线2a中的较大部分被吸收，这对成像结果不利。

本发明提供了这样一种方法，它能非常精确地在X射线探测器上直接制造出在通孔5之间的吸收射线用结构或隔壁6非常薄的散射光栅。在此，为了制造散射光栅采用一种快速试制样品技术。这种技术的一个示例就是图2概略地示出的立体石版印刷术。在这种技术中，一束UV激光射线12对准一个位于一容器9中可耦合UV的液态聚合物10的表面。UV激光射线12借助所要制备基础结构13的一个三维体积模型在液态聚合物10的表面上移动，以便逐层地构造出基础结构13。在一层硬化后，通过一构造平台11将该层再降低一个层厚，然后通过UV激光束12的作用按照三维体积模型使下一层硬化。由此利用耦合UV硬化的聚合物10在图中没有示出的X射线探测器上逐层地构造出基础结构13。基于UV激光射线12可良好聚焦，可以实现具有很高精度的非常细密的透孔结构。

图3示出实施本发明方法的第一种实施方式。在该图中示出带有许多相互邻接的探测器元件14的一个探测器7的局部。这些探测器元件14构成一个带有对X射线敏感区域15和不敏感间隙区域16的探测器表面。现在借助图2所示立体石版印刷术在探测器表面上，在中间空隙16上方构造出一个用于散射光栅的射线吸收结构元件的基础结构17。该基础结构17由借助紫外线作用可硬化的(UV-gehaerteten)聚合物材料制成。随后在该结构17上涂覆一层铅材料18。之后加工出成品散射光栅。当然必须注意，只能在基础结构17上进行涂覆18，以便空出敏感的探测区15。

图4示出本发明方法的另一种实施方式，其中，基础结构17作为散射光栅的阴模安设在探测器的感光区15上方，而间隙区16则空露出。随后将一种吸收X射线的浇注材料19注入该空露出的间隙16中，该浇注材料19随即硬化。在该实施方式中采用一种低熔点的铅—锡—铟合金材料。在本实施方式中(在后面所述实施方式中也如此)，在安设基础结构17前，将一中间层20涂覆在探测器的表面上。该中间层20对探测器的表面有保护功能。

在射线吸收材料19填充和硬化之后，可完全或部分地去除基础结构17。然而也可让其保留在间隙中，因为它减弱一次射线通过的程度并不明显。

就象图4中一样，在图5所示实施方式中，同样也将基础结构安设在探测器的表面上作为散射光栅的阴模。随后在表面上涂覆一电镀起始层21，然后在将该电镀起始层21与一个电源连接起来之后，将其浸入一种液态电解质23中，最后通过电解沉积一种可强烈吸收射线的材料22，例如铅将整个间隙填充满。

图6是利用本发明方法在一个X射线探测器的表面上制造出的射线吸收结构元件的几何形状构造示例。在该图中可看到对射线敏感的区域15，在这些区域15之间栅格状地设置有用于吸收射线的薄壁结构元件24。这些结构元件24的宽度可以比射线敏感区域之间的间隙16更小。然而，视这些间隙16的尺寸，所述吸收射线的结构元件24也可覆盖探测区域的一点点边缘部分。

散射光栅除了有栅格状的结构以外，当然也可以是一种缝隙状结构，就象在图6的下半部分概略地示出的那样。吸收射线的结构元件沿间隙区域16的另一种走向分布当然也是可以的。

在探测器表面上构造基础结构时必须保证，该结构按微米精度地与象素结构重叠。为了实现这种精确的定位，当前象素结构的精确位置必须与形成所述基础结构的激光束当前的位置联系起来。为此可适用例如所谓的“准标(Fiducial Markers)”，它可将象素的精确位置转换到立体石版印刷结构的基础面上。在此也可采用显微镜，例如红外显微镜，它可精确地测取象素或探测元件的位置。此外，必须保证以足够高的精度将激光束导引到探测器表面上。这例如也可这样来实现，即，借助压电促动器使构造平台上的X射线探测器相对于激光束移动。图7为此示出一个示例，其中，在刻制立体石版印刷结构时，通过8个压电促动器25沿两个方向移动X射线探测器。利用这种压电促动器25可以更高的速度和精度使探测器移动达到好几百μm。在此，也可以很容易地让X射线探测器转动。

Claims (11)

1.一种将散射光栅安设在一个X射线探测器上的方法，该探测器具有许多呈矩阵布置的探测器元件(14)，它们构成一个具有对X射线敏感的探测区(15)和对X射线不太敏感的间隙区域(16)的探测器面，其中，借助一种快速试制样品技术直接在X射线探测器的探测器面上为散射光栅构造一个基础结构(17)，随后用一种可强烈吸收X射线的材料涂覆或填充该基础结构，由此在探测器面上对X射线不太敏感的间隙区域(16)上方形成一个吸收X射线的结构(24)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用立体石版印刷术或微立体石版印刷术作为快速试制样品技术。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据探测器元件(14)的矩阵形排列布置选择基础结构(17)的几何形状，由此形成一个栅格状的散射光栅，其中，对于X射线通透的区域与探测区域(15)被布置成相互对应一致。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，通过浇注一种低熔点的液态材料(19)来实现所述填充。

5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，通过电镀沉积来实现所述填充。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在完成所述填充后将所述基础结构(17)整个或部分地去除。

7.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，通过喷镀和/或电镀来实现所述涂覆。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在构造所述基础结构(17)之前，为了使其平整和/或保护X射线探测器和/或改善其在X射线探测器上的附着性，敷设一中间层(20)。

9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述基础结构(17)被这样构造，即，由此形成一个聚焦性散射光栅。

10.一种X射线探测器，它包括一些矩阵形排列布置的探测器元件(14)和一个由可吸收射线的结构元件(24)构成的散射光栅(24)，该散射光栅按照上述任一项权利要求所述方法来安设。

11.如权利要求10所述的X射线探测器，其特征在于，所述吸收射线的结构元件(24)具有一个小于等于50μm的壁厚。

Images