CN1648686B - 用于辐射探测器的闪烁器阵列及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种制作用于成像系统(10)的辐射探测器(18)的闪烁器阵列(100)的方法，包括：制作包括并排排列的多个闪烁器(110)的闪烁器阵列，每个闪烁器和相邻的闪烁器分离，使得其间定义一个间隙(112)，每个闪烁器具有由多个外表面(116)定义的几何形状(114)；制作具有多个确定在其中的空腔(120)的预形成反射器(102)，每个空腔具有的几何形状(122)基本上类似于各个闪烁器的几何形状，；耦合闪烁器阵列和预形成探测器，使得各个闪烁器分别被定位成至少部分位于至少一个单独的反射器空腔内。
Description
技术领域
本发明一般涉及在计算机断层摄影(CT)成像系统中探测辐射的方法和装置，更具体地涉及用于CT成像系统的闪烁器阵列。
背景技术
在至少一些CT成像系统结构中，X射线源出射一种穿过待成像物体例如病人的扇形光束。X射线束被物体衰减后，撞击辐射探测器阵列并被其探测。这些辐射探测器通常包括一个用于校准探测器接收到的X射线束的准直器，一个和准直器相邻的闪烁器，以及和闪烁器相邻的光电探测器。
至少一种已知的探测器阵列包括二维的闪烁器单元阵列，其中每个闪烁器单元具有关联的光电探测器。制作这些类型的闪烁器单元时，通常使用一种环氧树脂材料把闪烁器单元铸入到一个具有特定尺寸的块体中。为了有利于反射及降低相邻探测器单元之间的串扰，铸造反射器的混合物包括一种折射率相对高的诸如TiO2的材料。因此，铸造反射器的混合物有助于把在探测器单元内通过碰撞X射线产生于闪烁材料中的光限制在该探测器单元中。然而，当检测到闪烁器或者闪烁器之间的铸造反射器混合物中有破坏时，整个闪烁器装置可能必须被替换。所以，在闪烁器之间铸入反射器混合物会导致成像系统制造成本的增加。
发明内容
一方面，提供了一种用于成像系统的辐射探测器的闪烁器阵列的制作方法。该方法包括：制作其中包括多个并排排列的闪烁器的闪烁器阵列，每个闪烁器和相邻闪烁器互相分离，使得它们间有一个间隙，每个闪烁器具有由多个外表面定义的几何形状；制作一个预形成的反射器，该反射器有多个被限定在其中的空腔，每个空腔的几何形状基本上与每个闪烁器的几何形状相似；以及耦合闪烁器阵列和预形成探测器，使得每一个单独的闪烁器被定位成至少部分位于一个单独的反射器腔内。
另一方面，提供了一种辐射探测器。该辐射探测器包括：一个闪烁器阵列，该闪烁器阵列包括多个并排排列的闪烁器，每个闪烁器和相邻闪烁器互相分离，使得它们间有一个间隙，每个闪烁器具有由多个外表面定义的几何形状；一个预形成的反射器，该反射器有多个确定在其中的空腔，每个空腔的几何形状基本上与每个闪烁器的几何形状相似，闪烁器阵列被耦合到预形成探测器，使得每一个单独的闪烁器被定位成至少部分位于至少一个单独的反射器腔内。
第三方面，提供了一种计算机断层摄影(CT)成像系统。该CT成像系统包括辐射源；包含闪烁器阵列的辐射探测器，该闪烁器阵列包括多个并排排列的闪烁器，每个闪烁器和相邻闪烁器互相分离，使得它们间有一个间隙，每个闪烁器具有由多个外表面定义的几何形状；一个预形成的反射器，该反射器有多个确定在其中的腔，每个腔的几何形状基本上与每个闪烁器的几何形状相似，闪烁器阵列被耦合到预形成探测器，使得每一个单独的闪烁器被定位成至少部分位于至少一个单独的反射器腔内；该CT成像系统还包括一个可操作地耦合到辐射源和辐射探测器的计算机。
附图说明
图1示出了CT成像系统实施方案的示意图。
图2示出了图1所示系统的示意框图。
图3示出了可和图1所示探测器阵列一起使用的典型二维切块闪烁器阵列的部分。
图4示出了可和图3所示切块闪烁器阵列一起使用的典型预形成反射器的部分。
图5示出了图3所示的切块闪烁器阵列和图4所示的预形成反射器的侧视图。
图6示出了图3所示的切块闪烁器阵列和可与图3所示切块闪烁器阵列一起使用的另一个典型预形成反射器的侧视图。
图7示出了图3所示的切块闪烁器阵列和可与图3所示切块闪烁器阵列一起使用的另一个典型预形成反射器的侧视图。
图8示出了图3所示的切块闪烁器阵列和可与图3所示切块闪烁器阵列一起使用的另一个典型预形成反射器的侧视图。
具体实施方式
本发明提供了用于成像系统例如，但不限于，计算机断层摄影(CT)系统的闪烁器阵列和制作闪烁器阵列的方法。所述装置和方法将参考附图进行描述，相似的数字在所有附图中是指相同元件。这些附图旨在说明而非限制，包含这些附图是有助于解释本发明的装置和方法的典型实施方案。
在一些已知的CT成像系统结构中，辐射源出射扇形束，该扇形束被校准从而位于笛卡儿坐标系的X-Y平面内，通常称之为“成像平面”。辐射束穿过待成像的物体，例如病人。辐射束被物体衰减后，撞击辐射探测器阵列。探测器阵列接收到的衰减后辐射束强度取决于物体对辐射束的衰减。该阵列的每个探测器元件产生单独的电信号，该电信号是对在探测器位置的辐射束衰减的测量。分别获得所有探测器的衰减测量，以产生一个透射图。
在第三代CT系统中，辐射源和探测器阵列在成像平面内与扫描架(gantry)一起围绕待成像的物体旋转，这样辐射束和物体交叉的角度不断改变。在一扫描架角度，来自探测器阵列的一组辐射衰减测量，即投影数据，被称为“视图(view)”。对物体的一个“扫描”包括在辐射源和探测器的一个循环期间的不同扫描架角度或视图角度的一套视图。
在轴向扫描中，投影数据被处理以重构对应于从物体截取的二维切片的图像。在本领域中从一套投影数据中重构图像的一种方法是滤波反投影(filtered back projection)技术。这个过程把一个来自扫描的衰减测量转换为被称为“CT数”或“霍斯菲耳德单位(Hounsfield units)”的整数，其被用来控制显示器件上相应像素的亮度。
为了减少总的扫描时间，可执行“螺旋型”扫描。要执行螺旋型扫描，在获取规定数目的切片数据时要移动病人。这样的系统从一个扇形束螺旋扫描产生一个单一的螺旋。扇形束绘出的螺旋产生投影数据，由该投影数据可重构每个规定切片的图像。
正如在此处所使用的，以单数形式记载的前面加“一个”的元件或步骤应该被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确记载了此类排除。此外，所谓的本发明的“一个实施方案”其意图不应被解释为排斥了包括上述特点的其它实施方案的存在。
亦如在此处所使用的，短语“重构图像”并不排斥在本发明的实施方案中产生代表图像的数据而不产生可视的图像。因此，此处所用的术语“图像”广泛地既指可视图像，亦指代表可视图像的数据。然而许多实施方案产生(或被设置产生)至少一幅可视图像。
图1是CT成像系统10的视图。图2是图1所示系统10的示意框图。在该典型实施方案中，示出的计算机断层摄影(CT)成像系统10，是包括扫描架12的“第三代”CT成像系统的代表。扫描架12有一个辐射源14，向位于扫描架12相对侧的探测器阵列18投射x射线的锥形束16。
探测器阵列18由多个探测器行(未在图1和图2中示出)形成，其包括多个探测器元件20，这些探测器元件20共同检测穿过诸如医学病人22的物体后的投射X射线束。每个探测器元件20产生一个电学信号，该电学信号代表碰撞辐射束的强度，因而代表辐射束穿过物体或病人22的衰减。具有多切片探测器18的成像系统10能够提供代表物体22的体积的多个图像。多个图像中的每个图像对应体积的一个单独“切片”。切片的“厚度”或者孔径取决于探测器行的厚度。
在获取辐射投影数据的扫描中，扫描架12和安装在其上的部件围绕旋转中心24旋转。图2只示出了单行探测器元件20(即一个探测器行)。然而，多切片探测器阵列18包括多个平行的探测器元件20的探测器行，这样在一次扫描中可以同时获得对应于多个准平行或者平行切片的投影数据。
扫描架12的旋转和辐射源14的操作受到CT系统10的控制装置26的控制。控制装置26包括一个辐射控制器28和一个扫描架马达控制器30，该辐射控制器28为辐射源14提供电源和定时信号，该扫描架马达控制器30控制扫描架12的旋转速度及位置。控制装置26中的数据获取系统(DAS)32从探测器元件20中抽样模拟数据，并将该数据转换为用于后续处理的数字信号。图像重构器34接收来自DAS 32的被抽样后且数字化的辐射数据，并且进行高速图像重构。该被重构的图像用作计算机36的输入，计算机36将该图像存储在大容量存储装置38中。
计算机36还接收操作员通过具有键盘的控制台40输入的命令和扫描参数。相关显示器42允许操作员观察来自计算机36的重构的图像和其它数据。操作员提供的命令和参数被计算机36用于为DAS 32、辐射控制器28和扫描架马达控制器30提供控制信号和信息。此外，计算机36操纵工作台马达控制器44，该工作台马达控制器44控制机动工作台46在扫描架12中来定位病人22。特别地，工作台46通过扫描架开口48来移动病人22的部分。
在一个实施方案中，计算机36包括装置50，例如，软盘驱动器，CD-ROM驱动器，DVD驱动器，磁光盘(MOD)设备，或者包括例如以太网设备的网络连接设备的任何其它数字设备，用于从计算机可读取的媒介52读取指令和/或数据，这些计算机可读取的媒介52有例如软盘，CD-ROM，DVD或诸如网络、因特网以及待开发数字装置的其它数字源。在另一个实施方案中，计算机36执行存储在固件(未示出)中的指令。通常，图2所示的至少一个DAS 32、重构器34和计算机36中的处理器被编程以执行下述进程。当然，这种方法不限于在CT系统10中实行，而且可被利用来与多种其它类型和变型的成像系统连接。在一个实施方案中，计算机36被编程以执行这里所描述的功能，因此，正如这里所使用的，术语计算机并不只限于在本领域中被称作计算机的集成电路，而泛指计算机，处理器，微控制器，微型计算机，可编程逻辑控制器，专用集成电路和其它可编程电路。尽管这里所描述的方法是在医学背景下描述的，但应理解的是非医学成像系统，诸如典型应用于工业背景或运输背景下的那些系统，例如但不限于机场或其它运输中心的行李扫描CT系统都可以从本发明受益。
图3示出了一个可和探测器阵列18(图1所示)一起使用的二维切块闪烁器阵列100的部分。图4示出了一个可和切块闪烁器100(图3所示)一起使用的预形成反射器102的部分。阵列100包括以并排结构排列的多个闪烁器110，以便在它们之间定义非闪烁的间隙112。每个闪烁器110包括一个由多个外表面116定义的几何形状114。特别地，每个闪烁器110的几何形状114是由顶表面118和多个侧表面119定义。在该典型实施方案中，外表面116定义了基本上是正方形的形状。在另一个典型实施方案中，外表面116定义了基本上不同于正方形的形状。在该典型实施方案中，闪烁器110是通过使用已知的几何切块方法把闪烁器110切成闪烁器材料块而形成的。还可使用其它近净成形工艺(near net shape processes)例如注模法(injection molding)来形成闪烁器110。
预形成反射器102包括多个确定在其中的以并排结构排列且基本上类似于阵列100的空腔120。每个空腔120包括基本上类似于各闪烁器的几何形状114的几何形状122，因此每个闪烁器110被设置成定位于至少部分在至少一个单独的反射器空腔120内。在该典型实施方案中，多个外表面124定义了基本为正方形的形状。例如，每个空腔120具有由底表面126和多个侧表面128定义的几何形状。在另一个典型实施方案中，外表面124定义一种基本上不同于正方形的形状。
使用热固材料(thermo set material)或者热塑材料(thermoplastic material)中的至少一种制作预形成反射器102。正如这里所使用的，热固材料被定义为和催化剂反应以形成固体材料的液体树脂。更为特别地，热固树脂最初为液态，但加热后会转变为固态。通常，热固树脂在不对其破坏的情况下不能被转变回液态。热塑材料被定义为可被转变成固体的液体，但通过加热可转变回液态。因此，预形成反射器102被制作成包括外表面124和底表面126的独立的元件，使得闪烁器表面116和顶表面118被热固或热塑材料包围。在该典型实施方案中，热固或者热塑材料包括例如但不限于二氧化钛的反射材料和例如但不限于氧化铬的光学抑制材料。添加二氧化钛到热固或热塑材料中有利于提高预形成反射器102的反射率，而添加光学抑制材料到预形成反射器102中有利于降低闪烁器110之间的光学串扰。
图5示出了切块闪烁器阵列100(图3所示)和预形成反射器(图4所示)的侧视图。在使用中，闪烁器110被结合(bonded)到光学耦合器130，然后光学耦合器130被结合到二维二极管阵列132，正如现有技术中所已知的。预形成反射器102然后被结合到闪烁器阵列100，将每个闪烁器110定位使其至少部分在至少一个单独的反射器空腔120内。在一个实施方案中，预形成反射器102是使用热固材料制作的，并使用例如粘合剂134粘合到闪烁器阵列100。在另一个实施方案中，预形成反射器102是使用热塑材料制作。然后将预形成反射器102定位，使得每个单独的闪烁器110被定位于至少部分在至少一个单独的反射器空腔120内。然后使用热处理和压力将预形成反射器102结合到闪烁器阵列100。
图6示出了切块闪烁器阵列100(图3所示)和可同闪烁器阵列100一起使用的另一个典型的预形成反射器140的侧视图。预形成反射器140基本上类似于预形成反射器102(图4所示)，预形成反射器140中的和预形成反射器102中的部件相同的部件在图6中使用和图4相同的参考数字进行标记。预形成反射器140包括确定在其中的以基本类似于阵列100的并排结构排列的多个空腔120。每个空腔120包括的几何形状122基本上类似于每个闪烁器几何形状114，使得每个闪烁器110被设置成至少部分定位于至少一个单独的反射器空腔120内。例如，每个空腔120具有由底表面126和多个侧表面128定义的几何形状。因此，反射器140包括由外表面124和多个表面144定义的多个突起142，其中每个单独的突起142至少部分地延伸到每个单独的112间隙(图3所示)。
在一个实施方案中，使用热固材料或者热塑材料中的至少一种制作预形成反射器140。在该典型实施方案中，预形成反射器140包括二氧化钛，从而有利于提高预形成反射器140的反射率。预形成反射器140还包括多个间隙板146，其中每个单独的突起142包括近似位于外表面124中间位置的单个间隙板146。间隙板146包括近似从表面144向底面126延伸的长度148。在该典型实施方案中，例如使用下列材料即钨，钽，钼和铅来制作间隙板146但不限于这些材料，使得有利于减少闪烁器到闪烁器的X射线和光学串扰。
在一个实施方案中，预形成反射器140是使用热固材料制作的，并且使用例如粘合剂134而被结合到闪烁器阵列100。在另一个实施方案中，预形成反射器140是使用热塑材料制作的。预形成反射器140然后被定位，使得每个闪烁器110分别被定位成至少部分位于至少一个单独的反射器空腔120内。预形成反射器140然后被热处理以将预形成反射器140结合到闪烁器阵列100。
图7为切块闪烁器阵列100(图3所示)和可同闪烁器阵列100一起使用的另一个典型预形成反射器150的侧视图。预形成反射器150基本上类似于预形成反射器102(图4所示)，并且与预形成反射器102的部件相同的预形成反射器150中的部件在图7中使用和图4相同的参考数字进行标记。
至少使用热固材料或者热塑材料中的一种制作预形成反射器150。在一个实施方案中，使用包括反射粉末的热固材料和光学抑制材料来制作反射器150，所述反射粉末是例如但不限于二氧化钛，所述光学抑制材料是例如但不限于氧化铬。在另一个实施方案中，预形成反射器150包括致密粉末和具有间隙的高原子序数的材料中的至少一种，所述具有间隙的高原子序数的材料是例如但不限于氧化钨，氧化钽，氧化钼和氧化铅。在另一个实施方案中，使用热塑材料制作反射器150，所述热塑材料包括致密粉末和具有间隙的高原子序数的材料中的至少一种，所述具有间隙的高原子序数的材料是例如但不限于氧化钨，氧化钽，氧化钼和氧化铅。预形成反射器150如前所述被耦合到阵列100。在操作中，具有间隙的高原子序数材料和热固或热塑材料结合起来，有利于降低闪烁器到闪烁器的X射线和光学串扰，同时提高反射率。
图8示出了切块闪烁器阵列100(图3所示)和可同闪烁器阵列100一起使用的另一个典型模制反射器160的侧视图。预形成反射器160基本上类似于预形成反射器140(图6所示)，并且与预形成反射器140的部件相同的预形成反射器160中的部件在图8中使用和图6相同的参考数字进行标记。预形成反射器160包括多个确定在其中的、以基本类似于阵列100的并排结构排列的空腔120。每个空腔120包括一种几何形状122，该几何形状122基本上类似于每个闪烁器的几何形状114，使得每个闪烁器110被设置成至少部分定位于至少一个单独的反射器空腔120内。例如，每个空腔120具有由底表面126和多个侧表面128定义的几何形状。因此，反射器160包括由外表面124和多个表面144定义的多个突出142，其中每个单独的突出142至少部分扩展到每个单独的112间隙中(图3所示)。
在一个实施方案中，使用热固材料或者热塑材料中的至少一种制作预形成反射器160。每个突出142包括一个近似位于外表面124之间中间位置的间隙板146。间隙板146包括近似从表面144延伸到底表面126的长度148。预形成反射器160还包括预形成的集成到反射器160中的多个准直器板162。在该典型实施方案中，每个准直器162是与各板146单一形成的。在另一个实施方案中，准直器162是独立于板146形成的，并被定位于板146的第一端164。预形成反射器160如前所述被耦合到阵列100。准直器162使用X射线吸收材料制作，这些材料是例如但不限于钨，钽，钼或铅，以有利于使X射线平行，从而基本上消除X射线束周围的、或更加发散的散射部分。
以上描述的预形成反射器节省成本且高度可靠。预形成反射器作为单独单元制作，并且采用例如粘合剂而被耦合到闪烁器阵列。此外，使用热固材料或者热塑材料中的至少一种制作预形成反射器，这些热固材料或者热塑材料可以很容易地被设置与具有不同形状和尺寸的多种闪烁器阵列耦合。因此，用于制作预形成反射器的部件数量相对少，这样可使得成本、重量和探测器组装中的制作复杂性降低。
前面详细描述了预形成反射器的典型实施方案。预形成反射器不限于这里描述的特定的实施方案，相反地，每个组装的部件可以相对此处描述的其它部件分别单独使用。例如，图8中描述的准直器可以和图4中描述的预形成反射器一起使用。
虽然已经通过各种特定的实施方案对本发明进行了描述，但是本发明可在权利要求的宗旨和范围之内进行修改，这一点本领域的技术人员应当清楚。
Claims (6)
1.一种辐射探测器(18)，包括：
闪烁器阵列(100)，该闪烁器阵列(100)包括并排排列的多个闪烁器(110)，每个所述闪烁器和相邻的闪烁器分离，使得在其间确定一个间隙(112)，每个所述闪烁器具有由多个外表面(116)确定的几何形状(114)，以及
预形成反射器(102)，该预形成反射器(102)由热固材料和热塑材料中的至少一种制成，每种所述热固材料和所述热塑材料都包括二氧化钛、氧化钨材料、氧化钽材料、氧化钼材料和氧化铅材料中的至少一种，所述反射器包括多个确定在其中的空腔(120)，每个所述空腔具有的几何形状(122)基本上类似于每个所述闪烁器的几何形状，所述闪烁器阵列被耦合到所述预形成反射器，使得每个所述闪烁器分别被定位成至少部分在至少一个单独的反射器空腔内。
2.根据权利要求1的辐射探测器(18)，其中所述预形成反射器(102)包括热固材料和热塑材料中的至少一种，所述热固材料和所述热塑材料包括二氧化钛和氧化铬中的至少一种。
3.根据权利要求1的辐射探测器(18)，还包括置于所述闪烁器阵列(100)和所述预形成反射器(102)之间的粘合性材料(134)，所述粘合性材料被设置成耦合所述闪烁器阵列和所述预形成反射器。
4.根据权利要求2的辐射探测器(18)，其中所述预形成反射器(102)还包括二氧化钛和与所述预形成反射器形成为一体的多个间隙板(146)，所述间隙板包括钨材料、钽材料、钼材料和铅材料中的至少一种。
5.根据权利要求2的辐射探测器(18)，其中所述预形成反射器(102)还包括和所述预形成反射器形成为一体的多个准直器(162)。
6.根据权利要求2的辐射探测器(18)，其中所述预形成反射器(102)还包括和所述预形成反射器形成为一体的多个准直器(162)和多个间隙板(146)。
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