CN1715230A - 用于闪烁体阵列的组合物与方法 - Google Patents

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Abstract

一种包括玻璃成分和玻璃陶瓷成分的至少一种的组合物，该组合物含有大量闪烁体晶体。

Description

用于闪烁体阵列的组合物与方法
技术领域
本发明总体上涉及计算机断层摄像(CT)系统，更具体而言涉及采用玻璃和玻璃陶瓷纤维的CT闪烁体阵列(scintillator array)。
背景技术
CT系统用闪烁体检测器将接收的X-射线强度转换成电信号。闪烁体检测器包含相互紧密耦联的闪烁体和光电二极管。闪烁体是经电离辐射例如X-射线的相互作用后发出可见光或紫外光的物质。由此发出的光由光电探测器检测并被转换成电信号。
CT系统中的这种闪烁体检测器以称作堆垛(pack)的闪烁体阵列的形式排列。排列此堆垛以捕获所需的扫描图像的不同图像元素(以下称为像素)。扫描图像的分辨率与堆垛中像素的大小直接相关。要得到较好分辨率的图像，需要较小的像素。因此，需要非常精细的分割和磨削工艺来控制该堆垛内像素的大小。
这给这类堆垛的构建过程带来了各种复杂因素。第一个挑战是像素的对准(alignment)。像素间的精密间隙是有用的，以允许使用可铸塑型或其它类型的反射体。也要求准直仪与堆垛之间的对准。与准直仪不对准可能引起串线及其它会生成赝像的问题。准直仪与堆垛之间不对准的技术条件被严格限制以保持可接受的图像品质。这种对不对准的限制技术条件导致使用降低检测器计量效率的厚钨板。钨板消除散射的X-射线，由此降低图像噪声并提高对比度。钨板还减少X-射线的穿通现象，这种穿通在光电二极管中引起噪声以及辐射损伤。另一个挑战是堆垛与光电二极管之间的对准。堆垛与光电二极管之间的不对准会引起像素之间的串线。这种不对准也会引起X-射线所产生的噪声以及对光电二极管的辐射损伤。
由于上述的严格构建要求，该堆垛的制造工艺变得非常昂贵。而且，这些堆垛设计中的限制约束了其应用范围。例如，CT系统所扫描图像的分辨率受到该CT系统中所用堆垛设计的约束。
发明内容
一方面，提供一种包含玻璃成分与玻璃陶瓷成分的至少一种的组合物。该组合物包含大量闪烁体晶体。
另一方面，提供一种包含许多纤维的闪烁体阵列。该纤维包含玻璃成分与玻璃陶瓷的至少一种。该纤维也包含大量闪烁体晶体。
再一方面，提供一种方法。该方法包括：提供粒径在1-5μm之间的玻璃粉、提供大量粒径为1-20μm的闪烁体晶体以及将玻璃粉和闪烁体混合在一起得到最后的混合物，其中40-80％是闪烁体晶体，20-60％是玻璃粉。
又一方面，提供一种计算机断层摄像(CT)系统。该系统包括X-射线源、以及为接收从该射线源发出的X-射线而设置的检测器。检测器包括光电二极管阵列和位于光电二极管阵列与射线源之间的闪烁体阵列。闪烁体包含许多纤维，该纤维包含玻璃和玻璃陶瓷的至少一种。
附图说明
图1表示根据本发明的一种实施方案的CT系统。
图2是一种流程图，图解说明根据本发明的各种实施方案制造玻璃纤维预制件(preform)的方法。
图3表示由纤维预制件拉制玻璃纤维的系统。
图4是一种流程图，图解说明使用玻璃纤维构成堆垛的方法。
图5表示根据本发明两种不同实施方案的堆垛的截面图。
具体实施方式
此处描述提供玻璃成分或玻璃陶瓷成分的方法和装置，这些成分用于制造适用于CT系统的闪烁体阵列。玻璃成分是一种提供期望的化学和物理性质的玻璃的化学配方。该重要的性质包括透明度、耐久性、熔点、折射率、密度等。如文中所用，术语玻璃是指无定形晶格结构(即玻璃相)中包含非有机物质的成分。也如文中所用，术语玻璃陶瓷是指包含非有机物质的成分，该非有机物质为玻璃并且经历了将其无定形晶格结构转变成晶型晶格结构的处理。玻璃陶瓷成分必须能够在热处理期间进行均相晶体生长并且在玻璃基质中提供足够的闪烁体晶体，同时保持高透明度。
图1表示根据一种实施方案的CT系统100。该图表示一种将X-射线投射到目标104例如患者104上的X-射线源102。穿过目标104之后，减弱的X-射线穿过准直仪106，然后被检测器105接收，检测器105包括反射体108、闪烁体堆垛110以及多个光电二极管112。在各种实施方案中，反射体108是光学反射材料，例如反射带。X-射线穿过反射体108并撞击堆垛110。堆垛110包括含闪烁体晶体的纤维。在各种实施方案中，用粘合剂将纤维结合在一起，例如TiO2填充的粘合剂。在各种实施方案中，纤维先用低反射率涂料例如环氧树脂、硅氧烷或其它有机涂料涂覆，然后再用高反射金属例如铝(Al)、银(Ag)或金(Au)涂覆。入射的X-射线照射使闪烁体晶体发光。在各种实施方案中，设计堆垛110以使所发出光强度的相当大部分投向光电二极管阵列112。反射体108将向物体104发射的可见光反射回光电二极管112。光电二极管112将入射光转换成电信号。该电信号则用来得到扫描图像。
图2是一种流程图，图解说明根据各种实施方案制造玻璃纤维预制件的方法。在步骤202，提供玻璃粉。在各种实施方案中，采用SiO2-Bi2O3-PbO-TiO2-K2O-BaO-SrO-TeO2-Ta2O5组分。在各种实施方案中，通过将玻璃组分熔融、均质化和脱气来制备玻璃粉。熔融后，将玻璃在冷水或液氮中淬火，并球磨得到玻璃粉。球磨后，玻璃粉将具有小于5μm的粒径。然后在步骤204，提供大量闪烁体晶体。在各种实施方案中，使用例如Tb-Lu-Al-O-Ce的闪烁体。一种期望的闪烁体晶体组成是(Tb，Lu，Ce)3Al5O12。合成闪烁体晶体，并且也将其研磨至粒径小于20μm。
然后在步骤206，以期望的比例混合玻璃粉和闪烁体晶体。根据本发明的各种实施方案，所期望的比例使得该混合物含有40-80体积％(包括其所有子范围(sub-range))的闪烁体晶体和20-60体积％(包括其所有子范围)的玻璃粉。设计玻璃粉与闪烁体晶体的体积百分数以获得最佳性质。期望有足够的玻璃相从而为闪烁体晶体提供连续的基质。然而，为了使X-射线检测效率和光输出最大化，可能希望闪烁体晶体的体积百分数最大化。然后在步骤208，从混合物形成纤维预制件。在各种实施方案中，纤维预制件的制备是通过在模具中再熔融和拉伸混合物来形成直径约50cm的纤维预制件。而且，将该纤维预制件退火，以减少在以上成形步骤期间产生的热应力，并防止其在为纤维拉制而再次加热时断裂。
在另一种实施方案中，将混合物在低于玻璃的熔融温度但高于玻璃的转变温度下烧结。这使得能够为玻璃中的闪烁体晶体形成基本上连续的且基本上无孔隙或空穴的基质。将烧结件用车床加工成圆形纤维预制件，如果需要可以处理预制件的表面。可以打磨该表面，然后用化学品蚀刻以确保光滑度。预制件表面的光滑度使得易于控制纤维的尺寸并减少或防止诸如孔隙和空穴之类的缺陷。最后在步骤210，使用玻璃预制件来拉制玻璃纤维。所得玻璃纤维含有基本上均匀分布的闪烁体晶体。
在一个实施例中，于铂坩埚中在1300℃将含有30％(摩尔)SiO2、20％Bi2O3、10％PbO、10％TiO2、20％K2O和10％BaO的玻璃熔融。将玻璃熔融物在此温度保持至少4小时，以使其均质化并去除空气泡。然后将玻璃熔融物倒入水槽或液氮槽中。玻璃熔融物冷却成玻璃粉。收集玻璃粉并用氧化锆磨球对其进行球磨。研磨后，将玻璃粉干燥并筛去较大的粉末。在这个实施例中，闪烁体晶体具有组成Tb2.18Lu0.8Ce0.02Al5O12。该闪烁体晶体用湿化学法合成以控制其组成和粒径。用球磨将40％(体积)的上述玻璃粉和60％(体积)的闪烁体晶体混合。
然后在真空下于金属模具中将该混合物烧结。真空抽空最终烧结预制件中的所有气孔。也可以加压以促进烧结。在此实施例中烧结温度约为600℃。在此温度下玻璃将流动并形成连续基质，而闪烁体晶体将保持其初始形状和组成。烧结后，由于玻璃基质与晶体的折射率非常匹配，因此预制件是透明的。如图3中所示，将烧结法形成的纤维预制件拉成纤维。在此具体实施例中，纤维拉制温度约为700℃。金属模具由钢制成。
在各种实施方案中，将如此得到的玻璃纤维转变成玻璃陶瓷纤维。为进行这种转化，将步骤202中所用玻璃粉末的组成选择为SiO2-Al2O3-Tb2O3-Lu2O3-Ce2O3-BaO-SrO-K2O-Na2O-B2O3-Ga2O3-Sc2O3。玻璃粉末中SiO2的含量约为10-25atm％(原子百分数)，而BaO-SrO-K2O-Na2O-B2O3-Ga2O3-Sc2O3的总含量约为10-20atm％(包括其所有子范围)。选择该子范围以使最终的玻璃陶瓷材料有足够的闪烁体晶体以获得足够的X-射线检测效率和光输出。然而，需要最少的玻璃相来为闪烁体晶体提供连续的基质。在这种玻璃陶瓷法中，其组成必须能够形成均匀的玻璃并且随后可以从玻璃中再结晶出闪烁体相。选择Al2O3、Tb2O3和Lu2O3的比例，从而为最终的结晶玻璃陶瓷确保基本上纯粹的石榴石相。
在一种实施方案中，Tb∶Lu∶Ce∶Al∶O的比例是2.18∶0.8∶0.02∶5∶12(原子比)。Ce2O3的含量约为0.05-1.5％(包括其所有子范围)。光转换需要足够的Ce，但是过多的Ce将使光光子猝灭。将这些组分的高纯原材料(Tb4O7为Tb2O3的原材料，CeO2为Ce2O3的原材料)混合并在铂坩埚中于约1400℃的温度下熔融。之后，进行步骤208和210而得到玻璃纤维。然后，将玻璃纤维加热到高于其玻璃转变温度约100℃的温度，保持长达8小时以允许晶核形成。晶核形成后，再另外提高温度80℃使晶粒生长。将玻璃纤维在此温度下保持约24小时，使其转化成玻璃陶瓷纤维。所得的玻璃陶瓷纤维是透明的，含有30-70％(包括其所有子范围)的结晶闪烁体相。玻璃陶瓷纤维中的晶粒具有非常小的粒径(小于200nm)，从而限制了这类纤维的光散射。
在该玻璃陶瓷法的一个具体实施例中，玻璃的起始组成为Si0.4B0.2Sc0.2K0.2Na0.2Ba0.1Tb1.302Lu0.48Ce0.018Al3.0O9.2。用球磨机使具有以上组成的高纯氧化物原材料混合。然后将混合物移入铂坩埚中并在约1400℃下熔融4小时。然后将玻璃熔融物倒入预热到约300℃的金属圆筒模具中。这样将形成玻璃纤维预制件。将此纤维预制件移入炉中退火约4小时。退火温度约为500℃。退火后，如图3中所示，将玻璃预制件拉成纤维。在此具体实施例中纤维拉制温度约为800℃。将玻璃纤维放进炉中加热到约600℃，保持8小时以形成晶核。此后，将温度升至约700℃以使晶体生长。该晶体生长过程进行约24小时。所得的玻璃陶瓷纤维是透明的，具有超过50％(体积)的闪烁体晶体相。由这些纤维按照图4中所示的步骤制造闪烁体堆垛。
图3表示包括铂坩埚302的系统300，坩埚中含有纤维预制件304。将铂坩埚302放进加热炉306中。从纤维预制件304拉出一股玻璃纤维308并接到线轴310上。在一种实施方案中，拉出的纤维的横截面可以是圆形的，具有相同或不同的半径。在另一种实施方案中，拉出的纤维的横截面可以是矩形的，具有不等的边长。截面形状得自坩埚孔口的形状。例如，六边形孔口将生成六边形纤维。控制纤维拉丝温度也很重要。如果温度太高，任何孔口形状都会得到圆形纤维。因此保持温度较低是重要的，这样可以拉出纤维而同时能够保持仿照孔口的形状。使线轴310逆时针旋转以从纤维预制件304拉出更多的玻璃纤维308。拉出的玻璃纤维收集在线轴310上。
将如此拉出的玻璃纤维308用于构建例如堆垛110的闪烁体阵列。现在参照图4描述用玻璃纤维308制造堆垛110所涉及的各个步骤。
图4是一种流程图，图解说明用玻璃纤维308形成堆垛110的方法。在步骤402，将大量玻璃纤维308在模具中列成一行。然后在步骤404，用粘合剂浇注列成一行的玻璃纤维308以得到一束玻璃纤维308。在各种实施方案中，该粘合剂是TiO2填充的粘合剂，例如商业上可获得的填充有Dupont Ti-Pure R960 TiO2粉末的Loctite F113或EpoTek 301。TiO2在这类粘合剂中的体积百分数约为20％。其它高反射氧化物粉末也可以用作该填料。一些例子为Ta2O5、PbO、Bi2O3、HfO2、ZrO2、ThO2、WO3等。然后在步骤406，固化粘合剂以使其自身固化。然后在步骤408，将纤维束切片得到单个的堆垛110。最后在步骤410，将反射体108涂覆至堆垛110的一端。在各种实施方案中，反射体108的涂覆通过抛光堆垛110的一端并用反射金属例如铝(Al)、银(Ag)或金(Au)溅射涂覆该抛光端来进行。
图5表示根据本发明的两种不同实施方案的堆垛110的截面图。该图显示根据两种不同实施方案的圆形纤维堆垛502和正方形纤维堆垛504。该图显示出将堆垛502以及504连结在一起的粘结剂506。对本领域普通技术人员来说，显然可以通过本发明的不同实施方案获得其它形状的堆垛110。
本发明的各种实施方案在不同的像素之间提供了图像的均一性。当用作CT系统中的闪烁体阵列时，堆垛110在不同的像素之间提供了图像的均一性。这通过采用参照图2描述的方法生成的均匀纤维来实现。此外，由于单股玻璃纤维的横截面积大大小于光电二极管的面积，因此无需使堆垛110与光电二极管112对准。而且，堆垛110获得比传统闪烁体阵列高的X-射线剂量效率(dose efficiency)。
此外，文中所述方法和装置的各种实施方案使得图像质量提高。这种提高的图像质量是由于堆垛中在不同的玻璃纤维之间几乎没有串线。
并且，文中所述方法和装置的各种实施方案提供了一种更简单、成本效果更好的制造堆垛的方法。此外，根据文中所述方法和装置的堆垛可与任何光电二极管阵列一起使用，而无论像素在该光电二极管阵列中的排布。
文中所述方法和装置的一个技术效果是它们在不同的像素之间提供了图像的均一性。这通过使用基本上均相的玻璃和玻璃陶瓷纤维来实现。另一个技术效果是文中所述的方法和装置减少了将堆垛与光电二极管对准所涉及的困难。这通过用包括许多玻璃和玻璃陶瓷纤维的闪烁体阵列来实现。
尽管已经以各种具体实施方案对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将认识到能够以在权利要求的精神和范围内的变动来实施本发明。
             部件清单
  100   .CT系统
  102   X-射线源
  104   目标
  105   检测器
  106   准直仪
  108   反射体
  110   闪烁体堆垛
  112   光电二极管
  202   提供粒径在1-5μm之间的玻璃粉
  204   提供大量粒径为1-20μm的闪烁体晶体
  206   以期望的比例混合玻璃粉和闪烁体
  208   形成纤维预制件
  210   由预制件拉制玻璃纤维
  300   系统
  302   铂坩埚
  304   纤维预制件
  306   加热炉
  308   玻璃纤维
  310   线轴
  402   在模具中使玻璃纤维列成一行
  404   用粘合剂浇注
  406   固化粘合剂
  408   将纤维束切割成堆垛
  410   端面涂覆反射体(apply top reflector)
  502   圆形纤维堆垛
  504   正方形纤维堆垛
  506   粘合剂

Claims (10)

1.一种包括玻璃成分和玻璃陶瓷成分的至少一种的组合物，所述组合物含有大量闪烁体晶体。
2.权利要求1的组合物，其中所述组合物具有1.80-1.90之间的折射率。
3.权利要求1的组合物，其中所述闪烁体晶体包括晶体Tb-Lu-Al-O-Ce、LuSiO5:Ce、Gd2O2S:Pr，Ce，F、Gd3Ga5O12:Cr，Ce、LuAlO3:Ce、Y3Al5O12:Ce、Bi4Ge3O12和(Y1.67Gd0.33Eu0.1)O2中的至少一种。
4.权利要求2的堆垛物，其中所述组合物包含纤维。
5.一种含大量纤维(308)的闪烁体阵列(110)，所述纤维包含玻璃和玻璃陶瓷的至少一种，并且所述纤维含有大量闪烁体晶体。
6.权利要求5的阵列(110)，其中用含TiO2的粘合剂将所述纤维粘合在一起。
7.一种方法，包括：
提供(202)粒径在1-5μm之间的玻璃粉；
提供(204)大量粒径为1-20μm的闪烁体晶体；以及
将玻璃粉和闪烁体混合(206)在一起得到最终混合物，其中40-80％是闪烁体晶体，20-60％是玻璃粉。
8.权利要求7所述的方法，其还包括通过使该混合物熔融用该混合物形成(208)纤维预制件。
9.权利要求8所述的方法，其进一步包括：
将纤维预制件(304)退火；以及
从退火的预制件拉制(210)玻璃纤维(308)。
10.一种计算机断层摄像(CT)系统(100)，包括：
X-射线源(102)；和
为接收从所述源发出的X-射线而设置的检测器(105)，所述检测器包括：
光电二极管阵列(112)；和
位于所述光电二极管阵列与所述源之间的闪烁体阵列(110)，所述闪烁体包含大量纤维(308)，所述纤维包含玻璃和玻璃陶瓷的至少一种。
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