CN1853567A - 基于光波导体的用于x射线或伽玛射线的检测器模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于X射线或伽玛射线的检测器模块，包括一个或多个光波导体段(2)，这些光波导体段(2)相邻地排列形成一个或多个检测器行，并且相互串行地光学连接。光波导体段(2)包含一种或多种转换物质，用于将入射的X射线或伽玛射线(3)转换为光学射线，并且光波导体段构造成在沿着光波导体段(2)的各个相邻区域内在X射线或伽玛射线(3)入射时产生不同波长的光学射线。本发明的检测器模块可以价廉地用很多检测器行来实现并具有很小的重量。

Description

基于光波导体的用于X射线或伽玛射线的检测器模块

技术领域

本发明涉及一种用于X射线或伽玛射线的检测器模块，其中入射的X射线或伽玛射线通过一种或多种转换材料被转换为光学射线。

背景技术

本发明的检测器模块首先用于例如在医学成像中使用的计算机断层造影设备，以获得患者的身体内部的图像。计算机断层造影设备首先包括用于产生X射线的装置、X射线检测器和患者卧榻，利用患者卧榻可以在检查期间使检查对象沿着系统轴、即Z轴在检查空间中移动。用于产生X射线的装置产生X射线束，其从一个围绕检查空间旋转的X焦点发出。在检查空间的断层平面(X-Y平面)中垂直于系统轴的扇形展开的X射线束在检查时穿过检查对象的一个断层，例如是患者的体层，并且触及到设置在X射线焦点对面的X射线检测器的检测器元件上。X射线束穿过患者身体断层的角度以及患者卧榻的可能位置在用计算机断层造影设备拍摄图像时通常连续变化。

旋转的X射线焦点对于第3代计算机断层造影设备来说由与X射线检测器一样固定在围绕检查空间旋转的旋转框架上的X射线管产生。旋转框架的旋转速度在近几年不断提高，从而在记录图像时达到更快的扫描速度。但对于计算机断层造影设备的新应用，如对心脏和血管血流的检查，还要求更高的扫描速度。在第3代计算机断层造影设备中，由于机械稳定性和安全性的原因而达到了极限，该极限基于运动的质量以及由此产生的大的加速度力而不允许旋转框架的旋转速度再有明显的升高。因此近来增加所采用的X射线检测器的行数，以便能在旋转框架的每次旋转中采集更大的体积。但这增加了检测器的重量和成本。

DE10302565A1公开了另一种计算机断层造影设备，其中同时采用两个X射线管和两个X射线检测器。但这种结构也增大了旋转部件的重量和计算机断层造影设备的总成本。

为了避免旋转部件近年来公开了第5代计算机断层造影设备，其中用于产生X射线的装置和X射线检测器都静止地设置。在这种计算机断层造影设备中采用一个目标，其至少部分地将计算机断层造影的检查空间包含在一个平面中。在该目标上产生围绕检查空间运动的X射线焦点，从该焦点发射出X射线。计算机断层造影设备由此完全没有机械运动的X射线管。在此，该目标完全地或至少在大于180°的角度上围绕检查空间展开。X射线检测器按照同样的方式完全或者在至少180°的角度上包括检查空间。例如US4158142或US4352021展示了第5代计算机断层造影设备，其中目标和X射线检测器分别完全或在210°的角度上包括检查空间。

在几乎所有计算机断层造影设备中，都将检测器模块用作具有基本上平行结构的X射线检测器。入射的X射线在此对于每个检测器元件或者说每个检测器通道被直接或间接地通过光学射线转换为电信号。在直接设置于检测器元件上的电路中对该电信号进行积分和数字化。接着将数字数据通过高速滑环从计算机断层造影设备的旋转部件传递到静止部件，并在图像计算机中进行图像再现。由于该平行结构，检测器成本与检测器通道数或检测器行数成正比地增加。因此第5代计算机断层造影设备中多行检测器模块的成本很高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于X射线或伽玛射线的检测器模块，其可以用多行检测器以很小的成本实现，具有很轻的重量并且尤其适用于第3代或第5代计算机断层造影设备。

本发明还涉及这种检测器模块在计算机断层造影设备中的有利应用。

本发明的用于X射线或伽玛射线的检测器模块包括一个或多个光学光波导体段，它们相邻地排列形成一个或多个检测器行，并且相互串行地光学连接。光波导体段包含一种或多种转换物质，用于将入射的X射线或伽玛射线转换为光学射线。在检测器模块的替换实施方式中，光波导体段构造成在沿着光波导体段的各个相邻的区域内在X射线或伽玛射线入射时产生不同波长的光学射线。光波导体段由此在该方式中具有位置编码，从而可以基于在连接的光波导体段的尾部出现的光学射线的波长推导出该光学射线的形成地点。优选对构成一个检测器行的每个光波导体段都这样编码，使得在光波导体段的不同区域内产生不同波长的光学射线。这可以通过改变该光波导体段中所采用的转换材料来实现。优选形成不同检测器行的光波导体段结构相同。在此不同的行可以通过光学射线从光波导体中出现的不同时刻来区分。通过这种方式还可以在形成检测器行的光波导体段中形成不同的子段，这些子段分别被相同地编码。在此也可以通过从光波导体中出现的时刻来确定光学射线所源自的形成区域或子段。

在本发明的检测器模块的第二替换实施方式中，作为转换材料采用可被光激励的磷，如由放射学、例如由US4258264所公开的那样。这种材料存储关于到达的X射线的强度的信息并在用光线、尤其是合适波长的激光进行激励时又作为光射线给出该信息。由此在该检测器模块的第二替换实施方式中，可以通过用合适波长的光线或激光扫描各检测器行来顺序读取关于入射的X射线或伽玛射线的强度的信息。位置信息在此通过激光射线在光波导体段上的当前到达点来获得。

本发明的检测器模块在两种实施方式中都根据光收集器的原理工作。入射的X射线或伽玛射线在光波导体段中被吸收并通过光波导体材料中包含的转换材料、例如闪烁器材料或磷转换为光学射线。在光串行互连的光波导体段中产生和传导的光学射线在连接的光波导体的输出端被引入分辨各频率和/或时间的光测量装置。根据检测器模块的实施的不同，可以利用到达的光学射线的频率和/或时间位置确定该光学射线沿着光波导体段的形成地点。对于频率分辨率，最简单的情况下采用根据频率对光学射线进行空间上的分束并成像到光电检测器阵列、如CCD阵列上的光栅。

本发明的检测器模块可以非常有利的用作第3代计算机断层造影设备的X射线检测器，因为即使检测器行的数量很大也能具有很小的重量并以很少的成本实现。尤其是对于图像的记录只需要一个例如以光栅和CCD阵列形式的光测量装置，该光测量装置另外设置在计算机断层造影设备的静止部件上。光学射线在此可以从连接的光波导体段通过光学滑环直接传递到静止部件。由于成本很低，这样的检测器模块还可突出地用于具有部分环检测器或全环检测器的第5代计算机断层造影设备，或者用于具有多个X射线源和X射线检测器的系统。

因此，尤其是对于围绕检测器空间的检测面覆盖了360°的全环检测器可以非常简单和成本低廉的实现。为此在本发明的检测器模块中螺旋形地设置单个光波导体，从而使各个螺旋道形成检测器行。每个检测器行的成本在此比目前采用的检测器模块要低得多。

各个光波导体段垂直于其纵轴的延伸对应于本发明的检测器模块中检测器行的宽度，也就是在用于计算机断层造影设备时是一个断层的厚度。(虚拟)检测器元件的长度对于位置编码的光波导体来说取决于所产生的光学射线在整个光波导体段的长度上的波长变化的大小以及可以在光测量装置中对不同波长进行区分的分辨率。在可激励的磷材料的情况下，检测器元件的长度通过所读取的激光射线的位置分辨率给出。

优选所采用的光波导体段具有矩形的横截面形状，从而光波导体段可以直接相邻地设置，以形成多行检测器模块。在部分环形的检测器模块中，各光波导体段在此通过光偏转元件、优选为棱镜在末端相互串行连接，从而形成一个连接的光波导体。当然还可以并行驱动多个这样的检测器模块，但是应该对每个检测器模块设置一个单独的光测量装置。

附图说明

下面结合附图和实施例在不作限制的情况下再次详细解释本发明的检测器模块。在此示出：

图1示出检测器模块的光波导体段的设置例子；

图2示出检测器模块的光波导体段的彩色位置编码的例子；

图3示出检测器模块的光波导体段的螺旋形设置的例子；

图4示出读取包含可激励的磷材料的光波导体的例子；

图5示出读取包含可激励的磷材料的光波导体的另一个例子；

图6示出检测器模块的包含具有用于对光波导体进行位置编码的不同发射波长的可激励磷材料的光波导体段的例子；

图7示出具有螺旋形设置的光波导体的检测器模块的另一个例子。

具体实施方式

图1示出根据本发明的检测器模块1的例子，其中多个具有矩形横截面的光波导体段2相邻设置，使得它们形成多个检测器行。整个检测器模块1在此针对计算机断层造影设备中的应用而在一个半径下弯曲，该半径对应于计算机断层造影设备中采用的X射线检测器至X射线源的X射线焦点4的距离。各个光波导体段2分别在其末端通过图中未示出的光棱镜相互连接。通过这种方式形成贯穿形式的光波导体，在其末端5出现通过入射的X射线产生的光学射线。在图1中示出棱锥性的X射线束3，与在运行计算机断层造影设备时到达这样的检测器模块上的一样。X射线通过光波导体段2的转换材料被转换为光学射线，其由于通过连接的光波导体段形成的贯穿性光学通道根据射线是在哪个检测器行中产生的而在不同的时间出现在光波导体的末端5。通过对光波导体段2的彩色编码，可以通过所接收的光学射线的波长推导出在每个检测器行内的形成地点。

图2以示意图示出这种光波导体段2的彩色编码的例子，X射线束3到达该光波导体段2。在此光波导体段2在左边掺有将X射线转换成红色波长范围中的光学射线的闪烁器材料。在右边采用一种将入射的X射线转换为蓝色波长范围内的光学射线的闪烁器材料。在这两端之间对光波导体段2进行掺杂，使得通过该光波导体段产生的光学射线从红色的波长范围连续推移到蓝色波长范围。这可以通过用合适的闪烁器微粒沿着光波导体段线性变化地掺入光波导体材料来实现。

在光波导体段2的不同位置上发射的光到达光波导体段2的末端5，并由紧凑的光测量系统6测量。基于以沿着光波导体进行线性变化的掺入闪烁器材料的形式产生的线性位置编码，可以区分从沿着光波导体段的不同虚拟像素或者说检测器元件到达的光学射线。所示出的梯度对应于沿着光波导体段的线性位置移动通过闪烁器材料发射的光的波长。在本例中，光测量系统6包括具有频率分辨率的分光计，其与沿着光波导体段的波长变化相适应。在最简单的情况下，该分光计由聚焦透镜7、将到达的光的频谱在空间上分开的利特罗(Littrow)光栅8、以及诸如CCD带的线性光电检测器阵列9组成，在该线性光电检测器阵列上对空间上分开的光进行成像。

在扩展方式中，每个虚拟像素、也就是每个具有不同波长的区域也可以实现为共振空穴。为此在光波导体段、例如光纤的光纤核中接入一个局部共振光栅9，其中光栅周期通过光波导体段的长度改变，并且分别与此处发射的光的必需波长局部匹配。每个虚拟像素在这种情况下形成具有X射线的DFB(分布式反馈)激光器作为激励源。DFB激光器不需要末端反射并具有大约0.2nm的波长选择性。

图3以极度示意的方式示出光波导体的螺旋形设置，通过它形成相邻的光波导体段2(在该图中相互拉出地显示)。在该实施方式中，如图2中的彩色位置编码和到达光测量装置的光学射线的时间序列都要被利用。来自不同检测器行的射线(＝螺旋道)在不同的时刻到达光测量装置。

这样的检测器模块尤其适用于采用脉冲式X射线源的第5代计算机断层造影设备。脉冲持续时间必须小于光沿着一个螺旋道传播所需的时间(大约15ns)。这样的X射线源例如可以是产生激光的棱镜，其发射X射线，或者是具有可用激光激活的光电导管的X射线管。

在该检测器模块中，从光波导体中在每个X射线脉冲期间射出波长可变的光学射线脉冲的时间序列。时间上首次到达的射线脉冲来自与光波导体末端最近的螺旋道，后面紧跟着来自第二螺旋道的光学射线脉冲，依此类推。利用时间分辨的频谱分析仪、如超高速扫描照相机以＜15ns的时间分辨率区分来自不同螺旋道的光学信号。在最简单的情况下超高速扫描照相机由聚焦透镜7、利特罗光栅和光电检测器矩阵10组成，在该光电检测器矩阵上光学射线由光栅8将频谱在空间上分开地成像。光电检测器矩阵10具有至少等于螺旋道数量的行数，并且每行的像素的数量至少等于每个螺旋道的虚拟像素的数目。在积分周期内很多X射线脉冲到达检测器模块，使得通过在此获得的且频谱分开的光脉冲被在各光电检测器行中积分。

图4示出可以在本发明的检测器模块中采用的光波导体段2的另一个例子。光波导体段2在此掺有可被激励的磷材料，如在放射医学中已知的。可被激励的磷材料将X射线能量存储一段无限的时间，并在被光激励时发射出与存储的X射线剂量成正比的光学射线。在传统放射医学的范围内，用波长为633nm或在600到700nm范围内的红光激励这样的磷材料，其中次级发射在波长为390nm或300到500nm的范围内。该技术的优点在于激励光的功率放大了被发射的光信号。

在图4的例子中，除了具有可激励的磷材料的光波导体段之外还具有一种特殊的激励光波导体11，其设置在光波导体段2旁边。通过为激励激光器14的耦合的激励激光产生沿着激励光波导体11移动的去耦合位置，可以在各瞬时去耦合位置12激励光波导体段2的磷材料以发射光学射线。通过这种方式可以通过局部照射来相继读取光波导体段2的各个虚拟像素。在此利用X射线的照射和读取可以同时或连续地进行。

为了产生移动的去耦合位置可以采用不同的技术。在如图4的例子中所示的技术中，声学转换器13与激励光波导体11耦合。该声学转换器13产生很短的声脉冲，通过该脉冲在光波导体11中产生临时光栅结构，该光栅结构沿着光波导体11传播。这样选择光栅周期和声学频率，使得它们与耦合的激光的波长匹配，从而激光在该光栅位置处从光波导体射出。激光在激励光波导体中传播，然后在各瞬时光栅位置从光波导体中射出。在该位置激光到达相邻的光波导体段2并在那里激励磷材料以发射存储的X射线能量作为可见光。在该例中，声学脉冲和激光在相反的方向上在激励光波导体11中传播。

在融化的硅玻璃中的声音速度是6m/ms。因此光波导体的最大长度对400μs的积分周期被限制为2.4m。需要具有更大声音速度的材料用于更长的光波导体段。在检测器模块具有螺旋形光波导体的情况下，恰好包括一个螺旋道的激励光波导体就足以。该光波导体可以同时激励检测器模块的所有螺旋道。在这种情况下采用其时间分辨率足以区分相继从不同螺旋道的激励位置到达的光学射线的光电检测器。激励激光器14在此应该脉冲式地运行，并且其脉冲持续时间低于光在一个螺旋道中传播所需的时间(约15ns)。

图5示出具有可激励磷材料的光波导体段2的另一个实施例，其中用特殊构成的激励光波导体11进行读取。激励光波导体11在此具有永久的且在其长度上连续周期变化的光栅结构。该光栅结构这样构成，使得其在激励光波导体11的每个纵向位置上满足针对另一个波长的共振条件，其中传入光波导体的具有该波长的激光的一部分在该纵向位置从激励光波导体11中射出。在此在运行期间在一个波长范围内周期性地确定波长可确定的激光16。通过该波长扫描，激励光波导体11中的去耦合位置相应于在长度上改变的光栅周期而移动。可确定激光16的每个波长因此响应具有磷材料的光波导体段2的另一个虚拟像素。如果传入光波导体11中的激光的波长达到所构成的光栅的光栅周期，则光栅在该位置偏转到具有磷材料的光波导体段2，并激励磷材料以发射光学射线。通过这种方式，通过激光16的周期性波长确定重复地相继读取光波导体段2的各个虚拟像素。

在根据图6的本发明的检测器模块的另一个实施方式中，采用可被激励的磷材料，其根据在光波导体段2中的纵向位置产生不同波长的光学射线。该次级发射取决于磷材料的组成，并且可以在300到700nm之间的波长范围内变化。在本例中，沿着光波导体段产生彩色梯度，从而沿着光波导体段2的每个虚拟像素在激励磷材料时发射另一种波长的光学射线。在波长分辨率为0.2nm时，对于沿着光波导体段2的2320个虚拟像素来说需要454nm的波长范围来改变次级发射，在波长分辨率为0.1nm时需要232nm的波长范围。这种光波导体段2的所有像素同时用激励激光器14的激光来激励，该激光从相邻设置的、有空隙的激励光波导体17射出。该激励光波导体17可以构造为有空隙的光纤，其具有很多射出耦合的激光的散射点。

对发射的光学射线的采集利用由分光计(利特罗光栅8和光电检测器18)构成的光测量系统，该分光计具有与沿着光波导体段2的彩色分辨率相匹配的波长分辨率。X射线的照射和读取过程可以同时进行。此外还可以在该实施例中将光栅结构设置到光波导体段2中，该光栅结构的作用为DFB激光器。DFB激光器在此通过激励光而被激励。该激励光由此用于加强磷发射。

最后图7示出另一个例子，其中光波导体段2通过螺旋形设置的光波导体形成。在该例中光波导体也具有可被激励的磷材料，其存储入射的X射线能量直到由于激光的入射而被重新发射出。在此产生的X射线的脉冲持续时间也小于发射的光穿过一个螺旋道所需时间。在每次X射线照射之后将产生非常短的激光脉冲的读取激光器19耦合到光波导体中。所述脉冲持续时间确定了虚拟像素的大小。5ps的脉冲持续时间说明纵向像素分辨率为1mm。在该激励脉冲沿着光波导体传播期间，激励脉冲触发存储的X射线能量作为光学射线，该光学射线沿着相反的方向传播并到达光电检测器18。每个局部光脉冲都以取决于所触发的像素与光电检测器18之间距离的延迟到达光电检测器18。该延迟也包括激励脉冲需要传播到相应像素位置的时间。在合适的时间分辨率下，光电检测器18可以将来自沿着光波导体的不同像素位置的脉冲区分开来。这样的时间分辨率例如用光学高速示波器或超高速扫描照相机实现。可选地，还可以由光学光纤放大器(OFA)21放大虚拟像素的光学信号，其中对该光纤放大器21另外采用一个激励激光器20。光学放大是无噪声的，还可以进行对数转换以减小动态范围，该对数转换是将超高速照相机用作光电检测器18所必需的。

本发明的检测器模块的特殊优点在于，光波导体段2或光波导体的输出端可以直接与将虚拟检测器像素的被放大了的光学信号直接传递到CT旋转框架的静止部件的光学滑环连接。这种光学滑环的例子可引用WO03/069392A2。在这种情况下，完全电被动的检测器模块与电被动的光学滑环连接，从而第3代计算机断层造影设备用电无源的旋转X射线检测器实现。被放大的光学信号首先在静止部件中被解码和数字化。这显著减小了旋转部件上的检测器零件的重量。所有用于检测的电组件都可以设置在静止部件上。这降低了成本、重量和EMI问题(EMI：电磁干扰)以及旋转框架上的检测器所需的空间。

Claims (18)

1.一种用于X射线或伽玛射线的检测器模块，包括一个或多个光波导体段(2)，这些光波导体段(2)相邻地排列形成一个或多个检测器行，并且相互串行地光学连接，其中，光波导体段(2)包含一种或多种转换物质，用于将入射的X射线或伽玛射线(3)转换为光学射线，并且光波导体段构造成在沿着光波导体段(2)的各个相邻的区域内在X射线或伽玛射线(3)入射时产生不同波长的光学射线。

2.一种用于X射线或伽玛射线的检测器模块，包括一个或多个光波导体段(2)，这些光波导体段(2)相邻地排列形成一个或多个检测器行，并且相互串行地光学连接，其中，光波导体段(2)包含可被光激励的磷物质，用于将入射的X射线或伽玛射线(3)转换为光学射线。

3.根据权利要求2所述的检测器模块，其特征在于，将至少一个用于读取可被光激励的磷材料的光波导体(11)这样设置在一个或多个光波导体段(2)上，使得用耦合到该光波导体(11)中的光线通过沿着该用于读取的光波导体(11)移动的去耦合位置来激励所述可被光激励的磷材料，以局部发射光学射线。

4.根据权利要求3所述的检测器模块，其特征在于，所述用于读取的光波导体(11)具有一个在该光波导体(11)的长度上变化的光栅，使得所述移动的去耦合位置通过改变耦合到所述光波导体(11)中的光线的波长来实现。

5.根据权利要求3所述的检测器模块，其特征在于，所述用于读取的光波导体(11)与声学转换器(13)连接，由该声学转换器通过在光波导体(11)中产生声波来实现所述移动的去耦合位置。

6.根据权利要求1所述的检测器模块，其特征在于，所述转换材料是闪烁器材料。

7.根据权利要求1所述的检测器模块，其特征在于，所述转换材料是可被光激励的磷材料。

8.根据权利要求7所述的检测器模块，其特征在于，至少一个用于读取可被光激励的磷材料、给出垂直于自身的纵轴的耦合进的光线的光的光波导体(17)这样设置在一个或多个光波导体段(2)上，使得通过耦合到该光波导体(17)中的光线激励所述可被光激励的磷材料，以发射光学射线。

9.根据权利要求1、6至8中任一项所述的检测器模块，其特征在于，所述光波导体段(2)包含DFB光栅结构(9)，其沿着光波导体段(2)对应于各要产生的不同波长的光学射线而变化。

10.根据权利要求1、6至9中任一项所述的检测器模块，其特征在于，所述光波导体段(2)这样构成，在沿着每个光波导体段(2)的不同区域内在X射线或伽码射线(3)入射时产生不同波长的光学射线。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的检测器模块，其特征在于，所述光波导体段(2)通过光偏转元件在光波导体段(2)的末端相互光连接。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的检测器模块，其特征在于，所述光波导体段(2)是螺旋形设置、且形成计算机断层造影设备的360°旋转的检测面的光波导体的子段。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的检测器模块，其特征在于，所述光波导体段(2)具有矩形的横截面形状。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的检测器模块，其特征在于，所述不同检测器行的光波导体段(2)的结构相同。

15.一种根据权利要求1至14中任一项所述的检测器模块在计算机断层造影设备中的应用。

16.根据权利要求15所述的应用，其中所述检测器模块的输出端与频率分辨的和/或时间分辨的光测量装置(6)连接。

17.根据权利要求15所述的应用，其中所述检测器模块设置在计算机断层造影设备的旋转部件上，并且检测器模块的输出端与用于将产生的光学射线传递到计算机断层造影设备的静止部件的光学滑环连接，在该静止部件上设置了频率分辨和/或时间分辨的光测量装置(6)。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的应用，其中光学射线在多个检测器行中通过用于顺序光激励可被光激励的磷材料的装置(11，13，14，16，17，19)而被触发。

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