CN1886676A - 特别用于计算机断层摄影的探测器装置 - Google Patents

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Abstract

描述一种用于检测并向处理单元传输探测器信号的探测器装置(10)。该探测器装置特别用于在计算机断层摄影中进行X射线高分辨率探测，该处理单元为形成为位于台架(1)旋转部分上的中央处理单元或缓冲存储器(Z)的形式。为也能在高分辨率探测器装置(10)的情况下用最小数目接触或插入式连接器传输探测器信号，该探测器装置包括至少一个具有多个单独的探测器元件的探测器模块，以及具有用于处理探测器元件信号并用于生成光学探测器模块输出信号的电光换能器。

Description

特别用于计算机断层摄影的探测器装置
本发明涉及用于检测和向处理单元传输探测器信号的探测器装置。该探测器装置特别用于在计算机断层摄影中检测X射线并向位于台架旋转部分上的中央处理器或缓冲存储器传输探测器信号。本发明还涉及具有这种探测器装置的计算机断层摄影。
用于图像检测的探测器装置通常包括多个单独的探测器元件，这些探测器元件排列成行和列且其数目选择成与所需要的图像分辨率和所需要的图像像素数相对应。
目前的制造技术使生产具有更小的探测器元件的探测器装置成为可能，从而对于相同的探测器面积，可进一步增加探测器元件数目，以提高例如图像分辨率。
此外，制造越来越大的探测器装置成为趋势，进而也由于该原因，探测器元件的数目也持续增加，从而待传输的数据总量可显著增加。
具有并行或串行数据传输的常规探测器系统很快就显示其局限性，因为常常不能获得用于将探测器装置连接到数据和图像处理单元的接触和插入式(plug-in)连接器的所需数目的空间。
因此本发明的目的是由多个单独的探测器元件生产一种探测器装置，通过该装置，采用数目少得多的接触和插入式连接器，就可向前输送所检测的探测器信号以供进一步处理。
此外，将生产一种探测器装置，通过该探测器装置，特别在具有较大数目探测器元件情况下，所积累的大量数据可以相对省力地被检测并尤其可以较少数目的导线传输到例如数据处理或图像处理单元。
该目的如权利要求1所要求的通过一种探测器装置实现，该探测器装置包括至少一个具有多个单独的探测器元件的探测器模块以及具有用于处理探测器元件的信号并生成光学探测器模块输出信号的电光换能器的电气单元。
由于探测器元件以这种形式结合成位于至少一个探测器模块上的组，且该模块具有用于生成光学探测器模块输出信号的电气单元，所以可显著减少接触和连接元件的数目。这还能够显著节约成本。
该方案的另一个优点是探测器装置的模块式结构使单个模块能够较容易地更换，或者如果需要可进行补充。
本发明的进一步优点包含在从属权利要求中。
权利要求2所要求的实施例的主题涉及探测器模块输出信号的优选转换方式。
探测器元件还可用如权利要求3所要求的实施例启动。
权利要求4包含光学换能器的优选实施方式。
权利要求5包含探测器模块与纤维光缆的优选光学耦合方式。
权利要求6包含与如权利要求7所要求的电气单元集成在一起的探测器元件的优选实施方式，其在制造成本方面具有优势。
权利要求8和9包含探测器模块的优选结构实施例。
如权利要求10所要求的实施例使探测器模块不仅能够以较简单的方式彼此光学耦合，而且能够与纤维光学基础结构(infrastructure)耦合。权利要求11包含这种纤维光学基底结构的优选实施例。
最后，权利要求12和13涉及带有有利于该目的的创造性探测器装置实施例的计算机断层摄影。
本发明的这些和其它方面通过参照此后所描述的实施例，以非限制性实例的方式而变得更加明显和得到阐明。
附图中：
图1示意性示出计算机断层摄影的台架的基本元件；
图2示出探测器模块的结构布局；
图3是探测器模块和用于将该模块连接到处理单元的不同电气元件的框图；和
图4示出具有多个如图2所示的探测器模块的探测器装置的一部分。
图1示意性示出计算机断层摄影所采用的台架1可旋转单元的基本元件。该旋转单元可借助于第一驱动装置(未示出)绕水平z轴转动。在可旋转单元上固定有可产生扇形射射束3的射束源2，例如X射线源。射射束3被引导到探测器装置10上，探测器装置10沿直径与射束源2相对地固定到可旋转单元上。
在台架内有被检查对象4，其可优选由第二驱动装置(未示出)引导沿水平z轴方向穿过台架，同时，台架1的可旋转单元借助于第一驱动装置转动。
在该过程中，穿过被检查对象4和/或由被检查对象4散射的射束照射到探测器装置10上。
由该射束产生的探测器信号被传输到台架1的旋转单元上的中央处理单元(缓冲存储器)Z(示意性示出)。信号优选从那里通过无线(例如光或电磁)传输手段输送到台架1外的评估单元并存储在那里；评估单元可以是例如数据处理或图像处理单元，其以已知的方式生成和显示图像。
具体地，探测器装置10包括多个探测器元件，每个探测器元件与所生成图像的像素相关且其排列成具有至少一行和多列的矩阵形式。探测器行优选沿台架1的圆周方向延伸，而列与其垂直延伸。
此处的探测器装置10包括多个探测器模块，每个探测器模块包括多个优选排列在至少一个探测器芯片(例如CMOS芯片)上的探测器元件。每个探测器模块形成一个结构单元，其例如是可替换的且便于探测器装置10的组装和在台架1上的安装。
图2示出这种探测器模块Dx的优选结构布局以及其在三维图解(A)中和端视图(B)中的基本部分。
探测器模块Dx包括模块载体30，其可滑动地支撑于两导轨31、32之间，从而使数个探测器模块能够彼此对准。两个导轨31、32中的至少一个可同时与探测器模块Dx电接触并可用于为探测器模块Dx提供一个或两个电源接线端子。
探测器模块Dx具有基本上为U形的内部空间33以容纳电气单元331。在该内部空间33下面，在模块载体30内设有用于一个或多个纤维光缆341的缆道34，单独的模块Dx可通过纤维光缆彼此相连以及与相应中央处理单元相连。电导线也可穿过缆道34，例如用于向探测器模块Dx供电。
内部空间33上面由连接器板35封闭，具有多个探测器元件的探测器芯片(例如，带有闪烁体37的CMOS芯片36)位于连接器板35上。
在内部空间33内，每个探测器模块Dx包含用于处理探测器元件信号或者更确切地说是探测器芯片信号的电气单元331，如图2(B)所示。该单元331包括至少一个用于生成光学探测器模块输出信号的电光换能器，该输出信号出现在探测器模块的光学输出(模块输出)。
电气单元331可额外包含模数转换器和串并行转换器，由此可将以并行形式呈现的由探测器芯片36、37检测到的模拟探测器信号转换成模块输出处的串行数字光学探测器模块输出信号。
在模块输出处，信号可通过纤维光学耦合器注入在缆道内走线的纤维光缆341，如图2(B)所示，并被传送到中央处理单元Z，以从那里通过无线、光学(或如果适用，也可以是电磁)发射器装置传输到在台架1的可旋转单元以外的评估单元或者另一个接收单元。
此外，电气单元331可包括光电换能器和，如果需要，串并行转换器，在探测器模块Dx的模块输入处呈现的信号借此传送到探测器元件或更确切地说是探测器芯片。这种探测器模块输入信号可以是，例如探测器元件或更确切地说是探测器芯片的控制信号。而后，模块输入同样通过纤维光学耦合器与在缆道34内走线的纤维光缆341光学耦合。
电光换能器和光电换能器可包括惯用的光电二极管或LED、激光二极管或其它半导体元件，且每个元件代表一个通过纤维光学耦合器与纤维光缆341光学耦合的光学发射器或接收器。然而，原则上，可不通过纤维光缆发送和接收信号，而是以电信号的形式通过电缆或无线地发送和接收信号。
光学发射器可以由数字探测器模块输出信号的串行高速数据传输的输出级启动。该输出极可通过电路工程技术优选与其它电气单元(如特别是模数转换器和并串行转换器)一起集成为探测器芯片36，其在此情况下特别为CMOS芯片。
采用探测器芯片或更确切地说是CMOS芯片，然后也可以直接激励LED或激光二极管以分别无线发射探测器模块输出信号或将它们馈送到纤维光缆341以激励光纤接口单元。
相应的激光发射器或LED发射器以及，如果适用，光电二极管接收器，还可如倒装技术中一样直接安装或接触于例如面向探测器元件的探测器芯片36的背面。此外，这些单元还可以在探测器芯片设计中实现。
对于发射器和接收器装置，即模块输入和模块输出，与纤维光缆341的光学连接，可以采用带有分束器的常规纤维光学耦合器，采用该耦合器以已知的方式，通过部分反射，向纤维光缆341注入或提取光束。
如果没有纤维光缆341穿过缆道34，则缆道自身可选择成为光纤形式。而后，相邻探测器模块Dx之间的光学耦合使用例如插入式元件形式的光学模块连接器实现，其可具有用于缆道34(光纤)的光学连接的透镜元件。
为将来自探测器装置10的信号转送到中央处理单元Z(以及以相反方向转送)，在台架1上可设置光纤基础结构，其拾取台架1上的探测器模块Dx或更准确地说是探测器装置10的固定点处的光学探测器模块输出信号，并将它们转送到中央处理单元Z，或在相反方向上，将来自中央处理单元Z的探测器模块输入信号分别发送到探测器模块Dx或探测器装置10。
特别为此目的，制造具有光学插头的模块连接器，以便当探测器模块Dx安装在台架1上时，在探测器模块Dx与台架1上光纤基础结构的相应输入和输出点之间形成光学连接。
取决于固定于台架1的模块载体30的设计，模块连接器还可设有小透镜，从而使光学调整的容限变得较大。这类透镜或其它光纤接口元件可机械地固定到模块载体30上。
特别地，可以以这种方式形成具有透镜和光纤接口元件的模块连接器，该模块连接器集成在模块载体30中。
以这种方式，探测器模块Dx上的模块连接器还可用于探测器模块Dx的串行相连，或用于分别向多光纤的一个光纤注入数据信号或从中提取数据信号，以便使至少一些探测器模块(也)并行地相互连接。
优选地，探测器模块Dx结合成例如4至8个模块的组并互连以形成链(菊花链)，由此，探测器模块输出信号通过光纤基础结构以同步序列被馈送到中内处理单元Z。
图3示意性示出上述探测器模块Dx之一的优选电路布局以及以上述方式向中央处理单元Z发送探测器信号所需要的基本电气元件。
具有多个单独的探测器元件的探测器芯片(例如，带有闪烁体37的CMOS芯片36)位于探测器模块Dx的一个表面上。
此外，每个探测器模块Dx包含设置用于准备或处理检测到的探测器信号的电气单元331，从而这些信号可发送到中央处理单元Z。
为此目的，除探测器信号的常规放大器电路外，电气单元331(模块电子电路)特别包括，如上所述，模数转换器A/D，并串行转换器P/S和电光换能器331a(例如激光二极管)以生成串行的数字光学探测器信号流。
此外，还图示出光电换能器331b(例如光电二极管)、串并行转换器S/P和数模转换器D/A，由它们处理馈送到探测器模块Dx的控制信号并将其转送到探测器芯片36、37或者更确切地说是探测器元件。
设置光纤耦合器332以用于探测器模块Dx与中央处理单元Z的光学连接，光纤耦合器332的一端与电光换能器331a的输出以及光电换能器331b的输入耦合。
光纤耦合器332的另一端连接到光学模块连接器333，一模块行的各相邻探测器模块Dx可通过连接器333彼此进行光学连接。
探测器装置10的每个模块行最后连接到光学底板50，每个模块行在每种情况下均由多个探测器模块Dx形成，利用该光学底板收集全部探测器模块Dx的探测器信号并将其发送到中央处理单元Z。
图4以平面视图示意性示出探测器装置10的一部分，其具有排列成彼此平行的模块行Mx的多个探测器模块Dx。探测器模块Dx优选在两个相应的导轨31、32之间被引导，如图2所示。
如上所述，每个探测器模块Dx通过模块连接器333彼此光学耦合，以便由每个探测器模块Dx检测和处理的探测器信号在每个模块行Mx内从一个探测器模块Dx发送到下一个探测器模块Dx并到达底板50。探测器模块输入信号，特别是控制信号也可以在相反方向上从中央处理单元Z经由底板50发送到探测器模块Dx。
电源所需要的插头和连接元件可以在探测器模块Dx处通过常规工程方法来实现，除了导轨31、32用于供应电压之外。
图4还示出布置在探测器装置10边缘处的底板50；在已知方式中，底板的形成为嵌有光导纤维缆和用于每个模块行Mx的各相邻探测器模块Dx的光学耦合的透镜的印刷电路板。如果模块行Mx的导轨31、32适当地固定到底板50上，则底板50还可用作探测器装置的机械支承。
这种底板50代表台架1上光纤基础结构的至少一部分的具体实施例，使用该底板，光学信号可在探测器装置10和中央处理单元Z之间进行传送。
在这种连接中，底板50可另外设有常规电气部件，以用于例如向探测器模块Dx供电，并设有每个模块行Mx的各相邻探测器模块Dx的相应插头接触。
一旦若干个这种底板50或相应印刷电路板可连接，就在它们之间同样设置了光学结，从而数据的(双向)传输可完全通过光学装置实现。
除用于向评估单元发送探测器模块输出信号的无线发射器外，中央处理单元Z还优选包括无线接收器，通过无线接收器接收探测器模块输入信号(例如，控制探测器装置的信号)，并且如上所述，将该信号转送到探测器模块Dx。
在这些情况下，对于电气部件，也就是位于台架1旋转单元上的带有中央处理单元Z的探测器装置10，只需要一个连接，也就是说，只需要一个插入式连接器，用于将电源连接到中央处理单元Z和探测器装置的，其可通过滑环接触以常规和较简单的方式实现。
所描述实施例的进一步优点体现在：在不断增大的探测器中积累的大量数据可通过整个路径从探测器元件光学传送到中央处理单元Z，从而不需要复杂转换。在探测器装置10的安装和线缆连接中所付出的努力也显著少于常规系统，且不会产生串扰问题。

Claims (13)

1、一种探测器装置，包括：至少一个具有多个单独的探测器元件(36，37)的探测器模块(Dx)；以及具有用于处理探测器元件(36，37)的信号和用于产生光学探测器模块输出信号的光电换能器(331a)的电气单元(331)。
2、如权利要求1所要求的探测器装置，其中电气单元(331)包括用于生成串行数字探测器模块输出信号的模数转换器(A/D)和并串行转换器(P/S)。
3、如权利要求1所要求的探测器装置，其中电气单元(331)包括光电换能器(331b)，使用该光电换能器，探测器模块输出信号可提供到探测器元件(36，37)。
4、如权利要求1或3所要求的探测器装置，其中电光和光电换能器(331a；331b)分别包括光电二极管或LED和/或激光二极管。
5、如权利要求1所要求的探测器装置，具有至少一个光纤耦合器(332)，使用至少一个光纤耦合器(332)，所述至少一个探测器模块(Dx)可光学耦合到光导纤维缆(341)。
6、如权利要求1所要求的探测器装置，其中所述至少一个探测器模块(Dx)包括探测器芯片，特别是CMOS芯片(36，37)，探测器元件形成在其上。
7、如权利要求6所要求的探测器装置，其中电气单元(331)集成在所述至少一个探测器芯片(36，37)中。
8、如权利要求1所要求的探测器装置，其中所述至少一个探测器模块(Dx)包括模块载体(30)，所述模块载体(30)具有用于电气单元(331)的内部空间(33)并具有用于至少一个光导纤维缆(341)的缆道(34)。
9、如权利要求8所要求的探测器装置，其中所述至少一个探测器模块(Dx)在两个导轨(31，32)之间被滑动引导，其中至少一个导轨设置用于将电源接线端连接到该探测器模块(Dx)。
10、如权利要求1所要求的探测器装置，其中该探测器模块(Dx)包括模块连接器(333)，该模块连接器(333)用于将该探测器模块(Dx)光学连接到布置在其相邻处的另一个探测器模块(Dx)或光学连接到设置用于将该探测器装置(10)连接到处理单元或中央处理单元(Z)的光纤接口。
11、根据权利要求10所要求的探测器装置，其中光纤基础结构包括底板(50)，该底板(50)的形式为具有多个嵌入光导纤维缆的印刷电路板，所述光导纤维缆用于将探测器装置(10)光学连接到处理单元或中央处理单元(Z)。
12、一种计算机断层摄影，其具有台架(1)，该台架(1)具有如权利要求1至11中任一个所要求的探测器装置(10)。
13、如权利要求12所要求的计算机断层摄影，其中该探测器装置(10)以及处理单元布置在台架(1)的旋转部分上，该处理单元的形式为中央处理单元或缓冲存储器(Z)，用于向固定的评估单元无线传输探测器模块输出信号，该探测器装置(10)通过光纤基础结构光学连接到中央处理单元或缓冲存储器(Z)。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20061227