NL194881C

NL194881C - Tomografie detector temperatuurcompensatie.

Info

Publication number: NL194881C
Application number: NL9520010A
Authority: NL
Inventors: John Dobbs; David Banks; Leonhard Katz
Original assignee: Analogic Corp
Priority date: 1994-02-03
Filing date: 1995-02-02
Publication date: 2003-06-04
Also published as: DE19581493T1; KR100217428B1; JP3124552B2; WO1995020911A1; AU1609595A; NL194881B; CN1142177A; JPH09508545A; BR9506679A; US5444752A; NL9520010A

Description

1 194881

Tomografie detector temperatuurcompensatie

De uitvinding heeft betrekking op een aftastinrichting voor gecomputeriseerde tomografieapparatuur welke inrichting een opstelling van detectoren bevat die op een roterende portaalschijf worden gedragen waarbij 5 de inrichting een warmteafvoerorgaan omvat met een hoog thermisch geleidingsvermogen, waarbij het warmteafvoerorgaan thermisch is verbonden met de detectoropstelling voor het nauw technisch onderling verbonden van de detectoren in de opstelling; en een thermisch isolatieorgaan voor het minimaliseren van de warmteoverdracht naar en vanaf de combinatie van warmteafvoerorgaan en detectoren, zodat de detectoren in hoofdzaak op omgevingstemperatuur worden gehouden.

10 Een dergelijke inrichting is bekend uit het Amerikaanse octrooi US-A 4.456.826. In genoemd octrooi wordt gebruik gemaakt van een koeling door middel van een warmteafvoerorgaan dat in nauw thermisch contact staat met de detectoren van de aftastinrichting. Het warmteafvoerorgaan is een rechthoekig hol lichaam waardoor cyrogene koelvloeistof stroomt.

De uitvinding heeft tot doel bovengenoemde inrichting te verbeteren en te voorzien in een inrichting, 15 waarbij het effect van een gegeven, hoeveel warmte wordt gereduceerd en temperatuurvariaties in de tijd afnemen. Dit doel wordt bereikt, door een inrichting van bovengenoemde aanhef, waarbij de inrichting een thermische massa omvat die groter is dan de thermische massa van de detectoropstelling, welke thermische massa in nauw thermisch contact staat met de detectoropstelling en het warmteafvoerorgaan.

20 De uitvinding zal nu aan de hand van de tekeningen en de beschrijving in het volgende nader worden toegelicht, waarbij:

Figuur 1 een eindaanzicht is van een deel van de verbeterde CAT scanner;

Figuur 2 een isometrisch aanzicht is van een detectormoduul die gebruikt wordt in de uitvoeringsvorm van figuur 1; 25 Figuur 3 een achteraanzicht is van een uitsteeksel dat gebruikt wordt in de uitvoeringsvorm van figuur 1;

Figuur 4 een aanzicht in dwarsdoorsnede is van het samenstel van uitsteeksels, modulen en dekplaat van figuur 1;

Figuur 5 een vooraanzicht, gedeeltelijk weggesneden, is van een einddrager voor het dragen van het uitsteeksel en de modulen van figuur 1; 30 Figuur 6 een dwarsdoorsnede is van de einddrager getoond in figuur 5;

Figuur 7 een bovenaanzicht is van de einddrager getoond in figuren 5 en 6.

Voor een meer volledig begrip van de inrichting wordt nu verwezen naar figuur 1, waarin een deel van een gecomputeriseerde tomografie (CAT) scanner 10 is weergegeven die de verbeterde detector temperatuurde compensatieinrichting bevat. In de scanner 10 worden een röntgenbron 12 en een opstelling van röntgende-tectoren 14 gedragen op tegenover elkaar gelegen zijden van een roterend portaalschijf 16, die kan worden geroteerd rond het rotatiecentrum 18. De schijf bevat een opening 20 voor het ontvangen van een patiënt 22 zodat deze is gepositioneerd tussen de bron 12 en de detectoren 14 wanneer de bron en de detectoren roteren rond het rotatiecentrum 18 gedurende een scan. De detectoren 14 meten de intensiteit van de 40 röntgenstralen die gaan vanuit de bron 12 door de opening 20 en geven een elektrische uitgang aan een computer via multigeleider-kabels 24, waarbij een afzonderlijke geleider is aangebracht vanuit elke afzonderlijke detector. Anti-verstrooiingsplaten 26 tussen de detectoren 14 en het voorwerp 22 elimineren verstrooide röntgenstralen, dat wil zeggen die stralen die niet in een rechte lijn vanuit de bron 12 komen. In dit voorbeeld kunnen er 384 detectoren zijn en corresponderen de reeksen antiverstrooiingsplaten en 45 leidingen die zich uniform uitstrekken over een boog van 48° met een krommingscentrum dat samenvalt met het brandpunt van de bron 12. De detectoren 14 worden bevestigd aan een uitsteeksel 30 die bieden kunnen worden afgedekt door een dekplaat 70 zoals in meer detail hierna zal worden beschreven. Elk uiteinde van het uitsteeksel 30 is bevestigd aan de portaalschijf 16 door een drager 100 die hierna wordt beschreven. Een circulatiepomp 32 laat een warmteoverdrachtsfluïdum circuleren door het uitsteeksel 30.

50 Figuren 2, 3 en 4 tonen in detail een opstelling voor het monteren van de detectoren. In de constructie getoond in figuur 2 wordt een aantal detectoren 14 bijvoorbeeld zestien detectoren samengesteld tot een moduul 34. Hoewel niet getoond, bevat elke detector 14 een scintillatie-kristal dat is aangebracht op een halfgeleiderdiode. Deze laatste wordt op zijn beurt gedragen op een substraat 38, waarvan de achterzijde is bevestigd aan een vast blok 36, bij voorkeur vervaardigd van een materiaal met een hoog thermisch 55 geleidingsvermogen, zoals bijvoorbeeld aluminium. Zestien passende kristallen zijn aangebracht om de respectieve dioden te verlichten. Beide bevestigingen worden gerealiseerd door middel van een dunne epoxylaag of ander bevestigingsmiddel. De multigeleider-kabel 24 kan worden gesoldeerd aan de diode- 194881 2 uitgangsleidingen op het substraat 38 om te voorzien in een elektrische uitgang uit elke detector naar de computer (niet getekend) voor gegevensopslag en beeldopwekking. Het blok 36 heeft een groot, vlak oppervlak 40 voor een uitstekend thermisch contact met het uitsteeksel 30, en kan een paar plaatsingsope-ningen 42 en 44 en een boutopening 46 hebben voor bevestiging aan het uitsteeksel 30. Van belang is de 5 zeer hoge thermische geleiding tussen de detectoren 14 en het uitsteeksel 30.

Het uitsteeksel 30 vormt een warmteafvoer met een in wezen grote thermische massa (bij voorkeur met ongeveer twee orden van grootte hoger dan de typerende drager in de vorm van een gedrukte ketenplaat die wordt gebruikt in sommige bekende stelsels, en bijvoorkeur ongeveer twee of meer orden van grootte hoger dan de detectoropstelling zelf) om het effect van een gegeven hoeveelheid warmte te reduceren en 10 temperatuurvariaties met de tijd te laten afnemen. Verder worden de detectoren van de detectoropstelling gekoppeld met de warmteafvoer, en de warmteafvoer en de detectoren zijn in wezen thermisch geïsoleerd van de buitenomgeving.

Figuur 3 toont een aanzicht van het achteroppervlak van het uitsteeksel 30 tegenover het voorste oppervlak waarop de modulen 34 zijn bevestigd. In additie op tweeëndertig doorvoeropeningen, warvan er 15 enkele zijn aangegeven met 48 in figuur 3, is voor de bevestiging van acht anti-verstrooiingsmodulen, die elk achtenveertig anti-verstrooiingsplaten 26 bevatten, het uitsteeksel 30 voorzien van een passage 50 voor het laten circuleren van een warmteoverdrachtsfluïdum, zoals water. Het fluïdum, dat wordt gepompt door de circulatiepomp 32, getoond in figuur 1, wordt overgebracht naar de passage 50 via een paar openingen 52 die zijn aangebracht in het uitsteeksel 30. De passage 50 kan worden afgedekt door een eenvoudige 20 vlakke dekplaat 54 die is getoond in de dwarsdoorsnedetekening van figuur 4. De dekplaat 54 kan worden bevestigd aan het uitsteeksel 30 met een pakkingvormend materiaal zoals bijvoorbeeld RTV. Evenals het blok 36 van de detectormoduul 34 is het uitsteeksel 30 vervaardigd van een materiaal met een hoge thermische geleiding. Aluminium dat sterk en goedkoop Is, is een voor de hand liggende, maar niet een uitsluitende keuze. Andere materialen die bekend zijn om hun hoge thermische geleiding, en die bijvoor-25 beeld zilver, koper, magnesium en dergelijke bevatten, zullen duidelijk voldoen voor zowel het uitsteeksel 30 als het blok 36 van de detectormoduul 34. Terwijl de circulatie van het warmteoverdrachtsfluïdum en derhalve de passage 50 niet essentieel is, kan dit de thermische geleiding verbeteren over de lengte van het uitsteeksel om beter de temperaturen te kunnen compenseren van alle detectoren. Op praktische wijze kunnen kleine openingen 60 die op afstand langs de achterzijde van het uitsteeksel 30 zijn geplaatst, 30 worden gebruikt om temperatuuropneemelementen zoals thermokoppels of diodes op te nemen. Terwijl slechts één opnemer nodig is om de temperatuur van alle detectoren voor compensatiedoeleinden te bepalen, maakt het gebruik van drie of meer verificatie mogelijk dat het gehele uitsteeksel inderdaad werkt bij een uniforme temperatuur binnen 0,1 °C.

De dwarsdoorsnede van het samenstel van figuur 4 toont het grote vlakke oppervlaktegebied 40 van de 35 detectormodulen 34 in direct contact met het uitsteeksel 30 voor een zeer hoge thermische geleiding. Het toont ook de plaats van de fluïdumcirculerende passage 50 nabij de detectormodulen voor een doelmatig compenseren van de temperatuur langs het uitsteeksel 30. Met banen met een deigelijke hoge thermische geleiding die alle detectoren verbinden, in samenhang met het feit dat de detectoren zelf geen significante hoeveelheid warmte opwekken, is de enige plaats waar kalibratie-verstorende thermische gradiënten kunnen 40 optreden, de uitwisseling van een significante hoeveelheid warmte met de omgeving die de opstelling van de detectoren 14 omgeeft.

Om de detectoropstelling te beschermen tegen warmtetoevoer of warmteverlies door convectie of straling is een geschikte dekplaat 70 aangebracht, waarvan de details zijn getoond in figuur 4. De dekplaat 70 bestaat gewoonlijk uit drie delen: een achterste halve sectie 72 die direct bevestigd is aan het uitsteeksel 45 30; een voorste binnenste kwartsectie 74 die bevestigd is aan de anti-verstrooiingsmodulen 34; en een aantal voorste buitenste kwartsecties 76 (waarvan er slechts één getoond is in figuur 4, terwijl de anderen zijn verdeeld in de longitudinale richting van het uitsteeksel, loodrecht op het vlak van de figuur, getoond in figuur 4 om een gemakkelijke toegang te geven naar de detectoren en de anti-verstrooiingsplaten) bevestigd op een blad 78 dat gevormd is van metaal of plastic. De secties kunnen worden bevestigd door het lijmen 50 van de secties aan de daarmee verbonden delen. De schroeven 80 door het blad 78 naar de detectormodulen 34 maken de sectie 76 verwijderbaar voor een gemakkelijke vervanging van een of meer detectormodulen. Deze drie secties kunnen afgeronde randen hebben om de duurzaamheid te laten toenemen en de turbulentie te laten afnemen wanneer de portaalschijf roteert rond het rotatiecentrum 18. Ze kunnen bestaan uit stevig isolatiemateriaal met een zeer lage thermische geleiding zoals polystyreenschuim. 55 Om te voorkomen dat convectiestromen in contact komen met het uitsteeksel of de modulen, hebben de binnenste en buitenste kwartsecties 74 en 76 respectievelijk een strook flexibele isolatie langs een rand om een pakking 82 rond de uitgangskabels 24 te vormen. Het is gebleken dat het gebruik van een elektrisch 3 194881 geieidend schuim voor de pakking 82 bijdraagt tot de bescherming van de elektronische componenten tegen elektrostatische ladingen, die anders zouden kunnen worden opgebouwd op het niet geleidend schuim en zouden kunnen worden afgevoerd via de kabels 24. Een soortgelijke zachte pakking kan de slangen omgeven die het circulerende fluïdum tussen de pomp 32 en de passage 50 geleiden, maar deze behoeft 5 niet elektrisch geleidend te zijn. De dekplaat 70 die ondoorzichtig is voor zowel infrarood als zichtbare straling (hoewel niet voor röntgenstralen) reduceert wezenlijk de warmteoverdracht naar of vanaf de detectoropstelling door straling; en daar de dekplaat een zeer lage thermische geleiding heeft en de opstelling omgeeft, wordt een significante geleidingswarmteoverdracht voorkomen tussen de opstelling en de buitenzijde ervan, waar convectieoverdracht zou kunnen plaatsvinden.

10 Een breed, vlak verwarmingselement 90, dat bij voorkeur bevestigd is over de lengte van de achterzijde van het uitsteeksel 30, is van nut voor het kalibreren van de detectoren. Voor kaiibratie kan elektrisch vermogen worden aangelegd aan de verhitter 90 om zo de temperatuur van het uitsteeksel te laten toenemen. Vanwege het uniforme aanleggen van warmte door de verhitter 90 over praktisch de gehele uitsteekseloppervlakte en de hoge thermische geleiding tussen de uitsteekseloppervlakte en alle detectoren, 15 kan een evenwicht bij uniforme detectortemperatuur snel worden bereikt, dat wil zeggen binnen enkele minuten, en kan worden geveriveerd door ten minste drie temperatuuropnemers in de openingen 60. Afzonderlijke detector-donkertestroom aflezingen bij elke kalibratietemperatuur worden gemakkelijk verkregen. Afzonderlijke lezingen met hoge schaal bij elke kalibratietemperatuur, verkregen door de röntgenbron te laten werken met slechts lucht tussen de bron en de detectoren, maakt het voortbrengen 20 mogelijk van een computeropzoektabel om de juiste compensatiefactor voor iedere detector te verschaffen. Gedurende de normale CAT scanwerking kan in responsie op de opgenomen uitsteekseltemperatuur de juiste compensatiefactor uit de opzoektabel automatisch worden aangelegd aan elke respectieve detector-uitgangsmeting voor constructie van het beeld.

Tenslotte ligt het laatst overblijvende gebied voor de mogelijke overdracht van voldoende warmte om 25 verstorende thermische gradiënten binnen de detectoropstelling te veroorzaken, in de bevestiging van het uitsteeksel aan het portaal. Figuren 5-7 tonen in drie aanzichten een drager 100 voor elk uiteinde van het uitsteeksel 30 dat een dergelijke warmteoverdracht tot een zeer laag niveau reduceert. De voornaamste componenten van de drager 100 zijn een dragerlichaam 102, dat kan worden bevestigd aan de portaalschijf 16, en een dunne flexibele monteringsplaat 104, die kan worden bevestigd aan het lichaam 102 en het 30 uitsteeksel 30. Daar vrijwel alle geleidingswarmteoverdracht tussen het uitsteeksel 30 en de portaalschijf 16 moet gaan door de plaat 104 en het lichaam 102, is het voldoende indien een van beiden een zeer lage thermische geleiding heeft. Derhalve kan één van beide of beiden worden vervaardigd van hard plastic of ander soortgelijk materiaal. In de voorkeursuitvoeringsvorm is de plaat 104 echter vervaardigd van roestvrij staal dat sterk en duurzaam is en een zeer lage thermische geleding heeft. Daar de plaat 104 een zeer 35 dunne dwarsdoorsnede heeft, voorziet deze in een voldoende lage thermische geleiding om het mogelijk te maken dat het dragerlichaam 102 is vervaardigd van meer gebruikelijke materialen zoals aluminium.

De dragers 100 kunnen op voordelige wijze vele kenmerken hebben die gericht zijn op het nauwkeurige positioneren van de detectoropstelling. Een hefboomarm 106 die vooruitsteekt door een sleuf in het binneneinde van de plaat 104 en wordt gedragen op een draaikogel 108 wordt aangedreven door een 40 schroef 110 om een fijn-instelling te geven voor de afstand tussen de detector-opstelling en de röntgenbron. Een paar draaiarmen 112 steken vooruit door respectieve openingen in het buitenste uiteinde van de plaat 104 en worden aangedreven door respectieve veerbelaste staven 114 om de plaat 104 onder constante spanning te houden. Een reeks van vijf verstijvingstukken 116,118,120,122 en 124 beperkt het buigen van de plaat 104 tot twee parallelle gebieden. Dit beperkt de tangentiale beweging van de detectoropstelling om 45 zo alle detectoren op gelijke afstand vanaf de röntgenbron te houden. Aan een uiteinde van het uitsteeksel 30, wordt een schroef (niet getekend) door het centrum van het lichaam 102 gehouden tegen het verstijvingsstuk 124 om de detectoropstelling tangentiaal in te stellen, terwijl een paar veerbelaste schroeven 126 via het lichaam 102 naar het verstijvingsstuk 124 een speling n de instelling elimineren.

Verder zijn de platen 122 en 124 eveneens vervaardigd van roestvrijstaal met lage geleiding om op deze 50 wijze de detectoren van de detectoropstelling thermisch te isoleren.

Aldus is beschreven een inrichting die alle detectoren binnen de opstelling nauw koppelt en de opstelling isoleert van zijn omgeving. Daar er geen wezenlijke warmtebron binnen de opstelling is, is het resultaat een wezenlijke eliminatie van thermische gradiënten binnen de opstelling. In responsie op de opgenomen opstellingstemperatuur, kan een nauwkeurige individuele compensatiefactor (vooraf bepaald voor die 55 temperatuur) worden toegepast bij elke respectieve detectormeting. Halfgeleiderdetectoren kunnen derhalve worden gebruikt bij zeer lage röntgenniveaus om te voorzien in zeer gedetailleerde beelden van zacht weefsel met hoge kwaliteit.

Claims

194881 4

1. Aftastinrichting voor gecomputeriseerde tomografieapparatuur welke inrichting een opstelling van detectoren bevat die op een roterende portaalschijf worden gedragen waarbij de inrichting een warmte- 5 afvoerorgaan omvat met een hoog thermisch geleidingsvermogen, waarbij het warmteafvoerorgaan thermisch is verbonden met de detectoropstelling voor het nauw thermisch onderling verbinden van de detectoren in de opstelling; en een thermisch isolatieorgaan voor het minimaliseren van de warmteoverdracht naar en vanaf de combinatie van warmteafvoerorgaan en detectoren, zodat de detectoren in hoofdzaak op omgevingstemperatuur worden gehouden, met het kenmerk, dat de inrichting een thermische 10 massa omvat die groter is dan de thermische massa van de detectoropstelling, welke thermische massa in nauw thermisch contact staat met de detectoropstelling en het warmteafvoerorgaan.

2. Aftastinrichting volgens conclusie 1, waarbij het warmteafvoerorgaan een stijve detectoropstellingsdrager bevat voor het mechanisch dragen van de detectoren, met het kenmerk, dat het warmteafvoerorgaan voorts omvat een aantal moduleblokken bevestigd aan de detectoropstellingdrager, waarbij aan elk van de 15 moduleblokken een respectieve groep van detectoren is bevestigd.

3. Aftastinrichting volgens conclusie 2, waarbij de detectoropstelling voorts een fluïdum omvat die zich in de detectoropstelling bevindt, met het kenmerk, dat de fluïdumgeleiding gelegen is in de thermische massa nabij het thermische contactgebied met de detectormoduleblokken.

4. Aftastinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het thermisch isolatieorgaan omvat: een 20 isolerend afdekorgaan met een laag thermisch geleidingsvermogen voor het insluiten van het warmteafvoerorgaan en de detectoren om de warmteoverdracht naar en vanaf de detectoren door straling en convectie wezenlijk te reduceren; en een draagorgaan met een laag thermisch geleidingsvermogen voor het mechanisch dragen, maar ook thermisch isoleren van het warmteafvoerorgaan, de detectoren en de detectoropstellingsdrager ten opzichte van het roterende portaal.

5. Aftastinrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het isolerende afdekorgaan een stijf materiaal van lage dichtheid bevat, dat de detectoropstellingsdrager in wezen omgeeft en dat een verwijderbare sectie bevat die bevestigd is aan een aantal moduleblokken om toegang te verschaffen tot de moduleblokken.

6. Aftastinrichting volgens ten minste een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het dragerorgaan omvat: twee dragers die elk bevestigd zijn aan een respectief uiteinde van de detector-30 opstellingsdrager waarbij elke drager een stijf dragerlichaam omvat dat bevestigd is aan de portaalschijf; en een dunne flexibele plaat die bevestigd is aan het detectoropstellingsdrageruiteinde en aan het dragerlichaam, waarbij de dikte van de flexibele plaat klein is in verhouding tot de effectieve thermische baan-lengte tussen de detectoropstellingsdrager en het dragerlichaam. Hierbij 4 bladen tekening