用于CT检测器的多层反射器 【技术领域】
本发明通常涉及诊断成像，并且更具体地涉及具有低串扰和高光输出的反射器组件的CT检测器。此外，本发明涉及以间隙方式设置于闪烁器阵列的闪烁器之间的反射器，该反射器能够减小串扰以在保持闪烁器的高光输出的同时提高CT图像质量。
背景技术
典型地，在计算机x射线断层摄影(CT)成像系统中，x射线源朝着比如病人或一块行李的受检者或对象发射扇形射束。在下文中，术语“受检者”或“对象”将包括能够被成像的任何事物。通过受检者衰减之后的射束冲击辐射检测器的阵列。检测器阵列处接收的衰减的射束辐射强度典型地依赖于由于受检者造成的x射线的衰减。检测器阵列的每个检测器元件产生表示通过每个检测器元件接收的衰减射束的单独电信号。将电信号发送至数据处理系统以用于分析哪个检测器元件最后产生图像。
通常，在成像平面中的构架的周围并围绕受检者旋转x射线源和检测器阵列。x射线源典型地包括x射线管，其在焦点处发射x射线束。x射线检测器典型地包括用于准直在检测器处接收地x射线束的准直仪、邻近准直仪的用于将x射线转换成光能的闪烁器、和用于接收来自邻近闪烁器的光能并从其中产生电信号的光电二极管。
典型地，闪烁器阵列的每个闪烁器将x射线转换成光能。每个闪烁器释放光能至与其邻近的光电二极管。每个光电二极管检测光能并产生对应的电信号。然后将光电二极管的输出发送至数据处理系统以用于图像重构。
CT检测器的检测器单元之间的“串扰”是常见的。通常将“串扰”定义为CT检测器的邻近单元之间的数据通信。通常，由于串扰导致存在于最后重构的CT图像中的伪影并导致差的空间分别率，所以设法减小串扰。典型地，可以在单独的CT检测器内部产生四种不同类型的串扰。由于闪烁器单元之间的x射线散射，可以出现x射线串扰。通过经由环绕闪烁器的反射器的光的传送，可以出现光学串扰。已知的CT检测器利用邻接的光学耦合层(典型地为环氧树脂)来固定闪烁器阵列至光电二极管阵列。然而，当光从一个单元通过邻接层传到另一个单元时会出现串扰。由于光电二极管之间不需要的通信也会出现电串扰。
闪烁器阵列典型地结合邻近的闪烁器之间的反射器层或涂层以限制闪烁器之间的串扰。通常，反射器由包括氧化铬或其它类型的光学吸收材料的材料构成，以吸收穿过闪烁器之间的分离边界传送的光。由于氧化铬起到良好的光吸收剂的作用，减小了反射器的相对反射率，其在一些情况下可以多至60％。同样地，结合包括氧化铬或类似的材料的反射器层，在较低的串扰和反射率之间获得CT检测器设计中的折衷。如果不用氧化铬或其它光学吸收性材料制备反射器层，则闪烁器之间的串扰增加。简单地，采用光学吸收性材料减小串扰，但降低了反射器的反射率。
减小的反射率降低低信号性能，而增大的串扰影响空间分辨率。低信号性能是CTR检测器中产生的噪声的函数。当反射率下降，闪烁器的光输出也下降。然而噪声是相对恒定的，因此，光输出的减小增大噪声对功能光输出的比率。此外，归因于散射的x射线的串扰量可以估计为CT检测器中全部串扰的大约50％。虽然光学吸收性材料在减小与闪烁器之间的光转移有关的串扰方面是有效的，但是反射器典型地具有差的x射线吸收特性，并且因而不能消除可能在闪烁器之间出现的由x射线引起的串扰。
因此，期望设计一种具有减小的光和x射线串扰特性的CT检测器以提高CT成像质量而不必牺牲改善的信号的光输出。
【发明内容】
本发明涉及一种用于改进CT检测器中的串扰减小而不明显减小闪烁器光输出的CT检测器。也公开了一种制备这种设备的方法。
公开了一种用于CT检测器的多层反射器。该反射器包括夹在一对高反射性部件之间的x射线吸收部件。在CT检测器的邻近闪烁器之间形成这种反射器，从而减小邻近闪烁器之间的串扰以及保持用于信号检测的相对较高的光输出。此外，横越闪烁器阵列可以一维或两维地设置多层反射器。也公开了制备这种反射器并将其结合至CT检测器中的方法。
因此，依据本发明的一个方面，CT检测器包括具有多个闪烁器的闪烁器阵列和以间隙方式设置于邻近闪烁器之间的反射器。该反射器包括设置于一对反射性元件之间的光吸收元件。
依据本发明的另一个方面，提供一种CT系统，它包括具有闪烁器阵列的CT检测器阵列，配置闪烁器阵列以便一接收到射线照相能量就照明。该CT检测器阵列进一步包括设置于闪烁器阵列的邻近闪烁器之间的反射器元件。每个反射器元件包括夹在至少一对反射层之间的组合层。
依据本发明的另一个方面，提出一种制备CT检测器的方法。该方法包括提供多个闪烁器的闪烁器阵列并在邻近闪烁器之间设置反射层的步骤。该制备方法进一步包括在反射层中设置组合层的步骤。
从下面的详细描述和附图，本发明的各种其它特征、目的和优点将变得显而易见。
【附图说明】
附图示出了用于实现本发明目前预期的一个优选实施例。
在附图中：
图1是CT成像系统的示图。
图2是图1示出系统的示意框图。
图3是CT系统检测器阵列的一个实施例的透视图。
图4是检测器的一个实施例的透视图。
图5是以四片模式示出的图4中的检测器的各种结构。
图6是依据本发明的闪烁器阵列的一部分的侧视图的示意表示。
图7是依据本发明的闪烁器阵列制备过程的图形表示。
图8是用于非侵入包裹检查系统的CT系统的示图。
【具体实施方式】
关于四片计算x射线断层摄影(CT)系统描述本发明的操作环境。然而，本领域的技术人员可以理解，本发明能够等同地应用于单片或其它多片结构。此外，关于x射线的检测和转换描述本发明。然而，本领域的技术人员可以进一步理解本发明能够等同地应用于其它高频电磁能的检测和转换。关于“第三代”CT扫描器描述本发明，但本发明也可以等同地应用于其它CT系统。
参照图1和2，计算x射线断层摄影(CT)成像系统10被表示为包括表示“第三代”CT扫描器的构架12。构架12具有朝向构架12的相对侧上的检测器阵列18投影x射线束16的x射线源14。通过一起传感经过内科病人22的投影x射线的多个检测器20形成检测器阵列18。每个检测器20产生代表冲击x射线束的强度的电信号，并因此在它经过病人22时产生衰减射束。在扫描以获取x射线投影数据的过程中，构架12和在其上装配的部件围绕旋转中心24旋转。
通过CT系统10的控制机构26控制构架12的旋转和x射线源14的操作。控制机构26包括向x射线源14提供功率和定时信号的x射线控制器28以及控制构架12的旋转速度和位置的构架电动机控制器30。控制机构26中的数据获取系统(DAS)32采样来自检测器20的模拟数据，并将数据转换成数字信号用于随后处理。图像重构器34接收来自DAS 32的采样和数字化的x射线数据，并实施高速重构。作为输入施加重构的图像至在大容量存储器装置38中存储图像的计算机36。
通过具有键盘的控制台40，计算机36也接收来自操作者的命令和扫描参数。相关联的阴极射线管显示器42允许操作者观察重构的图像和来自计算机36的其它数据。通过计算机36使用操作者供给的命令和参数，以提供控制信号和信息给DAS 32、x射线控制器28和构架电动机控制器30。此外，计算机36操作控制电动台46的工作台电动机控制器44以定位病人22和构架12。具体地，工作台46移动病人的身体部分通过构架开口48。
如图3和图4所示，检测器阵列18包括形成闪烁器阵列56的多个闪烁器57。准直仪(未示出)位于闪烁器阵列56之上，以在这种射束冲击闪烁器阵列56之前准直x射线束16。
在一个实施例中，如图3所示，检测器阵列18包括57个检测器20，每个检测器20具有16×16的阵列尺寸。结果，阵列18具有16行和912列(16×57个检测器)，其允许以构架12的每个旋转收集16个联立的片的数据。
图4的开关阵列80和82是耦合于闪烁器阵列56和DAS 32之间的多维半导体阵列。开关阵列80和82包括设置为多维阵列的多个场效应晶体管(FET)(未示出)。FET阵列包括连接至各自光电二极管60的每一个的多个电导线和通过柔性电接口84电连接至DAS 32的多个输出导线。具体地，大约一半的光电二极管输出电连接至开关80，同时另一半的光电二极管输出电连接至开关82。此外，可在每个闪烁器57之间插入反射器层(未示出)，以减小来自邻近闪烁器的光散射。通过装配支架79，每个检测器20固定至图3的检测器机架77。
开关阵列80和82进一步包括解码器(未示出)，其能够依据理想数量的片和用于每片的片分辨率启动、禁止或组合光电二极管输出。在一个实施例中，解码器是本领域熟知的解码器芯片或FET控制器。解码器包括多个耦合至开关阵列80和82以及DAS 32的输出和控制线。在限定为16片模式的一个实施例中，解码器启动开关阵列80和82，从而激励光电二极管阵列52的所有行，产生用于通过DAS 32进行处理的16个联立的片的数据。当然，很多其它片组合也是可能的。例如，也可以从包括一、二和四片模式的其它片模式中选择解码器。
如图5所示，通过发送合适的解码器指令，可以以四片模式配置开关阵列80和82，从而从一行或多行光电二极管阵列52的四个片收集数据。基于开关阵列80和82的具体结构，能够启动、禁止或组合光电二极管60的各种组合，从而使片厚度可以包括一、二、三或四行的闪烁器阵列元件57。其它的例子包括：包括具有片范围从1.25mm厚至20mm厚的一片的单独片模式，以及具有片范围从1.25mm厚至10mm厚的两片的两片模式。也可考虑除了描述之外的其它模式。
现在参照图6，描述闪烁器阵列的一部分的横截面。如先前讨论的，闪烁器阵列56包括多个均匀间隔的闪烁器57。在邻近闪烁器之间以间隙方式隔开或设置反射器84。设计反射器以保持用于每个闪烁器的相对较高的光输出，并产生闪烁器之间的光和x射线串扰。在这点上，在一个实施例中的每个反射器84由三层组成。具体地，在一对反射层88之间夹入组合层86。优选地，组合层由高原子序数金属和低粘性聚合体组成。可能应用的高-Z金属的例子包括以粉末形式具有大于16g/cm3密度的钨、钽或其它重金属。比如聚氨酯的任何多种低粘性商业上可获得的环氧树脂可被用作组合层的聚合体成分。虽然聚合体在颜色上优选是深色以提高闪烁器阵列的性能，但是可以预期也可使用颜色较浅的聚合体。即，对聚合体材料没有颜色要求。此外，优选从具有对辐射相对高阻抗的材料制备聚合体。
在一个优选实施例中，金属组合层的厚度大约为50-100μm。相反，每个反射层88优选具有大约15-50μm的厚度。设计金属组合层86以吸收从一个闪烁器传送至邻近闪烁器的光，如果不能消除，也会因此较小闪烁器之间的光学串扰。此外，配置金属组合层以吸收在闪烁器之间转换的x射线光子。用在金属组合层中的材料的数量和类型限定了光和x射线阻止能力。然而，一个具体的合成物已经显示出吸收闪烁器之间高达50％的x射线光子，因此将x射线串扰减小了50％。假设光学串扰典型地为全部串扰的45％，而x射线串扰典型地为全部串扰的55％，则利用该示范性的组成并依据本发明，相对于传统的反射器，可以将闪烁器的全部串扰减小大约20％至30％。此外，金属组合层大大地减小了x射线穿通(punch-through)，例如60％或更多。
仍然参照图6，由装载二氧化钛(TiO2)的环氧树脂组成反射器层88。该反射器层通常是不透明的，并被设计成阻止来自闪烁物的每一个的光发射。即，操作反射器层以限制通过闪烁器的每一个在各自的闪烁器内部产生的光。因此，理想地，在邻近闪烁器之间不转移光。由于设计光电二极管以检测来自闪烁器57的每一个的光发射，所以反射器层用于提高朝向光电二极管的光的会聚，并且金属组合层减小邻近闪烁器之间的x射线串扰。为了进一步提高光收集效率，浇铸反射器顶部涂层或层91，或另外沉积于闪烁器57的x射线接收器表面或面92之上。设计涂层90以不影响x射线通过地改变光发射的方向。
现在参照图7，将更详细地描述依据本发明的制备技术的阶段。以闪烁器基片94的形成开始制备技术的阶段A。闪烁器基片由被设计以依据x射线或其它x射线照相成像能量的接收照明和输出光的一种或多种材料组成。依据多种熟知半导体制备技术的一种可以制备基片。阶段A进一步包括将容积基片(bulk substrate)材料接入具有理想厚度的晶片的底部以及包括磨削或其它工艺以便在尺寸上限定基片。
在制备技术的阶段B中，基片经历多个像素化工艺中的一个，以限定基片中的多个闪烁器57。例如，利用线状锯切割装置或其它切割机构可以将基片切割成块。此外，利用离子束铣削、化学蚀刻、汽相淀积或任何其它熟知的基片切割技术可以限定单个闪烁器。优选地，限定单个闪烁器，以在邻近闪烁器之间形成间隙96。此外，优选地，横越闪烁器基片两维地限定闪烁器57。优选地，间隙96以x和z两个方向延伸于单个闪烁器之间，并基于几何剂量效率的需要具有大约100至200μm的宽度。间隙的深度取决于想要的阻止能力，并依据闪烁器基片成分而变化。
在单个闪烁器的形成或限定之后，在步骤C，优选地将高反射性材料90浇铸在闪烁器上以及浇铸在由它们限定的间隙中。在一个优选实施例中，浇铸填充物包含以重量计算大约40％-70％的二氧化钛。然而，本领域的技术人员可以理解，浇铸填充物不局限于二氧化钛。也可以使用比如Ta2O5、HfO2、Bi2O3和PbO的其它高反射性材料以及其它类似的材料。虽然这些材料通常不具有如二氧化钛那样高的反射率特性，但是这些材料确实具有有助于减小闪烁器之间x射线串扰的足够的x射线阻止能力特性。此外，本领域的技术人员可以理解浇铸限定一种特定的方式，通过这种方式反射器材料可以设置在闪烁器之间。因此，本发明可以预期包括比如喷射模塑法的其它沉积工艺。
优选地，高反射性材料采取粉末的形式并被浇铸进间隙96。因此，将粉末固化指定的周期。在固化之后，对闪烁器阵列的顶表面或部分进行机械加工以留下具有理想厚度(例如200μm厚)的顶部反射层91。
在步骤D中，在反射材料中在闪烁器之间产生新的间隙或通道98。优选地，沿着x和z两个方向产生间隙98。利用多种切削或切割技术以及以化学方法为基础的蚀刻工艺中的一种可以产生间隙98。例如，利用线状锯或机械加工激光器可以形成间隙98。也可利用化学蚀刻、离子束研磨以及其它半导体制备工艺。在激光器的例子中，可以使用ND:YAG激光器、CO2激光器、或AR+激光器或半导体激光器。在该例子中，在设置于闪烁器之间的反射性材料的中心或中间聚焦激光束，并且可调整切削的宽度，以使通过切削工艺获得理想的间隙或通道宽度。
线状锯切割可以用于在设置于闪烁器之间的反射性材料中机械加工间隙98。例如，具有70μm或更小直径的线可用于切割理想的间隙。在该点上，以理想的节距将线定位在线轴(未示出)上。机械加工固定器然后用于精确地定位线和线轴。预期可以使用至少两种不同类型的线。即，可以使用具有以研磨介质浆液供应线的金属线。在该点上，线通过反射性材料并产生理想的间隙。研磨介质可以是金刚石、SiC粉末、铝和其它熟知的研磨介质材料。优选地，研磨介质功率具有1,000至3,000筛眼的磨料粒度。另一种可能的解决方法是使用以金刚石或SiC介质嵌入的金属线。也可以使用OD(外部直径)切割锯。在优选实施例中，不考虑产生间隙98的方法、装置和机构，每个闪烁器的表面上得到的反射性涂层的厚度大约是15至50μm。
在闪烁器之间的反射性材料中形成间隙98以形成一对分离的反射层88之后，在阶段E过程中将金属粉末组合物沉积于每个间隙中。优选地，金属粉末组合物包括比如钨或钽的高-Z金属，并且由于它的高x射线阻止能力，其是可选择的。优选地，金属粉末具有0.5至5μm的特定尺寸。比如环氧树脂、EpoTek301、聚氨酯或其它低粘性聚合体的低粘性聚合体可被选择作粘合剂。EPOTEK是Epoxy TechnologyInc.of Billerica，Massachusetts的注册商标。在该点上，优选地将以容积计算的40％至60％的金属粉末与液体聚合体均匀混合。然后将混合物或组合物浇铸进反射性材料中产生的间隙98。在浇铸之后，允许固化混合物。
本领域的技术人员可以理解，可以使用其它方法或技术在成对的反射层之间沉积金属层组合物。例如，以比如热塑性聚合物涂层的粘合剂材料涂敷高-Z金属微粒。然后用比如酒精的少量溶剂可将涂敷的金属微粒浇铸进间隙98中。然后可以汽化溶剂，由此加热得到的材料以熔化热塑性涂层，它将全部微粒粘合在一起以及作为闪烁器之间的粘合剂。另一种方法包括以钨或以低温焊料薄膜涂敷高-Z微粒。在被浇铸进入间隙之后，熔化焊料薄膜。在形成薄膜之后，闪烁器阵列在顶表面上被磨削或研磨以去除金属组合物和反射性材料的额外材料。优选地，顶部反射器921具有大约50至200μm的厚度，以在最大化光输出的同时最小化x射线衰减。
一旦允许固化在成对的反射层之间以间隙方式设置的金属组合物层，然后就可在阶段F将闪烁器阵列机械加工成最后和理想的尺寸。此外，机械加工或磨削闪烁器基片的底表面99以去除额外的闪烁器材料和获得最后和理想的厚度。例如，取决于制备的闪烁器的类型，最后厚度范围大约从1.5至3mm。然后依据熟知的CT检测器制备组件可将机械加工的表面光学耦合至光电二极管。
现在参照图8，包裹/行李检查系统100包括具有开口104的可旋转构架102，其中包裹或行李块可以通过。可旋转构架102罩住高频电磁能量源106以及具有由如图6或图7所示类似的闪烁器单元组成的闪烁器阵列的检测器组件108。还提供传送器系统110并且该系统包括通过结构114支持的传送器带112，以自动和连续地使包裹或行李块116通过开口104以被扫描。通过传送器带112使对象116通过开口104，然后获得成像数据，并且传送器带112以可控和连续的方式从开口104移除包装116。结果，邮局检查员、行李管理员和其它安全人员可以非侵入性地检查爆炸物、刀具、枪支、禁运品等的包裹116的内容。
关于制备在用于以CT为基础的成像系统的CT检测器的闪烁器之间设置多层反射器已经描述了本发明。此外，已经描述了矩形闪烁器的制备。然而，本发明可预期其它图案或形状的制备单元和在闪烁器单元之间设置的多层反射器。此外，关于沿着一个方向(也就是z-轴)被浇铸的反射器描述了本发明。然而，使用沿着x和z轴制备的上述方法也可以形成反射器，从而提供反射器的“棋盘”完全两维(2D)设置。也可应用本发明以产生反射器的部分2D阵列。
因此，依据本发明的一个实施例，CT检测器包括具有多个闪烁器和在邻近闪烁器之间以间隙方式设置的反射器的闪烁器阵列。该反射器包括在一对反射性元件之间设置的光吸收元件。
依据本发明的另一个实施例，提供一种CT系统并且该系统包括具有闪烁器阵列的CT检测器阵列，配置闪烁器阵列以依据射线照相能量的接收进行照明。CT检测器阵列进一步包括在闪烁器阵列的邻近闪烁器之间设置的反射器元件。每个反射器元件包括夹在至少一对反射层之间的组合层。
依据本发明的另一个实施例，提出一种CT检测器制备的方法。该方法包括提供多个闪烁器的闪烁器阵列和在邻近闪烁器之间设置反射层的步骤。制备方法进一步包括在反射层中设置组合层的步骤。
根据优选实施例已经描述了本发明，并且认识到在所附权利要求的范围之内，除了那些明确叙述的之外，等价物、替代方案和修改是可能的。
部件列表10计算x射线断层摄影(CT)成像系统12构架 14 x射线源 16 x射线束 18 检测器阵列 20 多个检测器 22 内科病人 24 旋转中心 26 控制机构 28 x射线控制器 30 构架电动机控制器 32 数据获取系统(DAS) 34 图像重构器 36 计算机 38 大容量存储器 40 控制台 42 相关联的阴极射线管显示器 44 工作台电动机控制器 46 电动台 48 构架开口 52 光电二极管阵列 56 闪烁器阵列 57 多个闪烁器 60 光电二极管 77 检测器机架 79 装配支架 80 开关阵列 82 开关阵列 84 柔性电接口 86 组合层 88 成对的反射层 90 涂层 91 反射器顶部涂层或层 92 x射线接收器表面或面 94 闪烁器基片 96 间隙 98 通道 99 底表面 100 包裹/行李检查系统 102 可旋转的构架 104 开口 106 高频电磁能量源 108 检测器组件 110 传送器系统 112 传送器带 114 结构 116 包裹或行李块