專利名稱：X射線檢測器的屏蔽的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有排列成一層的檢測器元件的X射線檢測器，其中每一個檢測器元件都包括傳感器單元和耦合到傳感器單元的被屏蔽的處理電路。
上述類型的X射線檢測器可以用于例如計算機斷層攝影(CT)裝置。這種X射線檢測器的各個檢測器元件各自可以產生一個像元(像素)的圖像信號。由于在每一個像素中配置處理電路的緣故，需要防止入射的X射線對電子電路的干擾和損壞。可以通過安裝在處理電路前面的鉛或其它合適的材料制成的網狀屏蔽罩來實現這種保護。
此外，從WO 03/044563A1知道一種X射線檢測器，其中設置在光電傳感器陣列后面的電子電路由鉛罩和安裝在上述傳感器陣列上方的準直儀屏蔽。
本發明的一個目的是提供一種上述類型的改進的X射線檢測器，所述檢測器具有在像素中的較高靈敏度的集成電子線路。
通過具有權利要求1或12的特征的X射線檢測器，基于一種新的屏蔽方法來解決這個任務。最佳實施例根據各從屬權利要求。
本發明的X射線檢測器包括分布在一層或襯底的檢測器元件。通常，檢測器元件規則地排列，最好排列成矩形網板。每一個檢測器元件都與X射線檢測器產生的圖像的一個像元(像素)對應。每一個檢測器元件都包括一個用于將輻射轉換成電信號的傳感器單元。而且所述檢測器元件還包括耦合到傳感器單元連接的電子處理電路，用于由傳感器單元產生的電信號的后處理。在處理電路的前面或者至少在處理電路的必須防止X射線的區域前面，設置可變屏蔽效率(或屏蔽因子)的屏蔽罩。在這方面，術語”前面”系指X射線的入射方向。這就是說，屏蔽罩設置在處理電路的面向X輻射的那邊，例如，如果X輻射來自上方，則屏蔽罩設置在處理單元的頂部。這樣，在X輻射到達處理電路易受損害的部分之前就被屏蔽罩吸收。與已知的檢測器相反，屏蔽效率在處理電路前面的各個位置上不是相同的，而是變化的。因此，它能滿足處理電路不同區域的局部需要。
可以用不同方式來實現變化的屏蔽效率。例如，屏蔽罩可以用對X射線具有不同吸收系數的不同材料組成(連續的或離散的)。在這種情況下，可以根據它的屏蔽效率和其它方面，例如重量、可加工性能、價格等在屏蔽罩的某些位置選擇某些材料。但是，變化的屏蔽效率可以通過改變屏蔽罩的有效厚度實現(自然也可以與不均勻的屏蔽材料結合應用)。在這種情況下，以屏蔽罩在X射線入射方向的幾何厚度的形式來定義和測量”有效厚度”。與已知的檢測器相反，屏蔽罩的有效厚度在處理電路前面的各個位置不是相同的，而是變化的。因此，它能滿足處理電路不同區域對屏蔽效率的局部需要。具體地說，處理電路每一個區域前面屏蔽罩的最小有效厚度可以這樣選擇，使得提供的屏蔽罩剛好滿足要求。只有在這種情況下，屏蔽罩占有的體積最小，避免了為保護電子線路而對X射線的過量吸收。這就使傳感器單元檢測到的X射線量子的流量達到最大值。
根據X射線檢測器的最佳實施例，在每一個檢測器元件的傳感器單元的前面設置閃爍器單元。如上所述，這里的術語”前面”定義為相對于X射線的入射方向。閃爍器單元把X射線轉換成可以被光敏傳感器單元檢測的可見光光子。
上述閃爍器單元和處理電路的屏蔽罩最好一起設置在它們之間無縫隙的公共層中。由于屏蔽罩的可變有效厚度導致可以把屏蔽罩的體積減至最小，所以可以使閃爍材料的體積到達最大值。從而使檢測到的X射線量子的流量達到最大值。
原則上屏蔽罩的結構或形狀可以是任意的。但是屏蔽罩最好做成片段(section)(翼型(profile))，即，在一個空間方向上其截面不變的空間形狀。例如，借助于擠壓加工處理可以產生比較簡單和經濟的片段。而且，有可能沿X射線檢測器的矩陣形狀的行和/或列連續地設置片段。在這種情況下，一個片段可以為大量檢測器元件提供屏蔽。
根據最佳實施例，片段由某種屏蔽材料的空間條片組成。這種片段可以通過開始把它壓偏成所需空間形狀，然后特別簡單地把條片彎曲而成。
而且，片段可以是L形，即，具有L形的片段。具體地說，可以通過把某種屏蔽材料的條片彎曲來實現所述L形。
此外，片段可以是梯形或三角形，即，具有梯形/三角形的片段。在這種情況下，三角形片段可以看作為梯形片段的特殊情況(即一條邊長為0的梯形)。由于屏蔽罩的梯形有效厚度的斜邊變成了連續的，這樣就實現了連續變化的屏蔽效率。
對給定能量的X輻射具有足夠高的吸收系數的、并比較容易處理的各種材料都可以用作屏蔽罩的材料。具體地說，適合的材料有鉛(Pb)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉭(Ta)、鈦(Ti)和/或具有高原子量(Z數)的其它材料。此外，象硫酸鋇(BaSO4)、碳酸鋇(BaCO3)、氧化鋇(BaO)、碳酸鉛(PbCO3)、氯化鉛(PbCl2)、硫酸鉛(PbSO4)、氧化鈦(TiO2)和/或氧化鋅(ZnO)之類的鹽可以用于屏蔽罩中。
屏蔽罩可以只由上述材料中的一種或這些材料的幾種成分(例如合金)構成。此外，至少一種材料可以鑲嵌在象塑料或環氧樹脂的載體中。在這種情況下，屏蔽罩的效率可以由所述材料和載體之間的體積比確定。
檢測器元件的傳感器單元特別可以包括光電二極管，可以利用光電二極管來檢測來自轉換材料的光子。這種光電二極管可以象集成CMOS電路那樣制作(參見US6,292,528B1；US6,324,244B1)。而且傳感器單元和處理電路可以設置在公共襯底或層，即“芯片”上。
此外，本發明涉及具有排列在一層或襯底上的檢測器元件的X射線檢測器，所述X射線檢測器包括設置在傳感器單元層前面的閃爍器單元層。在這個意義上，術語”前面”再次定義為相對于X射線的入射方向。檢測器的閃爍器單元之間由隔離層或屏蔽罩隔離，所述隔離層或屏蔽罩對X射線具有高的屏蔽效率并且對閃爍器單元產生的光子具有高的反射率。具體地說，可以通過對X射線具有高吸收系數(例如，象Pb或W的吸收系數)的屏蔽材料來實現所述屏蔽效率。所述光子的反射率可以高于70％，最好高于90％。所述屏蔽罩可以是一種復合材料，所述復合材料包含對X射線有高吸收系數的核心材料(例如，硫酸鋇(BaSO4))和涂敷對光子具有高反射率材料(例如，聚偏二氟乙烯(PVDF))的表面。
建議的X射線檢測器具有以下優點它可防止敏感元件遭受X射線的可能損害，并在閃爍器元件的光線輸出最大時，防止由于反射回到相鄰閃爍器單元的光線對不同傳感器單元之間產生的相互干擾。所述檢測器最好包括上述X射線檢測器的所有或一些特征，即對像素的電子線路等具有可變的屏蔽效率。
下面，借助附圖用實例說明本發明，附圖中
圖1是具有L形屏蔽罩的X射線檢測器的第一實施例的透視圖；圖2是圖1的檢測器的一個檢測器元件的側視圖；圖3是供選擇的X射線檢測器的檢測元件的側視圖。
在圖1中，以透視圖的形式表示X射線檢測器10的一部分。X射線檢測器10由大量(通常是幾千個)以行和列排列的檢測器元件1組成，圖1中只用其中的25個來說明。每一個檢測器元件1與檢測器10產生的圖像的像元(像素)對應。
如圖2更清楚表示那樣，每一個檢測器元件1被做成2層。(相對于X射線入射方向X)的”反向”層包括光電二極管5和相應的電子處理電路4。具體地說，光電二極管5和電路4可以用CMOS技術在同一襯底上實現。層左邊或光電二極管5和處理電路4(相對于X射線入射方向X)的”前面”，包括閃爍元件或晶體2以及屏蔽罩3。閃爍器元件2用合適的閃爍材料，例如CdWO4、GOS(Gd2O2S)制成。它用于將入射的X射線量子X轉換成可見光的光子v。到達光電二極管5的這些光子v在那里產生電信號。所述電信號由電路4處理，并用技術人員熟悉的一些方法讀出，這里不作詳細說明。
屏蔽罩3用于防止X射線損壞和/或干擾安裝在后面的處理電路4。為此，屏蔽罩3是用對X輻射具有高吸收系數的材料制成。屏蔽罩3的另一個功能是吸收和/或最好是反射由閃爍器元件2產生的光子v。這樣，就能防止這種光子v到達相鄰的檢測器元件的光電二極管，即產生相互干擾，這種相互干擾將引起檢測到的輻射的空間測定的誤差，從而降低圖像質量。反射回到閃爍元件2的光子可以防止光子被漏撿，從而使光流量達到最大。因此，屏蔽罩3表面對可見光的反射率應該盡可能高。
最好的屏蔽效率是使用重金屬，例如鉛、鎢或鉬實現，因此這些重金屬特別適合于制作薄的屏蔽罩材料。此外包括鑲嵌在載體(例如，環氧樹脂)中的粉狀吸收材料的合成物可以用作屏蔽罩材料。這樣，吸收材料就可以是金屬或金屬鹽，鹽通常對光子具有較高的反射率。最好使用具有較高密度的鹽，例如，象BaSO4(4.48g/cm3，高反射率)、BaCO3(4.43g/cm3)、BaO(5.7g/cm3)鋇鹽；象PbCO3(6.56g/cm3)、PbCl2(5.9g/cm3)、PbSO4(6.2g/cm3)鉛鹽；TiO2(4.23g/cm3)和/或ZnO(5.6g/cm3)。合成材料的屏蔽效率主要由吸收材料的相對體積確定；為了高屏蔽效率，要盡可能不用載體。
在選擇某些屏蔽材料時，也應該考慮被吸收的X射線的能量。這是因為不同的應用的特征在于不同的X射線能量，由于材料的吸收特性取決于輻射能量，所以X射線能量的范圍一般從早期胸部腫瘤X射線測定法的約20千電子伏特到正電子發射X射線體層攝影(PET)的約512千電子伏特。下面兩個表列出了材料厚度L0＝0.01cm的不同吸收和載體材料的強度I/I0的剩余比(光子數)。根據以下公式I/I0＝exp(-L·μ(E))，所述比值取決于厚度L和輻射能量E的函數μ的指數形式。
由于不是處理電路4的所有區域都需要相同程度的X輻射防護，因此建議把屏蔽罩3做成有效厚度為變化的。在這種情況下，應確定和測量X射線入射方向X、或者換句話說與檢測器10表面正交的方向(圖中的水平方向)的有效厚度(或屏蔽罩效率)。在圖1和2表示的實施例中，屏蔽罩3做成厚度b的L形片段或翼型。這時接觸處理器4的L分支3b的有效厚度d1＝b。片段厚度b要選擇足夠高，以便防止相鄰的檢測器元件之間的相互干擾，而用于屏蔽較低靈敏度的電子線路的有效X射線的d1(這時與b相同)的尺寸最小。另一方面，為了用很高的屏蔽效率保護安裝在其后的處理器4的各個區域，從處理器4橫向射出的L的分支3a具有非常大的有效厚度d2。需要高度防止X輻射的處理器4的部件為靈敏的模擬電子線路，而對保護要求不高、并可安裝在屏蔽罩3的較薄的分支3b下的部件包括例如”保護電容器”等。屏蔽罩3的度b、d1、d2必須在有關相互干擾、X射線屏蔽、反射和光輸出(閃爍器體積)之間作最佳的折中選擇。
可變有效厚度的屏蔽罩3的優點在于，可以將其體積限制在足以保護處理器4所需最小的體積。這時節省的體積(對于簡單的長方體形屏蔽罩)可以用閃爍元件2的閃爍材料填充。這樣，圖2所示的X射線量子X就被恒定厚度的長方形屏蔽罩吸收。但是，用本實施例的L形屏蔽罩3，所述量子X被轉換成閃爍材料2的光子v，所述光子v能夠到達檢測光電二極管5。因此，提高了檢測器10的檢測器量子效率(DQE)。
由于屏蔽罩3可以用彎曲的鉛條片制成，所以根據圖1和2，X射線檢測器10的生產過程比較簡單。而且，閃爍器元件2的底部必須有凹槽，以便屏蔽罩3的分支3b提供空間。所述凹槽可以例如通過最初長方體形的閃爍晶體碾磨來制造。或者，可以把不同高度(d2和d2-d1)的兩個長方體形閃爍晶體膠合在一起。
圖3中示出本發明的供選擇的實施例，所述實施例描述了與圖2所示的單一檢測器元件11類似的視圖。與圖2相同的部件用相同的編號表示，這里不再說明。它與圖1和2所示實施例的差別在于，檢測器元件11的屏蔽罩13為楔形，即，具有三角形截面的菱形。在處理電路4前面的屏蔽罩13的厚度是從圖3較低邊緣的最小值線性增加到圖3的上邊緣的最大值。閃爍元件12具有互補的形狀，以便它與屏蔽罩13以無縫的方式接合在一起。所述實施例也增加了X射線量子轉換的體積，同時又保證足以保護電子線路4。
當然，圖中所示的有效厚度變化的屏蔽罩形狀僅僅可能的實施例的一些例子。本專業的技術人員能修改它們，也能找到其它有效厚度為變化的形狀給閃爍器提供大的體積，同時又足以保護電子線路。而且，能夠用這種方法設計(重新設計)檢測器元件的電路，使所述電路的部件都處于給定形狀的屏蔽罩的足以防止輻射影響的那些部分中。
權利要求
1.一種具有排列成一層的檢測器元件(1，11)的X射線檢測器(10)，其中每一個檢測器元件(1，11)包括傳感器單元(5)和耦合到所述傳感器單元(5)的處理器(4)，并且其中在所述處理電路(4)的前面設置可變屏蔽效率的屏蔽罩(3，13)。
2.如權利要求1所述的X射線檢測器(10)，其特征在于所述屏蔽罩(3，13)具有可變的有效厚度(d1，d2)。
3.如權利要求1所述的X射線檢測器，其特征在于所述閃爍器單元(2，12)設置在每一個傳感器單元(5)的前面。
4.如權利要求3所述的X射線檢測器，其特征在于所述閃爍器單元(2，12)和屏蔽罩(3，13)以無縫方式設置在公共層中。
5.如權利要求2所述的X射線檢測器，其特征在于所述屏蔽罩做成片段(3，13)。
6.如權利要求5所述的X射線檢測器，其特征在于所述片段由空間條片(3)構成。
7.如權利要求5所述的X射線檢測器，其特征在于所述片段(3)為L形。
8.如權利要求5所述的X射線檢測器，其特征在于所述片段(13)為梯形或三角形。
9.如權利要求1所述的X射線檢測器，其特征在于所述屏蔽罩(3，13)的材料至少包含以下材料中的一種Pb、W、Mo、Ta、Ti、BaSO4、BaCO3、BaO、PbCO3、PbCl2、PbSO4、TiO2和/或ZnO。
10.如權利要求9所述的X射線檢測器，其特征在于所述材料被鑲嵌在載體中，所述載體的材料最好是環氧樹脂。
11.如權利要求1所述的X射線檢測器，其特征在于所述傳感器單元(5)和處理電路(4)設置在公共層中。
12.一種具有排列成一層的檢測元件(1，11)的X射線檢測器(10)，最好如權利要求1所述的X射線檢測器，包括設置在傳感器單元層(5)前面的閃爍器單元層(2，12)，所述閃爍器單元(2，12)由屏蔽罩(3，13)彼此隔開，所述屏蔽罩具有對于X射線的高的屏蔽效率的和對于在閃爍器單元(2，12)中產生的光子的高的反射率。
全文摘要
本發明涉及具有排列成一層的檢測器元件(1)的X射線檢測器。檢測器元件(1)包括將X射線(X)轉換成光子(v)的閃爍器元件(2)用于檢測光子(v)的光電二極管(5)以及用于處理由光電二極管(5)產生的電信號的處理電路(4)。為了防止X射線對電子線路(4)的影響，在電子線路(4)的前面安裝有可變有效厚度(d1、d2)的屏蔽罩(3)。屏蔽罩(3)尤其可以具有L形。可以通過把屏蔽罩(3)的有效厚度減小到所需的最小值來使閃爍器單元(2)的體積達到最大值。
文檔編號G01T1/20GK1890580SQ200480036265
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月2日 優先權日2003年12月9日
發明者G·福格特邁爾, R·斯蒂德曼, K·J·恩格爾, H·維措勒克, W·埃肯巴赫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
