X射線探測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)系統(tǒng)的探測X射線并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在X射線CT系統(tǒng)中，X射線被用于對一主體的局部或一對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行成像。術(shù)語“主體”和“對象”包括任何可以被成像的物體。所述成像由X射線CT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，利用X射線對內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性成像形成一組薄層平面切片或者對象的一個(gè)區(qū)域的3D圖像。對于醫(yī)學(xué)應(yīng)用來說，成像對象包括人體。
[0003]X射線CT系統(tǒng)通常包括一提供錐形X射線束的X射線源，以及面對X射線源設(shè)置的緊密排列的一組X射線探測器陣列。X射線源和探測器陣列被安裝在一環(huán)形支架上，使用CT系統(tǒng)成像的病人，通常躺在一合適的支撐墊上，被定位在環(huán)形支架內(nèi)，位于X射線源和探測器陣列之間。所述環(huán)形支架和支撐墊可以相對運(yùn)動(dòng)，使得X射線源和探測器陣列能夠以病人的身體為軸被定位在所需的位置。
[0004]環(huán)形支架包括一可稱為定子的固定結(jié)構(gòu)，以及一稱為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)子被安裝在定子上并可繞軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。在第三代CT系統(tǒng)中，X射線源和探測器陣列被安裝在轉(zhuǎn)子上。轉(zhuǎn)子相對于軸的角度位置是可控的，從而使X射線源能夠被定位到環(huán)繞病人身體的所需的角度，即視角。
[0005]為了對病人身體的局部進(jìn)行一個(gè)層的成像，X射線源被設(shè)置在該層的軸向位置并繞該層轉(zhuǎn)動(dòng)以便用X射線從一組不同的視角照射該層。在每個(gè)視角，探測器陣列中的探測器產(chǎn)生與從X射線源穿越該層的X射線的強(qiáng)度相關(guān)的信號。該信號被處理以確定X射線從X射線源經(jīng)過不同的路徑長度穿越成像的層導(dǎo)致的衰減的數(shù)值。利用該X射線衰減的數(shù)值，確定該層的材料的X射線吸收系數(shù)與該層的位置的函數(shù)關(guān)系。吸收系數(shù)被用來生成該層的圖像，確定該層的組織的組成和密度。
[0006]包括在CT系統(tǒng)的探測器陣列中的X射線探測器通常被封裝為幾個(gè)模塊，此后稱之為CT探測器模塊，每一模塊包括一組X射線探測元件?，F(xiàn)代大部分的CT系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成對病人的多個(gè)層同時(shí)成像的多層CT系統(tǒng)。在多層CT系統(tǒng)中的每個(gè)探測器模塊中的X射線探測元件被設(shè)置成由行和列構(gòu)成的矩陣。在一個(gè)CT系統(tǒng)中的任意兩個(gè)CT探測器模塊中的X射線探測器矩陣是實(shí)質(zhì)相同的，包括相同行數(shù)和相同列數(shù)的探測元件。模塊被相鄰連續(xù)布置，各行的探測器相鄰的端部互相對準(zhǔn)，使得X射線探測元件形成一組長的平行設(shè)置的X射線探測元件多行排列。
[0007]多層X射線CT系統(tǒng)通常以其能夠同時(shí)成像的最多層數(shù)命名或表征，例如，8層CT系統(tǒng)是指其能夠同時(shí)成像最多8個(gè)層的系統(tǒng)；16層CT系統(tǒng)能夠同時(shí)成像至多16個(gè)層。
[0008]探測陣列中每一長行的X射線探測元件設(shè)置在以CT系統(tǒng)的X射線源的焦點(diǎn)為圓心的一圓弧上，這些探測元件和探測器模塊的設(shè)計(jì)依賴于圓的半徑，此后將該半徑稱為聚焦距離。因此，設(shè)置在根據(jù)一個(gè)CT系統(tǒng)的聚焦距離設(shè)計(jì)的圓弧上的X射線探測器模塊不能被應(yīng)用于另一個(gè)不同聚焦距離的CT系統(tǒng)。
[0009]在一閃爍體陣列中的每一探測元件包括一使用X射線直接轉(zhuǎn)換材料的限定的敏感區(qū)域，用于探測X射線光子，并產(chǎn)生第二能量光子或者電子。探測元件被非敏感區(qū)域包圍，該非敏感區(qū)域此后稱為溝槽，其對X射線光子不產(chǎn)生響應(yīng)。
[0010]典型的X射線探測器陣列包括具有多個(gè)反散射板的一反散射準(zhǔn)直器，用以對每一探測元件接收到的X射線束進(jìn)行準(zhǔn)直處理，與準(zhǔn)直器相鄰設(shè)置的用以將X射線轉(zhuǎn)換成光能的閃爍體，以及用于從耦合的閃爍體接收光能并由此產(chǎn)生電子的光電二極管。
[0011 ] 然后，由探測器陣列產(chǎn)生的電子被輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)集成電路(ICs)以生成數(shù)字信號，用于處理并重構(gòu)被掃描對象的斷層圖像。
[0012]附圖1所示為一種現(xiàn)有技術(shù)的多層X射線CT系統(tǒng)100的原理示意圖。典型的多層CT系統(tǒng)包括一 X射線源110，其產(chǎn)生一錐形X射線束140。X射線束140穿過設(shè)置在病人前的準(zhǔn)直器130，該準(zhǔn)直器使X射線束僅照射目標(biāo)區(qū)域，遮擋不需要的區(qū)域的X射線。病人通常躺在掃描系統(tǒng)的掃描視場(FOV) 150內(nèi)，被X射線束140照射。X射線探測系統(tǒng)120接收X射線光子并轉(zhuǎn)換成與X射線光子能量成比例的模擬信號。X射線CT系統(tǒng)100還包括一環(huán)形機(jī)架160，其包括一轉(zhuǎn)動(dòng)部分162和一固定部分164。X射線源110，準(zhǔn)直器130和探測系統(tǒng)120被安裝在環(huán)形機(jī)架160的轉(zhuǎn)動(dòng)部分162上。轉(zhuǎn)動(dòng)部分162繞旋轉(zhuǎn)中心C 170旋轉(zhuǎn)。
[0013]X射線源110的焦點(diǎn)S (有時(shí)也被指代為X射線源的位置)與旋轉(zhuǎn)中心C (也稱為iso-中心)之間的距離182，此后被表示為Rse;X射線源110的焦點(diǎn)S與探測器系統(tǒng)D之間的距離180，此后被表示為聚焦距離Rsd。不同的CT系統(tǒng)可以有不同的Rsc，Rsd，和/或掃描FOV0
[0014]從旋轉(zhuǎn)中心指向X射線源的焦點(diǎn)的方向此后以Y軸表示，與成像平面或旋轉(zhuǎn)平面垂直的方向此后以Z軸表示，在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)垂直于Y軸的方向此后以X軸表示。
[0015]附圖2所示為現(xiàn)有技術(shù)中X射線CT系統(tǒng)中使用的探測器模塊的示意圖。附圖3所示為圖2中的探測器模塊的俯視圖。CT探測器系統(tǒng)包括相鄰布置在一弧形支撐結(jié)構(gòu)(未畫出)上的很多個(gè)探測器模塊200。每一探測器模塊包括一閃爍體陣列210，一光電二極管模塊220，一光電二極管基板230，以及多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)芯片240。探測器模塊200被設(shè)置在如前面所定義的X-Y-Z坐標(biāo)系統(tǒng)中:X射線束(未畫出)來自Y軸的正方向，而探測器模塊被布置在X-Z平面中以接收來自Y軸正方向的X射線束。
[0016]參見附圖2和附圖3，閃爍體陣列210被分成以具有行和列的矩陣形式組成的單個(gè)的閃爍體元件212。行方向沿Z軸方向，列方向沿X軸方向。兩個(gè)相鄰元件的中心間的距離被稱為節(jié)距。沿X軸方向的節(jié)距被稱為X節(jié)距，而沿Z軸的節(jié)距被稱為Z節(jié)距。每個(gè)閃爍體元件201接收X射線光子并將其轉(zhuǎn)換為第二能量光子。單個(gè)的閃爍體元件201被溝槽分隔，所述溝槽為不探測射線的區(qū)域。溝槽中通常用不像單個(gè)閃爍體元件那樣衰減X射線的材料來填充。
[0017]再參見附圖2和附圖3，閃爍體陣列210被安裝在光電二極管模塊220的頂端，其中術(shù)語“頂端”被定義為一個(gè)對象相比另一個(gè)對象位于更處于Y軸正方向的位置。光電二極管模塊也被分為光電二極管元件矩陣，與閃爍體陣列具有相同的X節(jié)距和Z節(jié)距。由每個(gè)單個(gè)的閃爍體元件生成的第二光子，典型的是可見光光子，被每個(gè)單個(gè)的光電二極管元件接收并轉(zhuǎn)換成電子。
[0018]再參見附圖2和附圖3，由每個(gè)單個(gè)的光電二極管元件生成的電子經(jīng)過光電二極管基板230上的導(dǎo)體，例如走線和過孔(未畫出)，被傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)芯片240并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
[0019]模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對X射線敏感，因此不能直接設(shè)置在圖2和圖3中閃爍體陣列的下方。由于閃爍器陣列的溝槽并不能吸收足夠的X射線光子，而單個(gè)閃爍體元件衰減后也仍有X射線光子存在，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片被設(shè)置在探測器模塊200的端部。術(shù)語“下方”被定義為一個(gè)對象相比另一個(gè)對象在Y軸方向上處于負(fù)的位置。術(shù)語“端部”是指沿Z軸方向的任一端或兩端。
[0020]將模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片設(shè)置在探測器模塊的端部導(dǎo)致探測器模塊不能被沿四個(gè)方向相鄰平鋪設(shè)置。附圖2和附圖3中的探測器模塊200能夠沿X軸方向相鄰平鋪，但是不能沿Z軸方向相鄰平鋪以形成一用于探測器系統(tǒng)的較大的2D矩陣以便接收Z軸方向的連續(xù)的X射線束。寬度上連續(xù)的X射線束會(huì)到達(dá)布置在每個(gè)探測器模塊Z軸端部的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，影響模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的性能，甚至損壞模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。
[0021]圖4所示為現(xiàn)有技術(shù)中用于X射線CT系統(tǒng)的探測器模塊300。為了克服圖2和圖3中描述的探測器模塊不能平鋪的限制，圖4所示的探測器模塊300使用一柔性印刷電路板350將光電二極管模塊(未畫出)的輸出通過光電二極管基板330電連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換板360，該模數(shù)轉(zhuǎn)換板上焊接有模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片340。模數(shù)轉(zhuǎn)換板360和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片340通常被垂直或接近垂直于光電二極管基板330設(shè)置，以盡量減小模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片接收X射線光子的面積。如前所述，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對X射線敏感，過度暴露于X射線中會(huì)導(dǎo)致性能下降甚至損壞模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。柔性印刷電路板350和模數(shù)轉(zhuǎn)換板360可以用剛撓結(jié)合板組合，然而，目前為止，柔性印刷電路板或者剛撓結(jié)合板的設(shè)計(jì)和加工仍然是高成本的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種用于X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)的X射線探測裝置，以避免X射線對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片