具有方形圆形状的数字平板检测器的制作方法

本申请要求2014年9月5日提交的美国专利申请号14/478655的优先权，通过引用将其整体结合到本文中。

技术领域

本申请一般涉及用于得到和显示X射线图像的系统和方法。具体来说，本申请涉及用于使用具有方形圆(squircle)形状的数字平板检测器来生成X射线图像的系统和方法。

背景技术：

典型X射线成像系统包括X射线源和X射线检测器。从X射线源所发射的X射线能够照射到X射线检测器，并且提供放置在X射线源与X射线检测器之间的(一个或多个)对象的X射线图像。在一种类型的X射线成像系统、荧光成像系统中，X射线检测器常常是图像增强器或者更新近一些是平板数字检测器。平板检测器包含闪烁器材料层，闪烁器材料层将x射线转换为光。在闪烁器层后面是包含设置为栅格状的多个像素的检测器阵列。各像素包含光电二极管，光电二极管生成与来自像素前面的闪烁器层的光成比例的电信号。来自光电二极管的信号由电子器件来放大，以产生位于X射线源与X射线检测器之间的对象的x射线图像的数字表示。

技术实现要素：

本申请涉及用于使用具有方形圆形状的数字平板检测器来生成X射线图像的系统和方法。平板X射线检测器包含电路板、电连接到电路板的光成像器(例如CMOS晶圆)以及光成像器上的闪烁器。检测器具有超椭圆(superellipse)形状或无角(cornerless)形状，所述超椭圆形状或无角形状第一基本直边缘以及与第一边缘基本上垂直地延伸的第二基本直边缘，其中第一边缘和第二边缘没有在物理上以90度彼此相交。具有这种形状的平板检测器能够用于x射线成像系统中，该x射线成像系统使用检测器来检测x射线并且产生x射线图像。采用这个形状，检测器的有效感测区能够与当前采用矩形或正方形平板检测器而可获得的那些有效感测区相似，同时使用较少材料来制造检测器。

附图说明

以下描述能够根据附图来更好地了解，其中：

图1示出方形圆平板检测器的一些实施例的侧视图；

图2示出方形圆平板检测器的光成像器的一些实施例的顶视图；

图3示出方形圆平板检测器的其他实施例的侧视图；

图4示出方形圆平板检测器的光成像器的其他实施例的顶视图；

图5-12示出方形圆平板检测器的形状的一些示例；

图13示出包含方形圆平板检测器的x射线成像系统的一些实施例；

图14示出包含方形圆平板检测器的x射线成像系统的其他实施例；

图15示出由方形圆平板检测器所产生的x射线图像的一些实施例；以及

图16示出方形圆形状能够节省基于CMOS的平板检测器的晶圆的实施例。

附图示出用于使用具有方形圆形状的数字平板检测器来生成X射线图像的系统和方法的具体方面。连同以下描述，附图示范和解释本文所述结构、方法和原理的原理。附图中，为了清楚起见而可能夸大或者以其他方式修改组件的厚度和大小。不同附图中的相同参考标号表示相同要素，并且因而将不重复其描述。此外，没有详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作，以免影响对所述装置的方面的理解。此外，为了清楚起见，附图可示出简化的或部分视图，以及附图中的要素的尺寸可能被放大或者不按比例。

具体实施方式

以下描述提供具体细节，以便提供透彻了解。然而，技术人员会理解，即使没有采用这些具体细节也能够实现和使用用于得到和显示准直X射线图像的所述系统和方法。实际上，所述系统和方法能够通过修改所示装置和方法来付诸实践，并且能够与工业中按常规使用的任何其他设备和技术结合使用。例如，虽然以下描述集中于用于显示X射线图像(其使用近实时地得到X射线图像的荧光X射线装置来制造)的系统和方法，但是所述系统和方法(或者其部分)能够与任何其他适当装置或技术配合使用。例如，所述系统和方法(或者其部分)可与产生传统普通X射线图像的X射线装置一起使用。

当术语“在……之上”、“附连到”、“连接到”或“耦合到”在本文中使用时，一个对象(例如材料、要素、结构等)能够在另一个对象之上、附连到、连接到或耦合到另一个对象，而与所述一个对象是否直接在另一对象之上、附连、连接或耦合到另一对象或者所述一个对象与另一对象之间是否存在一个或多个中间对象无关。还有，方向(例如在……顶部上、下方、上方、顶部、底部、侧面、上、下、下面、之上、上部的、下部的、水平、垂直等)在被提供时是相对的，并且只作为举例并且为了便于说明和论述而不是作为限制来提供。在提到要素的列表(例如要素a、b、c)的情况下，这种提法意在包括所列要素本身的任一个、少于全部所列要素的任何组合和/或全部所列要素的组合。此外，术语“一”和“一个”各可与术语“至少一个”和“一个或多个”是可互换的。另外，术语“X射线图像”、“图像”、“准直图像”和“准直X射线图像”可指的是从暴露于X射线束(其采用准直仪来准直)的X射线检测器的一部分来产生X射线图像。

在一些实施例中，术语“正方形”可指的是具有相等长度的四条边的形状，其还具有四个90度角。在一些实施例中，术语“圆”可指的是闭合平面曲线，其具有在离共同中心点的给定距离的所有点。在一些实施例中，术语“方形圆”可指的是同心圆和正方形的布尔交集(Boolean intersection)，在该布尔交集最终形状具有小于圆或者正方形的面积。在其他实施例中，术语“方形圆”可指的是正方形和同心圆(其直径大于正方形的边的长度，但是小于正方形的对角线)的布尔交集。在一些实施例中，术语“数学方形圆”可指的是具有同心正方形和圆形的形状之间的形状的特定类型的超椭圆，并且可表达为二次平面曲线或者表达为二次笛卡尔方程。与紧接的前文的方形圆形状相反，数学方形圆保持具有超椭圆的较平边缘的圆形角之间的相切连续性(tangent continuity)。在一些实施例中，术语“圆角正方形”和“圆角矩形”可分别指的是具有切断角的圆角(例如，与正方形或矩形的边缘的相切的圆形角)的正方形或矩形。另外，在一些实施例中，术语“切角正方形”和“切角矩形”可分别指的是具有切断角的任何数量的切角的正方形和矩形。

方形圆形状的(SS)平板检测器的一些实施例在图1中示出。图1中，平板检测器(或检测器组合件)10包含电路板11、支承基板12、光成像器13、闪烁器14、闪烁器盖15、密封剂16和连接器17。图1中，检测器控制电子器件在支承基板下构成，并且经过连接器17连接到光成像器13，以便保持最小x-y尺寸。支承基板经过悬挂组件(未示出)通过连接孔20连接到检测器盖(未示出)。图1所示的检测器10的组件可以仅表示这类检测系统中存在的组件的一部分。例如，这些检测器10可包括其他电子器件、电池和无线收发器、通信和电力供应电缆、外盖或套筒、悬挂组件(suspensive component)等。

检测器10还包含支承基板12。这个基板12能够主要用来向检测器10的组件的其余部分提供支承。相应地，基板12能够由提供这个支承的任何材料和/或结构来制成。在一些配置中，基板12能够由金属、金属合金、塑料、合成材料、碳纤维或者这些材料的组合来制成。

图1示出包括闪烁器层(或闪烁器14)的检测器10(例如基于CMOS的检测器)的一些实施例，其中闪烁器层(或闪烁器14)设置在光成像器13(例如CMOS光成像器)上。闪烁器14可由任何闪烁器成分、例如碘化铯(CsI)或氧化镥(Lu2O3)来制作。

在一些配置中，光成像器13可包括光电检测层。一些常规分离闪烁器板(例如在基于CMOS的检测器中)通过保护膜来涂敷，保护膜呈现不良光反射和透明性质，这引起X射线检测器的光电检测能力的次优性能。为了减轻这个缺陷，检测器10中的闪烁器14能够直接设置在光成像器13的光电检测层上。因此，在这些配置中，闪烁器14能够直接接触光电检测层。

光成像器13的闪烁器14和光电检测层组合地起作用来将X射线光子转换成电信号，以用于获取和处理图像数据。一般来说，X射线光子从辐射源(例如x射线源)来发射，穿过对象或受检者所在的区域，并且然后与闪烁器14碰撞。闪烁器14将X射线光子转换成较低能量光学光子，并且设计成发射与所吸收的X射线的能量和量成比例的光。因此，光发射在接收更多X射线的闪烁器14的那些区域中将更高。由于对象或受检者的成分将在不同程度上使辐射源所投射的X射线衰减，所以与闪烁器14碰撞的X射线光子的能级和量跨闪烁器14将不是均匀的。不均匀碰撞引起光发射的变化，这将用来生成重构图像中的对比度。

在X射线光子转换成光量子之后，由闪烁器14所发射的所产生光量子由光成像器13的光电检测层来检测。光检测层可包含光敏元件或检测器元件的阵列，光敏元件或检测器元件存储与相应检测器元件所吸收的入射光的量成比例的电荷。一般来说，各检测器元件具有光敏区和电子控制区，以供存储和输出来自那个检测器元件的电荷。光敏区可由光电二极管来组成，光电二极管吸收光并且随后制造光电二极管或存储电容器中存储的电子电荷。在曝光之后，各检测器元件中的电荷经由逻辑控制电子器件来读出，并且由成像系统来处理。

在一些备选实施例中，光成像器13可以是电荷耦合器件(CCD)成像器、非晶硅受体光成像器或者适当场效应晶体管控制光成像器。闪烁器14可直接沉积到任何光成像器13上并且与任何光成像器13直接接触，以便防止有用可见光子的减少，如上所述。

为了保护闪烁器14免受水分影响并且提供结构支承，闪烁器盖(或者盖)15可放置在闪烁器14的表面之上，如图1所示。盖15可采用金属、金属合金、塑料、合成材料或者上述材料的组合来制作。在一些实施例中，盖15可由低x射线衰减、轻量、耐用合成材料(例如碳纤维)来组成。

在一些实施例中，检测器10可包括水分阻挡层或密封剂，以便阻止水分进入闪烁器材料。因此，如图1所示，检测器10包括密封剂16，其能够设置在盖15的侧表面周围以及闪烁器14的外边缘。

检测器10还包含光成像器13与电路板11之间的电连接。在图1所示的实施例中，这个电连接包括柔性连接器17。柔性连接器用来连接电路板11和光成像器13(两者均是基本上刚性的)，具有用于其中之一或两者的移动的余地。图1中的光成像器13可因机械力、例如振动而移位，但是尽管这个移动柔性连接器17还是保持电连接。柔性连接器17能够使用任何连接(包括到光成像器13的热超声接合18以及到电路板11的广濑(Hirose)类型转换器19)来连接到光成像器13和电路板11。

检测器组合件10的一些实施例的顶视图在图2中示出。图2中，光成像器13的接触指区域25连接到柔性连接器17。接触指区域25能够包括列A/D转换器(column A/D convertor)、扫描驱动电路和接触垫，这些使用柔性连接器17来连接到检测器控制电子器件。

检测器10可通过形成图1所示的结构的任何方法来组装。在一些实施例中，闪烁器14能够沉积到光成像器13的光电检测器层上。该方法还可包括将光反射器沉积到闪烁器14的顶面上。所产生结构则设置在支承基板12(其已经连接到电路板11)上。盖15、例如碳纤维盖可沉积到光反射器上。密封剂16则能够设置在闪烁器14和盖15的侧表面上。最后，柔性连接器17则接合到光成像器13的上表面和电路板11的底面，从而产生如图1所示的检测器组合件。

在其他实施例中，CMOS光成像器13与电路板11之间的电连接能够以不同方式配置。在这些实施例中，列A/D转换器以及扫描驱动电路在像素阵列内部来构建，以及面板背面上的接触迹线能够使用穿透硅通孔(TSV)技术来实现。与图1所示的实施例相比，这个配置产生较小x-y尺寸的检测器组合件。

这些实施例的一部分在图3中示出。这个检测器组合件的组件与图1所示基本上相似，除了柔性连接器17配置为柔性连接器27，柔性连接器27配置成从CMOS光成像器13重新路由电信号经过支承基板12并且然后到电路板11。在一些实施例中，光成像器13可胶合到基板12上，以及密封剂16可施加在闪烁器盖15与基板12之间。

图4示意示出能够用于检测器组合件10的一些配置中的像素的二维(2D)阵列以及扫描驱动器电路和读出电路。图4中，扫描驱动器电路30与位于阵列的一列上的像素共用基板面(real estate)空间，以及读出电路与阵列的一行上的像素共用该空间。读出行和扫描列定位成远离方形圆的圆角，以确保2D阵列中的所有像素是可达到的。扫描电路依次选择一行像素来读取，并且然后在读取之后重置那些像素。读出电路对模拟像素信号进行取样，将模拟信号数字化，并且经由数据总线将数字化像素值逐个传递给检测器控制板。读出电路中的A/D的引入以及数据总线的使用极大地减少传递像素数据的导线的数量，这减少接触指的数量，并且简化所使用的TSV技术。

图5-12示出SS平板检测器的形状的一些实施例。在一些配置中，形状可以是超椭圆形状或者无角形状。无角形状包括缺少一个或多个90度角的形状(即，相互基本上垂直地延伸的两条边，而没有包含那些边之间的90度角)。无角形状可包含具有小于90度的度数的角。这类形状的一些示例包括圆角正方形、圆角矩形、切角正方形、切角矩形、具有弯曲边界的矩形、截断圆、八边形、六边形或任何其他适当形状。

在检测器具有超椭圆的形状的情况下，它能够具有允许它被分类为超椭圆的任何适当特性(如本文所述)。作为举例，孔径能够是通过从以下所选的公式所生成的形状：(i) |x-a|ⁿ+|y-b|ⁿ=|r|ⁿ，以及(ii)，其中a、b是中心点；r是短轴；n等于4；以及r_a和r_b分别是半长和半短轴。

图5示出超椭圆的形状的一些实施例。图5中，检测器分别包含第一51图像边缘和第二52图像边缘、第二52边缘和第三53边缘、第三53边缘和第四54边缘以及第四54边缘和第一51边缘，它们没有在物理上以90度角相交。而是去除检测器角56，因此检测器的第一边缘和第三边缘53各通过非线性(即，基本上弯曲)图像边界与第二边缘52和第四边缘54分隔。

图6示出平板检测器的形状的其他实施例。图6中，检测器包含两个角56，两个角56没有两个垂直边缘之间(例如第三53边缘与第四54边缘之间以及第一51边缘与第四54边缘之间)的90度角。图6中的配置对乳房x射线照相应用能够是有用的。在这个配置中，具有两个直角的边缘能够靠着患者的胸壁放置。因此，在相对侧的两个角上将不存在患者解剖组织，从而允许它们被圆化。

实际上，检测器能够具有相互垂直地延伸的相邻边缘之间的任何适当形状边界。适当边界的一些示例包括具有圆弧的形状的边界、斜切边界、圆化边界、凸边界、凹边界、锯齿边界、弯曲边界、不规则边界等。在这个方面，图7示出全部四个边界包括弧形边界65的一些实施例。图8示出检测器的四个边界的每个包括圆化边界以使得检测器包括圆角正方形(或者在其他配置中的圆角矩形)的一些配置。以及图9示出检测器的四个边界63的每个包括斜切边界以使得检测器包括切角正方形(或者在其他配置中的切角矩形)的一些配置。

在一些配置中，边界分隔两个基本上垂直的边缘。在这些配置中，边界能够具有允许检测器按照本文所述来起作用的任何适当形状。作为举例，图10示出具有主要正方形的检测器10，图12示出为主要圆形形状的检测器，以及图11示出检测器10具有图10与图12所示形状之间的形状。

方形圆平板检测器能够用于任何射线照相或荧光系统中。射线照相系统的一些实施例在图13中示出，图13示意示出用于获取和处理图像数据的x射线系统110。在所示实施例中，x射线系统110是按照当前技术的数字X射线系统，其设计成获取原始图像数据并且处理该图像数据以供显示。在图13所示的实施例中，x射线系统110包括定位成与准直仪114相邻的X射线辐射源112。准直仪114准许辐射流116传送到对象或受检者118所在的区域中。辐射120的一部分穿过对象或围绕对象而经过，并且作用于数字X射线检测器(其一般以参考标号122来表示)。如本领域的技术人员将会理解的，数字X射线检测器122可将在其表面所接收的X射线光子转换成较低能量光子，并且随后转换成电信号，电信号被获取和处理以重构受检者中的特征的图像。

X射线辐射源112由为检查序列提供电力和控制信号的电力供应/控制电路124来控制。此外，数字X射线检测器122在通信上耦合到检测器控制器126，检测器控制器126命令获取检测器122中生成的信号。在当前所示实施例中，检测器122可经由任何适当无线通信标准(R)与检测器控制器126进行通信，但是也设想经过电缆(T)或另外某个机械连接与检测器控制器126进行通信的数字X射线检测器122的使用。检测器控制器126还可运行各种信号处理和过滤功能，例如用于动态范围的初始调整、数字图像数据的交织等等。

电源/控制电路124和检测器控制器126均响应来自系统控制器128的信号。一般来说，系统控制器128操作x射线系统110，以运行检查协议并且处理所获取图像数据。系统控制器128还能够包括：信号处理电路，通常基于经编程通用或专用数字计算机；关联制品，例如光存储器装置、磁存储器装置或固态存储器装置，用于存储由计算机的处理器所运行以执行各种功能性的程序和例程，以及用于存储配置参数和图像数据；接口电路；等等。在图13所示的实施例中，系统控制器128能够链接到至少一个输出装置、例如显示器和/或打印机130。输出装置可包括标准或专用计算机监视器及关联处理电路。一个或多个操作员工作站132还可链接在系统中，用于输出系统参数、请求检查、查看图像等。一般来说，系统中提供的显示器、打印机、工作站和类似装置可以是数据获取组件本地的，或者可远离这些组件，例如在机构或医院中的其他位置、或者在完全不同的位置，经由诸如因特网、虚拟专用网络之类的一个或多个可配置网络而链接到图像获取系统，等等。

如图13所示的X射线系统110还可包括一般配置成满足某些应用的特定需要的多种备选实施例。例如，X射线系统110可以是固定系统、移动系统或者移动C型臂系统，其中X射线检测器永久地安装在C型臂的一端内部或者是从系统可拆卸的。此外，X射线系统110可以是固定X射线室中的台架和/或壁架系统，在固定X射线室X射线检测器122与系统永久地安装在一起或者是便携的。备选地，X射线系统110可以是具有便携X射线检测器的移动X射线系统。这种便携X射线还可采用可分离系缆或电缆来构成，系缆或电缆用来将检测器读出电子器件连接到扫描仪的数据获取系统。在未使用时，便携X射线检测器可与扫描站分离以供存放或转移。

射线照相系统的其他实施例在图14中示出。在这些实施例中，X射线系统能够包括移动X射线装置(例如包括C型臂、小型C型臂、O型壁、非圆形臂等的X射线装置)和固定X射线装置。作为说明，图14示出X射线成像系统215，其包括包含SS平板检测器的C型臂X射线装置218。

在图14所示的实施例中，X射线系统215包括X射线源220、X射线检测器225和准直仪230。能够使用任何适当X射线源，包括标准X射线源、旋转阳极X射线源、静止或固定阳极X射线源、固态X射线发射源或者荧光镜X射线源235(如图14所示)。能够使用任何适当X射线检测器，例如图像增强器或者SS平板数字检测器240(如图14所示)。

图14示出准直仪230包括定义孔径250的X射线衰减材料245的一些实施例。准直仪230能够包括允许它对X射线束进行准直的任何适当X射线衰减材料245。适当X射线衰减材料的一些示例包括钨、铅、金、铜、钨浸渍基板(例如采用钨所浸渍的玻璃或聚合物)、涂敷基板(例如涂敷有钨、铅、金等的玻璃或聚合物)、钢、铝、青铜、黄铜、稀土金属或者其组合。

使用SS平板检测器能够产生具有与检测器本身基本上相同形状的x射线图像。示范x射线图像在图15中示出。在这些实施例中，X射线图像1000具有下列形状的周界：(i)超椭圆形状；以及(ii)具有基本上相互垂直地延伸的至少两个基本直边缘的无角形状，其中这类边缘没有在物理上以90度角相交。通过具有所述形状的任一个，x射线图像能够在显示装置(例如正方形或矩形监视器、屏幕、投影仪、TV等)的显示区的较大部分来显示，并且整个图像能够在围绕其中心旋转时来查看，而无需图像被重新整形或重新调整大小。因此，x射线图像能够在显示装置上的旋转期间保持其大小和几何结构，同时使其屏幕上的图像大小以及用来拍摄图像的X射线检测器的受体区域的量为最大。

使用SS检测器能够提供数字平板检测器(FPD)的特征的一部分以及图像增强器的特征的一部分。这些装置通常均用作x射线检测器。FPD通常具有矩形或正方形形状，而图像增强器通常具有圆形形状。FPD常常在许多方面(包括更高的动态范围、更好的亮度和空间分辨率均匀性、更少的杂光、没有几何结构失真和地场失真(earth field distortion)等)胜过x射线图像增强器。但是与图像增强器的圆形形状相比，矩形形状的角使FPD在x-y尺寸方面较大、在成像系统(即，移动C型臂)中在人机工程学上不太灵活。矩形角也使得在许多临床应用中难以定位移动C型臂装置。

在许多常规成像系统中，所显示的图像常常旋转角度以使用户方便审阅。为了防止物理解剖组织大小在FPD中的旋转期间改变，成像过程中没有使用图像的角。但是这个去除使图像的角无用。实际上，为了减少患者的被辐射面积，x射线源的准直仪常常设计成使得检测器的角甚至没有采用x射线来辐射。

采用方形圆形状，SS检测器的有效感测区能够比圆形x射线图像增强器要大。实际上，SS检测器能够具有与正方形与圆形之间的重叠区域基本上相似的感测区，其中圆的直径在1×正方形边长与正方形边长之间。

除了改进人机工程学之外，使用方形圆形状感测区还更有效地利用硅晶圆。工业标准硅晶圆通常具有直径为1英寸(25 mm)、2英寸(51 mm)、3英寸(76 mm)、4英寸(100 mm)、5英寸(130 mm)、150 mm(5.9”)、200 mm(7.9”)、300 mm(11.8”，通常称作12英寸晶圆)以及450 mm(17.7”，通常称作18英寸晶圆)的圆形形状。但是为了生产标准21 cm正方形FPD，如从图16所看到的，单件12英寸晶圆不是足够大。因此，代而是两个组合晶圆(或者18英寸晶圆)用来制作21 cm正方形FPD。这些选项均引起浪费并且增加成本。但是，将感测区改变成方形圆形状能够使用12英寸晶圆来提供21 cm方形圆FPD。

除了任何先前所示修改之外，许多其他变化和备选布置也可由本领域的技术人员来设计，而没有背离本描述的精神和范围，并且所附权利要求书意在涵盖这类修改和布置。因此，虽然以上结合当前被认为是最实际和优选方面具体详细描述了信息，但是本领域的技术人员将会清楚地知道，可进行非限制性地包括形式、功能、操作方式和使用的许多修改，而没有背离本文所述的原理和概念。另外，如本文所使用的示例和实施例在所有方面意在只是说明性的，而不应当被理解为任何方式的限制。