X‑射线探测器组件的制作方法

相交申请交叉引用

本申请要求于2014年12月30日提交的美国临时专利申请号62/097,650的优先权，其全部内容通过引用被并入本文中。

本发明一般涉及数字x-射线探测器组件，并且具体地涉及数字x-射线探测器面板。

背景技术：

关于各种技术应用，数字放射成像的用途一直是无法估量的。数字放射成像是医疗领域的中流砥柱，允许健康卫生保健专业人员快速地识别和诊断其病人的身体内异常情况。另外，其在工业领域的用途变得日益重要，用于显现零件、行李、包裹和其它物体的内部组成，并用于显现物体的结构完整性和其它目的。实际上，数字x-射线探测器的发展已经提高了放射成像领域的工作流和图像质量。

一般，放射成像涉及被引导朝向感兴趣物体的x-射线的生成。x-射线通过物体并在物体周围，然后冲击x-射线膜、x-射线盒或数字x-射线探测器。在数字x-射线探测器的背景下，这些x-射线光子穿过闪烁器，闪烁器将x-射线光子转换成可见光光子或光学光子。光学光子然后与数字x-射线感受器的光探测器碰撞，转换成电信号，电信号然后被处理为能够被容易地查看、存储和/或电子传送的数字图像。

转换因数(cf)是数字x-射线探测器的质量度量，其一般在工业上被认可。其定义为对每个入射的x-射线光子，由探测器生成的电子的数目。cf的值根据x-射线光子的能量以及x-射线探测器的光效率而变化。

在低剂量应用中，诸如荧光成像中，cf通常比一些其它应用高，以降低电子噪声的影响。然而，在高剂量应用中，诸如放射摄影成像中，我们需要控制cf以便覆盖辐射剂量的所需动态范围。

考虑对于各种应用的cf的可变性，每种应用需要专用的探测器类型，原因是对于给定的x-射线光子能量，现有的x-射线探测器具有固定的cf。在x-射线系统中，诸如放射摄影和荧光(r&f)系统中，例如，cf的值通常选择为平衡荧光成像中的低剂量性能和放射摄影成像中的动态范围。结果，cf的折中值既对荧光成像不最优，也对放射成像不是最优。结果，仍存在对能够根据需要改变单个探测器中的cf值的技术的需要，以便适应各种数字放射成像应用。

已经确定，通过将光衰减器设置于x-射线闪烁器和x-射线探测器面板的光成像器之间，并在光衰减器的一个或多个电极对两端施加变化的电压，cf可以被动态地控制，允许单个x-射线探测器适应数字放射成像的多种应用。

还确定了与光纤板(fop)相同或相似的由包层材料包围的核心(core)材料制成的光衰减器有助于防止可见光子通过光衰减器横向扩散，因此提高x-射线探测器的空间分辨率。

还确定了通过对光衰减器利用二维(2d)像素阵列，通过局部地一个像素一个像素地改变光衰减器的透光率，能够控制x-射线探测器的cf，从而保留解剖的皮肤线，消除图像烧坏(imageburnout)。

技术实现要素：

因此，本发明涉及一种x-射线探测器组件，其具有：闪烁器；光探测器，所述光探测器(photodetector)包括感测表面；以及光衰减器，所述光衰减器具有可控的透光率并位于所述闪烁器和所述光探测器的感测表面之间。

在另一实施例中，一种通过以下步骤改变数字探测器的光衰减率的方法：(a)将x-射线光子转换成可见光光子；(b)使所述可见光光子通过电致变色(electro-chromic)层；以及(c)在所述电致变色层两端施加电压，其中，改变所述电压能够改变通过所述电致变色层的至少一部分可见光的衰减。

一种x-射线探测器组件，其具有：闪烁器；可见光探测器(lightphotodetector)，所述可见光探测器包括感测表面；以及光衰减器，所述光衰减器具有可控的透光率并位于所述闪烁器和所述可见光探测器的感测表面之间，其中，所述光衰减器包括能够一个像素一个像素地改变透光率的像素阵列。

本发明通过使通用x-射线探测器可以用在要求不同的动态cf范围的多种类型的产品上，提供了制造成本的显著降低。

本发明还通过使临床医生实时地或者以别的方式根据需要针对特定的病人应用调节cf，从而避免使病人过度暴露于不必要的离子辐射，而提供了病人安全性的提升。

本发明还通过保留解剖的皮肤线，降低经常在x-射线医学成像中出现的图像烧坏，提供了改进的图像质量。

本发明还通过使临床医生在对病人拍摄x-射线医疗图像时，特别是在使用移动x-射线单元时，避免置换不同类型的探测器，提供了改进的临床工作流效率。

附图说明

图1是根据示例性实施例的x-射线探测器面板的分解图。

图2是图1的x-射线探测器面板的光衰减器的分解图。

图3a是图解说明具有高透光率的图2的光衰减器的横截面图。

图3b是图解说明具有低透光率的图2的光衰减器的横截面图。

图4是根据另一示例性实施例的x-射线探测器组件的内部结构的横截面图。

图5是根据另一示例性实施例的光衰减器的顶视图。

图6是根据另一示例性实施例的x-射线探测器面板的光衰减器的分解图。

图7是图6的光衰减器的一部分的电学框图。

图8是图解说明根据示例性实施例改变x-射线探测器的光衰减的方法的流程图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参照形成描述的一部分的附图进行，附图中通过示意来示出可以实践的特定实施例。足够详细地描述这些实施例以使得本领域技术人员能够实践这些实施例，要理解在不偏离实施例的范围下可以利用其它实施例，可以进行逻辑、机械、电学和其它变化。因此，以下详细描述不是在限制意义上进行的。

图1是根据示例性实施例的x-射线探测器面板100的分解图。参照图1，x-射线探测器面板100包括闪烁器110、光探测器阵列130和设置于光探测器130阵列和闪烁器110之间的光衰减器120。在优选实施例中，x-射线探测器面板100优选旨在用在数字x-射线探测器中。

闪烁器110将x-射线光子转换成可见光光子。在优选实施例中，闪烁器110包括离子物质，诸如碘化铯(csi)。不过，在闪烁器110中可以使用其它适当的离子物质，例如掺杂铊的碘化铯晶体(csi：tl)，掺杂铊的碘化钠(nai:tl)，掺杂钠的碘化铯晶体(csi：na)，溴化镧(labr3)，碘化铈(cei)，氧硫化钆和氧化镥(lu2o3)。

再参照图1，光探测器阵列130可以由晶体硅组成，诸如互补金属氧化物半导体(cmos)晶片、非晶硅或有机材料或前述的组合。在优选实施例中，光探测器阵列130包括多个光电二极管，其从闪烁器110吸收可见光光子，将可见光转换成对应的电信号，然后使用电信号生成x-射线图像。可以使用本领域已知的任何技术从电信号生成x-射线图像。同样，在其它实施方式中，可以使用任何其它类型的转换器将入射的可见光转换成适当的电输出信号。

图2是图1的x-射线探测器面板100的光衰减器120的分解图。现在参照图2，光衰减器120包括电致变色层122。电致变色层122可以由任何电致变色材料组成，诸如氧化钨，nio、聚苯胺、紫碱，多钨酸盐(polyxoxotngstates)等。在优选实施例中，电极层124沉积在电致变色层122的上表面上，电极层126沉积在电致变色层122的下表面上。例如，在优选实施例中，如图2中描绘的，第一电极层124和第二电极层126沉积在电致变色层122的相对的第一和第二(即上和下)表面上。电极层，包括第一电极层124和第二电极层126，可以包括例如氧化铟锡(ito)等等。不过，透光导电、并能够沉积在电致变色层122的表面上的任何物质可以适合用于电极层。尽管在优选实施例中，电极层优选施加在电致变色层的两个表面上，以便在电致变色材料两端施加电压，但两个电极层不一定是相同的。例如，在优选实施例中，电极层之一可以包括单个ito，另一电极层可以包括二维像素阵列，以便从一个像素到另一像素施加不同电压。在另一实施例中，电致变色层122可以包括液晶而不是电致变色材料。光衰减器120可以直接施加在光探测器140、闪烁器110或两者上。替代性地，光衰减器120可以被施加、并入或嵌入透光物理基板上，诸如玻璃或光纤板(fop)，形成可以组装在闪烁器110和光探测器140之间的单独的零件。

图3a是图解说明具有高透光率的图2的光衰减器120的横截面图。现在参照图3a，对具有高透光率的优选的光衰减器120进行描绘。通常，可以通过从电源128在电极层124、126两端施加变化的电压改变光衰减器120的透光率。可以由具有本领域已知的电压源的可控和可变电源施加电压。取决于这种施加，施加在电极层124、126两端的电压可以是适于应用在数字x-射线成像中的任何电压，数字x-射线成像包括但不限于荧光成像、放射摄影成像和介入成像。不过，在优选实施例中，施加在电极层124、126两端的电压不大于10伏dc，更优选地，为实现最佳结果，不大于大约5伏dc。当电极层124、126两端的电压增大时，光衰减器的透光率通常增大。当光衰减器的透光率增大时，数字x-射线探测器的cf增大，当光衰减器的透光率减小时，数字x-射线探测器的cf减小。因此，本发明允许可变地控制数字x-探测器的cf，使得单个数字x-射线探测器适用于宽范围的数字x-射线应用，包括荧光、放射摄影和介入成像等。

为了获得对各种数字x-射线应用的cf的可变性的认识，在优选实施例中使用基于非晶硅的探测器用于荧光应用，cf通常比放射摄影成像应用高，优选至少是大约1200电子/光子，但不大于大约1600电子/光子。在优选实施例中，使用基于非晶硅的探测器用于放射摄影成像应用，cf优选小于1200电子/光子，并优选在400电子/光子和800电子/光子之间，为实现最佳结果，最优选大约600电子/光子。对于基于cmos的x-射线探测器，cf可以显著低于前述的示例，原因是基于cmos的x-射线探测器具有相对较低的电子噪声，这允许cf通常低于基于非晶硅的探测器。

在优选实施例中，光衰减器的电致变色层被结构化为防止可见光子在光衰减器的水平轴两端横向扩散。

图3b是图解说明具有低透光率的图2的光衰减器120的横截面图。现在参照图3b，对具有低透光率的优选的光衰减器120进行描绘。通常，可以通过从电源128在电极层124、126两端施加变化的电压，改变光衰减器120的透光率。可以由具有本领域已知的电压源的可控和变化的电源施加电压。

图4是根据示例性实施例的x-射线探测器组件150的内部结构的横截面图。在示例性实施例中，x-射线探测器组件150包括x-射线探测器面板100，其包括闪烁器110、光衰减器120和光探测器阵列130。如参照图2提到的，光衰减器120包括由任何电致变色材料形成的电致变色层122，第一电极层124沉积在电致变色层122的上表面上，第二电极层126沉积在电致变色层122的下表面上。闪烁器110优选沉积在光衰减器120的表面上。在示例性实施例中，闪烁器110用围住闪烁器110的闪烁器盖子114和密封环氧树脂116密封。在优选实施例中，光探测器阵列130可以由晶体硅构成，诸如平铺到与闪烁器110的表面相对的光衰减器120的表面上的多个互补金属氧化物半导体(cmos)晶片，cmos晶片的感测表面朝向光衰减器。光探测器阵列130的相对侧由面板支柱140支撑，面板支柱140将一些结构提供至x-射线探测器面板100。图4的图中没有显示电子电路，其优选设置在至少一个电路板和包围x-射线探测器组件150的部件的壳体上。

图5是根据另一示例性实施例的光衰减器522的顶视图。为了防止可见光子横向扩散，提高空间分辨率，光衰减器522，包括电致变色层524，可以被构造为光纤板(fop)或其它类似结构，其中有被包层528围绕的由电致变色材料制成的核心526。包层528可以是光折射系数适合获得可见光子在核心526内的全内反射的任何材料。在优选实施例中，为了优化透光率，而不负面地影响x-射线探测器的特定分辨率，核心526的直径优选在大约4μm到大约20μm之间，为实现最佳结果，大约为6μm。核心526的横截面形状可以是圆形、六边形、方形、方圆形等。本领域技术人员可以认识到，核心526的横截面和包层528的图案不局限于图5列出的形状和图案，而是可以是防止光子在光衰减器的水平轴上横向扩散的任何形状和结构。

图6是根据另一示例性实施例的x-射线探测器面板的光衰减器620的分解图。在优选实施例中，光衰减器620的电极层包括电耦连至电致变色层622的一个或多个表面并优选是电致变色层622的上表面的像素阵列624。优选地，像素阵列624是二维(2d)像素阵列，每个像素包括薄膜晶体管和电荷储存电容器，以实现在光衰减器620的两端一个像素一个像素地施加可变电压，从而允许在个体基础上的cf控制。光衰减器620还优选包括沉积在电致变色层622的下表面上的电极层626。像素阵列624类似于液晶显示器(lcd)面板，以便局部地控制透光率。逐像素的cf控制的主要好处是降低图像烧坏的影响。

图7是图6的光衰减器620的一部分，具体是像素阵列624，的电学框图。像素阵列624包括排列成列716和行718的像素720的阵列，允许像素被单独地访问。图7图解说明访问每个个别的像素并改变每个个别的像素上的电压的能力。在优选实施例中，一列中的所有像素720连接至通用列数据线716，一行中的所有像素耦连至行选择扫描线718。

优选地，每个像素720包括作为开关工作的薄膜晶体管(tft)726和储存电容器728。电容器728用来在连续充电之间保持施加到像素720的电压(即施加的电压)。一行中的tft726的栅极耦连至行选择扫描线718。一列中的tft726的源极耦连至通用列数据线716。tft726的漏极耦连至电容器728。tft726用来选择像素阵列624的行718以便访问。电容器728被设计成在两个连续刷新之间保持施加到像素720的电压。

由行选择扫描线718和通用列数据线716实现个体像素720的可访问性。通用列数据线716连接像素阵列624的相同列中的所有像素720。行选择扫描线718用来选择要读出的像素720的期望行，而通用列数据线716用来一次对一列寻址。在由行选择扫描线718寻址行的周期中，通用列数据线716顺序地寻址所有列。每个通用列数据线716耦连至数模转换器714，数模转换器714耦连至多路复用器712和数据总线710。每个行选择扫描线718耦连至扫描模块722。

图8是图解说明根据示例性实施例改变x-射线探测器的光衰减的方法810的流程图。方法810包括在第一步骤812，通过使x-射线光子通过闪烁器，将x-射线光子转换成可见光光子。在下一步骤814，使可见光光子通过光衰减器。光衰减器包括第一电极层、电致变色材料的电致变色层和第二电极层。在另一步骤816，电压施加在光衰减器的第一和第二电极层两端，在步骤818，改变电压以改变通过光衰减器的至少一部分可见光的衰减。所述方法还包括最后一个步骤820，将至少一部分可见光光子转换成电子，形成转换因数。转换因数可以优选在大约1200电子每x-射线光子和1600电子每x-射线光子之间。转换因数还可以小于1200电子每x-射线光子。

本书面说明书使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，还使得任意本领域技术人员可实践本发明(包括制造和使用任意装置或系统和执行任意结合的方法)。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件、或者如果这样的其他示例包括与权利要求书的文字语言具有非实质性区别的等同结构元件，则这样的其他示例意欲落入权利要求书的范围内。在下列权利要求书中陈述本发明的各个特征。