辐射感测热塑性复合面板的制作方法

本发明总体地涉及闪烁材料领域，并且具体来说，涉及挤压闪烁材料，包括热塑性聚烯烃和闪烁体材料。更具体来说，本发明涉及包括含有热塑性聚烯烃和闪烁体材料的挤压闪烁层的透明闪烁体面板，以及用于制造所述透明闪烁体面板的方法。发明背景闪烁体是将高能辐射(如x射线和伽玛射线)转化为可见光的材料。闪烁体被广泛应用于检测和非侵入性成像技术中，如用于医疗和筛选应用的成像系统。在这类系统中，高能光子(例如，来自射线源的x射线)通常穿过接受成像的人体或物体，并且在成像容积的另一侧，撞击与光检测设备相关联的闪烁体。所述闪烁体通常响应于高能光子碰撞生成光学光子。然后所述光学光子可以由光检测设备进行测量和量化，从而提供入射到光检测器(通常是光电检测器)上的高能辐射的量和位置的替代度量。例如，闪烁体面板通常用于计算机断层扫描(ct)成像系统。在ct系统中，x射线源朝向能够进行成像的对象或物体(如患者或一件行李)射出扇形波束。来自x射线的高能光子在由所述对象或物体衰减后与闪烁体面板碰撞。所述闪烁体面板将所述x射线转换为光能(“光学光子”)并且所述闪烁体面板照亮，从而使由光电检测器(通常是光电二极管)所捕获的光学光子放电，所述光电检测器响应于放电后的光学光子生成相应的电信号。然后光电二极管输出被传送到数据处理系统用于图像重建。基于所述光电二极管输出信号所重建的图像提供了类似于可通过常规照相胶片技术得到的对象或物体的投影。分辨率是任何成像系统或装置的关键标准，尤其是在ct系统等中。在ct和其它类似成像系统的情况下，许多因素可以决定分辨率；但是，本申请重点在于闪烁面板及其对分辨率的影响。当使用连续、均匀的闪烁层时，已知的是，闪烁光的横向传播降低了图像分辨率。例如，当响应于x射线暴露生成光学光子时，由于闪烁面板的光学性质，这些光学光子可以在所述面板中传播或分散，并可以由耦连到所述闪烁面板上的多于一个光检测器所检测到。由多于一个光检测器进行的检测通常导致图像分辨率降低。已开发出若干方法(包括减小所述闪烁层的厚度)来帮助抵消光学光子扩散。这减少了所述光学光子在闪烁层中可能穿行的距离。然而，由于存在更少的闪烁材料用于源辐射光子进行激发，因此闪烁层越薄，转换效率越低。因此，对于给定应用来说，最佳闪烁层厚度反映了成像速度与所需的图像清晰度之间的平衡。本领域中已知的另一种方法是采用掺铊碘化铯(csi:tl)闪烁层。掺铊碘化铯闪烁面板有可能为射线照相应用提供出色的空间分辨率，因为基于csi的面板能够表现出高x射线吸收率和高转换效率。然而，由于基于csi的材料的机械和环境脆弱性，在实际应用中这可能很难实现。例如，csi是高度水溶性和高度吸湿性的。用csi:tl制成的任何闪烁面板必须保持在密封、低湿度的环境中，以避免吸引可能负面地影响发光的水。csi:tl结构在机械上也是脆弱的，从而在制造期间和之后需要专门的处理程序，如完全封闭在耐冲击容器中。结果是，在已经成功实现了掺铊碘化铯闪烁面板的图像质量益处的应用中，生产(和最终产品)成本是相当高的。一种使用掺铊碘化铯的替代方法用来提高闪烁体面板中的闪烁层的透明度。通常理解的是，完全透明的闪烁面板将提供最高的空间分辨率。然而，虽然最为透明的闪烁体将是单晶，但尚未将单晶闪烁体面板构建成具有对于射线照相应用实际有用的尺寸和足够的x射线吸光率。提高透明度的另一种选择是在具有与闪烁体的折射率完全相同或非常相似的折射率的聚合物基体中分散微粒闪烁体；但是，这种方法要求在所述聚合物基体中高度加载闪烁体颗粒，这到目前为止尚未成功实现具有实际有用的尺寸和足够高的闪烁体微粒加载。虽然现有技术在其特定应用中可能已经取得了一定程度的成功，但仍有必要以成本友好的方式提供不仅具有接近基于csi的闪烁体面板的图像质量的图像质量，而且具有优异的机械和环境稳健性的透明闪烁体面板。发明概述在一方面中，本发明提供了一种透明闪烁体面板，其包括挤压闪烁层，所述挤压闪烁层含有热塑性聚烯烃和闪烁体材料，其中所述透明闪烁体面板具有比溶剂涂覆型drz+屏幕的ih50大至少5％的固有mtf。在另一方面中，还公开了一种闪烁检测系统，其包括透明闪烁体面板，所述透明闪烁体面板包括挤压闪烁层，所述挤压闪烁层含有热塑性烯烃和闪烁体材料；和至少一个光电检测器，其耦连到所述透明闪烁体面板上，其中至少一个光电检测器被配置来检测从所述透明闪烁体面板生成的光子。在又一方面中，公开了一种制造透明闪烁体面板的方法，所述方法包括提供含有至少一种热塑性聚烯烃和一种闪烁体材料的热塑性颗粒；以及熔融挤压所述热塑性颗粒来形成挤压闪烁层。这些目标仅仅通过说明性实施例给出，且所述目标可例示本发明的一个或多个实施方案。本发明所固有实现的其它理想目标和优势可能存在或对本领域技术人员显而易见。本发明由所附权利要求书所限定。附图简述自下文如附图中所述的对本发明的实施方案的更为具体的描述，将明白本发明的前述和其它目标、特征以及优势。附图的元件相对于彼此不一定成比例。图1a至图1c示出根据本公开的各种实施方案的闪烁体面板的示例性部分。图2比较了根据本公开的各种实施方案的闪烁体面板与本领域中的比较性闪烁体面板的mtf性能。图3比较了根据本公开的各种实施方案的闪烁体面板与本领域中的闪烁体面板的固有mtf性能。发明详述下文是参照附图对本发明的优选实施方案做出的详细描述，其中在若干图中的每一图中相同的元件符号表示相同的结构元件。本文的示例性实施方案提供了包括用热塑性聚烯烃和闪烁体材料制成的挤压闪烁层的透明闪烁体面板及其制备方法。在实施方案中，所述透明闪烁体面板具有比溶剂涂覆型drz+屏幕的ih50大至少5％的固有mtf。图1a至图1c示出根据本公开的各种实施方案的示例性透明闪烁体面板100的部分。如本文所用，除非另外说明，否则“闪烁体面板”应理解为具有其在本领域中的普通含义，并且是指可以在暴露于x辐射后立即生成可见光的面板或屏幕(也被称为“即刻放射面板”或“增感屏”)。因此，“面板”与“屏幕”在本文中可互换使用。本领域的普通技术人员将很容易明白，图1a至图1c中所示出的闪烁体面板100表示广义的示意性图示并且可以添加其它部件或者可以去除或修改现有部件。本文所公开的闪烁体面板可以采取任何方便的形式，只要其满足用于计算机或数字射线照相术中的所有通常要求。如图1a中所示，闪烁体面板100可以包括支承件110和布置在支承件110上方的挤压闪烁层120。任何适合在闪烁体面板中使用的柔性或刚性材料都可以用作支承件110，如玻璃、塑料膜、陶瓷、聚合材料、碳基板等。在某些实施方案中，支承件110可以由陶瓷(例如，al2o3)或金属(例如，al)或聚合物(例如，pet)材料制成。同样如图1a中所示，在一方面中，支承件110可以与闪烁层120共挤压。替代地，如果需要的话，在所述闪烁体面板中可以将支承件省略。如图1b和1c中所示，所述闪烁体面板可以包括闪烁层120和/或不透明层150而不具有支承件。在一方面中，可以将不透明层150挤压(例如熔融挤压)在支承件110上来免除环境光到达所述闪烁层。例如，在一个实施方案中，不透明层150可以包括黑色染料或炭黑以及合适的粘合剂，如聚乙烯(例如，ldpe)。如图1a中所示，可以将不透明层150挤压在支承件110的背面上(例如，在支承件110的具有闪烁层120的相对侧上)或者在与所述闪烁层相同的一侧上(例如，夹在支承件110与闪烁层120之间)。替代地，如果支承件110包括具有黑色表面的碳载体(例如，石墨)，那么可能不需要不透明层。在又一方面中，可以在具有亦或不具有支承件的情况下将不透明层150与所述闪烁层共挤压，如图1c中所见。在一方面中，可以将防卷曲层共挤压在支承件的任一侧上(如果使用了支承件的话)，或在闪烁体屏幕的一侧上，以便管理所述闪烁体屏幕的尺寸稳定性。支承件110的厚度可以取决于所用的材料而有所不同，只要其能够支撑本身和布置在其上的层。一般来说，所述支承件可以具有范围从约50μm至约1,000μm，例如从约80μm至约1000μm，如从约80μm至约500μm的厚度。支承件110可以具有光滑或粗糙的表面，这取决于所需的应用。在一个实施方案中，所述闪烁体面板不包括支承件。如果包括了支承件的话，那么闪烁层120可以布置在支承件110上方。替代地，闪烁层120可以单独挤压或与不透明层和防卷曲层及其组合共挤压，如图1b和图1c中所示。闪烁层120可以包括热塑性聚烯烃130和闪烁体材料140。热塑性聚烯烃130可以是聚乙烯、聚丙烯及其组合。在一方面中，所述聚乙烯可以是高密度聚低密度聚乙烯(ldpe)、中密度聚乙烯(mdpe)、线性低密度聚乙烯(lldpe)、超低密度聚乙烯(vldpe)等。在一个优选实施方案中，热塑性聚烯烃130是低密度聚乙烯(ldpe)。相对于闪烁层120的总体积，热塑性聚烯烃130可以以范围从约1％至约50体积％(例如，从约10％至约30体积％)的量存在于闪烁层120中。闪烁层120可以包括闪烁体材料140。如本文所用，除非另有说明，否则“闪烁体材料”和“闪烁材料”可以互换使用并被理解为具有本领域的技术人员所理解的普通含义。“闪烁体材料”是指当用高能光子(例如，x射线)刺激并将其吸收后能够立即放射出低能光子(例如，光学光子)的无机材料。可以用于本公开的实施方案中的材料包括金属氧化物、金属卤氧化物、金属硫氧化物、金属卤化物等及其组合。在多个实施方案中，闪烁体材料140可以是金属氧化物，例如，y2sio5:ce；y2si2o7:ce；lualo3ce；lu2sio5:ce；gd2sio5:ce；ya1o3:ce；zno:ga；cdwo4；lupo4:ce；pbwo4；bi4ge3o12；cawo4；re3a15o12:ce及其组合，其中re是至少一种稀土金属。在另一个实施方案中，除了或代替所述金属氧化物，闪烁体材料140可以包括一种或多种金属硫氧化物，如gd2o2s、gd2o2s:tb、gd2o2s:pr等及其组合。在其它实施方案中，闪烁体材料140可以包括金属卤氧化物，如laox:tb，其中，x是cl、br或i。在另外的实施方案中，闪烁体材料140可以是具有通式为m(x)n:y的金属卤化物，其中m是la、na、k、rb、cs中的至少一种；每个x独立地是f、cl、br或i；y是tl、tb、na、ce、pr以及eu中的至少一种；并且n是1与4之间的整数，包括1和4。除了其它之外，这类金属卤化物可以包括(例如)lacl3:ce和labr3:ce。可以用于本公开的实施方案中的其它金属卤化物种类包括rbgd2f7:ce、cef3、baf2、csi(na)、caf2:eu、lii:eu、csi、csf、csi:tl、nai:tl及其组合。类卤化物种类(如cds:in和zns)也可以用于本公开的实施方案中。优选地，闪烁体材料140是金属硫氧化物，如gd2o2s。在多个实施方案中，相对于挤压闪烁体层120的体积，闪烁体材料140可以以范围从约50体积％至约99体积％(例如，从约70体积％至约90体积％)的量存在于挤压闪烁体层120中。热塑性聚烯烃130和闪烁体材料140被熔融混配来形成复合热塑性颗粒，然后所述复合热塑性颗粒被挤压来形成闪烁层120。例如，所述复合热塑性颗粒可以通过使用双螺杆混配机将热塑性聚烯烃130与闪烁体材料140熔融混配来制备。热塑性聚烯烃130与闪烁体材料140的比例(聚烯烃：闪烁体)的范围可以是从约1:100至约1:0.01(按重量或体积)，优选从约1:1至约1:0.1(按重量或体积)。在熔融混配期间，可以穿过十个加热区混配并加热热塑性烯烃130和闪烁体材料140。例如，第一加热区可以具有范围从约175℃至约180℃的温度；第二加热区可以具有范围从约185℃至约190℃的温度；第三加热区可以具有范围从约195℃至约200℃的温度；第四加热区可以具有范围从约195℃至约200℃的温度；第五加热区可以具有范围从约185℃至约190℃的温度；第六加热区可以具有范围从约185℃至约190℃的温度；第七加热区可以具有范围从约185℃至约190℃的温度；第八加热区可以具有范围从约185℃至约190℃的温度；第九加热区可以具有范围从约180℃到约175℃的温度；并且第十加热区可以具有范围从约175℃至约170℃的温度。每个区中的时间段取决于所使用的聚合物。一般来说，可以持续一定时间并且以足以熔融所述聚合物并在不分解所述聚合物的情况下将所述闪烁体材料并入的温度来加热所述聚合物。每个区中的时间段的范围可以从约0.1分钟至约30分钟(例如，从约1分钟至约10分钟)。在退出熔融混配机后，所述复合热塑性材料可以进入水浴来冷却并硬化成连续束。可以将所述束制粒并在约40℃下干燥。用于热塑性聚烯烃130和闪烁体材料140中的每一种的螺杆转速和给料速率可以根据需要进行调整，以便控制各材料在所述复合热塑性材料中的量。可以挤压所述复合热塑性材料来形成闪烁层120，其中在热塑性聚烯烃130内插入(“加载”)闪烁体材料140。例如，闪烁层120可以通过熔融挤压所述复合热塑性材料来形成。在不受理论限制的情况下，我们相信通过挤压来形成闪烁层120提高了所述闪烁层的均匀性、提高了光学透明性并且在溶剂在溶剂涂覆方法(例如，drz-加(“drz+”)屏幕，可从mcioptonix有限责任公司获得)中蒸发时，消除了不希望的“蒸发空间”(这可能造成空间分辨率降低)，从而提高了闪烁层120的光学透明度和包括所公开的闪烁层120的闪烁体面板的空间分辨率。因此，根据本公开的透明闪烁体面板100可以具有优异的高能辐射吸收率(“阻滞能力”)和高转换效率以及机械和环境稳健性。在实施方案中，具有所公开的挤压闪烁层120的透明闪烁体面板100可以具有比溶剂涂覆型drz+屏幕的ih50大至少5％(例如，比溶剂涂覆型drz+屏幕的ih50大约50％至约95％)的固有mtf。如本文所用，除非另有说明，否则固有mtf(也被称为“通用mtf”)被理解为具有其在本领域中的普通含义，并且可以从调制传递函数(mtf)中导出。固有mtf(imtf)可以从mtf中导出，如下面的公式中所示：imtf(v)＝mtf(f*l)，其中f是空间频率并且l是屏幕厚度，(因此，v＝f*l是无量纲量)。如本文所用，ih50是imtf＝0.5时v的值。如本文所用，ih50的改进的度量是相对于drz+屏幕的ih50计算出来的。在计算机或数字x放射照相术中，所述mtf是由用于x射线吸收的闪烁体面板主导性地决定的。许多良好建立的方法可以用于测量mtf，所有这些方法基本上都涉及捕获物体的x射线图像中的提供了x射线信号的从高向低的突然变化的灰阶渐变过渡。以下文献中描述了测量mtf的示例性方法：a.cunningham和a.fenster，“amethodformodulationtransferfunctiondeterminationfromedgeprofileswithcorrectionforfiniteelementdifferentiation”，med.phys.14,533-537(1987)；h.fujita、d.y.tsai、t.itoh、k.doi、j.morishita、k.ueda以及a.ohtsuka，“asimplemethodfordeterminingthemodulationtransferfunctionindigitalradiography”，ieeetrans.med.imaging11,34-39(1992)；e.samei和m.j.flynn，“amethodformeasuringthepresamplingmtfofdigitalradiographicsystemsusinganedgetestdevice”，med.phys.25,102-113(1998)；e.samei、e.buhr、pgranfors、dvandenbroucke以及xwang，“comparisonofedgeanalysistechniquesforthedeterminationofthemtfofdigitalradiographicsystems”，physicsinmedicineandbiology50(15)3613(2005)；esamei、n.t.ranger、j.t.dobbins以及y.chen，“intercomparisonofmethodsforimagequalitycharacterization.i.modulationtransferfunction”med.phys.33,1454(2006)，所有这些文献的全部内容以引用的方式并入本文。在一个优选实施方案中，闪烁层120与不透明层150在没有基板的情况下共挤压。熔融挤压机的螺杆转速和泵速可以进行调整来单独控制闪烁层120和不透明层中的每一个的厚度。在各方面中，挤压闪烁层120不含有陶瓷纤维。闪烁层120的厚度范围可以从约10μm至约1000μm，优选从约50μm至约750μm，更优选从约100μm至约500μm。可选地，透明闪烁体面板100可以包括布置在闪烁层120上方的保护性涂层。所述保护性涂层可以包括通常用于此目的的一种或多种聚合物粘合剂，如纤维素酯(例如，醋酸纤维素)和提供所需机械强度和耐刮伤以及耐潮性的其它聚合物。然而，在透明闪烁体面板100上包括保护层可能降低空间分辨率。在一个实施方案中，闪烁检测系统可以包括所公开的耦连到至少一个光电检测器160上的透明闪烁体面板100。所述至少一个光电检测器160可以被配置来检测从透明闪烁体面板100生成的光子。至少一个光电检测器160的非限制性实例包括光电二极管、光电倍增管(pmt)、ccd传感器(例如，emccd)、图像增强器等及其组合。特定光检测器的选择将部分取决于正在制造的闪烁面板的类型和用所公开的闪烁面板制造的最终装置的预期用途。实施例复合热塑性颗粒生产根据本公开制备的复合热塑性颗粒含有80wt.％的氧硫化钆(gd2o2s)(“gos”)和20wt.％的低密度聚乙烯(ldpe811a，可从得克萨斯州的休斯顿西湖化学公司(westlakechemicalcorp.)获得)。gos粉末被装载到给料器2中并且ldpe被装载到雷斯特利滋(leistritz)双螺杆混配机的给料器4中。模具温度被设定为200℃并且所述混配机内的10个加热区被设定为下表1中所示的温度：表1区12345678910温度(℃)180190200200190190190190175170螺杆转速为300rpm，并且gos粉末和ldpe被重力给送到所述螺杆混配机中。在退出模具后，所述复合热塑性颗粒(包括加载有gd2o2s的ldpe)进入25℃的水浴中来冷却并硬化成连续束。然后，将所述束在制粒机中制粒并在40℃下干燥。闪烁体层与不透明层的共挤压ldpe中的5％炭黑颗粒是通过在与用于生产所述复合热塑性材料相同的条件下在雷斯特利滋双螺杆混配机中将碳黑母料(ampacet黑色mb-191029，可从纽约的塔利顿amapacet公司获得)与ldpe(811a，可从得克萨斯州的休斯顿西湖化学公司获得)进行熔融混配来制备的。碳黑母料被装载到给料器1中并且ldpe被装载到所述双螺杆混配机的给料器4中。螺杆转速为300rpm，并且碳黑和ldpe被重力给送到所述螺杆混配机中。在退出模具后，炭黑进入25℃的水浴中来冷却并硬化成连续束。然后，将所述束在制粒机中制粒并在40℃下干燥。对于本发明的实例1至3中的每一个，所述粒化复合热塑性材料被装载到单螺杆基林(killion)挤压机中，并且所述粒化炭黑颗粒被加载到单螺杆戴维斯标准(davis-standard)挤压机中。在各挤压机中，加热区被设定为下表2a和表2b中所示的温度：表2a表2b这两种类型的粒化材料(复合热塑性材料和炭黑)通过单一模具进行共挤压，其中模具温度设定在400°f来形成透明闪烁体面板(本发明的面板1和面板2)。所述粒化复合热塑性材料形成了透明闪烁层，并且所述粒化炭黑形成了所述透明闪烁层下方的炭黑层。对于本发明的面板1和面板2中的每一个，螺杆转速、给料速率以及层厚度在下表3中进行了描述。对于本发明的面板3，所述炭黑层不是与所述复合热塑性材料共挤压；相反，具有光学密度(od)4.5的黑色膜在放射照相测量中被置于所述闪烁层下方。表3上文所描述的本发明的面板1至面板3以及本领域中已知的三种类型的闪烁面板的特性在下表4中进行了描述：表4表4中的所有面板的mtf都使用上文所描述的mtf方法来测量。结果展示于图2中。表4中的所有面板的固有mtf都是从所测定的mtf使用公式imtf(v)＝mtf(f*l)计算而来，如图3中所示。表4中的每个面板的ih50(imtf＝0.5时v的值)也是使用上面的同一个公式计算而来，如下表5中所描述：表5面板类型ih50drz+0.22minr-ev0.21csi0.76本发明的面板10.37本发明的面板20.24本发明的面板30.345如图2和图3中所见，溶剂涂覆型面板(drz+，可从mcioptonix有限责任公司获得，和kodakmin-rev，可从carestreamhealth获得)与csi面板的mtf和imtf性能之间存在较大差距；然而，所公开的挤压面板的mtf和imtf优于溶剂涂覆型面板并且接近csi面板的imtf。在不受理论限制的情况下，我们相信通过挤压来形成闪烁层120提高了所述闪烁层的均匀性，并且当溶剂在溶剂涂覆方法中蒸发时，消除了不希望的“蒸发空间”(这可能造成空间分辨率降低)，从而提高了闪烁层120的光学透明度和包括所公开的闪烁层120的闪烁体面板的空间分辨率。此外，在不受理论限制的情况下，我们也相信，与溶剂涂覆型面板相比，所公开的挤压闪烁体面板的折射率不匹配降低，(即，当包括闪烁层的材料具有不同的折射率时，散射的光学光子的量相对较大；折射率越不同，散射的光越多，图像分辨率越低)，并且因此，与溶剂涂覆型面板相比，表现出增大的透明度和改进的空间分辨率。当前第1页12