专利名称:制造二维准直器元件的方法以及二维准直器元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制造用于辐射探测器的二维准直器元件的方法以及一种二维准 直器元件(Kollimatorelement)。
背景技术：
例如，在利用X射线设备、诸如用于检查患者的计算机断层造影设备的成像中采 用准直器。计算机断层造影设备具有在机架上设置的X射线系统，该X射线系统带有X射 线源和X射线探测器。通常，X射线探测器由线性地或二维地互相排列的多个探测器模块 构造。X射线探测器的每个探测器模块例如包括互相对齐的闪烁晶体阵列和光电二极管阵 列。闪烁晶体阵列和光电二极管阵列的互相对齐的元件形成探测器模块的探测器元件。在 闪烁晶体阵列上入射的X射线被转换成光，其由光电二极管阵列转换成电信号。这些电信 号构成了重建利用计算机断层造影设备所检查的对象或患者的图像的出发点。
从X射线源出发的X射线在对象中散射，从而除了 X射线源的初级辐射，在X射线 探测器上还出现杂散辐射，即，所谓的二次辐射。该杂散辐射造成X图像的噪声并且由此减 小X图像中的对比度区别的可识别性。为了降低杂散辐射影响通常为每个闪烁晶体阵列设 置一个吸收X射线的准直器，其使得只有特定空间方向上的X射线到达闪烁晶体阵列上。以 这种方式可以降低图像伪影并且在给定的对比度噪声比的情况下显著降低对患者应用的X 射线剂量。
迄今为止在计算机断层造影设备中主要使用所谓的一维准直器，其由多个在φ方 向上依次设置的准直器片(Kollimatorblechen)构造。在此，这些准直器片对齐X射线焦 点并且使得可以抑制在Φ方向上、即在机架的旋转方向上的杂散辐射。这些准直器片由钨制 造并且为了机械稳定性必须粘在支撑机构中。
在扩大在ζ方向上、即在患者轴的方向上的X射线探测器的情况下，并且在双源系 统(Dual-Source-Systemen)(在该系统中同时运行两个在一个测量平面上围绕一个固定 的角度在Φ方向上偏移地设置的用于采集投影的拍摄系统)中，还需要在ζ方向上的附加准 直。这样的二维准直器、简称2D准直器，例如在US7362894B2中或者在DE102005044650A1 中进行了描述。在此，随着探测器的宽度增加，越来越难以以足够的精度和强度来制造格 栅类的支撑机构，以便将片保持在位置上。为了实现2D准直器的高的精度和强度，此外还 公知一种制造方法，在该制造方法中为了硬化而进行与以格栅类的二维形式的金属成分的 高分子复合(Polymer-Verbindimg)。然而在此有如下缺点由于与金属复合的有限填充度 (该填充度典型地为50%)，显著降低了所构造的隔片(Stege)的准直作用。
发明内容
由此出发，本发明要解决的技术问题是，这样构造一种制造2D准直器元件的方 法，使得制成的2D准直器元件具有高的精度和强度，并且满足用于极大减少杂散辐射的前 提条件。此外本发明要解决的技术问题是，这样构造一种2D准直器元件，使得其具有所提
4到的特征。
按照本发明，通过一种制造用于辐射探测器的二维准直器元件的方法以及通过一 种二维准直器元件解决了上述技术问题。
在按照本发明制造用于辐射探测器的二维准直器元件的方法中，借助快速制造技 术(Rapid Manufacturing Technik)逐层地由吸收射线的材料形成交叉的隔片，后者沿着φ 方向和ζ方向对齐并且形成具有至少在2D准直器元件的内部区域中侧面地包围的辐射通 道的网格形结构(zellenf6rmige Struktur)。
所谓的快速制造技术是一种快速制造方法，在该方法中逐层地由粉末状的材料在 使用物理和/或化学效应的条件下构造组件。在每个制造步骤中可以选择性地将新的层非 常精确地并且薄地涂覆在现有的结构上，使得可以按照其宽度、高度和位置以非常高的精 度制造2D准直器元件的隔片。在此，该制造可以基于直接地由可以如在CAD系统中呈现的 3D表面数据以简单的方式所产生的层数据进行。在此，以这种方式制造的2D准直器元件是 一体的组件而不是由多个单个的片组成。因此其具有特别高的强度。
作为吸收辐射的材料采用没有附加粘合剂的金属粉末，从而以金属填充隔片的填 充度几乎为100%并且可实现非常有效的准直。
作为快速制造技术优选采用选择性的激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)。在该技术中按照层构造原理通过利用激光，例如利用具有大约100至1000瓦特的 激光功率的纤维激光(Faserlaser)，照射(belichten)各个层，来三维地构造2D准直器元 件。通过激光射线的好的可聚焦性，可以将激光烧结处理(Lasersinterprozess)限制到小 的面积，从而也可以制造在50至300 μ m、优选80 μ m范围的非常精细的隔片。通过激光射 线的快速偏转的可能性，可以比硬化高分子复合的公知的制造方法极大减少制造时间。
作为吸收辐射的材料，在第一优选实施方式中采用钼或含钼的合金。钼具有原子 序数42并且由此很好地适合于杂散辐射的吸收。然而，特别的优点是，与其它适合于构造 准直器的材料相比，在大约2600°C时钼具有明显更低的熔点。由此简化了制造开销。例如 在激光熔化处理中由于低的处理温度需要更小的激光功率。利用相对成本低的激光可以实 现这种功率。
另一个优点在于，钼具有与其它材料相比小的139W/(m · k)的导热性。由此可以 制造2D准直器元件的特别薄的壁结构，因为通过激光带来的热不能如此快地扩展到侧面。 由此可以有针对地以高的精度构造准直器元件的结构。
此夕卜，由于10. 28g/cm3的相对小的密度，在相同的结构大小的情况下以相应的方 式还减少了组件重量。如果在计算机断层造影设备中采用用于构造辐射探测器的这样的2D 准直器元件，则这点是特别具有优势的。也就是，由此降低了在机架旋转时最大出现的离心 力，该离心力必须由相应的对于准直器而设置的支撑或保持结构来承受。由此，简化了用于 制造在准直器和辐射探测器之间的机械连接的开销。
此外，钼是相对价格低的并且容易获得，从而通过采用钼降低了用于准直器的成 本开销。
如果作为吸收辐射的材料采用含钼的合金，则同样得到上面提到的优点。通过附 加的合金元件特别可以将机械特征和物理特征(例如相对于X射线的吸收特征)有针对地 最佳匹配到所出现的情况。
5[0017]作为吸收辐射的材料此外优选还采用钨、钽或者具有成分钨和/或钽的合金。这 些金属同样如钼那样在不采用附加的粘合剂的条件下在激光熔化时可以被采用，从而以金 属填充的填充度几乎为100%并且由此产生非常有效的准直。
在本发明的优选实施方式中，从上部出发在2D准直器元件的底部的方向上越来 越宽地构造具有φ和/或ζ对齐的隔片的宽度，从而提高网格形结构的稳定性。该宽度特别 地可以相应于局部地在2D准直器元件中预计的最大离心力来选择，该最大离心力是在计 算机断层造影设备中采用2D准直器元件的情况下在旋转运行时会出现的。
此外，从中心在2D准直器元件的侧面的方向上关于其基面越来越倾斜地构造具 有φ和/或ζ对齐的隔片。在此，特别地这样选择具有φ和/或ζ对齐的隔片关于准直器元 件的基面的倾斜角，使得处于装配(verbautem)状态的隔片在X射线源的焦点的方向上对 齐。这意味着，隔片被垂直地设置在2D准直器元件的中心区域中，使得其分别平行于辐射 面的扩展方向延伸。随着与中心的距离愈来愈远，其越来越强地向内倾斜于2D准直器元件 的中心。这点具有如下结果在2D准直器元件的边沿区域中在2D准直器元件的上部的两 个相邻的隔片之间的距离小于在其底部上的距离。
优选地，将多个在φ方向上的2D准直器元件组合成一个准直器装置，特别是用于 计算机断层造影设备的X射线探测器。由此可以制造任意大的准直器装置，其满足既在φ方 向又在Z方向上覆盖整个X射线探测器的要求。视2D准直器元件的配置不同，在每个方向 上仅一个边沿区域配备有隔片，使得开口地构造在2D准直器的边沿区域上的辐射通道。只 有在组合的准直器装置中才通过相邻的2D准直器元件的隔片封闭开口的辐射通道，从而X 射线探测器的每个单个像素通过准直器装置的隔片从四个侧面限制。然而还可能的是，特 别地在ζ方向上的两个或多个像素，在其它实施例中还根据ζ位置，位于两个相对设置的隔 片之间。也就是，在该情况下多于仅一个像素由辐射通道包围。
在本发明的一种优选实施方式中，至少在ζ方向上材料结合地 (stoff-schlussig)互相连接所述多个2D准直器元件，特别是互相粘结。在2D准直器元 件的附着方向上的隔片末端(Stegenden)和另一个与之垂直的2D准直器元件的隔片壁 (Stegwand)之间形成该材料结合的连接。在两侧地构造的其隔片的2D准直器元件情况下， 将两个邻接的2D准直器元件的互相对齐的隔片互相粘结。
在本发明的一种优选实施方式中构造用于保持或调整所述2D准直器元件的保持 和/或调整元件，从而不需要用于安装这样的元件的附加的制造过程。
以这种方式优选可以至少在两个方向中的一个方向上以简单的方式形面结合地 (formschlussig)互相连接所述2D准直器元件。
此外，按照本发明还通过一种按照上述方法的实施方式制造的2D准直器元件来 解决所述技术问题。
本发明的实施例以及本发明的其它优选实施方式在以下的示意性附图中示出。附 图中，
图1示出了计算机断层造影设备的示意图，
图2示出了 2D准直器元件的透视性侧视图，[0028]图3示出了 2D准直器元件的一个片段的前视图，并且
图4示出了 2D准直器元件的制造方法的流程图。
在附图中起相同作用的部件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了计算机断层造影设备12，其包括以X射线管7形式的辐射源，从该辐射 源的焦点发出扇形X射线13。扇形X射线13穿透待检查的对象14或患者并且出现在辐射 探测器上，此处是X射线探测器2。
X射线管7和X射线探测器2彼此相对地设置在(此处未示出的)计算机断层造 影设备12的机架上，该机架围绕计算机断层造影设备2的系统轴Z (=患者轴)在φ方向上 可旋转。S卩，φ方向表示机架的周向(Umfangsrichtung)并且ζ轴表示待检查的对象14的 纵轴。
在计算机断层造影设备2的运行中在机架上设置的X射线管7和X射线探测器2 围绕对象14旋转，其中从不同的投影方向获得对象14的X射线图。对于每个X射线投影， 穿透对象14并且由此衰减的X射线击中在X射线探测器2上。在此，X射线探测器2产生 信号，这些信号相应于击中的X射线的强度。然后分析单元15以本身公知的方式从利用X 射线探测器2所采集的信号中计算对象14的一个或多个二维或三维图像，这些图像可以在 显示单元16上显示。
X射线探测器2具有多个(在本例中是四个)探测器模块17，其在φ方向上并排设 置并且仅其中的一个用附图标记表示。每个探测器模块17包括在ζ方向上排列为行并且 在φ方向上排列为列的探测器元件18，用于将X射线转换为信号，同样由于清楚性原因用一 个附图标记表示其中的仅一个。该转换例如借助与闪烁晶体19光学耦合的光电二极管20 或者借助直接转换的半导体来进行。探测器元件18在该实施例中被按照闪烁晶体探测器 的类型构造。
从X射线管7的焦点6发出的初级辐射在对象14中在不同的空间方向上散射。该 所谓的二次辐射在探测器元件18中产生不能区别于对于图像重建所需的初级辐射信号的 信号。由此该二次辐射在没有其它措施的情况下会导致对所探测的辐射的错误解释并且由 此导致借助计算机断层造影设备2获得的图像的显著变差。为了限制二次辐射的影响，借 助准直器装置8将基本上仅从焦点6出发的X射线部分，也就是初级辐射部分，不受阻碍地 放行到X射线探测器2，而二次辐射在理想情况下完全被吸收。
相应于探测器模块17的划分(Gliederimg)，准直器装置8包括多个(在该实施例 中是四个)在φ方向上相继设置的2D准直器元件1，其中，在图2中按照透射性侧视图示出 一个2D准直器元件1。2D准直器元件1由沿着φ方向和ζ方向对齐的由吸收辐射的材料构 成的隔片3、4 一体地构成。由此隔片3、4形成具有侧面围绕的辐射通道5的网格形结构， 其中仅一个辐射通道用附图标记表示。只有在2D准直器元件1的前面的边沿区域中没有 在ζ方向上对齐的隔片4，从而在那里出现的通道21在侧面是开口的。在装配状态中，通道 21在该边沿区域中由与之相邻交界的2D准直器元件1的在ζ方向上延伸的隔片4封闭。 由此，即使在两个2D准直器元件1的交界区域中也能形成辐射通道5，其在边界区域中具有 一个具带有单个的隔片宽度的隔片4。
7[0037]隔片3、4由吸收辐射的材料钨制造。但是同样可以考虑，采用钽、具有成分钨和/ 或钽的合金或其它金属，来替代钨。
为了使得基本上仅从焦点6发出的初级辐射击中探测器元件，在装配状态中所有 的隔片4始终对齐X射线管7的焦点6。这些隔片相应地在2D准直器元件1的中心11垂 直设置。随着与中心11的距离增加，如在图3中按照2D准直器元件1的前视图示出的那 样，其关于垂直方向越来越多地向内倾斜于2D准直器元件的中心11。在图2示出的实施例 中，只有在φ方向上对齐的隔片4具有倾斜。为了 X射线的有效准直，同样随着与中心11的 距离增加而倾斜地实施具有ζ对齐的隔片3。这点具有如下结果在2D准直器元件1的边 沿区域中在2D准直器元件的上部23上的两个相邻的隔片之间的间隔Z1小于在其底面22 上的间隔Z2。
通过将多个2D准直器元件1在φ方向上并排设置并且互相固定地连接，特别是互 相粘结，来制造图1的准直器装置8。为了提高准直器装置8的高度，也可以相叠地设置多 个2D准直器元件1。如果2D准直器元件1在ζ方向上的宽度不等于X射线探测器2的宽 度，则也可以将具有合适地选择的宽度的两个或多个2D准直器元件1在ζ方向上前后设 置，使得探测器平面在ζ方向上完全地由准直器装置8覆盖。为了 2D准直器元件1的相对 地对齐，在φ方向上延伸的隔片在隔片前边沿24上具有一个以槽的形式的调整元件10'并 且在隔片后边沿25上具有一个与该槽匹配的销10，从而可以形面结合地连接2D准直器元 件1。此外两个外部的隔片3具有可以利用相应的槽来形面结合地连接在闪烁晶体19上的 销。这些销实现用于将2D准直器元件1支撑在闪烁晶体19上的保持元件10的功能。
借助快速制造技术，在该实施例中借助激光熔化(选择性激光熔化，SLM)来制造 2D准直器元件1。按照层构造原理通过利用激光、例如利用具有大约100至200瓦特的激 光功率的纤维激光，三维地构造2D准直器元件1。通过激光辐射的良好的可聚焦性，可以选 择性地烧结小的面积或者制造在几百μ m的范围内的非常精细的隔片3，4。
该制造方法在此包括在图4中示出的步骤
a) (26)首先，将以粉末形式出现的金属或者说钼、钨或钽的薄层利用刮板 (Rakel)或轧辊(Walze)表面覆盖地涂覆在结构面(Bauplattform)上。
b) (27)然后，将该层相应于出现的层数据在隔片3、4的位置上在φ和ζ方向上利 用激光辐射照射。在此，由激光供给的能量由粉末吸收并且导致在总表面积减少的条件下 颗粒的局部限制的烧结或熔化。
c) (28)在照射过程之后，将结构面稍微下沉(abgesenkt)并且按照步骤a)拉开 (aufgezogen) 一个新的层。
一直进行该过程，直到形成具有为了有效准直所必需的倾斜度和高度的交叉的隔 片 3，4。
然而，该制造方法和2D准直器元件1的采用不仅限于X射线诊断技术的应用领 域，而是可以应用于采用伽马射线或其它波长范围的辐射的成像系统。
在此，要明确指出的是，在相应的尺寸的情况下，2D准直器元件可以覆盖辐射探测 器的整个有效面积。换言之，这意味着，2D准直器元件不必是准直器的片段，而是在相应的 尺寸的情况下可以形成准直器本身。
总之，本发明涉及一种制造用于辐射探测器2的二维准直器元件1的方法，在该方
8法中借助快速制造技术逐层地由吸收射线的材料形成交叉的隔片3，4，后者沿着φ方向和ζ 方向对齐并且形成具有至少在2D准直器元件1的内部区域中侧面地包围的辐射通道5的 网格形结构。本发明还涉及一种具有这样的层结构的、用于辐射探测器2的二维准直器元 件1。以这种方式可以在相同高的准直效果的情况下提供一种具有高的精度和强度的准直 器装置8。
权利要求
一种制造用于辐射探测器(2)的2D准直器元件(1)的方法，在该方法中借助快速制造技术逐层地由吸收射线的材料形成交叉的隔片(3，4)，这些隔片沿着方向和z方向对齐并且形成具有至少在2D准直器元件(1)的内部区域中侧面地包围的辐射通道(5)的网格形结构。FSA00000204935900011.tif
2.根据权利要求
1所述的方法，其中，作为快速制造技术采用选择性的激光熔化。
3.根据权利要求
1或2所述的方法，其中，作为吸收辐射的材料，采用钼或含钼的合金。
4.根据权利要求
1或2所述的方法，其中，作为吸收辐射的材料采用钨、钽或包括合金 元件钨和/或钽的合金。
5.根据权利要求
1至4中任一项所述的方法，其中，从中心(11)在所述2D准直器元 件(1)的侧面的方向上关于其基面(22)越来越倾斜地构造具有φ和/或ζ对齐的隔片(3， 4)。
6.根据权利要求
5所述的方法，其中，这样选择所述具有φ和/或ζ对齐的隔片关于所 述2D准直器元件(1)的基面(22)的倾斜角，使得处于装配状态的隔片(3，4)在X射线源 (7)的焦点(6)的方向上对齐。
7.根据权利要求
1至6中任一项所述的方法，其中，从上部出发在2D准直器元件(1) 的底部的方向上越来越宽地构造具有φ和/或Z方向对齐的隔片(3，4)的宽度。
8.根据权利要求
1至7中任一项所述的方法，其中，制造多个2D准直器元件(1)并且 在φ方向和/或Z方向上组合成用于所述辐射探测器(2)的准直器装置(8)。
9.根据权利要求
8所述的方法，其中，至少在ζ方向上材料结合地互相连接所述多个 2D准直器元件(I)0
10.根据权利要求
8所述的方法，其中，至少在两个方向上的一个上形面结合地互相连 接所述多个2D准直器元件(1)。
11.根据权利要求
1至10中任一项所述的方法，其中，除了所述隔片(3，4)还附加地构 造用于保持或调节所述2D准直器元件(1)的保持和/或调节元件(9，10，10')。
12.一种用于辐射探测器(2)的2D准直器元件，其具有交叉的隔片(3，4)，所述隔片作 为按照快速制造技术的制造方法的结果由吸收辐射的材料制成，其被一体地构造并且具有 带有侧面被包围的辐射通道(5)的网格形结构，其中，所述隔片(3，4)由材料逐层地沿着φ 和ζ方向构造。
13.根据权利要求
11所述的2D准直器元件，其中，所述快速制造计算是选择性的激光熔化。
14.根据权利要求
12或13所述的2D准直器元件，其中，所述吸收辐射的材料是钼或含 钼的合金。
15.根据权利要求
12或13所述的2D准直器元件，其中，所述吸收辐射的材料包括钨、 钽或包括合金元件钨和/或钽的合金。
16.根据权利要求
12至15中任一项所述的2D准直器元件，其中，从中心(11)在2D准 直器元件(1)的侧面的方向上关于其基面(22)越来越倾斜地构造具有φ和/或ζ对齐的隔 片(3,4) 0
17.根据权利要求
16所述的2D准直器元件，其中，这样选择所述具有φ和/或ζ对齐 的隔片(3，4)关于准直器元件(1)的基面(22)的倾斜角，使得处于装配状态的隔片(3，4)在X射线源(7)的焦点(6)的方向上对齐。
18.根据权利要求
12至17中任一项所述的2D准直器元件，其中，从上部出发在2D准 直器元件(1)的底部的方向上越来越宽地构造具有φ和/或ζ方向对齐的隔片(3，4)的宽度。
19.根据权利要求
12至18中任一项所述的2D准直器元件，其中，将多个2D准直器元 件(1)在φ方向和/或Z方向上组合成用于辐射探测器(2)的准直器装置(8)。
20.根据权利要求
19所述的2D准直器元件，其中，至少在ζ方向上材料结合地互相连 接所述多个2D准直器元件(1)。
21.根据权利要求
19所述的2D准直器元件，其中，至少在两个方向上的一个上形面结 合地互相连接所述多个2D准直器元件(1)。
22.根据权利要求
12至21中任一项所述的2D准直器元件，其中，除了所述隔片(3， 4)还附加地具有用于保持或调节所述2D准直器元件(1)的保持和/或调节元件(9，10， 10')。
专利摘要
本发明涉及一种制造用于辐射探测器(2)的2D准直器元件(1)的方法，在该方法中借助快速制造技术逐层地由吸收射线的材料形成交叉的隔片(3，4)，后者沿着方向和z方向对齐并且形成具有至少在2D准直器元件(1)的内部区域中侧面地包围的辐射通道(5)的网格形结构。本发明还涉及一种具有这样的层结构的、用于辐射探测器(2)的二维准直器元件(1)。以这种方式可以在相同高的准直效果的情况下提供一种具有高的精度和强度的准直器装置(8)。
文档编号G21K1/02GKCN101964217SQ201010235369
公开日2011年2月2日 申请日期2010年7月22日
发明者丹尼尔·尼德洛纳, 斯蒂芬·沃思, 迈克尔·梅斯, 马里奥·艾肯希尔 申请人:西门子公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan