专利名称：X射线层析摄影系统的射线检测和准直一体化组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及X射线计算机层析摄影(CT)系统的射线检测系统，特别涉及射线检测器和有关部件的模件结构。
该检测系统一般包括一排列在一圆弧上的单行检测器阵列，该圆弧的曲率中心称为”焦点”，X射线源的射线从该点射出。X射线源和检测器阵列的位置布置成线源与每一检测器之间的X射线路都位于一与转盘的转动轴线垂直的平面(该平面下文称为“转动平面”或“扫描平面”)中。由于从一点线源射出的各线路以不同角度射到各检测器上，因此这些线路形成一扇形，从而常常用“扇形光束”描述任一时刻的所有线路。扫描过程中某一测量时刻由某一检测器检测的X射线下文称为一“射线”。该射线的一部分受其线路中的所有物体的质量的衰减，从而所生成的强度测量为该衰减、从而该线路中质量的密度的函数。一般在转盘许多角位的每一角位上进行投影即X射线强度测量。
为了在一定转动平面中重建该断面的密度图象，一般在一象素阵列中重构该图象，其中，赋予该阵列中每一象素一值，该值从扫描过程中穿过该象素的所有射线的衰减算出。由于线源和检测器围绕物体转动，因此射线从不同方向或投影角穿透物体后穿过象素的不同组合。从这些测量用数学方法算出物体在该断层面平面中的密度分布，各象素的亮度值表示该分布。结果，亮度值各不相同的象素的一阵列表示该扫描平面的密度图象。
为了进行图象重建，必须精确知道射线位置。为了不必反复进行校准和矫正射线就可精确定位，检测器必须精确定位，测量必须精确定时，使得每一投影的每一检测器的角位预定。
此外，由于密集物质会造成X射线散射，因此把从线源到检测器不沿直线传播的射线排除在该检测器的测量之外至关重要。为了除去该散射射线，一般在检测器与物体之间插入一排非常薄的抗散射板，各抗散射板校准，使得从线源发出的射线准直，从而只有线源与检测器之间沿幅向直线传播的射线才照射到检测器上。
不幸的是，抗散射板的使用造成额外问题，因为，如果抗散射板把X射线“阴影”投射到检测器上，它们就会干扰检测器的测量。不仅是阴影中的检测器的输出会减小，而且线源、抗散射板和／或检测器的即使是极微小的振动或横动也会造成该输出的改变。
如考虑到，为了提供当今X射线层析摄影扫描器所需的高分辨率，检测器的数量以成百计，扇形光束圆弧的一弧度中就有好几个检测器，满足这些要求的困难就可想而知了。这使得一般的检测器的宽度约为1mm，一般的抗散射板的尺寸为在幅向上长约38mm，厚约0．1mm，要求检测器和抗散射板的位置和校准极其精确。使该问题更复杂的是，该整个组件通常以约60-120rpm的转速围绕被扫描物体转动，从而生成变动很大的力，需要牢固的安装方法。
在以前，为努力达到这些困难所提出的要求，所制造的CT机的质量很大，安装费钱费时，要费大力在抗散射板和检测器的校准上。如由于某种原因必须更换或重新校准一个或多个部件，重新装配和重新校准往往无法在现场进行，整个检测系统必须送回厂中。
解决这一问题的一种方案是使用检测器和抗散射板阵列的预装配模件，例如见转让给本发明受让人的Dobbs等人的美国专利No．5，487，098。检测器和抗散射板模件必须分别装在一支撑结构或背脊上，然后把该背脊装到该层析摄影系统的一转动机架上。因此每一检测器模件必须与一对应抗散射板模件校准，然后每一对模件必须相对焦点校准，以接受最大量的射线。
另一种方案见Shaw等人的美国专利No．4，338，521，在该专利中，一模件化检测器阵列包括可拆开的两个组装部分，一部分中为检测器，另一部分中为抗散射板。该阵列的这两个部分必须装配在一起后才能相互校准。组装成的该模件然后相对线源校准，然后固定装到该层析摄影装置上。
高分辨率检测子系统的一个困难之处是获得并保持检测器和抗散射板与从线源发出的X射线光束的较严的校准要求。温度和振动的改变更加大了该子系统相对校准的难度。
本发明的目的本发明的一个目的是消除现有技术的这些缺点。
本发明的另一个目的是提供CT扫描器的一种射线检测系统，它能大大消除各检测器模件与对应抗散射板模件的麻烦的校准以及这一对对模件与线源的校准。
本发明的另一个目的是提供射线检测系统的一种一体化结构，它能进行最大量射线检测，简化该层析摄影装置的结构、装配和维护。
按照本发明，提供X射线层析摄影系统的一种一体化射线检测和准直组件。该层析摄影系统包括一辐射源；支撑一被扫描物体的装置；检测穿过该物体的射线、生成表示该物体诸部分的相对衰减的电信号的装置以及一把该辐射源和检测装置支撑成可相对该物体转动的支架。该一体化射线检测和准直组件包括a．在一基片上布置成一阵列的多个光二极管；b．布置成可接收从辐射源发出的X射线的多个闪烁晶体，各晶体之间相距一非检测区，每一晶体布置在一对应阵列中并与一对应光二极管校准和光耦合；c．在一线性阵列中布置在这些晶体上方的多个抗散射板，每一抗散射板与相邻两晶体之间的一对应非检测区校准；以及d．该组件的一壳体，包括一中心支撑部，该中心支撑部支撑该基片，使得这些闪烁晶体受从辐射源发出的X射线的照射；从该中心支撑部伸出、界定光二极管、晶体和抗散射板阵列的一内部区的一对壁以及从光二极管经该壳体到一数据收集系统的电连接通道装置。从而光二极管、闪烁晶体和抗散射板都相对固定在该壳体中。该壳体可牢牢固定在该支架上。
该一体化组件还可包括从该壳体两壁伸出、界定一射线准直区的X射线准直结构，用来接收和准直穿过被扫描物体后进入该壳体的X射线。该X射线准直结构包括一对X射线不透明的准直板和在这两个准直板之间校准、固定抗散射板的装置。
在一实施例中，对X射线不透明的准直板由壳体两壁延伸而成，包括在一对非对X射线不透明支撑结构上的一对X射线不透明涂层。在另一实施例中，两准直板包括固定装在壳体两壁上的独立的对X射线不透明板。
在一优选实施例中，在两准直板之间校准、固定抗散射板的装置包括两准直板中的多个校准槽。对应校准槽互相对齐，用来固定其中的抗散射板的垂直边。
从光二极管到远处一数据收集系统的电连接通道装置包括与壳体的中心支撑部对齐地穿过壳体两壁之一的一部分的一通道。
闪烁晶体阵列包括固定校准抗散射板与相邻两晶体之间非检测区的装置。固定校准抗散射板的该装置包括相邻两晶体之间的非检测区中的一凹槽。每一凹槽用来固定一对应抗散射板的底边。
在一优选实施例中，每一抗散射板固定在相邻两晶体之间一对应非检测区的一部分中。
该一体化组件还可包括把该壳体固定安装到该支架上的装置。
本发明的上述和其他目的和优点一部分显而易见，一部分可从下述说明中看出。因此本发明包括具有例示在下述详细说明中的结构、元件组合和部件布置的CT装置，其范围示出在权利要求中。
本发明的详细说明
图1示出体现本发明原理的一CT扫描器8。为生成CT扫描数据，扫描器8包括装在一转盘10上的一X射线源12和检测组件14。扫描过程中，线源12和检测组件14围绕转动轴线16(与图1纸面垂直)转动，从而围绕穿进转盘中心开口的物体18转动。线源12在扫描平面(与转动轴线16垂直)中辐射X射线的一连续扇形光束20，该光束穿透物体18后被组件14中的检测器检测。检测／准直组件14包括一闪烁晶体阵列24和一抗散射板阵列22。在该优选实施例中，检测器的数量为400-700，排列在约为48°的弧度上。用铝之类轻型材料制成的转盘10围绕轴线16转动。转盘10为开口支架结构，因此物体18可穿进转盘的开口中。物体18比方说可支撑在一平台32上，该平台当然对X射线透明。随着转盘10的转动，检测组件14周期取样，在扫描平面中从许多投影角生成穿过物体18的X射线的离散测量值。然后用合适的信号处理设备(未示出)按照公知数学方法对这些测量值进行处理，从而生成最终图象。该图象可存入存储器中、在计算机中分析或适当显示。
检测组件14装在一用作支撑件的支撑背脊28上，该支撑背脊用合适支撑30支撑在转盘10上，使得这些检测器和准直器都位于扫描平面中，这些检测器和准直区以线源12的焦点为圆心的圆心角相同。
在本发明之前，必须费力互相校准检测器与抗散射板后与它们的支撑结构校准，以确保这些元件在层析摄影系统的转盘上的定位。
图2示出本发明一体化组件的一优选实施例。如图2和3所示，检测器和抗散射板阵列的壳体34呈倒椅子形。椅子形壳体34的“两腿”形成一对向上伸展、即沿径向伸向X射线源的壁36，从而形成一内区38，检测组件14和抗散射板阵列22位于该内区中。该椅子形壳体的“座位”部水平伸展而形成一平台40，该平台用来支撑基片42，光二极管44装在该基片上。该椅子形壳体的“椅背”部形成一与两壁36伸展方向相反地向下伸展、即沿径向伸离线源的装配部46，其上有一定位精确的机加工孔48，如图3所示，一装配销插入该孔中，从而把该组件与背脊校准地装到背脊上。
沿壳体34的平台40的顶边，一通道50穿过两壁36之一，该通道的间隙足够大，如图3所示，以容纳与光二极管连接的电缆51或其他信号传输线。如图2所示，该通道50的间隙还足以容纳基片42的一部分。该通道50最好在与光二极管44同一水平面上穿过一壁36，使得光二极管不绷紧电缆。
如图2所示，一最好用陶瓷制成的刚性基片42比方说用施加在凹槽35中的粘胶紧固在壳体34的平台40上。为热稳定和机械稳定，最好使用硅基粘胶。一光二极管44阵列排列在基片42上。各光二极管与信号传输装置51之间用导电引线电连接。
一闪烁晶体15阵列在光二极管阵列上排列成每一晶体15与底下的一对应光二极管校准并与该光二极管光耦合。每一晶体阵列最好包括约24个晶体。
一抗散射板22阵列放置在闪烁晶体15上，在光路中沿径向与从焦点发出的X射线校准，使得只有从焦点直接到达检测器的X射线才照射到晶体表面上。如所公知，抗散射板22最好用钨、钽或铅之类对X射线不透明材料制成。本发明一体化组件中的抗散射板最好仅厚约0．1mm，长、宽约20mm。
如图4所示，在一阵列中，各闪烁晶体15之间相距较窄非检测区52。这些非检测区包括一晶体的各边和相邻两晶体之间的反光材料54，这在下文详述。晶体阵列的这些非检测区对射线的敏感性比晶体主体弱得多。
现有CT扫描系统中使用各种方法尽可能减小闪烁晶体阵列中非检测区的大小，从而尽可能加大检测区的大小。其中的一种方法是在相邻两晶体之间的这些非检测区52上直接校准各抗散射板22，从而不遮住晶体的高灵敏性部分。但是，在现有技术中，第三代CT扫描器所要求的高分辨率需要使用大量极小、极密集的检测元件。在这些系统中，在抗散射板与相邻两晶体之间的极窄非检测区之间很难保持所需校准。
本发明对抗散射板的校准方法作出改进。按照本发明，各抗散射板22嵌入相邻两闪烁晶体之间非检测区的一部分中后固定在其中，从而保持它们之间的校准。每一闪烁晶体除与底下光二极管抵靠的表面之外的其他各表面上涂以二氧化钛或环氧树脂之类反光涂层54，使得由晶体反射到光二极管上的可见光尽可能多。每一晶体的各表面上还覆盖一层金属箔或其他金属涂层56，进一步提高内部反光，防止可见光在朝向光二极管方向之外的方向上射出晶体。
按照本发明一优选实施例，如图5所示，晶体阵列顶面上反光涂层54或56中有一凹槽58。每一凹槽58精确位于相邻两晶体之间一非检测区52的区域中，其大小供一抗散射板22的对应边紧紧插入其中。该凹槽的深度足以使一抗散射板的一边紧插其中，但不穿透反光层54、56而露出底下晶体表面。
需要时，可在抗散射板与对应凹槽交界面上涂以少量热稳定粘胶，把抗散射板的该边牢牢粘住在该凹槽中。这样，抗散射板相对闪烁晶体牢牢固定而与相邻两晶体之间的非检测区校准，从而即使在振动或热不稳定条件下也不遮住晶体。
按照本发明，如前所述和如图2和3所示，还在壳体34的两壁36之间形成一X射线光束准直区60。在一优选实施例中，该准直区60由一包括一对准直板62的准直结构61界定。准直区60的宽度决定于两壁36端部上两准直板62之间的水平距离。该光束准直区60用来进一步聚焦照射到闪烁晶体上的X射线光束，从而减小散射，确保只有从焦点直接到达检测器的射线到达检测晶体。
如图2所示，准直板62中有在准直区60两边上互相对齐的切口64。切口64的大小供对应抗散射板22的一边紧紧插入其中，使得各抗散射板沿相对两垂直边固定在校准位置上。需要时，可在切口与抗散射板的边的交界面上涂以热稳定粘胶，把抗散射板的边永久粘住在切口中。
如图2所示，该阵列后端上的抗散射板22a不是插入在准直板62的切口中，而是粘到准直板62的该边上。由于该端部抗散射板22x紧固在准直结构的该边上，因此使得检测组件14和准直板中的切口64获得正确定位。如上所述，各抗散射板22垂直边的顶部紧固在两准直板的对应凹槽64中。抗散射板22的底边与晶体之间非检测区52上的检测阵列的各凹槽58校准并紧固其中，因此无需另外使用校准结构或方法，抗散射板也不会遮住晶体上的X射线。
在一实施例中，准直板62由壳体的壁36延伸而成，因此由与壳体相同材料、即铝或不锈钢制成。在该实施例中，为了界定准直区60，准直板62上需要有一对X射线不透明涂层。在另一实施例中，准直板62为比方说用粘胶粘在壁36端部上的独立部件。在该实施例中，准直板可用任何对X射线不透明材料制成，例如钽、钨或铅。准直板62最好使用钽，因为它对X射线不透明，而且容易机加工。材料的选择至少部分地要考虑到热膨胀特性，使得扫描器运行过程中整个组件均匀收缩或膨胀，不致在组件中产生应力。
壳体34最好用从包括铝或不锈钢的一组材料中选出的材料制成。
椅子形壳体34的平台部40中有定位精确的穿孔66，用销或螺栓插入该孔中，如图3所示把壳体紧固到背脊28上。需要时，如图3所示，壳体34与背脊28之间可使用垫圈68。
尽管以上详细说明了本发明一些例示性实施例，但本领域普通技术人员不难看出，只要原则上不背离本发明的新型特征和优点，可对这些例示性实施例作出种种修正。因此，所有这些修正都包括在由权利要求限定的本发明范围内。
权利要求
1.X射线层析摄影系统的一种一体化射线检测和准直组件，该层析摄影系统包括一辐射源；支撑一被扫描物体的装置；检测穿过所述物体的射线、生成表示该物体诸部分的相对密度的电信号的装置以及一把所述线源和所述检测装置支撑成可相对所述物体转动的支架，其特征在于，所述组件包括a．在一基片上布置成一线性阵列的多个光二极管；b．布置成可接收从所述辐射源发出的X射线的多个闪烁晶体，各晶体之间相距一非检测区，每一所述晶体布置在一阵列中并与一对应光二极管校准和光耦合；c．在一对应阵列中布置在所述晶体上方的多个抗散射板，每一所述抗散射板与相邻两晶体之间的一对应非检测区校准；以及d．所述组件的一壳体，所述壳体包括一中心支撑部，该中心支撑部支撑所述基片，使得所述闪烁晶体受从所述辐射源发出的X射线的照射；从所述中心支撑部伸出、界定光二极管、晶体和抗散射板的所述各阵列的一内部区的一对壁以及从所述光二极管经所述壳体到远处一数据收集系统的电连接通道装置，其中，所述光二极管、所述闪烁晶体和所述抗散射板都相对固定在所述壳体中；所述壳体可装在所述支架上预定校准位置上。
2.按权利要求1所述的一体化射线检测和准直组件，其特征在于，进一步包括从所述两壁伸出、界定一所述壳体的一射线准直区的X射线准直结构，用来接收和准直进入该壳体的X射线，其中，该X射线准直结构包括一对准直板和在这两个准直板之间校准、固定所述抗散射板的装置。
3.按权利要求2所述的一体化射线检测和准直组件，其特征在于，所述准直板由所述两壁延伸而成，所述板上覆盖有对X射线不透明的材料。
4.按权利要求3所述的一体化射线检测和准直组件，其特征在于，所述对X射线不透明材料包括钽、钨或铅。
5.按权利要求2所述的一体化射线检测和准直组件，其特征在于，所述准直板用对X射线不透明材料制成并固定安装在所述两壁上。
6.按权利要求2所述的一体化射线检测和准直组件，其特征在于，在所述两准直板之间校准、固定抗散射板的所述装置包括所述两准直板中的多个校准槽；对应校准槽互相对齐，供抗散射板的对应边紧紧插入其中。
7.按权利要求1所述的一体化射线检测和准直组件，其特征在于，从所述光二极管到一数据收集系统的电连接通道装置包括与所述中心支撑部对齐地穿过所述两壁之一的一部分的一通道。
8.按权利要求1所述的一体化射线检测和准直组件，其特征在于，所述闪烁晶体阵列包括固定校准所述抗散射板与相邻两晶体之间所述非检测区的装置。
9.按权利要求8所述的一体化射线检测和准直组件，其特征在于，所述固定校准所述抗散射板的所述装置包括相邻两晶体之间每一所述非检测区中的一凹槽；每一所述凹槽供一对应抗散射板的底边紧紧插入其中。
10.按权利要求1所述的一体化射线检测和准直组件，其特征在于，进一步包括把所述壳体固定安装到该支架上并把所述壳体与所述支架校准的装置。
11.X射线层析摄影系统的一种一体化射线检测和准直组件，该层析摄影系统包括一辐射源；支撑一被扫描物体的装置；检测穿过所述物体的射线、生成表示该物体诸部分的相对密度的电信号的装置以及一把所述辐射源和所述检测装置支撑成可相对所述物体转动的支架，其特征在于，所述组件包括a．在一基片上布置成一线性阵列的多个光二极管；b．布置成可接收从所述辐射源发出的X射线的多个闪烁晶体，各所述晶体之间相距一非检测区，每一所述晶体布置在一阵列中并与一对应光二极管校准和光耦合；c．在一对应阵列中布置在所述晶体上方的多个抗散射板，每一所述抗散射板与相邻两晶体之间的一对应非检测区校准；以及d．所述组件的一壳体，所述壳体包括一中心支撑部，该中心支撑部支撑所述基片，使得所述闪烁晶体受从所述辐射源发出的X射线的照射；从所述中心支撑部伸出、界定光二极管、晶体和抗散射板的所述各阵列的一内部区的一对壁以及从所述光二极管经所述壳体到远处一数据收集系统的电连接通道装置，其中，所述光二极管、所述闪烁晶体和所述抗散射板都相对固定在所述壳体中；所述壳体可装在所述支架上的预定校准位置上；每一所述抗散射板固定在两相邻晶体之间一对应非检测区的一部分中。
12.按权利要求11所述的一体化射线检测和准直组件，其特征在于，所述晶体阵列的顶面上有反光涂层；每一抗散射板固定在所述反光涂层中一对应凹槽中并与该阵列的相邻两晶体之间的一对应非检测区校准。
13.按权利要求12所述的一体化射线检测和准直组件，其特征在于，进一步包括涂在该凹槽和对应抗散射板底边的至少之一上的热稳定粘胶。
全文摘要
X射线层析摄影系统(8)的一种一体化射线检测和准直组件(14),该组件包括一壳体(34),该壳体装在该系统的一背脊上,光二极管(44)、闪烁晶体(24)和抗散射板(22)的对应阵列互相校准,使得X射线从焦点直接照射到检测器上。因此光二极管(44)、闪烁晶体(24)和抗散射板(22)的陈列都相对固定在壳体(34)中,而壳体本身紧固在该扫描系统的支架(28)上。
文档编号A61B6/03GK1282228SQ98812291
公开日2001年1月31日 申请日期1998年12月9日 优先权日1997年12月16日
发明者索林·马尔科维奇, 西蒙·乔治·哈奥蒂亚恩, 本·图瓦尔 申请人:模拟技术有限公司