利用旋转探测器阵列探测电离辐射的装置和方法

摘要

一种对目标进行二维成像的基于扫描的辐射探测器装置，包括若干个一维探测器单元(41、41a)，各一维探测器单元包括入射狭缝(43、43a)，电离辐射线在透过所述目标后通过所述入射狭缝进入一维探测器单元，进行电离辐射一维成像，其中，所述若干个一维探测器单元布置成阵列，其相应的入射狭缝(43、43a)互相平行，对着所述电离辐射线的辐射源。这种探测器装置还包括用来使探测器单元阵列在垂直于电离辐射线方向的平面内转动的转动装置(44；64；74；86)，而所述探测器单元设置成可重复进行探测，从而形成所述目标的一系列二维图像。

说明书

技术领域

本发明涉及对目标进行二维探测的基于扫描的电离辐射探测器装置。

背景技术

基于气体的电离辐射探测器一般有很大吸引力，由于制造成本低，能够利用气体倍增来强烈地放大信号幅度，而且使探测具有高空间分辨率。

在一种特定类型的基于气体的电离辐射探测器中，通过光子和气体原子之间相互作用释放的电子能够沿基本上垂直于入射辐射的方向引出。因此，能够大大提高空间分辨率。

这种探测器包括一般为平面状的阴极和阳极组件，以及设置在阴极和阳极组件之间所形成空间的可电离气体。探测器布置成可使来自辐射源的平面辐射光束能够基本上平行于阴极和阳极组件从侧面进入探测器，使可电离气体电离。而且，电极之间施加电压，使可电离气体离子化过程产生的电子发生漂移，而且可以选择性地使电子倍增。读数器连接到阳极用于探测漂移电子引起的电荷。

这种探测器显然能够提供即时的一维成像，但是如果要进行二维成像，必须使探测器以及选择性地使辐射源相对于正在检查的目标横向于一维探测器阵列移动，与此同时记录若干个读数。然而，这种基于扫描的二维探测十分费时，而且对于大面积成像是不实用的。此外，如果所检查的目标是人或动物，会存在目标在扫描过程中移动的问题，这可能会使图像无用，或至少严重地降低所得到的空间分辨率。

为了减少扫描时间，Francke等人的美国专利US 6,118,125提出了一种叠式探测器装置，能够实现多线扫描。这种装置包括X射线源，X射线源与多个准直器窗口一起产生一叠平面扇状X射线束，照射进行成像的目标。射束透过目标进入叠层的探测器，并可选择性地通过多个与X射线束对准的第二准直器窗。这种装置可作为一个单元移动来扫描进行检查的目标。

发明内容

然而，在某些放射性应用中，为了观察随时间发生的变化需要以高速对检查目标进行成像。这类应用包括记录一系列图像以观察随时间变化的检查项目如导管位置，以及观察运动的物体如心脏、血液等。

本发明者已经注意到如美国专利US 6,118,125所介绍的叠式探测器装置对高重现率成像是不实用的。其成像是通过垂直于X射线束的横向扫描运动进行的，因此对要记录的另外图像都必须改变扫描方向。所以，对记录另外的图像，探测器装置必须减速、停止和沿相反方向加速，这些动作是十分费时的，而且由于探测器在减速和加速过程中经受强力，这种探测器装置将会产生稳定性和对准性方面的问题。

因此本发明的主要目的是提供一种基于扫描的电离辐射探测器装置和对目标进行二维成像的探测方法，所述探测器装置和方法能够以高重现率成像而不会遇到稳定性或对准性方面的问题。

本发明的另一个目的是提供这样一种探测器装置，其包括若干个布置成稠密阵列的直线式探测器单元，以缩短每次成像的扫描时间和间隔。

本发明的还有一个目的是提供这样一种探测器装置，其十分可靠、精确、便宜，而且具有很长的使用寿命。

本发明的这些和其它的目的通过所附权利要求的探测器装置和探测方法来实现。

本发明者已经发现通过将非常适合大量生产的高精度的电离辐射探测器单元布置成阵列，并通过提供一个转动装置使该探测器阵列在其平面内只沿某一旋转方向转动，与此同时重复进行探测，可以形成一种以高重现率对目标进行高分辨率二维成像的基于扫描的探测器装置。所述探测器单元布置成圆圈，其相应的入射狭缝基本上沿径向相对转动轴线延伸，且这些基本上沿径向的探测器单元中相邻两个之间的角度为90°或更小，更好是20°或更小，更好是10°或更小，最好是5°或更小。所述探测器单元设置成可足够频繁地进行探测，以获得目标的一系列二维图像中的一个二维图像，其频率是每秒钟至少一次，更好是每秒钟至少十次，最好是每秒钟至少二十次。

通过下面对本发明优选实施例的详细介绍以及附图1-8将对本发明的其它特征和优点更加清楚地了解，这些实施例和附图只是为了举例说明而给出，因而是非限制性的。

附图说明

图1是侧视剖面图，示意性地示出本发明的基于扫描的探测器装置中的探测器单元；

图2是前视图，示意性地示出了图1的探测器单元，其中进入准直器部分除去；

图3示意性地示出了图1的探测器单元沿A-A剖面的剖视图；

图4a是前视图，示意性地示出了根据本发明第一实施例的基于扫描的探测器装置，所述装置包括若干个图1-3中的探测器单元；

图4b是前视图，示意性地示出了根据本发明第二实施例的基于扫描的探测器装置，所述装置包括若干个图1-3中的探测器单元；

图5是上游准直器的示意性平面图，图4a所示基于扫描的探测器装置实施例可包括上游准直器，以减小对检查目标的辐射剂量；

图6是前视图，示意性地示出了根据本发明第三实施例的基于扫描的探测器装置，所述装置包括若干个图1-3中的探测器单元；

图7是前视图，示意性地示出了根据本发明第四实施例的基于扫描的探测器装置，所述装置包括若干个图1-3中的探测器单元；

图8是侧视图，示意性地示出了根据本发明的用于X射线检查的设备，这种设备包括图4a、4b、6或7所示基于扫描的探测器装置和图5所示的上游准直器。

具体实施方式

参考图1-3，分别是本发明的基于扫描的探测器装置中一维探测器单元的侧视剖面图、准直器部分除去后的前视图、和顶视剖面图，下面将简要地介绍探测器单元。

所述探测器单元定位成，可使平面X射线束1能够从侧面进入阴极组件3和阳极组件5之间。狭缝状的准直器7设置在探测器单元的前面以形成X射线束进入探测器单元的入口。这种狭缝状的准直器7可以是薄金属箔如粘贴到探测器单元入口侧的钨箔，其中狭缝通过蚀刻形成。

每个电极组件3、5包含由相应电介质基片12、14支承的导电电极层11、13，其中电极组件定位成，使阴极层11和阳极层13相互面对。电极组件3和5最好是平面状矩形并相互平行。

探测器单元布置在设有辐射透明入射窗(在图1中用14和15示意性地表示)的气密外壳内。可电离的气体或气体混合物可以由氪和二氧化碳或者氙和二氧化碳构成。气体所处压力最好在1-20个大气压的范围内。在图3中用数字16和17表示的间隔体设置在阴极组件3和阳极组件5之间。

高压直流电源(在图1中用数字18示意性地表示)用来使阴极11和阳极13保持在适当的电位在内电极腔19中形成电场，从而使其中的电子和离子产生漂移，并且可以选择性地使电子和离子倍增。阴极11使用时最好保持负电压-V₁，而阳极13是接地的。

此外，探测器单元还包括读数器，用来探测朝阳极13漂移的电子和/或朝阴极11漂移的离子。读数器可由图1-3中所示的阳极组件5本身构成。或者，独立的读数器靠近阳极13或靠近阴极11或在其它地方布置。

为了提供一维成像性功能，阳极/读数层13由一排导电或半导电的器件或片条23构成，相互电绝缘地布置在电介质基片14上。为了补偿探测到图像的视差，从而提高空间分辨率，阳极/读数条在每个位置基本上平行于入射光子的方向延伸。因此，对于来自点源的发散射束，阳极/读数片条23以扇形布置。

每个阳极/读数片条最好连接到读数和信号处理器(在图1中用24示意性地表示)，因此能够独立地处理来自每个片条的信号。

对于一维读数器是独立装置的情况，阳极层13显然可以作为单一电极形成，而不是片条。

应当认识到为了便于说明，图1和2中电极层11和13之间距离放大了很多。举例来说，探测器单元的几何尺寸可以是40毫米宽、2毫米厚和35毫米深，而电极间距离可以短至0.5毫米。决定进入探测器单元辐射片厚度的准直器狭缝的宽度w可以只为50微米。每个读数片条23的宽度可以是50微米或更窄，这意味着单个探测器单元中可以并排布置1600个以上的片条，远远超过图示的数量。

工作时，X射线平行并靠近阴极组件3地通过准直器狭缝进入探测器单元。X射线将根据指数概率分布与探测器单元中的气体相互作用，其中大部分X射线在气体体积中很早转化。平均相互作用长度一般为20毫米。

相互作用时，X射线光子25将其能量传递给气体原子中的电子，通过光电效应使电子从原子上释放。电子穿过气体并与新的气体原子碰撞，从而释放更多的电子直至其最终失去所有能量而停止。在这个过程中产生通常有大约一千个电子的电子云27。

通过在阴极11和阳极13之间施加电场U，这些电子沿方向29(图1-2中的竖直方向)吸引到阳极，该方向基本上垂直于入射的X射线光子。如果所施加的电场足够强，电子获得足够的能量，从气体中碰撞出更多的电子，这些电子又被加速，进一步碰撞出更多的电子，如同雪崩过程一样。这一过程称为气体雪崩放大效应。当大量电子到达阳极，在最靠近电子云27的片条23a引发电信号。

电子信号被连接片条的电子读数器探测到。在电子读数器中，信号放大并与阈电压作比较。如果信号超过阈电压，该片条的特定计数器启动而使先前储存的值加一。通过这种方式，照射到每个阳极片条上的X射线数目被计数。这种方法被称作光子计数法。

或者，来自几个X射线的信号可以结合为一个共用信号，此共用信号与阈电压作比较对脉冲进行计数，或被数字化以产生与该结合值成正比的数字。

现在参见图4a，图中示意性地示出了一种基于X射线扫描的探测器装置的前视图，包括若干个图1-3中的探测器单元；下面将介绍本发明的第一实施例。这种装置的主要目的是获取一系列低质量的图像以观察随时间变化的检查项目如导管位置，或以高速获取一系列高质量的图像以仔细观察运动目标如心脏、血液等。从这一系列图像中可以抽取单个图像用于详细分析。

所述装置包括若干个以二维阵列方式布置在普通圆形支承结构42的直线式探测器单元41、41a，其相应的入射狭缝即狭窄细长的辐射开口43、43a对着装置的前面。为了便于说明，图4a中的阵列包括24个探测器单元：十二个较宽的探测器单元41在支承结构42上对称布置成一圈，而十二个较窄的探测器单元41a分别对称布置在两个相邻的较宽探测器单元41之间。但是应当认识到所述装置可以包括更多的(或更少的)单元。举例来说，如果探测器单元的最大间距为S₁＝5毫米(从入射狭缝43到入射狭缝43a)，那么覆盖所述装置的半径为10厘米的区域中一般可以包括120-130个探测器单元。直线式探测器单元的宽度可以不同，因为在远离支承结构42中心处需要有更多的单元使扫描长度达到最大，从而获得完整的二维图像。

而且，图4a的探测器装置还可以包含气密外壳，该外壳与图1中14表示的外壳类似，但可共用于图4a中探测器装置的所有探测器单元(未明确示出)。这种外壳设有一个或多个用于入射辐射的入射窗。

工作时，进行检查的目标放置到探测器装置的前面，使来自辐射源的电离辐射穿过目标后能够照射到探测器装置，并通过各探测器单元41、41a的入射狭缝43、43a进入。通过沿箭头45的方向使支承结构42绕中央转轴44转动某一距离，探测器装置在所述目标上进行扫描，同时探测器单元重复读取，从而形成一个或几个二维图像。对于图4a中的探测器装置，每转动15°产生一个二维图像。探测器单元阵列完整地转一圈将产生一系列24个二维图像；完整转两圈将产生一系列48个二维图像；等等。

如果进行检查的目标为患病人类或动物，可能需要减小辐射剂量。为此，可以将图5所示的准直器设置在辐射源和患者之间。准直器51是用辐射吸收材料如钨制成的，包括若干个与图4a装置中探测器单元的入射狭缝43、43a对准的辐射透明狭缝53、53a，因此由准直器51产生的平面辐射光束通过患者或动物的相应部分传递并进入图4a装置中相应的一个探测器单元。接着在扫描过程中准直器51与探测器装置一起转动以保持对准。为此，准直器51安装在转轴54上，转轴54与探测器装置的转轴44中心对准。

应当认识到直线式探测器单元并不一定布置在平面基底上，而可以设置成指向所使用的辐射源(点源、线源或二维源)且无须进行任何单独调整，因此来自辐射源的辐射线可以平行于相应探测器单元的电极进入探测器单元中。为此，支承结构可以由厚金属板构成，其中的狭槽以高精度切出，所述各直线式探测器放置在里面。狭槽的方向设置成使得每个直线式探测器向后对着X射线源。

为了相同的目的，准直器51上狭缝的间距小于探测器单元而且比探测器单元入射狭缝更窄，因为辐射光束始终是发散的，而且准直器设置在探测器装置的上游。辐射源、准直器51以及探测器装置之间的对准使得来自辐射源的多个平面辐射光束能够通过准直器51，接着通过患者或动物，或者从患者或动物上反射回来而进入探测器装置的各探测器单元41、41a。

应当认识到如果使用与转轴44对准的点状辐射源，而且如果需要高的空间分辨率的话，各探测器单元最好布置成，其中的每个读数器在探测器装置转动时与转轴44保持近似恒定的距离，因此各探测器单元在扫描过程中能够与辐射源保持对准。

但是应当认识到由于转轴44的存在，图4a中的探测器装置实施例不能在其中心进行探测。为了克服这一局限性，图4中直线式探测器单元41的两个或四个相对设置的探测器单元可以延长以覆盖转轴44。

图4b示出了一种探测器装置的实施例，其中图4a的两个相对设置的较宽探测器单元41被一很宽的探测器单元41′替代，探测器单元41′中的长入射狭缝43′基本上延伸至支承结构42的整个直径范围并覆盖转轴44。在其它方面，图4b实施例与图4a实施例相同。

这样得到的探测器装置实际上能够在其中心进行探测，因此可以很高的速度记录完整的二维图象。

接着参考图6，图中示意性地示出了一种基于X射线扫描的探测器装置的前视图，下面将介绍本发明的第三个实施例，其实际上也能够在中心进行探测。

十二个较宽的探测器单元41布置在圆形支承件62上，其相应的入射狭缝43指向所使用的辐射源。在这里探测器单元41布置成圆圈，用数字63示意性地表示，该圆圈小于圆形支承件62并相对其偏心设置。探测器装置可通过安装在其背面的转轴绕圆形支承件62的中心轴线转动，该转轴在图6中用虚线圆64示意性地表示。注意到其中一个探测器单元的入射狭缝覆盖在旋转中心轴线的上面，而探测沿中心轴线入射的辐射线的各读数器在扫描过程中将探测目标的相同部分。

利用转轴64使探测器装置沿箭头65的方向绕中心轴线转动，用数字66表示的未被探测器单元覆盖的部位将绕旋转轴线作圆周运动，通过较长的扫描距离和扫描时间重复读取探测器单元可形成完整的二维图像。

接着参考图7，图中示意性地示出了一种简单的基于扫描的探测器装置的前视图；下面将介绍本发明的第四个实施例。

在这里，探测器装置包括单个较长的直线式探测器单元41和两个较短的直线式探测器单元41a，相互垂直布置，探测器单元41的前面包含穿过圆形电介质基片72整个直径的入射狭缝43，每个探测器单元41a的前面包含入射狭缝43a。驱动轮74设置成与圆形电介质基片72接合，使得探测器阵列能够在探测器单元的平面中转动，因此不需要将中心轴安装到探测器装置。圆形电介质基片72可以安装在轴承或类似的机构上(未示出)。

这种解决方法最好用于准直器中，使得中心轴不会阻断辐射线。

当通过驱动轮74沿箭头75方向转动探测器单元41、41a时，图7的探测器装置能够反复形成穿过所要检查目标的入射辐射的二维图像。对于最大尺寸与探测器单元41的宽度即入射狭缝43的长度相当的大目标，每转四分之一圈可记录一个图像。

应当认识到可以用其它机构如皮带传动机构或齿轮传动机构代替驱动轮来转动探测器阵列。

一般地，本发明的一维探测器单元布置成圆圈，其相应的入射狭缝基本上沿径向相对转动轴线延伸，且这些基本上沿径向的一维探测器单元中相邻两个之间的角度为90°或更小，更好是20°或更小，更好是10°或更小，最好是5°或更小。而且，这若干个一维探测器单元设置成可足够频繁地进行探测，以获得所述目标的一个二维图像，其频率是每秒钟至少一次，更好是每秒钟至少十次，最好是每秒钟至少二十次。此外，转动装置可使一维探测器单元阵列相对所述目标以某一旋转速度转动，该旋转速度小于每秒钟五转，更好是小于每秒钟两转，最好是小于每秒钟一转。

应当认识到上面参考图4、6和7介绍的本发明基于扫描的探测器装置实施例除了可以使用如图1-3中所示的若干个探测器单元外，还可以使用几乎任何类型的若干个直线式探测器单元。比如可以是PIN二极管阵列、薄膜晶体管(TFT)阵列、电荷耦合器件(CCD)阵列或其它任何类型的半导体器件。

然而，优选的直线式探测器单元是基于气体的电离探测器，可选择性地设有电子雪崩放大器，具体地这样的基于气体的电离探测器中的自由电子的漂移方向基本上垂直于入射离子的方向。有关可用于本发明的基于扫描的探测器装置的不同类型的基于气体的探测器单元的详情，请参见由Tom Francke等人申请并转让给XCounter AB的美国专利申请：No.08/969554(作为美国专利No.6,118,125授权)；09/443,292；09/443,320；09/443,321；09/444,569；09/550288；09/551603；09/552692；09/698174；09/708521；09/716228和09/760748，在此引用参考这些申请的内容。

最后参考图8，图中示意性地示出了一种用于放射医学检查的设备的侧视图；下面将介绍本发明的还有一个实施例。

这种设备包括：X射线源81、过滤器/准直器82、用于承载待检查患者84的平台83、带有旋转马达86的探测器装置85。X射线源81、带有旋转马达86的探测器装置85、以及可选择的过滤器/准直器82连接到装有电源87、微型计算机88和显示器89的搁架。

X射线源81是一传统的X射线管，与过滤器/准直器82一起安置在患者平台83的下面。过滤器/准直器82可以包括起到过滤器作用以吸收最低(有时最高)能量光子的金属箔，这些光子不能明显提高图像质量但会增加对患者的辐射剂量，而且还可以包含用来准直辐射线并遮挡散射辐射的准直器。

探测器装置可以是上面参考图4、6或7所介绍的任何基于扫描的探测器装置，马达86连接到探测器装置的转轴。

电源87提供电力给微型计算机88，驱动马达使转轴和探测器装置85在扫描过程中转动，并在探测器装置的一个或多个探测器单元中形成电场，而微型计算机88装有适当的软件来控制设备的工作，包括在扫描过程中驱动马达和读数，以及对从各直线式探测器单元读取的信号进行后处理，然后在显示器89上看到图象。

工作时，X射线从X射线管81发出并穿过过滤器/准直器82。通过过滤器/准直器82的X射线经过在患者平台83上的患者84。对于患者，X射线光子可以透射、吸收或散射。透射的X射线离开患者后进入探测器装置的入射狭缝并被探测到。

用来扫描患者并产生二维X射线图象的过程如下。启动X射线源81并转动探测器装置85，于是探测器装置沿基本上平行于患者的方向扫描患者。

每个直线式探测器中的读数器对在该读数器中产生信号的X射线数目进行连续计数。或者，来自几个X射线的信号可以结合为一个共用信号，此共用信号与阈电压作比较以对脉冲进行计数或被数字化以产生与该结合值成正比的数字。

每个信号的内容以定期的运动间隔读取并存储在微型计算机88的存储器中，且所有计数器或数字转换器被重置为零。通过这种方式，每个直线式探测器给出患者的多个直线图像。当扫描终止时，所有这些图象段被微处理器92集中在一起以形成一系列二维图像。

应当认识到图8设备中的过滤器/准直器82可以包括上游准直器如带有多个蚀刻窄缝的钨箔，如与图5中的准直器类似。狭缝对准，使得穿过狭缝的X射线能够到达探测器装置的对应狭缝。准直器的用途是减小对患者的辐射剂量。只有能够进入探测器装置入射狭缝的X射线光子允许穿过患者。在扫描时，带有多个窄缝的上游准直器必须与探测器装置一起转动以保持扫描过程的对准。这可以许多种方式进行。然而，所需要的任何放置在辐射路径的接头或部件对辐射必须是可以透过的，这样就不会遮挡辐射线。