具有分裂层压板光耦合的辐射探测器

摘要

一种辐射敏感探测器(120)包括经由粘合层压板(144)与光电传感器阵列(140)耦合的闪烁体阵列(124)。该光电传感器(140)具有多个元素(136)。该粘合层压板(144)包括无材料区域，该无材料区域从闪烁体阵列(124)穿过粘合层压板(144)延伸到光电传感器阵列(140)并且位于一对相邻元素(136)之间。

说明书

本发明一般地涉及辐射敏感探测器。虽然它被描述为特别适用于计算 机断层摄影(CT)系统，但是它也涉及其他希望探测辐射并生成表示该辐 射的信号的应用。

计算机断层摄影(CT)系统包括围绕检查区域旋转并发射横穿检查区 域的辐射的离子化辐射源以及接收横穿检查区域的辐射的辐射敏感探测 器。这种探测器包括二维光电传感器阵列，该二维光电传感器阵列具有多 行和多列光电传感器元素(dixel)(探测器元件)，其相应地光耦合和物理 耦合到具有多行和多列闪烁体像素的二维闪烁体阵列。闪烁体像素接收离 子化辐射并产生表示该辐射的光线。该光线横穿所述耦合并且被相应的光 电传感器元素接收，该光电传感器元素产生表示该光线的电信号。这些信 号被重建以生成表示检查区域的体积图像数据。

用于耦合闪烁体和光电传感器阵列的材料包括光耦合材料(通常是环 氧树脂)，其被用作液体胶水并随后被固化以形成固体粘合。利用液体环氧 树脂构建探测器的技术包括将闪烁体阵列固定在适当位置、(通过涂抹、擦 刷或毛细底层填充(capillary underfilling))将光学液体环氧树脂施加到闪 烁体阵列的表面、将光电传感器阵列安装到液体环氧树脂上从而将液体环 氧树脂置于闪烁体阵列和光电传感器阵列之间、以及现场固化该光学液体 环氧树脂。

遗憾的是，闪烁体和光电传感器阵列的与环氧树脂物理接触的表面可 能包括不均匀性和不规则性。结果，在光电传感器与闪烁体阵列之间的区 域中可能存在气穴和/或间隙，并且粘合的厚度可能不均匀。因此，可能将 伪影引入到体积图像数据中。另外，粘合层厚度的变化可能引起元素之间 的串扰的变化，使其补偿变得复杂。此外，对液体胶水进行混合、脱气、 分配和预固化以使探测器阵列可从固化夹具中退出将占用相对较长的手工 过程，伴随着清洁过多的材料。

本申请的各方面解决上述及其他问题。

根据一个方面，一种辐射敏感探测器包括闪烁体阵列，该闪烁体阵列 经由粘合层压板耦合到具有多个元素的光电传感器阵列。所述粘合层压板 包括无材料区域，该无材料区域从闪烁体阵列穿过粘合层压板延伸到光电 传感器阵列并且位于一对相邻元素之间。

在另一方面，通过以下步骤形成辐射敏感探测器，该探测器具有经由 粘合层压板耦合到闪烁体阵列的光电传感器阵列：将所述粘合层压板的第 一粘合表面附接到所述光电传感器阵列或所述闪烁体阵列二者中的一个， 在朝向所述光电传感器阵列或所述闪烁体阵列的方向上形成穿过所述粘合 层压板的一个或多个无材料区域，以及将所述粘合层压板的第二粘合表面 附接到所述光电传感器阵列或所述闪烁体阵列二者中的另一个。将所述粘 合层压板置于光电传感器元素与相应闪烁体元素之间并与二者光学耦合。

在另一方面，一种方法包括将粘合层压板附接到具有多于一个元素的 光电传感器阵列或闪烁体阵列中的一个。该方法还包括在朝向所述光电传 感器阵列或所述闪烁体阵列的方向上形成所述粘合层压板中的无材料区 域。所述无材料区域延伸穿过所述粘合层压板。该方法还包括将所述粘合 层压板附接到所述光电传感器阵列或所述闪烁体阵列二者中的另一个。

通过阅读和理解下面详细的描述，本领域的技术人员将认识到本发明 的更多方面。

本发明可以呈现为各种部件和部件的布置以及各种步骤和步骤的布 置。附图仅是用于图示说明优选实施例，而并不应解释为限制本发明。

图1图示说明一种示范性的成像系统；

图2图示说明闪烁体阵列；

图3A、3B、3C和3D图示说明在其上安装有粘合层压板的闪烁体阵列；

图4图示说明闪烁体阵列和粘合层压板，其中将光电传感器阵列安装 在粘合层压板上；

图5图示说明一种用于形成探测器阵列的方法。

参考图1，计算机断层摄影(CT)系统100包括绕纵轴或z轴围着检 查区域108旋转的旋转扫描架部分104。旋转扫描架部分104支撑生成并发 射横穿检查区域108的辐射的X射线源112(如X射线管)。

辐射敏感探测器阵列116以多个投影角或视角接收由源112发射的辐 射，从而至少在一百八十(180)度加上扇形角的角度下获得投影。探测器 阵列116生成表示所探测的辐射的信号或投影数据。

图示说明的探测器阵列116包括具有闪烁体阵列124的二维探测器 120，该闪烁体阵列124具有多行128和多列130的闪烁体像素132，这些 闪烁体像素经由压敏粘合层压板144与光电传感器阵列140的相应的行134 和列138的元素136耦合。所发射的辐射被闪烁体像素132接收，闪烁体 像素132产生表示该辐射的光，该光横穿粘合层压板144并且被元素136 接收。元素136(其可以是光电二极管、光电池(photoelement)等)产生 表示从相应闪烁体像素132接收的光的信号。

为了简洁和清楚，闪烁体124被示出为具有四(4)行和四(4)列的 闪烁体像素132，并且图示的元素行136包括四(4)个元素136。然而， 探测器120可以包括具有其他数量的闪烁体像素及元素的闪烁体和光电传 感器阵列。例如，探测器120可以包括分别具有十六(16)行的每行十六 (16)个像素及元素的闪烁体和光电传感器阵列，得到具有二百五十六 (256)个闪烁体像素/元素对的探测器阵列。在另一个示例中，闪烁体阵列 可以包括一个闪烁体像素，而光电传感器阵列可以包括一个或多个元素。

如上简洁所述的，粘合层压板144被用于耦合X射线闪烁体像素132 和元素136。粘合层压板144包括光学传导的双侧粘合层压板或凝胶体，该 双侧粘合层压板或凝胶体包括一个或多个无材料区域如一个或多个槽、孔 和/或其他无材料区域，如下面更详细地描述。在一个实现方式中，将无材 料区域配置为使粘合层压板144可以变形以更紧密地符合X射线闪烁体阵 列124和光电传感器阵列140的表面形状。

重建器148重建由探测器116生成的投影数据以生成体积图像数据。 该体积图像数据表示检查区域108内的对象。

通用计算机用作操作员控制台152。该控制台152包括人类可读的输出 设备如监控器或显示器以及输入设备如键盘和鼠标。控制台上存在的软件 允许操作员通过例如图形用户界面(GUI)控制扫描器100并与其交互。

对象支撑台156(如躺椅)支撑检查区域108中的患者或其他对象。对 象支撑台156是可移动的，从而在执行扫描程序的同时相对于检查区域108 引导该对象。

如上所述，探测器120包括闪烁体阵列124和光电传感器阵列140，二 者经由粘合层压板144光学地和物理地耦合。图2、图3A和图4分别图示 说明闪烁体阵列124、安装有粘合层压板144的闪烁体阵列124以及包括闪 烁体阵列124、粘合层压板144和光电传感器阵列140的探测器120的透视 截除视图。

首先参考图2，闪烁体阵列124包括接收辐射的第一主表面204以及表 示该辐射的光传送穿过的第二主表面208。如所示，相邻闪烁体像素132通 过分离器212彼此分离。分离器212可以包括诸如反光材料的材料，该反 光材料便于使闪烁体像素132彼此光学分离或隔离并且提高光电传感器阵 列140的元素136的光探测效率。作为替换，光吸收材料可以被用于使闪 烁体像素132彼此光学分离或隔离。在图示说明的示例中，每个像素具有 大约一(1)至二(2)毫米(mm)的宽度和长度，且每个分离器212具有 大约一百(100)微米至大约三百(300)微米的宽度。在其他实施例中， 像素和分离器212可以更厚或更薄。

如上所述，闪烁体阵列124的光发射表面208可以包括不均匀性和不 规则性。因此，在图示说明的实施例中，表面208是弯曲的，这是因为它 在从两个闪烁体132之间的区域216沿着行128向外的方向上从区域216 向下倾斜，因此表面208是不平坦的。应该认识到示出表面208的图示曲 率仅用于解释的目的，而表面208可以具有不同的或附加的不均匀性和不 规则性。

转向图3A，示出了与压敏粘合层压板144耦合的X射线闪烁体阵列 124的切除部分。在这一示例中，粘合层压板144的厚度是大约一百二十五 (125)微米。在其他实施例中，粘合层压板144可以更厚或更薄。粘合层 压板144包括分别用于粘合闪烁体阵列124和光电传感器阵列140的第一 压敏粘合侧220和第二压敏粘合侧224。如所示，第一压敏粘合侧220物理 耦合到闪烁体阵列124的第二表面208。

如所示，无材料区域228相对于分离器212选择性地定位。在这一实 施例中，无材料区域228的宽度符合分离器212的宽度。作为示例，假设 每个分离器212具有大约二百(200)微米的宽度，则每个图示的无材料区 域228具有大约二百(200)微米的宽度，该宽度相对分离器212的宽度近 似处于中心。在其他实施例中，无材料区域的宽度可以大于或小于分离器 212的宽度。

在这一示例中，在所有相邻的像素132之间形成无材料区域228，得到 在多行和多列闪烁体元素132之间连续延伸的一组无材料区域228。然而， 应该认识到可以另外地配置无材料区域228。例如，图3B提供一个示例， 其中在处于成组的四(4)个元素132之间的粘合层压板144中形成无材料 区域228。图3C提供另一个示例，其中无材料区域228仅在多行的闪烁体 像素132之间行进。图3D提供另一个示例，其中在相邻的元素132之间 形成通过粘合层压板144彼此分离的单独无材料区域228。也可预期到其他 无材料区域的配置。

无材料区域228增加粘合层压板144在横向方向的柔性或可弯性。在 一个示例中，这允许粘合层压板144横向增大或变形到无材料区域228内， 从而粘合层压板144符合闪烁体124表面的任何不规则性和不均匀性，诸 如表面208中的弯曲。无材料区域228也减少闪烁体像素132之间的光学 串扰，该光学串扰源自于光线横穿粘合层压板144的本体到达相邻的元素 136而非达到相应的元素136。

适当的非限制性的粘合层压板包括具有相反的压敏粘合表面的光学清 洁、光学传导和透光的丙烯酸。这种粘合层压板可以包括一些光学特性， 诸如大约1.47的折射率、大约百分之九十八(98％)或更大的可见光透射 和/或大约百分之九十八(98％)或更大的清晰度。这种粘合层压板的非限 制性示例包括8154，其为美国Glen Rock，PA的Adhesives Research，Inc.的产品。

现在转向图4，示出闪烁体阵列124，其具有粘合层压板144和安装在 粘合层压板144上的光电传感器阵列140。如下面更详细地描述，光电传感 器阵列140以一种方式安装以减少光电传感器阵列140与粘合层压板之间 以及由此而来的闪烁体阵列124与光电传感器阵列140之间的气穴和间隙。 注意到在图示说明的示例中，粘合层压板144在多个地方突出到无材料区 域228内以补偿表面208的弯曲。

任选地，在将闪烁体阵列124和光电传感器阵列140附接到粘合层压 板144之后，将填充物材料232施加到无材料区域228中，以帮助进一步 减少像素132之间的光学串扰。在这一实施例中，填充物材料232包括具 有炭黑、黑颜料或其他光吸收材料以及环氧树脂的柔性复合物。作为替代， 填充物材料可以包括不透明的反射器。非限制性的适当不透明反射器包括 25-50％的二氧化钛(TiO₂)及环氧树脂如Epo-tek 301的复合物，Epo-tek301 为美国Billerica MA的Epoxy Technology，Inc.提供的双部件光学清洁的环氧 树脂粘合剂。

图5描述了用于经由粘合层压板144光学耦合闪烁体阵列124和光电 传感器阵列140的方法。在参考数字504处，将粘合层压板144安装到闪 烁体阵列124的表面208上。应该认识到可以获得作为置于可移除聚合物 载体衬板之间的双侧粘合层压板薄片的粘合层压板144，所述聚合物载体衬 板大体维持第一粘合表面220和第二粘合表面224的整体性。在这一示例 中，可移除地附接到安装在闪烁体阵列124上的粘合层压板144的一侧的 衬板被移除，从而可以将粘合层压板144安装到表面208上。或者，可提 供作为例如一卷双侧粘合层压板等的粘合层压板144。

在安装过程中选择性地对粘合层压板144施加朝向闪烁体124的压力， 以使粘合层压板144符合并粘附到闪烁体124的表面208，包括表面208中 的不均匀性和不规则性。例如，在此示出的表面208具有大致凸起形状的 曲面。这样，此压力可以开始于对应于区域216的区域并且在相反方向上 沿着弯曲向外移动。以这种方式，当安装层压板144时可以排出空气。如 果表面208是相反的大致凹入的形状，则作为替换压力可以开始于弯曲表 面的第一外部末端附近并且横穿表面208朝向第二外部末端移动。其他技 术可以用于凸起和凹入形状的表面以及其他形状的表面。

在508，在粘合层压板144中形成无材料区域228。在一个示例中，采 用通过电流或其他方式加热的适当尺寸金属丝的热丝成形被用于形成无材 料区域228。利用这种技术，首先形成在第一方向大致平行的第一组无材料 区域。然后，形成第二组大致平行的无材料区域，其与第一组平行的无材 料区域大致正交。作为替代，第一无材料区域和第二无材料区域是同时形 成的。用于形成无材料区域228的其他适当技术包括激光消融、划线 (scrbing)等。无材料区域具有两种全异的功能。首先，无材料区域228 允许粘合层压板144变形进入无材料区域228内，从而粘合层压板144符 合表面不规则性和不均匀性并且排出滞留在粘合层压板144与闪烁体124 之间的空气。其次，无材料区域228防止覆盖相邻元素136的层压板之间 的光学接触并且减少穿过层压板的串扰。

在512，将光电传感器阵列140安装到粘合层压板144上。与粘合层压 板144一样，可以选择性地在朝向闪烁体阵列124的方向对光电传感器阵 列140施加压力，以便将粘合层压板144的表面228粘附到光电传感器阵 列140，包括使粘合层压板144变形或定形以符合表面的不均匀性和不规则 性并且排出处于粘合层压板144与光电传感器阵列140之间的空气。

在516，根据需要将填充物材料232施加到无材料区域228中。可以使 用各种技术来施加材料232，包括毛细底层填充、丝网印刷、涂抹和擦刷以 及其他技术。

应该认识到，相对于非层压粘合，使用粘合层压板144可以降低成本、 生产时间和加工步骤，因为非层压粘合需要其他的预安装和后安装步骤， 如混合、脱气、分配、固化和/或清洁。

现在描述各变型。

在上述方法中，首先将粘合层压板144安装在X射线闪烁体124上， 然后将光电传感器阵列140安装在粘合层压板144上。然而，应该认识到 作为替换，可以首先将粘合层压板144安装在光电传感器阵列140上，然 后接着可以将闪烁体124安装在粘合层压板144上。

在另一个实施例中，在安装粘合层压板144之前形成无材料区域228。 在一个示例中，这可以通过从一张粘合层压板144上去除载体衬板并且如 本文所述在粘合层压板144中形成无材料区域228来实现。作为替代，在 粘合层压板144中形成无材料区域228，而不用首先去除衬板。

针对上面图3D所示的配置，可以使用模具等来预形成该板中的单独无 材料区域228，去除或不去除衬板，以生成穿孔的粘合层压板。然后该粘合 层压板可以对齐并安装到X射线闪烁体阵列124(或光电传感器阵列140) 上。然后，光电传感器阵列140(或X射线闪烁体阵列124)可以安装到预 先开槽的粘合层压板144上。

无材料区域228可以具有不同的形状。例如，它们可以是椭圆形、圆 形、三角形或其他形状。

如上所述，在经由粘合层压板144光学耦合X射线闪烁体阵列124和 光电传感器阵列140之后，可以用填充物材料232来填充无材料区域228。 在备选实施例中，在无材料区域228形成之后、但在粘合层压板144被粘 附到X射线闪烁体阵列124或光电传感器阵列140之前，利用材料323填 充无材料区域228。

在另一个实施例中，省略填充物材料232。

前述内容及其变型的应用包括但不限于计算机断层摄影(CT)以及其 他医学和非医学应用，例如PET、X射线、γ射线等应用，其利用辐射敏感 探测器来探测辐射并产生表示该辐射的信号。

已经通过参考优选实施例描述了本发明。本领域技术人员通过阅读和 理解前面详细的说明书容易想到各种修改和变化。希望将本发明解读为包 括所有这些修改和变化，只要它们处于随附的权利要求及其等价物的范围 内。