CN101214154A - Ct探测器模块构造 - Google Patents

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CN101214154A CNA2008100019727A CN200810001972A CN101214154A CN 101214154 A CN101214154 A CN 101214154A CN A2008100019727 A CNA2008100019727 A CN A2008100019727A CN 200810001972 A CN200810001972 A CN 200810001972A CN 101214154 A CN101214154 A CN 101214154A
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Abstract

本发明涉及CT探测器模块构造。提供用于CT成像***(10)的探测器模块(20)。所述探测器模块(20)包括用于将X射线(16)转换成电信号的传感器元件(52)。所述传感器元件(52)经由互连***耦合到数据采集***DAS(54)，所述DAS(54)由电子基板(56)和集成电路(70)构成。互连***通过接触焊盘互连(60)以及线接合互连(72)或另外的接触焊盘互连(60)一起将所述传感器元件(52)、电子基板(56)以及集成电路(70)耦合。

Description

CT探测器模块构造
技术领域
本发明通常涉及用于传感器元件的电接口，并且更具体地涉及传感器元件和数据采集***(DAS)之间的基于集成电路(IC)的电接口，如可用作计算机断层摄影(CT)***内大面积探测器中的模块化可平铺元件。
背景技术
诸如X射线和计算机断层摄影(CT)之类的X射线成像***已经被用来实时观察对象的内部状况。典型地，上述成像***包括配置成向诸如患者或一件行李的感兴趣对象发射X射线的X射线源。诸如辐射探测器阵列的探测装置定位于对象的另一侧，并且配置成探测透过该对象的X射线。
在计算机断层摄影(CT)***中使用的一种已知探测器包括能量识别的直接转换探测器。当受到X射线能量时，直接转换探测器中的传感器元件将该X射线转换成能量，以产生对应于入射的光子通量的模拟电信号。
数据采集***(DAS)可从直接转换探测器来采集模拟信号，并将这些信号转换成数字信号用于随后处理。通常在探测器和DAS之间使用的接口组件还不能对模拟信号实现最佳信号完整性。这个非最佳信号质量中的一个因素是传感器元件和DAS之间的互连路径。当前的探测器模块用互连结构使得从传感器读出表面互连到DAS，所述互连结构涉及柔性或刚性电路板上的较长长度的金属线路。随着传感器元件密度的增加，DAS和传感器之间的互连通路变得更困难。需要更多的封装层来给互连设定路线，从而导致电容增加并且可靠性降低。
因此，希望提供一种互连***，其提供传感器元件到DAS的短的低电容互连。此外，还希望传感器和信号处理电子设备封装在可平铺的具有两面、三面或四面的单元内，所述面对接形成传感器阵列，其在上述单元之间具有相对较小的间隙。
发明内容
本发明提供克服上述缺陷的一种具有改善的互连构造的设备。多个线接合和凸块接合形成传感器元件和DAS中各部件之间的短的低电容互连。
根据本发明的一个方面，CT成像***包括机架，该机架具有通过其中的孔，该孔设计成接收平移通过该孔的患者；设置于机架中并配置成向患者发射X射线的X射线源；以及设置于机架中以接收通过患者削弱的X射线信号的探测器模块。探测器模块还包括用于将X射线信号转换成相应电信号的传感器元件，用于调节电信号的包括位于电子基板上的至少一个集成电路的数据采集***(DAS)，以及用于耦合传感器元件、所述至少一个集成电路以及电子基板的互连***，其中所述互连***包括第一接触焊盘互连，以及线接合互连和第二接触焊盘互连之一。
根据本发明的另一方面，用于CT成像***中的探测器模块包括配置成接收X射线信号并将X射线信号转换成相应模拟信号的直接转换传感器，以及具有芯片封装和安装到芯片封装的至少一个电子设备的数据采集***(DAS)，所述电子设备配置成将模拟信号转换成相应的数字信号。探测器模块还包括通过第一凸块接合阵列将直接转换传感器互连到芯片封装和电子设备之一的第一接合***以及将电子设备互连到芯片封装的第二接合***，其中所述第二接合***包括线接合阵列和第二凸块接合阵列之一。
根据本发明的又一方面，一种构造探测器模块的方法包括下述步骤：将X射线传感器定位以接收来自X射线源的X射线，并且与X线源相比较，将数据采集***(DAS)定位于X射线传感器之后，以调节所接收的X射线，所述DAS包括在其上具有至少一个集成电路的电子。所述方法还包括通过凸块接合***将X射线传感器耦合到电子基板以及通过线接合***和第二凸块接合***之一将该至少一个集成电路耦合到电子基板的步骤。
从以下详细说明和附图可以明了本发明的各种其它特征和优势。
附图说明
附图示出了目前打算用于执行本发明的实施例。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的计算机断层摄影(CT)成像***的透视图；
图2是图1的CT成像***的示意图；
图3是根据本发明一个实施例的探测器模块的透视图；
图4是图3的探测器模块的底平面图；
图5是沿图4的线4-4所取的侧截面图；
图6是根据本发明另一实施例的探测器模块的分解透视图；
图7是根据本发明另一实施例的探测器模块的局部分解透视图；
图8是根据本发明另一实施例的探测器模块的局部分解透视图；
图9是根据本发明另一实施例的探测器模块的局部分解透视图；
图10是根据本发明另一实施例的探测器模块的局部分解透视图；
图11是根据本发明另一实施例的探测器模块的透视图。
具体实施方式
参照图1和图2，计算机断层摄影(CT)成像***10示出为包括代表“第三代”CT扫描器的机架12。机架12具有X射线源14，其朝向机架12的相对侧上的探测器组件18投射X射线束。探测器组件18由多个探测器模块20形成，所述探测器模块20共同感测所投射的穿过医疗患者22的X射线。每一个探测器20产生电信号，所述电信号不仅代表照射的X线射束的强度而且能够提供光子或X射线的计数数据，以及从而代表当其穿过患者22时的被削弱的射束。在采集X射线投影数据的扫描过程中，机架12和安装在其上的部件绕旋转中心24旋转。
机架12的旋转和X射线源14的操作受到CT***10的控制机构26的控制。控制机构26包括将电源和定时信号提供到X射线源14的X射线控制器和控制机架12的旋转速度和位置的机架电机控制器30。图像重构器34接收来自DAS 54的采样的和数字化的X射线数据，并执行高速重构。重构图像作为输入施加到计算机36，其将图像存储在海量存储装置38中。
计算机36还经由具有用于输入数据参数的键盘的控制台40来接收来自操作员的命令和扫描参数。相关的阴极射线管显示器42允许操作员观察来自计算机36的重构图像和其它数据。计算机36利用操作员提供的命令和参数向DAS 32、X射线控制器28和机架电机控制器30提供控制信号和信息。此外，计算机36操作控制电动工作台46的工作台电机控制器44以便将患者22定位于机架12中。具体地，工作台46将患者22的部分移动通过机架开口48。
CT成像***10的探测器模块20被构造成具有接口体系结构，其允许通过低电容的互连将具有给定电特性(例如，相对敏感的模拟信号)的信号与具有相对于给定电特性的不同电特性(例如，数字信号和/或功率信号)的信号(例如在集成电路封装中)分开。也就是说，由探测器模块20中的X射线传感器产生的模拟信号通过互连传送到向敏感模拟信号提供所需信号调节(例如，模数转换)的数据采集***(DAS)。在DAS内设置与模拟传感器互连分离的单独数字和功率互连，以便传输数字信号和功率。DAS可包括形成于硅片上的专用集成电路来提供专门的功能，诸如模数转换(ASIC)。例如，在ASIC芯片的第一区域(例如，ASIC芯片的顶面)处可形成模拟互连，而在远离第一区域的第二区域(例如，ASIC的邻近侧或ASIC的底面)处可形成数字信号和功率互连。典型地，到ASIC的模拟和数字连接位于硅芯片的一侧上。预期互连的精确组合和配置及其功能将改变，而且并不限于特定的探测器模块体系结构。当然，提供下述实施例作为用于实施本发明的示范性配置。
图3示出具有根据本发明一个实施例的“堆叠”构造特征和组件的探测器模块20。探测器模块20具有可平铺(tileable)的特征，这样相似的探测器模块单元可在所有的四个侧上对接。探测器模块20包括配置成接收X射线信号并将X射线信号转换成相应的电模拟信号的传感器元件52。优选地，传感器元件52包括单层直接转换材料，其实例包括碲化镉、碲化锌镉晶体、聚晶复合片(polycrystalline compact)，以及薄膜层。如图3所示，传感器元件52耦合到DAS 54以便将模拟信号转换成数字信号。具体地，传感器元件52耦合到形成部分DAS 54的电子基板56。为了促进该耦合，在传感器元件52和电子基板56之间设有间距适配器58。间距适配器58是双侧连接机构，其具有位于每一表面上的接触焊盘60以便与传感器元件52的底部读出表面上的接触焊盘60和电子基板56上的接触焊盘60结合。当不同的接触焊盘60配置和/或间距存在于传感器元件52和电子基板56上时，间距适配器58配置成将传感器元件52结合到电子基板56。间距适配器58的顶部具有对应于传感器元件52底侧上的一个接触焊盘配置的接触焊盘60以及具有对应于电子基板56上的不同接触焊盘配置的底部接触焊盘60。
还预期传感器元件52的接触焊盘60具有与电子基板56上的接触焊盘60相同的配置。在该设置下，不需要间距适配器将传感器元件52耦合到电子基板56。在该配置下，传感器元件52具有底部读出表面，该表面具有位于其上的直接耦合到电子基板56的接触焊盘60。也就是说，将传感器元件52底表面上的接触焊盘60设置成与电子基板56顶面上的相应接触焊盘60耦合。
将接触焊盘60实施为传感器元件52和DAS 54之间的互连尤其有利，原因在于其允许在传感器元件52和DAS 54之间具有的低电容的短连接(也就是，没有互连线)。优选地，传感器元件52包括用于直接转换传感器中每一像素的独立接触焊盘。这种构造有助于确保敏感模拟信号的高质量传输。
如图3所示，电子基板56还连接或集成到垂直于传感器元件52和电子基板56取向的布线组件62。布线组件62的垂直取向允许连接到位于其上的数字互连64，从而允许改进数字数据从图1的CT扫描***10的探测器模块20到处理部件的传输。此外，电子基板56和布线组件62在其侧壁上没有延伸到传感器元件52之外的部件，从而允许传感器元件52的每一侧与相同类型的另一个探测器模块紧密对接。在该方式下，通过这种设计提供了四面可平铺性，并且有利于大面积探测器的构造。
探测器模块20还包括在其公共阴极处与传感器元件52接触的高压互连66，以便将能量提供到探测器模块20。预期该连接66为多个探测器模块20所共有，并在探测器模块20平铺成大阵列之后应用。使高压互连66绝缘，以防止短路到阴极接触之外的探测器模块20的其它部分。在探测器模块20中还包括偏压控制68，并形成独立于像素阳极连接的额外连接。偏压控制68连接在传感器元件52或间距适配器58和DAS 54之间。在图3所示的实施例中，偏压控制68的形式为接触焊盘60，并整合到总的接触焊盘60互连中。还预期偏压控制68可通过单独的线接合或电压线制成。用于将传感器元件52连接到DAS 54的偏压控制68的数目依赖于由传感器元件52接收的X射线光子的预期入射通量率而改变。偏压控制68的功能是依赖于X射线光子通量率动态调节传感器元件52的有效面积，从而防止传感器元件52的饱和。通过控制通过偏压控制68的电压可调节传感器元件52的有效面积或子像素元件面元显示(binning)的程度。
如图4和5所示，DAS 54还包括安装到电子基板56底部的至少一个集成电路70。还可存在包括电阻器和电容器的其它有源和无源电路。优选地，将至少一个集成电路70配置成能够将来自传感器元件52的模拟信号转换成数字信号的光子计数专用集成电路(ASIC)。该ASIC或其它类似的电路提供关于在由传感器元件52接收的X射线中探测到的光子数目和/或能量的数据或反馈。如由传统CMOS工艺制造的集成电路所特有的，用于模拟输入、数字输入和功率连接的互连焊盘形成在集成电路70的顶表面76上，其与处理电路在同一侧上。大多数传统的集成电路70通过位于集成电路70的顶表面76周边上的线接合72电连接到电子基板56。线接合72将集成电路70耦合到电子基板56，以传输从传感器元件52接收的模拟输入以及传输数字信号和功率信号。如图5所示，线接合72起始于集成电路70的顶表面76上并经过集成电路70的厚度到达DAS基板74的背侧表面。可选地，ASIC的倒装芯片安装使用面阵列配置的接触焊盘来耦合信号而不用线接合。对于倒装芯片配置来说，集成电路70的顶表面76面向电基板56的表面74。没有预期线接合和倒装芯片的一些组合可以容纳在图4和图5中所示的该封装上，但是这可由后面附图所示的实施例来解决。
如图4和5所示，线接合72位于与集成电路70连接的电子基板56的底表面74上。线接合起到提供所有的模拟、数字和功率连接的作用。将线接合72定位成具有详细的线路，以便将模拟和数字互连线路和层物理地分开。此外，圆形屏蔽线路和层将集成到电子基板56的设计中，这样它们物理定位在模拟线和数字线之间或邻近模拟线和数字线定位。在该方式下，避免在线接合72上的模拟信号和数字信号之间的干扰，以及避免通过接触焊盘60传感器元件52到电子基板56的耦合上的干扰，如图3所示。这样，在传感器元件52和DAS 54之间的传输过程中可保持模拟信号的信号完整性。
图6示出探测器模块20的另一实施例，其可适合集成电路70同时具有倒装芯片和线接合焊盘的情况。倒装芯片和线接合的组合可提供模拟和数字信号的改善的隔离。如在此所示，集成电路70(也就是，ASIC)安装到电子基板56的顶部。在该实施例中，集成电路70的顶表面76上的接触焊盘60提供传感器元件52和集成电路70之间的模拟连接。数字信号连接和功率连接由连接到集成电路70的顶表面76并到达电子基板56的线接合72形成。线接合72位于集成电路70的相对端并邻近接触焊盘60互连，以便不干扰传感器元件52到集成电路70的耦合。
此外图6示出将图2中所示的总探测器组件18中的探测器模块20和准直器组件79对齐的模块支撑件78。通过将模块支撑件78的对准销80***到电子基板56的孔82中而将探测器模块20固定到模块支撑件78，但是可预期其它的连接机构可将探测器模块20连接到模块支撑件78。对准销80用图2的准直器组件79适当定位探测器组件20，这样X射线束在射到传感器元件52之前被准直。槽84还形成于模块支撑件78内，从而允许垂直对准的布线组件62从其中经过。
图7示出探测器模块20的另一实施例，其中集成电路70安装到电子基板56的顶部。在该实施例中，集成电路70的顶表面76上的接触焊盘60提供传感器元件52和集成电路70之间的模拟连接。数字信号连接和功率连接由连接到集成电路70的顶表面并到达电子基板56的线接合72形成。线接合72位于集成电路70的相对端并邻近接触焊盘60互连，以便不干扰传感器元件52到集成电路70的耦合。如图7所示，每一个集成电路70配置成可与另外的集成电路70三侧对接。这允许沿着两个集成电路70的z轴的宽度和沿着不受限于集成电路70数目的x轴长度。该构造允许较大密度的传感器元件52耦合到集成电路70。
在图8的实施例中，集成电路70的顶表面76上的接触焊盘60提供传感器元件52和集成电路70之间的模拟连接。传感器元件52的面积大于集成电路70的面积，并且因此，传感器元件52的一部分伸出集成电路70。为了提供用于传感器元件52的支撑，绝缘的支撑元件86定位于传感器元件52的伸出部分和电子基板56之间，从而使得探测器模块20机械上更牢固。
在图9的实施例中，传感器元件52和集成电路70定位成并排配置。通过接触焊盘60将传感器元件52和集成电路70都连接到电子基板56，接触焊盘60传输模拟信号、数字信号和功率信号。在该配置下，辐射屏蔽88定位于集成电路70之上，以便屏蔽集成电路70防止暴露于X射线。辐射屏蔽88由钨或任何其它合适的金属或合金制成的金属片构成，其定位成阻挡另外会照射到集成电路70上的X射线。
在可选的实施例中，并且如图10所示，当传感器元件52和集成电路70处于并排配置，并且使用线接合72将集成电路70连接到电子基板56时，包括灵活的间距适配器90，以便将传感器元件52互连到集成电路70。灵活的间距适配器90提供传感器元件52和集成电路70之间的接触焊盘互连60，以便在它们之间传输模拟信号。线接合72邻近接触焊盘互连60定位，从而将集成电路70连接到电子基板56以便传输数字数据和功率。
还预期探测器模块20形成如图11所示的层状混合探测器92的一部分。包括在层状混合探测器92中的探测器模块20的精确构造可根据上述的任何前述实施例改变，并且在此不详细阐述。层状混合探测器92还包括定位于包括直接转换传感器52的探测器模块20之后的闪烁器阵列94。在优选实施例中，直接转换传感器52由厚约0.2mm的直接转换材料薄层构成，并且闪烁器阵列94由大约3mm的更大厚度的闪烁材料构成。包括直接转换传感器52和闪烁器阵列94的层状混合探测器92的构造允许接收和传输低能量和高能量的X射线，以及在大范围的输入X射线通量率下改善数据采集。
如图11所示，通过将模块支撑件96的对准销98***到电子基板102，104上的孔100中而将层状混合探测器92构建成与模块支撑件96对准，在电子基板102，104上分别安装有直接转换传感器52和闪烁器阵列94。对准销98用图2的准直器组件79定位层状混合探测器92，这样在X射线束照射到直接转换传感器52和闪烁器阵列94之前被准直。还可预期其它类似的连接机构可将层状混合探测器92连接到模块支撑件96。
预期所述的电接口体系结构和互连***将使得探测器模块能够在诸如多切片CT***的一个示例应用中提供以下示范性优势：不希望的信号电流、电容和/或电感的减少，从而增加传感器元件的信号完整性，相对不复杂的制造和操作性能，降低的成本，以及通过互连数目和/或长度的减少而改善的可靠性。
因此，根据本发明的一个实施例，CT成像***包括机架，该机架具有通过其中的孔，该孔设计成接收平移通过该孔的患者；设置于机架中并配置成向患者发射X射线的X射线源；以及设置于机架中以接收通过患者削弱的X射线信号的探测器模块。探测器模块还包括用于将X射线信号转换成相应电信号的传感器元件，用于调节电信号的包括位于电子基板上的至少一个集成电路的数据采集***(DAS)，以及用于耦合传感器元件、所述至少一个集成电路以及电子基板的互连***，其中所述互连***包括第一接触焊盘互连，以及线接合互连和第二接触焊盘互连之一。
根据本发明的另一实施例，用于CT成像***中的探测器模块包括配置成接收X射线信号并将X射线信号转换成相应模拟信号的直接转换传感器，以及具有芯片封装和安装到芯片封装的至少一个电子设备的数据采集***(DAS)，所述电子设备配置成将模拟信号转换成相应的数字信号。探测器模块还包括通过第一凸块接合阵列将直接转换传感器互连到芯片封装和电子设备之一的第一接合***和将电子设备互连到芯片封装的第二接合***，其中所述第二接合***包括线接合阵列和第二凸块接合阵列之一。
根据本发明的又一实施例，构造探测器模块的方法包括下述步骤：将X射线传感器定位以接收来自X射线源的X射线，以及与X射线源相比较，将数据采集***(DAS)定位在X射线传感器之后，以调节所接收的X射线，所述DAS包括在其上具有至少一个集成电路的电子。所述方法还包括通过凸块接合***将X射线传感器耦合到电子基板以及通过线接合***和第二凸块接合***之一将该至少一个集成电路耦合到电子基板的步骤。
虽然根据优选实施例对本发明进行了描述，但是应该认识到排除那些明确说明之外的等同物、替换方案和修改是可以的，并且处于所附权利要求的范围内。
附图标记列表
10  计算机断层摄影(CT)成像***
12  机架
14  X射线源
16  X射线束
18  探测器组件
20  探测器模块
22  患者
24  旋转中心
26  控制机构
28  X射线控制器
30  机架电机控制器
34  图像重构器
36  计算机
38  海量存储装置
40  控制台
42  阴极射线管显示器
44  台电机控制器
46  台
48  机架开口
52  传感器元件
54  数据采集***(DAS)
56  电子基板
58  间距适配器
60  接触焊盘
62  布线组件
64  数字互连
66  高压互连
68  偏压控制
70  集成电路(IC)
72  线接合
74  电子基板背侧表面
76  IC顶表面
78  模块支撑件
79  准直器组件
80  对准销
82  开孔
84  槽
86  绝缘支撑件
88  辐射屏蔽
90  灵活间距适配器
92  层状混合探测器
94  准直器阵列
96  模块支撑件
98  对准销
100 开孔
102 电子基板
104 电子基板

Claims (10)

1.一种CT成像***(10)，包括：
机架(12)，该机架(12)具有通过其中的孔，该孔设计成接收平移通过该孔的患者(22)；
设置于机架(12)中并配置成向患者(22)发射X射线(16)的X射线源(14)；以及
设置于机架(12)中以接收通过患者(22)削弱的X射线信号的探测器模块(20)，其中所述探测器模块(20)还包括：
用于将X射线信号转换成相应电信号的传感器元件(52)；
用于调节电信号的数据采集***(DAS)(54)，所述数据采集***(DAS)(54)包括位于电子基板(56)上的至少一个集成电路(70)；以及
用于耦合传感器元件(52)、所述至少一个集成电路(70)以及电子基板(56)的互连***，其中所述互连***包括第一接触焊盘互连(60)，以及线接合互连(72)和第二接触焊盘互连(60)之一。
2.根据权利要求1所述的CT成像***(10)，其中所述互连***形成所述传感器元件(52)、所述至少一个集成电路(70)以及所述电子基板(56)之间的模拟连接、数字连接和功率连接。
3.根据权利要求1所述的CT成像***(10)，其中所述模拟连接、数字连接和功率连接是电和物理分离的，并且是电屏蔽的。
4.根据权利要求1所述的CT成像***(10)，其中所述探测器模块(20)进一步包括间距适配器(58)，所述间距适配器(58)包括：
在其上具有多个接触焊盘(60)以互连到所述传感器元件(52)的读出表面的顶表面；以及
在其上具有多个接触焊盘(60)以互连到所述电子基板(56)和所述至少一个集成电路(70)之一的底表面。
5.根据权利要求4所述的CT成像***(10)，其中所述探测器模块(20)进一步包括至少一个偏压控制(68)，以提供在所述探测器模块(20)中动态控制传感器像素配置的功能，所述偏压控制(68)将所述电子基板(56)连接到所述传感器元件(52)和所述间距适配器(58)之一。
6.根据权利要求1所述的CT成像***(10)，其中所述探测器模块(20)还包括连接到电子基板(56)的电布线板(62)，所述电布线板(62)垂直于所述传感器元件(52)取向以形成四侧可对接的探测器模块(20)，由此另外的探测器模块(20)可邻近其定位，以构建更大的面传感器阵列。
7.根据权利要求1所述的CT成像***(10)，其中所述探测器模块(20)进一步包括模块支撑件(78)，所述模块支撑件(78)附着到所述电子基板(56)，以便将所述传感器元件(52)与准直器结构(79)对准。
8.根据权利要求1所述的CT成像***(10)，其中所述探测器模块(20)进一步包括耦合到所述传感器元件(52)的高压互连(66)。
9.根据权利要求1所述的CT成像***(10)，其中所述至少一个集成电路(70)配置成三侧可对接到另外的集成电路(70)。
10.根据权利要求1所述的CT成像***(10)，其中所述探测器模块(20)进一步包括与所述X射线源(14)相比较定位于所述传感器元件(52)之后的闪烁器(94)，以接收通过患者(22)消弱的X射线。
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