CN101964217A

CN101964217A - 制造二维准直器元件的方法以及二维准直器元件

Info

Publication number: CN101964217A
Application number: CN2010102353692A
Authority: CN
Inventors: 马里奥·艾肯希尔; 迈克尔·梅斯; 丹尼尔·尼德洛纳; 斯蒂芬·沃思
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2011-02-02
Also published as: US20110019801A1; DE102010011581A1

Abstract

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)。

Description

制造二维准直器元件的方法以及二维准直器元件

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***，该X射线***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

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

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z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***(Dual-Source-Systemen)(在该***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

方向上偏移地设置的用于采集投影的拍摄***)中，还需要在z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-Verbindung)。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

方向和z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(

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***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300μm、优选80μm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℃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。

此外，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。

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

和/或z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

和/或z对齐的隔片。在此，特别地这样选择具有

和/或z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

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z方向上的两个或多个像素，在其它实施例中还根据z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z方向上材料结合地(stoff-schlüssig)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(formschlüssig)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。

附图说明

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，

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***轴z(＝患者轴)在

方向上可旋转。即，

方向表示机架的周向(Umfangsrichtung)并且z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

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z方向上排列为行并且在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(Gliederung)，准直器装置8包括多个(在该实施例中是四个)在

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

方向和z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z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z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。

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

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z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z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z方向上前后设置，使得探测器平面在z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

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μm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

和z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***。

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。