CN1849672B - 用于准直电磁辐射的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于准直电磁辐射的装置，包括具有至少两个切口的宏观准直器，和位于宏观准直器的切口中并具有吸收电磁辐射的薄片的微型准直器，从而形成在所有情况下延伸使得它们在传输方向透明的准直器通道。

Description

用于准直电磁辐射的装置及其方法

本发明涉及一种准直电磁辐射，尤其是X射线辐射的装置。本发明还涉及一种配备该装置的X射线探测器和X射线装置。另外，本发明涉及一种用于准直电磁辐射的装置的制造方法。

专利文献US 3,988,589公开了一种用于准直X射线辐射的装置。该装置由多个单独的元件组成，该元件在所有情况下基本由基板组成。在板的一侧具有以一定间隔布置的凹槽，在另一侧具有以一定间隔布置的脊(薄片)。这些单独元件可以彼此嵌置，使得一个基板的脊啮合下一基板的凹槽，其中通道由基板和薄片形成，所述的通道在传输方向延伸。在最后的制造步骤中将由多个单独元件形成的该准直器块件放置在框架中，其中框架具有在传输方向延伸的切口(cutout)，并且其中切口大于准直器块件。然后用防辐射材料(铅)填充框架和在传输方向延伸的准直器块件之间的自由空间。从而大体上提供了一种用于能够在Anger照相机中使用的具有用于X射线的准直器通道的准直器。

本发明的目的在于提供一种适合大辐射探测器的用于准直电磁辐射的装置。

这个目的通过一种用于准直电磁辐射的装置实现，该装置包括一宏观准直器，该宏观准直器具有至少两个切口和位于宏观准直器的切口内并且具有吸收电磁辐射的薄片的微型准直器结构，从而形成准直器通道，该准直器通道在所有情况中的延伸使得它们在传输方向上是透明的。

现代X射线设备的探测器越来越大。射线照相探测器的尺寸例如可以高达50×50cm²。那些用于计算机断层摄影(CT)的探测器的尺寸可以是100×4cm²。甚至可以想象高达约100×40cm²的更大的探测器，尤其是在CT领域中。

当借助X射线辐射检查相对大的对象时，发生所谓的散射辐射。当X射线量子(quanta)与对象发生相互作用时产生散射辐射，所述的相互作用不会导致吸收。这种相互作用过程例如是Compton散射和Rayleigh散射。然而，在借助X射线检查的情况中，通常仅在探测器上检测出未散射的X射线量子。散射的X射线量子产生背景信号，该背景信号降低了对比度并导致噪声。在采用大对象和大探测器的情况中，散射的X射线量子的比例可以容易地达到90％或更大。

在其它类型的检查中，对象本身是辐射源，例如在单光子放射计算机断层扫描(SPECT)或正电子放射断层扫描(PET)情况下，或在散射X射线量子专用检测情况下。然后探测器的各部分接收来自对象的各部分的X射线量子。然而，通常仅当某个探测器部分仅从由准直器设备确定的对象区域接收辐射时，才执行有意义的检测。

使用布置在探测器和对象之间并用于抑制X射线辐射的某些部分的准直器来解决上述两个问题。准直器具有以直线方式延伸的准直器通道。准直器通道由透辐射内通道，或辐射吸收程度微小的内通道和不透辐射的准直器通道壁或辐射吸收程度较大的准直器通道壁组成。通过在传输方向延伸来区分各准直器通道。准直器通道壁与基本平行于传输方向的内通道接界。对于所有准直器通道的传输方向可以相同，例如在SPECT准直器情况中，所有准直器通道彼此平行排列，或者准直器通道的传输方向可以彼此不同，例如在CT准直器的情况中，每个准直器通道对准X射线源的焦点。进入准直器通道并且就其传播方向来说不同于准直器通道的传输方向的辐射很可能被吸收在不透辐射的准直器通道壁中。就局部而言，准直器因此基本只允许传播方向与传输方向相同的辐射通过。

用于准直X射线辐射的准直器典型由擅长吸收所用X射线辐射的材料制造，例如由诸如铅的重金属制造。也可以使用其它金属，例如钨、钽、钼或合金(例如锡含量高的青铜)、或重金属化合物(例如氧化钨或碳化钨)，还或者可以使用混合材料，该混合材料例如由包含埋置的金属粉末的塑料基质构成。在低能量X射线辐射的情况下(如同例如在***X射线照相术中所用的)，也可以使用铜、钛或铁，或具有类似的X射线吸收的材料。

在CT或现代PET探测器领域，将每个栅格通道准确地几何分配到一个探测器元件也很重要。具有大量准直器通道的宏观准直器的几何学准确度难以保持并且费用昂贵。成本有效地制造的铸造或注模组件在相对大的尺寸已知具有精度问题，这些问题表现为例如冷却时收缩和不均匀冷却时变形。制造例如通过金属丝EMD(wire EDM)或蚀刻加工制造的精确组件非常费时且费用高。

根据本发明的准直器具有确定了整体几何结构的宏观准直器。由于宏观准直器具有用于微型准直器的切口，所以宏观准直器只需要有少量内部结构。宏观准直器可以采用高精度的制造方式产生(如通过金属丝EDM或通过层叠蚀刻的金属板)而不用负担高昂的费用。准直器的精细结构由微型准直器的结构产生。微型准直器可以采用价格不高的方式(例如铸造方法-比如铅铸造或者塑料注模，使金属粉末埋置在塑料基质内-或者简单地将金属片彼此嵌置以便形成有平行准直器通道的微型准直器)。微型准直器的精度只必须要满足整个准直器表面的部分。

根据本发明的准直器装置的一个实施例具有微型准直器结构，该微型准直器结构具有侧面(即垂直于传输方向)不完全由薄片封闭的准直器通道。当微型准直器结构位于宏观准直器中时，通过宏观准直器的壁实现完全封闭以形成准直器通道。这样可以使宏观准直器的壁和薄片一样厚，而不会使由宏观准直器的壁分隔的两个内部通道之间的整体壁厚度大于由微型准直器结构的薄片分隔的两个内部通道之间的壁厚度。

在根据本发明的准直器装置的另一实施例中，具有至少一个导向结构。导向结构有助于将微型准直器结构相对宏观准直器精确定位。导向结构可以例如是凹槽或导轨。

在根据本发明的准直器装置的另一实施例中，有至少一个定位结构。定位结构用于将准直器装置相对诸如像素化的探测器的外部单元精确定位。从而可以将准直器通道非常精确地分配给单独的探测器像素，例如使得准直器通道壁在所有情况下位于两个探测器像素之间，并因此避免准直器通道壁遮挡单独探测器像素上的辐射。

在根据本发明的准直器装置的一个实施例中，将切口以聚焦方式排列。这样，可将以平行方式准直并成本有效地制造的微型准直器结构定位在单独切口中，并且仍然实现准直器装置的总体聚焦。由于局部平行排列的准直器通道在总体实现聚焦准直的情况中导致辐射遮蔽，所以必须选择切口和微型准直器的几何形状使得不超过可接受的遮蔽水平。

根据本发明的准直器装置可以有利地用于X射线探测器单元。在这种X射线探测器单元的一个实施例中，X射线探测器单元的元件与微型准直器结构整体连接。这样，可以例如在所有情况下将X射线转换器(例如，闪烁器)安装在准直器通道中。

本发明还涉及其中使用了根据本发明的准直器装置的X射线设备。该准直器装置可以例如以如下方式布置在X射线设备中，即它可以被替换或作为X射线探测器单元的一部分。

本发明还涉及一种制造准直器装置的方法，其中在一个实施例中微型准直器结构采用铸造或注模工艺(例如铅铸造工艺或塑料注模工艺)制造。

下面参考附图所示的实施例的例子进一步描述本发明，然而本发明不限于此。

图1显示了根据本发明具有举例示出的宏观准直器和一个微型准直器结构的准直器装置的示意图。

图2显示了微型准直器结构的单独的图示。

图3显示了具有平行排列的准直器通道的微型准直器结构的侧视图。

图4显示了图3的微型准直器结构的投影。

图5是具有聚焦方式排列的准直器通道的微型准直器结构的侧视图。

图6显示了具有导向结构的宏观准直器的一面。

图7显示了宏观准直器的一面，在其左侧定位一个微型准直器结构，在其右侧定位多个微型准直器结构。

图8显示了具有允许相对外部单元定位的定位结构的微型准直器结构的侧视图。

图9显示了一准直器装置的侧视图，该准直器装置以聚焦方式排列并具有位于切口中的微型准直器结构，所述微型准直器结构具有平行排列的准直器通道。

图10显示了包括根据本发明的准直器装置的X射线探测器的侧视图。

图11显示了装备有根据本发明的准直器装置的X射线成像设备。

图1显示了宏观准直器1的示意图，其中一个微型准直器结构2示例性地定位在切口3之一中。

图2显示了微型准直器结构2的一个实施例.该微型准直器结构可以例如以铸造或注模法制造。铅铸造和塑料注模可以在此作为例子提及。在用于X射线辐射的准直器中，如果在塑料注模方法中，例如将X射线吸收粉末(例如，颗粒尺寸在微米范围的钨粉)结合到塑料中是有利的。另一种制造微型准直器结构的方法是将吸收电磁辐射的金属片彼此嵌置。在平行排列的准直器通道的情况中这是容易实现的。图2所述的微型准直器结构具有在所有情况下以传输方向延伸的透明准直器通道。在本文中，透明理解成，例如，即使具有低辐射吸收性的固定设备(例如，由塑料制造的固定板，其将定位的微型准直器结构固定在宏观准直器中)也不改变透明度。在所示的实施例中，辐射透明内通道由空气形成，准直器通道由薄片形成，薄片的延伸方向基本与各准直器通道的传输方向相同。

图1所示的根据本发明的准直器装置的实施例显示了，如果有合适精度的宏观准直器产品，可以制造具有高总体精确度和低成本的非常大的准直器装置。由于可以将切口3选择成比所需准直器通道大，并且因此仅需制造少量宏观准直器的精确结构，因此精确宏观准直器的成本降低。

图3显示了具有平行排列的准直器通道的微型准直器(也称为平行准直器)的侧视图。传输方向为双箭头A的方向。平行准直器装置用于例如获得扩展源分布的平行投影图像，例如在SPECT情况中。阴影线表示的薄片4’在这个实施例中被理解成垂直于纸平面延伸。薄片4”(参考图4)以一定间隔平行于纸平面布置，所述的薄片与垂直于纸平面的薄片一起与准直器通道的内通道接界。

图4显示了图3的微型准直器结构的一投影。薄片4包围在传输方向透明的准直器通道5，使得准直器通道5具有矩形横截面。在所示的实施例中(该实施例与图3的侧视图相同，侧视图被理解成箭头V的方向)，有彼此垂直延伸并因此形成准直器通道5的矩形横截面的薄片4’和薄片4”。在所示的实施例中，在以传输方向延伸的微型准直器结构的侧面形成准直器通道5’，该准直器通道由于没有被薄片完全包围而在侧面是开放的。也可以存在所示类型的微型准直器结构的实施例，其没有任何在侧面开放的准直器通道5’，或其具有仅在一或两或三侧在侧面开放的准直器通道5’。

图5显示了具有对准一点的准直器通道的微型准直器结构(也称为聚焦准直器)的侧视图。垂直于纸平面延伸的阴影线表示的薄片对准一点。这种微型准直器结构的实施例在例如当来自诸如X射线源的点源的辐射被允许通过，并且来自其它辐射源，例如来自被照射对象的散射辐射将在薄片中被吸收时是有利的。在纸平面上延伸的薄片可以平行纸平面延伸，这导致全部微型准直器结构聚焦在一条线上，或者同样对准辐射源点，这意味着薄片在所有情况下以一个角度垂直于纸平面布置使得所有产生的准直器通道5，5’对准源点。因而各准直器通道的传输方向在所有情况下指向该焦点。

代替具有在此所示的矩形准直器通道的实施例，也可以由薄片围起不同几何形状的准直器通道，例如六边形或圆形横截面的准直器通道。不同准直器通道的横截面形状可以不同。

图6显示了具有两个切口3的宏观准直器1的一面，其中在宏观准直器的壁中的一些点制造凹口6。图7显示了具有位于切口中的微型准直器结构2、2’、2”的准直器装置。一个微型准直器结构位于左侧切口中，如从图3-5中已知的那样。左侧切口由单个微型准直器结构填充。凹口6用作将微型准直器结构相对于宏观准直器定位的导向结构。导向结构有助于微型准直器结构的精确定位。代替凹口，导向结构也可以由本领域普通技术人员已知的其它结构形成，例如凹痕(dent)或另外附着的导轨。而且，在该实施例中的宏观准直器的壁围起微型栅格结构的开放式准直器通道，从而形成了完全封闭的准直器通道。利用开放式准直器通道，可以避免微型准直器的外壁厚度和宏观准直器的壁厚度被加在一起的情况。由于准直器装置的所有准直器通道的尺寸和间距相同，因而微型准直器结构的外壁必须制造成比薄片的厚度薄很多。

根据本发明的微型准直器通道也可以具有由诸如聚氨酯泡沫的仅微量吸收辐射的材料填充的准直器通道。这有利于提高微型准直器结构的稳定性。在一个实施例中，有由一块微量吸收材料(例如硬质泡沫)制造的微型准直器结构，该材料具有其中放置吸收薄片的切口。这样，由于硬质泡沫保证了稳定性，也可以使用本身不稳定的薄片(例如铅薄片)。即使在填充微量吸收材料的情况下，准直器通道也被认为是透明的，这是因为与吸收薄片相比，X射线辐射在微量吸收材料内仅少量衰减。

图7的宏观准直器的右侧切口中定位了各种微型准直器结构。在这个举例示出的实施例中，存在交替的梳状板2’和平板2”，它们作为一个整体填充切口，使得在这种情况下也形成准直器通道。在该实施例中，存在具有既不封闭也不开放的准直器通道的微型准直器结构2”。仅在与其它微型准直器结构2’和宏观准直器1的壁合作的时形成封闭准直器通道5。也可以使用不同形式的板代替梳状板和平板作为微型准直器结构，只要所述的板可以放置在切口中使得形成准直器通道。这种板例如可以是深冲压板。

图8显示了其上安装定位结构7的微型准直器结构2的侧视图。在这种情况下，定位结构7可以在制造过程期间整体形成或随后附加。定位结构7允许将微型准直器结构2相对外部元件10定位。在所示的实施例中，定位结构7啮合外部元件10的凹陷部分。从而可以实现准直器通道相对于外部元件10(例如用于检测电磁辐射的光电二极管)的结构的精确对准。

图9显示了具有位于宏观准直器切口中的宏观准直器1和微型准直器结构2的准直器装置的侧视图。在该实施例中，宏观准直器1被设计成聚焦的，其中切口被设计成使得它们各自的准直方向对准一点。如果微型准直器结构如例子所示被设计成平行准直，那么由于宏观准直器的结构，准直器装置仍然具有聚焦对准。根据微型准直器结构的高度、准直器通道的横截面积和可能的其它几何参数，可以选择切口的尺寸使得仍然可以产生适合各自应用的总体准直器装置的聚焦准直。使用平行微型准直器结构的优点在于它比聚焦微型准直器结构更容易制造。

图10以侧视方式示意性显示了X射线探测器，其中使用了根据本发明的准直器装置。在衬底11上布置闪烁体光电二极管矩阵模块10。照射闪烁体并与其相互作用的X射线辐射被转换为可见光，该可见关由光电二极管检测并转换为电信号。准直器装置布置在探测器和辐射源之间。

图11举例显示了具有X射线源22和X射线探测器21的医用X射线成像设备20，其中使用根据本发明的准直器装置23，所述的准直器装置在本实施例中被布置在X射线源22和X射线探测器21之间在X射线探测器21上。

Claims (11)

1.一种用于准直电磁辐射的装置，包括具有至少两个切口(3)的宏观准直器(1)，和位于宏观准直器的切口中并具有吸收电磁辐射的薄片(4)的微型准直器结构(2，2’，2”)，从而形成在所有情况下延伸使得它们在传输方向(A)透明的准直器通道(5)。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于微型准直器结构(2，2’，2”)具有至少一个准直器通道(5’)，该准直器通道垂直于传输方向(A)不完全由薄片封闭，并且通过宏观准直器(1)的壁完成封闭。

3.根据权利要求1的装置，其特征在于它具有至少一个将微型准直器结构(2，2’，2”)中的至少一个相对宏观准直器(1)定位的导向结构(6)。

4.根据权利要求2的装置，其特征在于它具有至少一个将微型准直器结构(2，2’，2”)中的至少一个相对宏观准直器(1)定位的导向结构(6)。

5.根据权利要求1-4之一的装置，其特征在于它具有至少一个将该装置相对外部单元(10)定位的定位结构(7)。

6.根据权利要求1-4之一的装置，其特征在于以聚焦方式布置切口(3)。

7.一种包括权利要求1-6之一的装置的X射线探测器单元。

8.根据权利要求7的X射线探测器单元，其特征在于微型准直器结构(2，2’，2”)中的至少一个与X射线探测器单元(10)的元件整体地提供。

9.一种包括权利要求1-6之一的装置的X射线设备。

10.一种用于制造准直电磁辐射的装置的方法，所述方法包括下述步骤：

·制造具有至少两个切口(3)的宏观准直器(1)，

·制造具有吸收电磁辐射的薄片(4)的微型准直器结构(2，2’，2”)，

·将微型准直器结构(2，2’，2”)***切口(3)中，从而形成在所有情况下延伸使得它们在传输方向(A)透明的准直器通道(5)。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于微型准直器结构(2，2’，2”)中的至少一个采用铸造或注模方法制造。

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