Детектор спектральной визуализации

Изобретение относится к детектору спектральной визуализации. Одномерный многоэлементный фотодетектор (120), содержащий матрицу фотодиодов (122), включающую в себя первый верхний ряд фотодиодных пикселей и второй нижний ряд фотодиодных пикселей, при этом матрица фотодиодов (122) является частью фотодетектора (120), причем фотодетектор (120) является двухсторонним; матрица сцинтилляторов (126), включающая в себя первый верхний ряд и второй нижний ряд сцинтилляторных пикселей, причем первый верхний и второй нижний ряды сцинтилляторных пикселей соответственно оптически связаны с первым верхним и вторым нижним рядами фотодиодных пикселей; считывающее электронное устройство (124), при этом считывающее электронное устройство (124) является частью фотодетектора (120), и электрические соединения (512), которые осуществляют взаимосвязь фотодиодных пикселей и считывающего электронного устройства (124). Технический результат - снижение шума в сигналах, идущих между элементами устройства. 13 з.п. ф-лы, 26 ил.

 

В целом следующее относится к детектору спектральной визуализации. Несмотря на то, что в настоящем документе он описан в связи с компьютерной томографией (КТ), также его можно использовать в других медицинских и немедицинских применениях визуализации.

Как правило, компьютерный томограф (КТ) содержит рентгеновскую трубку, установленную на поворотном портале напротив детекторной матрицы, содержащей один или несколько рядов пикселей детектора. Рентгеновская трубка вращается вокруг области исследования, расположенной между рентгеновской трубкой и детекторной матрицей, и испускает полихроматическое излучение, которое проходит через область исследования и расположенный в ней объект или субъект. Детекторная матрица обнаруживает излучение, которое проходит через область исследования и создает сигнал или проекционные данные, показывающие область исследования и расположенный в ней объект или субъект.

Реконструктор обрабатывает проекционные данные и создает объемные данные изображения, показывающие область исследования и расположенный в ней объект или субъект. Объемные данные изображения можно обработать для создания одного или нескольких изображений, которые содержат сканированную часть объекта или субъекта. Полученное изображение(я) содержит пиксели, которые типично представлены в отношении значений серой шкалы, соответствующих относительной рентгеноконтрастности. Такая информация отражает характеристики ослабления сканированного субъекта и/или объекта и, как правило, показывает структуры, такие как анатомические структуры внутри пациента, физические структуры внутри неодушевленного объекта и т.п.

Обнаруженное излучение также содержит спектральную информацию, поскольку поглощение излучения субъектом и/или объектом зависит от энергии фотонов, проходящих через него. Такая спектральная информация может предоставить дополнительную информацию, такую как информация, отражающая элементарный или вещественный состав (например, атомное число) ткани и/или вещества субъекта и/или объекта. Однако при использовании стандартной КТ проекционные данные не отражают спектральные характеристики, поскольку выходной сигнал детекторной матрицы пропорционален интегральной по времени плотности потока энергии, интегрированной по энергетическому спектру.

В спектральной КТ спектральную информацию используют для предоставления дополнительной информации, такой как информация, отражающая элементарный или вещественный состав. Один из способов получения спектральной информации состоит в использовании двойного детектора. Такой детектор, как правило, содержит монтажную плату со связанной с ней матрицей боковых фотосенсоров. Матрица фотосенсоров содержит верхний и нижний ряды пикселей, которые, соответственно, смещены друг относительно друга в направлении входящего излучения. Матрица сцинтилляторов, которая имеет соответствующие верхний и нижний ряды пикселей, которые смещены друг относительно друга в направлении входящего излучения, связаны с матрицей фотосенсоров. Матрицы фотосенсоров и сцинтилляторов связаны вместе с тем, чтобы сцинтиляторный пиксель в ряду был оптически связан с соответствующим фотосенсорным пикселем в соответствующем ряду.

Как указано выше, поглощение излучения зависит от энергии фотона. То есть перед поглощением фотоны с более низкими энергиями будут проходить более короткое расстояние или проходить на меньшую глубину в матрицу сцинтилляторов, по отношению к фотонам с более высокими энергиями, которые будут проходить дальше через сцинтиллятор перед поглощением на большей глубине. По существу, фотоны с более низкими энергиями поглощаются в верхнем ряду сцинтилляторов, а фотоны с более высокими энергиями, которые проходят через верхний ряд сцинтилляторов, поглощаются в нижнем ряду сцинтилляторов. Разделение по энергии можно дополнительно усовершенствовать, расположив фильтр между двумя рядами.

К сожалению, сигналы, генерируемые матрицей фотосенсоров, нужно направлять на монтажную плату и оттуда в обрабатывающее электронное устройство, которое часто расположено за пределами монтажной платы. По существу, следует использовать схему с высокой плотностью межкомпонентных соединений, которая может увеличить шум и/или иным способом ухудшать сигналы, идущие из детектора. В итоге рабочая зона может быть относительно большой и может увеличивать общую стоимость детектора.

Аспекты по настоящей заявке направлены на указанные выше и другие вопросы.

В одном из аспектов одномерный многоэлементный фотодетектор содержит матрицу фотодиодов с первым верхним рядом фотодиодных пикселей и вторым нижним рядом фотодиодных пикселей. Матрица фотодиодов является частью фотодетектора. Матрица сцинтилляторов содержит первый верхний ряд и второй нижний ряд сцинтиляторных пикселей. Первый верхний и второй нижний ряды сцинтиляторных пикселей оптически связаны с первым верхним и вторым нижним рядами фотодиодных пикселей, соответственно. Фотодетектор также содержит считывающее электронное устройство, которое также является частью фотодетектора. Электрические соединения осуществляют взаимосвязь фотодиодных пикселей и считывающего электронного устройства.

В другом аспекте детекторный модуль содержит несколько модулей среза. Каждый модуль среза содержит несколько опорных структур и несколько одномерных фотодетекторов, состоящих из нескольких элементов. Каждая из нескольких опорных структур поддерживает соответствующий один одномерный многоэлементный фотодетектор. Каждый одномерный многоэлементный фотодетектор, содержит область считывания со считывающим электронным устройством и фоточувствительную область с матрицей фотодиодов, содержащей несколько рядов фотодиодных пикселей, объединенных в стек. Матрица сцинтилляторов оптически связана с матрицей фотодиодов.

В другом аспекте система визуализации содержит источник, который испускает излучение из фокусного пятна, и детекторную матрицу, которая обнаруживает излучение и генерирует отражающий его сигнал. Детекторная матрица содержит несколько модулей среза, объединенных в стек вдоль поперечной оси и проходящих вдоль продольной оси. Каждый модуль среза содержит несколько одномерных фотодетекторов, состоящих из нескольких элементов, расположенных в линию. Каждый одномерный многоэлементный фотодетектор, содержит считывающее электронное устройство и матрицу фотодиодов по меньшей мере с первым верхним рядом и вторым нижним рядом фотодиодных пикселей. Матрица сцинтилляторов имеет по меньшей мере первый верхний ряд и второй нижний ряд сцинтиляторных пикселей. Первый верхний и второй нижний ряды сцинтиляторных пикселей оптически связаны с первым верхним и вторым нижним рядами фотодиодных пикселей, соответственно. Несколько опорных структур, каждая опорная структура поддерживает соответствующий один фотодетектор.

Изобретение может принимать форму в различных компонентах и компоновках компонентов и в различных стадиях и расположениях стадий. Фигуры служат лишь в качестве иллюстраций предпочтительных вариантов осуществления и их не следует расценивать в качестве ограничения изобретения.

На фиг.1 представлен пример системы визуализации.

На фиг.2(A) представлен вид сверху вниз детекторного модуля детекторной матрицы системы визуализации.

На фиг.2(B) и (C) представлен пример модуля среза и несколько одномерных детекторных модулей, прикрепленных к нему.

На фиг.3 представлен вид сбоку примера одномерного детекторного модуля.

На фиг.4 представлен вид спереди примера матрицы сцинтилляторов.

На фиг.5(A) и (B) представлен вид спереди примера одномерного детекторного модуля, без прикрепленной к нему матрицы сцинтилляторов.

На фиг.6 представлен пример выходного сигнала детектора в виде функции глубины сцинтиляторного пикселя и энергии фотона.

На фиг.7 представлен отсеивающий растр с перегородками, сфокусированными вдоль оси x.

На фиг.8 представлен отсеивающий растр с перегородками, сфокусированными вдоль оси z.

На фиг.9 представлен вид сверху вниз примера детекторного модуля, содержащего попеременно смещенные модули среза.

На фиг.10 представлен пример одномерного детекторного модуля с матрицей столбчатых сцинтилляторов, прикрепленной к нему.

На фиг.11 представлен пример детекторной матрицы, которая содержит несколько модулей среза, которые сфокусированы на фокусном пятне.

На фиг.12 представлен пример двухстороннего фотодетектора, состоящего из нескольких элементов.

На фиг.13 представлен пример детекторного модуля, который содержит несколько объединенных в стек двухсторонних фотодетекторов, состоящих из нескольких элементов.

На фиг.14 представлен пример пары фотодетекторов, состоящих из нескольких элементов, которые имеют общую матрицу сцинтилляторов.

На фиг.15, 16 и 17 представлены различные неограничивающие варианты осуществления двухстороннего одномерного многоэлементного фотодетектора.

На фиг.18 представлен пример соединения между контактом ввода/вывода и считывающим электронным устройством.

На фиг. 19, 20, 21 и 22 представлен неограничивающий пример способа сборки двухстороннего одномерного многоэлементного фотодетектора, с одной специализированной интегральной схемой.

На фиг. 23 и 24 представлен пример выравнивающей пластины.

На фиг. 25 и 26 представлены неограничивающие варианты осуществления фотодетектора, установленного на плату с печатным монтажом.

В целом, следующее относится к двухмерной детекторной матрице, сформированной из нескольких объединенных в стек одномерных модулей среза, где модуль среза содержит несколько одномерных фотодетекторов, состоящих из нескольких элементов, и одномерный многоэлементный фотодетектор, содержит как фотодиодную область (с многомерной матрицей фотодиодов на ней), так и область считывания (со считывающим электронным устройством на ней). В одном примере, который на одной подложке содержит как часть с фотодиодной областью, так и часть с областью считывания, можно снизить общую стоимость, плотность межкомпонентных соединений и след детекторной матрицы и можно повысить надежность и эффективность дозы детекторной матрицы по меньшей мере по отношению к конфигурациям детекторов, в которых матрицу фотодиодов устанавливают на отдельную монтажную плату, которая несет считывающее электронное устройство. Спектральную информацию можно получить из измерения поглощения рентгеновского излучения вдоль направления толщины матрицы сцинтилляторов, а стандартные измерения КТ можно получить посредством суммирования выходных сигналов из детекторов при том же пути луча.

На фиг.1 представлена система визуализации или КТ сканер 100. Сканер 100 содержит стационарный портал 102 и вращающийся портал 104, который закреплен с возможностью вращения в стационарном портале 102. Вращающийся портал 104 вращается вокруг области исследования 106 вокруг продольной оси или оси z 108.

Источник излучения 110, такой как рентгеновская трубка, установлен на вращающемся портале 104, вращается вместе с ним и испускает излучение. Коллиматор источника 112 коллимирует испущенное излучение для формирования, как правило, конуса, веера, клина или пучка излучения иной формы, который пересекает область исследования 106.

Чувствительная к излучению детекторная матрица 114 крепится к вращающемуся порталу 104 и стягивает угловую дугу, на другой стороне от источника излучения 110, напротив области исследования 106. Изображенная детекторная матрица 114 содержит несколько детекторных модулей 116, объединенных в стек вдоль поперечной оси или оси x. Как показано, детекторный модуль 116 содержит несколько модулей среза 118, объединенных в стек вдоль направления оси x.

Далее более подробно описано, что модуль среза 118 проходит вдоль направления оси z и содержит по меньшей мере один одномерный фотодетектор 120, состоящий из нескольких элементов, прикрепленный к опорной структуре 128. Одномерный фотодетектор 120, состоящий из нескольких элементов, содержит фотодиодную область с матрицей 122 фотодиодов, состоящих из нескольких элементов, и двухмерную матрицу сцинтилляторов 126, оптически связанную с матрицей 122 фотодиодов, и область считывания со считывающим электронным устройством 124, таким как интегральная схема, специализированная интегральная схема (ASIC) или т.п. Как указано выше, одномерный фотодетектор 120, состоящий из нескольких элементов, выполнен с возможностью содержать как матрицу 122 фотодиодов, так и считывающее электронное устройство 124. В одном примере, это можно рассматривать в качестве продолжения матрицы 122 фотодиодов, чтобы включить нефоточувствительную область и встроить считывающее электронное устройство 124 в эту продленную область матрицы 122 фотодиодов.

Одномерный фотодетектор 120, состоящий из нескольких элементов, также содержит верхнюю и нижнюю изоляцию 130, 132. Верхняя изоляция 130 соединена с той стороной сцинтиллятора 126, которая обращена к входящему излучению. Нижняя изоляция 132 соединена с противоположной стороной сцинтиллятора 126. Одна или обе изоляции 130, 132 могут содержать отражающий материал, такой как краска, пленка или другое покрытие, которое может повысить эффективность по отношению к конфигурации, в которой изоляция 130, 132 не содержит отражающий материал, поскольку отражающий материал перенаправляет фотоны, уходящие от матрицы 122 фотодиодов в направлении матрицы 122 фотодиодов.

Детекторная матрица 114 обнаруживает фотоны, испускаемые источником излучения 110, которые пересекают область исследования 106 и генерируют сигнал или проекционные данные, отражающие обнаруженное излучение. Спектральную информацию можно получить из измерения поглощения рентгеновского излучения в направлении глубины матрицы сцинтилляторов 126, а стандартные измерения КТ можно получить суммированием выходных сигналов элементов матрицы 122 фотодиодов, состоящих из нескольких элементов, при том же пути луча.

Отсеивающий растр 134 расположен между детекторной матрицей 114 и входящим излучением. Изображенный отсеивающий растр 134 представляет собой цельный отсеивающий растр, который содержит несколько каналов, которые делают возможным пропускание излучения для прохождения к матрице сцинтилляторов 126, при этом препятствуя прохождению существенного количества рассеянного излучения к матрице сцинтилляторов 126. Отдельные каналы отсеивающего растра 134 можно сфокусировать в одном или в двух измерениях на фокусном пятне, что далее рассмотрено более подробно. В настоящем документе также рассматривается отсеивающий растр из нескольких частей.

Реконструктор 136 реконструирует сигнал или проекционные данные, используя спектральный или стандартный алгоритм реконструкции, и генерирует объемные данные изображения, отражающие область исследования 106. Из объемных данных изображения можно сгенерировать одно или несколько спектральных или стандартных изображений.

Опора 138, такая как кушетка, поддерживает объект или в области исследования 106. Опору 138 можно перемещать вдоль оси z согласованно с вращением вращающегося портала 104 для облегчения создания спиральной, осевой или другой желаемой траектории сканирования.

Вычислительная система общего назначения выполняет функцию консоли оператора 140, которая содержит человекочитаемые устройства вывода, такие как дисплей и/или принтер, и устройства ввода, такие как клавиатура и/или мышь. Программное обеспечение, постоянно хранимое на консоли 140, позволяет оператору управлять работой системы 100, например, предоставляя оператору возможность выбирать спектральный или стандартный протокол сканирования, начинать/завершать сканирование, просматривать и/или манипулировать объемными данными изображения и/или иным способом взаимодействовать с системой 100.

Детекторный модуль 116 дополнительно описан в связи с фиг.22-5.

На фиг.2(A) представлен вид сверху вниз детекторного модуля 116. Как показано, отдельные модули среза 118 проходят вдоль оси z, по существу выровнены и расположены параллельно друг другу. Модули среза 118 выровнены так, что матрицы 122 фотодиодов, состоящие из нескольких элементов, и матрицы сцинтилляторов 126, на смежных одномерных фотодетекторах 120, состоящих из нескольких элементов, по существу выровнены вдоль оси x. Пример детекторного модуля 116 может содержать от 1 до 256 модулей среза 118, например, 8, 16, 24, 32 и т. д. модулей среза.

На фиг.2(B) представлен вид спереди примера модуля среза 118. В этом примере несколько одномерных фотодетекторов 120, состоящих из нескольких элементов, последовательно или в последовательном порядке прикреплены или установлены на опорную структуру 128 вдоль направления оси z. Опорная структура 128 содержит несколько сквозных отверстий или областей 202, не содержащих материал. В одном примере опорная структура 128 содержит материал, коэффициент теплового расширения которого совпадает с коэффициентом теплового расширения одномерных фотодетекторов 120, состоящих из нескольких элементов.

Одномерный фотодетектор 120, состоящий из нескольких элементов, соединяется или крепится к задней стороне опорной структуры 128 посредством нефоточувствительного сегмента, и соответствующее считывающее электронное устройство 124 в нефоточувствительном сегменте проходит в соответствующую область 202, не содержащую материал. В целях ясности на фиг.2(C) представлен вид в поперечном разрезе модуля среза 118 с фиг.2(B). Нефоточувствительный сегмент одномерного фотодетектора 120, состоящий из нескольких элементов, можно посредством клея соединить с опорной структурой 128.

На фиг.3-6 представлен пример одномерного фотодетектора 120, состоящего из нескольких элементов.

На фиг.3 представлен вид сбоку одномерного фотодетектора 120, состоящего из нескольких элементов, с прикрепленной к нему матрицей сцинтилляторов 126. В этом примере матрица сцинтилляторов 126 представляет собой структурированную матрицу сцинтилляторов, которая содержит несколько рядов сцинтиляторных пикселей. В целях пояснения показано четыре ряда; однако также предполагается большее или меньшее количество рядов. Ниже более подробно описано, что сцинтиляторные пиксели являются структурированными в том отношении, что их форма, например, их глубина, влияет на разделение по энергии и рентгеновскую статистику.

Структурированные пиксели матрицы сцинтилляторов 126 крепятся к матрице 122 фотодиодов так, что отдельные пиксели матрицы сцинтилляторов 126 по существу выровнены и оптически связаны с отдельными пикселями матрицы 122 фотодиодов. Отражающий материал, такой как краска, пленка, покрытие или тому подобное, можно поместить на одну или несколько сторон сцинтиляторных пикселей, не прикрепленных к матрице 122 фотодиодов. Это может усовершенствовать эффективность обнаружения по отношению к конфигурации, в которой отражающий материал не используют, поскольку свет, идущий в направлении от матрицы 122 фотодиодов, перенаправляется в сторону матрицы 122 фотодиодов. Как показано, матрица сцинтилляторов 126 выходит в направлении оси x дальше, чем считывающее электронное устройство 124, посредством чего она препятствует столкновению рентгеновских лучей со считывающим электронным устройством 124 и повреждению.

На фиг.4 представлен пример структурированной матрицы сцинтилляторов 126 для одномерного фотодетектора 120, состоящего из нескольких элементов, представленного на фиг.3. В этом примере сцинтиллятор содержит M столбцов 402×N рядов 404 сцинтиляторных пикселей, где M и N соответствуют числу фотодиодных пикселей в занимаемой ими области (фиг.5, ниже), и формирует матрицу сцинтиляторных пикселей 126. Здесь в целях объяснения также показаны только четыре ряда, что не является ограничением изобретения. Пиксели можно сформировать из различных материалов или эмиттеров, таких как йодид цезия (CsI), селенид цинка (ZnSe), селенид цинка, допированный теллуром (ZnSe:Te), вольфрамат кадмия (CdWO4 или CWO), оксисульфид гадолиния (GOS) и/или другие подходящие эмиттеры.

В проиллюстрированном варианте осуществления пиксели структурированы и, как правило, имеют форму полиэдра, например, форму куба, длина или глубина которых увеличивается с каждым рядом 404 в направлении от входящего излучения. В качестве примера, соответствующие глубины могут меняться от 0,1 мм до 10 мм. Например, в одном примере глубина пикселей может составлять 0,35 мм, 0,65 мм, 1,00 мм и 2,50 мм, соответственно. В более общих чертах, условия процесса реконструкции изображения могут определять подходящую толщину и, таким образом, относительное поглощение рядов сцинтилляторов.

Изменение глубины рядов сцинтилляторов поможет легче сбалансировать или уравнять число поглощений рентгеновских лучей в каждом ряду, поскольку число рентгеновских лучшей, проходящих через каждый ряд снижается в связи с поглощением рентгеновских лучей в предыдущих рядах. Дополнительно или альтернативно, изменение материала эмиттера от ряда к ряду поможет легче сбалансировать или уравнять число поглощений рентгеновских лучей в каждом ряду. Как правило, геометрию и/или материалы рядов выбирают с тем, чтобы ряд, ближайший к входящему излучению, был чувствителен к рентгеновскому излучению, которое имеет относительно низкую энергию, а ряд, наиболее удаленный от входящего излучения, был чувствителен к рентгеновскому излучению, имеющему относительно высокую энергию.

В одном примере один или несколько промежуточных рядов сцинтиляторных пикселей можно использовать в качестве «фильтра» для разделения по энергии. Используя ряд сцинтиляторных пикселей как таковой, связанный с ними сигнал можно линейно комбинировать с сигналами от других и/или использовать иным способом так, что доза излучения не оказывается бесполезной, а вместо этого используется, чтобы сделать вклад в сигнал. Другими словами, фотодетектор предоставляет возможность определения на нескольких энергетических уровнях с разделением по энергии «без потерь» между сцинтилляторными слоями для стандартной КТ. В отличие от этого, в спектральной системе, сконфигурированной с фильтром, фотоны не учитываются, что снижает эффективность по отношению к варианту осуществления, описываемому в настоящем документе.

На фиг.5A и 5B, соответственно, представлены виды одномерного фотодетектора 120, состоящего из нескольких элементов, без матрицы сцинтилляторов 126, соответственно, в направлении осей x и z. В этом примере, одномерный фотодетектор 120, состоящий из нескольких элементов, представляет собой тонкий прямоугольный лист с фоточувствительной или содержащей пиксели областью 504 и нефоточувствительной или не содержащей пиксели областью 506. Подходящий материал листа и, таким образом, обе области 504, 506, содержат в качестве неограничивающих примеров кремний, и подходящая толщина листа находится в диапазоне приблизительно от 30 до 150 мкм. Кроме того, имея обе области 504, 506 на одномерном фотодетекторе 120, состоящем из нескольких элементов, можно способствовать снижению общей стоимости детекторной матрицы и рабочей поверхности и повышению надежности, плотности межкомпонентных соединений и эффективности дозы. В одном примере более высокая плотность электрических межкомпонентных соединений на поверхности кремния допускает большее количество рядов фотодиодов в глубину.

В этом примере, содержащая пиксели область 504 содержит M столбцов 508×N рядов 510 фотодиодных пикселей и формирует матрицу M×N 122 фотодиодов. В иллюстрированном варианте осуществления, M=32 и N=4. В других вариантах осуществления M может принимать значения от 1 до 256 и N может принимать значения от 1 до 32. Следует понимать, что изображенные размеры приведены с целью объяснения, а не в качестве ограничения. То есть в других вариантах осуществления содержащая пиксели область может содержать больше или меньше рядов или столбцов пикселей. Матрицу 122 фотодиодов можно сформировать на одномерном фотодетекторе 120, состоящем из нескольких элементов, посредством КМОП-технологии или иным способом.

Размеры изображенных фотодиодных пикселей увеличивают толщину или глубину в направлении оси y. В иллюстрированном случае фотодиодный пиксель выполнен такой толщины, которая соответствует глубине соответствующего структурированного сцинтиляторного пикселя, и, как указано выше, глубину такого сцинтиляторного пикселя выбирают на основе разделения по энергии, представляющего интерес, материала пикселя и т.д. В других вариантах осуществления глубину фотодиодных пикселей можно выбирать иным способом.

В иллюстрированном примере фотодиодные пиксели представляют собой фотодиоды с фронтальным освещением (FIP). Не содержащая пиксели область 506 содержит электропроводящие электрические соединения 512, которые соединяют каждый фотодиодный пиксель с контактными площадками и областью считывания. В одном примере соединения 512 сформированы на поверхности фотодетектора 120. Например, когда фотодетектор 120 содержит кремний, соединения 512 можно сформировать на кремнии с использованием различных способов обработки кремния. Соединения 512 также могут находиться на внутренних слоях кремния. Считывающие электронные устройства 124 механически крепят на кремнии в не содержащей пиксели области 506 и электрически соединяют с контактными площадками посредством столбиковых выводов из припоя, проводных соединений и/или иным способом. Эффекты теплового расширения можно уменьшить посредством подбора материалов считывающего электронного устройства и фотодетектора 120 (например, стекло и кремний). Считывающее электронное устройство 124 выступает из одномерного фотодетектора 120, состоящего из нескольких элементов, в направлении оси x.

В иллюстрированном примере 128-канальная ASIC 124 или другое считывающее электронное устройство 124 обеспечит канал для каждого из 32×4 фотодиодных пикселей. 256-канальная ASIC 124 обеспечит дополнительные каналы, которые можно использовать для усиления сигналов, преобразования аналоговых сигналов в цифровые сигналы, маршрутизации сигналов, резерва, двойной коррелированной выборки, коррекции рентгеновских лучей в импульсном режиме, коррекции послесвечения, коррекции неисправных пикселей и/или для других функций. Например, некоторые каналы в ASIC 124 можно использовать для рентгеновской КТ в импульсном режиме, которую можно использовать для решения проблем динамической дискретизации. В другом случае в ASIC можно реализовать алгоритм, который обнаруживает и/или исправляет затемнение от отсеивающего растра 134. Конечно, в настоящем документе рассматриваются ASIC с другим числом каналов, включая большее или меньшее число.

На фиг.6 изображен пример спектрального выходного сигнала для одномерного фотодетектора 120, состоящего из нескольких элементов, изображенного на фиг.2-5. В этом примере пиксели содержат йодид цезия (CsI). Как указано выше, глубина фотодиода и сцинтиляторных пикселей для изображенного одномерного фотодетектора 120, состоящего из нескольких элементов, увеличивается в виде функции расстояния от входящего излучения. Для кривых на фиг.6 глубины пикселей составляют 0,35 мм, 0,65 мм, 1,00 мм и 2,50 мм, соответственно. Параметры сканирования включают: 120 кВп, 2,5 мм AL, 1,2 мм TI, 10 см слой воды и 0-9,0 мм кости с шагом 1,0 мм.

Первая ось 602 представляет выходной сигнал детектора (или количество обнаружений), а вторая ось 604 представляет энергию фотона в кэВ. Первая группа кривых 606 представляет выходные сигналы для ряда пикселей детектора, соответствующего ряду сцинтиляторных пикселей, которые расположены ближе всего к входящему излучению для 0-9 мм кости с шагом 1 мм. Вторая группа кривых 608 представляет выходные сигналы для следующего ряда пикселей детектора для 0-9 мм кости с шагом 1 мм. Третий набор кривых 610 представляет выходные сигналы для следующего ряда пикселей детектора, снова для 0-9 мм кости с шагом 1 мм. Четвертая группа кривых 612 представляет выходные сигналы для ряда пикселей детектора, расположенного дальше всего от входящего излучения, для 0-9 мм кости с шагом 1 мм.

Как показано на фиг.6, конфигурация одномерного фотодетектора 120, состоящего из нескольких элементов, как показано на фиг.2-5, предоставляет возможность разделения по энергии обнаруженных фотонов, учитывая все фотоны. Например, в группе кривых 606 верхний ряд пикселей преимущественно обнаруживает фотоны с более низкими энергиями со средними значениями энергии приблизительно 60 кэВ. Следующий ряд пикселей в группе кривых 608 преимущественно обнаруживает фотоны со средними значениями энергии приблизительно 70 кэВ. Многие из этих фотонов содержат фотоны с более высокими энергиями, которые проходят через верхний ряд пикселей. Следующий ряд пикселей в группе кривых 610 преимущественно обнаруживает фотоны со средними значениями энергии приблизительно 85 кэВ. Многие из этих фотонов содержит фотоны с более высокими энергиями, который проходят через второй ряд пикселей. Последний ряд пикселей из группы кривых 612 преимущественно обнаруживает фотоны со средними значениями энергии приблизительно 100 кэВ. Многие из этих фотонов содержат фотоны с более высокими энергиями, который проходят через третий ряд пикселей. Поскольку средняя энергия для каждого ряда пикселей имеет свое значение, ряды пикселей предоставляют возможность разделения по энергии. Кроме того, в отличие от конфигураций, в которых между рядами сцинтиллятора используют фильтры, проиллюстрированный пример содержит непрерывный сцинтиллятор, поскольку ряды сцинтиляторных пикселей объединены в стек без какого-либо фильтра между ними. По существу, фотоны не отфильтровываются. Точнее фотоны, которые проходят через один слой, определяются или поглощаются в другом слое.

Выше кратко отмечено, что отсеивающий растр 134 можно фокусировать в одном или двух измерениях. На фиг.7 представлен пример, в котором один или несколько отдельных сетчатых перегородок или элементов 702 отсеивающего растра 134, которые идут вдоль направления оси z, сфокусированы на фокусном пятне 704. На фиг.8 одна или несколько отдельных сетчатых перегородок или элементов 802 отсеивающего растра 134, которые проходят вдоль направления оси x, сфокусированы на фокусном пятне 704. Фокусирование любого из двух или обоих отсеивающих растров 134 может увеличить эффективность дозы и/или снизить шум, поскольку большее количество пропущенного (не рассеянного) излучения более вероятно пройдет через перегородки и столкнется со сцинтиллятором по отношению к конфигурации, в которой ни один из отсеивающих растров 134 не сфокусирован на фокусном пятне 704.

Рассмотрены изменения и/или другие варианты осуществления.

В проиллюстрированном варианте осуществления считывающее электронное устройство 124 представляет собой отдельный компонент, механически прикрепленный к не содержащей пиксели области 506 одномерного фотодетектора 120, состоящего из нескольких элементов. В другом варианте осуществления считывающее электронное устройство 124 можно сформировать в виде части не содержащей пиксели область 506 одномерного фотодетектора 120, состоящего из нескольких элементов, посредством комплементарного металло-оксидного полупроводника (КМОП) или другим способом.

В связи с фиг.2(A) обсуждалось, что в проиллюстрированном варианте осуществления модули среза 118 в детекторном модуль 116 по существу выровнены друг относительно друга по оси x. В другом варианте осуществления по меньшей мере один из модулей среза 118 в детекторном модуле 116 можно сместить относительно по меньшей мере одного модуля среза 118 в детекторном модуле 116 по оси x. Например, на фиг.9 представлен пример, в котором чередующиеся модули среза 118 смещены или сдвинуты друг относительно друга в направлении оси z на половину сцинтиляторного пикселя. Такой сдвиг может увеличить дискретизацию по оси z. В этой конфигурации перегородки отсеивающего растра подобным образом смещены в направлении оси z.

В проиллюстрированном выше варианте осуществления сцинтиляторные пиксели в матрице сцинтилляторов 126, как правило, имеют форму куба. Как показано на фиг.10, в другом примере альтернативно используют матрицу столбчатых сцинтилляторов 1002. Матрица столбчатых сцинтилляторов 1002 включает матрицу сцинтиляторных пикселей 1004 в форме труб или трубок, которые оптически связаны с областью матрицы фотодиодов одномерного фотодетектора 120, состоящего из нескольких элементов. Толщина таких сцинтилляторов может составлять от 0,25 мм до 2,50 мм. В отличие от рассмотренных выше сцинтиляторных пикселей кубической формы, размеры пикселей матрицы столбчатых сцинтилляторов 1002 не должны быть структурированы или выровнены с жесткими допусками. Кроме того, использование столбчатых сцинтилляторов предоставляет бульшую гибкость в отношении изменения активной области фотодиодных пикселей посредством электронного переключения или иным способом.

В другом варианте осуществления, чтобы избирательно фильтровать фотоны, между рядами сцинтиляторных пикселей 1004 можно расположить один или несколько промежуточных сцинтиляторных слоев или фильтров. Это может улучшить разделение по энергии.

Как указано выше, отсеивающие перегородки 702, 802 можно фокусировать в одном или двух измерениях на фокусном пятне 704. Дополнительно или альтернативно отдельные модули среза 118 детекторной матрицы 114 можно фокусировать на фокусном пятне 704. Это показано в связи с фиг.11. Как показано на фиг.11, модули среза 118 в диапазоне 1102 вокруг центральной области 1104 детекторной матрицы 114 фокусируют на фокусном пятне 704 и расположены по существу вертикально или параллельно воображаемой линии 1106, идущей от фокусного пятна 704 через детекторную матрицу 114 и перпендикулярно пересекающей ось x и детекторную матрицу 114. Модули среза 118, более удаленные от центральной области 1104, наклонены в сторону воображаемой линии 1106 таким образом, который фокусирует модули среза 118 на фокусном пятне 704.

На фиг.12 и 13 проиллюстрирован другой вариант осуществления, в котором детектор 120 представляет собой двухсторонний одномерный многоэлементный фотодетектор, который содержи первую и вторую матрицы 122₁, 122₂ фотодиодов, состоящие из нескольких элементов, и соответствующие первую и вторую двухмерные матрицы сцинтилляторов 126₁, 126₂. В этом примере проиллюстрированные матрицы сцинтилляторов 126₁, 126₂ представляют собой матрицы столбчатых сцинтилляторов. В других вариантах осуществления двухсторонний одномерный фотодетектор 120, состоящий из нескольких элементов, содержит структурированную или другую матрицу сцинтилляторов 126. Материал столбчатых сцинтилляторов можно расположить непосредственно на обеих сторонах фотодиодной области. В проиллюстрированном варианте осуществления можно использовать два слоя в половину толщины.

На фиг.13 представлено несколько двухсторонних одномерных фотодетекторов 120, состоящих из нескольких элементов, объединенных в стек вместе в части детекторного модуля 116. Смежные матрицы двухмерных сцинтилляторов 126₁, 126₂ можно соединить вместе посредством клея, и отражающий материал можно нанести на стороны матриц сцинтилляторов 126₁, 126₂, не обращенные к состоящим из нескольких элементов матрицам 122₁, 122₂ фотодиодов. Для каждого детектора 120 можно использовать одну или отдельную ASIC 124 (не показана). Как и в других вариантах осуществления, рассмотренных в настоящем документе, ASIC можно крепить к детектору 120 или формировать в виде его части. Кроме того, смежные модули среза 118 можно попеременно смещать, как описано в настоящем документе.

На фиг.14 проиллюстрирован другой вариант осуществления, в котором два одномерных фотодетектора 120₁, 120₂, состоящих из нескольких элементов, имеют общую матрицу сцинтилляторов 126. Это может улучшить статистику по отношению к конфигурации, в которой используют только один одномерный фотодетектор 120, состоящий из нескольких элементов, поскольку свет непосредственно обнаруживают с обеих сторон по оси x, а не происходит отражение света, падающего на одну из этих сторон, на другую сторону. Как и в других вариантах осуществления, описываемых в настоящем документе, два или более набора одномерного фотодетектора 120₁, 120₂, состоящего из нескольких элементов, имеющих общую матрицу сцинтилляторов 126, можно объединить в стек вместе, со смещением или без смещения, в детекторном модуле 116.

В этой конфигурации оба одномерных фотодетектора 120₁, 120₂, состоящие из нескольких элементов, могут представлять собой интегрирующие детекторы, оба могут представлять собой считающие детекторы или один одномерный фотодетектор 120₁, 120₂, состоящий из нескольких элементов, может представлять собой интегрирующий детектор, тогда как другой может представлять собой считающий детектор. В последнем случае систему 100 можно выполнить с возможностью работы или в интегрирующем или в считающем режиме. В одном примере протокол сканирования может определять конкретный режим. В другом случае режим в любой момент времени может представлять собой функцию потока рентгеновских лучей и может менять режим, если происходит изменение потока рентгеновских лучей.

Выше на фиг.13 представлен двухсторонний одномерный фотодетектор 120, состоящий из нескольких элементов. На фиг.15, 16 и 17 изображены различные неограничивающие варианты осуществления двухстороннего одномерного фотодетектора 120, состоящего из нескольких элементов. Несмотря на то, что варианты осуществления, представленные на фиг.15, 16 и 17, содержат структурированные сцинтилляторы, следует понимать, что можно использовать альтернативно столбчатый сцинтиллятор, как описано в настоящем документе. Кроме того, определенное количество изображенных фоточувствительных рядов и/или столбцов, представлено с целью объяснения, а не с целью ограничения, как описано в настоящем документе.

На фиг.15 двухсторонний одномерный фотодетектор 120, состоящий из нескольких элементов, содержит два односторонних одномерных фотодетектора 120₁ и 120₂, состоящих из нескольких элементов, соединенные впритык спина к спине. Детектор 120₁ содержит фоточувствительную область 504₁ и нефоточувствительную область 506₁. Фоточувствительная область 504₁ содержит состоящую из нескольких элементов матрицу 122₁ фотодиодов, а нефоточувствительная область 506₁ содержит считывающее электронное устройство 124₁. Двухмерная матрица сцинтилляторов 126₁ оптически связана с матрицей 122₁ фотодиодов. Детектор 120₂ структурирован подобным образом.

Как отмечено в настоящем документе, детекторы 120₁ и 120₂ могут иметь кремниевую основу. В одном примере детекторы 120₁ и 120₂ на кремниевой основе связаны через ковалентное связывание кремний-кремний. Это может включать соединение задних сторон детекторов 120₁ и 120₂ впритык и соответствующее нагревание детекторов 120₁ и 120₂ с тем, чтобы сформировать ковалентные связи кремний-кремний между детекторами 120₁ и 120₂. В другом варианте осуществления связующее средство, такое как эпоксидный клей, используют для соединения детекторов 120₁ и 120₂. В еще одном другом варианте осуществления детекторы 120₁ и 120₂ могут соответственно содержать комплементарные особенности (например, выступы и соответствующие выемки), которые облегчают соединение детекторов 120₁ и 120₂ вместе. В другом варианте осуществления детекторы 120₁ и 120₂ лежат спина к спине без каких-либо дополнительных закрепляющих механизмов.

Проиллюстрированный вариант осуществления также содержит межкомпонентные соединения или контакты ввода/вывода (I/O) 1502₁ и 1502₂. Проводящее соединение(я) (не показаны), сформированные на фотодетекторах 120₁ и 120₂ направляют данные от считывающих электронных устройств 124₁ и 124₂ от детекторов 120₁ и 120₂ и/или от детекторов 120₁ и 120₂ к считывающим электронным устройствам 124₁ и 124₂. Контакты 1502 можно покрыть медью, что также облегчает рассеивать тепло. Проводящее соединение(я) могут иметь кремниевую основу и могут быть выполнены в кремнии детекторов 120₁ и 120₂. Как указано выше, считывающие электронные устройства 124₁ и 124₂ также могут иметь кремниевую основу, что позволяет подобрать коэффициенты теплового расширения детекторов 120₁ и 120₂ и считывающих электронных устройств 124₁ и 124₂, что может смягчать эффекты теплого расширения, возникающие между материалами, обладающими различными коэффициентами теплового расширения. Ниже более подробно описано, что по меньшей мере часть детекторов 120₁ и 120₂ можно инкапсулировать с использованием герметизирующего вещества 1504.

На фиг.16 двухсторонний одномерный фотодетектор 120, состоящий из нескольких элементов, включает одну подложку 1600 с фоточувствительными областями 504₁ и 504₂ и нефоточувствительными областями 506₁ и 506₂ на обеих сторонах, как описано выше в связи с фиг.15. Подобным образом, детектор 120 содержит матрицы 122₁ и 122₂ фотодиодов, состоящие из нескольких элементов внутри фоточувствительных областей 504₁ и 504₂, соответственно, и матрицы сцинтилляторов 126₁ и 126₂, которые оптически связаны с матрицами 122₁ и 122₂ фотодиодов, соответственно. Считывающие электронные устройства 124₁ и 124₂ расположены внутри нефоточувствительных областей 506₁ и 506₂, соответственно. Следует отметить, что в этом варианте осуществления каждая сторона детектора 120 содержит соответствующие считывающие электронные устройства 124₁ или 124₂. Контакты ввода/вывода 1502₁ и 1502₂ направляют данные к и/или от считывающих электронных устройств 124₁ и 124₂.

Детектор 120 на фиг.17 по существу похож на детектор 120 на фиг.16. Одно отличие состоит в том, что на фиг.17 детектор 120 выполнен с общим считывающим электронным устройством 124 совместного использования. Другое отличие состоит в том, что детектор 120 содержит один или несколько сквозных кремниевых соединений 1702 для направления сигналов от матрицы 122₁ фотодиодов на одной стороне детектора 120 к считывающему электронному устройству 124, которое прикреплено к другой стороне детектора 120. Конечно сигналы от матриц 122₂ фотодиодов, расположенных на той же стороне, что и считывающее электронное устройство 124, также направляются к считывающему электронному устройству 124. Для избирательного электрического соединения фотодиодных слоев с входами считывающих электронных устройств можно использовать аналоговые переключатели.

На фиг.15-17 проводящее соединение(я), сформированное в подложке детектора 120 направляет сигналы между считывающими электронными устройствами 124 и контактом(ами) ввода/вывода 1502. На фиг.18 контакт(ы) ввода/вывода 1502 непосредственно соединены со считывающим электронным устройством 124 через припой, электропроводную эпоксидную смолу или т.п.

На фиг.19, 20, 21 и 22 представлен неограничивающий пример способа сборки двухстороннего одномерного фотодетектора 120, состоящего из нескольких элементов, с одной специализированной интегральной схемой. Сначала обратимся к фиг.19, где в 1900 считывающее электронное устройство 124 и проводящие контакты I/O 1502 прикреплены к детектору 120, а проводящие пути 1702 сформированы на детекторе 120. В проиллюстрированных вариантах осуществления считывающие электронные устройства 124 припаяны к нефоточувствительной области 506. Подобным образом, проводящие контакты I/O 1502, которые в проиллюстрированном варианте осуществления содержат несколько одинарных расположенных в ряд (SIP) выводов, припаяны к контактным площадкам на детекторе 120. На фиг.19 также показаны фоточувствительные области 504₁ и 504₂.

Вернемся к фиг.20, где в 2000 подфрагмент детектора 120 залит. Это включает инкапсуляцию нефоточувствительной области 506, включая проводники 1702, считывающее электронное устройство 124 и области I/O 1502, которые прикреплены к детектору 120, герметизирующим веществом, таким как непроводящее герметизирующее вещество 2002, например, пластмасса или т.п. Перед заливкой детектора 120, сначала детектор 120 можно протестировать. На фиг.21, в 2100 матрицы сцинтилляторов 126₁ и 126₂ прикреплены к состоящим из нескольких элементов фотодиодным матрицам 122₁ и 122₂. Отражающее покрытие можно нанести поверх матриц сцинтилляторов 126₁ и 126₂. В альтернативном варианте осуществления отражающее покрытие также можно использовать в качестве герметизирующего вещества. В этом варианте осуществления отражающее покрытие и герметизирующее вещество можно наносить одновременно или по отдельности.

На фиг. 22, в 2200 фотодетектор 120 прикреплен к двухмерному сфокусированному отсеивающему растру (ASG) 2202. В проиллюстрированных вариантах осуществления несколько фотодетекторов 120 прикреплены к одноблочному сфокусированному 2D ASG 2202. Как описано в настоящем документе, это может включать сборку нескольких детекторов 120 в подмодули и сборку нескольких подмодулей в модули, которые выравнивают относительно ASG 2202. В одном примере, выравнивающую пластину используют для выравнивания фотодетекторов 120 и ASG 2202. На фиг. 23 и 24 представлен пример выравнивающей пластины 2300. В проиллюстрированном варианте осуществления пластина 2300 представляет собой лист из углеродного волокна. В других вариантах осуществления пластина 2300 может содержать другие материалы.

На фиг.23 показана первая сторона 2302 пластины 2300, которая выравнивает ASG 2202. В этом проиллюстрированном варианте осуществления, первая сторона 2302 содержит один или несколько ориентиров или элементов для выравнивания 2304, которые можно выдавить, выточить или иным способом сформировать на поверхности пластины 2300. В одном примере элементы формируют из материала с низкой плотностью и малым атомным числом 2306. Следует отметить, что нужно вставлять только часть ASG в элементы. На фиг.24 показана вторая сторона 2402 пластины 2300, которая выравнивает детекторы 120. В этом проиллюстрированном варианте осуществления вторая сторона 2402 содержит один или несколько ориентиров или выступающих элементов для выравнивания 2404, которые можно расположить или создать для того, чтобы выполнять подгонку стыковочных щелей или других элементов на детекторе 120.

На фиг.25 и 26, соответственно, показаны неограничивающие варианты осуществления фотодетектора 120, установленного на плату с печатным монтажом (PCB) 2500. На фиг.25 проводящие контакты I/O 1502 прикреплены к PCB 2500 паяными соединениями 2502. Для улучшения переноса тепла контакты 1502 можно покрыть медью. Паяные соединения, удерживающие контакты 1502 со считывающим электронным устройством 124, как правило, лучше проводят тепло, чем теплопроводящая эпоксидная смола. На фиг.26 контакты 1502, которые направляют данные от и/или к считывающему электронному устройству 124, припаяны к травленому медному листу 2600, который прикреплен к теплоприемнику 2602.

В настоящем документе изобретение описано со ссылкой на различные варианты осуществления. При прочтении описания в настоящем документе понять модификации и изменения. Предполагается, что изобретение будут толковать как включающее все такие модификации и изменения в такой степени, как они входят в объем прилагающейся формулы изобретения или ее эквивалентов.

1. Одномерный многоэлементный фотодетектор (120), содержащий:
матрицу фотодиодов (122), включающую в себя первый верхний ряд фотодиодных пикселей и второй нижний ряд фотодиодных пикселей, при этом матрица фотодиодов (122) является частью фотодетектора (120), причем фотодетектор (120) является двухсторонним;
матрица сцинтилляторов (126), включающая в себя первый верхний ряд и второй нижний ряд сцинтилляторных пикселей, причем первый верхний и второй нижний ряды сцинтилляторных пикселей соответственно оптически связаны с первым верхним и вторым нижним рядами фотодиодных пикселей;
считывающее электронное устройство (124), при этом считывающее электронное устройство (124) является частью фотодетектора (120), и электрические соединения (512), которые осуществляют взаимосвязь фотодиодных пикселей и считывающего электронного устройства (124).

2. Фотодетектор (120) по п.1, в котором фотодетектор (120) включает в себя как фоточувствительную область (504), так и нефоточувствительную область (506), и в котором матрица фотодиодов (122) является частью фоточувствительной области (504), а считывающее электронное устройство (124) является частью нефоточувствительной области (506).

3. Фотодетектор (120) по п.2, в котором фоточувствительная область (504) и нефоточувствительная область (506) являются разными областями одной кремниевой подложки фотодетектора (120).

4. Фотодетектор (120) по п.3, в котором нефоточувствительная область (506) соответствует удлиненной области кремниевой подложки.

5. Фотодетектор (120) по любому из пп.1-4, в котором матрица сцинтилляторов (126) содержит множество структурированных сцинтилляторных пикселей.

6. Фотодетектор (120) по любому из пп.1-4, в котором матрица сцинтилляторов (126) содержит матрицу столбчатых сцинтилляторных пикселей (1004).

7. Фотодетектор (120) по любому из пп.1-4, в котором фотодетектор (120) сконфигурирован для спектральной визуализации.

8. Фотодетектор (120) по п.7, дополнительно содержащий: вторую матрицу фотодиодов (122); вторую матрицу сцинтилляторов (126); второе считывающее электронное устройство (124); и вторые электрические соединения, при этом матрица сцинтилляторов (126) и вторая матрица сцинтилляторов (126) представляют собой одну и ту же вторую матрицу сцинтилляторов (126).

9. Фотодетектор (120) по любому из пп.1-4, дополнительно содержащий, по меньшей мере, один промежуточный ряд сцинтилляторных пикселей, который расположен между первым верхним и вторым нижним рядами сцинтилляторных пикселей, при этом промежуточный ряд сцинтилляторных пикселей используют в качестве фильтра для разделения по энергии.

10. Фотодетектор (120) по п.9, дополнительно содержащий, по меньшей мере, один промежуточный ряд фотодиодных пикселей, оптически связанный, по меньшей мере, с одним промежуточным рядом сцинтилляторных пикселей.

11. Фотодетектор (120) по п.10, в котором сигнал от, по меньшей мере, одного промежуточного ряда фотодиодных пикселей комбинируют с сигналами от других рядов сцинтилляторных пикселей.

12. Фотодетектор (120) по п.1, в котором двухсторонний фотодетектор (120) содержит два одномерных многоэлементных фотодетектора (120), которые соединены спина к спине.

13. Фотодетектор (120) по п.12, в котором два одномерных многоэлементных фотодетектора (120) соединены посредством ковалентной связи кремний-кремний.

14. Фотодетектор (120) по п.12, в котором двухсторонний фотодетектор (120) содержит один фотодетектор (120) с первой и второй противоположными сторонами и фоточувствительную область (504) и нефоточувствительную область (504) на каждой из сторон.