用於x射線成像的矽檢測器組件的製作方法

2023-12-02 09:02:31 2

專利名稱：用於x射線成像的矽檢測器組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及X射線成像，尤其是涉及用於X射線成像的矽檢測器組件。
背景技術：
X射線成像是在醫療成像領域的一個常用方法，用於X射線成像的能量範圍通常是10 keV至200 keV，在非損害性試驗或者安全篩查中，所用的能量更高。在這個範圍內， X射線主要通過康普頓效應和光子效應來與物質發生反應。在第一個例子即康普頓效應的例子中，僅有一部分X射線光子的能量是轉移到電子上，而在這次散射之後，X射線持續減少能量。再後面的例子即光子效應的例子中，所有能量都轉移到電子上，而X射線完全被吸收。對於X射線檢測器的挑戰是從所檢測的X射線中獲取最大量的信息，以提供對一個對象的圖像的輸入，在該圖像中，描述了對象的密度、成分和結構。通過還採用薄膜過濾作為檢測器，但目前這些檢測器多數提供數碼圖像。檢測器需要將入射的X射線轉變成電子，這通常通過光子效應或者通過康普頓相互作用來產生，因此而得到的電子通常產生第二級的可見光，直至它的能量喪失，接著，由光敏材料檢測這個光。還由一些不常見的檢測器，它們是基於半導體例如非晶硒或者矽，在這個例子中，由X射線所產生的電子是根據電子和空穴對來產生電子改變，通過施加的足夠強度的電場來收集電子和空穴對。到目前為止，大部分檢測器是在綜合模式下操作，在這種情形中，這些檢測器整合了來自多數X射線的信號，而該信號僅是推後數位化以找回對於在某個像素的入射X射線的數量的最佳推測。近年來，又稱為光子計數檢測器在一些應用中已經形成可行的替代物。 目前那些檢測器主要在乳房X線照相術中應用。光子計數檢測器具有優勢，因為在原理上， 對於每束X射線的能量可被測算，這產生關於對象的成分的附加信息，這可被用於增強圖像的質量和/或減少輻射的劑量。對於這種檢測器的一個非常普通的構造是在美國專利US 7471765「帶有平板成像器的錐形束計算機斷層成像」中所揭示。該檢測器合成了一個512次512陣列的Si:H光電二極體和聯接到閃爍器的薄膜電晶體，該檢測器可在整合模式下操作。在這個例子中，其應用是優化輻射治療，但這些檢測器也是非常普遍地應用於診斷成像和其他應用。在美國專利US 4785186中，提出了一種用於計數高能微粒(包括X射線)的非晶矽檢測器。這個發明不是開發用於X射線成像，可能因為在該應用中的非晶矽材料的問題，也可能由於吸收效率的問題。當在光子計數模式時，來自個別X射線的信號是非常弱的，你需要通過優化從X射線能量到收集對於每個事件的電荷的轉換效率來使該信號最大化。這意味著， 在檢測器中採用晶體材料通常是可取的。光子計數的優勢和缺陷已描述在文獻Borje Norlin, "Characterisation and application of photon counting X- ray detector systems" Mid Sweden University Doctoral Thesis 26, ISSN 1652-893X, ISBN978-91-85317-55-4 Electronics Design Division 中，在瑞典松茲瓦爾 SE-851 70 的中瑞典大學的信息計數與傳媒系，也描述在Mats Lundqvist Mats Lundqvist Silicon Strip Detectors for Scanned Multi-Slit X-Ray Imaging中。這兩篇論文都涉及基於單光子處理的X射線成像系統的特徵和發展。人們可通過看X射線的顏色來比較每束X射線的能量的測量結果，類似於在可見光範圍內的色彩成像。「彩色」 X射線成像打開了在醫療X射線診斷和其他應用中的新觀點。對於不同顏色的吸收的差異可被用於辨別在對象中的材料， 在原理上，對象的元素組成可被確定，而不僅僅是灰度。例如，這個信息可被用於識別造影劑，造影劑被用於大量的診斷X射線成像的實驗中。Lundqvist和Norlin指出，目前的技術有可能構造可解決約50 μ m水平的光子計數檢測器系統。然而，這樣小的像素也有複雜性，因為在半導體檢測器中，每個吸收的X 射線光子產生一個用於成像的電荷雲。對於高光子能量，電荷雲的尺寸是可與50 μπι相比較的，並可分布在圖像中的幾個像素之間。電荷共享是一個關鍵問題，因為不僅是解析度降低，而且也損壞了圖像中的「彩色」信息。它們也勾畫出考慮這個問題的方法，例如在相鄰像素之間的電荷總計。在文獻 Μ. G. Bisognij A. Del Guerraj N. Lanconellij A. Lauriaj G. Mettivierj Μ. C. Montesi，D. Panettaj R. Panij Μ. G. Quattrocchij P. Randaccioj V. Rosso and P. Russo "Experimental study of beam hardening artifacts in photon counting breast computed tomography^ Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume 581，Issues 1-2，21 October 2007，Pages 94-98 中提出了一種用於乳房成像的計算機斷層成像的檢測器。這是一個當能量非常低以致矽可被用作檢測器仍保持一些檢測器效率的例子。該X射線乳房計算機斷層成像(CT)系統是在專用於乳房1^-99 成像的單光子發射計算機斷層成像系統的構臺上執行的。該單光子計數矽像素檢測器是 0.3 mm厚、256x256像素，55μπι斜度，凸點鍵合到Medipix2光子計數讀取晶片。由於低的檢測效率以及矽像素檢測器的電荷共享效應而導致假象。對於低能量的另一種光子計數檢測器是在文獻V. Rosso, N. Belcari, Μ. G. Bisognij C. Carpentierij A. Del Guerraj P. Deloguj G. Mettivierj Μ. C. Montesij D. Panettaj Μ. Quattrocchij P. Russo and Α. Stefanini "Preliminary study of the advantages of X-ray energy selection in CT imaging" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 572，Issue 1，1 March 2007，Pages 270-273 中提出。這種檢測器確保在所用的能量範圍(60 kVp)有良好的檢測效率(46%)，帶有良好的空間解析度，來自55 ym平方像素。矽作為檢測器材料具有許多優勢，例如，對於創建電荷載體(電子空穴對)所需的高純度和低能量，以及對於這些電荷載體的高遷移性，這意味著，該材料能用於高光子數的 X射線。至少它也是可用於大體積的應用。採用矽的主要問題是它的低原子序數和低密度，這意味著，對於較高能量，它必須被製成非常厚，以形成有效的吸收物。該低原子序數也意味著康普頓散射的X射線光子的片段在檢測器內將佔光吸收光子的主要部分，這將產生關於散射光子的問題，因為在該檢測器內它們會誘導出其他像素的信號，這會等同於在那些像素的噪聲。然而，矽已經被成功地用於較低能量的應用，例如由文獻M. Danielsson, H. Bornefalk, B. Cederstr m, V. Chmill, B. Hasegawa, M. Lundqvist, D. Nygren and Τ. Tabar, "Dose-efficient system for digital mammography", Proc. SPIE, Physics of Medical Imaging, vol. 3977，pp. 239-249 San Diego, 2000所提出的例子。一種克服對於矽的低吸收效率的問題的方法是簡單地使它非常厚，矽是在約500 μ m厚度的晶片上製造，這些晶片可以是導向的，以致X射線是在入射邊緣，而矽的深度可以是與所需要的晶片的直徑差不多。另一個方法是將矽製成足夠深以獲得高效率，例如在Sierwood Parker的1999年名稱為「三維結構的固態輻射檢測器」的美國專利US 5889313中所揭示，這是一個方法發明，但涉及一些非標準的生產方法，這些方法可以是它不能用於商業化的成像檢測器的原因。首次提及在邊緣上幾何構形的晶體矽條檢測器作為X射線檢測器的是在文獻R. Nowotny: "Application Of Si-Microstrip-Detectors In Medicine And Structural Analysis" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 226 (1984) 34-39 中找到。它總結了 矽可在低能量工作，以致用於乳房成像，但不能用於高能量，例如計算機斷層成像，主要是由於康普頓散射的較高片段和與之有關的問題。對於半導體檢測器的邊緣上幾何構形也在Robert Nelson的名稱為「用於X射線成像的X射線檢測器」(邊緣上)的美國專利US 4937453, David Nygren的名稱為「高解析度能量感應數字X射線」的美國專利US M34417以及Robert Nelson的美國專利申請US 2004/0251419中提出。在美國專利申請US 2004/0251419中，邊緣上檢測器被用於稱為康普頓成像，其中，測量康普頓散射的X射線的方向和能量，以便估算原始X射線的能量。康普頓成像的方法已經在文獻中廣泛討論很長時間，但主要應用於比應用X射線成像更高能量的應用，例如正電子發射斷層成像。康普頓成像不涉及本發明。在論文 S Shoichi Yoshida, Takashi Ohsugi "Application of silicon strip detectors to X-ray computed tomography" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 541 (2005) 412-420中描述了一種邊緣上概念的實施方式。在這個實施方式中，薄鎢片放置在邊緣上矽條檢測器之間，減少散射X射線的背景，並改善低劑量的圖像對照。這個實施方式是非常類似於在文獻R. Nowotny: "Application Of Si-Microstrip-Detectors In Medicine And Structural Analysis" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 226 (1984) 34-39 中提出的方式。已經製造了幾種基於高Z材料(例如CdZnTe)的光子計數半導體檢測器，也已經以原型檢測器獲得臨床圖像。這些材料的缺陷是成本和在生產容量的不足。人們已經相當關注光子計數檢測器，尤其是用於醫療成像的檢測器，但至今還沒有比約40 keV更高的能量的商業化解決方案。這是因為製造檢測器的問題，缺乏切實可行的和容易獲得的材料；極不穩定的高Z半導體仍是昂貴的和未經證實的。矽可用於較低能量，但不能用於較高能量，康普頓散射的高片段問題已經成為檢測器的工作系統組件的一個抑制問題，在幾何構形和吸收的高檢測效率的合併方面，完成例如目前的CT形態的幾何構形需要。

發明內容
本發明的總體目標是提供一種用於X射線成像的矽檢測器組件。這個目標是通過由所附的專利權利要求所定義的本發明來實現的。一種基本構思是提供一種X射線成像的矽檢測器，該矽檢測器是基於多個半導體檢測器模塊的，這些模塊配置在一起以形成一個整體探測器區域。每個半導體檢測器模塊包括邊緣上導向入射X射線的晶體矽的X射線傳感器，通過光子效應和通過康普頓散射連接到在所述X射線傳感器內用於X射線交互作用的配準的集成電路，對於在40 keV至250 keV的X射線能量範圍，從這些交互作用中提供空間和能量信息，以使得能對所述對象成像。進一步，反散射模塊被交錯摺疊在所述半導體檢測器模塊的至少一個子組之間，以便至少部分地吸收康普頓散射的X射線。優選地，每個反散射模塊包括了由相對重的材料製成的薄片，以阻止大部分康普頓散射的X射線從一個半導體檢測器模塊到達另一個半導體檢測器模塊。舉例來說，在一個有利的具體實施方式
中，每個所述的半導體檢測器模塊作為多晶片模塊(MCM)來實施，且所述集成電路包括至少兩個集成電路塊，這些集成電路塊是以倒裝晶片方式安裝的。這應該被認可為一種可行的實施方式，所述的半導體檢測模塊只有一個單一的集成電路。概要地說，本發明將會克服這些問題，可使得光子計數檢測器利用較高X射線能量的應用成為現實。本發明可以用於很多不同的應用，包括計算機斷層掃描、安全掃描和無損測試。本發明所提供的其他優勢和特徵將通過閱讀下面的本發明的實施例的說明而得以清楚的了解。


本發明以及它的進一步目標和它們的優勢，將通過結合附圖的下面的描述來得以最好的闡明，在這些附圖中
圖1是根據一個示例性實施例所述的一個X射線探測器的示意圖。圖2是根據一個示例性實施例所述的一個半導體探測器模塊的圖解示意圖。圖3是根據另一個示例性實施例所述的半導體檢測器模塊的圖解示意圖。圖4是根據一個示例性實施例所述的一個半導體探測器模塊以多晶片模塊來實施的圖解示意圖。圖5是一個示意圖，顯示了多個半導體檢測模塊是如何能被定位為互相鄰近以便建立一個完整的χ射線檢測器的例子。圖6是一個示意圖，顯示根據另一個示例性實施例所述的半導體檢測器模塊的一個例子。圖7是一個示意圖，顯示了半導體探測器模塊是如何定位為與反散射薄片彼此相鄰的不同例子，這些反散射薄片定位在半導體探測器模塊之間。圖8是一個示意圖，顯示了半導體探測器模塊是如何能在X射線的入射方向的深處分段的一個例子。圖9是一個示意圖，顯示了半導體探測器模塊的集成電路是如何能被保護而免受電離輻射的一個例子。圖IOa-C是不同的示意圖，顯示了在兩個水平(B)的半導體探測器模塊的配置的一個例子，以使得半導體探測器模塊能無縫拼接。圖10 d顯示了用於半導體探測器模塊的機械框架的一個例子。圖11是一個示意圖，顯示了一個完整的探測器是如何由兩個半檢測器無縫組裝在一起而構建，以便建立更寬的探測器的一個例子。圖12是一個示意圖，顯示了半導體探測器模塊是如何互相相對移置以優化空間解析度的例子。
具體實施例方式一種基本構思是提供一種X射線成像的矽檢測器，該矽檢測器是基於多個半導體檢測器模塊的，這些模塊配置在一起以形成一個整體探測器區域，其中，每個半導體檢測器模塊包括邊緣上導向入射X射線的晶體矽的X射線傳感器，通過光子效應和通過康普頓散射連接到在所述X射線傳感器內用於X射線交互作用的配準的集成電路，對於在40 keV至 250 keV的X射線能量範圍，從這些交互作用中提供空間和能量信息，以使得能對所述對象成像。進一步，反散射模塊被交錯摺疊在所述半導體檢測器模塊的至少一個子組之間，以便至少部分地吸收康普頓散射的X射線。如前所述，每個半導體檢測模塊包括一個X射線傳感器，這些半導體檢測模塊是鋪在一起以形成完整的檢測器，它以幾乎任意的尺寸而帶有幾乎完美的幾何效率，除了在至少一些半導體探測器模塊之間整合了一個反散射網格。該χ射線傳感器被附著到集成電路，該集成電路同時使用來自傳感器中康普頓散射的X射線的信息和通過光子效應作用的 X射線的信息。這些信息被用於特定的成像任務，以優化的對比度重建最終圖像。優選地， 每束X射線的能量可以在半導體傳感器內所積累的能量與用於該X射線的相互作用的深度的綜合信息來推導。反散射網格通常是由較重的材料製成，該網格不僅從對象上阻斷康普頓散射的X射線，還可以防止康普頓散射的X射線從一個半導體傳感器達到其他的傳感器。 否則，這些康普頓散射的X射線會主要地添加到噪聲中。優選地，每個反散射模塊包含一個相對重的材料的薄片，可以防止大部分康普頓散射的X射線從一個半導體模塊到達相鄰的傳感器模塊。圖1是根據一個示例性實施例所述的一個X射線探測器的示意圖。在這個例子中，顯示了一個X射線探測器(A)的示意圖，它帶有發射X射線(C)的X射線源(B)。探測器(D)中的元素都回指向到該X射線源，因此優選地配置為略微彎曲的整體構造。檢測器的兩種可能的掃描運動(E，F)都被指示。在每種掃描運動中，所述X射線源可以是固定的或移動的，在掃描運動(E)中，X射線源和探測器可以圍繞定位在它們之間的一個對象而旋轉。在掃描運動(F)中，探測器和X射線源可以相對於對象而被轉換，或者該對象可以是移動的，例如，該對象是定位在傳送帶上。此外，在掃描運動(E)中，該對象可在旋轉過程中被轉換，因此稱為螺旋掃描。在一個優選的實施例中，由晶體矽製成的半導體傳感器被用於將X射線轉換成電信號。為了吸收χ射線，傳感器是在邊緣上導向到χ射線的入射方向，並且其深度必須足夠能吸收至少大於50%的入射X射線，對於在計算機斷層成像的應用中深度必須在30mm左右。半導體傳感器的厚度是約0. 5mm,並且優選地被能夠再分成像素，例如，每個像素是通過一個可被完全耗盡的反偏置二極體來形成，以致整體容量可用作X射線的傳感器。在一種示例性的應用中，像素的寬度可以是約0. 4 mm。在優選的示例性實施例中，每個像素二極體可被再分為深度片段以減少計數率，這些深度片段的長度應該是優選地指數性變化，以確保檢測率，隨深度而呈指數級下降，使這些深度片段的長度保持大致均勻。圖2是根據一個示例性實施例所述的一個半導體探測器模塊的圖解示意圖。這是一個半導體探測器模塊(A)的例子，帶有分成像素(B)的傳感器部分，其中每個傳感器的像素是通過二極體來構成的。X射線(C)穿過半導體傳感器的邊緣(D)而射入。圖3是根據另一個示例性實施例所述的半導體檢測器模塊的圖解示意圖。在本例中，半導體探測器模塊傳感器零件(A)被分成像素(B)，其中每個傳感器是由二極體構成的。在這種情況下，半導體傳感器零件也在深度方向被分成所謂的深度片段，再假設X射線 (C)穿過邊緣(D)射入。半導體傳感器也可以被用作所謂的多晶片模塊，也就是說，它們被用作基底，用於電路和用於一定量的特定用途集成電路(ASICs)。電路可包括從每個像素到ASIC輸入的信號的連接，以及從ASIC到外部存儲器和/或者數字數據處理的連接。對於ASICs的電能可以是通過類似的電路來提供，考慮在橫截面的電路增加，在這些連接需要用於大的電流，但是電能也可以通過分開的連接來提供。ASICs被定位在有源傳感器的一側，這意味著如果吸收的覆蓋物被安置在頂面，它可以被保護免受入射的X射線，並且它也能保護放置吸收體的這個方向上免受散射的X射線。這是重要的，因為X射線主要通過在集成電路的氧化層的充電，可短期與長期地損害ASICs並導致錯誤。在一個優選的示例性實施例中，該ASICs是矽基的，並通過互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術來製造。圖4是根據一個示例性實施例所述的一個半導體探測器模塊以多晶片模塊來實施的圖解示意圖。這個例子顯示了在一個多晶片模塊(MCM)中，半導體傳感器是怎樣能夠具有基體(A)的功能。信號是從像素(C)通向(B)並行處理集成電路(例如ASICs) (D)的輸入，該集成電流被定位在有源傳感器區域旁邊。需要明確的是，術語「特定用途集成電路 (ASIC)」應作寬泛解釋為用於和配置用於特定應用的任意的一般集成電路。該ASICs處理從每束X射線產生的電荷並把電荷轉換成能夠用於評估能量的數位化數據。該ASICs被配置為連接一個數字數據處理電路，以致數字數據可被發送到進一步的數字數據處理器(E) 和位於MCM外面的存儲器，並最後將該數據輸入到重建的圖像。在該ASICs中，測量來自每束X射線的信號，並且估算由每束X射線積累的能量。 所測量的每束X射線的能量將被用於增加在圖像中想要元素的對比度。為了獲得這個效果，能量信息將被用於從X射線中分離來自在半導體傳感器中康普頓散射的X射線以及來自通過光子效應起作用的X射線的電子噪聲。這些信息優選地是被一起加權的，以使在對象中的想要的元素和結構的對比度最大化。也會有一些來從X射線相互作用的深度測量的能量信息，它是可執行的，因為它可保持X射線轉換的深度片段的蹤跡。這對於在探測器內的康普頓散射的X射線是特別重要的，因為對於這些X射線，能量將是不確定的，因為僅有部分的原始能量積累在半導體傳感器上。對於較小的像素，需要考慮在像素之間的電荷分享，如果沒有校正，將惡化這些事件的信息，否則因為一個事件將會對於低能量的兩個事件產生錯誤。該ASIC電子元件和半導體傳感器的組合理想地應具有足夠短的非可阻礙的死時間以便保持高流量的X射線並避免所謂的積累，這意味著兩個事件將會對於帶有這兩個起作用的事件的合併能量的一個事件產生錯誤。該死時間可被校正，以便在圖像中不會產生假象，但也意味著會損失圖像質量，因而應保持在儘可能低。區別能量超出入射X射線的最大能量的積累事件是可能的，儘管這是實際上不可行的。圖5是一個示意圖，顯示了多個半導體檢測模塊是如何能被定位為互相鄰近以便建立一個完整的X射線檢測器的例子。在這個特例中，根據圖4所示的幾個多晶片模塊 (MCMs) (A)是定位為互相鄰近，以便構造整體的X射線探測器。該MCMs是由重元素(例如鎢)(B)的薄片交錯摺疊而成，以便吸收在半導體傳感器(C)內康普頓散射的X射線或者在對象(D)中的X射線，否則，這些X射線將造成在圖像的噪聲。圖6是一個示意圖，顯示根據另一個示例性實施例所述的半導體檢測器模塊的一個例子。這個例子顯示，多晶片模塊(A)為了使輸入到ASICs的電容減到最小，延長了 ASICs (B)的傳感器面積。電容會增加電子噪聲，這可以對圖像質量造成不利的衝擊。延長ASICs 超出半導體傳感器之上，意味著電路長度應當非常短，它與電容是成比例的，它可以是更短的。這個配置的缺點是將ASICs暴露在直接的X射線輻射(C)中，這是有害的，該ASICs將要採取措施，並使非常密集的包裝是可行的，除非它們被製成非常薄。甚至可以想像的是， 該ASICs是與大的ASIC合併，覆蓋大部分的傳感器或者完整的半導體傳感器。因此，需要明確的是，它可應用於實踐，其中所述的半導體探測器模塊只有一個唯一集成電路。圖7是一個示意圖，顯示了半導體探測器模塊是如何定位為與反散射薄片彼此相鄰的不同例子，這些反散射薄片定位在半導體探測器模塊之間。在本例中，顯示了幾個例如多晶片模塊(A)的探測器模塊是定位在彼此附件，如圖5所示，它們帶有由重材料(B)製成的薄片。這些薄片可以如圖所示地安置在每個MCM之間的左邊，或者如圖所示地安置在每三個MCM之間的右邊，取決於信號針對噪音水平的優化方案。圖8是一個示意圖，顯示了半導體探測器模塊是如何能在X射線的入射方向的深處分段的一個例子。這個例子顯示了帶有防護物(B)並且帶有頂面(C)和底面(D)的深度分割片段的半導體探測器模塊(A)。半導體探測器模塊的左邊是相對於來自輻射源的入射 X射線對準的。半導體探測器模塊的右邊是相對於來自輻射源的X射線未對準的。對於長的半導體探測器，機械校準會成為一個問題，並且未對準的情形會在圖像中導致假象，因為半導體傳感器的部分區域可能被交錯摺疊的重的材料薄片防護。已被防護(E)的探測器模塊的容量顯示在右邊。通過深度分割半導體探測器模塊，可測量和校正這個問題。對於任何對象和X射線的成像設置，所檢測的X射線在頂面和底部片段的期望率是眾所周知的。這方面的知識可被用於使被測量的比率正常化，並且這將有效的降低任意假象。例如，深度片段的長度是精選的，以致與其他片段相比，在該深度片段內計數最大 X射線的計數率是低於因數10，比該深度片段計數X射線光子的中間數更高。深度片段的長度也可以是精選的，以致與其他片段相比，在該深度片段內計數最小X射線的計數率是低於因數10，比該深度片段計數X射線光子的中間數更低。圖9是一個示意圖，顯示了半導體探測器模塊的集成電路是如何能被保護而免受電離輻射的一個例子。ASICs可以是對電離輻射敏感的，例如X射線(A)，並且在本例中顯示了它們是如何通過在被輻射的體積和所述的ASICs之間增加由例如鎢或銅等重的材料(B) 製成的吸收體而非常有效地防護。因此，防護材料將保護ASICs免受來自上面(A)和側面 (C)的輻射。主要插入重的物質薄片(D)以吸收在半導體探測器內和在對象內散射的X射線，也用作ASICs的輻射防護作用。如前所述，為避免在半導體傳感器內康普頓散射的X射線到達其他半導體傳感器，X射線吸收材料的薄片交錯摺疊在至少一些探測器模塊之間。優選地，這些薄片可以諸如鎢等高原子序數的重材料來製造。還已經認識到，整體探測器的一個特別有利的實施例涉及半導體檢測器模塊在數量級上的安排，該數量級是等於或大於2。該數量級也可指層數，因此，整體探測器的結構是指分層的探測器，在入射X射線的方向設置不同的層。例如，帶有兩層的半導體探測器模塊，第一組探測器模塊在被設置在上層，而第二組探測器模塊被設置在下層。優選地，其中一層的探測器模塊數是相對於另一層的探測器模塊交錯(移置)的， 以便獲得有效的幾何覆蓋的有源探測器區域和/或有效的解析度。通常，其中一層的探測器模塊被配置為預定的在與入射X射線成直角的方向上具有偏移，相對於另一層探測器模塊而言，以使能夠產生一個有效的有源探測器區域。圖IOa-C是不同的示意圖，顯示了在兩個層或水平(B)的半導體探測器模塊的配置的一個例子，以使得半導體探測器模塊能無縫拼接。這個例子顯示了例如MCMs (A)等探測器模塊在兩個水平(B)的機械配置以使得半導體探測器模塊能無縫拼接。此外，從兩個視圖顯示了一個放大的視圖。在探測器模塊(例如MCMs)之間的空間(C)允許ASICs的有效冷卻，這會消耗顯著的電能。熱膨脹需被考慮，因為每個MCM是分別附著的，且該膨脹並未增加，如果它們是定位為互相併排直接接觸的情形。根據附圖的機械配置也留有用於數據傳輸和用於電源的連接的空間。這也便於安裝和精確對準。根據圖IOa-C所示，半導體探測器模塊被設置在一個機械夾具或框架中，包括傳感器的每個半導體探測器模塊是被配置用於回指向X射線源，這對於在探測器模塊的半導體傳感器中的各個像素也是真的。在一個優選的實施例中，交錯排列的多個(兩個或更多)水平的配置提供了用於夾具或框架的裝置，以保持和精確地定位包括有源傳感器的每個半導體探測器模塊，使有源探測器區域對於入射X射線達到最大的幾何覆蓋面積。而且提供了用於ASICs和讀取電子元件的空間。圖IOd顯示了用於半導體探測器模塊的機械框架的一個例子。用於每個半導體探測器模塊(包括傳感器)的精確對準的特徵(圖IOd中加點的區域)，優選是動力學類型的，在機械夾具或框架中形成。該半導體探測器模塊(包括傳感器)是通過支持裝置/特徵 (A)來相對於這些對準特徵而被支持/固定/鎖定的，尤其是彈性的類型。必須強調的是， 在圖IOd所示的解決方案僅僅是一種可行的解決方案的例子。無論如何，只要由機械夾具或框架提供了半導體傳感器的精確對準，該配置就能確保所有半導體傳感器精確地保持在已知的位置，並確保所述的傳感器各自容忍不會增加貫穿該結構破壞它們的對準。本發明所提出的這種多水平配置的另一優勢是只有在半導體探測器模塊上的最後的非活躍層(散射防護、發送層、鈍化層等)在頂層需要在X射線光束中被定位，因此更能使有源探測器區域的幾何覆蓋面增加更多。而且，夾具或框架材料自身的熱膨脹在這個配置中是不需要與傳感器材料(這裡採用矽)的膨脹係數相匹配，這意味著它可以用標準的材料例如鋁製成，它能被容易地處理為想要的形狀，並容易利用。該組件也允許用高效空氣來冷卻ASICs和MCMs，作為的，當空氣通過在MCMs之間的空間被壓入/吹入時，在空氣和MCMs之間存在用於熱傳遞的大的表面積。MCMs自身可作為散熱片。圖11是一個示意圖，顯示了一個完整的探測器是如何由兩個半檢測器無縫組裝在一起而構建，以便建立更寬的探測器的一個例子。這個例子顯示一臺完整的探測器可以由兩個半組件(A)無縫地組裝而成，以便構造為一個更寬廣的檢測器，也如放大的圖所示。 這將增加費用，來自對象的的噪音也將增加一定量的散射的輻射。但是仍然值得肯定的是， 因為一臺更寬廣的探測器縮短圖像的採集時間，這對於運動對象例如人的心臟的成像具有非常重要的意義。為了增加空間解析度，各自的半導體傳感器可以相對於彼此在掃描方向的90度的方向上被移置，如圖12所示。圖12是一個示意圖，顯示了半導體探測器模塊是如何互相相對移置以優化空間解析度的例子。為了使掃描探測器的空間解析度最優化，垂直於掃瞄方向的半導體探測器的機械配置可以相對於彼此以該半導體探測器的試劑像素尺寸(B)的已知片段(A)來移置。該圖顯示了這樣的兩個例子一個例子是每個像素是相對於相鄰檢測器像素移置1/3 (C)，另一個例子是移置1/5 (D)0更普通的是，可在像素的一半和十分之一之間進行偏移。根據上述而裝配的探測器可以被應用在計算機斷層掃描術，也可用於為其他成像應用，例如安全篩選和無損性測試。本發明的另一個實施例是在半導體傳感器的頂部配置ASICs，這個配置將削減用於MCM所需的面積。而且，更為重要的是，這將削減ASIC的輸入電容，可增加性能並且減少噪聲，這對於圖像質量是有益的。這個配置的主要問題是ASICs將暴露於輻射下，這將會產生短期與長期的故障。然而，可以通過ASIC的特別設計方法來減輕這個問題。另一個問題是在這個結構中，ASICs將遮蓋安置在下面的半導體傳感器，並且在該ASIC中吸收的X 射線將只能促成劑量的改變，而不能促成圖像質量的改變。這種吸收也可以導致在圖像中的假象。上面所描述的具體實施例僅是作為本發明的一些示例性例子來被理解。本領域技術人員所應當明確的是，有各種不同的修改、組合和變動可應用到這些實施例中，它們都不會脫離本發明的範圍。特別是，在不同實施例中的不同部分的解決方案可以在其他構造中被結合，只要在技術上是可行的。本發明的保護範圍是由所附的權利要求來定義的。參考文獻
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權利要求
1.一種用於對象的X射線成像的矽檢測器，其特徵在於所述檢測器是基於多個半導體檢測器模塊，這些模塊配置在一起以形成一個整體探測器區域，每個半導體檢測器模塊包括邊緣上導向入射X射線的晶體矽的X射線傳感器，通過光子效應和通過康普頓散射連接到在所述X射線傳感器內用於X射線交互作用的配準的集成電路，對於在40 keV至250 keV的X射線能量範圍，從這些交互作用中提供空間和能量信息，以使得能對所述對象成像，其中，反散射模塊被交錯摺疊在所述半導體檢測器模塊的至少一個子組之間，以便至少部分地吸收康普頓散射的X射線。
2.根據權利要求1所述的矽檢測器，其特徵在於所述反散射模塊是被配置為從所述對象至少部分地吸收康普頓散射的X射線，並至少部分地阻止康普頓散射的X射線從一個半導體檢測器模塊到達另一個半導體檢測器模塊。
3.根據權利要求1或2所述的矽檢測器，其特徵在於每個所述的反散射模塊包括由平均原子序數超過25且厚度低於200 μ m的元素成分製成的薄片，以阻止大部分康普頓散射的X射線從一個半導體檢測器模塊到達另一個半導體檢測器模塊。
4.根據權利要求1所述的矽檢測器，其特徵在於所述反散射模塊是被交錯摺疊在以下模塊之間每個檢測器模塊之間，每個第二檢測器模塊之間，每個第三檢測器模塊之間， 或者任意數量的檢測器模塊之間；每個交錯摺疊的薄片是少於10，取決於想要的對於噪聲水平的信號。
5.根據權利要求1所述的矽檢測器，其特徵在於所述集成電路是被構造為使得每束 X射線的能量能基於在相應的X射線檢測器的積累能量和X射線的交互作用的深度的合併的信息而被推導。
6.根據權利要求1所述的矽檢測器，其特徵在於每個所述的半導體檢測器模塊是被實施為多晶片模塊(MCM)，且所述集成電路包括至少兩個集成電路塊，這些集成電路塊是以倒裝晶片方式安裝的。
7.根據權利要求6所述的矽檢測器，其特徵在於所述集成電路塊被配置為處理從每束X射線產生的電荷，以將該電荷轉變為數字數據，而所述集成電路是被配置為用於連接到圖像處理電路，以用於重建所述對象的所述圖像。
8.根據權利要求1所述的矽檢測器，其特徵在於所述X射線傳感器是被分為在與深度方向成直角的方向上的多個像素，假設X射線穿過所述X射線傳感器的邊緣而射入。
9.根據權利要求1或8所述的矽檢測器，其特徵在於所述半導體檢測器模塊是再被劃分為至少兩個深度片段，以使它可被用於處理高光子數的入射X射線。
10.根據權利要求9所述的矽檢測器，其特徵在於所述深度片段的長度是精選的以致與其他片段相比，在該深度片段內計數最大X射線的計數率是低於因數10，比該深度片段計數X射線光子的中間數更高。
11.根據權利要求9所述的矽檢測器，其特徵在於所述深度片段的長度是精選的以致與其他片段相比，在該深度片段內計數最小X射線的計數率是低於因數10，比該深度片段計數X射線光子的中間數更低。
12.根據權利要求9所述的矽檢測器，其特徵在於每個所述的深度片段是連接到用於測量對於每束X射線相互作用的能量積累的裝置。
13.根據權利要求9所述的矽檢測器，其特徵在於數據處理電路是被配置用於對任何入射X射線計算改進的能量評估，基於由集成電路所測量的能量的結合，該集成電路帶有信息，深度片段在該信息中發生交互作用。
14.根據權利要求9所述的矽檢測器，其特徵在於所述數據處理電路是被配置用於將在幾個深度片段內的事件總計在一起，以獲得全面的像素數據。
15.根據權利要求9所述的矽檢測器，其特徵在於所述數據處理電路是被配置用於比較在上面的深度片段與在下面的深度片段的計數率，獲得對於任意X射線能量的期待比率，並採用該結果來校正對準誤差。
16.根據權利要求1所述的矽檢測器，其特徵在於所述半導體檢測器模塊是被配置在一定數量的層中，層數是等於或大於2。
17.根據權利要求16所述的矽檢測器，其特徵在於所述層是被配置為獲得在X射線的入射方向上的分層的矽檢測器。
18.根據權利要求16或17所述的矽檢測器，其特徵在於第一組所述的檢測器模塊是被配置在上面的層，而第二組所述的檢測器模塊是被配置在下面的層。
19.根據權利要求16或17所述的矽檢測器，其特徵在於所述層的一層內的檢測器模塊是與所述層的另一層內的檢測器模塊交錯的，以能夠得到有效的主動檢測器區域。
20.根據權利要求19所述的矽檢測器，其特徵在於所述層的一層內的檢測器模塊是被配置為在與X射線入射方向成直角的方向上有預定的偏移，相對於所述層的另一層內的檢測器模塊。
21.根據權利要求19或20所述的矽檢測器，其特徵在於個別層內的檢測器模塊是被配置為在相互之間有間距，以允許熱膨脹和冷卻和電連接。
22.根據權利要求21所述的矽檢測器，其特徵在於所述半導體檢測器模塊是被配置在機械框架內，其中每個半導體檢測器模塊包括傳感器，被配置用於往回指向預期的X射線源；以及精確對準裝置，在每個半導體檢測器模塊的所述機械框架內提供，以支持和精確定位每個半導體檢測器模塊，使得對於入射的X射線能激活最大幾何覆蓋面的主動檢測器面積。
23.根據權利要求22所述的矽檢測器，其特徵在於所述半導體檢測器模塊是相對於由相應的支持裝置所支持的精確對準裝置來緊固的。
24.根據權利要求1所述的矽檢測器，其特徵在於所述半導體檢測器模塊是被配置為以這樣的方式聯接防護材料，以致所述集成電路被防護而免受入射的X射線的照射。
25.根據權利要求1所述的矽檢測器，其特徵在於所述半導體檢測器模塊是被配置為以這樣的方式聯接防護材料，以致所述集成電路被防護而免受在所述矽檢測器內散射X射線的照射。
26.根據權利要求1所述的矽檢測器，其特徵在於所述半導體檢測器模塊是被配置為這樣的方式，以致允許在與入射的X射線成直角的兩個方向上以最小死面積鋪設檢測器模塊。
27.根據權利要求1所述的矽檢測器，其特徵在於所述矽檢測器是被配置用於相對於對象來掃描，所述半導體檢測器模塊是被配置為這樣的方式，以致它們是通過在與所述矽檢測器的掃描方向成直角的方向上的像素尺寸的已知片段而互相偏移的。
全文摘要
基於多個半導體檢測器模塊(A)的用於X射線成像的矽檢測器，這些模塊配置在一起以形成一個整體探測器區域，每個半導體檢測器模塊包括邊緣上導向入射X射線的晶體矽的X射線傳感器，通過光子效應和通過康普頓散射連接到在所述X射線傳感器內用於X射線交互作用的配準的集成電路，對於在40keV至250keV的X射線能量範圍，從這些交互作用中提供空間和能量信息，以使得能對所述對象成像，其中，反散射模塊(B)被交錯摺疊在所述半導體檢測器模塊的至少一個子組之間，以便至少部分地吸收康普頓散射的X射線。
文檔編號G01T1/29GK102224434SQ201080007458
公開日2011年10月19日 申請日期2010年2月1日 優先權日2009年2月11日
發明者斯塔凡·卡爾森, 馬特斯·丹尼爾森 申請人:馬特斯·丹尼爾森