專利名稱：用于x射線成像的轉換裝置及其制造方法和x射線探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及χ射線成像技術，特別涉及一種用于χ射線成像的轉換裝置及其制造 方法和X射線探測器。
背景技術：
X射線被廣泛的應用于各種領域，諸如高分辨率的醫學成像可以包括數字式的 血管造影成像、X斷層攝影術等，特別是骨密度檢測、放射治療射野成像和其它利用X射線 的非破壞性檢測。對于醫學成像，由于X射線對被檢測者健康的影響，通常采用的X射線強 度較弱，如何在較弱強度的X射線條件下實現低干擾、高分辨率和快速圖像獲取，是主要的 實現目標。通常，X射線探測器主要包括轉換裝置和成像裝置兩部分，如圖1所示。現有技 術中，轉換裝置由閃爍體構成，X射線經過被檢測者照射在閃爍體表面，閃爍體吸收X射線 并相應產生可見光。成像裝置利用探測到的可見光進行成像，該成像裝置可以采用膠片成 像方式、顯示器成像方式或者數字成像方式等。閃爍體通常由諸如Gd202S、碘化銫(CsI)等稀土金屬氧化物構成，由于X射線經 過被檢測者后，射入閃爍體的方向各異，即閃爍體會接收到來自各方向的X射線，由于X射 線的散射和衍射等影響，會使得X射線的通量較小，且相鄰X射線由于方向不同會造成成 像后相鄰像素之間產生干擾，造成轉換裝置的模量傳遞函數(MTF，Modulation Transfer Function)和檢出光子效率(DQE，Detective Quantum Efficiency)較低，其中，MTF可以表 征成像的分辨率，DQE可以表征像素之間的干擾程度。為了提高X射線探測器的成像分辨率以及降低像素之間的干擾，目前存在一種方 式，采用一種新的半導體材料作為轉換裝置，例如硒化鎘(CdSe)，這種新的半導體材料能夠 直接將X射線轉換為電信號，從而大大提高了轉換裝置的MTF和DQE，但是，由于這種新的半 導體材料具有毒性且成本較高，并不適合于推廣應用。
發明內容
有鑒于此，本發明提供了一種用于X射線成像的轉換裝置和X射線探測器，以便于 提高成像分辨率以及降低像素之間的干擾，且易于推廣應用。—種用于X射線成像的轉換裝置，該轉換裝置包括閃爍體以及光子晶體；所述光子晶體具有二維或者三維空間結構，且覆蓋在所述閃爍體朝向X射線的表 面上。其中，所述光子晶體包括構成周期性排列的晶格的第一種材料，以及在該晶格的 空穴中填充的第二種材料；所述第一種材料和第二種材料均具有二維或者三維空間結構，且第一種材料和第 二種材料之間的折射率差值滿足預設的差值條件。具體地，所述差值條件為折射率差值在0. 01至2之間。
所述光子晶體的空間結構和能帶隙使得所述光子晶體對所述閃爍體產生的朝向 光子晶體的可見光進行反射，并控制對可見光的反射方向。其中，所述光子晶體被旋涂在所述閃爍體朝向X射線的表面上，或者，所述光子晶 體被噴涂在所述閃爍體朝向X射線的表面上，或者，所述光子晶體被采用溶液沉積的方式 覆蓋在所述閃爍體朝向X射線的表面上。一種X射線探測器，該X射線探測器包含上述轉換裝置以及成像裝置；其中，所述成像裝置用于利用從所述轉換裝置傳播來的可見光進行成像。所述成像裝置中的傳感器陣列朝向閃爍體的表面上被覆蓋具有柱形結構的熒光 材料。一種用于X射線成像的轉換裝置的制造方法，該方法包括在閃爍體朝向X射線的表面上覆蓋具有二維或者三維空間結構的光子晶體。具體地，采用具有二維或者三維空間結構的第一種材料構成周期性排列的晶格， 在所述晶格的空穴中填充具有二維或者三維空間結構的第二種材料，從而構成所述光子晶 體；其中，第一種材料和第二種材料之間的折射率差值滿足預設的差值條件。較優地，所述差值條件為折射率差值在0. 01至2之間。通過控制所述第一種材料的和第二種材料的排列方式和調整所述光子晶體的能 帶隙，使得所述光子晶體對所述閃爍體產生的朝向光子晶體的可見光進行反射，并控制對 可見光的反射方向。具體地，可以將所述光子晶體旋涂在所述閃爍體朝向X射線的表面上；或者，將所 述光子晶體噴涂在所述閃爍體朝向X射線的表面上；或者，采用溶液沉積的方式將所述光 子晶體覆蓋在所述閃爍體朝向X射線的表面上。由以上描述可以看出，在閃爍體朝向X射線的表面上覆蓋具有二維或者三維空間 結構的光子晶體，該光子晶體能夠對朝向光子晶體方向的可見光進行反射，即將閃爍體產 生的朝向光子晶體方向的可見光反射回來，將閃爍體的可見光輸出強度提高100%以上，從 而提高了成像亮度和成像分辨率。更優地，可以通過調整光子晶體的空間結構和調控光子晶體的能帶隙，對閃爍體 產生的朝向光子晶體的可見光進行反射之外，還能夠控制對可見光的反射方向，例如可以 控制對可見光的反射方向為垂直射向成像裝置表面，從而增強垂直方向上的可見光，一方 面提高成像分辨率，一定程度上也降低了像素之間的干擾程度，并且，光子晶體的制造方法 和材料成本較低，且無毒性，適合于推廣應用。
圖1為現有技術中X射線探測器的組成示意圖。圖2為本發明實施例提供的轉換裝置示意圖。圖3為本發明實施例提供的X射線探測器的組成示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對發明進行詳細描述。為了提高X射線探測器中轉換裝置的MTF和DQE，事實上是提高閃爍體發出可見光 的效率，在本發明中，可以在閃爍體朝向X射線的表面覆蓋具有至少二維空間結構的光子 晶體。通過調整光子晶體的空間結構和調節光子晶體的能帶隙，能夠對閃爍體發出的可見 光進行反射，并控制對可見光的反射方向。例如如果光子晶體具有與閃爍體產生的可見光 頻率相匹配的能帶隙，調整光子晶體的空間結構使其將朝向光子晶體的可見光反射為垂直 于閃爍體表面的方向。也就是說，對于閃爍體吸收X射線產生的可見光，朝向光子晶體方向 的可見光能夠被光子晶體反射回來，使得這部分原本傳播不到成像裝置的可見光也能夠被 反射后傳播至成像裝置，從而將閃爍體輸出至成像裝置的可見光強度提高100%以上。圖2為本發明實施例提供的轉換裝置示意圖，如圖2所示，該轉換裝置包括閃爍 體以及覆蓋在該閃爍體朝向X射線的表面上的光子晶體，其中，該光子晶體具有二維或者 三維空間結構，經過該光子晶體對可見光的反射作用，能夠增加傳輸至成像裝置的可見光。
由于光子晶體是具有周期性介電結構的晶體，晶體內部原子的周期性排列會形成 能帶結構，能帶與能帶之間的帶隙稱為能帶隙，落在能帶隙中的電磁波將無法繼續傳播。基 于這一原理，發明人想到可以通過具有與閃爍體產生的可見光頻率相匹配的能帶隙的光子 晶體來反射閃爍體發出的可見光，從而增強閃爍體傳輸至成像裝置的可見光輸出強度。如果光子晶體只在一個方向上存在周期性結構，那么能帶隙只能出現在這個方向 上，如果在兩個甚至三個方向上都存在周期性結構，那么會可以在更多方向上出現能帶隙， 從而更加全方位地對傳輸至光子晶體表面的可見光方向進行調整。具體地，可以采用兩種不同折射率的材料形成具有周期性空間結構的光子晶體。 本發明提供的光子晶體可以由兩種具有二維或者三維空間結構的材料構成，其中，第一種 材料構成周期性排列的晶格，在第一種材料所構成晶格的空穴中填充第二種材料，第一種 材料和第二種材料的折射率差值滿足預設的差值條件，通常選擇折射率相差較大的兩種材 料，例如，預設的差值條件可以選擇在0. 01至2之間。另外，通過調整第二種材料所填充的空穴位置，可以調整該光子晶體所產生能帶 隙效應的頻率范圍，即使該頻率范圍內的電磁波在能帶隙中無法繼續傳輸，在本發明中需 要調整該光子晶體的能帶隙與閃爍體產生的可見光頻率匹配，從而實現對可見光的反射。另外，在本發明中可以通過調整光子晶體的周期性結構，即調整兩種折射率不同 的材料的排列方式，來控制對閃爍體發出的可見光進行反射的方向。最優地方式是將朝向 光子晶體的可見光垂直于閃爍體表面反射回來，從而一方面增強可見光的輸出強度，另一 方面，能夠降低X射線之間的干擾，也就是說，降低了成像后相鄰像素之間的干擾。其中，第一種材料和第二種材料可以包括但不限于以下材料諸如二氧化鈦 (TiO2)的鈦氧化物、諸如二氧化硅(SiO2)的硅氧化物、諸如氧化鋅(ZnO)的鋅氧化物，以及 諸如聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等的聚合物。上述光子晶體可以采用溶液沉積的方式覆蓋在閃爍體表面上，或者，可以采用旋 涂的方式將光子晶體覆蓋在閃爍體表面上，或者，可以采用噴涂的方式將光子晶體覆蓋在 閃爍體表面上。在圖2所示的轉換裝置中，閃爍體可以采用Gd202S、碘化銫(CsI)等稀土金屬化合 物。
圖3為本發明實施例提供的X射線探測器的組成示意圖，在該X射線探測器中，采 用如圖2所示的轉換裝置，其成像裝置可以是采用膠片成像方式、顯示器成像方式或者數 字式成像方式中的任一種，均可以采用現有技術中的方式實現。數字式成像由于其具有易于存儲、便于獲取動態圖像數據、能夠實現快速圖像捕 捉和灰階調整等優勢得到越來越廣泛的應用，例如可以廣泛用于血管造影術和心跳成像 等。下面以數字式成像方式為例對成像裝置進行簡單描述。
采用數字式成像方式的成像裝置可以包括傳感陣列和信號處理單元。其中，傳感 陣列用于獲取閃爍體傳播來的可見光，將該可見光轉換為電信號，該轉換以陣列為單位，每 一個陣列可以對應為最終成像的一個像素。信號處理單元對傳感陣列輸出的電信號進行信 號放大、模數轉換等處理后，最終成為圖像數據。該實現與現有技術相同，但在本發明中，可 以在傳感陣列朝向閃爍體的表面覆蓋具有柱形結構的熒光材料，例如銫材料等，從而對閃 爍體傳播來的可見光產生光柱效應，避免可見光在傳感陣列上的散射或反射現象，提高傳 感陣列的感光效率，從而進一步提高最終成像的分辨率。該方式在采用顯示器成像的成像 裝置中同樣適用。由以上描述可以看出，本發明提夠的裝置和方法可以具備以下優點1)在閃爍體朝向X射線的表面上覆蓋具有二維或者三維空間結構的光子晶體，該 光子晶體能夠對閃光體產生的朝向光子晶體的可見光進行反射，將閃爍體的可見光輸出至 成像裝置的強度提高100%，從而提高了成像亮度和成像分辨率。2)可以通過調整光子晶體的空間結構和調控光子晶體的能帶隙，對閃爍體產生的 朝向光子晶體可見光進行反射并控制可見光的反射方向，例如實現將朝向光子晶體的可見 光垂直于閃爍體表面的方向進行反射，增強垂直方向上的可見光，一方面提高成像亮度和 分辨率，一定程度上也降低了像素之間的干擾程度，并且，光子晶體的制造方法和材料成本 較低，且無毒性，適合于推廣應用。3)在成像裝置的傳感陣列上，本發明進一步覆蓋具有柱形結構的熒光材料，對閃 爍體傳播來的可見光產生光柱效應，避免可見光在傳感陣列上的散射或反射現象，更進一 步提高成像分辨率。4)本發明在現有X射線探測器上原有的裝置幾乎沒有進行改動，易于實現，卻能 夠達到很好的效果。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明保護的范圍之內。
權利要求
1.一種用于X射線成像的轉換裝置，該轉換裝置包括閃爍體以及光子晶體；所述光子晶體具有二維或者三維空間結構，且覆蓋在所述閃爍體朝向X射線的表面上。
2.根據權利要求1所述的轉換裝置，其特征在于，所述光子晶體包括構成周期性排列 的晶格的第一種材料，以及在該晶格的空穴中填充的第二種材料；其中，所述第一種材料和第二種材料均具有二維或者三維空間結構，且第一種材料和 第二種材料之間的折射率差值滿足預設的差值條件。
3.根據權利要求2所述的轉換裝置，其特征在于，所述差值條件為折射率差值在0.01 至2之間。
4.根據權利要求1至3任一權項所述的轉換裝置，其特征在于，所述光子晶體的空間結 構和能帶隙使得所述光子晶體對所述閃爍體產生的朝向光子晶體的可見光進行反射，并控 制對可見光的反射方向。
5.根據權利要求1至3任一權項所述的轉換裝置，其特征在于，所述光子晶體被旋涂在 所述閃爍體朝向X射線的表面上，或者，所述光子晶體被噴涂在所述閃爍體朝向X射線的表 面上，或者，所述光子晶體被采用溶液沉積的方式覆蓋在所述閃爍體朝向X射線的表面上。
6.一種X射線探測器，該X射線探測器包含如權利要求1、2或3所述的轉換裝置以及 成像裝置；其中，所述成像裝置用于利用從所述轉換裝置傳播來的可見光進行成像。
7.根據權利要求6所述的X射線探測器，其特征在于，所述成像裝置中的傳感器陣列朝 向閃爍體的表面上被覆蓋具有柱形結構的熒光材料。
8.一種用于X射線成像的轉換裝置的制造方法，該方法包括在閃爍體朝向X射線的表面上覆蓋具有二維或者三維空間結構的光子晶體。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，采用具有二維或者三維空間結構的第一 種材料構成周期性排列的晶格，在所述晶格的空穴中填充具有二維或者三維空間結構的第 二種材料，從而構成所述光子晶體；其中，第一種材料和第二種材料之間的折射率差值滿足預設的差值條件。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述差值條件為折射率差值在0.01至 2之間。
11.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，通過控制所述第一種材料的和第二種材 料的排列方式和調整所述光子晶體的能帶隙，使得所述光子晶體對所述閃爍體產生的朝向 光子晶體的可見光進行反射，并控制對可見光的反射方向。
12.根據權利要求8至11任一權項所述的方法，其特征在于，將所述光子晶體旋涂在所 述閃爍體朝向X射線的表面上；或者，將所述光子晶體噴涂在所述閃爍體朝向X射線的表面 上；或者，采用溶液沉積的方式將所述光子晶體覆蓋在所述閃爍體朝向X射線的表面上。
全文摘要
本發明提供了一種用于X射線成像的轉換裝置及其制造方法和X射線探測器，在閃爍體朝向X射線的表面上覆蓋具有二維或者三維空間結構的光子晶體，該光子晶體能夠對閃爍體產生的朝向光子晶體的可見光進行反射，將閃爍體的可見光輸出強度提高100％以上，從而提高了成像亮度和成像分辨率，另外，由于光子晶體可以控制可見光反射的方向，例如使可見光按照垂直于閃爍體表面的方向反射，一定程度上也降低了像素之間的干擾程度，并且，光子晶體的制造方法和材料成本較低，且無毒性，適合于推廣應用。
文檔編號G01T1/202GK102033241SQ200910177248
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月28日 優先權日2009年9月28日
發明者任麗榮, 曹佃松, 曹雷, 杜光偉, 許曉東 申請人:西門子(中國)有限公司