X射线探测阵列像素单元、制造工艺和双层能谱ct探测器
阅读说明：本技术 X射线探测阵列像素单元、制造工艺和双层能谱ct探测器 (X-ray detection array pixel unit, manufacturing process and double-layer energy spectrum CT detector ) 是由 李文 黄海波 吴小页 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种X射线探测阵列像素单元、双层闪烁体阵列的制造工艺以及基于该像素单元的双层能谱CT探测器,像素单元包括顶层闪烁体像素、底层闪烁体像素、薄膜光过滤层和光敏阵列等,顶层和底层闪烁体阵列的子像素采用发射不同光谱的闪烁体材料加工而成,薄膜光过滤层对应每个闪烁体像素的光输出面,光敏阵列的像素分为两个独立的子像素区域,其输出信号分别对应顶层闪烁体像素和底层闪烁体像素的X光响应,可以有效地获得入射X射线的能谱信息。本发明的双层闪烁体阵列采用二维阵列加工工艺,探测器子模块的整合工艺采用与常规CT探测器相同的叠加装配工艺,不影响探测器的灵敏面积,能够有效保持成像的剂量效率以及控制探测器的成本。(The invention discloses an X-ray detection array pixel unit, a manufacturing process of a double-layer scintillator array and a double-layer energy spectrum CT detector based on the pixel unit, wherein the pixel unit comprises a top layer scintillator pixel, a bottom layer scintillator pixel, a thin film light filtering layer, a photosensitive array and the like, sub-pixels of the top layer scintillator array and the bottom layer scintillator array are processed by adopting scintillator materials emitting different spectrums, the thin film light filtering layer corresponds to a light output surface of each scintillator pixel, the pixels of the photosensitive array are divided into two independent sub-pixel areas, output signals of the two independent sub-pixel areas respectively correspond to X-ray responses of the top layer scintillator pixel and the bottom layer scintillator pixel, and energy spectrum information of incident X-rays can be effectively obtained. The double-layer scintillator array adopts a two-dimensional array processing technology, the integration technology of the detector sub-modules adopts the same overlapping assembly technology as that of the conventional CT detector, the sensitive area of the detector is not influenced, and the imaging dose efficiency and the cost of the detector can be effectively kept.)
技术领域
本发明涉及半导体光电探测器领域，具体涉及一种X射线探测阵列像素单元、双层闪烁体阵列制造工艺和双层能谱CT探测器。
背景技术
常规CT中采集的X光响应信号，正比于探测器探测到的所有不同能量的X射线的能量积分，其中不包含X射线的任何能谱信息。近年来得到快速发展的能谱CT，通过采集区分不同能量X射线的响应信号，来获取比常规CT更多的影像信息，为影像按能量权重进行密度分辨优化以及实现成像物体的物质分辨提供了可能性，使影像质量、剂量效率以及临床诊断的准确率都在常规CT的基础上得到显著提升。能谱CT的技术和应用研究已成为CT医学影像技术的一个重要发展方向。
一种较为成熟的在CT应用中获取能谱数据的方法，是使用双层闪烁体的X射线探测器来替代常规CT中的单层闪烁体X射线探测器。常规CT中的探测器阵列通常由多个探测器模块沿X方向拼接而成，每个探测器模块通过加工成弧形的探测器导轨来精确定位，保证每个模块和球管焦点的距离相同，如图1所示。其中探测器模块一般由多个探测器最小子模块沿垂直于XY平面的Z方向排列而成，探测器最小子模块的一种结构如图2所示，由包括准直器阵列、闪烁体阵列、光敏阵列、模数转换芯片以及用于精确装配定位的安装块等组件构成。其中闪烁体阵列和光敏阵列为信号转换的主要器件，由二维像素阵列组成。一个传统CT探测器信号转换像素单元的结构如图3所示，其中闪烁体像素将入射的X射线转变为可见光，光敏阵列像素将闪烁体像素产生的可见光转变为电信号，通过基板的信号连接传送给后续的模数转换电路。传统CT探测器采用单层闪烁体阵列以及积分式信号采集方式，不能分辨入射X射线的能谱信息。和传统CT探测器的结构相比，现有的双层能谱CT探测器的差别主要在于更复杂的信号转换像素结构，如图4所示，每个信号转换像素由两个叠层的闪烁体子像素和两个侧面耦合的光敏阵列子像素组成，顶层和底层闪烁体子像素之间由光反射层连接并实现光信号的隔离。顶层闪烁体子像素主要探测入射X射线中的低能部分，底层闪烁体子像素主要探测入射X射线中的高能部分，通过同时读出两个子像素的信号，可以在成像过程中得到对应入射X射线高能和低能部分的能谱信息。
现有的双层能谱CT探测器采用闪烁体子像素和光敏阵列子像素之间的侧面耦合设计，决定了其无法回避的两个主要缺点：（1）探测器单元必须使用物理分割的闪烁体像素和光敏阵列像素经过三维精密整合装配而成，其复杂的加工装配工艺不利于探测器的批量生产和成本控制；（2）在X射线入射方向，光敏阵列像素会占用一定的探测器灵敏面积，从而影响到成像的剂量效率。
发明内容
技术目的：针对现有技术中存在的不足，本发明公开了一种X射线探测阵列像素单元和双层能谱CT探测器，具有新颖的信号转换像素结构设计，使用双层闪烁体阵列的二维阵列加工工艺，以及常规CT探测器使用的二维面积闪烁体阵列和光敏阵列叠加装配工艺，来实现双层探测器的能谱信号读出，从而有效地规避了现有的双层能谱CT探测器的主要缺点。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种X射线探测阵列像素单元，其特征在于：包括在光线入射方向上顺序设置的顶层闪烁体像素、底层闪烁体像素、薄膜光过滤层和光敏阵列像素；
所述顶层闪烁体像素和底层闪烁体像素构成双层闪烁体阵列，采用发光光谱明显不同并可以明确区分的闪烁体材料制成，用于将入射的X射线转变为可见光；顶层闪烁体像素发出的光信号经接触面进入底层闪烁体像素，底层闪烁体像素的底面为光输出面；顶层闪烁体像素和底层闪烁体像素的外部设有光反射层；
薄膜光过滤层包括同层设置的两个过滤区，即薄膜光过滤层第一过滤区和薄膜光过滤层第二过滤区，分别与顶层和底层闪烁体的发光光谱对应；
所述光敏阵列像素用于将闪烁体像素产生的可见光转变为电信号，每个光敏阵列像素包括对应薄膜光过滤层第一过滤区的第一光敏子像素、对应薄膜光过滤层第二过滤区的第二光敏子像素，第一光敏子像素和第二光敏子像素的输出信号分别为对应顶层闪烁体和底层闪烁体的X光响应。
优选地，所述薄膜光过滤层第一过滤区和第一光敏阵列子像素的大小相等，第二过滤区和第二光敏阵列子像素的大小相等。
优选地，所述顶层闪烁体像素和底层闪烁体像素之间采用直接光耦合的方式连接，保证顶层闪烁体像素的发光可以进入底层闪烁体像素。
优选地，所述顶层闪烁体像素和底层闪烁体像素的组合采用ZnSe/GOS、BaF2/GOS、BaF2/CdWO4、ZnSe/YAG中的任一种。
优选地，所述顶层闪烁体像素和底层闪烁体像素的组合采用ZnSe/GOS，顶层闪烁体像素和顶层闪烁体像素的厚度分别为0.5mm和1.0mm。
优选地，所述薄膜光过滤层第一过滤区为短通滤光层，仅允许波长大于或等于550nm的光子通过，薄膜光过滤层第二过滤区为长通滤光层，仅允许波长大于550nm的光子通过。
优选地，所述薄膜光过滤层第一过滤区和薄膜光过滤层第二过滤区的面积比例为1：1。
一种双层闪烁体阵列的制造工艺，其特征在于：顺序执行以下步骤：
（1）采用顶层闪烁体晶片和底层闪烁体晶片作为原材料，分别抛光后，将顶层闪烁体和底层闪烁体晶片通过光耦合胶粘结，获得一体化的双层闪烁体晶片；
（2）从双层闪烁体晶片的顶层闪烁体晶片的一端切割出若干二维分隔槽，二维分隔槽的深度大于双层闪烁体阵列的设计厚度而小于双层闪烁体晶片的实际厚度，二维分隔槽分隔出的相邻像素的间距等于所需的双层闪烁体阵列像素的大小；
（3）从双层闪烁体晶片的顶层闪烁体晶片的一端填充光反射层材料并固化，形成覆盖顶层闪烁体晶片以及分隔相邻闪烁体像素的光反射层；
（4）将完成光反射层工艺的双层闪烁体晶片从底层闪烁体晶片一端进行磨薄加工，直到底层闪烁体晶片的厚度减至预设厚度，然后从底层闪烁体晶片的一端进行抛光，形成和薄膜光过滤层的耦合面；沿二维分隔槽切割，得到所需的双层闪烁体。
优选地，所述步骤（1）中顶层闪烁体晶片和底层闪烁体晶片的面积由晶片原材料和生产工艺确定；
步骤（2）中顶层闪烁体晶片的设计厚度为顶层闪烁体像素的设计厚度，底层闪烁体晶片的厚度大于底层闪烁体像素的设计厚度；
步骤（4）中顶层闪烁体晶片的顶端、二维分隔槽由光反射层覆盖和填充，底层闪烁体晶片的底面为像素的光输出面。
一种双层能谱CT探测器，其特征在于：包括多个双层能谱CT探测器最小子模块，每个最小子模块包括多个所述的X射线探测阵列像素单元，顶层闪烁体阵列像素作为X射线的入射端。
有益效果：本发明的信号转换像素结构及双层CT能谱探测器，相对于现有的双层CT能谱探测器技术，具有如下技术特点及效果：
（1）使用的双层闪烁体阵列采用两种不同的闪烁体材料加工而成，在X射线照射下，这两种闪烁体材料具有可以明显区分的不同发光光谱，可以用颜色过滤的方法进行分辨；顶层和底层闪烁体子像素之间采用直接光耦合的方式，顶层闪烁体子像素的发光可以穿透底层闪烁体子像素到达光输出面。
（2）闪烁体像素和光敏阵列像素之间有一层薄膜光过滤层，对应每个闪烁体像素的光输出面，薄膜光过滤层分为两个不同的区域，分别对应两个光敏阵列子像素；其中一个区域的光过滤设计只允许顶层闪烁体的发光光谱通过，另一区域的光过滤设计只允许底层闪烁体的发光光谱通过，这样两个光敏阵列子像素的输出信号分别对应顶层和底层闪烁体子像素的X光响应，有效地提供了入射X射线的能谱信息。
（3）现有的双层CT探测器设计采用物理分割的闪烁体阵列和光敏阵列，通过复杂的三维整合工艺来实现双层探测器的信号读出，加工成本显著高于常规CT探测器采用的二维阵列平面叠加装配工艺；本发明的双层CT探测器采用二维连续的闪烁体阵列，光敏阵列，以及像素化的薄膜光过滤层，双层闪烁体阵列采用二维阵列加工工艺，整合工艺采用与常规CT探测器相同的平面叠加装配工艺，可以有效地保持和常规CT探测器类似的加工成本。
（4）现有的双层CT探测器设计采用的闪烁体阵列和光敏阵列侧面耦合方式，使光敏阵列在X射线入射方向上会占用一定的探测器灵敏面积，从而影响到成像的剂量效率；本发明的双层CT探测器使用常规CT探测器使用的二维面积闪烁体阵列和光敏阵列叠加装配工艺，不会影响探测器的灵敏面积，可以有效保持成像的剂量效率。
附图说明
图1为CT探测器阵列示意图；
图2为探测器最小子模块的一种实施例的结构示意图；
图3为传统单层CT探测器信号转换像素的结构示意图；
图4为现有的双层CT能谱探测器信号转换像素的结构示意图；
图5为本发明的双层CT能谱探测器信号转换像素的结构示意图；
图6为GOS和ZnSe闪烁体的发光光谱；
图7为不同波长下GOS闪烁体的透明度；
图8为双层闪烁体阵列的加工制造工艺示意图；
图9为16x16像素的双层闪烁体阵列的剖面示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种双层能谱CT探测器 ，其在双层CT探测器的像素结构设计中，采用二维连续的双层闪烁体阵列、光敏阵列以及像素化的薄膜光过滤层加工而成。
双层闪烁体阵列采用不同的顶层和底层闪烁体材料，依据图8所示的工艺步骤加工而成。在X射线照射下，顶层和底层闪烁体子像素的闪烁体材料具有可以明显区分的不同发光光谱，可以通过颜色过滤的方法进行分辨。顶层和底层闪烁体子像素之间采用直接光耦合的方式，顶层闪烁体子像素的发光可以穿透底层闪烁体子像素到达光输出面。在闪烁体像素和光敏阵列像素之间设有一层薄膜光过滤层，对应每个闪烁体像素的光输出面，薄膜光过滤层分为两个不同的区域，其中一个区域的光过滤设计只允许顶层闪烁体的发光光谱通过，另一区域的光过滤设计只允许底层闪烁体的发光光谱通过。
作为薄膜光过滤层的一个示例，其功能可以通过在柔性或刚性透明基板上制备多层折射率不同的透光薄膜来实现，通过调节各层透光薄膜的厚度，可以实现特定波长范围的光过滤效果。不同折射率透光薄膜材料包括但不限于Ag和SiO2，Ag和TiO2等多种组合。
光敏阵列像素分为两个独立读出的子像素，其面积分别对应薄膜光过滤层的两个区域，两个光敏阵列子像素的输出信号通过基板连接传送给后续的模数转换电路的两个通道同时读出。
本发明中，双层闪烁体阵列可采用如图8所示的加工工艺步骤制造，包括如下步骤：
（1）顶层闪烁体和底层闪烁体晶片经抛光后，通过光耦合胶粘结实现直接光耦合，获得双层闪烁体的一体化晶片；晶片的面积由晶片原材料和生产工艺确定，可以远大于最后探测器最小子模块中使用的双层闪烁体阵列尺寸；其中顶层闪烁体晶片的厚度为顶层闪烁体像素的设计厚度，底层闪烁体晶片的厚度大于底层闪烁体像素的设计厚度，为后续的加工步骤提供所需的加工余量；
（2）根据闪烁体阵列中像素之间光反射层的设计厚度，在双层闪烁体晶片上从顶层闪烁体一端切割加工相邻像素之间的二维分隔槽，槽的深度控制在大于双层闪烁体阵列的设计厚度而小于双层闪烁体晶片厚度，这样整个晶片仍由未切割到的底层闪烁体晶片连接，保持一体结构；
（3）按照设计从顶层闪烁体一端填充光反射层材料并固化，形成覆盖顶层闪烁体以及相邻像素之间的光反射层；
（4）将完成光反射层工艺的晶片从底层闪烁体一端进行磨薄加工，直到底层闪烁体的厚度减至闪烁体像素的设计厚度，然后从底层闪烁体一端进行抛光，形成和光过滤层的耦合面。至此，双层闪烁体阵列的结构加工已经完成，可以将其切割成探测器最小子模块中所需的阵列大小，投入使用。
作为一个实例，图9为一个切割后的16x16像素的双层闪烁体阵列的剖面示意图，每个双层闪烁体像素由直接光耦合的顶层闪烁体像素和底层闪烁体像素组成，顶层闪烁体像素的顶端以及相邻闪烁体像素之间由光反射层覆盖和分隔，底层闪烁体像素的底面为像素的光输出面。
如图5所示，为本发明的像素结构的一个具体实施例，采用ZnSe（硒化锌）和GOS（硫氧化钆）闪烁体材料分别作为顶层和底层闪烁体子像素，其厚度分别为0.5mm和1.0mm。在X光照射下这两种闪烁体的发光光谱如图6所示，具有不同的主要光峰波长，且在光谱上区分明显。1.0mm厚GOS闪烁体的透明度曲线如图7所示，在ZnSe闪烁体的发光光谱区域透明度良好，因此大部分ZnSe闪烁体的发光光子可以透过GOS闪烁体到达与光过滤层的耦合面。
光过滤层的两个区域分别设计成截止波长为550nm的短通滤光层，只允许波长小于550nm的光子通过；和长通滤光层，只允许波长大于550nm的光子通过。这样与短通滤光区域对应的光敏阵列子像素读出的是来自GOS闪烁体子像素的信号，而与长通滤光区域对应的光敏阵列子像素读出的则是来自ZnSe闪烁体子像素的信号，同时读出这两个信号即可以得到关于入射X射线能谱的信息。
本发明的实际应用不止局限于ZnSe/GOS这一对闪烁体材料组合，任何满足上述描述特点的闪烁体材料组合均在本发明的保护范围内，例如BaF2/GOS，BaF2/CdWO4，ZnSe/YAG等闪烁体材料组合等。另外，图5所示的像素结构中，光过滤层的两个区域以及对应的两个光敏阵列子像素面积按50%-50%的比例划分，在实际应用中，这个比例可以根据信号的相对大小进行优化调整。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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