專利名稱：檢測電離輻射的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測電離輻射的方法和裝置。
背景技術(shù)：
和相關(guān)技術(shù)本領(lǐng)域熟知的射線照相成像檢測器包括一個小的傳感器陣列，以獲取輻射產(chǎn)生的圖像。經(jīng)過輻射吸收對象時，準(zhǔn)直輻射光束被強(qiáng)度調(diào)制，并且于是所探測到該透射光束表示該對象所吸收的倒像，其又涉及到對象的元素成分、密度和厚度。
從被成像的對象中散射出的X射線會惡化所捕獲的X射線圖像中的對比度和空間分辨率。長期以來，在通過所傳輸?shù)倪€沒有與對象發(fā)生作用的X射線時，人們廣泛使用吸收散射X射線的抗散射柵格或所謂的Bucky柵格，例如參見Bucky 1951的US 1,164,987，Lee等人2001的US 6,181,773B1，以及其中的參考文獻(xiàn)。然而典型地，Bucky柵格只能將散射減少至其總強(qiáng)度的30％或20％。同時Bucky柵格也衰減那些沒有偏斜透射的X射線。
最近，開發(fā)出一種使用雙檢測器或雙能量方法減少散射X射線量的更精密的方法，參見Chao的US 6,134,297以及其中的參考文獻(xiàn)。
而且為了提高對比度，在用于射線照相目的之前，來自X射線管的寬帶輻射被很大程度地濾波。眾所周知，在典型使用的X射線光子能時，隨著X射線光子能的增加，光電吸收按照冪律減少，而散射增加。
當(dāng)能量高于大約20keV時，軟組織光電的吸收快速減少，并且這種更高能量的X射線輻射對記錄的圖像并沒有多少作用，而是減少了圖像中的對比度。于是，要將較高的能量從輻射中濾波出來。當(dāng)然，要由對象的元素組成、密度和厚度來決定光子能的最佳選擇。
更進(jìn)一步，較低能量的X射線輻射幾乎完全被吸收到組織中，而且于是對所檢測的圖像沒有作用，而只是增加了對象所被曝光的輻射劑量。因此，較低的能量也要從輻射中濾波出來，軟組織應(yīng)用典型地采用大約以18keV為中心的窄帶輻射，例如乳房X線照相術(shù)。
最后，在所有當(dāng)前的X射線檢測器中，隨著X射線能量的增加，檢測X射線的效率就快速降低。而且，位置分辨率隨著X射線能量的增加而降低。
在US5,090,040、US4,864,594、US4,611,341、EP0,398,029A1和US5,247,560中描述了現(xiàn)有技術(shù)檢測器的范例。
發(fā)明概述已知種類的這些方法的問題是，大多數(shù)X射線管在這種諸如20keV的低光子能量下效率較低，即每單位功率提供給射線管的X射線數(shù)目較低。
而且，所有的X射線管在較寬的能譜范圍內(nèi)發(fā)射輻射。為了建立窄帶輻射，典型地使用金屬箔從X射線管對輻射進(jìn)行濾波。這就可以將能譜變窄，但是這也減少了所選擇的窄帶內(nèi)X射線的通量。于是，向X射線管施加大的負(fù)載，以在濾波器之后得到合理的輻射通量。而且相對較低的通量以相反的方式影響曝光時間，即使其更長，這顯然限制了該技術(shù)的可應(yīng)用性。
光電吸收衰減系數(shù)μPE與能量E之間具有較強(qiáng)的依賴關(guān)系，這就導(dǎo)致適合于X射線成像對象的不太理想的動態(tài)范圍較窄。X射線通過對象的透射表示如下式透射＝exp(μPE(E，Z)*ρ*t)其中μPE是被檢查材料的光電吸收系數(shù)，ρ是該材料的密度，t是該材料的厚度。由于該透射與μ×ρ×t的乘積成指數(shù)關(guān)系，因此X射線成像只適合的對象是該乘積在所要成像的對象上變化到受限程度的時候。該乘積的變化太大，導(dǎo)致在該乘積顯著大于平均值的區(qū)域曝光不足，在乘積顯著小于平均值的區(qū)域過曝光。光電吸收的吸收系數(shù)μPE同樣與正被檢測材料的原子序數(shù)Z關(guān)系密切，一般是冪關(guān)系Z2-3。因此對象元素組成中少量的變化會使得乘積μ×ρ×t顯著改變，并使得圖像的某些區(qū)域很容易就曝光不足或過曝光。
目前在X射線管與待檢查的對象之間使用的厚濾波器會產(chǎn)生許多散射的X射線，它們透射通過對象并使得X射線圖片出現(xiàn)污點(diǎn)。
當(dāng)設(shè)計射線照相成像檢測器的時候另一點(diǎn)需要高度注意的是輻射到患者的輻射劑量。雖然在最近幾十年中開發(fā)的有效的準(zhǔn)直器、適當(dāng)?shù)臑V波器、以及靈敏的檢測器陣列已有效地減少了患者受到的輻射劑量，但是還需要大大減少劑量。在當(dāng)今的檢測器設(shè)計中，進(jìn)一步減少劑量是主要考慮的因素。
因此本發(fā)明的主要目的是提供一種用于檢測電離輻射的方法和設(shè)備，其克服了與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的上述問題。
關(guān)于這一點(diǎn)，本發(fā)明特別的目的是提供這樣一種方法和這樣一種設(shè)備，其在待檢測的對象中只產(chǎn)生少量的能量沉積。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供這樣一種方法和這樣一種設(shè)備，其有可能使用寬帶輻射進(jìn)行測量。
本發(fā)明再進(jìn)一步的目的是提供這樣一種方法和這樣一種設(shè)備，其中使用特定范圍中的輻射，其中圖像的某些區(qū)域曝光不足或過曝光的風(fēng)險被減少。
本發(fā)明再進(jìn)一步的目的是提供這樣一種方法和這樣一種設(shè)備，其中可以高效地檢測較寬能量范圍上的X射線，特別是高的X射線能量。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種檢測器，對于該檢測器位置分辨率在高X射線能量下并不降低。
通過所附權(quán)利要求中所要求的方法和設(shè)備來實(shí)現(xiàn)這些以及其它目的。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過阻止檢測到康普頓(Compton)散射輻射，并通過提供特定范圍內(nèi)的電離輻射，使得被康普頓散射的電離輻射的光子比被通過在所述對象中的光電效應(yīng)吸收的光子多、優(yōu)選要多的多，從而開啟了放射學(xué)的一個全新領(lǐng)域。由于散射的概率對于寬頻譜X射線能量基本上相同，因此可以使用來自X射線源的包括高能輻射至甚高能的輻射的寬帶輻射進(jìn)行檢測。
換言之，本發(fā)明人提出一種全新的成像方式，包括(i)使電離輻射光子與對象作用，其中該電離輻射只能透過對象或者在對象內(nèi)被康普頓散射；和(ii)只檢測已透過對象、空間解析的電離輻射光子。實(shí)際上，這是通過(i)使用高能光子(消除或至少大大減少光電吸收的出現(xiàn))，和(ii)防止檢測到全部的或至少絕大多數(shù)在對象中被散射的電離輻射光子實(shí)現(xiàn)的。
進(jìn)一步，如果光電吸收可被忽略、或者至少非常低，就不必要考慮材料中能量與吸收過程的關(guān)系。
除此之外，散射的X射線光子在患者中只沉積其能量的一小部分，而光電吸收的X射線光子沉積其全部的能量。因此，通過利用散射的X射線而不是光電吸收的X射線進(jìn)行成像，大大減少了患者受到的輻射劑量。
本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)勢是如果使用寬帶輻射檢測，對厚濾波器的要求就更少，X射線管的效率增加，X射線管上的負(fù)載可以降低，并可以減少曝光時間(由于具有更高的X射線光子通量)。
更進(jìn)一步的優(yōu)勢是如果采用的光子能量足夠高，使得所捕獲圖像中的變化基本上是由于對象中的康普頓散射產(chǎn)生的，假設(shè)對象的厚度是常數(shù)，或者是已知的并被校正過，這些變化只是由于對象的密度產(chǎn)生的。這是真實(shí)的，由于在10-300KeV的光子能量的康普頓散射的衰減系數(shù)與原子序數(shù)和光子能量關(guān)系微弱。這與光電吸收形成強(qiáng)烈的對比，光電吸收與能量、特別是原子序數(shù)密切相關(guān)。
本發(fā)明更進(jìn)一步的優(yōu)勢是所得到的X射線圖像是對象中密度變化的圖像。該圖像可以與常規(guī)X射線圖像結(jié)合，其描述了對象中密度和元素組成(Z)的組合的變化。從這兩幅圖像可以推出第三圖像，其只描述對象的元素組成(Z)。
通過本發(fā)明可以獲得上述優(yōu)勢和特征，然而還可以得到比得上使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的檢測器得到的圖像質(zhì)量的圖像質(zhì)量。
可以通過一維氣體電離檢測器防止檢測到康普頓散射輻射，該檢測器包括中間有可電離氣體的兩個電極，和輻射入口，其設(shè)置使得所述電離輻射進(jìn)入該電極之間的所述檢測器側(cè)邊，并且通過電離輻射與氣體之間的作用所釋放的電子在基本上與其垂直的方向上被加速，其中電極之間的距離保持短，使得基本上只允許準(zhǔn)直在電極之間平面中的輻射可以電離所述氣體。電極之間的距離可以低于大約2mm，優(yōu)選的低于大約1mm，更優(yōu)選的低于大約0.5mm，并且最優(yōu)選的在大約0.1mm與0.5mm之間。電極可以為1-50cm，并且優(yōu)選的為3-10cm深(在入射X射線輻射的方向)。
本申請人最近已經(jīng)開始從試驗(yàn)上驗(yàn)證本發(fā)明，并且使用高能X射線的寬X射線譜，已經(jīng)觀測得到很好的對比，而常規(guī)檢測器系統(tǒng)在這種條件下完全不能夠看到任何結(jié)構(gòu)。可以相信上述一維氣體電離檢測器區(qū)分開了超過99％的散射光子；并且通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計可以認(rèn)為阻止了大約99.9％或更多的散射光子被檢測到。
而且本發(fā)明可以用于還要更高的光子能量，并且在保留的上面提到的優(yōu)點(diǎn)出現(xiàn)偶的產(chǎn)生。這種高能檢測可以用于各種領(lǐng)域中材料的非破壞性測試，以及用于醫(yī)療應(yīng)用中，例如腫瘤學(xué)。
而且從此后所給出的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳述和附

圖1-5，可以明顯得出本發(fā)明的特征及其優(yōu)勢，其只是通過說明的方式給出，從而不對本發(fā)明具有限定性。
附圖簡述圖1的示意圖描述了人體組織的光電吸收、康普頓散射、電子偶的產(chǎn)生和總衰減系數(shù)作為X射線光子能量的函數(shù)的曲線；根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的典型X射線源的連續(xù)X射線譜，和本發(fā)明中使用的連續(xù)X射線譜。
圖2示意性的描述了根據(jù)本發(fā)明一般實(shí)施例的射線照相裝置的側(cè)視圖。
圖3示意性的描述了本發(fā)明中使用的檢測器裝置的實(shí)施例的橫斷面?zhèn)纫晥D。
圖4示意性的描述了圖3的檢測器的正面圖，其中部分移開了入口裝置。
圖5示意性的描述了本發(fā)明中使用的檢測器裝置的另一實(shí)施例的透視圖。
優(yōu)選實(shí)施例的描述圖1的示意圖描述了人體軟組織的光電吸收、康普頓散射、電子偶產(chǎn)生和總衰減系數(shù)μPE、μCS、μPR、μTOT作為X射線光子能量E的函數(shù)的曲線，如圖1中可見，光電衰減系數(shù)μPE隨著光子能量呈冪關(guān)系下降，并且在大約25KeV的時候，康普頓散射衰減系數(shù)μCS與光電吸收衰減系數(shù)μPE相當(dāng)。在大約30至幾百KeV之間，康普頓散射衰減系數(shù)μCS完全占主導(dǎo)，而在更高(1MeV數(shù)量級)的光子能量時，電子偶產(chǎn)生的概率迅速增加，并成為主導(dǎo)的作用過程。進(jìn)一步，注意到在大約30至幾百KeV之間康普頓散射衰減系數(shù)μCS幾乎為常數(shù)。而圖1描述的范例僅用于人體軟組織，該圖表的相對整體結(jié)構(gòu)對許多情況都保持不變。
在圖1中也描述了典型的連續(xù)X射線譜，其來自于30kV的基于鎢的X射線管，并用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)(虛線)的銠濾波器濾波，例如用于乳房X線照相檢查，以及來自于80kV的基于鎢的X射線管的X射線譜，但其根據(jù)本發(fā)明(實(shí)線)被鐵濾波器濾波用于同樣的應(yīng)用。由于對所要記錄的圖像中對比度的要求，以及與能量密切相關(guān)的光電吸收，現(xiàn)有技術(shù)濾波后的頻譜較窄。本發(fā)明濾波后的頻譜較寬，并朝向更高的光子能量轉(zhuǎn)移，如下進(jìn)一步所述。
圖2示意性的描述了根據(jù)本發(fā)明一般實(shí)施例的射線照相設(shè)備的側(cè)視圖。從左向右該設(shè)備包括X射線源1、濾波器裝置4、源孔徑或準(zhǔn)直儀5、抗散射裝置8、檢測器孔徑或準(zhǔn)直儀9、和檢測器裝置11。該源孔徑5、抗散射裝置8和檢測器孔徑9是任選的。
X射線源優(yōu)選的是X射線管，其在較寬能譜范圍內(nèi)發(fā)射X射線輻射束。該束借助在X射線源1的輸出處的濾波器裝置4被濾波。濾波器裝置4與常規(guī)濾波器的不同在于其傳送更高的能量，并且優(yōu)選的具有寬得多的頻譜，例如圖1中所示。被濾波的該輻射束接著通過源孔徑5，以準(zhǔn)直該束。優(yōu)選的，源孔徑5的形狀和大小與特定大小和種類的檢測器裝置11配合。于是，給定一維檢測器裝置，源孔徑5被設(shè)計具有狹縫狀的透輻射窗，給定矩形二維檢測器裝置，源孔徑5優(yōu)選設(shè)計為具有矩形透輻射窗。
源孔徑5用來減少患者受到的輻射劑量，這通過產(chǎn)生只照射檢測器裝置11的敏感區(qū)域的扇形X射線束而實(shí)現(xiàn)。在對象受到的輻射劑量不是重點(diǎn)的應(yīng)用中，例如在工業(yè)應(yīng)用中，源孔徑5可以省去。
被濾波和光學(xué)準(zhǔn)直后的輻射束3進(jìn)入對象區(qū)域，其中所要成像的對象7位于這里。在對象7中某些光子可以被光電吸收，某些會被Raleigh和Compton散射(如圖1中的射線3a所示)，并且某些光子在電子偶的產(chǎn)生過程中可以被轉(zhuǎn)換為電子和正電子，其中這些電子和正電子可能引起X射線光子的發(fā)射(如圖1中射線3b所示)。這些各種過程取決于對象7的元素組成、密度和厚度以及入射輻射束3的能量。
透過對象7而沒有被偏轉(zhuǎn)的輻射束通過抗散射裝置8和檢測器孔徑9，并接著被檢測器裝置11檢測到，而防止檢測到被散射的輻射。然而典型的，少量的散射輻射可能進(jìn)入檢測器裝置11，并使得記錄的圖像變模糊。
根據(jù)本發(fā)明，濾波器裝置4與被成像對象7的元素組成、密度和厚度配合的方式使得在濾波時輻射束處于一頻譜范圍內(nèi)，從而使得發(fā)生康普頓散射的濾波后輻射束光子要比在對象7中通過光電效應(yīng)被吸收的光子多。
在人體軟組織的情況下，諸如胸部組織，濾波后的輻射寬帶X輻射可以位于10至300keV之間(即類似于圖1中的寬帶輻射線譜)，其優(yōu)選位于20至100keV之間，并且更優(yōu)選在30keV以上。
在其它實(shí)例中，濾波后的輻射是射線，優(yōu)選高于或大大高于30keV的寬帶輻射的輻射。
優(yōu)選地，該濾波的輻射位于的頻譜范圍使得，發(fā)生康普頓散射的被濾波輻射光子是在對象7中通過光電效應(yīng)被吸收的光子的至少2倍，更優(yōu)選至少5倍，并且最優(yōu)選至少10倍。
表1中給出了在不同的醫(yī)學(xué)應(yīng)用中不同種類的對象被成像時的截止能量值。50％的截止能量值表示大約50％的濾波輻射被康普頓散射而大約50％的濾波輻射通過光電效應(yīng)在軟組織、血液、骨骼和碘(作為體內(nèi)中的對比介質(zhì))中被吸收時的能量值。
90％的截止能量值表示大約90％的濾波輻射被康普頓散射而10％的濾波輻射通過光電效應(yīng)在軟組織、血液、骨骼和碘中被吸收時的能量值。
截止能量典型地與成像對象的厚度無關(guān)。
當(dāng)使用濾波的寬帶輻射時，幾乎所有的光子必須具有高于50％截止能量的能量以獲得頻譜范圍內(nèi)的輻射，該范圍使得濾波后的寬帶輻射發(fā)生康普頓散射的光子要比在對象7中通過光電效應(yīng)被吸收的光子多。為了實(shí)現(xiàn)這一條件，X射線管1的電壓一般必須比不使用具有甚高的較低截止能量的特殊濾波器時的高3-5倍。然而，在這種情況下得到的輻射通量非常低。
表1 在不同的醫(yī)療應(yīng)用中，不同種類的對象被成像時的截止能量
相似的，幾乎濾波寬帶輻射的所有光子必須具有高于90％截止能量的能量才能獲得頻譜范圍內(nèi)的輻射，該范圍使得濾波后的寬帶輻射發(fā)生康普頓散射的光子是在對象7中通過光電效應(yīng)被吸收的光子的9倍。
濾波器裝置4可以濾出低能量輻射，并允許高能輻射通過。當(dāng)然，濾波器的選擇取決于特定的應(yīng)用，例如取決于所需要的X射線源和輻射通量。
如果可能，濾波后的輻射應(yīng)位于的頻譜范圍應(yīng)該使得在對象7中基本上不出現(xiàn)光電吸收。
通過主要使用大量的散射輻射，尤其是康普頓散射輻射來代替光電吸收的輻射作為所記錄圖像的信號影響源，具有許多優(yōu)點(diǎn)。
·由于輻射主要散射離開對象，而不是被吸收在其中，就減少了對象受到的輻射劑量。在50keV的光子能量時，相比于光電吸收的光子，康普頓散射的光子只沉積大約了10％的能量。
·因?yàn)檩椛洳皇潜仨毐惶珡?qiáng)烈的過濾(由于康普頓散射衰減系數(shù)相比于光電吸收衰減系數(shù))，所該濾波器可以做的更薄。
·在薄濾波器中比在厚濾波器中散射的輻射較少，這意味著從濾波器裝置4散射的輻射比用常規(guī)濾波器裝置散射的輻射更少。
·X射線管的效率增加了，因?yàn)榭墒褂酶蟛糠值陌l(fā)射頻譜。這就意味著X射線管上的負(fù)載可以降低。
·曝光時間可以減少，因?yàn)榭梢缘玫礁叩腦射線光子通量。
·康普頓散射的衰減系數(shù)在10-300keV的光子能量時與原子序數(shù)和光子能量的依賴關(guān)系較弱，假設(shè)對象的厚度是常數(shù)、或已知并被修正，因此所捕獲圖像中的變化基本上只是由于對象密度中的變化引起的。
后一屬性可以與常規(guī)檢測器結(jié)合使用，以產(chǎn)生基本上只描述對象元素組成的圖像，只要對象的厚度已知。如上所述，從散射輻射，尤其是康普頓散射輻射可以得到基本上只描述對象密度變化的第一X射線圖像，而通過任何已知技術(shù)可以得到常規(guī)的描述結(jié)合了對象密度和元素組成的變化的第二X射線圖像。最后可以從第一和第二X射線圖像構(gòu)建出基本上只描述對象元素組成的第三X射線圖像。
在現(xiàn)有技術(shù)的其中主要通過對象7中的光電吸收產(chǎn)生圖像的裝置中，通過對象7的透射表示如下TPE＝exp(μPE(E，Z)*ρ*t)
其中μPE是所檢查材料的光電吸收系數(shù)，ρ是該材料的密度，t是該材料的厚度。
通過定義，對象11的透射TPE如下TPE＝#γOUT-PE/#γIN-PE其中#γIN-PE是在特定位置進(jìn)入對象的X射線的數(shù)目，并且#γOUT-PE是透過對象、沒有被光電吸收的X射線的數(shù)目。#γOUT-PE與在現(xiàn)有技術(shù)的檢測器中(在修正了與能量有關(guān)的檢測器效率以及檢測器中可能與能量有關(guān)的信號強(qiáng)度之后)檢測到的光子數(shù)目#γDET-PE成比例。
在主要通過對象7中的康普頓散射產(chǎn)生圖像的本發(fā)明中，以相似的方式給出穿過對象7的透射，如下TCS＝exp(μCS*ρ*t)其中μCS是所檢查材料的康普頓散射衰減系數(shù)。
以相似的方式給出對象11的透射TCS，如下TCS＝#γOUT-CS/#γIN-CS其中#γIN-CS是在特定位置進(jìn)入對象的X射線的數(shù)目，并且#γOUT-CS是透過對象、沒有被康普頓散射的X射線的數(shù)目。#γOUT-CS與在檢測器11中(在修正了與能量有關(guān)的檢測器效率以及檢測器中可能與能量有關(guān)的信號強(qiáng)度之后)檢測到的光子數(shù)目#γDET-CS成比例。
如上所述，通過(逐象素地)組合每一圖像中的信號，由此可以確定對象7的每一位置的元素組成。在本發(fā)明的替換實(shí)施例中，濾波器裝置4的濾波功能取決于待成像的對象7，使得被濾波的輻射3位于一頻譜范圍之內(nèi)，使得在電子偶產(chǎn)生過程中被轉(zhuǎn)換為電子和正電子的光子比在對象7中通過光電效應(yīng)被吸收的光子多；并且檢測器裝置11被布置為阻止源自對象7中電子偶產(chǎn)生的輻射被檢測到。這種高能檢測可以用于許多領(lǐng)域中對材料進(jìn)行的非破壞性測試，以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如腫瘤學(xué)。
為了讓本發(fā)明恰當(dāng)?shù)墓ぷ?，必須從特別大的程度上將散射輻射區(qū)分開，使其不被檢測到。優(yōu)選對象7中至少90％的康普頓散射輻射被阻止，使其不被檢測到，更優(yōu)選阻止至少99％，并且最優(yōu)選阻止至少99.9％的康普頓散射輻射。
本發(fā)明者最近已經(jīng)開發(fā)出一種可以實(shí)現(xiàn)該要求的檢測器裝置，下面參照圖3-4對其進(jìn)行描述。
檢測器裝置11被取向以使這里是平面輻射束的X射線束3進(jìn)入位于陰極23和陽極24之間并與之平行的側(cè)邊。在檢測器裝置11的前面設(shè)有狹縫狀的孔徑9和透輻射窗21，以形成X射線束3進(jìn)入檢測器裝置11的入口。狹縫狀的孔徑9可以是例如鎢的金屬箔，其中蝕刻或剪切有薄狹縫；透輻射窗21可以是薄塑料或碳纖維箔。
優(yōu)選的，電極23、24和窗口21以及側(cè)壁一起限定一個氣密性密腔25，其可以填充可電離氣體或氣體混合物。可替換的，電極23、24設(shè)置在外部氣密性外殼(未示出)內(nèi)部?？呻婋x氣體或氣體混合物可以例如包括處于壓力下的氪和二氧化碳或氙和二氧化碳，其壓力優(yōu)選位于1-20atm的范圍。
高電壓直流電源單元(在圖3-4中未示出)用于將陰極23和陽極24保持在適當(dāng)?shù)碾妱?，以在電極間密腔25中產(chǎn)生電場，用于電子及其中對應(yīng)產(chǎn)生的正離子的漂移，和任選的電子雪崩放大。
還進(jìn)一步，檢測器裝置11包括讀出裝置，用于檢測朝向陽極24漂移的電子和/或朝向陰極23漂移的正離子。該讀出裝置包括陽極24本身，如圖3-4中所示。可替換的，可以在鄰近陽極24或鄰接陰極23、或其它地方設(shè)置單獨(dú)的讀出裝置。
為了能夠進(jìn)行一維成像，陽極/讀出層24包括并排設(shè)置并且彼此電絕緣的導(dǎo)電或半導(dǎo)電元件或帶26。為了補(bǔ)償檢測圖像中的視差，陽極/讀出帶26基本上平行于在每一位置X射線束入射光子的方向。于是給定來自點(diǎn)光源的發(fā)散射束，陽極/讀出帶26設(shè)置成扇形結(jié)構(gòu)。每一陽極/讀出帶26優(yōu)選連接到讀出和信號處理裝置(在圖3-4中未示出)，由此來自每一帶的信號可以單獨(dú)的被處理。由于帶26也構(gòu)成陽極24，因此需要用于分開的適當(dāng)耦合。
應(yīng)該理解的是，為了說明，圖3-4中電極23、24之間的距離被過大的夸大了。作為范例幾何尺寸，檢測器裝置的寬度x大約為40mm，厚度y大約為2mm，并且深度z大約為35mm。
電極23、24之間的距離h優(yōu)選應(yīng)該短到基本上只允許準(zhǔn)直在電極之間的平面中的輻射電離氣體。于是，電極之間的距離h在電離輻射進(jìn)入方向上保持是電極的深度z的至少1/10，優(yōu)選1/25，并且最優(yōu)選1/100。特別的，距離h可以短于大約2mm，優(yōu)選短于大約1mm，更優(yōu)選短于大約0.5mm，并且最優(yōu)選大約在0.1mm與0.5mm之間。
孔徑狹縫9的寬度w，其控制著進(jìn)入檢測器裝置11的輻射的層的厚度，可以小到10μm，或大到2mm?？商鎿Q的，該孔徑可以完全移去。每一讀出帶26的寬度可以為10μm-2mm，這就說明在單個檢測器裝置中可以并排設(shè)置幾百個或幾千個帶，即遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于所示。
在操作中，X射線通過孔徑狹縫9進(jìn)入檢測器裝置11，平行于陰極23，并且優(yōu)選的與其靠近。X射線會按照指數(shù)概率分布與檢測器裝置11中的氣體相互作用，其中大多數(shù)X射線較早在氣體容積中轉(zhuǎn)換。平均作用長度典型的可以為10-100mm。
在作用的時候，X射線光子3d可以將其全部或部分能量傳送給氣體原子中的電子，其傳播通過氣體并與新的氣體原子碰撞，從而釋放更多的電子。在該過程中，典型的產(chǎn)生大約數(shù)千個電子的云27。這些電子由于施加的電場，沿方向29(圖3-4中的垂直方向)被吸引向陽極，該方向基本上垂直于入射X射線光子的軌跡。如果施加的電場足夠強(qiáng)，就會出現(xiàn)基于氣態(tài)的電子雪崩放大?，F(xiàn)在由于大量的電子接近陽極，它們在最接近云27的帶26a中感應(yīng)出電子信號。
通過連接到帶的讀出電子裝置檢測該電子信號。信號在該電子裝置中被放大并與閾值電壓進(jìn)行比較。如果信號超過閾值電壓，該帶專用的計數(shù)器被激活，并將所存儲的前值加一。通過這種方式，就計數(shù)照射到每一陽極帶上的X射線的數(shù)目。該方法稱為光子計數(shù)?？商鎿Q的，來自許多X射線的信號可以被集成到與所有的X射線共同沉積的總能量相關(guān)的單個數(shù)目。
通過孔徑9阻止X射線散射光子3a，使其不能進(jìn)入檢測器裝置11，而進(jìn)入檢測器裝置11的散射X射線光子3c，由電極23、24本身從幾何上區(qū)分開來，或者它們至少對所獲得的信號不會產(chǎn)生任何重要的作用。實(shí)際上，假設(shè)檢測器裝置11工作于雪崩放大模式，讀出元件26中的信號基本上只產(chǎn)生于最靠近陰極23的薄層內(nèi)的電離，該薄層至少可以比電極間距離薄2-5倍。當(dāng)放大是指數(shù)關(guān)系時可以獲得這種優(yōu)勢，并且靠近陽極24所釋放的電子不能夠產(chǎn)生足夠強(qiáng)的可以被檢測到的信號。
在檢測器裝置11的替換形式中，可以使用狹縫狀的準(zhǔn)直儀或其它種類的抗散射裝置8(在圖3-4中未示出)替代孔徑9，或與其組合使用。該準(zhǔn)直儀可以類似于孔徑9，但是在入射X射線通量的方向上要更深些，以便能夠有效地準(zhǔn)直輻射束3，并且進(jìn)一步減少進(jìn)入檢測器裝置11中的散射輻射的數(shù)量。在平面輻射束3進(jìn)入檢測器裝置11中的時候，為了有效地減少平面輻射束的平面中的散射輻射，準(zhǔn)直儀8可以是薄板或者是一維柵格結(jié)構(gòu)，其可以讓一行準(zhǔn)直束通過。優(yōu)選，相對于陽極/讀出帶26設(shè)置準(zhǔn)直儀，使得每一射束平行地，并且直接在相應(yīng)的一個陽極/讀出帶26上傳播。于是，給定來自例如點(diǎn)光源的發(fā)散射束，該準(zhǔn)直儀適合產(chǎn)生扇形結(jié)構(gòu)的射束。
通過使用具有高原子序數(shù)的氣體(例如氪、氙或氡)，和/或通過對氣體進(jìn)行加壓，和/或通過將檢測器制作得非常深(在入射X射線通量的方向上)，氣態(tài)檢測器的效率可以更高，即檢測在氣體中相互作用的X射線的概率更高。
在現(xiàn)有技術(shù)的X射線檢測器中，所檢測的信號源自通過光電效應(yīng)與轉(zhuǎn)換介質(zhì)(氣體)發(fā)生相互作用的X射線光子，并且將其所有的能量釋放給光電子，其進(jìn)一步電離該介質(zhì)。由于光電吸收的概率隨著X射線能量的增加而迅速降低，現(xiàn)有技術(shù)檢測器的效率隨著X射線能量的增加而迅速降低。
源自在轉(zhuǎn)換介質(zhì)中發(fā)生康普頓散射的X射線的信號并不會被檢測到，由于散射的X射線攜帶了入射X射線的大部分能量(在50keV時大約90％)，并且其一般離開該轉(zhuǎn)換介質(zhì)。與檢測器中的噪音水平相比，反沖電子具有的能量太低以至于不能被檢測到。
在具有雪崩放大的氣態(tài)檢測器中，如上所述，檢測器中的噪音水平非常低；并且反沖電子(以及它們可以電離的少量電子)在雪崩放大過程中被放大到高的水平。這就使得有可能在檢測器中檢測到來自轉(zhuǎn)換氣體中康普頓散射的反沖電子。
由于康普頓散射的衰減系數(shù)不會隨著X射線能量的增加而顯著降低，具有雪崩放大的氣態(tài)檢測器的效率在較高的X射線能量時不會降低，如上所述。
第二，康普頓散射的衰減系數(shù)與氣體的原子序數(shù)的關(guān)系僅較微弱。這就說明在高的X射線能量時，該檢測器使用低原子序數(shù)的轉(zhuǎn)換氣體，例如氬、氖、CO2、甲烷、乙烷、異丁烷(isobuthane)、氦等，可以同樣地工作，并且在高X射線能量時也具有很好的效率。
在轉(zhuǎn)換介質(zhì)中使用光電吸收產(chǎn)生信號的現(xiàn)有技術(shù)的檢測器中，隨著X射線能量的增加，位置分辨率會變差。這是由于所釋放的光電子能量非常高，并且可以傳播很長的距離，并沿著完全的軌跡電離該轉(zhuǎn)換介質(zhì)，因此使得圖像模糊，并且惡化了位置分辨率。
在上述氣態(tài)檢測器中，在轉(zhuǎn)換介質(zhì)中通過康普頓散射進(jìn)行操作，在高X射線能量時反沖電子也具有低動能，說明其在轉(zhuǎn)換介質(zhì)中只能傳播短的距離。這會得到更好的位置分辨率。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，可替換地或可補(bǔ)充地，電極23和24之間的空間可以填充可電離的液體或可激發(fā)的固體，例如半導(dǎo)電材料。
該檢測器裝置11可以更一般的為任何一維或二維檢測器，其能夠從很大程度上區(qū)分開散射光子。該檢測器可以是氣態(tài)檢測器，或例如為固態(tài)檢測器。
最后參照圖5，將描述本發(fā)明中使用的檢測器裝置11的另一特定實(shí)施例。該檢測器裝置11優(yōu)選為任何基于TFT的檢測器；基于閃爍體的檢測器；固態(tài)檢測器，諸如基于CMOS、CCD、CdZn、或CdZnTe的檢測器；基于氣態(tài)的檢測器；或它們的組合，用于輻射束3透過被研究的對象時的一維或二維檢測。該檢測器裝置設(shè)有抗散射裝置8，用于將大量散射輻射區(qū)分開，使其不被檢測到，如上參照圖2所述。
抗散射裝置8可以是為此目的而設(shè)計的Buchy格柵，即高效地區(qū)分散射，其中可以接受沒有被偏轉(zhuǎn)的射線的較低透射率(由于本發(fā)明的方法使用散射光子產(chǎn)生圖像信號，其降低了沉積在所要成像的對象中的能量量)。在一種形式中，抗散射裝置8設(shè)置為在檢測器裝置11前面布置的一維或二維透輻射通道的陣列。
通過保持對象7與檢測器11之間長的距離，也可以實(shí)現(xiàn)散射抑制。
可替換的，該檢測器裝置11設(shè)有基于雙檢測器或雙能量方法的抗散射裝置，如在上面標(biāo)明的US6,134,297和US5,649,997和US5,771,269中分別所描述的，其內(nèi)容在此全部引作參考。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在本發(fā)明中實(shí)際上可以采用現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何種類的檢測器裝置和抗散射方法，只要它們具有高度的散射抑制。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測電離輻射的方法，其特征在于包括步驟將電離輻射導(dǎo)向要被檢測的對象(7)；防止康普頓散射的輻射(3a、3c)被檢測到；和檢測在透過所述對象時空間解析的電離輻射，以顯示所述對象空間解析的密度，其中在一頻譜范圍內(nèi)提供所述電離輻射，使得所述電離輻射被康普頓散射的光子比在所述對象中通過光電效應(yīng)被吸收的光子多，從而減少對所述對象的輻射劑量。
2.權(quán)利要求1的方法，其中使所述對象中至少90％的康普頓散射輻射，優(yōu)選至少99％，并且更優(yōu)選至少99.9％的康普頓散射輻射不被檢測到。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其中所述對象是人體組織。
4.權(quán)利要求3的方法，其中所述人體組織是胸部。
5.權(quán)利要求3或4的方法，其中所述電離輻射提供為10-300keV之間，優(yōu)選為20-100keV之間，并且更優(yōu)選為30keV以上的寬帶X射線輻射。
6.權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)的方法，其中所述電離輻射提供為30keV以上的輻射。
7.權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)的方法，其中所述電離輻射提供在一個頻譜范圍之內(nèi)，在該頻譜范圍內(nèi)在所述對象中基本上不出現(xiàn)光電吸收。
8.權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)的方法，其中所述電離輻射提供在一個頻譜范圍之內(nèi)，使得所述電離輻射被康普頓散射的光子是在所述對象中通過光電效應(yīng)被吸收的光子的至少2倍，優(yōu)選至少5倍，并且更優(yōu)選至少10倍。
9.權(quán)利要求1-8中任何之一的方法，其中從在被檢測時進(jìn)行空間解析的所述透射電離輻射提供第一X射線圖像，其描述所述對象的密度變化；提供第二X射線圖像，其描述所述對象的密度變化和元素組成變化的組合；從所述第一和第二X射線圖像推導(dǎo)出第三X射線圖像，其基本上只描述所述對象的元素組成。
10.權(quán)利要求1-9中任何一項(xiàng)的方法，其中通過一維檢測器(11)，執(zhí)行透過所述對象時空間解析的電離輻射的檢測步驟，該檢測器包括在其間有可電離的或可激發(fā)的物質(zhì)的兩個電極(23、24)，并設(shè)置有輻射入口，使得所述電離輻射可以進(jìn)入所述檢測器電極之間的側(cè)邊，以電離或激發(fā)所述物質(zhì)。
11.權(quán)利要求10的方法，其中所述可電離的或可激發(fā)的物質(zhì)是可電離液體。
12.權(quán)利要求10的方法，其中所述可電離的或可激發(fā)的物質(zhì)是固體，優(yōu)選是半導(dǎo)體材料。
13.權(quán)利要求1-9中任何一項(xiàng)的方法，其中通過一維氣體電離檢測器(11)，執(zhí)行透過所述對象時空間解析的電離輻射的檢測步驟，該檢測器包括在其間有可電離氣體的兩個電極(23、24)，并設(shè)置有輻射入口，使得所述電離輻射可以進(jìn)入所述檢測器電極之間的側(cè)邊。
14.權(quán)利要求13的方法，其中通過保持電極之間的距離(h)較短以基本上只允許準(zhǔn)直在電極之間中心平面中的輻射對所述氣體進(jìn)行電離，從而執(zhí)行使康普頓散射輻射不被檢測到的步驟。
15.權(quán)利要求13的方法，其中保持電極之間的距離是在進(jìn)入的電離輻射方向上電極的長度的至少1/10，優(yōu)選至少1/25，并且最優(yōu)選1/100。
16.權(quán)利要求13的方法，其中保持電極之間的距離低于大約2mm，優(yōu)選低于大約1mm，更優(yōu)選低于大約0.5mm，并且最優(yōu)選在大約0.1mm與0.5mm之間。
17.權(quán)利要求13-16中任何一項(xiàng)的方法，其中所述兩個電極平行，并且所述電離射線與所述兩個電極平行地進(jìn)入所述檢測器。
18.權(quán)利要求13-17中任何一項(xiàng)的方法，其中作為所述可電離的氣體被所述進(jìn)入的電離輻射電離的結(jié)果被釋放的電子，在被檢測之前被雪崩放大。
19.權(quán)利要求18的方法，其中作為所述可電離的氣體被所述電離輻射電離的結(jié)果被釋放并接著被雪崩放大的電子，是來自所述可電離氣體中的所述電離輻射的康普頓散射的反沖電子。
20.權(quán)利要求19的方法，其中所述可電離的氣體是具有低原子序數(shù)的原子的氣體或氣體混合物，特別是氬、氖、CO2、甲烷、乙烷、異丁烷(isobuthane)、氦中的任何一種或它們的混合物。
21.權(quán)利要求13-20中任何一項(xiàng)的方法，其中透過所述對象的電離輻射，進(jìn)入所述檢測器電極之間的側(cè)邊，而不需要首先通過孔徑被準(zhǔn)直。
22.權(quán)利要求13-21中任可一項(xiàng)的方法，其中通過計數(shù)所述電離輻射的每一入射光子執(zhí)行檢測在透過所述對象時空間解析的電離輻射的步驟。
23.權(quán)利要求13-21中任何一項(xiàng)的方法，其中通過累積由所述電離輻射在所述氣體中感應(yīng)的電荷，執(zhí)行檢測在透過所述對象的時候空間解析的電離輻射的步驟。
24.權(quán)利要求1-9中任何一項(xiàng)的方法，其中通過檢測器(11)執(zhí)行檢測在透過所述對象的時候空間解析的電離輻射的步驟，該檢測器優(yōu)選是基于TFT的檢測器；基于閃爍體的檢測器；固態(tài)檢測器，諸如基于CMOS、CCD、CdZn、或CdZnTe的檢測器；基于氣態(tài)的檢測器中的任何一種；或它們的組合。
25.權(quán)利要求24的方法，其中通過抗散射裝置(8)，特別是在所述檢測器前面設(shè)置透輻射通道的陣列，執(zhí)行使康普頓散射輻射不被檢測到的步驟。
26.一種用于檢測電離輻射的方法，其特征在于包括步驟將電離輻射導(dǎo)向要被檢測的對象(7)；使源自所述對象中電子偶的產(chǎn)生的輻射(3b)不被檢測到；和檢測在透過所述對象時空間解析的電離輻射，以反映所述對象空間解析的密度，其中在一頻譜范圍內(nèi)提供所述電離輻射，使得所述電離輻射在電子偶的產(chǎn)生過程中被轉(zhuǎn)換為電子和正電子的光子比在所述對象中通過光電效應(yīng)被吸收的光子多。
27.權(quán)利要求26的方法，其中使源自所述對象中電子偶的產(chǎn)生輻射的至少90％，優(yōu)選至少99％，并且更優(yōu)選至少99.9％，不被檢測到。
28.一種用于對象(7)的射線照相的設(shè)備，包括X射線源(1)，用于發(fā)射寬帶輻射；濾波器裝置(4)，設(shè)置在所述X射線源的前面，用于對所述發(fā)射的寬帶輻射進(jìn)行濾波；源孔徑(5)，設(shè)置在所述X射線源的前面，用于準(zhǔn)直所述發(fā)射的寬帶輻射；對象區(qū)域，用于在所述射線照相測量期間容納所述對象，并且被設(shè)置使得所述被濾波并被準(zhǔn)直的寬帶輻射可以透過所述對象；和檢測器裝置(11)，其設(shè)置用來在所述被濾波并被準(zhǔn)直的寬帶輻射透過所述對象的時候記錄其圖像，其特征在于所述濾波器裝置的濾波功能取決于所要測量的對象，使得被濾波的所述輻射位于一個頻譜范圍內(nèi)，使得被康普頓散射的X射線光子(3a、3c)比在所述對象中通過光電效應(yīng)被吸收的光子多；并且所述檢測器裝置被設(shè)置用來使在所述對象中的康普頓散射輻射(3a、3c)不被檢測到。
29.權(quán)利要求28的設(shè)備，其中所述檢測器裝置被設(shè)置用來使所述對象中至少90％，優(yōu)選至少99％，并且更優(yōu)選至少99.9％的康普頓散射輻射不被檢測到。
30.權(quán)利要求28或29的設(shè)備，其中所述對象是人體組織，優(yōu)選是胸部組織。
31.權(quán)利要求30的設(shè)備，其中濾波后的所述輻射位于10至300keV之間，優(yōu)選為20至100keV之間，并且更優(yōu)選為30keV以上的頻譜范圍之內(nèi)。
32.權(quán)利要求28-31中任何之一的設(shè)備，其中濾波后的所述輻射位于一個頻譜范圍之內(nèi)，使得所述輻射被康普頓散射的光子是在所述對象中通過光電效應(yīng)被吸收的光子的至少2倍，優(yōu)選至少5倍，并且更優(yōu)選至少10倍。
33.任何權(quán)利要求28-32的設(shè)備，其中所述檢測器裝置是一維檢測器，包括在其間有可電離的液體或可激發(fā)的半導(dǎo)體的兩個電極(23、24)，并設(shè)置有輻射入口，使得所述輻射可以進(jìn)入所述檢測器電極之間的側(cè)邊。
34.權(quán)利要求29-33中任何之一的設(shè)備，其中所述檢測器裝置是一維氣體電離檢測器，包括在其間有可電離氣體的兩個電極(23、24)，并設(shè)置有輻射入口，使得所述輻射可以進(jìn)入所述檢測器電極之間的側(cè)邊。
35.權(quán)利要求34的設(shè)備，其中電極之間的距離(h)短以基本上只允許準(zhǔn)直在電極之間中心平面中的輻射對所述氣體進(jìn)行電離，從而使康普頓散射輻射不被檢測到。
36.權(quán)利要求35的設(shè)備，其中電極之間的距離(h)低于大約2mm，優(yōu)選低于大約1mm，更優(yōu)選低于大約0.5mm，并且最優(yōu)選在大約0.1mm與0.5mm之間。
37.權(quán)利要求34-36中任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中所述兩個電極平行，并且所述輻射入口被設(shè)置使得所述輻射可以與所述兩個電極平行地進(jìn)入所述檢測器。
38.權(quán)利要求34-37中任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中所述所述一維氣體電離檢測器包括電子雪崩放大器，用于在所述氣體中對作為所述可電離氣體被所述輻射電離的結(jié)果而釋放的電子進(jìn)行雪崩放大。
39.權(quán)利要求28-32中任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中所述檢測器裝置是基于TFT的檢測器；基于閃爍體的檢測器；固態(tài)檢測器，諸如基于CMOS、CCD、CdZn、或CdZnTe的檢測器；基于氣態(tài)的檢測器中的任何一種；或它們的組合，并且在所述檢測器的前面設(shè)置有抗散射裝置(8)，特別是透輻射通道的一維或二維陣列。
40.一種用于對象(7)的射線照相測量的設(shè)備，包括X射線源(1)，用于發(fā)射寬帶輻射；濾波器裝置(4)，設(shè)置在所述X射線源的前面，用于對所述發(fā)射的寬帶輻射進(jìn)行濾波；源孔徑(5)，設(shè)置在所述X射線源的前面，用于準(zhǔn)直所述發(fā)射的寬帶輻射；對象區(qū)域，用于在所述射線照相測量期間容納所述對象，并且設(shè)置使得所述被濾波并被準(zhǔn)直的寬帶輻射可以透過所述對象；和檢測器裝置(11)，被設(shè)置用來在所述被濾波并被準(zhǔn)直的寬帶輻射透過所述對象的時候記錄其圖像，其特征在于所述濾波器裝置的濾波功能取決于所要測量的對象，使得所述被濾波的輻射位于一個頻譜范圍內(nèi)，使得在電子偶的產(chǎn)生過程中被轉(zhuǎn)換為電子和正電子的X射線光子比在所述對象中通過光電效應(yīng)被吸收的光子多；和所述檢測器裝置被設(shè)置用來使源自在所述對象中的電子偶產(chǎn)生的輻射(3b)不被檢測到。
41.權(quán)利要求40的設(shè)備，其中所述檢測器裝置被設(shè)置用來使源自所述對象中電子偶產(chǎn)生的輻射的至少90％，優(yōu)選至少99％，并且更優(yōu)選至少99.9％不被檢測到。
全文摘要
一種用于檢測電離輻射的方法，包括步驟(i)將電離輻射朝著要被檢測的對象(7)導(dǎo)向；(ii)使康普頓散射輻射(3a、3c)，優(yōu)選所述對象中至少99％的康普頓散射輻射不被檢測到；和(iii)檢測在透過所述對象時空間解析的電離輻射，以反映所述對象的空間解析密度，其中在一頻譜范圍內(nèi)提供所述電離輻射，使得所述電離輻射被康普頓散射的光子多于、優(yōu)選非常多于在所述對象中通過光電效應(yīng)被吸收的光子，從而減少對所述對象的輻射劑量。
文檔編號G01T1/185GK1658794SQ03813230
公開日2005年8月24日 申請日期2003年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月7日
發(fā)明者T·弗蘭克, S·索科洛夫 申請人:愛克斯康特公司