CN1475192A - 热电控制的x射线检测器阵列 - Google Patents

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Abstract

披露一种用于计算机断层扫描系统的X射线检测器组件。X射线检测器组件包括连接在两个导轨之间的检测器单元阵列。热电冷却器连接在每个导轨的端部上，并控制成有选择地加热或冷却检测器阵列以便将该阵列保持在大致等温和热稳定的状态下。检测器组件最好包括主动和被动冷却装置以及用于控制检测器组件温度的绝缘材料。连接在检测器阵列的中央的电加热器与TEC结合使用以便控制检测器阵列的温度曲线并减少温度梯度的变化。

Description

热电控制的X射线检测器阵列
技术领域
本发明总体涉及一种用于计算机断层扫描系统中的X射线检测器阵列。本发明尤其涉及一种用于在大致等温和热稳定条件下保持X射线阵列的方法和装置。
背景技术
计算机断层(CT)成像系统通常包括X射线源和安装在台架上的相对侧上的X射线检测器阵列，其中成像区域介于其间。该检测器阵列通常包括多个布置成行和列的检测器元件。该检测器阵列或模块包括检测元件和相关的电气部件以便将X射线信号转换成可测量的模拟信号或可计量的数字信号。在许多构形中，该阵列安装在台架的轴向分开的导轨上。
在操作时，X射线源产生指向该阵列的X射线。当物体(例如病人的躯干)定位在成像区域中时，通过该物体的X射线衰减不同的程度，衰减的不同程度取决于X射线在该成像区域内通过的材料的特性(例如骨骼比肉体等衰减更大的程度)。
在CT中，台架用来围绕将要成像的物体转动X射线源和检测器阵列，使得可以收集与每个角度相对应的数据。此后，收集的数据进行过滤、加权并通常通过图像处理器反投影以便产生一个或多个具有诊断品质的图像。
在图像再现中，可以假设每个检测器的增益在整个数据获得过程中保持恒定并可以假设检测器处的X射线信号强度中的任何变化是由于病人组织造成的。不幸的是，出于多种原因该假设不是100％准确。在此方面一个特别严重的误差来源与检测器元件的操作如何受到操作期间元件状态的影响有关。更特别的是，对于许多不同的电子部件的情况，响应特定激励(例如特定强度的X射线)的检测器元件作为温度的函数变化。
有许多通过温度影响元件输出和得到数据的总体精度的方式。首先，不会令人吃惊的是温度在操作期间直接影响元件的输出(或增益)，该模块经受不同于校准温度的温度，从而造成未修正的增益误差。其次，已经知道沿阵列导轨以及在导轨之间的温度梯度造成机械结构的热变形，从而导致未修正的增益误差。在通过特别的应用中，当该阵列的中央和端部的相对温度在一段时间之后变化时，可以造成图像失真。第三，其他检测器阵列部件(例如与检测器元件相关的光电二极管)同样受到温度变化的影响。特别是光电二极管的分流电阻随温度呈指数下降，导致泄漏电流并通常降低信噪比。
当阵列输出作为元件和阵列环境温度的函数变化时，不利地影响了所得到的图像的质量。为此，已经观察到温度对于阵列输出的影响有时造成图像失真，从而不利地影响了所得到图像在诊断上的使用性。
在CT系统中有许多直接影响该阵列温度的热源。特别是，用来产生X射线束的X射线管在CT系统中产生大量的热。另外，马达、处理器和其他CT系统部件在该阵列附近产生热。近年来，希望增加病人处理量(即每天进行的扫描数量)促使使用更大功率的X射线源，使得在更短的时间内获得所需产生图像的数据量。这些更大功率的系统，尽管比其前者显著更快，但只加重了该阵列的加热问题以及相关的图像劣化。
为了克服与温度相关的阵列操作问题，此行业已经开发出多种旨在保持几乎等温和热稳定阵列的解决方案。为此，如果元件在操作期间加热，大多数解决方案提供某些类型的元件加热构形，该构形和该阵列一起安装在导轨上。该加热构形通常用来将该元件大致加热到所需高温水平并在整个扫描期间保持该温度水平。该加热器控制点设置成与所需高温极限以及最大许可模块温度变化一致。
不幸的是，在高功率系统中，该阵列温度可超过实现可以接受的图像质量的温度。在这种条件下，加热控制器不能将检测器阵列保持在可接受的操作温度内。
因此始终需要一种将检测器阵列保持在恒定温度下的简单和经济的方法，特别是在与高功率X射线管结合操作时将检测器阵列保持在恒定温度下的方法，在该X射线管中最高温度大于该成像系统所允许的温度。
发明内容
本发明的示例性实施例包括连接在一组导轨之间的检测器阵列。至少一热电冷却器(TEC)连接在该导轨的远端并且温度传感器连接在该检测器阵列上以便提供阵列实际温度的指示。每个TEC和温度传感器连接在监测实际温度并调整供应到TEC的功率以便保持所选择设定点温度的控制器装置上。该控制器装置指令TEC在“加热”模式和“冷却”模式之间转换，其中TEC有助于加热或冷却。
本发明的这些和其他目的将从以下说明书中得以明白。在说明中，对于形成说明书一部分的附图进行参考，附图表示本发明的优选实施例。这些实施例不需要代表本发明的全部范围，为此对权利要求进行参考以便说明本发明的范围。
附图说明
图1是用于实施本发明的CT装置的透视图，该CT装置包括具有行和列检测器元件的检测器阵列和扇形射束源；
图2是按照本发明构造的检测器组件的分解视图；
图3是与组装构形的图2组件类似的检测器组件的侧剖视图；
图4是可以用来控制图1的CT装置并用于实施本发明的CT控制系统的框图；
图5是按照本发明构造的检测器组件的侧视图；
图6是可以用来控制图1的CT装置和图5的检测器阵列并用于实施本发明的CT控制系统的框图；
图7是表示在具有固定温度设定点的冷热环境下操作的图2的检测器阵列的温度分布曲线图；
图8是表示按照第一控制方法在冷热环境下操作的图5的检测器阵列的温度分布曲线图；
图9是表示按照第二控制方法在冷热环境下操作的图5的检测器阵列的温度分布曲线图；
图10是表示图8的控制方法的图表；
图11是表示图9的控制方法的图表。
具体实施方式
现在参考附图并特别参考图1，表示出用于本发明的典型的CT扫描器。CT扫描器通常包括限定中心孔或成像区域21的环形台架20。X射线源10与成像区域21的相对侧上的检测器组件44相对安装。X射线源10提供X射线的扇形射束40，该射束指向静置在将要扫描的支承平台46上的病人42的一部分43，并且检测器组件44接收X射线并提供与扇形射束40通过该物体时的衰减相对应的强度信号。此数据用于图像再现以便再现物体的一个或多个图像。
现在参考图1、2和3，检测器组件44连接在依次连接到台架20(见图1)上的安装板90上。检测器组件44包括分别连接在第一和第二导轨100和102之间的检测器单元18的阵列。导轨100和102沿Z或扫描系统的平移轴线轴向移位。每个检测器元件18包括固态X射线检测器，该检测器例如在授予Riedner等人的共同受权的美国专利No.5,521,387中有所描述。每个检测器元件18接收X射线并提供沿扇形射束40的分开射线的强度测量。检测器组件44的检测器元件18可布置成所示的弧形构形，其中焦点26与X射线源内的中点相对应。在某些应用中，检测器组件44可包括平面元件。为了有助于检测器组件温度的监测，一个或多个温度传感器118嵌置在检测器组件44内。最好是，温度传感器118和温度传感器119定位在检测器阵列44的相对端部上。
如图2清楚所示，在所示的示例性实施例中，第一和第二热电冷却器(TEC)104，110分别连接到检测器组件44的相对的远端上。TEC是以Peltier效应操作的固态热泵并可为组件44提供加热或冷却。典型的TEC包括用作两个不同导体的p和n型半导体元件的阵列。元件的阵列通常焊接在两个陶瓷板之间，并电气串联和热并联。当直流电通过一对或多对元件从n型到p型半导体元件时，由于从环境吸收热在由两个元件形成的接合部(“冷侧”)处温度降低。当电子从高能状态运动到低能状态时，通过TEC由电子承载的热量输送到相对(“热”)侧并释放。TEC的热泵送能力与电流和n型和p型元件的对数成比例，每对通常在TEC工业中称为“对”。用于本发明的TEC可在商业上获得，例如由Melcor of Trenton，NJ制造的ThematecTM系列。
始终参考图1到图3，阵列44同样包括多个其他部件，其包括总体由标号120表示的绝缘体和两个散热组件，第一散热组件包括风扇108和散热片106，第二散热组件包括风扇114和散热片112。这些部件在下面更详细地描述。
始终参考图2和图3，高导热插件116和117连接到每个导轨100和102上。如所示，插件116和117可沿每个导轨100和102(例如见116)的侧部设置，或沿每个导轨100和102(例如见117)的上边缘设置。高导热插件116，117由选择成沿导轨100和102提供充分热传递的材料制成。插件116和117可由例如热解石墨(PG)，铜，碳基合成物或具有高导热性的其他材料制成。插件116和117还可包括例如美国专利No.6,249,563披露的热管，对于其热管装置的描述将该专利结合于此作参考。
为了散去由TEC产生的热，包括被动散热片、主动散热装置或两者的散热组件可连接在每个热电冷却器104和110上。如所述，在示例性实施例中，每个第一和第二散热装置分别包括风扇108，114和散热片106和112。散热片106和112最好包括铝翅片或任何其他本领域公知的其他适合的装置。风扇108，114或其他主动散热装置从散热片106，112去除另外的热，同时将检测器阵列44的远端保持在相对恒定的温度下。
绝缘体120设置在阵列44的阵列检测侧面之外的所有侧面上。该绝缘体使得传递到环境的热最少并因此使得整体系统更有效。同样，有利的是，当在冷却模式(即该阵列将冷却)时，绝缘体120减少冷却能力的需要并同样将检测器和与其他系统部件相关的环境热量隔绝。绝缘材料120可包括任何数量的标准民用或商业等级的绝缘材料，例如泡沫聚苯乙烯，玻璃纤维，合成泡沫橡胶或还可以包括真空绝缘板(VIP)。
现在参考图4，用于控制图1的CT成像系统的示例性控制系统包括工作台马达控制器58，滑动环64，中央处理计算机60，操作者控制台65，大量存储器装置66和多个与台架环56相关联的控制模块52。台架控制模块52包括X射线控制器54，台架马达控制器56，数据获得系统62和图像再现器68。这些模块通过滑动环64连接到相关的台架上并为了进行控制连接到计算机60上。
台架控制模块52还包括用于控制TEC104和110以便将检测器阵列44保持在大致等温和热稳定的条件下的TEC控制器70。TEC控制器70最好商业上可以得到的装置，例如由Melcor of Trenton，NJ制造的ThematecTM系列。但是，TEC控制器70可包括任何数量的能够使用例如比例积分微分(PID)回路的控制方法控制TEC104和110的装置。TEC控制器70电连接到检测器组件44内的一个或多个温度传感器118上，并分别通过正供电线121和123以及负供电线125和127连接到每个TEC104和110上；并最好连接到计算机60上。
在操作中，物体(例如静置在可运动台46上的病人42)放置在成像区域21内。X射线源10提供指向病人42的X射线扇形射束40。台架20围绕病人42转动并且收集与病人体积相关的图像数据。在通过病人42之后，扇形射束40的X射线由阵列44接收。
在获取数据期间，TEC控制器70将检测器阵列44保持在大致恒定的温度下。所需操作“设定”点可存储在存储器中，由使用者通过连接在计算机60上的界面进行选择，并通过使用连接在TEC控制器上的电位计或本领域技术人员公知的方式建立。所选择的“设定”点通过控制线提供给TEC控制器70。TEC控制器70接收来自提供检测器组件44的实际温度指示的温度传感器118的电信号并将温度值与计算机60提供的“设定”点操作温度进行比较。根据实际和所需温度之间的差别，TEC控制器70调整供应到TEC104和110的输出功率。尽管TEC104和110通常在“加热”模式下运行，如果检测器组件44的温度高于所需操作温度，TEC控制器70可同样转换分别供应到TEC104和110的电源线121，125和123，127的极性。当电源线的极性颠倒时，TEC提供冷却功能以便将检测器组件44冷却到所需温度。在CT扫描器周围的环境温度显著高于设定点(超过许可的模块温度变化)时需要冷却功能。
现在参考图5，表示出按照本发明构造的检测器组件44的第二实施例。这里，许多部件与图2描述的那些部件相同，并且这些部件按照图2的描述进行标号。同样可以包括没有在图5中表示的图2的其他任选元件。特别是图5实施例可同样包括风扇元件108和114和绝缘盖120。
图5实施例包括和电加热器124一起设置在检测器44的中央部分的温度传感器122。温度传感器122和加热器124用来监测和调整该阵列的中央部分上的热分配并与传感器118和119以及TEC104和110结合操作以便沿检测器组件44的长度保持所选择的温度分布曲线。该温度分布曲线保持成当检测器组件44从冷环境到热环境运动时，检测器44的中央部分和远端之间的相对温度变化保持恒定。通过保持沿检测器44的温度分布曲线，减少或防止了检测器元件18的与温度相关的机械移位，因此减少由温度引起图像失真的可能性。
现在参考图6，表示出用于与图5的检测器组件44结合操作的控制系统。再次，通常控制系统的操作与图4类似，并且系统部件已经相应地标号。控制系统包括接收来自传感器122以及任选地来自传感器118和119的检测温度信号以便提供检测器阵列44的中央和相对端处温度指示的加热器控制器126。根据这些检测的温度值，加热器控制器126驱动加热器124，并且TEC控制器70驱动TEC104和110以便沿检测器阵列44保持所选择的温度分布曲线，如下描述。
现在参考图7，8和9，分别表示出第一控制方法、第二和第三控制方法的温度分布曲线，该分布曲线表示沿阵列44的长度上发现的温度，其中第一控制方法中监测和控制阵列远端的温度，在第二和第三方法中对于中央部分和远端两者进行温度控制。在所有情况下，希望操作阵列44使得阵列模块44的中央部分处的温度保持在30和40℃之间的范围内，而不考虑周围环境温度，并且将该阵列保持在选择的最大温度之下。以下描述集中在30和40℃之间的所感兴趣的区域。为了方便起见，假设在35℃的设定点附近操作。对于每个“热”(大约45℃)和“冷”(大约25℃)环境表示单独的分布曲线。TEC104和110可用来以所述的方式加热和/或主动冷却检测器阵列44，并因此用来将检测器44冷却到台架周围环境空气温度之下的温度。
现在特别参考图7，表示出例如图2检测器阵列44的检测器阵列44的温度分布曲线。在检测器阵列44中，温度设定点恒定地保持在35℃上，如上所述，远端处的温度由传感器118和119监测并由TEC104和110控制，如上所述。当在冷环境下操作时，检测器阵列44的温度分布曲线130大致是等温的，检测器阵列44的温度沿该阵列的长度大致保持在35℃的选择设定点上。当在热环境下操作时，阵列44的远端通过TEC104和110保持在选择设定点上，但中央部分上升到显著高于选择设定点的温度，从而产生抛物线的温度分布曲线132。
现在参考图8，表示出按照第一控制方法操作的例如图5检测器阵列的检测器阵列44的温度分布曲线。这里，监测由传感器122检测的阵列44的中央部分的温度，并且将用于TEC104和110控制的设定点作为中央部分出的温度函数进行调整。现在参考图10，表示出TEC设定点对于中央部分处的温度的图表。这里，TEC设定点以预定斜率连续上升直到选择操作温度到达中央部分为止。当中央部分的温度增加时，TEC设定点下降以便降低阵列44的温度，因此将中央部分的温度保持在选择操作设定点上或附近，并低于图7现有技术实施例的最大水平。因此，图8的冷环境温度分布曲线134大致是等温的，并保持在选择操作温度下。但是在热环境温度分布曲线136中，TEC104和110进行操作以便将该远端保持在更低的温度下，因此防止中央部分到达图7所示的最大温度。因此，保持图7的热环境检测器阵列的总体抛物线分布曲线，但每个远端和中央部分保持在更低温度下并与图7的现有技术系统相比更靠近该设定点。
现在参考图9，表示出按照第二控制方法操作的图5检测器阵列44的温度分布曲线。这里，再次监测由传感器122检测的阵列44的中央部分的温度，并且将用于TEC104和110控制的设定点作为中央部分出的温度函数进行调整。现在再次参考图11，TEC设定点最初以预定斜率上升。但是这里TEC设定点选择成将检测器阵列44远端处的温度保持低于检测器阵列44的中央部分处的温度，而不考虑阵列44是否在冷或热环境下操作。TEC设定点保持在比选择操作温度低2℃并在操作温度附近的选择范围内的恒定温度下，从而造成冷环境温度分布曲线138，该曲线是与抛物线热环境分布曲线140类似的抛物线。由于总体分布曲线在热和冷环境下保持抛物线形，限制了该阵列元件的热机械移位，因此减少所得到图像中的温度引起的失真。
应该理解所述的方法和装置只是示例性的并不限制本发明的的范围，本领域技术人员进行的多种变型将落入本发明的范围。例如，尽管已经描述的传感器的位置位于检测器阵列44的中央部分和相对端部处，可以改变传感器的位置和数量以便为控制器提供关于该装置的温度分布曲线的附加信息。另外，已经描述了特定的控制方法和温度水平，本发明的控制系统可用来通过有选择地控制加热器元件124的应用以及使用TEC装置104和110加热或冷却该检测器阵列来在多个温度范围内提供多个温度分布曲线。

Claims (20)

1.一种用于计算机断层扫描器的检测器组件，该检测器组件包括：
检测器阵列(44)；
连接在检测器阵列(44)上的热电冷却器(104)；
连接在检测器阵列(44)上的温度传感器(108)；
控制器装置(70)，控制器装置(70)电连接在温度传感器(118)上以便接收实际温度信号，并连接到热电冷却器(104)上以便提供可调整的功率到热电冷却器(104)上，控制器装置(70)将该实际温度信号与设定点值进行比较，并调整供应到热电冷却器(104)上的功率以便将该实际温度保持在该设定点上。
2.如权利要求1所述的检测器组件，其特征在于，其还包括：
连接在该检测器阵列的中央部分上的温度传感器(122)；以及
连接到该检测器阵列的中央部分上的加热器(124)，其中控制器装置(70)接收来自温度传感器(122)的实际温度信号并驱动加热器(124)以便将该中央部分中的实际温度保持在选择的设定点上。
3.如权利要求1所述的检测器组件，其特征在于，控制器(70)驱动热电冷却器(104)和加热器(124)以便沿该阵列提供选择的温度分布曲线。
4.如权利要求5所述的检测器组件，其特征在于，该温度分布曲线大致是沿阵列(44)长度的抛物线。
5.如权利要求1所述的检测器组件，其特征在于，其还包括连接在热电冷却器(104)上的散热片(106)。
6.如权利要求1所述的检测器组件，其特征在于，其还包括指向热电冷却器(104)的风扇(108)。
7.如权利要求5所述的检测器组件，其特征在于，其还包括：
第一和第二导轨(100，102)，第一和第二导轨(100，102)连接在检测器阵列(44)的相对侧上；以及
连接在至少一第一和第二导轨(100，102)上的导热插件(116)，该导热插件(16)沿导轨传递热量。
8.如权利要求6所述的检测器组件，其特征在于，导热插件(116)包括至少一铜、热解石墨或碳基合成材料。
9.如权利要求1所述的检测器组件，其特征在于，其还包括绝缘盖(120)，绝缘盖(12)连接在该检测器组件的每个底部、侧部和端部上。
10.一种在CT扫描操作期间将检测器阵列(44)的温度分布曲线保持在大致等温和热稳定状态下的方法，该方法包括：
将热电冷却器(104)连接到X射线检测器阵列(44)上；
选择用于操作检测器阵列(44)的操作温度；
检测检测器阵列(44)的实际温度；
将选择的操作温度与实际检测温度进行比较，并且根据选择的操作温度和检测温度之间的差别指令热电冷却器(104)加热或冷却X射线检测器阵列。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，其还包括沿检测器阵列(44)的长度连接导热材料(116)的步骤，导热材料(116)沿X射线检测器装置的长度传递热量。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其还包括被动散去热电冷却器(104)产生的热的方法。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其还包括主动散去热电冷却器(104)产生热的方法。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其还包括对检测器阵列(44)进行绝缘以便防止X射线管产生的热或台架内的冷空气影响该检测器组件。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：
检测该检测器阵列的每个中央部分和第一端部或第二端部处的温度，并设置热电冷却器(104)以便控制阵列(44)的每个端部处的温度；以及
设置加热器(124)以便控制该阵列中央部分的温度，其中在该检测器长度上保持温度分布曲线。
16.一种用于计算机断层扫描器的检测器组件，该检测器组件包括：
检测器阵列(44)；
第一和第二导轨(100，102)，第一和第二导轨(100，102)布置在检测器阵列(44)的相对侧上，每个第一和第二导轨(100，102)包括用于传递检测器阵列(44)上的热量的导热插件(116，117)；
连接在每个第一和第二导轨(100，102)的远端上的热电冷却器(104，110)，热电冷却器(104，110)包括用于供电的正和负电源线；
连接到热电冷却器(104，110)上的被动散热装置(106，112)；
多个沿检测器阵列(44)间隔开连接的温度传感器(118，119，122)；
指向该检测器阵列中央部分的加热器(124)；以及
控制器装置(71)，该控制器装置电连接在热电冷却器(104，110)、加热器(1 2 4)和多个温度传感器(118，119，122)上，其中控制器装置(70)接收来自每个温度传感器(118，119，122)并指示检测器阵列(44)的温度的信号，将接收的信号与相应的多个选择设定点温度进行比较，并供应驱动信号到每个热电冷却器(104，110)和加热器(124)上以便将该阵列保持在选择的温度上。
17.如权利要求16所述的检测器组件，其特征在于，其还包括主动散热装置(104，114)，该主动散热装置提供空气流到热电冷却器(104，110)上以便散去由控制器(70)产生的热。
18.如权利要求16所述的检测器组件，其特征在于，热电冷却器(104，110)连接到检测器阵列(44)上以便加热阵列(44)。
19.如权利要求16所述的检测器组件，其特征在于，热电冷却器(104，110)有选择地加热或冷却阵列(44)。
20.如权利要求16所述的检测器组件，其特征在于，控制器(70)保持温度分布曲线使得阵列(44)的中央部分比阵列(44)的相对端部更热。
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