栅格以及制造用于选择性地透射电磁辐射特别是用于乳房摄影应用的X射线辐射的栅格的方法

摘要

本发明提出一种制造用于选择性地透射电磁辐射，特别是X射线辐射的栅格(1)的方法。该方法包括：提供具有自支撑稳定性的支撑元件(3)，其中该支撑元件(3)由基本不吸收选择性地透射通过该栅格的电磁辐射的材料制成；在该支撑元件(3)的表面上施加金属层(5)；以及用吸收选择性地透射通过该栅格的电磁辐射的材料在该金属层(5)的表面上构建选择性透射结构(7)，其中该透射结构是利用选择性激光烧结构建的。由于该支撑元件(3)提供足够的机械稳定性但并不吸收相应的辐射，在其上利用选择性地烧结构建的选择性透射结构(7)可能不必随后与制造基底分离，从而防止了分离/划片损失，此外其可能在结构上得以保持并且在处理栅格期间不受损害。

说明书

技术领域

本发明涉及制造用于选择性地透射电磁辐射——特别是用于乳房摄影应用的X射线辐射——的栅格的方法。此外，本发明涉及对应的栅格以及包括这种栅格的医学成像设备。

背景技术

用于选择性地透射电磁辐射的栅格可以被用在例如医学成像设备中，诸如计算断层摄影扫描器(CT)、标准X射线扫描器——如C形臂设备或乳房摄影设备、单光子发射计算断层摄影设备(SPECT)或正电子发射断层摄影扫描器(PET)中。诸如非破坏性X射线测试设备的其他设备也可以使用这种栅格。该栅格可以被定位在诸如X射线辐射源的电磁辐射源与辐射敏感探测设备之间。例如，在CT扫描器中，电磁辐射源可以是X射线管，而在SPECT/PET中，注入患者体内的放射性同位素可以形成电磁辐射源。该辐射敏感探测设备可以是任意辐射探测器，诸如CCD设备、基于闪烁体的探测器、直接转换器等。

栅格可以被用于选择性地减少必须不碰撞到辐射敏感探测设备上的某种辐射的含量。在CT扫描器中，栅格可以被用于减少在被照射对象中产生的可能使医学图像质量恶化的散射辐射的量。由于现今的扫描器经常应用锥形束几何结构，以此来照射对象的较大体积，因此散射辐射的量经常超过承载医学信息的非散射主辐射的量。例如，根据对象的不同，散射辐射的量可以很容易达到总辐射强度的90％或更多。

因此，可能需求一种有效减少散射辐射的栅格。满足这种需求的栅格可能具有二维的辐射吸收结构，其形成选择性透射结构并且被称为二维抗散射栅格(2D ASG)。由于这种二维抗散射栅格可能需要具有聚焦到用于发射应该被允许透射通过栅格的主辐射的辐射源的焦斑的透射通道，因此该栅格可能必须表现出复杂的几何结构并且制造这种栅格可能是复杂的、耗时的且昂贵的。

由本申请的同一申请人提交的WO 2008/007309A1描述了一种用于选择性地透射电磁辐射的栅格，其具有通过选择性激光烧结而构建的结构元件。其中，用于制造栅格的方法包括借助于选择性激光烧结而从粉末材料——特别是基本不透辐射的材料的粉末——至少生长结构元件的步骤。选择性激光烧结允许大的设计自由度。当具有通过选择性激光烧结而构建的结构元件时，栅格可以是高度复杂的三维结构，其不容易通过常规模塑或铣削技术来实现。其中，选择性激光烧结——有时也被称为直接金属激光烧结——的技术不再是样机技术，而是成为用于制造具有所需求的几何结构的三维设备的生产技术。

就CT应用而言，针对模块化探测器系统，二维栅格的覆盖区(footprint)的典型尺寸在2cm×2cm的范围内，高度例如为大约27mm。

与此相对比，通常用于乳房摄影应用的栅格的尺寸可以在例如18cm×24cm的范围内，其为大得多的覆盖区但是高度仅为大约2mm。与此同时，与在大约100μm范围内的CT栅格的壁厚相比，通常要求的壁厚可能更小。

生产这种大覆盖区的栅格的问题可能是栅格与通常用于较小设备的金属载体的分离。

具有2cm×2cm覆盖区的设备可以通过划片、金属丝腐蚀或甚至通过产生一种穿孔来与载体分离，这可以通过以下方式实现，即通过适当停止激光功率来非连续地烧结烧结材料以建立预定断裂点。

然而，对于适用于例如乳房摄影应用的具有大覆盖区和低厚度的栅格，在利用选择性激光烧结的制备之后，将栅格与下层金属载体分离可能是复杂的。例如，相对于这种栅格的大约为2mm的厚度，由利用划片的分离工艺造成的材料损失——其厚度可能为大约1mm——在烧结材料和工作付出方面都是显著的损失。此外，即使有可能有效地将栅格与必要的载体或构建平台分离，处理如此薄且不很稳定的栅格层也可能是一个问题。

发明内容

因此，可能需要一种制造用于选择性地透射电磁辐射的栅格的改进方法，该方法可以减少或防止与将栅格与下层载体基底分离相关的问题，和/或可以简化在制造程序过程中对这种栅格的处理，特别是在栅格具有大面积或覆盖区以及小厚度的情况下。此外，可能需要对应的栅格和包括这种栅格的医学成像设备，由于改进的制造方法，可以以更低的成本和/或更高的可靠性生产这种栅格。

这些需要可以通过如独立权利要求之一所述的主题来满足。本发明的有利实施例在从属权利要求中描述。

根据本发明的第一方面，提出一种用于制造用于选择性地透射电磁辐射——特别是X射线辐射——的栅格的方法。该方法包括：提供具有自支撑稳定性的支撑元件，其中所述支撑元件由基本不吸收选择性地透射通过所述栅格的电磁辐射的材料制成；在所述支撑元件的表面上施加金属层；以及用吸收选择性地透射通过所述栅格的电磁辐射的材料在所述金属层的表面上构建选择性透射结构，其中所述透射结构是利用选择性激光烧结构建的。

根据本发明的第二方面，提出一种用于选择性地透射电磁辐射的栅格。该栅格可以用如第一方面所述的方法制造并且包括：具有自支撑稳定性的支撑元件，所述支撑元件由基本不吸收选择性地透射通过所述栅格的电磁辐射的材料制成；在所述支撑元件的表面上的金属层；以及在所述金属层的表面上的选择性透射结构，其具有吸收选择性地透射通过所述栅格的电磁辐射的材料，其中所述透射结构包括源于被利用选择性激光烧结构建的结构特性。

根据本发明的第三方面，提出一种医学成像设备，诸如CT扫描器、X射线C形臂系统、X射线乳房摄影系统、SPECT扫描器或PET扫描器，其包括如本发明的上述第二方面所述的栅格。

本发明的要旨可以被视为基于以下思想：

所提出的制造方法的基本特征在于使用特殊的载体或支撑元件。基材料可以是不具有很多吸收的X射线透明材料(或更一般而言，对将要透射通过栅格的电磁辐射透明的材料)，因为在栅格的位置处对在将要检查的对象——例如乳房摄影的情况下为患者胸部的对象——之后应探测的辐射的吸收应该尽可能低。有利的是，支撑元件应该具有以下至少一种性质：(1)使选择性透射结构稳定，该选择性透射结构可以用作实际二维结构的栅格并且可能较薄并可能具有小于5mm且优选为大约2mm的厚度，并且其可能由烧结的金属粉末制成；(2)该支撑元件可能作为最外侧覆盖物来保护栅格；以及(3)该支撑元件可能用作用于制备实际选择性透射结构的金属激光烧结工艺的地平面。特别是对于第三种功能，可能必须具有金属化层作为该工艺的基层。在该金属层顶部上，金属粉末可能被耙平(rake)，并且可能开始烧结工艺，其中可选地融化粉末并粘附到支撑元件的金属层。

提供可以同时用在制造过程中和实际应用过程中的支撑元件可以简化制造工艺。此外，支撑元件由于缺乏吸收性而可以在实际应用过程中仍然保留在选择性透射结构上，因此不必与选择性激光烧结工艺过程中使用的载体分离。

在下面，将描述所提出的制造方法和所提出的栅格的实施例的可能的特征及优点。

可以利用所提出的方法制造的栅格可以尤其适用于选择性地透射X射线辐射并且可以特别适用于乳房摄影应用。

该支撑元件应该具有自支撑稳定性。这可能意味着该支撑元件在正常操作条件或处理条件下是自支撑的，即不需要更多手段来稳定该支撑元件或者防止类似其裂缝等损伤。换句话说，该支撑元件可能具有足够的稳定性以使得：在一方面，该支撑元件可能被容易地处理，而不会冒着对其造成损伤的风险，在另一方面，它甚至可以用作将施加于其上的选择性透射结构的载体。

该支撑元件应该包括基本不吸收对于选择性地透射来说该栅格特别适用于的那类电磁辐射的材料或者由该材料构成。例如，在X射线应用中，用于栅格的材料应该基本不吸收X射线。在此，“基本”一词可以被解读为：对于要使用所制造的栅格的特定应用，对入射电磁辐射的吸收应该是可忽略不计的。

在支撑元件的表面上，要施加金属层。为此目的，如下面进一步解释的，可使用各种方法。与支撑元件相对比，用于金属层的材料可以吸收入射电磁辐射。但是，金属层的厚度可以足够薄以使得金属层对总体吸收的贡献是微不足道的并且优选是可忽略不计的。该金属层可以作为基层或起始层或种子层以便随后在其表面上构建选择性透射结构。优选地，该金属层可以用与选择性透射结构相同的材料形成并且具有与选择性透射结构相同的几何覆盖区。

根据另一实施例，该金属层在其几何结构和厚度方面被调适以用作用于电磁辐射的荫罩和滤谱器二者之一。为此目的，该金属层可以被提供为连续层，其甚至可以延伸出选择性透射结构的覆盖区，并且可以使其厚度适于使得其提供期望的X射线吸收。作为替代，该金属层也可以被构造成在其中包括开口/孔。这种开口的横截面可能稍微小于选择性透射结构的通道的横截面。因此，在一方面，可能因突出的金属层而出现额外的遮蔽，从而并不是所有的辐射都达到定位于栅格之后的探测器。在另一方面，这种栅格结构可能对选择性透射结构的不对准、几何容差、不期望的轻微壁弯曲等更不敏感。例如，稍微改变其位置的焦斑将不会使壁的阴影投射到探测器表面上，否则例如在CT系统中旋转时将生成很难校正的动态变化的阴影。

该选择性透射结构可以提供整个栅格的实际选择性透射性质。其可以以适当地适于选择性地透射电磁辐射的任何二维或三维几何结构来提供。例如，该选择性透射结构可以具有竖向壁，所述竖向壁稍微倾斜以便朝向电磁辐射源的焦点。选择性透射结构的表面可以是弯曲的，例如球形的。特别地，具有聚焦通道的二维栅格可以具有空间相当复杂的结构。这些通道可以具有矩形或六边形内部形状，这可能要求通道壁具有不同的角形成。

形成选择性透射结构的材料或颗粒显著吸收栅格所适于的特定电磁辐射，优选为X射线辐射。其中，材料是否能够被视为是辐射透明的或辐射吸收的取决于应用和/或结构尺寸，例如辐射吸收通道壁的厚度。在此，术语“辐射透明的”或“对电磁辐射基本无吸收性的”应该被定义为针对特定应用在通过栅格转换后吸收入射辐射的很小一部分，例如少于10％。术语“辐射吸收的”应该定义为在通过栅格转换后吸收入射辐的很大一部分，例如超过10％且优选超过50％且更优选超过90％。在乳房摄影应用中，可以使用大约为20keV的X射线能量。对于这些能量，钼(Mo)或铜(Cu)可以被视为是高度辐射吸收的，这意味着满足如壁厚(例如20μm)、通道高度(例如2mm)等某些几何参数要求的栅格壁将导致对要选择性地吸收的那类辐射的吸收，从而可能出现辐射探测的质量参数的明显改进。质量参数可以是散射辐射与主辐射之比(SPR)、信噪比(SNR)等。对于在例如120keV范围内的CT应用，钼(Mo)或其他难熔材料(例如钨)可以被视为是高度辐射吸收的，但是如果结构被制成适当的厚度，其他材料如铜或钛同样是基本辐射吸收的。此外，虽然纯塑料材料通常被视为对于全范围的医学相关X射线能量来说是辐射透明的，填充有金属粉末的塑料可以被视为是辐射吸收的，只要粉末含量足够高。由于选择性透射结构是直接由辐射吸收材料制成的，栅格的所需辐射吸收性质对于烧结的选择性透射结构来说是固有的。

为了构建选择性透射结构，其材料可以被提供为颗粒，然后利用公知的选择性激光烧结(SLS)工艺将这些颗粒烧结在一起。在SLS中，利用具有适当能量的精细激光束将粉末材料烧结在一起。要制成的物体是烧结的叠层(layer-by-layer)，并且所得到的物体随后被沉浸在粉末材料中，从而可以在已有的烧结结构的顶部上烧结下一层粉末材料。以此方式，可以形成相当复杂的三维结构，例如具有腔室或凹凸结构部分的组合等。选择性激光烧结允许通过用高强度激光束选择性地照射顶部粉末层来由例如钼粉末生成精细结构。可以根据所需的结构尺寸和表面粗糙度来选择金属粉末的晶粒尺寸。例如CT栅格的典型结构尺寸(对应于通道壁厚)是大约50μm至300μm，从而大约1μm至10μm的晶粒尺寸可能是足够的。对于PET/SPECT设备，典型的结构尺寸可以是大约100至1.000μm，从而大约5至50μm的晶粒尺寸可能是足够的。对于常规X射线应用，典型的结构尺寸可以是大约10至50μm，从而大约0.1至5μm的晶粒尺寸可能是足够的。对于乳房摄影应用，甚至更小的晶粒尺寸可能是有益的。所提到的数字仅是示例性的，而不应被理解为进行限制。

根据本发明的实施例，支撑元件的厚度大于选择性透射结构的厚度。通常，支撑元件的厚度可以被选择为提供足够的稳定性，且同时优选最小化散射效应。亦即，该支撑元件应该足够厚以便是自支撑的，并且应该优选足够薄以便不产生干扰的散射效应。例如，该支撑元件可以具有超过5mm的厚度，优选超过1cm，而该选择性透射结构可以具有小于5mm的厚度，优选小于3mm。因此，该支撑元件可以具有足够的机械稳定性以便是自支撑的，而可以使该选择性透射结构在其厚度方面适于符合例如乳房摄影应用的特定需求。例如，该支撑元件可以用作施加于其上的选择性透射结构的保护外壳。

根据本发明的另一实施例，支撑元件的厚度充分大于金属层的厚度。例如，支撑结构的厚度可以超过金属层的厚度的两倍、优选超过其五倍且更优选超过其十倍。因此，当支撑元件能够提供足够稳定性时，金属层可以足够薄以便在一方面节省金属层材料，而在另一方面不提供过量的X射线吸收。例如，该金属层可以具有小于1mm的厚度，优选小于100μm。特别是在连续金属层的情况下，金属层厚度应该优选小于25μm且更优选小于10μm以便防止过量吸收。

根据本发明的另一实施例，该金属层被构造成具有与选择性透射结构的覆盖区相对应的几何结构。换句话说，金属层的设计或轮廓可以被选择为使得它们对应于选择性透射结构的覆盖区，即朝向金属层的选择性透射结构的表面。再次换句话说，金属层可以被构造成使得仅金属层接触选择性透射结构的区域实际包含金属材料，而其间的区域被空置。因此，不会由于金属层而出现额外的吸收，因为金属层结构的几何结构与在其顶部上构建的选择性透射结构的壁的几何结构是匹配的。因此，通过这种几何上适应的结构，金属层的厚度并不必需被最小化以便防止金属层的干扰的吸收效应，并且可以比例如25μm更厚。

根据本发明的另一实施例，对金属层的构造是利用光刻、局部蚀刻、金属丝腐蚀和激光烧蚀中的至少一种执行的。已知所有这些技术能够提供金属层的高度复杂的结构或几何结构。例如，利用光刻，金属层的区域可以被保护，而未被覆盖的区域可以被蚀刻，从而可以实现具有低至小于100nm的结构尺寸的几何结构。在另一方案中，可以通过局部施加蚀刻溶液来实现局部蚀刻，例如通过丝网印刷蚀刻膏体或喷墨印刷蚀刻溶液来进行。金属丝腐蚀可以被用于局部去除金属层的区域。这同样可以通过激光烧蚀来实现，其中高能量激光可以局部蒸发金属层的区域。

根据本发明的另一实施例，该选择性透射结构是由钼制成的。已知钼对X射线是高度吸收的。同时，钼粉末可以容易地通过选择性激光烧结来处理。钼也可以被用于金属层。诸如钨(W)或铜(Cu)或银(Ag)或这些材料的组合的其他材料也可以被用作金属层和/或然后也可以被用作用于制造激光烧结的选择性透射结构的材料。可以向材料的混合物提供材料的逐层变化或粉末中的晶粒或涂覆的粉末晶粒的混合。

根据本发明的另一实施例，该支撑元件是用碳纤维材料制成的。这种材料不仅是机械稳定的，而且能够承受可能在下述激光烧结工艺中出现的高温。

根据另一实施例，在支撑元件与金属层之间插入粘接增强层。这种粘接增强层可以支持金属层到支撑元件表面的粘接。因此，根据支撑元件和所用的金属的材料混合，可能必须使用不同的界面优化材料来确保金属层到支撑元件的适当粘接。

根据本发明的另一实施例，利用蒸发、溅射、化学汽相沉积、物理气相沉积和胶合中的至少一种将金属层施加到支撑元件。这些技术中的每一种都可以用于将金属层沉积到或粘接到支撑元件的表面。

根据本发明的另一实施例，该金属层可以被提供为局部蚀刻的金属箔，其具有选择性透射结构作为覆盖区的几何结构。然后选择性透射结构的壁可以直接构建在这种箔上。然后仅需要确保该箔与支撑元件的机械固定，且这种机械固定可以利用胶合来实现。

应该注意到方法权利要求中限定的工艺步骤的次序可以变化。例如，可以首先提供支撑元件，然后可以将金属层施加到其表面上，并且然后可以在金属层的表面上构建选择性透射结构。然而，在替代实施例中，可以提供例如在特别适应的建造环境中被支撑的金属层，并且在这一金属层上构建选择性透射结构，仅在此之后，金属层连同在其上构建的选择性透射结构一起例如通过胶合或键合而被施加到支撑元件。

最后，应该注意到本发明的这些方面和实施例已经通过参考不同的主题进行描述，主要是关于所提出的制造方法。特别地，一些实施例已经通过参考方法类型的权利要求进行描述，而另一些实施例已经通过参考装置类型的权利要求进行描述。然而，本领域技术人员将从以上及以下描述得知，除非另有指定，除了属于一个类型主题的特征的任意组合外，与不同主题相关的特征的组合——特别是装置类型权利要求的特征与方法类型权利要求的特征的组合——也被视为被本申请所公开。

附图说明

下面将针对附图所示的具体实施例进一步描述本发明的特征和优点，但是本发明并不局限于此。

图1示出根据本发明的实施例的梳状栅格的放大透视图；

图2示出根据本发明的替代实施例包括通道的栅格结构的放大透视图；

图3示意性描绘根据本发明的实施例的栅格结构的制造方法；

图4示出根据本发明的实施例具有栅格的医学成像设备的示例的透视图；

图5示出根据本发明的实施例具有栅格的乳房摄影设备的示例的透视图。

附图中的图仅是示意性的而不是成比例的。附图中类似的元件被标示为类似的参考标记。

具体实施方式

下面将参考图1、2和3来描述根据本发明用于选择性地透射电磁辐射的栅格1的制造方法的示例性实施例。

在第一步骤中，向具有自支撑稳定性并且由例如碳纤维制成的支撑元件3涂覆诸如钼或钨的金属的薄层5。然后这样涂覆的支撑元件被定位在选择性激光烧结设备的工作腔中。可以通过在先的系统校准来实现相对于SLS(选择性激光烧结)设备的激光束位置的精确定位。金属层5可以用作随后的激光烧结工艺的基层或种子层。在金属粉末层被布置在金属片上之后，选择性激光烧结被用于烧结将要制造的烧结的选择性透射结构7的第一层。在完成第一层之后，下一层金属粉末被布置在金属层5及先前烧结的结构7的顶部上。这可以与工作腔的稍微倾斜相结合。如果激光的聚焦线被定位成与先前的线有一小距离，则有可能构建相对于金属片具有限定的角形成的壁。

图1在左侧示出用作选择性透射结构7的梳状栅格结构，其是在若干金属粉末层已被烧结之后形成的。在图1的右侧，示出由图1左侧的圆圈指示的一部分梳状结构的放大M1。该梳状结构具有由薄金属层5形成的基层。示出了沿金属层5的长度延伸的烧结的纵向壁结构9。在壁9的顶部上，描绘了可选的对准结构11。

在图2中以部分切除的方式示出了可替代的栅格1。薄金属层5被沉积在更厚的支撑元件3上。为了图示说明的目的，厚度关系仅示意性地指出，并且应该注意到支撑元件3显著比金属层5和在其上制备的选择性透射结构7更厚。栅格1包括三维选择性透射结构7，三维选择性透射结构7构建在金属层5上并且包括布置成彼此垂直的竖向壁9。在图1的放大部分可清楚看出，壁9形成电磁辐射能够容易穿过的纵向通道13。然而，以不平行于通道13的角度辐照的辐射将被吸收到壁9中，因为壁9包括辐射吸收材料。应该注意到聚焦和非聚焦2D-ASG以及聚焦和非聚焦1D结构可能是感兴趣的。

如图3示意性示出，可以利用选择性激光烧结技术来构建选择性透射结构7。在这里，辐射吸收材料的颗粒被置于支撑元件3和先前设置于其上的金属层5上。支撑元件3被定位在可以在y方向移动的平台15上。利用单束激光以及可选的用于偏转激光束的装置或可替代地利用激光阵列17，颗粒可以在一个或多个激光束的一个或多个聚焦位置处被彼此烧结在一起。激光阵列17可以被控制，以使得根据连接到激光阵列17和平台15的控制单元21上所存储的三维模型19来在基底表面上沿x方向和z方向扫掠一个或多个激光束的一个或多个聚焦位置。在对烧结颗粒的第一层23进行划线之后，平台15可以向下移动，颗粒可以再次均匀分布在已有烧结结构的表面上，并且可以利用激光阵列17生成烧结颗粒的第二层25。因此，可以通过逐层烧结颗粒来再现存储在控制单元21中的三维模型19，由此产生选择性透射结构7。甚至有可能以相同机理在金属箔中制作结构或开口，这可能是感兴趣的，因为对准将更容易。

在图4中，示出一种医学成像设备200的示例。图4示出CT扫描器的主要特征，即X射线源220、辐射探测器210和患者床230。该CT扫描器可以围绕要观察的对象旋转并且可以借助于利用探测器210的辐射探测来采集投影图像。根据本发明的如上所述的栅格可以被用在探测器210中以减少在要观察的对象中产生的散射辐射的量。

图5示出一种乳房摄影设备300。女性乳房305可以被设置在压缩板310与探测器装置320之间。X射线管330辐照X射线束340到乳房305上。X射线管330和探测器装置320被连接到控制器350，然后控制器350可以供应控制和探测数据到分析单元360。该分析单元可以发送分析数据到显示器370或者将其存储在存储器380中。根据本发明的如上所述的栅格可以被用在探测器装置320中以减少在要观察的乳房305中生成的散射辐射的量。

最后，应该注意到词语“包括”、“包含”等并不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”并不排除多个元件。同样，所描述的与不同实施例相关联的元件可以进行组合。还应该注意到权利要求中的参考标记不应被解读为限制权利要求的范围。