CN113454490A - 用于正电子放射乳腺成像的辐射探测器的精确温度控制的液体冷却系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种温度控制组件，该组件能够对辐射探测器，诸如正电子放射断层扫描(“PET”)探测器和其他密集的电子设备进行精确的温度控制。温度控制组件包括液体冷却组件，该液体冷却组件通常包括冷板，该冷板中形成有一个或多个通道，液体冷却剂能够流动通过该通道。该通道被冷板封围，使得液体冷却剂不与辐射探测器中使用的敏感电气部件接触。当液体冷却剂流动通过通道时，在冷板外保持足够低的湿度。液体冷却组件是可移除的，并且可以布置在辐射探测器阵列中的印刷电路板的层之间。加热元件可以与液体冷却组件联接，并且可以根据需要运行以增加温度，以维持精确控制的温度环境。

Description

用于正电子放射乳腺成像的辐射探测器的精确温度控制的液 体冷却系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年8月24日提交的美国临时专利申请序列号62/722,490的权利，其标题为“用于正电子放射乳腺成像的辐射探测器的精确温度控制的液体冷却系统”，其通过引用完整合并于此。

背景技术

辐射探测器会产生显著的热量，需要适当散热。大多数辐射探测器利用空气来冷却探测器的电气部件，诸如信号放大和处理电路。另外，用于辐射探测器的固态传感器的运行特性高度依赖于温度和湿度。在运行期间，温度的微小变化可能会导致整个系统的增益、噪声和时序特性发生显著改变。因此，产生了对能够精确地控制固态传感器的温度以及此类传感器周围的环境的需求，同时有效地冷却通常位于传感器附近的信号电子设备的有源部件。尽管期望构造密集的辐射探测器，诸如辐射探测器的平铺阵列，以用于正电子放射乳腺成像和其他成像方式，但是这些更紧凑的辐射探测器具有增加的热密度，这必须适当地解决。

因此，需要提供一种精确的温度控制系统，该系统能够从密集排列的辐射探测器阵列中去除热量，同时维持传感器运行的稳定温度。

公开内容

本公开通过提供一种温度控制组件来解决上述缺点，该温度控制组件包括冷板、形成在冷板上的通道、形成在该通道中的入口、形成在该通道中的出口、以及形成在该冷板中的至少一个孔口。冷板具有第一接触表面和与第一接触表面相对的第二接触表面，并且由导热材料构成。通道形成在冷板上并被冷板封围在冷板的第一接触表面和第二接触表面之间。形成在通道中的入口使液体流入通道，而形成在通道中的出口使液体从通道流出。形成在冷板中的至少一个孔口的尺寸设置成将电连接器接收在当所述印刷电路板联接到所述冷板的所述第一接触表面时的所述印刷电路板和当所述光电探测器组件联接到所述冷板的所述第二接触表面时的所述光电探测器组件之间。

本公开的另一方面在于提供一种液体冷却的辐射探测器，其包括：第一印刷电路板，其上布置有至少一个前置放大器；第二印刷电路板，其电连接至光电探测器；以及可移除的液体冷却组件，其布置在第一和第二印刷电路板之间。可移除液体冷却组件包括由导热材料构成的冷板和在该冷板中形成并由该冷板封围的通道。通道形成为使得流动通过通道的液体冷却剂将从第一印刷电路板和第二印刷电路板传递到冷板的热量移除，同时在冷板外维持足够低的湿度，使得当液体冷却剂流动通过所述通道时，第一印刷电路板和第二印刷电路板不会被潮湿损坏。

本公开的前述及其它方面和优点将在下文的描述中体现。在说明书中，参照了构成说明书一部分的附图，在附图中，借助图示的方式示出了优选实施例。然而，这实施例并不必然地体现本发明的整个范围，而是要参考权利要求书在此用于解释本发明的范围。

附图说明

图1示出了根据本公开中描述的一些实施例的液体冷却组件的示例，该液体冷却组件布置在印刷电路板(printed circuit boards，“PCBs”)的阵列和光电探测器组件之间，其共同形成辐射探测器的平铺阵列。

图2示出了通过图1中所示的辐射探测器的平铺阵列的横截面。

图3示出了根据本公开中描述的一些实施例的液体冷却组件的示例。

图4A示出了如本公开中所描述的液体冷却组件的实施例的截面图。

图4B示出了如本公开中所描述的液体冷却组件的另一实施例的分解截面图。

图5示出了如本公开中所描述的液体冷却组件的另一实施例的截面图。

图6示出了用于液体冷却组件中的管的示例布置，及其相对于可平铺辐射探测器的光电探测器组件的用于液体冷却组件中的流入和流出的示意图。

图7A示出了根据本公开中描述的一些实施例的使用液体冷却组件的示例性平铺辐射探测器阵列的侧视图。

图7B示出了图7A中所示的示例性平铺辐射探测器阵列的分解侧视图。

图7C示出了图7A中所示的示例性平铺辐射探测器阵列的另一视图。

图7D示出了在图7A中所示的示例性平铺辐射探测器阵列中使用的液体冷却组件的视图。

图8示出了本公开中描述的液体冷却组件的另一实施例。

具体实施方式

在此描述了用于温度受控辐射探测器、诸如液体冷却正电子放射断层扫描(“PET”)探测器的系统和方法。特别地，通过温度控制组件来提供温度控制，该温度控制组件能包括具有冷板的液体冷却组件，该冷板具有形成在其中的一个或多个通道，液体冷却剂能够通过该通道流动。该一个或多个通道被冷板封围，使得液体冷却剂不与辐射探测器中使用的敏感电气部件接触。在一些实施例中，加热元件被设置到液体冷却组件的冷板，其能被控制以提供附加水平的温度控制。加热元件提供的温度控制精度能维持温度以实现辐射探测器和相关电子设备的最佳性能。

如图1和图2中所示，能通过液体冷却组件10来提供温度控制，该温度控制能包括液体冷却，该液体冷却组件10设计为可移除地定位在可平铺块探测器的印刷电路板(“PCB”)12和光电探测器组件14之间。在待审的PCT申请号PCT/CA2017/050228中描述了可平铺块探测器的示例，该申请的全部内容通过引用合并于此。

如图3、4A和4B所示，液体冷却组件10大体上包括冷板16、该冷板16中形成有一个或多个通道18，一个或多个管20布置在该通道18中。液体设置为循环通过一个或多个管20或通道18，以从PCB 12、光电探测器组件14或两者上的部件移除传递到冷板16的热量。在一些实施例中，在通道18中没有布置管20，而是将液体直接提供到通道18。图4A示出了示例性冷板16的横截面，其中没有管20布置在通道18中，而图4B示出了示例性冷板16的分解横截面，其中管20布置在通道18中。

冷板16具有放置成与PCB 12接触的第一接触表面22，以及与第一接触表面22相对并且被放置成与光电探测器组件14接触的第二接触表面24。在一些实施例中，第一接触表面22可以直接接触PCB 12，但是在一些其他实施例中，可以在第一接触表面22和PCB 12之间设置一层或多层(例如，绝缘或传导层)。

在冷板16的第一接触表面22侧上形成凹部26，使得当PCB 12联接到冷板16的第一接触表面22时，PCB 12上的部件被允许延伸到凹陷区域26中。

在冷板16中形成一个或多个孔口28，该孔口28从第二接触表面24一直延伸到凹陷区域26中的表面。孔口28允许电连接器在PCB 12和光电探测器组件14之间穿过。例如，光电探测器组件14可包括电路板，传感器或其他数据采集部件位于其上，并且电连接器可延伸穿过孔口28以通过位于PCB 12上的前置放大器电路组件与传感器电路板电连接。这种结构允许冷板16的整体厚度减小。举个例子，冷板16的厚度可以高达9.6mm。

在一些实施例中，冷板16包括上板30和与上板30相对的下板32。如图4B所示，上板30包括与冷板16的第一接触表面22对应的面向外的表面，以及与第一接触表面22相对的面向内的表面34。同样，下板32包括与冷板16的第二接触表面24对应的面向外表面，以及与第二接触表面24相对的面向内表面36。在这些情况下，上板30的面向内表面34具有在其中形成的上通道部分38，而下板32的面向内表面36具有在其中形成的匹配的下通道部分40。当上板30的面向内的表面34与下板32的面向内的表面36接触时，上通道部分38和下通道部分40相遇以形成多个通道18。如上所述，在一些实施例中，一个或多个管20布置在多个通道中，并因此能布置在上板30和下板32之间。

如图4B所示，在一些实施例中，对应冷板16的第二接触表面24的下板32的面向外的表面能具有与其联接的导热垫42，该导热垫42能由可压缩材料构成，使得能占据冷板16与PCB 12和光电探测器组件14的面之间的不匹配量，从而增加了冷板16的接触表面。优选地，导热垫42由电绝缘(即，具有相对高的介电常数)的材料构成。作为非限制性示例，电绝缘材料可以是硅酮弹性体。作为另一非限制性示例，电绝缘材料可以是聚酰亚胺。导热垫42能使用粘合剂联接到第二接触表面24，并且其中能形成与形成在冷板16中的孔口28相似的孔口。

在一些实施例中，一个或多个加热元件60能联接到第一接触表面22、第二接触表面24或两者。作为示例，加热元件60能经由联接至导热垫42而联接至第二接触表面24。作为示例，一个或多个加热元件60可包括薄膜加热垫。薄膜加热垫可以被构造为蚀刻箔，其可以被嵌入基底材料、诸如硅或聚酰亚胺(Kapton)包裹材料中以提供电绝缘。一个或多个加热元件60可以经由控制器来控制，以便精确地控制辐射探测器组件或其关联的电气部件的温度。

例如，在高辐射负荷下，前置放大器会产生更多的热量，从而导致更强效的冷却。在这些情况下，辐射探测器组件中的传感器的温度可能会显著变化，这是不希望的，因为此类传感器通常对温度变化高度敏感。于是可以运行一个或多个加热元件60以增加辐射探测器组件或其相关的电气部件的温度，以避免过冷并使辐射探测器组件维持在传感器具有最佳或令人满意的性能的温度范围内运行。在一些实施例中，能设置温度传感器并将其联接到液体冷却组件10以便监测温度。在辐射探测器组件可能被液体冷却组件过度冷却的那些情况下，来自温度传感器的反馈则可以用于控制加热元件60的运行以精确地调节辐射探测器组件的温度。例如，能控制对加热元件60的供电，使得仅当辐射探测器组件中的传感器的温度改变时，加热元件60才开始加热。

上板30和下板32能由相同的材料构成，或者在一些情况下能由不同的材料构成。作为一个示例，上板30和下板32二者都能由铜或其他导热金属、金属合金、塑料、碳纤维、碳纤维环氧树脂或其他材料构成。

在一些实施例中，如图5中所示，冷板16包括单件，一个或多个通道18在该单件中加工成型或以其他方式形成。在一些情况下，冷板16具有第一接触表面22和第二接触表面24，该第一接触表面22放置成与PCB 12接触，该第二接触表面24与第一接触表面22相对并且被放置成与光电探测器组件14接触。如上所述，导热垫42也能联接到第二接触表面24。

冷板16能为对单个可平铺辐射探测器、大面积整体式辐射探测器、或排列成阵列的多个可平铺辐射探测器提供热控制(例如，冷却、加热或两者兼有)来确定尺寸。例如，冷板16能为向可平铺辐射探测器的M×N阵列提供冷却来确定尺寸。此外例如，冷板16能为向可平铺辐射探测器的M×1或1×N阵列提供冷却来确定尺寸。在后面的这些构造中，能排列多个冷板16，来为较大的可平铺辐射探测器阵列提供冷却。这些构造的优点在于，如果其中一个冷板16发生故障，该特定的冷板16能从液体冷却组件10中移除，并用功能正常的冷板16进行更换，而不必更换整个液体冷却组件。

如图3中所示，在一些实施例中，每个管20具有入口44和出口46。在另外的实施例中，每个通道18能具有多于一个入口、多于一个出口、或者其组合。在管20未布置在通道18中的那些实施例中，则入口44和出口46代替管20而形成在通道18中。

在一些实施例中，如图6所示，通道18、管20或两者构造成形成单独的回路以最大化温度均匀性。在这种情况下，每个通道18、管20或两者可以是U形的，或者可以具有其他形状和构造。为了易于使用，入口44和出口46可以布置在冷板16的同侧，但是在其他构造中，入口44和出口46可以布置在冷板16的不同侧。

可以向每个入口44设置单独的管线以提供液体进入通道18的流入，并且可以向每个出口46设置单独的管线以提供液体从通道18的流出。在一些实施例中，可以提供歧管以将每个入口44连接到共同的流入管线，并且将每个出口46连接到共同的流出管线。歧管可以包括使入口44管线和出口46管线保持分离的单一结构，或者可以包括两种分离的结构，一种结构用于入口44管线，一种结构用于出口46管线。

图7A-7D示出了一个示例，其中液体冷却组件10被布置在PCB 12的阵列和对应于可平铺辐射探测器的光电探测器组件14的阵列之间。在该示例中，液体冷却剂经由流入管线48被提供到液体冷却组件。当液体冷却剂穿过液体冷却组件10中的管20时，其从PCB 12和光电探测器组件14移除热量。然后，液体冷却剂经由流出管线50离开液体冷却组件，此后，液体冷却剂可以再次被冷却以用于以后使用、再循环或以其他方式存储。

优选地，流入管线48和流出管线50由诸如柔性PVC的柔性材料构成。在这些情况下，辐射探测器(例如，由PCB 12和光电探测器组件14构成的可平铺块探测器)能移动而无需断开冷板16的连接。这样的功能性对于医疗过程是有利的，诸如可能需要执行的活检期间，在该过程中需要移动放射线探测器组件以接近患者。这种功能性对于多模态成像应用也可能是有利的，在多模态成像应用中，可能需要移动放射线探测器组件以提供对其他成像模态的访问，诸如X射线或超声成像。如图所示，可以将不透光的柔性遮蔽物56联接至流入管线48和流出管线50，以便能够进行柔性管连接，同时维持用于探测器运行的不透光性。作为一个示例，不透光的柔性护罩56可以由硅树脂构成。

如图7B所示，光电探测器组件14包括电连接器52，该电连接器52延伸穿过形成在冷板16中的孔口28，以便接合并电连接至PCB 12，如上所述。

在该示例中，冷板16不具有形成在第一接触表面22侧的凹部26。在一些实施例中，将理解的是，孔口28的尺寸和布置可以被设置为使得当PCB 12联接至冷板16时，PCB 12上的面对第一接触表面22的一些或全部组件延伸到孔口28中。

如图7B和7D中所示，电绝缘层54可以联接到冷板16的第一接触表面22。作为一个示例，电绝缘层54可以由具有环氧树脂的连续编织的玻璃纤维层压材料构成，诸如FR4

(McMaster-Carr)，或其他环氧树脂片或塑料片或层压材料或碳纤维组合物。电绝缘层54还能降低热导率。

图8示出了液体冷却组件10的另一示例，其中冷板16由结合的铝组件、盖和主体构成。冷板16具有阳极氧化处理的成品表面，其接触面经过机加工以暴露金属。可压缩的热垫可以联接到接触面。图8中所示的液体冷却组件10的尺寸被设置为装配在光电探测器组件的前置放大器PCB和传感器PCB之间。图8所示的液体冷却组件10设置有一个端口进入和一个端口离开的单路径冷却。

本公开已经描述了一个或多个优选实施例，并且应当理解的是，除了明确陈述的那些之外，可以在本发明的范围内进行许多等同、替代、变型和修改。

Claims (20)

1.温度控制组件，包括：

冷板，其具有第一接触表面和与所述第一接触表面相对的第二接触表面，其中所述冷板由导热材料构成；

通道，形成在所述冷板上并被所述冷板封围在所述冷板的所述第一接触表面和所述第二接触表面之间；

形成在所述通道中的入口，用于向所述通道提供液体的流入；

形成在所述通道中的出口，用于提供从所述通道所述液体的流出；

形成在所述冷板中的至少一个孔口，其中所述孔口的尺寸设置成将电连接器接收在所述印刷电路板和所述光电探测器组件之间，所述印刷电路板联接到所述冷板的所述第一接触表面，所述光电探测器组件联接到所述冷板的所述第二接触表面。

2.根据权利要求1所述的温度控制组件，其特征在于，进一步包括凹部，所述凹部形成在所述冷板的所述第一接触表面中，并且所述凹部的尺寸被设置为当所述印刷电路板联接到所述冷板的所述第一接触表面时接收安装到所述印刷电路板上的电气部件。

3.根据权利要求1所述的温度控制组件，其特征在于，进一步包括布置在所述通道中的管，其中所述管由导热材料构成。

4.根据权利要求1所述的温度控制组件，其特征在于，所述冷板包括与下板接触的上板，所述上板具有与所述第一接触表面相对应的面向外的表面和与所述面向外的表面相对的面向内的表面，所述下板具有与所述第二接触表面相对应的面向外的表面和与所述面向外的表面相对的面向内的表面，其中，所述上板的所述面向内的表面与所述下板的所述面向内的表面接触。

5.根据权利要求4所述的温度控制组件，其特征在于，上通道部分形成在所述上板的所述面向内表面中，下通道部分形成在所述下板的所述面向内表面中，使得当所述上板的所述面向内表面与所述下板的所述面向内表面接触时，所述上通道部分和所述下通道部分形成所述通道。

6.根据权利要求4所述的温度控制组件，其特征在于，所述上板由第一导电材料构成，所述下板由与所述第一导电材料不同的第二导电材料构成。

7.根据权利要求1所述的温度控制组件，其特征在于，所述冷板由铜构成。

8.根据权利要求1所述的温度控制组件，其特征在于，还包括联接到所述第二接触表面的导热垫。

9.根据权利要求8所述的温度控制组件，其特征在于，所述导热垫由可压缩材料构成。

10.根据权利要求8所述的温度控制组件，其特征在于，进一步包括联接到所述导热垫的加热元件。

11.根据权利要求10所述的温度控制组件，其特征在于，所述加热元件包括薄膜加热元件。

12.根据权利要求11所述的温度控制组件，其特征在于，所述薄膜包括蚀刻箔。

13.根据权利要求10所述的温度控制组件，其特征在于，所述加热元件经由导热材料层联接至所述导热垫。

14.根据权利要求10所述的温度控制组件，其特征在于，进一步包括温度传感器，当印刷电路板联接至所述第一接触表面或所述第二接触表面之一时，所述温度传感器测量安装至所述印刷电路板上的电气部件的温度，并且其中所述温度传感器将测得的温度提供给控制器，以便控制供应到所述加热元件的电力。

15.根据权利要求1所述的温度控制组件，还包括布置在所述第一接触表面上的电绝缘层。

16.根据权利要求15所述的温度控制组件，其特征在于，所述电绝缘层由FR4玻璃环氧层压材料构成。

17.根据权利要求1所述的温度控制组件，其特征在于，所述通道包括多个通道，并且所述多个通道中的每个具有在其中形成的对应的入口和出口。

18.根据权利要求17所述的温度控制组件，其特征在于，管布置在所述多个通道的每一个中，并且其中，每个管由导热材料构成。

19.一种热控辐射探测器，包括：

第一印刷电路板，其上布置有至少一个前置放大器；

第二印刷电路板，其电连接至光电探测器；

可移动液体冷却组件，其布置在所述第一印刷电路板和所述第二印刷电路板之间，所述可移动液体冷却组件包括：

由导热材料构成的冷板；以及

通道，其形成在所述冷板中并由所述冷板封围，使得流动通过所述通道的液体冷却剂将从所述第一印刷电路板和所述第二印刷电路板传递到所述冷板的热量移除，同时在所述冷板外维持足够低的湿度，使得当所述液体冷却剂流动通过所述通道时，所述第一印刷电路板和所述第二印刷电路板不会被潮湿损坏。

20.根据权利要求19所述的热控辐射探测器，其特征在于，所述可移除液体冷却组件进一步包括联接至所述冷板的加热元件，使得当向所述加热元件提供电力时，所述加热元件使得所述第一印刷电路板或所述第二印刷电路板中的至少一个温度升高。

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