DE10051162A1 - Strahlendetektor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strahlendetektor zur Detektion von in einem Detektionsfeld auftreffender Strahlung mit in Form eines vorzugsweise zweidimensionalen Arrays in orthogonal zueinander verlaufenden Zeilen und Spalten angeordneten, jeweils einen Szintillator und eine mit diesem zusammenwirkende Fotodiode aufweisenden Detektorelementen. Dabei sind am Rand des Arrays angeordnete Detektorelemente vorgesehen, deren Szintillatoren eine Erstreckung quer zum Rand des Arrays aufweisen, die größer ist als dies zur Erfassung des Detektionsfeldes erforderlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlendetektor zur Detektion von in einem Detektionsfeld auftreffender Strahlung mit in Form eines Arrays angeordneten, jeweils einen Szintillator und eine mit diesem zusammenwirkende Fotodiode aufweisenden Detektorelementen.

Bei derartigen Strahlendetektoren, die beispielsweise in Form von sogenannten mehrzeiligen Detektoren in Computertomo­ graphen verwendet werden, sollen im Interesse möglichst kur­ zer Signalwege aktive Halbleiterbauelemente möglichst nah an der von der Röntgenstrahlung getroffenen Detektorfläche mon­ tiert werden.

Diese aktiven Halbleiterbauelemente sind empfindlich gegen Röntgenstrahlung und können durch Röntgenstrahlung beschädigt oder gar zerstört werden.

Aus der Fig. 1, die einen für Röntgenstrahlung vorgesehenen Strahlendetektor nach dem Stand der Technik zeigt, ist er­ sichtlich, dass selbst dann, wenn eine Einblendung des von dem Fokus F ausgehenden Röntgenstrahlenbündels durch Kollima­ torplatten 1 verhindert wird, dass von dem Fokus F ausgehende Röntgenstrahlung direkt zu den Halbleiterbauelementen 2 ge­ langen kann, die Gefahr besteht, dass insbesondere durch strichliert angedeutete, auf die am Rand des Arrays angeord­ neten Szintillatoren 3 treffende Röntgenstrahlung, die in Fig. 1 durch strichlierte Pfeile R angedeutet ist, Streu­ strahlung entsteht, die wie durch punktierte, mit SR bezeich­ nete Pfeile angedeutet ist, zu den Halbleiterbauelementen 2 gelangt.

Um die Halbleiterbauelemente 2 insbesondere auch gegen in den Szintillatoren 3 entstehende Streustrahlung SR abzuschirmen, kann in aus der Fig. 2 ersichtlichen Weise Röntgenstrahlung stark absorbierendes Material 4, z. B. Blei, zwischen einem am Rand des Arrays befindlichen Szintillator 3 und dem Halblei­ terbauelement 2 platziert werden.

Diese Vorgehensweise ist kostspielig und aufwendig, da ein separates Einzelteil entworfen, gefertigt und eingebaut wer­ den muss. Zudem können beim Einbau die Bonddrähte 5 zwischen den zu den Fotodioden 6 der Detektorelemente und dem Halblei­ terelement 2 beschädigt werden.

Alternativ besteht die Möglichkeit, die Halbleiterbauelemente weiter entfernt von der aktiven Detektorfläche zu montieren, was neben der höheren Störanfälligkeit einen großen Aufwand nach sich zieht, da die aus den zahlreichen Fotodioden aus­ tretenden Leitungen über Kabel und gegebenenfalls Steckver­ bindungen zu den Halbleiterbauelementen geführt werden müs­ sen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlen­ detektor der eingangs genannten Art so auszubilden, dass auf einfache und kostengünstige Weise, insbesondere ohne zusätz­ liche Bauteile, die Voraussetzungen dafür geschaffen sind, aktive Halbleiterbauelemente nahe bei der Detektorfläche platzieren zu können, ohne dass eine nennenswerte Gefahr be­ steht, dass die Halbleiterbauelemente durch die zu detektie­ rende Strahlung geschädigt werden.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Strahlen­ detektor gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Infolge der vergrößerten Erstreckung der am Rand des Arrays angeordneten Detektorelemente über das Detektionsfeld hinaus ergeben sich mehrere Vorteile:

• - Der infolge der vergrößerten Erstreckung nicht direkt von Röntgenstrahlung getroffene Bereich der Szintillatoren, der im Folgenden als passiver Bereich bezeichnet wird, ab­ sorbiert die Streustrahlung, die sich aus dem direkt von Strahlung getroffenen Bereich der Szintillatoren der am Rand des Arrays angeordneten Detektorelemente, der im Fol­ genden als aktiver Bereich bezeichnet wird, in Richtung auf am Rand des Arrays angeordnete Halbleiterbauelemente ausbreitet.
• - Bei Verschiebungen der Strahlungsquelle relativ zu dem Strahlendetektor, diese tritt im Falle von CT-Geräten bei­ spielsweise durch thermisch bedingte Verlagerungen des Fo­ kus des Röntgenstrahlers auf, fällt die Strahlung weiter­ hin auf das Szintillatormaterial, so dass durch Verlage­ rungen der Strahlungsquelle verursachte Bildartefakte ver­ mieden sind.
• - Der Schutz der Halbleiterbauelemente vor Streustrahlung wird auf sehr kostengünstige Weise erreicht, da bei der Herstellung des Strahlendetektors lediglich die am Rand des Arrays angeordneten Detektorelemente mit einer ver­ größerten Erstreckung quer zum Rand des Arrays dimen­ sioniert werden müssen, wobei die zusätzlichen Material­ kosten im Allgemeinen nicht stark ins Gewicht fallen. Zu­ sätzliche Teile und Arbeitsgänge sind nicht erforderlich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Szintillatoren eine in Richtung der ein­ fallenden Strahlung gemessene Szintillatordicke aufweisen, und die Erstreckung der Szintillatoren der am Rand des Arrays angeordneten Detektorelemente quer zum Rand des Arrays um ein Maß größer ist, das im Bereich der 0,5-bis 1,2 fachen Szin­ tillatordicke liegt. Unter der Annahme, dass die Szintilla­ tordicke, wie allgemein üblich, so dimensioniert ist, dass mindestens 90% der primären Strahlung absorbiert werden, wird dann die Streustrahlung in dem passiven Bereich zu 70% bis 100% absorbiert.

Eine vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass die zu den am Rand des Arrays angeordneten Detektorelementen ge­ hörigen Fotodioden eine entsprechend den zugehörigen Szintil­ latoren vergrößerte Erstreckung quer zum Rand des Arrays auf­ weisen. Auf diese Weise wird zum einen die in dem aktiven Be­ reich erzeugte Streustrahlung, die als Primärstrahlung zuvor das Untersuchungsobjekt, z. B. einen Patienten, durchlaufen hat, zur Bildgebung genutzt und damit die Strahlungsdosis, die einem Untersuchungsobjekt zugeführt werden muss, verrin­ gert. Außerdem wird das im aktiven Bereich erzeugte sichtbare Licht zum Teil in den passiven Bereich gestreut und gelangt auf den dem passiven Bereich zugeordneten Teil der Foto­ dioden, so dass auch die in den passiven Bereich gestreuten Lichtquanten zu dem Ausgangssignal des Strahlendetektors bei­ tragen und nicht verloren gehen; vielmehr steigt die Licht­ ausbeute in den am Rand des Arrays angeordneten Detektorele­ menten.

Die Detektorelemente sind vorzugsweise in orthogonal zueinan­ der verlaufenden Zeilen und Spalten angeordnet.

Die zur Erläuterung der Erfindung beigefügten schematischen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 und 2 Strahlendetektoren nach dem Stand der Technik im Querschnitt,

Fig. 3 in zu den Fig. 1 und 2 analoger Darstellung einen er­ findungsgemäßen Strahlendetektor, und

Fig. 4 eine Aufsicht des Strahlendetektors gemäß Fig. 3 mit Blickrichtung auf die Detektorfläche.

Wie aus Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 4 ersichtlich ist, weist der erfindungsgemäße, im Falle des beschriebenen Aus­ führungsbeispiels zur Detektion von Röntgenstrahlung bei­ spielsweise in einem CT-Gerät vorgesehene Strahlendetektor ein Substrat 7 auf, auf dem in Form eines zweidimensionalen Arrays Detektorelemente in orthogonalen Spalten und Zeilen angeordnet sind. Die Detektorelemente sind jeweils durch ei­ nen Szintillator 3 bzw. 3' und eine Fotodiode 6 bzw. 6' ge­ bildet, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle Szintillatoren und Fotodioden mit einem Bezugszeichen ver­ sehen sind. Die Detektorelemente sind in an sich bekannter, ebenfalls nicht dargestellter Weise durch für sichtbares Licht und/oder Röntgenstrahlung undurchlässige Septen vonein­ ander getrennt.

Die Anordnung ist derart getroffen, dass die Fotodioden 6 bzw. 6' in Form eines zweidimensionalen Arrays auf dem Sub­ strat 7 ausgebildet sind und die Szintillatoren 3 bzw. 3' ihrerseits auf den Fotodioden 6 bzw. 6' in Form eines ent­ sprechenden Arrays beispielsweise durch Kleben angebracht sind. Dabei sind die Szintillatoren 3 dem Fokus F der mittels des Strahlendetektors zu detektierenden Strahlung, im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispieles Röntgenstrahlung, zu­ gewandt.

Die Fotodioden sind durch Bonddrähte 5 mit auf dem Substrat 7 entlang der Ränder des Arrays von Detektorelementen angeord­ neten Halbleiterbauelementen 2 verbunden. Die Halbleiterbau­ elemente 2, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle mit einem Bezugszeichen versehen sind, sind ihrerseits in nicht dargestellter Weise mit einer Signalerfassungselekt­ ronik verbunden.

Gelangt von dem Fokus F ausgehende Röntgenstrahlung zu den Szintillatoren 3 bzw. 3', so wird diese in den Szintillatoren 3 bzw. 3' in sichtbares Licht gewandelt, das von der dem je­ weiligen Szintillator 3 bzw. 3' zugeordneten Fotodiode 6 bzw. 6' detektiert und in einen elektrischen Strom gewandelt wird, der über den jeweiligen Bonddraht 5 zu einem Halbleiterbau­ element 2 gelangt.

Durch Kollimatorplatten 1 ist, wie anhand der in Fig. 3 mit BR bezeichneten Randstrahlen der Röntgenstrahlung ersichtlich ist, sichergestellt, dass von dem Fokus F ausgehende Röntgen­ strahlung nur auf einen Bereich des Strahlendetektors treffen kann, der im Folgenden mit Detektionsfeld bezeichnet wird und in Fig. 3 und 4 mit DF bezeichnet ist.

Sowohl die Szintillatoren 3' als auch die Fotodioden 6' der am Rand des Arrays angeordneten Detektorelemente weisen quer zum Rand des Arrays eine Erstreckung b' auf, die größer ist als dies zur Erfassung des Detektionsfeldes DF an sich erfor­ derlich ist.

Wenn die zur Erfassung des Detektionsfeldes DF ausreichende Erstreckung der am Rand des Arrays befindlichen Szintillato­ ren 3' gleich b ist, so gilt für die Erstreckung b' der am Rand des Arrays befindlichen Szintillatoren 3'

b + 0,5.d ≦ b' ≦ b + 1,2.d,

wobei d die in Fig. 3 eingetragene in Richtung der einfallen­ den Röntgenstrahlung gemessene Szintillatordicke ist.

Zusätzlich zu dem zur Detektion der in dem Detektionsfeld DF auftreffenden Röntgenstrahlung erforderlichen, in Fig. 3 und 4 mit a bezeichneten aktiven Bereich weisen die am Rand des Arrays befindlichen Detektorelemente also auch einen in Fig. 3 und 4 mit p bezeichneten passiven Bereich auf.

Dabei wird zwar der passive Bereich p der Detektorelemente infolge der vergrößerten Erstreckung nicht direkt von Rönt­ genstrahlung getroffen. Der passive Bereich absorbiert jedoch die Streustrahlung, die sich aus dem direkt von Strahlung ge­ troffenen aktiven Bereich der Detektorelemente, insbesondere dem entsprechenden Bereich der Szintillatoren 3', in Richtung auf am Rand des Arrays angeordnete Halbleiterbauelemente 2 ausbreitet. Dies ist in Fig. 3 durch auf die Szintillatoren 3' auftreffende Röntgenstrahlen R und entsprechende Strahlen der Streustrahlung SR, die den passiven Bereich der Szintil­ latoren 3' nicht verlassen, veranschaulicht.

Auch bei an sich unerwünschten Verlagerungen der Strahlungs­ quelle relativ zu dem Strahlendetektor, diese tritt im Falle von CT-Geräten beispielsweise durch thermisch bedingte Verla­ gerungen des Fokus des Röntgenstrahlers auf, fällt die Strah­ lung weiterhin auf das Szintillatormaterial, so dass durch Verlagerungen der Strahlungsquelle verursachte Bildartefakte vermieden sind.

Wenn die Erstreckung der Szintillatoren 3' entsprechend obi­ ger Bemessungsregel gewählt ist, ist unter der Annahme, dass die Szintillatordicke d so gewählt ist, dass mindestens 90% der primären von dem Fokus F ausgehenden Röntgenstrahlung ab­ sorbiert werden, wird dann die Streustrahlung in dem passiven Bereich p zu 70% bis 100% absorbiert.

Da die zu den Szintillatoren 3' gehörigen Fotodioden 6' eine entsprechend den Szintillatoren 3' vergrößerte Erstreckung quer zum Rand des Arrays aufweisen, wird zum einen die in dem aktiven Bereich a erzeugte Streustrahlung, die als zuvor Pri­ märstrahlung das Untersuchungsobjekt, z. B. einen Patienten, durchlaufen hat, z. B. zur Bildgebung genutzt. Außerdem wird das in einem aktiven Bereich a erzeugte sichtbare Licht zum Teil in den entsprechenden passiven Bereich p gestreut und gelangt auf den dem passiven Bereich p zugeordneten Teil der Fotodiode 6', so dass auch die in den passiven Bereich p ge­ streuten Lichtquanten zu dem Ausgangssignal des Strahlen­ detektors beitragen und nicht verloren gehen.

Die Detektorelemente sind im Falle des beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiels in orthogonal zueinander verlaufende paralle­ len Zeilen und parallelen Spalten in Form eines zweidimen­ sionalen Arrays angeordnet. Die Erfindung kann jedoch auch bei solchen zweidimensionalen Arrays zur Anwendung kommen, bei denen die Spalten nicht orthogonal zu den Zeilen verlau­ fen bzw. eine Anordnung der Detektorelemente in Zeilen und Spalten nicht vorgesehen ist.

Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels weisen die Detektorelemente, von denen am Rand des Arrays angeordneten Detektorelementen abgesehen, jeweils die gleiche Form und Größe auf. Im Rahmen der Erfindung können sich jedoch auch die nicht am Rand des Arrays befindlichen Detektorelemente hinsichtlich ihrer Form und/oder ihrer Größe voneinander un­ terscheiden. Insbesondere müssen diese Detektorelemente nicht notwendigerweise die aus Fig. 4 ersichtliche quadratische Form aufweisen.

Die Detektorelemente des Strahlendetektors gemäß dem vorste­ hend beschriebenen Ausführungsbeispiels sind in einer Ebene angeordnet. Dies muss im Rahmen der Erfindung nicht notwendi­ ger Weise der Fall sein. Vielmehr können die Detektorelemente beispielsweise, so wie dies für die Anwendung in einem CT-Ge­ rät von Vorteil sein kann, in einer konkav zylindrisch ge­ krümmten Fläche angeordnet sein.

Der Strahlendetektor gemäß dem vorstehenden Ausführungsbei­ spiel ist zur Detektion von Röntgenstrahlung vorgesehen. Er eignet sich jedoch zur Detektion beliebiger Strahlungsarten, die mit Hilfe von aus einem Szintillator und einer Photo­ dioden zusammengesetzten Detektotelementen detektiert werden können.

Claims (5)

1. Strahlendetektor zur Detektion von in einem Detektionsfeld auftreffender Strahlung mit in Form eines Arrays angeordne­ ten, jeweils einen Szintillator und eine mit diesem zusammen­ wirkende Fotodiode aufweisenden Detektorelementen, der am Rand des Arrays angeordnete Detektorelemente aufweist, deren Szintillatoren eine Erstreckung quer zum Rand des Arrays auf­ weisen, die größer ist, als dies zur Erfassung des Detek­ tionsfeldes erforderlich ist.

2. Strahlendetektor nach Anspruch 1, bei dem die Szintillato­ ren eine in Richtung der einfallenden Strahlung gemessene Szintillatordicke aufweisen und die Erstreckung der Szintil­ latoren der am Rand des Arrays angeordneten Detektorelemente quer zum Rand des Arrays um ein Maß größer ist, das im Be­ reich der 0,5 - bis 1,2-fachen Szintillatordicke liegt.

3. Strahlendetektor nach Anspruch 1 oder 2, dessen zu den am Rand des Arrays angeordneten Detektorelementen gehörigen Fotodioden eine entsprechend den zugehörigen Szintillatoren vergrößerte Erstreckung quer zum Rand des Arrays aufweisen.

4. Strahlendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen Detektorelemente in Form eines Arrays zweidimensionalen Arrays angeordnet sind.

5. Strahlendetektor nach Anspruch 4, dessen Detektorelemente in orthogonal zueinander verlaufenden Zeilen und Spalten an­ geordnet sind.