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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Röntgendetektormodul, insbesondere
für Computertomographiegeräte, das
ein oder mehrere Zeilen von in zumindest zwei Lagen übereinander
angeordneten Detektorelementen aufweist, wobei erste Detektorelemente
einer oberen, eintreffender Röntgenstrahlung
zugewandten Lage für
erste spektrale Anteile der Röntgenstrahlung
sensitiv und für
zweite spektrale Anteile der Röntgenstrahlung
zumindest teiltransparent sind, zweite Detektorelemente einer darunter angeordneten
unteren Lage für
die zweiten spektralen Anteile sensitiv sind und die ersten Detektorelemente
mit den jeweils darunter liegenden zweiten Detektorelementen Detektorelementpaare
bilden.
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In
der Röntgen-Computertomograpie
(CT) werden heutzutage ein- oder
mehrzeilige Detektorsysteme eingesetzt, die aus einer großen Anzahl
einzelner Detektorelemente gebildet sind. Ein Röntgendetektor für die Computertomographie
ist in der Regel aus mehreren einzelnen Detektormodulen zusammengesetzt,
die jeweils eine kleinere Gruppe von Detektorelementen umfassen.
Jedes Detektorelement stellt einen Kanal des Röntgendetektors dar. Die Detektorelemente
messen die Intensität
eines nach dem Durchgang durch einen Untersuchungsbereich eines
Objektes geschwächten
Röntgenstrahls. Die
Schwächung
des Röntgenstrahls
wird von den durchstrahlten Materialien entlang des Strahlengangs
verursacht, so dass die Schwächung
auch als Linienintegral über
die Schwächungskoeffizienten
aller Voxel entlang des Strahlenweges verstanden werden kann. Mittels
so genannter Rekonstruktionsverfahren ist es möglich, von den projizierten
Schwächungsdaten
auf die Schwächungskoeffizienten μ der einzelnen
Voxel zurückzurechnen.
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Bei
neueren Techniken der Computertomographie wird auch spektrale Information
der geschwächten
Röntgenstrahlen
ausge nutzt, um beispielsweise neben der räümlichen Verteilung der Schwächungskoeffizienten
auch eine Verteilung der Dichte sowie der effektiven Ordnungszahl
innerhalb des Untersuchungsbereiches zu erhalten. Ein derartiges
Verfahren ist beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung 101
43 131 A1 bekannt. Die Nutzung der spektralen Information erfordert
jedoch die Aufnahme von zwei Messdatensätzen mit unterschiedlicher
spektraler Verteilung der einfallenden Röntgenstrahlung oder unterschiedlicher
spektraler Sensitivität
der Detektoren. In der Regel wird ein Verfahren eingesetzt, bei
dem das Objekt nacheinander mit Röntgenstrahlung unterschiedlicher
Energie bestrahlt wird, um die beiden Messdatensätze zu erhalten. Dies führt zu einer
verlängerten
Scanzeit und den damit verbundenen Problemen der erhöhten Röntgenbelastung
für den
Patienten sowie eventueller Bewegungsartefakte, die durch eine Patientenbewegung
zwischen beiden Aufnahmen auftreten können.
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Zur
Vermeidung dieser Problematik wird in der
US 4 247 774 ein Röntgendetektor mit mehreren Detektorelementen
vorgeschlagen, die Detektorelemente zeilenförmig in zwei Lagen übereinander
angeordnet sind. Die in der oberen Lage angeordneten Detektorelemente
sind für
einen anderen spektralen Anteil der Röntgenstrahlung sensitiv als
die darunter liegenden Detektorelemente. Ein Detektorelementpaar
bestehend aus einem oberen ersten Detektorelement und einem unteren
zweiten Detektorelement absorbiert im oberen Detektorelement, das
durch einen dünnen
Szintillatorkristall mit einem angekoppelten Photomultiplier gebildet
ist, lediglich Röntgenanteile
niedriger Energie, während
die Anteile höherer Energie
nicht absorbiert werden und auf das zweite Detektorelement treffen.
Das zweite Detektorelement weist einen entsprechend dickeren Szintillatorkristall auf,
an den ebenfalls ein Photomultiplier angekoppelt ist, und setzt
die verbleibenden Anteile höherer
Energie in ein entsprechendes Messsignal um. Von den Detektorelementen
jeder der beiden Lagen werden daher unterschiedlich spektral gewichtete
Messdaten geliefert, aus denen die obigen Informationen abgeleitet
werden können.
Auch die
DE 198 26
062 A1 beschreibt eine derartige Anordnung zur Detektion
von Röntgenstrahlen,
bei der zusätzlich
eine weitere Lage mit Detektorelementen eingebracht ist. Die Röntgendetektoren
beider Druckschriften umfassen jeweils eine Vielzahl von Detektorelementpaaren bzw.
-tripeln, die baugleich ausgebildet sind.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Röntgendetektormodule
für den
Aufbau eines Röntgendetektors,
insbesondere für
Computertomographiegeräte
bereitzustellen, die spektral unterschiedlich gewichtete Messdaten
liefern und eine gegenüber
bekannten Röntgendetektoren
gleicher Art verbesserte Ausnutzung der Röntgenstrahlung bieten.
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Die
Aufgabe wird mit dem Röntgendetektormodul
gemäß Patentanspruch
1 bzw. dem Röntgendetektor
gemäß Patentanspruch
5 gelöst.
Die Patentansprüche
6 und 7 geben eine vorteilhafte Verwendung des Röntgendetektormoduls an. Vorteilhafte Ausgestaltungen
des Röntgendetektormoduls
bzw. des Röntgendetektors
sind Gegenstand der Unteransprüche
oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Das
vorliegende Röntgendetektormodul
umfasst ein oder mehrere Zeilen von in zumindest zwei Lagen übereinander
angeordneten Detektorelementen. Erste Detektorelemente einer oberen,
eintreffender Röntgenstrahlung
zugewandten Lage sind für erste
spektrale Anteile der Röntgenstrahlung
sensitiv und für
zweite spektrale Anteile der Röntgenstrahlung
zumindest teiltransparent. Zweite Detektorelemente einer darunter
angeordneten unteren Lage sind für
die zweiten spektralen Anteile sensitiv. Die ersten Detektorelemente
bilden mit den jeweils darunter liegenden zweiten Detektorelementen
Detektorelementpaare. Bei dem vorliegenden Röntgendetektormodul weisen die
zweiten Detektorelemente eine größere Detektorfläche auf
als die ersten Detektorelemente, wobei das Verhältnis und die ge genseitige
Anordnung der Detektorflächen
des ersten und zweiten Detektorelements jedes Detektorelementpaares
so gewählt
sind, dass mit dem ersten und dem zweiten Detektorelement des Detektorelementpaares
der gleiche Raumwinkel der von einem Röntgenfokus mit einer vorgegebenen
relativen Position zum Detektormodul ausgehenden Röntgenstrahlung erfasst
wird.
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Das
vorliegende Röntgendetektormodul
ermöglicht
die simultane Erfassung der Messdaten in zwei unterschiedlichen
spektralen Bereichen während
einer einzigen Röntgenbestrahlung,
beispielsweise während
eines einzigen Scans mit einem Röntgencomputertomographen.
Damit können
einerseits Artefakte vermieden werden, die bei Erfassung der unterschiedlich
spektral gewichteten Messdaten mit zwei getrennten Röntgenaufnahmen
auftreten können.
Auf der anderen Seite lässt
sich auch eine deutliche Dosisreduktion erreichen, da nur noch eine
einzige CT-Aufnahme für
den Erhalt der beiden Messdatensätze
erforderlich ist. Durch Summation der Messsignale der jeweiligen
Detektorelemente jedes Detektorelementpaars ist es auch möglich, ein
konventionelles CT-Bild zu rekonstruieren. Konventionelles und spektral
aufgelöstes
Bild bzw. daraus abgeleitete Verteilungen können damit aus ein und demselben Scan
erzeugt werden. Durch die besondere Anordnung der Detektorelemente
in den einzelnen Detektorelementpaaren des Detektormoduls wird eine
optimale Ausnutzung der einfallenden Röntgenstrahlung erreicht, da
die von den übereinander
liegenden Detektorelementen jedes Detektorelementpaars erfassten
Raumwinkel der einfallenden Röntgenstrahlung
für beide
Detektorelemente identisch sind.
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Die
einzelnen Röntgendetektormodule
werden dabei derart zu einem Röntgendetektor
zusammengesetzt, dass die modulspezifischen relativen Positionen
des Röntgenfokus
ein und derselben Position im Röntgendetektor
entsprechen. Dies kann bei einer im Wesentlichen eben oder nur leicht
gekrümmt
ausgebildeten Detektionsfläche
des Röntgendetektors
erfordern, dass die äußeren Detektormodule
geometrisch anders aufgebaut sind als die inneren Module. Bei einer
Anordnung der einzelnen Module auf einem Polygonzug mit Ausrichtung
auf den Röntgenfokus
können
auch alle Detektormodule gleich und mit einer ebenen Detektionsfläche ausgebildet
sein. Die einzelnen Detektormodule sind somit im Röntgendetektor
auf einen gemeinsamen Fokus, den Fokus der Röntgenquelle, ausgerichtet.
Vorzugsweise ist zusätzlich
ein Kollimator für
Röntgenstrahlung
auf die obere Lage der Detektormodule bzw. des Röntgendetektors aufgebracht
oder über dieser
angebracht.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die vorliegenden Röntgendetektormodule
so aufgebaut, dass sie ohne Umbauten in das Datenaufnahmesystem
(DAS) eines vorhandenen 2-Zeilen-CT-Gerätes implementiert
werden können.
Die Röntgendetektormodule
werden hierfür
einzeilig ausgebildet, wobei die Anzahl der Detektorpaare so gewählt wird,
dass sie der halben Anzahl der Detektorelemente der zweizeiligen
Röntgendetektormodule
des CT-Gerätes
entspricht. Auf diese Weise kann die vorhandene Elektronik genutzt
werden, da keine weiteren Messkanäle hinzu kommen. Besonders
vorteilhaft sind die ersten Detektorelemente der einzeiligen Röntgendetektormodule
so ausgebildet, dass die Breite ihrer Detektorflächen in Zeilenrichtung mit
der Breite der Detektorflächen
der Detektorelemente der zweizeiligen Röntgendetektormodule übereinstimmt
und die Ausdehnung ihrer Detektorflächen senkrecht zur Zeilenrichtung
der doppelten Ausdehnung der Detektorflächen der Detektorelemente der
herkömmlichen zweizeiligen
Röntgendetektormodule
in gleicher Richtung entspricht. Diese Ausgestaltung ermöglicht es,
die vorliegenden Röntgendetektormodule
ohne mechanische Anpassung in das für die zweizeiligen Röntgendetektormodule
ausgebildete Gehäuse
einzusetzen. Dadurch lassen sich bereits bestehende Computertomographiegeräte sehr
einfach und kostengünstig,
beispielsweise als Option oder Upgrade, mit den vorliegenden Detektormodulen
ausstatten bzw. nachrüsten.
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Vorzugsweise
werden beide Lagen jedes Detektormoduls separat gefertigt, so dass
es möglich ist,
sie zunächst
getrennt auf ihre bildrelevanten Eigenschaften zu qualifizieren.
Auf Basis der quantitativen Daten der Qualifizierung werden Modulpaare gebildet,
die bezüglich
dieser Daten optimal zusammenpassen. Nach dieser Qualifizierung
und Paarbildung werden beide Komponenten mechanisch zueinander justiert
und mit einem Kollimator zu einer Einheit verbunden. In einer weiteren
Qualifizierung der verbundenen Moduleinheiten werden insbesondere
die spektralen Empfindlichkeiten der beiden Lagen quantitativ überprüft. Aus
diesen quantitativen Daten wird eine Sortierung der Moduleinheiten
zusammengestellt, die eine homogene Bildqualität des gesamten Detektors gewährleistet – sowohl
in jeder Lage individuell als auch im Summensignal aus beiden Lagen.
Hierzu kann ein Verfahren angewendet werden, wie es beispielsweise
aus der
DE 198 11
044 C1 bekannt ist.
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Selbstverständlich lässt sich
das vorliegende Detektormodul bei Bedarf auch aus mehr als zwei
Lagen von Detektorelementen aufbauen, wobei dann ebenfalls die Größe der Detektorflächen sowie
die gegenseitige Anordnung der einzelnen Detektorelemente so gewählt werden,
dass die Bedingung hinsichtlich des gleichen Raumwinkels erfüllt ist.
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Die
Detektorelemente des vorliegenden Detektormoduls setzen sich vorzugsweise
aus einem Szintillatorkristall und einer Photodiode auf einem Modulträger zusammen,
wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zur Ausbildung der übereinander
liegenden Detektorelemente mit unterschiedlichen spektralen Sensitivitäten kann
beispielsweise der Szintillatorkristall des oberen Detektorelementes dünner ausgestaltet
sein und/oder aus einem anderen Material bestehen als der des unteren
Detektorelementes. Grundsätzlich
kommen als Szintillatorkristalle hierbei alle für die Umsetzung von Röntgenstrahlung
bekannten Materialien in Frage, wie sie auch bereits bei bekannten
Röntgendetektoren
eingesetzt werden.
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Auch
die Form der einzelnen Detektorlagen kann gemäß dem Stand der Technik so
gewählt
sein, dass diese Lagen eben ver laufen oder eine zur Röntgenquelle
hin gekrümmte
Form aufweisen.
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Das
vorliegende Röntgendetektormodul
wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit den Zeichnungen nochmals näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung einen einzeiligen Detektor eines Computertomographiegerätes;
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2 ein
Beispiel für
ein zweizeiliges Röntgendetektormodul
gemäß dem Stand
der Technik;
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3 zwei Beispiele für ein Röntgendetektormodul gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 einen
Schnitt durch die beiden Lagen der Detektormodule der 3; und
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5 ein
Beispiel für
den Aufbau eines Detektorelementpaares des vorliegenden Detektormoduls.
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1 zeigt
schematisch ein Beispiel für
die Ausbildung eines Röntgendetektors
in einem Computertomographiegerät.
In der Abbildung ist ein einzeiliger Detektor zu erkennen, bei dem
einzelne Detektorelemente 1 zu Modulen 2 zusammengefasst sind.
Die Detektorelemente 1 sind auf einer gekrümmten Fläche um den
von der Röntgenquelle
gebildeten Röntgenfokus 3 angeordnet,
so dass der vom Röntgenfokus 3 ausgehende
fächerförmige Röntgenstrahl 4 nahezu
senkrecht auf die Oberfläche
der Detektorelemente 1 trifft.
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2 zeigt
ein Detektormodul für
ein 2-Zeilen-CT-Gerät
gemäß dem Stand
der Technik. Bei einem derartigen Detektormodul 2 ist die
aktive Fläche in
der Regel in 2 × 16
einzelne Segmente in Form der Detektorelemente 1 unterteilt,
16 Detektorelemente in Drehrichtung des Computertomographen und
2 Zeilen in Richtung der Patientenachse, um während einer Rotation der Gantry
gleichzeitig zwei Objektschichten aufnehmen zu können.
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Bei
einer Ausgestaltung des vorliegenden Detektormoduls werden nun im
Beispiel der 3a die jeweils 16 Detektorelemente
nicht mehr in 2 Zeilen nebeneinander sondern in 2 Lagen hintereinander
angeordnet. Die Detektorflächen
der oberen Detektorelemente 1a wurden dabei, wie in der 3a ersichtlich,
so vergrößert, dass
ein Detektorelement 1a die bisherigen 2 Zeilen abdeckt.
Auf diese Weise bleibt die Anzahl der Kanäle des Detektormoduls gegenüber dem
zweizeiligen Detektormodul der 2 gleich.
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3b zeigt
eine weitere Möglichkeit
einer Ausgestaltung des Detektormoduls 2 als zweizeiliger Detektor,
der gegenüber
dem Detektor der 2 die doppelte Anzahl von Detetktorelementen
aufweist.
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Da
die untere Lage 6 im Vergleich zur oberen Lage 5 der
Detektorelemente 1a, 1b einen größeren Abstand
zum Röntgenfokus
besitzt, weisen die Detektorelemente 1b der unteren Lage 6 eine
entsprechend größere Detektorfläche auf,
um den gleichen Raumwinkel abzudecken. Dies ist anhand der 4 veranschaulicht,
die einen Schnitt durch die Detektorelemente 1a, 1b der
beiden Lagen 5, 6 eines Detektormoduls 2 zeigt.
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Mit
den Pfeilen ist hierbei die Richtung zum Fokus der Röntgenröhre des
Computertomographen angedeutet. Die einzelnen Detektorelemente der oberen 5 und
der unteren Lage 6 sind dabei derart gegenseitig angeordnet,
insbesondere zum Teil gegeneiander verschoben, und die Detektorelemente 1b der
unteren Lage 6 weisen eine entsprechend größere Detektorfläche 8 als
die der oberen Lage 5 auf, dass die Detektorelemente 1a, 1b jedes
Detektorelementpaares 9 des Detektormoduls 2 den
gleichen Raumwinkel der vom Fokus ausgehenden Röntgenstrahlung erfassen. In 4 ist
weiterhin gestrichelt ein Kol limator 14 (nicht maßstabsgetreu)
angedeutet, der auf dem Detektormodul 2 aufgebracht sein
kann.
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5 zeigt
den schematischen Aufbau eines Detektorelementpaares 9 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Jede Lage wird dabei zunächst als
eigene Komponente bestehend aus Szintillator 10, Photodiode 11 und
Modulträger 12 aufgebaut.
Für die
obere, der Röntgenquelle
zugewandte Lage 5 wird ein Szintillatorarray eingesetzt,
welches durch zusätzliche
Prozessschritte aus einem Array mit Standarddicke auf 200μm abgedünnt wird.
Der entsprechend dünnere
Szintillatorkristall 10 gegenüber dem der unteren Lage 6 ist
in der Figur deutlich zu erkennen. In der oberen Lage 5 wird
hauptsächlich
der niederenergetische Teil des Röntgenspektrums absorbiert und
in Licht umgewandelt. Die höherenergetischen
Röntgenquanten durchdringen
die obere Lage 5 und werden überwiegend in der unteren Lage 6 absorbiert.
Damit ergibt sich eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit dieser
beiden Lagen.
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Die
von den Photodioden 11 aus den beiden Lagen 5, 6 erzeugten
Messsignale werden in einem Beispiel von einem Adapter so umgruppiert,
dass sie vom DAS 13 weiter verarbeitet und ausgewertet
werden können.
Hier sind bei einer Ausgestaltung des Moduls gemäß 3a keine
weiteren mechanischen oder elektrischen Modifikationen eines Standardsystems
erforderlich, das für
einen 2-Zeilen-Detektor gemäß 2 ausgestaltet
wurde.