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Die
Erfindung betrifft einen Feststrahlungsdetektor mit einer aktiven
Pixelmatrix, die an einer Seite mit einer Szintillatorschicht, die
in Abhängigkeit einfallender
Strahlung, insbesondere Röntgenstrahlung
von der Pixelmatrix in elektrische Ladung konvertierbares Licht
emittiert, und die an der anderen Seite auf einem Träger angeordnet
ist.
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Zunehmend
kommen im Rahmen der Strahlungsbildaufnahme, sei es bei der klassischen
Radiographie, der Fluoroskopie, Angiographie oder Kardangiographie,
digitale Festkörperstrahlungsdetektoren,
also digitale Röntgendetektoren
unterschiedlichen Typs zum Einsatz. Solche Festkörperstrahlungsdetektoren, auch
Flachdetektoren genannt, basieren auf aktiven Pixel- oder Auslesematrizen,
die z.B. aus amorphem Silizium bestehen. Die eintreffende Röntgenstrahlung
wird in einer Szintillatorschicht, die als Röntgenkonverter fungiert in
von der aktiven Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung gewandelt, über die
in den Fotodioden der Pixelmatrix in elektrische Ladung erzeugt
und dort gespeichert wird.
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Die
Bildqualität
eines Festkörperstrahlungsdetektors
hängt von
einer Vielzahl von Parametern ab. Hierzu gehört insbesondere das Szintillator-
oder Konvertermaterial, wobei hier vornehmlich Cäsiumjodid (CsI) oder Gadoliniumoxisulfid
(GdO2S2) verwendet
wird, ferner das Design der Pixelmatrix (Größe, Füllfaktor etc.) wie auch die
Ausleseelektronik etc. Die Bildqualität selbst kann über die
Modulationstransferfunktionen MTF, den NPS-Wert (NPS = noise power
spectrum) und die wirksame Quantenabsorption DQE (DQE = detective
quantum efficiency) beschrieben werden, wobei die DQE eine abgeleitete Größe ist.
Bei Festkörperdetektoren
wird die Bildqualität
insbesondere durch den so genannten "low fequency drop" (LFD) erheblich reduziert. Der "low frequency drop" führt zu einer Reduzierung
der MTF bei niedrigen Ortsfrequenzen, bis zu einer Größenordnung
von ca. 10 %. Dies führt
zu beachtlichen Einbußen
bei der DQE, die die eigentliche bildqualitätsrelevante Größe, die
sowohl das Signalverhalten als auch das Rauschverhalten des Detektors
beschreibt, darstellt, zu Einbußen
bis zu etwa 20 %, da die MTF quadratisch in die Berechnung der DQE
eingeht.
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Um
folglich die Bildqualität
eines Festkörperstrahlungsdetektors
zu verbessern, ist es daher entscheidend, den "low frequency drop" zu minimieren, der eine der zentralen
Ursachen der Erniedrigung der DQE ist.
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Der
Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen Festkörperstrahlungsdetektor
anzugeben, bei dem der "low
frequency drop",
der seine Ursache in dem Auftreten von Streueffekten der konvertierten
Strahlung hat, zu verringern und hierüber die Bildqualität zu verbessern.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist bei einem Festkörperstrahlungsdetektor der
eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass am Träger wenigstens
eine das in den Träger
eingedrungene, von der Szintillatorschicht stammende Licht zumindest
teilweise absorbierende Schicht vorgesehen ist.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein nicht vernachlässigbarer
Streulichtanteil durch Licht bzw. Lichtquanten hervorgerufen wird, die
durch die transparenten Abschnitte der Pixelmatrix hindurch in den
Matrixträger,
der für
das von der Szintillatorschicht stammende Licht transparent ist, hervorgerufen
wird. Das in den Träger
eingedrungene Licht wird in diesem reflektiert, der Träger wirkt quasi
wie ein Lichtleiter. Das reflektierte Licht tritt nach ein oder
mehrmaliger Reflexion an einem anderen transparenten Abschnitt der
Pixelmatrix wieder in die Szintillatorschicht ein, wo er ebenfalls
reflektiert wird und auf einen anderen als den dem Erzeugungsort
zugeordneten Pixel trifft. Das heißt, dass Licht, das ungewollterweise
in den Matrixträger
eintritt, gegebenenfalls an einer völlig anderen Stelle in die
Pixelmatrix eingekoppelt wird. Dieser Streulichtanteil, der zu dem
möglichen
Streuanteil innerhalb der Szintillatorschicht selbst hinzutritt,
ist nicht vernachlässigbar.
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Um
die hieraus resultierenden Nachteile zu vermeiden sieht nun die
Erfindung vor, an dem Träger
eine Absorptionsschicht vorzusehen, die das ungewollt in den Träger eingedrungene
Szintillatorlicht zumindest teilweise absorbiert. Diese Schicht,
die bevorzugt am Träger
an der der Pixelmatrix gegenüberliegenden
Seite vorgesehen ist, verhindert, dass es im Trägermaterial überhaupt
zu irgendwelchen Reflexionsvorgängen
kommt. Der trägerseitige Streuanteil
wird hiermit minimiert bis vollständig reduziert. Damit einhergehend
ergibt sich eine beachtliche Reduzierung des "low frequency drops", verbunden mit einer deutlichen Verbesserung
der MTF und der DQE. Das Signalübertragungsverhalten
wird folglich verbessert, die Abbildungseigenschaften optimiert.
Vergleichbare Bildqualitäten
zwischen Detektoren mit unterschiedlich guten DQE-Funktionen können folglich
mit wesentlich geringeren Röntgendosen erreicht
werden, wobei eine geringere DQE gleichbedeutend mit einer höheren Dosisanforderung
zur Erzielung einer vergleichbaren Bildqualität ist.
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Die
erfindungsgemäß vorgesehene
Absorptionsschicht kann nach einer ersten einfachen Erfindungsausgestaltung
eine ausgehärtete
Beschichtung oder eine Folie sein. Die Beschichtung kann beispielsweise
eine Lackbeschichtung oder dergleichen sein. Die Folie kann eine
Kunststofffolie sein, die auf den Träger beispielsweise auflaminiert
oder sonst wie an ihn gebunden ist.
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Im
Hinblick darauf, dass das vom Szintillator emittierte Licht aus
einem definierten, bekannten Wellenlängenbereich stammt, kann es
sich bei der ausgehärteten
Beschichtung um eine spezielle Farbbeschichtung handeln, die in
ihrer Grund farbe so gewählt
ist, dass gerade Licht mit einer Wellenlänge, die dem Szintillatorlicht
entspricht, absorbiert wird. Entsprechend kann es sich bei der Folie
um eine Farbfolie handeln. Eine solche wellenlängenspezifische Absorptionseigenschaft
ist jedoch nicht zwingend, es kann sich auch um eine schwarze Farbbeschichtung
oder eine schwarze Folie handeln, die generell über den sichtbaren Wellenlängenbereich
absorbiert.
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Während sich
die Verwendung einer einfachen Beschichtung oder Folie dann anbietet,
wenn der Festkörperstrahlungsdetektor
keine Rücksetzlichtquelle,
die zum definierten Rücksetzen
der einzelnen Fotodioden der Pixelmatrix dient, aufweist, stellt
ein Festkörperstrahlungsdetektor,
bei dem eine dem Träger
benachbart angeordnete Rücksetzlichtquelle
vorgesehen ist, etwas andere Anforderungen an die Art oder Qualität der Schicht.
Bei einem solchen Festkörperstrahlungsdetektor
ist erfindungsgemäß die Schicht
zwischen dem Träger
und der Rücksetzlichtquelle,
die bevorzugt als flächige
Rücksetzlichtschicht,
in die das Rücksetzlicht
an einer definierten Stelle eingekoppelt wird, ausgebildet ist,
angeordnet. Die Schicht ist zumindest dann, wenn die Rücksetzlichtquelle
betrieben wird, mithin also die Rücksetzung erfolgt, für das von
der Rücksetzlichtquelle
emittierte Licht zumindest teilweise transparent. Die Schicht hat
hier die Aufgabe, zum einen zu verhindern, dass ein Teil des szintillatorseitig
konvertierten Lichts, das seinen Weg in den Träger, beispielsweise das Glassubstrat,
und von dort wieder in den Szintillator findet und folglich an einer
anderen Stelle auf eine Fotodiode trifft. Andererseits muss gewährleistet
sein, dass das Rücksetzlicht über den Träger und
die transparenten Bereiche in der aktiven Fotodiodenmatrix in den
Szintillator und von dort zu den Fotodioden gelangen kann. Das Absorptions- bzw.
Transmissionsverhalten der Schicht muss folglich entweder anpassbar
oder wellenlängenselektiv sein.
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Um
dies zu erreichen, kann die Schicht bevorzugt in ihrem Absorptionsverhalten
veränderbar oder
schaltbar sein, bevorzugt über
eine an die Schicht anlegbare elektrische Steuerspannung. Dies ist
beispielsweise unter Verwendung einer elektrisch ansteuerbaren organischen
Schicht oder einer LCD-Schicht
möglich.
Beide Schichten, die sehr dünn
aufgetragen bzw. gefertigt werden können, lassen es durch Anlegen
einer dezidierten Steuer- oder Schaltspannung zu, das Transmissions-
bzw. Absorptionsverhalten in bestimmten Bereichen zu schalten oder
zu variieren. Bei beiden Schichttypen wird über das bei Anlegen der Steuerspannung
erzeugte elektrische Feld eine Ausrichtung schichtseitig integrierter
Moleküle,
beispielsweise der Flüssigkristall-Moleküle einer
LCD- oder Flüssigkristall-Schicht
erzeugt. Hierdurch ändern
sich die Polarisationseigenschaften der Schicht, mithin ihre Transmissionseigenschaften.
Die Funktion solcher organischen oder Flüssigkristall-Schichten ist
allgemein bekannt und bedarf keiner näheren Beschreibung.
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Kommt
eine solche Schicht zum Einsatz, kann also durch Anlegen einer entsprechenden
Steuerspannung an die jeweilige Schicht das Absorptionsverhalten
entweder stufenlos zwischen zwei Grenzwerten variiert oder zwischen
diesen beiden Grenzwerten geschaltet werden.
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Alternativ
zur Verwendung einer elektrisch steuerbaren Schicht kann der Festkörperstrahlungsdetektor
erfindungsgemäß auch derart
ausgebildet sein, dass die Szintillatorschicht und die Rücksetzlichtquelle
Licht aus unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittieren, wobei
die Schicht im Wesentlichen nur für Licht aus dem Wellenlängenbereich
des von der Szintillatorschicht emittierten Lichts absorbierend
und für
das von der Rücksetzlichtquelle
emittierte Licht im Wesentlichen transparent ist. Dem liegt der
Gedanke zugrunde, dass der Szintillator Licht aus einem relativ
eng begrenzten Wellenlängenbereich
emittiert. So emittiert CsI beispielsweise grünes Licht. Wird nun eine Schicht
vorgesehen, die dieses Licht absorbiert und ansonsten für Licht
außerhalb dieses
Wellenlängenbereichs
transparent ist, so kann bei Verwendung einer Rücksetzlichtquelle, die Licht
aus solch einem anderen Wellenlängenbereich emittiert,
dieses ohne weiteres durch die hierfür transparente Schicht in den
Träger
und von diesem zum Szintiallator bzw. der Pixelmatrix gelangen.
Die Rücksetzlichtquelle
emittiert in diesem Fall beispielsweise im roten Lichtbereich. Als
Schicht kann hierbei ebenfalls eine ausgehärtete Beschichtung, insbesondere
eine Farbbeschichtung oder eine Folie, insbesondere eine Farbfolie,
verwendet werden. Denkbar sind dabei Beschichtungen oder Folien,
die beispielsweise spezielle Farbzentren aufweisen oder von Haus
aus entsprechend eingefärbt
sind.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Festkörperstrahlungsdetektor
einer ersten Ausführungsform,
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2 einen
erfindungsgemäßen Festkörperstrahlungsdetektor
einer zweiten Ausführungsform
mit Rücksetzlichtquelle,
und
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3 einen
Festkörperstrahlungsdetektor gemäß dem Stand
der Technik.
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3 zeigt
einen Festkörperstrahlungsdetektor 1 gemäß dem Stand
der Technik. Dieser weist eine Szintillatorschicht 2 auf,
beispielsweise bestehend aus einer Vielzahl parallel auf einem nicht
näher gezeigten
Träger
aufgewachsener CsI-Nadeln. Diese Szintillatorschicht 2 ist
mit einer Pixelmatrix 3, beispielsweise aus amorphem Silizium
oder kristallinem Silizium, gekoppelt. Die Pixelmatrix 3 besteht
aus einer Vielzahl einzelner Fotodioden 4 mit zugeordneten TFT-Schaltern 5 und
entsprechenden Datenleitungen 6. Zwischen den einzelnen
Fotodio den befinden sich transparente Bereiche 7, über die
die Fotodioden gegeneinander isoliert sind. Die Pixelmatrix 3 ist
auf einem Träger 8,
hier einem Glassubstrat, angeordnet.
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Tritt
nun ein Röntgenquant 9 in
die Szintillatorschicht 2 ein, wird er am Absorptionsort 10 in
einzelne Lichtquanten 11 konvertiert. Die meisten der Lichtquanten 11 treffen
auf die zugeordnete Fotodiode 4. Ein Teil der Lichtquanten,
hier der Lichtquant 11a, tritt jedoch über den transparenten Bereich 7 in den
Träger 8 ein.
An der gegenüberliegenden
Grenzfläche 12 des
Trägers 8 wird
er reflektiert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kommt es zu
einer Mehrfachreflexion auch an der gegenüberliegenden Trägergrenzfläche 39 zur
Pixelmatrix 3 hin. Wie die Figur zeigt, tritt der mehrfach
reflektierte Lichtquant über
einen anderen transparenten Bereich 7 wieder in die Szintillatorschicht 2 ein,
in der er ebenfalls reflektiert wird, bis er schließlich auf
die Fotodiode 4a trifft, wo er letztlich verarbeitet wird.
Die trägerseitige
Mehrfachreflexion und Rückkopplung
in den Szintillatorschicht 2 führt wie beschrieben zu dem "low frequency drop" und daraus resultierend
zu den verschlechterten Bildqualitäten.
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Ein
erfindungsgemäßer Festkörperstrahlungsdetektor 13 weist
ebenfalls eine Szintillatorschicht 14, eine mit dieser
gekoppelte Pixelmatrix 15 bestehend aus Fotodioden 16,
zugeordneten TFT-Schaltern 17 sowie Datenleitungen 18 und
transparenten Bereichen 19, sowie einen Träger 20,
auch hier bevorzugt ein Glassubstrat, auf. An der der Pixelmatrix 15 gegenüberliegenden
Seite des Trägers 20 ist
eine Schicht 21 vorgesehen, die für von der Szintillatorschicht
bei Einfall eines Röntgenquants 22 erzeugtes
Licht bzw. Lichtquanten 23 absorbierend ist. Im gezeigten
Beispiel tritt der Lichtquant 23a durch einen transparenten
Bereich 19 der Pixelmatrix 15 in den für Licht
dieser Wellenlänge
transparenten Träger 20 ein.
Bei Auftreffen auf die Schicht 21 wird der Lichtquant 23a jedoch
absorbiert, es kommt hier nicht zur Reflexion, anders als beim Beispiel
gemäß 3.
Das heißt,
die Streuung bzw.
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Reflexion
innerhalb des Trägers 20 und
daraus resultierend die mögliche
Fehleinkopplung in Fotodioden an anderer Stelle ist hierüber ausgeschlossen.
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Die
Schicht 21 kann beispielsweise eine Farbschicht, z.B. Farblack
sein, die durch Aufdrucken, Aufrollen oder dergleichen auf den Träger aufgebracht
wurde und anschließend
ausgehärtet
ist. Es kann sich aber auch um eine beispielsweise auflaminierte
Kunststofffolie oder dergleichen handeln. Wichtig ist, dass die
Schicht in jedem Fall Licht der Wellenlänge des szintillatorseitig
erzeugten Lichts absorbiert.
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2 zeigt
einen weiteren erfindungsgemäßen Festkörperstrahlungsdetektor 24 mit
Szintillatorschicht 25, Pixelmatrix 26, bestehend
aus Fotodioden 27, TFT-Schaltern 28, Datenleitungen 29 und transparenten
Bereichen 30, sowie einem Träger 31, beispielsweise
in Form eines Glassubstrats. Dieser Festkörperstrahlungsdetektor 24 weist
jedoch weiterhin eine Rücksetzlichtschicht 32 auf,
in die Licht über eine
mit ihr lichtoptisch gekoppelte Lichtquelle 33 eingekoppelt
wird. Die Rücksetzlichtschicht 32 bildet eine
großflächige Rücksetzlichtquelle.
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Auch
hier ist eine Schicht 34 vorgesehen, die szintillatorseitig
erzeugtes Licht absorbiert. Bei Einfall eines Röntgenquants 35 erfolgt
auch hier die Konvertierung in Lichtquanten 36, wobei hier
der gezeigte Lichtquant 36a, der durch einen transparenten
Bereich 30 in den Träger 31 tritt,
von der Schicht 34 absorbiert wird.
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Neben
dieser Absorption muss die Schicht 34 aber auch in der
Lage sein, das von der Rücksetzlichtquelle
erzeugte Rücksetzlicht
durchzulassen, so dass dieses wie in 2 gezeigt
durch die transparenten Bereiche 30 hindurch in die Szintillatorschicht 25 eintreten
kann, wo es reflektiert wird und auf die einzelnen Fotodioden 27 zum
Rücksetzen
derselben trifft.
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Hierzu
kann es sich bei der Schicht 34 beispielsweise um eine
elektrisch in ihrem Transmissions- oder Absorptionsverhalten steuerbare
Schicht handeln. An die Schicht 34 kann beispielsweise über eine
Spannungsquelle 37 eine entsprechende Steuer- oder Schaltspannung
angelegt werden, die zur Änderung
des Schichtverhaltens führt,
wie exemplarisch in 2 gezeigt ist. Als Schicht 34 kann
beispielsweise eine organische Schicht oder eine LCD-Schicht bzw.
ein LCD-Schichtsystem verwendet werden.
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Kommt
eine solche elektrisch veränderbare oder
schaltbare Schicht 34 zum Einsatz, so wird diese dann angesteuert
und für
das Rücksetzlicht
transparent geschaltet, wenn dieses zugeführt wird, mithin also die Rücksetzlichtquelle
betrieben ist. Außerhalb dieser
Zeitfenster wird die Schicht in den für das Szintillatorlicht absorbierenden
Zustand geschaltet. Hierzu ist eine geeignete Steuereinrichtung
vorzusehen, die den Rücksetzbetrieb
in Abhängigkeit
des Aufnahme- und Pixelauslesebetriebs steuert.
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Alternativ
dazu kann es sich bei der Schicht 34 um eine ausgehärtete Beschichtung
oder Folie handeln, ähnlich
dem Beispiel gemäß 1,
wobei diese Beschichtung oder Folie im Wesentlichen nur für Licht
der Wellenlänge
oder des Wellenlängenbereichs
des szintillatorseitig erzeugten Lichts absorbierend ist. Wird nun
als Rücksetzlicht 38 Licht
einer anderen Wellenlänge
als der szintillatorseitigen Lichtwellenlänge verwendet, kann dieses
im Wesentlichen ungehindert durch die Schicht 34 in den
Träger 31 eintreten.
Das heißt,
die Schicht 34 ist in diesem Fall für das Szintillatorlicht im
Wesentlichen absorbierend und für
das Rücksetzlicht
im Wesentlichen transparent.
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Der
Einsatz der erfindungsgemäßen Absorptionsschicht
am Pixelmatrixträger
lässt vorteilhaft
die Unterdrückung
des durch trägerseitige
Lichtreflexion erzeugten Streulichtanteils und daraus resultierend eine
Verminderung des "low
frequency" drops
zu. Die Modulationsübertragungsfunktion
zeigt damit keinen entsprechenden "low frequency drop", die Signalübertragung bei höheren Ortsfrequenzen
wird erheblich verbessert. Der entsprechende Festkörperstrahlungsdetektor
wird bei gleicher Dosis eine bessere Bildqualität liefern, als der gleiche
Detektor ohne die erfindungsgemäße "low frequency drop"-Unterdrückung, bzw.
vergleichbare Bildqualität
bei geringerer Röntgenstrahlendosis.