-
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.
-
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.
-
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 frequency 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.
-
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.
-
Aus
US 2002/0109097 A1 ist
eine Bildauslesevorrichtung bekannt, in der auf einem Sensorsubstrat
eine Mehrzahl von Photosensoren angeordnet ist. Während in
einer Ausgestaltung das Sensorsubstrat aus einem Material bestehen
kann, das selbst Strahlung absorbiert, ist in einer Ausgestaltung,
in der mehrere Sensorsubstrate auf einem Basiselement angeordnet
sind, vorgesehen, eine absorbierende Schicht auf dem großflächigen Basiselement vorzusehen.
In allen Ausgestaltungen soll in das Sensorsubstrat eintretendes
Licht vor einem Übergang
von Material zu Luft absorbiert werden, um Streulicht zu vermeiden.
-
Dagegen
wird in
DE 100 34
575 A1 vorgeschlagen, unmittelbar unterhalb einer Photosensorenanordnung
oder unterhalb einer diese tragenden Glasschicht einen Reflektor
vorzusehen, der jedes die Photosensoren verfehlende Licht rückreflektiert, damit
es doch noch gemessen werden kann. Der dortige Detektor verfügt über eine
Rücksetzlichtquelle, deren
Licht die Reflektorschicht durchdringen kann.
-
DE 198 42 474 A1 betrifft
einen Strahlungswandler, bei dem einem Photodetektor im Lichtweg eine
steuerbare Schicht vorgeschaltet wird, die den Lichteinfall auf
den Detektor selektiv vermeiden kann.
-
Der
Erfindung liegt damit das Problem zugrunde einen Festkörperstrahlungsdetektor
anzugeben, bei dem trotz einer Verringerung des ”low frequency drop”, der seine
Ursache in dem Auftreten von Streueffekten der konvertierten Strahlung
hat, durch eine absorbierende Schicht dennoch auf einfache Weise
eine effektive Nutzung einer Rücksetzlichtquelle
möglich
ist.
-
Zur
Lösung
dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Festkörperstrahlungsdetektot mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
-
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, eintreten.
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 zudem möglichen
Streuanteil innerhalb der Szintillatorschicht selbst hinzutritt,
ist nicht vernachlässigbar.
-
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.
-
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 anpassbar sein.
-
Um
dies zu erreichen, ist die Schicht in ihrem Absorptionsverhalten
veränderbar
oder schaltbar, 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.
-
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.
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 einen
nicht zur Erfindung gehörenden Festkörperstrahlungsdetektor
einer ersten Ausführungsform,
-
2 einen
erfindungsgemäßen Festkörperstrahlungsdetektor
einer zweiten Ausführungsform
mit Rücksetzlichtquelle,
und
-
3 einen
Festkörperstrahlungsdetektor gemäß dem Stand
der Technik.
-
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
Fotodioden befinden sich transparente Bereiche 7, über die
die Fotodioden gegeneinander isoliert sind. Die Pixelmatrix 3 ist
auf einem Träger 8,
hier einem Glassubstrat, angeordnet.
-
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.
-
Ein
nicht zur Erfindung gehörender
Festkörperstrahlungsdetektor 13 einer
ersten Ausführungsform
weist ebenfalls eine Szintillatorschicht 14, eine mit dieser
gekoppelte Pixelmat rix 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. Reflexion innerhalb des Trägers 20 und daraus
resultierend die mögliche
Fehleinkopplung in Fotodioden an anderer Stelle ist hierüber ausgeschlossen.
-
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.
-
2 zeigt
einen 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.