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Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor zur Aufnahme digitaler Röntgenabbildungen mit einer aktiven Detektormatrix.
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In der Röntgenbildgebung sind Röntgendetektoren zur Aufnahme von digitalen Röntgenabbildungen eines Objektes bekannt, bei denen eine Röntgenstrahlung durch eine Szintillator-Schicht oder eine Direktkonverterschicht umgewandelt wird und anschließend als elektrische Ladung mittels einer aus einer Vielzahl von Pixel-Ausleseelementen aufgebauten aktiven Detektormatrix, beispielsweise aus amorphem Silizium (a-Si), elektronisch ausgelesen, analog-digital gewandelt und als so genanntes Röntgen-Rohbild für die Abbildungserstellung weiterverarbeitet wird. Häufig sind derartige Röntgendetektoren als Flachdetektoren ausgebildet.
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Viele digitale Röntgendetektoren zeigen eine Verlustleistung, die einen starken Anstieg der Temperatur bzw. thermische Schwankungen des Röntgendetektors und seiner Komponenten bewirkt. Durch den Temperaturanstieg bzw. durch die thermischen Schwankungen wird zum Beispiel eine negative Beeinflussung der Detektorelektronik hervorgerufen, die sich in starkem elektronischem Rauschen und geringem Signal/Rausch-Verhältnis (S/N) äußern kann.
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Des Weiteren führen Temperaturanstiege und -schwankungen zu Offsetstrukturen und Sensitivitätsunterschieden vor allem an Rand- und Übergangsbereichen des Röntgendetektors. Letzteres kann zum Beispiel durch temperaturbedingte Ausweitung oder Schrumpfung von Kleber an Kontaktstellen zwischen einer Szintillator-Schicht und der aktiven Matrix oder zwischen verschiedenen aneinander geklebten Detektorplatten der aktiven Matrix zustande kommen. Im Allgemeinen führen Temperaturanstiege und -schwankungen zu einer verminderten Bildqualität von Röntgenbildern. Dies ist besonders bei dynamischen Röntgenanwendungen mit rasch hintereinander aufgenommenen Bildserien kritisch. Eine derartige dynamische Röntgenanwendung ist zum Beispiel die Digitale Subtraktionsangiographie (DSA).
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Aus der
DE 101 32 924 A1 ist ein Strahlungsdetektor mit einer Umwandlungsanordnung (zum Beispiel Szintillator und Photosensoren) bekannt, die auf einem Glassubstrat angeordnet ist und von einer Rückseitenbeleuchtung beleuchtet werden kann. Dabei ist zwischen dem Glassubstrat und der Rückseitenbeleuchtung eine tragende Schicht angeordnet, die eine entsprechende Wärmleitfähigkeit aufweist, um die darüber angeordneten Schichten zu tragen.
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Aus der
WO 99/63364 ist ein Strahlungsdetektor mit einem Szintillator und einem Photodiodenarray bekannt, wobei zwischen den beiden Elementen eine thermisch leitfähige Schicht angeordnet sein kann, die zur Kühlung des Photodiodenarrays verwendet werden kann.
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Die
US 5 171 996 A offenbart einen Strahlungsdetektor, bei dem zwischen einer lumineszenten Schicht und einer Photodiodenschicht eine elektrisch leitfähige Schicht, zum Beispiel aus Indiumzinnoxid angeordnet ist.
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Die
US 6 323 891 B1 beschreibt eine Abbildungsvorrichtung mit einem Substrat, auf welchem mit einer Halbleitervorrichtung verbundene photoelektrische Übertragungselemente eines Übertragungsteils angeordnet sind. Eine erste, mit der Halbleitervorrichtung in Kontakt stehende thermische Vorrichtung dient zum Kühlen des photoelektrischen Übertragungsteils, auf welchem eine feuchtigkeitsfeste Folie vorgesehen ist. Letztere wird dabei mittels einer zweiten thermischen Vorrichtung gekühlt.
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Einige Röntgendetektoren besitzen eine aktive Luft – oder Wasserkühlung, um Temperaturanstiege bzw. -schwankungen zu verhindern. Aus der
JP 11271456 A ist zum Beispiel ein unterhalb des Substrats angebrachtes Peltierelement mit Lamellen bekannt, das zusammen mit einem Ventilator den Röntgendetektor kühlt. Derartige Kühlungen sind jedoch häufig aufwändig und nur wenig mit einer möglichst geringen Detektordicke vereinbar. Außerdem ist es bekannt, durch thermische Einflüsse verursachte Einbußen der Röntgenbildqualität durch nachträgliche elektronische Korrekturen wieder aus dem Bild zu entfernen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem digitalen Röntgendetektor, insbesondere einem für dynamische Anwendungen vorgesehenen Röntgendetektor, eine Beeinträchtigung der Bildqualität durch Temperatureinflüsse zu verringern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei einem digitalen Röntgendetektor gemäß Anspruch 1; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die aktive Detektormatrix die thermisch sensitivste Komponente des Röntgendetektors darstellt. Ein direkt mit der aktiven Detektormatrix flächenhaft thermisch gekoppeltes flächiges Element, welches selbst thermisch leitfähig ist, gewährleistet eine zuverlässige Wärmeableitung von der aktiven Detektormatrix und damit eine homogene Temperatur der aktiven Detektormatrix. Das Flächenelement ist zudem zur Wärmeableitung von der aktiven Detektormatrix thermisch mit einem Gehäuse gekoppelt. Entsprechend ist durch die Erfindung auch bei hoher Verlustleistung und dadurch erzeugten starken Erwärmungen eine gute Bildqualität der Röntgenbilder gewährleistet. Zusätzlich ist ein erfindungsgemäßes Flächenelement bei der Fertigung des Röntgendetektors einfach und kostengünstig baulich integrierbar. Dabei wird das Flächenelement von einer transparenten Wärmeleitfolie gebildet. Derartige Wärmeleitfolien sind in stabiler und dünner Ausführung verfügbar, so dass höchstens eine geringe Zunahme der Dicke des Röntgendetektors erfolgt. Zusätzlich sind Wärmeleitfolien maßgenau fertigbar und damit mit geringem Aufwand an den jeweiligen Röntgendetektor anpassbar. Die transparente Ausbildung des Flächenelements gewährleistet einen ungehinderten Durchtritt von Licht durch das Flächenelement, was zum Beispiel für das Rücksetzen von Traps in der aktiven Detektormatrix wichtig ist.
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In vorteilhafter Weise für einen störungsfreien Betrieb des Röntgendetektors ist das Flächenelement zwischen der aktiven Detektormatrix und einem die aktive Detektormatrix tragenden Substrat angeordnet. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Flächenelement zwischen dem Szintillator und der aktiven Detektormatrix angeordnet.
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In vorteilhafter Weise für eine besonders homogene Temperatur der aktiven Detektormatrix und für eine besonders effektive Wärmeableitung ist das Flächenelement über die gesamte Fläche der aktiven Detektormatrix mit dieser thermisch gekoppelt.
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Zweckmäßigerweise für einen besonders dünn ausgebildeten Röntgendetektor weist das Flächenelement eine Dicke von höchstens 300 μm auf. Zweckmäßigerweise für eine flexible Einsetzbarkeit weist das Flächenelement mindestens einen thermischen Nutzungsbereich zwischen –50°C und 150°C auf.
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In vorteilhafter Weise kann durch die Erfindung bei Röntgendetektoren für dynamische Röntgenanwendungen, insbesondere bei Röntgendetektoren zur Aufnahme von Bildserien, auf unpraktische Wasserkühlungen und aufwändige thermische Korrekturen verzichtet werden und dennoch eine sehr gute Bildqualität erzielt werden. Dies gilt insbesondere auch bei Röntgendetektoren, deren aktive Detektormatrix aus mindestens zwei Detektorplatten zusammengesetzt ist.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Röntgendetektor als mobiler Flachdetektor ausgebildet. Im Falle eines mobilen Röntgendetektors ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen thermisch leitfähigen Flächenelementes besonders vorteilhaft, weil durch dessen geringes Gewicht keine Beeinträchtigung der Mobilität des Flachdetektors hervorgerufen wird.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt; es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines aufgeschnittenen digitalen Röntgendetektors nach dem Stand der Technik;
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2 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen digitalen Röntgendetektors mit einer thermischen Wärmeleitfolie;
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3 eine weitere Seitenansicht eines erfindungsgemäßen digitalen Röntgendetektors mit einer seitlich erweiterten thermischen Wärmeleitfolie;
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4 eine Draufsicht auf die Wärmeleitfolie gemäß 3;
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5 eine weitere Seitenansicht eines erfindungsgemäßen digitalen Röntgendetektors mit zwei seitlich erweiterten thermischen Wärmeleitfolien;
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6 eine Draufsicht auf die Wärmeleitfolien gemäß 5;
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7 ein Röntgensystem für dynamische Röntgenanwendungen mit einem erfindungsgemäßen Röntgendetektor.
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1 zeigt einen bekannten Röntgendetektor 8, welcher als wesentliche Komponenten eine aktive Detektormatrix 2, einen Szintillator 1, ein Glassubstrat 3, ein Rücksetzlichtboard 5 und ein Gehäuse 6 aufweist. Weitere Komponenten wie ein Elektronikboard, eine Energieversorgungseinheit, eine Kommunikationseinheit und eine Korrektureinheit sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Anstelle eines Szintillators kann ein Röntgendetektor auch eine Direktkonverterschicht aufweisen.
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Trifft eine Röntgenstrahlung 7 auf den Szintillator 1, so wird sie dort in Licht umgewandelt. Das Licht wiederum wird in der aktiven Detektormatrix 2 in elektrische Ladung umgewandelt und gespeichert, um anschließend ausgelesen und weiterverarbeitet zu werden. Die aktive Detektormatrix 2 besteht üblicherweise aus einer oder mehreren Detektorplatten, im gezeigten Fall aus einer ersten Detektorplatte 2.1 und einer zweiten Detektorplatte 2.2, welche mittels Kleber 4 aneinandergeklebt (gebuttet) und gemeinsam auf einem stabilisierenden Glassubstrat 3 befestigt sind. Die Detektorplatten 2.1, 2.2 selbst sind aus vielen kleinen, matrixartig angeordneten Pixel-Ausleseelementen aufgebaut und bestehen zum Beispiel aus amorphem Silizium.
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In Richtung der einfallenden Röntgenstrahlung 7 unterhalb des transparenten Glassubstrats 3 ist das Rücksetzlichtboard 5 angeordnet. Es dient dazu, durch Beleuchtung der aktiven Detektormatrix Traps in dem Halbleitermaterial zu reduzieren und so Geisterbildeffekte und Artefakte zu vermeiden. Der bekannte Röntgendetektor 8 ist von einem Gehäuse 6 umfasst.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßer Röntgendetektor 10 gezeigt, welcher zusätzlich zu den bekannten Komponenten ein thermisch leitfähiges Flächenelement in Form einer Wärmeleitfolie 9 aufweist. Die Wärmeleitfolie 9 ist schichtartig zwischen der aktiven Detektormatrix 2 und dem Glassubstrat 3 angeordnet und erstreckt sich über die gesamte Fläche der aktiven Detektormatrix 2. Die Wärmeleitfolie 9 ist in vorteilhafter Weise für eine unbeeinträchtigte Durchleuchtung zum Beispiel durch das Rücksetzlichtboard 5 transparent ausgebildet.
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Die Wärmeleitfolie 9 ist zum Beispiel über ein flexibles Wärmeleitband 11 mit dem Gehäuse 6 oder mit einer in dem Gehäuse 6 angeordneten Wärmeleitschicht 12 in thermischem Kontakt, so dass Wärme von der aktiven Detektormatrix 2 zu dem Gehäuse geleitet wird. Von dort aus kann die Wärme dann abgeführt oder zu einem Kühlsystem geleitet werden. Alternativ kann die Wärme auch zu einem innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 6 angeordneten Kühlelement geleitet werden.
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Ein Beispiel für eine Wärmeleitfolie 9 ist die kommerziell erhältliche Wärmeleitfolie Transterm 1500-10 der Firma Nanotec mit einem Wärmewiderstand von 0,25 C/Watt.
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In 3 und 4 ist eine Alternative der Erfindung mit einer Wärmeleitfolie 9, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten über die Erstreckung der aktiven Detektormatrix 2 verlängert ist, gezeigt. Die beiden verlängerten Endstücke 9.1 der Wärmeleitfolie 9 sind derart mit dem Gehäuse 6 verbunden, dass ein thermischer Kontakt zwischen Gehäuse 6 und Wärmeleitfolie 9 besteht. 5 und 6 zeigen eine weitere Alternative der Erfindung mit zwei übereinander angeordneten Wärmeleitfolien 9, die derartig gekreuzt angeordnet sind, dass jedes ihrer Endstücke 9.1 mit einer der vier Seiten des Gehäuses 6 in thermischem Kontakt steht. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse 6 zur Aufnahme von Wärme ausgebildet, so dass die Wärme ableitende Oberfläche größer und damit die Wärmeableitung effektiver ist.
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7 zeigt als Beispiel ein Röntgensystem mit einem C-Bogen 13 und einer Steuerungseinrichtung 16, das für dynamische Röntgenanwendung vorgesehen ist. An dem C-Bogen 13 ist eine Röntgenquelle 14 und der erfindungsgemäße Röntgendetektor 10 befestigt und der C-Bogen 13 ist um mindestens eine Achse drehbar angeordnet, so dass Bildserien in verschiedenen Positionen des C-Bogens 13 aufgenommen werden können.
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Die Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen: Zur Verringerung störender Temperatureinflüssen auf die Qualität von Röntgenbildern ist bei einem Röntgendetektor 10, insbesondere bei einem für dynamische Anwendungen vorgesehenen Röntgendetektor, zur Aufnahme digitaler Röntgenabbildungen mit einer aktiven Detektormatrix 2 mindestens ein thermisch leitfähiges flächiges Element vorgesehen, welches mit der aktiven Detektormatrix 2 zur Wärmeableitung flächenhaft thermisch gekoppelt ist; nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Flächenelement zwischen der aktiven Detektormatrix 2 und einem diese tragenden Substrat 3 angeordnet und als Wärmeleitfolie 9 ausgebildet.
