DE102006029104A1

DE102006029104A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion der Polarisierung in einer bildgebenden Einrichtung

Info

Publication number: DE102006029104A1
Application number: DE102006029104A
Authority: DE
Inventors: Ira Blevis
Original assignee: GE Medical Systems Israel Ltd
Current assignee: GE Medical Systems Israel Ltd
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2007-01-18
Also published as: CN1895171B; JP2007000626A; CN1895171A; US20060289773A1; IL176405A; US7312458B2; IL176405A0; JP5010190B2

Abstract

Das Verfahren zur Reduktion der Polarisierung in einem bildgebenden Bauelement (10) beinhaltet das Anbringen wenigstens eines Sperrkontakts (300) an dem bildgebenden Bauelement und das Erwärmen des bildgebenden Bauelements zur Erleichterung der Reduktion der Polarisierung in dem bildgebenden Bauelement.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gegenstand dieser Erfindung sind allgemein bildgebende Systeme mit gepixelten Detektoren und insbesondere gepixelte Halbleiterdetektoren in bildgebenden Systemen.

Bildgebende Einrichtungen, wie beispielsweise Gamma-Kameras und Computertomographiebildgebungssysteme (CT) werden auf dem Gebiet der Medizin dazu verwendet, radioaktive Emissionsereignisse, beispielsweise Gamma-Strahlen im Bereich von 140 keV, die von einem Objekt, wie beispielsweise einem Patienten ausgehen, zu erfassen, und um Röntgenstrahlen zu erfassen, die durch das Objekt entsprechend nicht gedämpft worden sind. Ein typischerweise in der Form eines Bilds vorliegendes Ausgangssignal, das die Verteilung der Emissionsursprünge innerhalb des Objekts und/oder die Verteilung der Dämpfung des Objekts graphisch veranschaulicht, wird aus diesen Detektionen gebildet. Eine bildgebende Einrichtung kann einen oder mehrere Detektoren aufweisen, die die Anzahl der Emissionen erfassen sowie einen oder mehrere Detektoren zur Erfassung der Röntgenstrahlung, die das Objekt passiert hat. Jede erfasste Emission und jeder Röntgenstrahl kann als ein „Zählwert" oder „Count" angesehen werden, wobei die erfassten Emissionen auch als „Signalstrom" zusammengezählt werden können. Der Detektor bestimmt außerdem die Anzahl der in unterschiedlichen räumlichen Positionen empfangenen Counts. Die bildgebende Einrichtung nutzt dann die positionsabhängigen entsprechenden Counts zur Bestimmung der Verteilung der Gam ma-Quellen und Röntgenstrahlendämpfern, typischerweise in Form eines graphischen Bilds mit verschiedenen Farben oder Schattierungen, die die verarbeiteten entsprechenden Counts repräsentieren.

Ein gepixelter beispielsweise aus Cadmium-Zink-Tellurid (CZT) hergestellter Halbleiterdetektor kann eine kostengünstige Basis zur Erfassung der Gamma-Strahlen und Röntgenstrahlen bilden. Speziell enthält wenigstens ein bekanntes Bildgebungssystem einen Raumtemperatur-Halbleiterstrahlungsdetektor (RTD), der dazu verwendet wird, ein Bild mit einer höheren Bildqualität zu erzeugen. Während des Betriebs wandelt der RTD Strahlungsphotonen in eine elektrische Ladung (Q) unter Ausnutzung des photoelektrischen Effekts, des Compton-Effekts und/oder der Elektronen-Elektronen-Streuung. Die direkte Umsetzung von Photonen in eine elektrische Ladung erleichtert den Verzicht auf die Schritte der Lichterzeugung und Lichterfassung und der entsprechenden Ineffizienz, die mit der bekannten Szintillatortechnologie einhergeht. Jedoch müssen RTDs, um bei Raumtemperatur zu arbeiten, ausreichend große Energiebandlücken (BG) haben, um die Anzahl von freien Ladungsträgern (N) in dem Material zu vermindern und das Anlegen einer hohen Vorspannung (Vorspannungshochspannung HV) zu ermöglichen. Dies gestattet die Erfassung von Signalpulsen ohne Erzeugung eines elektrischen Hintergrundstroms, der hier als Dunkelstrom (I_d) bezeichnet wird. Während des Betriebs kann der Dunkelstrom die Ausleseelektronik sättigen und/oder das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) bei der Messung einer elektrischen Signalladung (Q) reduzieren. Zur Messung der elektrischen Signalladung (Q) sind Elektroden und Elektronik auf den Oberflächen des RTD angebracht. Vorausgesetzt, dass die Ladungsbeweglichkeit (μ) und die Ladungsträgerrekombinationszeit (τ) hoch genug sind, verursacht die vorspannende Hochspannung die Erfassung der elektrischen Ladung (Q) an den Elektroden und mit der Elektronik.

Jedoch können bekannte Detektoren, die unter Verwendung von Cadmium-Zink-Tellurid-Material (CZT) hergestellt werden, einen Dunkelstrom (I_d) aufweisen, der durch die größere Bandlücke nicht ausreichend unter Kontrolle gebracht ist. Entsprechend weisen wenigstens einige bekannte bildgebende Systeme ein Kühlsystem auf, das dazu dient, die freien Ladungsträger (N) und/oder den Dunkelstrom (I_d) zu reduzieren. Beispielsweise weist wenigstens ein bekanntes bildgebendes System ein Kühlsystem auf, das flüssigen Stickstoff zur Reduktion der freien Ladungsträger (N) und/oder zur Reduktion des Dunkelstroms (I_d) nutzt. Jedoch ist die Verwendung eines flüssigen stickstoffnutzenden Systems zur Anwendung in einem kommerziellen bildgebenden System generell unpraktisch. Ein anderes bekanntes System nutzt zirkulierendes gekühltes Wasser, um die Temperatur der Elektronik und des CZT unter Kontrolle zu bringen, wobei dies im Hinblick auf den Konstruktionsaufwand und die Sicherheit wesentlichen Einfluss hat. Außerdem nutzt wenigstens ein bekanntes bildgebendes System ein Peltier-Element zur Reduktion der freien Ladungsträger (N) und/oder zur Reduktion des Dunkelstroms (I_d) was die Vermeidung der nachteiligen Erhöhung des Dunkelstroms (I_d) erleichtert, der in Folge der Wärme benachbarter Objekte, wie beispielsweise der Elektronik erleichtern kann. Während bekannte Kühlsysteme entsprechend einen positiven Effekt auf die Reduktion des Dunkelstroms (I_d) haben, können die Kühlsysteme einen nachteiligen Effekt auf die Ladungsträgermobilität (μ) und die Ladungsträgerlebensdauer (τ) haben.

Wenn beispielsweise die Anzahl der Unreinheiten und Bandkantenzustände sich innerhalb der an sich halbleitenden Einrichtung, d.h. der reduced grade detectors und/oder der dotierten Halbleitereinrichtungen erhöht, kann Kühlung die Ladungsträgerbeweglichkeit (μ) und die Ladungsträgerlebensdauer (τ) vermindern, indem die Wechselwirkung der elektrischen Ladung (Q) mit diesen lokalen Zuständen erhöht wird, die als flache oder tiefe Fallen bezeichnet werden. Im Speziellen können solche Fallen der beschränkende Faktor sein, wenn das Halbleiterbauelement unter Verwendung von Cadmium-Zink-Tellurid-Material (CZT) hergestellt wird, indem das Produkt aus der Ladungsträgerbeweglichkeit (μ) und der Ladungsträgerlebensdauer (τ) marginal ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Nach einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Reduktion der Polarisierung in einem Bilderfassungselement geschaffen. Das Verfahren beinhaltet den Anschluss wenigstens eines Sperrkontakts an das Bilderfassungselement und das Erwärmen des Bilderfassungselements, um die Reduktion der Polarisierung in dem Bilderfassungselement zu erleichtern.

Nach einem anderen Aspekt ist ein Bilderfassungselement geschaffen. Das Bilderfassungselement enthält ein Substrat, einen an das Substrat angekoppelten Sperrkontakt und eine Wärmequelle, die dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Substrats zu erhöhen, um die Reduktion der Polarisierung in dem Bilderfassungselement zu erleichtern.

Nach einem weiteren Aspekt ist ein Bilderfassungssystem geschaffen. Das Bilderfassungssystem beinhaltet eine Strahlungsquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Photonenfluss zu emittieren, wobei das Bilderfassungselement dazu einge richtet ist, diesen Photonenfluss zu empfangen und basierend auf dem Photonenfluss eine Reaktion zu zeigen, bzw. ein Antwortsignal zu generieren, wobei das Bilderfassungselement ein Substrat, das unter Verwendung von Cadmium-Zink-Tellurid (CZT) erzeugt worden ist, einen an das Substrat angekoppelten Sperrkontakt und eine Wärmequelle beinhaltet, die dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Substrats zu erhöhen, um in dem Bilderfassungselement die Reduktion der Polarisierung zu erleichtern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine bildliche Darstellung eines bildgebenden CT-Systems.
2 ist ein Blockbild des in 1 veranschaulichten Systems.
3 ist eine Querschnittsansicht eines exemplarischen Strahlungsdetektors mit einer Anzahl von gepixelten Halbleiterdetektorelementen und
4 ist ein Flussbild, das ein exemplarisches Verfahren zur Polarisationsreduktion in dem in 1 gezeigten Detektor veranschaulicht.
5 ist eine Querschnittsansicht des in 1 veranschaulichten Strahlungsdetektors, der eine exemplarische Ausführungsform einer Wärmequelle und einen exemplarischen Sperrkontakt enthält.
6 ist eine perspektivische Ansicht des in 3 gezeigten Strahlungsdetektors, der eine exemplarische Isolationsabdeckung enthält.
7 ist eine Draufsicht des in 4 gezeigten Strahlungsdetektors.
8 ist eine graphische Veranschaulichung des Detektors nach 3 während normalen Betriebs.
9 ist eine graphische Veranschaulichung eines bekannten Detektors bei normalem Betrieb und
10 ist eine graphische Veranschaulichung des in 4 gezeigten Detektors bei normalem Betrieb.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die 1 und 2 veranschaulichen ein exemplarisches Bildgebungssystem, das beispielsweise als bildgebendes Computertomographiesystem (CT) ausgebildet ist. Das veranschaulichte System 10 enthält eine Gantry 12, die stellvertretend für ein CT-Bildgebungssystem der dritten Generation steht. Die Gantry 12 weist eine Röntgenröhre 14 (hier auch als Röntgenstrahlungsquelle 14 bezeichnet) auf, die einen Strahl aus Röntgenstrahlen 16 auf ein Detektorarray 18 an der gegenüber liegenden Seite der Gantry 12 wirft. Das Detektorarray 18 wird durch eine Anzahl von (nicht veranschaulichten) Detektorreihen gebildet, die eine Anzahl von Detektorelementen 20 enthalten, die gemeinsam die projizierten Röntgenstrahlen erfassen, die ein Objekt zwischen dem Array 18 und der Quelle 14, wie beispielsweise einen medizinischen Patienten 22 pas sieren. Jedes Detektorelement 20 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität des auftreffenden Röntgenstrahls repräsentiert und somit zur Einschätzung der Abschwächung des Strahls auf seinem Weg durch ein Objekt oder einen Patienten 22 genutzt werden kann. Während eines Scans zur Akquisition von Röntgenprojektionsdaten rotieren die Gantry 12 und die an ihr befestigten Komponenten um ein Drehzentrum 24. 2 veranschaulicht nur eine einzelne Reihe von Detektorelementen 20 (d.h. eine Detektorreihe). Jedoch enthält ein Mehrschichtdetektorarray 18 eine Vielzahl von zueinander parallelen Detektorreihen aus Detektorelementen 20, so dass bei einem Scan gleichzeitig Projektionsdaten akquiriert werden können, die einer Vielzahl von quasi parallelen oder parallelen Schnitten entsprechen.
Die Drehung der Komponenten an der Gantry 12 und der Betrieb der Röntgenstrahlungsquelle 14 kann durch einen Steuermechanismus 26 des CT-Systems 10 gesteuert werden. Der Steuermechanismus 26 enthält einen Röntgencontroller 28, der Leistungs- und Zeitgebungssignale an die Röntgenstrahlungsquelle 14 liefert, sowie einen Gantrymotorcontroller 30, der die Drehzahl und die Position der Komponenten an der Gantry 12 steuert. Ein in dem Steuermechanismus 26 vorgesehenes Datenakquisitionssystem (DAS) 32 tastet Daten von den Detektorelementen 20 ab und konvertiert diese Daten in Digitalsignale zur nachfolgenden Verarbeitung. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 34 empfängt gesampelte (abgetastete) und digitalisierte Röntgenstrahlungsdaten von dem DAS 32 und führt eine Hochgeschwindigkeitsbildrekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild wird als Ausgangssignal an einen Computer 36 geliefert, der das Bild in einer Speichereinrichtung 38 abspeichert. Die Bildrekonstruktionseinrichtung 34 kann eine spezialisierte Hardware oder auch Computerprogramme sein, die auf dem Computer 36 ausgeführt werden.
Der Computer 36 empfängt über eine Konsole 40, die eine Tastatur aufweist, Befehle und Scanparameter von einem Bediener. Ein zugehöriges Display 42, beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre oder eine andere geeignete Wiedergabeeinrichtung gestattet es dem Bediener, das rekonstruierte Bild und andere Daten von dem Computer 36 zu betrachten. Die von dem Bediener gegebenen Befehle und gelieferten Parameter werden von dem Computer 36 genutzt, um Steuersignale und Information an das DAS 32, den Röntgenstrahlungscontroller 28 und den Gantrymotorcontroller 30 zu liefern. Zusätzlich bedient der Computer 36 einen Tischmotorcontroller 44, der einen motorisierten Tisch 46 steuert, um den Patienten 22 in der Gantry 12 zu positionieren. Insbesondere bewegt der Tisch 46 Teile des Patienten 22 durch die Gantryöffnung 48.
In einer anderen Ausführungsform enthält der Computer 36 eine Instruktionslese- oder -empfangseinrichtung 50, beispielsweise ein Diskettenlaufwerk, ein CD-Rom-Laufwerk, ein DVD-Laufwerk, ein Laufwerk für magneto-optische Scheiben (MOD) oder irgendeine andere digitale Einrichtung einschließlich beispielsweise einer Netzwerkverbindungseinrichtung, wie beispielsweise eine Ethernet-Karte zum Lesen von Instruktionen und/oder Daten von einem computerlesbaren Medium 52, wie beispielsweise einer Diskette, einer CD-Rom, einer DVD oder einer anderen Digitaldatenquelle, wie beispielsweise ein Netzwerk oder dem Internet sowie auch von noch zu entwickelnden digitalen Medien oder Mitteln. In einer anderen Ausführungsform führt der Computer 36 Instruktionen aus, die in Firmware gespeichert sind (nicht veranschaulicht). Der Computer 36 ist dazu programmiert, die hier beschriebenen Funktio nen auszuführen und wie hier gebraucht ist der Begriff „Computer" nicht ausschließlich auf solche auf dem Gebiet der Computertechnik als Computer bezeichneten integrierten Schaltungen gerichtet, sondern bezieht sich breit auf Computer, Prozessoren, Mikrocontroller, Mikrocomputer, programmierbare logische Controller, anwenderspezifische integrierte Schaltungen und andere programmierbare Schaltungen, wobei diese Begriffe austauschbar benutzt werden. Obwohl die oben erwähnte spezifische Ausführungsform sich auf ein CT-System der dritten. Generation bezieht, können die hier beschriebenen Verfahren gleichermaßen an CT-Systemen der vierten Generation (stationärer Detektor – rotierende Röntgenstrahlungsquelle) und der fünften Generation (stationärer Detektor und stationäre Röntgenstrahlungsquelle) angewendet werden. Zusätzlich wird in Betracht gezogen, dass der mit der Erfindung verbundene Nutzen auch bei Anwendungen auftritt, die keine CT-Anwendungen sind. Zusätzlich wird in Betracht gezogen, dass der mit der Erfindung verbundene Nutzen, obwohl die Verfahren und die Vorrichtungen hier in Verbindung mit Computertomographiebildgebungssystemen beschrieben sind, auch bei anderen medizinischen und nicht medizinischen Bildgebungssystemen auftreten, wie bei einer Gamma-Kamera und/oder solchen Systemen, die typischerweise in einer industriellen Umgebung oder in der Transportwirtschaft zum nicht zerstörenden Testen angewendet werden, wie beispielsweise Gepäckscanner am Flughafen oder anderem Verkehrszentrum, wobei die Erfindung auch darauf nicht beschränkt ist.
3 ist eine Querschnittsansicht eines exemplarischen Bilddetektorelements 100, das in einem Bildgebungssystem 10 verwendet werden kann und gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist, wobei es eine Anzahl von gepixelten Halbleiterdetektorelementen 102 aufweist, die bei spielsweise zur Lokalisierung eines Strahlungswechselwirkungsereignisses in dem Detektor genutzt werden kann, und es weist ein Detektorsubstrat 104 auf. Der Detektor 100 kann aus einem strahlungsempfindlichen Halbleitermaterial, wie beispielsweise Cadmium-Zink-Tellurid-Kristallen (CZT) gebildet sein. Die Detektorelemente 102 können auf dem Substrat 104 durch Pixelung einer entsprechenden Anzahl von Pixelelektroden 108 gebildet werden, die hier auch als Anoden bezeichnet werden, die mit einer ersten Fläche 110 des Detektorsubstrats 104 verbunden sind (das als eine untere Fläche veranschaulicht ist). Die Querschnittsgröße und die Form der Pixelelektroden 108 und ein Abstand zwischen allen Pixelelektroden 108 erleichtert die Bestimmung des Orts und der Größe jedes gepixelten Detektorelements 102. Speziell ist jedes Pixeldetektorelement 102 nahe einer zweiten (als eine obere Fläche) veranschaulichten Fläche 112 des Detektorsubstrats 104 im Wesentlichen ausgerichtet mit einer Längsachse 114 einer entsprechenden Pixelelektrode 108 angeordnet. Durch die Größe und die Beabstandung der einzelnen Pixeldetektorelemente 102 wird eine dem Detektor 100 innewohnende räumliche Auflösung festgelegt.
Jedoch kann bei der exemplarischen Ausführungsform die zweite Fläche 112 im Wesentlichen durch eine einzige Kathodenelektrode 154 abgedeckt sein. Die erste Fläche 110 enthält ein rechteckiges (oder hexagonales oder anderweitiges) Array kleiner, beispielsweise zwischen ungefähr einem Quadratmillimeter (mm²) und ungefähr zehn mm² messender, im Wesentlichen rechteckiger Pixelelektroden 108, die als Anoden konfiguriert sind. Eine zwischen die Pixelelektroden 108 und die Kathodenelektrode 154 angelegte Spannungsdifferenz erzeugt während des Betriebs ein elektrisches Feld (Detektorfeld) in dem Substrat 104. Das Detektorfeld kann beispielsweise ungefähr ein Kilovolt pro Zentimeter bis drei Kilovolt pro Zentimeter betragen. Obwohl die Pixelelektroden 108 in der exemplarischen Ausführungsform als im Wesentlichen rechteckig beschrieben worden sind, soll diese Form nicht einschränkend verstanden werden, sondern es werden andere Formen von Pixelelektroden 108 ebenso in Betracht gezogen wie beispielsweise runde oder flächenfüllende Formen.
In Betrieb wird von einer Quelle 150 ein unkollimierter Photonenfluss 144, beispielsweise aus Gamma-Emissionsquanten oder durchstrahlenden Röntgenstrahlen 144 auf die zweite Fläche 112 gerichtet. Wenn ein Photon auf das Substrat 104 auftritt, verliert es im Allgemeinen durch Absorption und nachfolgende Ionisierung seine gesamte Energie in dem Substrat 104 und erzeugt ein Paar aus einem beweglichen Elektron 146 und einem Loch 158 in einem kleinen lokalen Bereich des Substrats 104. Durch das Detektorfeld driften die Löcher zur Kathode 154 und die Elektronen 156 driften auf die Pixelelektroden 108, so dass sie an den Pixelelektroden 108 und der Kathode 154 Ladungen induzieren. Die induzierten Ladungen an den Pixelelektroden 108 werden erfasst und identifizieren den Zeitpunkt zu dem ein Photon erfasst worden ist, wie viel Energie das erfasste Photon in dem Substrat 104 abgegeben hat und die Stelle in dem Substrat 104, in der die Photonenwechselwirkung aufgetreten ist, wozu beispielsweise eine Ausleseelektronik 160 benutzt wird. Außerdem kann die induzierte Ladung 154 von der Ausleseelektronik 160 dazu benutzt werden, Timing- und Energieinformation zu ermitteln.
Bei einer alternativen Ausführungsform enthält das Bildgebungsbauelement einen Kollimator (nicht veranschaulicht), der eine Vielzahl von durch den Kollimator definierten Öffnungen aufweist. Während des Betriebs werden Photonen, bei spielsweise Gamma-Emissionsquanten und durchstrahlende Röntgenstrahlen von der Quelle 140 zu und/oder durch den Kollimator gerichtet. Die Photonen werden durch den Kollimator kollimiert, so dass auf die Fläche 112 ein kollimierter Photonenfluss gerichtet wird.
4 ist ein Flussbild, das ein exemplarisches Verfahren 200 zur Erleichterung der Reduktion der Polarisation in dem Detektor 100 veranschaulicht. Die Polarisation ist in der vorliegenden Beschreibung als Ansammlung einer elektrischen Ladung definiert, die in dem Detektor 100 auftritt. Entsprechend erleichtert das Verfahren 200 die Reduktion und/oder Beseitigung von Zuständen, wie beispielsweise Ladungseinfang, der die Polarisation verursacht.
In der exemplarischen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren 200 das Ankoppeln 202 wenigstens eines Sperrkontakts an eine bildgebende Einrichtung und die Beheizung 204 der bilderfassenden Einrichtung zur Erleichterung der Anhebung einer Betriebstemperatur der bildgebenden Einrichtung.
5 ist eine Querschnittsansicht eines exemplarischen Detektors 100, der wenigstens einen Sperrkontakt 300 enthält. Wie hier verwendet, bedeutet Sperrkontakt (Elektrode) einen Kontakt, mit dem Ladungsträger daran gehindert werden, von dem Kontakt ausgehend in das Halbleitermaterial einzudringen, obwohl die angelegte Spannung die Ladungsträger in diese Richtung drängen würde. Beispielsweise kann der Sperrkontakt 300 unter Verwendung von Gold und/oder einer Platinschicht erzeugt werden, die als Kathode auf eine Fläche des Halbleiterdetektors aufgebracht wird und eine Potentialbarriere gegen die Bewegung der Ladungsträger schafft. Somit ist wie bei einem Shottky-Übergang die Trägerbewegung in derjeni gen Richtung erleichtert, die Energie liefert und in der Richtung gehemmt oder gesperrt, die Energie absorbiert. Shottky-Kontakte und Sperrkontakte können auch auf andere Weisen hergestellt werden, wie beispielsweise durch Stapeln von Schichten dotierter Halbleiter oder durch Einbau von Zwischenschichten aus dielektrischem Material, wie beispielsweise Oxiden, sowie durch andere Mittel. Nicht alle Metallelektroden sind Sperrkontakte. Beispielsweise ist eine Indiumkathode kein Sperrkontakt für Elektronen. Eine besondere Eigenschaft der hier beschriebenen Sperrkontakte liegt darin, dass sich mit abnehmender Temperatur des Detektors der Photostrom erhöht. Die Sperrschicht, die zur Beschränkung des Dunkelstroms zweckmäßig ist, liegt für den Fall, dass die Elektronen eine höhere Beweglichkeit haben, auf der Kathodenseite und in dem Fall, dass die positiven Ladungsträger (Löcher) die höhere Beweglichkeit haben, auf der Anodenseite. Bei CZT-Elementen haben die Elektronen die höhere Beweglichkeit. Entsprechend sind die Sperrkontakte 300 an einer Fläche des Detektors 100 angebracht.
In der exemplarischen Ausführungsform enthält der Detektor 100 außerdem eine externe Wärmequelle 310, die darauf eingerichtet ist, die Betriebstemperatur des Detektors 100 zu erhöhen. Beispielsweise wird die Temperatur des Detektors 100 bei normalem Betrieb in Abhängigkeit von der zu der an dem Detektor 100 angebrachten Elektronik und/oder der Umgebungstemperatur, in der der Detektor 100 betrieben wird, entweder erhöht und/oder vermindert. Beispielsweise kann sich die Umgebungstemperatur in dem Untersuchungsraum entweder erhöhen und/oder vermindern, womit die Betriebstemperatur des Detektors 100 entweder erhöht und/oder vermindert wird. Deshalb wird der Begriff Betriebstemperatur des Detektors 100 hier dazu verwendet, die Temperatur des Detektors 100 zu definie ren, der innerhalb einer bekannten Detektorbetriebsumgebung unter typischen Bedingungen betrieben wird.
Entsprechend und in der exemplarischen Ausführungsform enthält der Detektor 100 außerdem eine externe Wärmequelle 310, die dazu eingerichtet ist, die Betriebstemperatur des Detektors 100 auf eine Temperatur anzuheben, die größer ist als die typische Betriebstemperatur. Beispielsweise enthält die Wärmequelle 310 in der exemplarischen Ausführungsform ein Heizelement 312, das auf den Sperrkontakten 300 angeordnet ist. Bei der exemplarischen Ausführungsform beinhaltet das Heizelement 312 eine erste elektrisch isolierende Schicht 314, eine zweite elektrisch isolierende Schicht 316 und ein elektrisches Heizelement 318, das zwischen der ersten und der zweiten Schicht 314 bzw. 316 angeordnet ist. Die erste und die zweite Schicht 314 und 316 sind aus einem Material hergestellt, das optimal darauf eingerichtet ist, von dem Heizelement 318 erzeugte Wärme auf den Detektor 100 zu übertragen und somit die Betriebstemperatur des Detektors 100 zu erhöhen. In der exemplarischen Ausführungsform sind die erste und die zweite Schicht 314 bzw. 316 beispielsweise aus einem relativ dünnen Plastikpolymermaterial hergestellt.
In Betrieb wird das Heizelement 318 aktiviert, so dass die Temperatur des Heizelements 318 erhöht wird. Die Erhöhung der Temperatur des Heizelements 318 erleichtert das Erwärmen der ersten und der zweiten Schicht 314 und 316 durch Wärmeleitung, womit eine Außenfläche des Detektors 100 beheizt wird. In der exemplarischen Ausführungsform wird an das Heizelement 318 eine Spannung angelegt, um die Aktivierung des Heizelements 318 zu bewirken. Speziell wird mit dem Anlegen der Spannung an das Heizelement 318 die Betriebstemperatur des Detektors 100 ebenfalls erhöht. Somit kann die Spannung variiert und automatisch gesteuert oder geregelt werden, um den Detektor 100 bei einer gewünschten Temperatur zu betreiben.
In einer anderen exemplarischen Ausführungsform enthält die Wärmequelle 310 eine Heizeinrichtung 320, die zu dem Detektor 100 benachbart angeordnet ist. In der exemplarischen Ausführungsform enthält die Heizeinrichtung 320 eine elektrische Gebläseeinrichtung 322 und eine Wärmeerzeugungseinrichtung 324. In einer Ausführungsform ist die wärmeerzeugende Einrichtung 324 ein Strahler, der beispielsweise ein relativ warmes durch ihn hindurch fließendes Heizfluid aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist die Wärmeerzeugungseinrichtung 324 ein elektrisches Heizelement, das eine Anzahl von durch es hindurch führenden Öffnungen aufweist.
Während des Betriebs wird die Gebläseeinrichtung 322 so aktiviert, dass wenigstens ein Teil des durch die Gebläseeinrichtung 322 erzeugten Luftstroms durch wärmeerzeugende Element 324 geführt wird, um die Erhöhung der Temperatur des Luftstroms zu bewirken. Die erwärmte Luft wird dann auf eine Außenfläche des Detektors 100 gerichtet, womit eine Außenfläche des Detektors 100 beheizt wird. Bei der exemplarischen Ausführungsform wird die Temperatur in dem Detektor 100 beispielsweise zwischen ungefähr 10°C und ungefähr 100°C gehalten, wobei der konkrete Wert von anderen Materialfaktoren abhängen kann.
6 ist eine Perspektivansicht des Detektors 100, der eine Isolatorschicht 400 enthält, die das Detektorelement 100 wenigstens teilweise umgibt. 7 ist eine Draufsicht auf den Strahlungsdetektor 100 gemäß 6. Spezieller enthält der Detektor 100 eine Bodenfläche 402, eine erste Seite 404, eine zweite Seite 406, eine dritte Seite 408, die der ersten Seite 404 gegenüber liegt, und eine vierte Seite 410, die der zweiten Seite 406 gegenüber liegt. Der Detektor 100 weist außerdem eine obere Fläche 412 auf. In der exemplarischen Ausführungsform ist die obere Fläche 412 wenigstens teilweise durch einen Sperrkontakt 300 abgedeckt, wie hierzu vorstehend beschrieben. In der exemplarischen Ausführungsform ist die Heizeinrichtung 312 auf den Sperrkontakten 300 angeordnet, um eine Erhöhung der Temperatur in dem Detektor 100 zu ermöglichen. Außerdem enthält der Detektor 100 bei der exemplarischen Ausführungsform eine Isolierschicht 400, um zu ermöglichen, dass die unter Nutzung der Heizeinrichtung 312 erzeugte Wärme in dem Detektor 100 gehalten wird. Spezieller können die bodenseitige Fläche 402, die erste Seite 404, die zweite Seite 406, die dritte Seite 408 und/oder die vierte Seite 410 mit einer isolierenden Schicht 400 gedeckt sein, um es zu erleichtern, die Wärme in dem Detektor 100 zu halten. Bei der exemplarischen Ausführungsform sind die bodenseitige Seite 402, die erste Seite 404, die zweite Seite 406, die dritte Seite 408 und/oder die vierte Seite 410 im Wesentlichen mit der Isolierschicht 400 bedeckt, um zu ermöglichen, die Wärme in dem Detektor 100 zu halten. In einer anderen Ausführungsform sind die Bodenseite 402, die erste Seite 404, die zweite Seite 406, die dritte Seite 408, die vierte Seite 410 und die Heizeinrichtung 312, d.h. die obere Seite des Detektors 100 mit Isolierschicht 400 bedeckt, um zu erleichtern, die Wärme in dem Detektor 100 zu halten, d.h. der Detektor 100 und/oder viele Detektoranordnungen sind zusammen oder gesondert vollständig in die Isolierschicht 400 eingebettet. Bei der exemplarischen Ausführungsform wird die Isolierschicht 400, wenn die Isolierschicht 400 dazu benutzt wird, die Oberfläche, auf die die Strahlung auftrifft, beispielsweise die Kathodenseite des Detektors 100 zu bedecken, aus einem Material hergestellt, das für die Strahlung im Wesentlichen durchlässig ist, wobei die Isolierschicht, beispielsweise zwischen zwei Millimetern und fünf Millimetern Dicke aufweist und beispielsweise aus einem Gummischaum besteht.
In einer Ausführungsform ist die Isolatorschicht 400 eine Schaumisolation, die gezielt so bemessen ist, dass sie den Detektor 100 wenigstens teilweise einkapselt. In einer anderen Ausführungsform ist die isolierende Schicht 400 ein isolierendes Tuch, das beispielsweise unter Verwendung eines isolierenden Fasermaterials gebildet worden ist, das wenigstens um einen Abschnitt der Außenflächen des Detektors 100 gewickelt worden ist.
Die Nutzung der Isolierschicht 400 erleichtert, wie hier beschrieben, die Beibehaltung der erhöhten Betriebstemperatur in dem Detektor 100. Beispielsweise wird die Heizeinrichtung 312 während des Betriebs dazu genutzt, die Betriebstemperatur des Detektors 100 auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur anzuheben. Wenn die Temperatur des Detektors die vorbestimmte Temperatur erreicht hat, erleichtert die Isolierschicht 400, dass der Detektor auf der vorbestimmten Temperatur gehalten wird, so dass die durch die Heizeinrichtung 100 verbrauchte Energie reduziert wird, weil die Heizeinrichtung 312 weniger Wärmeverluste in die Betriebsumgebung ausgleichen muss, so dass die Isolierschicht 400 die Reduktion der Detektorwärmeverluste und somit die Reduktion der von dem Detektor 100 einschließlich der Heizeinrichtung 312 verbrauchten gesamten Energie erleichtert. Die Isolation macht es außerdem leichter, die Temperatur durch Sensoren und Steuerschaltungen zu kontrollieren bzw. zu regeln.
8 ist ein Graph gemessener Daten eines Detektors 100 mit einem Sperrkontakt 300, der unter Verwendung der Wärmequelle 310 (veranschaulicht in 5) beheizt ist. Die X-Achse ist die Größe des auftreffenden Strahlungsflusses, gemessen durch den Röntgengeneratorstrom-Steuerparameter. Die Y-Achse ist die gemessene Zählrate in dem Detektor. Es sind die Reaktionskurven verschiedener Pixel 102, 108 und 160 veranschaulicht. Bei einer relativ niedrigen Temperatur, beispielsweise 26°C, fällt die gemessene Zählrate (kcps) bei relativ hohem Fluss auf nahe Null, wobei bei einer relativ hohen Temperatur (ungefähr 60°C) sich die gemessene Zählrate als eine Funktion des auftreffenden Flusses (I_x) fortgesetzt erhöht.
9 ist ein Graph des Fotostroms bei einem bekannten Detektor bei Normalbetrieb. Der Fotostrom ist eine Kombination des Signalstroms, der den durch absorbiertes Gamma- oder Röntgenphotonen erzeugten Ladungen zuzuordnen ist, mit dem Dunkelstrom. Bei Detektoren, die im Handel als Ohmsche Detektoren bekannt sind, erhöht sich der Dunkelstrom mit dem Fluss, wobei dieses Phänomen manchmal als Photoleitfähigkeitsgewinn bezeichnet wird. Der Beitrag des Dunkelstroms zu dem Photostrom verursacht die gleichen Probleme der Verstärkerüberlastung und signalabhängiger Erwärmung, die oben für den Dunkelstrom allein beschrieben worden sind. 10 ist ein gemessener Graph des Detektors 100, der einen reduzierten Photostrom unter den Bedingungen hohen Strahlungsflusses und fortgesetzten Betriebs veranschaulicht, wie sie unter Nutzung der hier beschriebenen Verfahren und der beschriebenen Einrichtung zu erhalten sind. Spezieller veranschaulicht 9 entlang der Y-Achse den Dunkelstrom pro Pixel 102, 108 und 160 des gemessenen CZT. Wie veranschaulicht erhöht sich der Dunkelstrom (I_d) mit dem Fluss und der Temperatur für eine CZT-Probe, die nicht unter Verwendung von Sperrkontakten oder beispielsweise Ohmschen Kontakten erzeugt worden ist. 10 veranschaulicht das obwohl sich der Photostrom (I_d) mit dem Fluss immer noch erhöht, die Nutzung eines Sperrkontakts 300 und das Beheizen des Detektors unter Nutzung der Wärmequelle 310, die Erhöhung beseitigt, die sonst mit der Erhöhung des Flusses einhergeht. Die Berechnung in der eingestreuten Box zeigt, dass der Photostrom allein gleich dem Signalstrom ist ohne wesentlichen Beitrag des Dunkelstroms, der durch den Photoleitfähigkeitsgewinn verursacht wäre. Somit erhöhen sich bei niedriger Temperatur der Strom mit dem steigenden Fluss und das Signal mit zunehmendem Fluss. Es wird angenommen, dass dieses Verhalten durch Polarisationsladungen verursacht wird, die einen erhöhten, aus der Kathode hervorgehenden Strom und einem verminderten E-Feld in dem Detektorkörper verursacht wird. Entsprechend erleichtert die Verwendung sowohl des Sperrkontakts 300 als auch der Wärmequelle 310, die Reduktion von Dunkelströmen und die Reduktion von Polarisation in dem Detektor 100, wobei die Reduktion der Polarisation ihrerseits den Dunkelstrom reduziert, der aus der Kathode hervorgeht, während gleichzeitig das E-Feld in dem Substratkörper und dadurch die Betriebsfähigkeit des Detektors auch bei hohen Strahlungsflüssen erhalten bleibt.
Die oben beschriebenen bildgebenden Detektoren schaffen ein kosteneffizientes und verlässliches Mittel zur Reduktion der Polarisation in einem bildgebenden Detektor. Spezieller enthält der bildgebende Detektor einen Sperrkontakt und eine Wärmequelle, die zusammenwirken, um Ströme und Polarisation in dem Detektor 100 zu reduzieren.
Die veranschaulichten Detektorkomponenten sind nicht auf die hier beschriebene spezielle Ausführungsform beschränkt, sondern es können Komponenten des Detektors unabhängig und gesondert von einander sowie von hier beschriebenen Komponenten genutzt werden. Beispielsweise können die oben beschriebenen Detektorkomponenten außerdem in Kombination mit unterschiedlichen bildgebenden Systemen Anwendung finden. Eine technische Auswirkung der Ausführungsform der hier beschriebenen Systeme und Verfahren beinhaltet die Verbesserung der Detektorleistung, d.h. seines Verhaltens hinsichtlich hohem Fluss, Dunkelstrom und spektrale Verbesserungen bei einem Detektor, der unter Nutzung von CZT-Material hergestellt worden ist, indem wenigstens ein Sperrkontakt an den Detektor angekoppelt und der Detektor auf eine Temperatur beheizt wird, die größer ist als die typische Betriebstemperatur bekannter Detektoren.
Außerdem gestattet die Kombination von Beheizung des Detektors und Nutzung eines Sperrkontakts die einzigartige Kombination niedrigeren Dunkelstroms und höherer Ladungsträgerbeweglichkeit und Lebensdauer. Dies ermöglicht seinerseits kritische Verbesserungen hinsichtlich des energetischen Spektrums und der Betriebsgeschwindigkeit für Anwendungen von NM und CT. Zusätzlich erleichtert die Kombination von Detektorbeheizung und Anwendung von Sperrkontakten die Verhinderung des Empfindlichkeitsverlustes bei hohen Flüssen, von signalabhängigen Instabilitäten und Verschlechterung des energetischen Ansprechens, wobei die ausnutzbare Strahlungsflussgrenze erhöht wird. Außerdem gestattet die Reduktion der Dunkelströme die direkte Ankopplung des Detektors an die Ausleseelektronik. Direkt gekoppelte Elektronik ist wesentlich einfacher aufzubauen und gestattet eine niedrigere Eingangskapazität. Eine reduzierte Eingangskapazität gestattet die Reduktion des Rauschens und eine Verbesserung des Signals. Ein niedriger Dunkelstrom verhindert eine signalabhängige Aufheizung des Halbleiters, die eine Quelle für Verstärkungs- und Zählrateninstabilitäten sein kann. Signalabhängige Instabilitäten sind sehr wichtig und können weg kalibriert werden und können somit den Einsatz von Halbleiterdetektoren bei kritischen Anwendungen der medizinischen Bildgebung verhindern. Somit erleichtert es eine verbesserte Detektorreaktion bei hohen und niedrigen Flüssen unter Nutzung der Verfahren und Einrichtungen gemäß der hier beschriebenen Erfindung einem Hersteller weniger und/oder billigerer Stufen des CZT-Materials zur Herstellung des Detektors zu nutzen. Entsprechend kann der hier beschriebene Detektor eine Photonenzählung bei transmissiver medizinischer Bildgebung ermöglichen, wobei durch die Photonenzähltechniken eine Signal/Rausch-Verminderung (manchmal bezeichnet als Swank-Rauschen) erwartet wird. Diese Rauschreduktion kann eine verbesserte Bildqualität oder eine reduzierte Patientendoses zur Folge haben. Die Photonenzählung kann bei der medizinischen Bildgebung außerdem das Rauschen reduzieren, das bei gegenwärtigen Detektoren von dem Dunkelstrom hervorgerufen wird, was Teile des Bildes beeinträchtigt, die von den geringsten Detektorsignalamplituden herrühren. Außerdem kann der hier beschriebene Halbleiterstrahlungsdetektor mit Einzelantwort, d.h. reduziertem spektralen Schwanz in kernmedizinischen Anwendungen, wie beispielsweise gleichzeitiger Dualisotopenbildgebung angewendet werden, bei der die Energien der beiden Strahlungsquellen zu eng beieinander liegen, um mit bekannten Detektoren aufgelöst zu werden. Der erfolgreiche Betrieb des CZT gestattet bei der NM-Anwendung mit spektraler Komponente mit reduziertem Schwanz außerdem die weitere Optimierung des Kompromisses zwischen Empfindlichkeit und Auflösung. Eine verbesserte energetische Auflösung bei der Transmissionsbildgebung kann eine energetische Auflösung und deshalb Materialbe stimmung, beispielsweise bei Kalziumbewertungsanwendungen, liefern.
Das Verfahren zur Reduktion der Polarisierung in einem bildgebenden Bauelement 10 beinhaltet das Anbringen wenigstens eines Sperrkontakts 300 an dem bildgebenden Bauelement und das Erwärmen des bildgebenden Bauelements zur Erleichterung der Reduktion der Polarisierung in dem bildgebenden Bauelement.
Während die Erfindung im Hinblick auf verschiedene spezielle Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, dass die Erfindung innerhalb des Geistes und des Schutzbereichs der Ansprüche mit Modifikationen verwirklicht werden kann.

10: Bildgebendes System
12: Gantry
14: Röntgenstrahlungsquelle
16: Röntgenstrahlen
18: Schnittdetektorarray
20: Detektorelement
22: positionierter Patient
24: Drehzentrum
26: Steuermechanismus
28: Röntgencontroller
30: Gantrymotorcontroller
32: DAS
34: Bildrekonstruktionseinrichtung
36: Computer
38: Speichereinrichtung
40: Konsole
42: Display
44: Tischmotorcontroller
46: Motorbewegbarer Tisch
48: Gantryöffnung
50: Lese- oder Empfangseinrichtung
52: Computerlesbares Medium
60: Hohe Temperatur
100: Detektor
102: Detektorelemente
104: Substrat
108: Pixelelektroden
110: Erste Oberfläche
112: Zweite Oberfläche
114: Längsachse
140: Quelle
144: Photonen
154: Kathode
156: Elektronen
158: Löcher
160: Ausleseelektronik
200: Verfahren
202: Anbringen
204: Heizen
300: Sperrkontakte
310: Wärmequelle
312: Heizeinrichtung
314: erste und zweite Schichten
316: zweite Schichten
318: Heizelement
320: Heizeinrichtung
322: Gebläseanordnung
324: wärmeerzeugende Einrichtung
400: Isolatorschicht
402: Bodenfläche
404: erste Seite
406: zweite Seite
408: dritte Seite
410: vierte Seite
412: obere Seite

Claims

Bilderfassende Einrichtung (20) mit: einem Substrat, einem Sperrkontakt (300), der mit dem Substrat verbunden ist, und einer Wärmequelle (310), die dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Substrats zu erhöhen, um eine Reduktion der Polarisierung in der bilderfassenden Einrichtung zu ermöglichen.
Bilderfassende Einrichtung (20) nach Anspruch 1, bei der das Substrat Cadmium-Zink-Tellurid (CZT) enthält.
Bilderfassende Einrichtung (20) nach Anspruch 1, bei der der Sperrkontakt (312) ein Goldmaterial und/oder ein Platinmaterial enthält.
Bilderfassende Einrichtung (20) nach Anspruch 1, bei der die Wärmequelle (312) ein Heizelement aufweist, das mit dem Sperrkontakt verbunden ist, so dass das Heizelement (318) in thermischer Verbindung mit dem Sperrkontakt steht, wobei das Heizelement dazu eingerichtet ist, die Betriebstemperatur der Bilderfassungseinrichtung zu erhöhen.
Bilderfassende Einrichtung (20) nach Anspruch 1, bei der die bilderfassende Einrichtung außerdem ein Isolatormaterial (400) aufweist, das wenigstens einen Teil des Substrats umgibt, wobei das isolierende Material dazu eingerichtet ist, die Aufrechterhaltung der erhöhten Temperatur in der bilderfassenden Einrichtung zu erleichtern.
Bilderfassende Einrichtung (20) nach Anspruch 1, bei der die Wärmequelle aufweist: eine wärmeerzeugende Einrichtung (310), die dem Substrat benachbart angeordnet ist und eine Gebläseanordnung (322), die dazu eingerichtet ist, einen Luftfluss durch die wärmeerzeugende Einrichtung (400) zu leiten, um die Erhöhung der Temperatur der Luft zu ermöglichen und die erwärmte Luft zu dem Substrat zu leiten, um die Erhöhung der Betriebstemperatur der bilderfassenden Einrichtung zu ermöglichen.
Bilderfassende Einrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei die Wärmequelle (310) dazu eingerichtet ist, die Innentemperatur des Substrats auf einen Wert zwischen ungefähr 10°C und ungefähr 100°C zu erhöhen.
Bildgebendes System (10): mit einer Strahlungsquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Photonenfluss zu emittieren, einer bilderfassenden Einrichtung (20), die darauf eingerichtet ist, den Photonenfluss zu empfangen und ein Antwortsignal auf Basis des Photonenflusses zu erzeugen, wobei die bilderfassende Einrichtung aufweist: ein unter Verwendung von Cadmium-Zink-Tellurid (CZT) hergestelltes Substrat, einen Sperrkontakt (300), der mit dem Substrat verbunden ist und eine Wärmequelle (310), die darauf eingerichtet ist, die Substrattemperatur zu erhöhen, um die Reduktion der Polarisierung in der Bilderfassungseinrichtung zu ermöglichen.
Bildgebendes System (10) gemäß Anspruch 8, wobei der Sperrkontakt (300) Goldmaterial und/oder Platinmaterial enthält.
Bildgebendes System (10) gemäß Anspruch 8, wobei die Wärmequelle (310) ein Heizelement aufweist, das mit dem Sperrkontakt (300) so verbunden ist, dass das Heizelement (312) in Wärmeübertragung mit dem Sperrkontakt steht, wobei das Heizelement darauf eingerichtet ist, die Betriebstemperatur der Bilderfassungseinrichtung zu erhöhen.