DE102006042053A1

DE102006042053A1 - Strahlungsdetektor

Info

Publication number: DE102006042053A1
Application number: DE102006042053A
Authority: DE
Inventors: Ralf Behrens; Georg Dr. Wittmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2007-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor (1) mit einer Szintillatorplatte (2) und mit einem Fotosensor (3), welcher der Szintillatorplatte (2) nachgeordnet ist und eine Vielzahl von Pixeln (4) umfasst, wobei zwischen der Szintillatorplatte (2) und dem Fotosensor (3) ein Linsenarray (5) aus einer Vielzahl von Linsen (6) angeordnet ist, die zumindest teilweise als Sammellinsen (6) ausgebildet sind. Mit einem derartigen Strahlungsdetektor (1) ist eine verbesserte Bildqualität bei Röntgenuntersuchungen erzielbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor mit einer Szintillatorplatte und mit einem Fotosensor, welcher der Szintillatorplatte nachgeordnet ist.
Ein derartiger Strahlungsdetektor ist z.B. als digitaler Röntgendetektor (Flachbilddetektor, Flat Panel Detector) ausgeführt. Der bekannte Strahlendetektor umfasst eine Szintillatorplatte zur Umwandlung von Strahlung in Licht und einem in Strahlungsrichtung nachgeordneten Fotosensor, dem eine aktive Auslesematrix mit einer Vielzahl von Pixel-Ausleseeinheiten nachgeordnet ist. Die auftreffende Röntgenstrahlung wird zunächst im Szintillator der Szintillatorplatte in sichtbares Licht (Szintillationslicht) umgewandelt, das von den Fotodioden in elektrische Ladung umgewandelt und ortsaufgelöst gespeichert wird. Diese so genannte indirekte Konversion ist beispielsweise in dem Aufsatz von M. Spahn et al. "Flachbilddetektoren in der Röntgendiagnostik" in "Der Radiologe 43 (2003)", Seiten 340 bis 350, beschrieben.
Übliche Szintillatoren bestehen aus Gd₂O₂S, CsI:Tl, CsI:Na, NaI:Tl oder ähnlichen Materialien, die Alkali-Halogenide enthalten, wobei sich CsI besonders gut als Szintillatormaterial eignet, da dieser Kristall in Form von Nadeln mit 5 bis 10 μm Durchmesser gezüchtet werden kann. Dadurch erhält man trotz hoher Schichtdicke, die eine optimale Absorption der Röntgenstrahlung sicherstellt, eine gute Ortsauflösung des Röntgenbildes. Die gute Ortsauflösung resultiert aus dem so genannten "Lichtleiteffekt", der durch die Luftspalte zwischen den CsI-Nadeln erzielt wird.
Die Bildqualität von Röntgenaufnahmen, die von derartigen Strahlungsdetektoren erreicht werden kann, wird im Wesentlichen bestimmt vom Szintillatormaterial, das die Strahlung in sichtbares Licht umwandelt, und von der Elektronik, welche die von den Fotodioden erzeugten Ladungen möglichst rauschfrei detektieren und weiter verarbeiten soll. Vom Szintillatormaterial bzw. vom Aufbau der Szintillatorplatte hängt es ab, wie viele sichtbare Photonen von einem Röntgenquant erzeugt werden können, welche dann von den Fotodioden detektiert werden.
Als physikalische Messgröße für die Effizienz der Umwandlung von Röntgenstrahlung in ein Bildsignal dient die so genannte DQE (detective quantum efficiency), die die Fähigkeit eines Detektors beschreibt, die auf das Eintrittsfenster des Detektors auftreffende Röntgenstrahlung bildwirksam umzusetzen.
Die DQE ist definiert als das Signal/Rauschverhältnis (SNR – signal noise ratio) am Detektorausgang (digitales Signal) zu dem Signal/Rauschverhältnis am Detektoreingang (Eintrittsfenster) als Funktion der Ortsfrequenz f: DQE(f) = SNR2(f)aus/SNR2(f)ein,wobei das Signal/Rauschverhältnis am Detektoreingang dem eines idealen Detektors entspricht. Die DQE kann somit maximal einen Wert von 1 erreichen. Für Flachbilddetektoren auf Basis eines Szintillators aus Cäsiumjodid (CsI) beträgt die DQE derzeit maximal 60 bis 70 %.
Neben der DQE ist ein Detektor unter anderem noch durch seine Pixelgröße sowie durch seine aktive Sensorfläche und seine äußeren geometrischen Abmessungen charakterisiert.
Bei einem Flachbilddetektor beträgt der Füllfaktor, das ist das Verhältnis von aktiver Sensorfläche zur gesamten Pixelfläche, 25 bis 70 %. Der Grund hierfür ist, dass für jede Fotodiode ein TFT-Schaltelement (TFT – thin film transistor) sowie zwei Signalleitungen (Gate-Leitung, Bias-Leitung) und eine Datenleitung benötigt werden. Da die Abmessungen der benötigten TFT-Schaltelemente sowie der benötigten Leitungen nicht beliebig verringert werden können, wird der Füllfaktor des Strahlungsdetektors im wesentlichen durch die Kantenlänge der Pixel bestimmt. In der Mammografie werden Pixel mit einer Kantenlänge von 50 bis 100 μm verwendet, wohingegen bei der Radiografie des menschlichen Körpers Pixel mit einer Kantenlänge von 100 bis 200 μm eingesetzt werden. Pixel, die bei Strahlungsdetektoren in der Dental-Röntgentechnik verwendet werden, weisen demgegenüber nur eine Kantenlänge von 40 μm auf. Damit weisen letztgenannten Strahlungsdetektoren den geringsten Füllfaktor auf.
Das Szintillationslicht, das außerhalb der aktiven Sensorfläche auftrifft, kann nicht detektiert werden und steht damit für die Bildgebung nicht zur Verfügung.
Allgemein gilt also: Je mehr Photonen auf die einzelnen Fotodioden treffen, d.h. je größer die aktive Sensorfläche und/oder je höher die Quanteneffizienz der Fotodioden und/oder je geringer die Streuung in der Szintillatorplatte ist, desto besser ist die erreichbare Bildqualität.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Strahlungsdetektor zu schaffen, mit dem eine verbesserte Bildqualität bei Röntgenuntersuchungen erzielbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Der Strahlungsdetektor nach Anspruch 1 umfasst eine Szintillatorplatte und einen Fotosensor, welcher der Szintillatorplatte nachgeordnet ist und eine Vielzahl von Pixeln aufweist. Erfindungsgemäß ist zwischen der Szintillatorplatte und dem Fotosensor ein Linsenarray aus einer Vielzahl von Linsen angeordnet ist, wobei die Linsen zumindest teilweise als Sammellinsen ausgebildet sind.
Als Linse bezeichnet man ein optisch wirksames Bauelement mit zwei lichtbrechenden Flächen, von denen mindestens eine Fläche konvex oder konkav gewölbt ist. Eine Sammellinse macht aus einem parallelen Lichtstrahlenbündel konvergente Strahlen, bündelt die Strahlen also in einem Fokus (Brennpunkt). Sammellinsen, die auch als positive Linsen bezeichnet werden, können als bikonvexe Linsen, als plankonvexe Linsen oder als konkav-konvexe Linsen (die konvexen Flächen haben hierbei den kleineren Krümmungsradius) ausgeführt sein. Im Rahmen der Erfindung können prinzipiell alle genannten Sammellinsen für das Linsenarray verwendet werden.
Als Linsenmaterial sind prinzipiell alle für Licht transparenten Stoffe, wie Glas, Kristalle und einige Kunststoffe, geeignet.
Bei dem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor wird auch das Szintillationslicht, das bisher nicht detektiert werden konnte und dadurch für die Bildgebung nicht zur Verfügung stand, zumindest teilweise detektiert. Damit treffen mehr Photonen auf die einzelnen Fotodioden, wodurch das erzielbare Signal/Rauschverhältnis und daraus resultierend die Bildqualität verbessert wird. Alternativ oder zusätzlich ist bei Verwendung des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors eine Verringerung der Röntgenstrahlungsdosis möglich. Bei gleicher Bildqualität wird gegenüber herkömmlichen Strahlungsdetektoren eine deutlich geringere Strahlungsdosis benötigt.
Da durch die Sammellinsen des Linsenarrays das Szintillationslicht gezielt auf die Fotodioden fokussiert wird, ist die Effizienz des Strahlungsdetektors nach Anspruch 1 weitgehend unabhängig von seinem Füllfaktor.
Bei dem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor wird deutlich mehr Szintillationslicht erfasst, so dass die Schichtdicke der Szintillatorplatte verringert werden kann, wodurch eine verbesserte Auflösung der Röntgenaufnahme erzielbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung müssen die Pixel nicht unbedingt auf den höchstmöglichen Füllfaktor hin ausgelegt werden. Vielmehr kann das Pixeldesign auf einen möglichst geringen Rauschanteil im erfassten Signal ausgelegt sein. Dies kann z.B. dadurch realisiert werden, dass zusätzlich zu den benötigten TFT-Schaltelementen eine Elektronikbeschaltung zur Rauschunterdrückung im Bereich der Pixel angeordnet ist.
Das Linsenarray kann sowohl in Kombination mit kolumnaren Szintillatormaterialien (z.B. CsI) als auch in Kombination mit pulverförmigen Szintillatormaterialien (z.B. Gd₂O₂S) zum Einsatz gelangen.
Das Linsenarray kann – bei geeigneter Materialwahl – weiterhin als Schutzschicht für die Fläche der Szintillatorplatte dienen, die dem Fotosensor zugewandt ist und die deshalb nicht von einem Substrat abgedeckt ist. Dadurch ist die Szintillatorplatte von allen Seiten gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit geschützt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen des Linsenarrays als Mikrolinsen ausgebildet sind, wobei idealerweise jedem Pixel eine Mikrolinse zugeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird die gezielte Fokussierung des von der Szintillatorplatte emittierten sichtbaren Lichts (Szintillationslicht) nochmals verbessert.
Eine weitere Verbesserung der Fokussierung des Szintillationslichts wird dadurch erreicht, dass die Mikrolinsen jeweils eine Kantenlänge aufweisen, die dem Mittenabstand zweier benachbarter Pixel (der auch als "Pitch" bezeichnet wird) entspricht, wobei die Mikrolinsen jeweils mittig zu den betreffenden Pixeln bzw. mittig zu deren aktiven Flächen angeordnet sind. Damit treffen die von der Szintillatorplatte emittierten Photonen jeweils in der Mitte der Pixelflächen auf. Liegt der Fokus der Mikrolinsen jeweils in der Ebene des betreffen den Pixels, dann haben geringe Fertigungstoleranzen nahezu keinen Einfluss auf die Effizienz des Strahlungsdetektors.
Im Rahmen der Erfindung kann das Linsenarray aus einzelnen Linsen bestehen oder als strukturierte Folie ausgebildet sein.
Die Linsen des Linsenarrays bestehen gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform aus PMMA. Bei PMMA handelt es sich um ein Material, das fertigungstechnisch relativ einfach zu handhaben ist. Die physikalischen Eigenschaften von PMMA machen dieses Material zum bevorzugten Werkstoff für die Linsen des Linsenarrays. So transmittiert PMMA Licht besser als normales Glas und weist darüber hinaus eine gute Witterungsbeständigkeit sowie eine lange Lebensdauer auf. Aufgrund seiner UV-Stabilität ist auch eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Röntgenstrahlung gegeben. Diese Unempfindlichkeit gegenüber Röntgenstrahlung ist ein wesentlicher Vorteil, da etwa 30 % der Röntgenstrahlung die Szintillatorplatte durchdringen und damit auf das Linsenarray auftreffen und dieses durchstrahlen.
Nachfolgend ist ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors in der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Die einzige Figur zeigt den Strahlungsdetektor, der ohne Substrat und ohne Schutzschicht dargestellt ist, in einer Seitenansicht. Auch die genannten Maße und Materialien sind lediglich als beispielhafte Angaben zu verstehen, welche die Erfindung nicht beschränken sollen.
Der in der Zeichnung dargestellte Strahlungsdetektor 1 umfasst eine Szintillatorplatte 2 und einen Fotosensor 3. Der Fotosensor 3 ist der Szintillatorplatte 2 nachgeordnet und weist eine Vielzahl von Pixeln 4 auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils eine Kantenlänge k₁ von etwa 180 μm besitzen. Erfindungsgemäß ist zwischen der Szintilla torplatte 2 und dem Fotosensor 3 ein Linsenarray 5 aus einer Vielzahl von Linsen 6 angeordnet.
Die Szintillatorplatte 2 ist aus CsI:Tl gefertigt und weist eine Dicke von etwa 500 μm auf. Bei den Fotodioden des Fotosensors, der eine Schichtdicke von ca. 150 μm aufweist, handelt es sich um Dioden aus amorphem Silizium (a-Si).
Die Linsen 6 sind bei der dargestellten Ausführungsform vollständig als Sammellinsen ausgeführt. Die Linsen 6 sind weiterhin als plankonvexe Linsen ausgeführt, die jeweils mit ihren konvexen Seiten den Fotosensoren 3 und mit ihren planen Seiten der Szintillatorplatte 2 zugewandt sind.
Da die Linsen 6 des Linsenarrays 5 als Mikrolinsen ausgebildet sind, ist es möglich, jedem Pixel 4 eine Mikrolinse 6 zuzuordnen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Mikrolinsen 6 jeweils eine Kantenlänge k₂ von beispielsweise ca. 200 μm auf. Die Kantenlänge k₂ entspricht dem Mittenabstand a zweier benachbarter Pixel 4, wobei die Mikrolinsen 6 jeweils mittig zu den betreffenden Pixeln 4 bzw. mittig zu deren aktiven Flächen angeordnet sind.
Die Mikrolinsen 6 sind hierbei derart angeordnet, dass ihr Fokus jeweils in der Ebene des betreffenden Pixels 4 liegt.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Strahlungsdetektor 1 ist das Linsenarray 5 als strukturierte Folie ausgebildet, die aus PMMA gefertigt ist und eine Schichtdicke von beispielsweise etwa 100 μm aufweist.
Eine mit 7 bezeichnete Röntgenstrahlung trifft zunächst die Szintillatorplatte 2 des Strahlungsdetektors 1 und erzeugt in der Szintillatorplatte 2 sichtbares Licht, wobei ca. 30 % der Röntgenstrahlung aus der Szintillatorplatte 2 austritt.
Das in der Szintillatorplatte 2 erzeugte sichtbare Licht (Szintillationslicht) tritt durch das Linsenarray 5 hindurch und wird hierbei von den Mikrolinsen 6 auf die Pixel 4 des Fotosensors 3 fokussiert. Das sichtbare Licht wird im Fotosensor 3 in elektrische Ladung umgewandelt und ortsaufgelöst gespeichert.
Kurz zusammengefasst betrifft die Erfindung einen Strahlungsdetektor 1 mit einer Szintillatorplatte 2 und mit einem Fotosensor 3, welcher der Szintillatorplatte 2 nachgeordnet ist und eine Vielzahl von Pixeln 4 umfasst, wobei zwischen der Szintillatorplatte 2 und dem Fotosensor 3 ein Linsenarray 5 aus einer Vielzahl von Linsen 6 angeordnet ist, die zumindest teilweise als Sammellinsen 6 ausgebildet sind. Mit dem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor 1 ist – wie vorstehend an Ausführungsbeispielen erläutert – eine verbesserte Bildqualität bei Röntgenuntersuchungen erzielbar.

Claims

Strahlungsdetektor (1) mit einer Szintillatorplatte (2) und mit einem Fotosensor (3), welcher der Szintillatorplatte (2) nachgeordnet ist und eine Vielzahl von Pixeln (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Szintillatorplatte (2) und dem Fotosensor (3) ein Linsenarray (5) aus einer Vielzahl von Linsen (6) angeordnet ist, wobei die Linsen (6) zumindest teilweise als Sammellinsen ausgebildet sind.
Strahlungsdetektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (6) des Linsenarrays (5) als Mikrolinsen ausgebildet sind.
Strahlungsdetektor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer vorgebbaren Anzahl von Pixeln (4) jeweils eine Mikrolinse (6) zugeordnet ist.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Pixel (4) eine Mikrolinse (6) zugeordnet ist.
Strahlungsdetektor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (6) jeweils eine Kantenlänge (k₂) aufweisen, die dem Mittenabstand (a) zweier benachbarter Pixel (4) entspricht, wobei die Mikrolinsen (6) jeweils mittig zu den betreffenden Pixeln (4) bzw. mittig zu deren aktiven Flächen angeordnet sind.
Strahlungsdetektor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (6) derart angeordnet sind, dass ihr Fokus jeweils in der Ebene des betreffenden Pixels (4) liegt.
Strahlungsdetektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenarray (5) aus einzelnen Linsen (6) besteht.
Strahlungsdetektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenarray (5) als strukturierte Folie ausgebildet ist.
Strahlungsdetektor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (6) des Linsenarrays (5) aus PMMA bestehen.