DE102007013569B4

DE102007013569B4 - Detektionssubstrat, Detektormodul und Detektor für ein Computertomographiegerät, sowie ein Computertomographiegerät

Info

Publication number: DE102007013569B4
Application number: DE102007013569A
Authority: DE
Inventors: Peter Kämmerer; Thomas Reichel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2007-03-21
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2027-03-22
Also published as: DE102007013569A1

Abstract

Detektionssubstrat (1, 1') für ein Computertomographiegerät (6) umfassend eine Anzahl von Detektorelementen und ein Verdrahtungssubstrat (3) mit einer einer einfallenden Strahlung zugewandten Oberseite und einer der einfallenden Strahlung abgewandten Unterseite, wobei das oder jedes Detektorelement auf der Oberseite des Verdrahtungssubstrats (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrahtungssubstrat (3) ein Mittel (11) zur Abschirmung von Strahlen umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Detektionssubstrat für ein Computertomographiegerät, umfassend eine Anzahl von Detektorelementen und ein Verdrahtungssubstrat mit einer einer einfallenden Strahlung zugewandten Oberseite und einer der einfallenden Strahlung abgewandten Unterseite, wobei das oder jedes Detektorelement auf der Oberseite des Verdrahtungssubstrats angeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Detektormodul mit einem derartigen Detektionssubstrat für ein Computertomographiegerät. Ferner betrifft die Erfindung einen Detektor für ein Computertomographiegerät mit einer Anzahl eines derartigen Detektormoduls, sowie ein Computertomographiegerät mit einem derartigen Detektor.
Ein Detektionssubstrat der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der US 6 396 898 B1 bekannt. In der US 6 396 898 B1 ist der Aufbau eines Flächendetektors beschrieben, welcher mehrere aneinander gereihte Module aufweist. Die Komponenten eines Moduls umfassend Szintillatoren und Photodioden sind auf einem Substrat mit signalverarbeitender Elektronik übereinander angeordnet.
Ein derartiges Detektionssubstrat findet sich insbesondere als Bestandteil eines Detektormoduls in einem Röntgendetektor eines Computertomographiegeräts, wobei der Röntgendetektor üblicherweise eine Vielzahl von Detektormodulen aufweist. Die Detektorelemente des Detektionssubstrats umfassen dabei in der Regel eine Photodiode, die mittels eines vorgeschalteten Szintillators zur Detektion von Röntgenstrahlung ertüchtigt ist. In einem Computertomographiegerät sind die Detektorelemente üblicherweise über das Verdrahtungssubstrat, in welchem die Anschlussleitungen der Detektorelemente geführt und gebündelt werden, elektrisch mit elektronischen Bauelementen zur Signalverarbeitung kontaktiert.
Die auf das Detektionssubstrat einfallende Röntgenstrahlung, wird von den Detektorelementen in ein elektrisches Signal umgewandelt, das an ein elektronisches Bauelement zur Signalverarbeitung abgeführt wird. Das elektronische Bauelement wandelt insbesondere das analoge Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal um, welches zur weiteren Signalverarbeitung beispielsweise an einen digitalen Signalprozessor geleitet wird.
Üblicherweise wird ein Röntgendetektor für ein Computertomographiegerät durch die Aneinanderreihung von Detektormodulen entlang eines Detektorrings realisiert. Im Betrieb des Computertomographiegeräts dreht sich der Röntgendetektor derart um ein zu untersuchendes Objekt, dass Röntgenaufnahmen von dem Objekt aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen gewonnen werden können. Bei der Bildgebung mit einem Computertomographiegerät ist man üblicherweise bestrebt, die Detektionsfläche des zur Bildgewinnung zur Verfügung stehenden Röntgendetektors möglichst groß auszuführen, um beispielsweise ganze Organe eines Patienten in einem Umlauf abscannen zu können. Neuere Entwicklungen gehen deshalb in Richtung der Entwicklung von Flächendetektoren, die aus einer Vielzahl von Detektormodulen besteht, die zweidimensional aneinander gereiht sind.
Diverse Typen von Flächendetektoren sind beispielsweise aus der JP 2006 322 745 AA , der DE 10 2005 045 762 A1 , der JP 2003 07 55 45 AA und der DE 10 2005 037 899 A1 bekannt.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein für ein Detektormodul eines Computertomographiegeräts lebensdauerverlängerndes Detektionssubstrat anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein langlebiges Detektormodul für ein Computertomographiegerät anzugeben. Als weitere Aufgabe sollen ein Detektor und ein Computertomogra phiegerät mit einer möglichst langen Lebensdauer angegeben werden.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Detektionssubstrat für ein Computertomographiegerät, umfassend eine An zahl von Detektorelementen und ein Verdrahtungssubstrat mit einer einer einfallenden Strahlung zugewandten Oberseite und einer der einfallenden Strahlung abgewandten Unterseite, wobei das oder jedes Detektorelement auf der Oberseite des Verdrahtungssubstrats angeordnet ist, und wobei das Verdrahtungssubstrat erfindungsgemäß ein Mittel zur Strahlenabschirmung umfasst, insbesondere zur Röntgenstrahlenabschirmung mindestens eines elektronischen Bauelements.
Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von der Erkenntnis aus, dass aufgrund gestiegener Anforderungen in der Medizin die Entwicklung von Detektormodulen für Computertomographiegeräte gefordert wird, die einschließlich der elektronischen Elemente zur Signalverarbeitung einen möglichst geringen Bauraum beanspruchen.
In einem zweiten Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass neuerdings elektronische Bauelemente zur Verfügung stehen, die klein genug sind, um flach auf einer Leiterplatine vertikal unter dem Detektionssubstrat und den Detektorelementen des Detektormoduls angeordnet werden zu können.
In einem dritten Schritt erkennt die Erfindung, dass sich bei einem derartigen vertikalen Aufbau das elektronische Bauelement direkt im Strahlengang der einfallenden Röntgenstrahlung befindet, und dass das elektronische Bauelement durch das Einwirken von Röntgenstrahlung geschädigt werden kann, was die Funktionsfähigkeit stören und zu einem totalen Funktionsausfall führen kann.
Zur Abschirmung von Strahlen, insbesondere zur Abschirmung von Röntgenstrahlen, umfasst das Verdrahtungssubstrat ein Mittel zur Strahlenabschirmung. Dadurch, dass das Mittel zur Strahlenabschirmung von dem Verdrahtungssubstrat umfasst ist, kann ein kompakter Aufbau realisiert werden. Insbesondere können die Komponenten alle unmittelbar aufeinander folgend entlang des Strahlengangs angeordnet sein. In Strahlungsrich tung hinter dem Verdrahtungssubstrat angeordnete weitere, insbesondere elektronische, Komponenten sind sicher gegenüber der Strahlung abgeschattet.
Das Detektorelement kann durch einen direkt wandelnden Detektor, beispielsweise einen Halbleiterdetektor gegeben sein. Das Detektorelement kann beispielsweise auch gegeben sein durch ein Szintillatorelement und eine Photodiode, welche zueinander ausgerichtet sind. Das Szintillatorelement wird durch auftreffende Röntgenstrahlung zur Emission von Photonen insbesondere von Licht im sichtbaren und UV-Bereich angeregt. Das emittierte Licht wird von der nachgelagerten Photodiode in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das derart erzeugte elektrische Signal kann über das Verdrahtungssubstrat zu einem elektronischen Bauelement abgeführt werden.
Die Anschlussleitungen der Detektorelemente werden in dem Verdrahtungssubstrat geführt und zur Weiterleitung gebündelt. Das Verdrahtungssubstrat besteht üblicherweise aus einer Keramik, in der die Leitungen zueinander isoliert geführt sind.
Zur Bildaufnahme eingesetzte Röntgenstrahlung trifft im Betrieb zunächst auf das Detektorelement des Detektionssubstrats, durchdringt dieses teilweise und trifft auf das darunter angeordnete Verdrahtungssubstrat. Durch das Mittel zur Strahlenabschirmung wird die Röntgenstrahlung an einer Durchdringung des Verdrahtungssubstrats gehindert, so dass ein im Strahlengang unter dem Verdrahtungssubstrat angeordnetes elektronisches Bauelement vor eintreffender Röntgenstrahlung geschützt ist. Das elektronische Bauelement kann durch das Einwirken von Röntgenstrahlung geschädigt werden, was die Funktionsfähigkeit stören und zu einem totalen Funktionsausfall führen kann. Durch das ein Mittel zur Strahlenabschirmung umfassende Verdrahtungssubstrat wird die Lebensdauer eines unter dem Detektionssubstrat angeordneten elektronischen Bauelements verlängert, insbesondere da sich das elektronische Bauelement bei einem vertikalen Aufbau eines Detektormo duls direkt im Strahlengang einer Röntgenstrahlenquelle befindet.
Das Mittel zur Strahlenabschirmung kann beispielsweise auf die Oberseite oder die Unterseite des gesamten, oder von Teilen des Verdrahtungssubstrats mittel- oder unmittelbar aufgebracht werden, oder in es einbezogen werden. Das Mittel zur Strahlenabschirmung kann als ein Kleber oder als ein Kunststoff gegeben sein, dem jeweils röntgenstrahlenabsorbierendes Material, insbesondere ein Element höherer Ordnungszahl oder dieses enthaltende Partikel, wie zum Beispiel Wolfram oder Wolframpartikel, beigefügt ist. Ein derartiger Kunststoff kann beispielsweise als eingesetztes, vorgefertigtes Teil ausgearbeitet sein. Das Mittel zur Strahlenabsorption kann weiter auch in das Material des Verdrahtungssubstrats eingearbeitet sein.
Ist das Mittel zur Strahlenabschirmung aus einem Element mit einer hohen Ordnungszahl gefertigt, bietet sich insbesondere Wolfram oder beispielsweise auch Blei an. Röntgenstrahlung kann aufgrund ihrer hohen Energie und der elektrischen Neutralität der Quanten Materie besonders stark durchdringen. Bei der Durchdringung von Materie wird Röntgenstrahlung, je nach Materieart, unterschiedlich stark geschwächt. Diese Eigenschaft macht man sich bei radiologischen Untersuchungsmethoden zunutze. Zur Röntgenstrahlenabschirmung bedarf es eines Materials mit einer hohen Ordnungszahl. Je größer die Ordnungszahl des Elements, desto größer ist die Abschirmwirkung. Die Abschwächung der Röntgenstrahlenintensität bei der Durchdringung von Materie ist dabei proportional zur dritten Potenz der Ordnungszahl. Wolfram und Blei können aufgrund ihrer jeweils hohen Ordnungszahl gut zur Strahlenabschirmung verwendet werden.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist das Mittel zur Strahlenabschirmung in das Verdrahtungssubstrat eingebracht. Dies kann in einfacher Art und Weise durch Beimischen entsprechender abschirmender Partikel während der Herstellung geschehen. Im Falle einer Einbringung von Partikeln in ein aus einer Keramik gefertigtes Verdrahtungssubstrat können diese insbesondere dem Grünling beigemengt werden, wodurch eine strahlenabschirmende Wirkung des Verdrahtungssubstrats unter Anwendung der originären Herstellung des Verdrahtungssubstrats realisiert wird. Dadurch ist neben der Zugabe der Partikel kein weiterer zusätzlicher Herstellungsschritt notwendig, was den Herstellungsprozess vereinfacht und die Herstellungskosten reduziert.
In einer weiter bevorzugten Ausführung der Erfindung weist das Verdrahtungssubstrat mindestens eine Aussparung auf, wobei das Mittel zur Strahlenabschirmung in die Aussparung eingebracht wird. Das Mittel zur Strahlenabschirmung, kann dabei als ein Strahlung abschirmendes Blech, insbesondere als ein Wolframblech, gegeben sein, das in die Aussparung eingebracht wird. Das Mittel zur Strahlenabschirmung kann auch als eine Keramik oder als ein entsprechend modifizierter Kunststoff in die Aussparung eingebracht werden, wobei in die Keramik oder den Kunststoff jeweils das Element hoher Ordnungszahl oder Partikel hiervon, insbesondere Wolfram oder Wolframpartikel, eingebracht sind. Die Aussparungen machen es einerseits möglich, das Mittel zur Strahlenabschirmung gezielt da zu platzieren wo eine strahlenabschirmende Wirkung des Verdrahtungssubstrats notwendig ist. Andererseits kann durch den punktuellen Einsatz des Mittels zur Strahlenabschirmung die strahlenabschirmende Wirkung des Verdrahtungssubstrats kostengünstig realisiert werden.
Wie erwähnt, ist die Position und die Dimension der Aussparung vorteilhafterweise zu einer Strahlenabschirmung eines nachgeschalteten elektronischen Bauelements ausgelegt. Die Aussparung mit dem eingebrachten Mittel zur Strahlenabschirmung befindet sich in dieser Anordnung im Strahlengang direkt über dem elektronischen Bauelement und schirmt mit ihrer Fläche die Strahlen so ab, dass das elektronische Bauelement innerhalb einer Abschattungsfläche liegt. Durch diese Ausgestaltung kann ein sicherer Schutz des elektronischen Bauele ments vor Röntgenstrahlung gewährleistet werden, unter Berücksichtigung einer Kostenminimierung bei der Herstellung des Detektionssubstrats.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst das Detektorelement ein Szintillatorelement und eine Photodiode. Die Röntgenstrahlung trifft auf das Szintillatorelement, welches zur Emission von Photonen insbesondere von Licht im sichtbaren und UV-Bereich angeregt wird. Das emittierte Licht wird von der nachgelagerten Photodiode in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches zur weiteren Signalverarbeitung an das elektronische Bauelement geleitet werden kann.
Die zweite Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Detektormodul für ein Computertomographiegerät gelöst, welches ein Detektionssubstrat der vorbeschriebenen Art und eine Leiterplatine, sowie ein elektronisches Bauelement umfasst, wobei das elektronische Bauelement zwischen der Unterseite des Verdrahtungssubstrats und der Leiterplatine eingebracht ist und wobei die Leiterplatine das elektronische Bauelement trägt. Ein derartiges elektronisches Bauelement kann beispielsweise durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, auch als ASIC bezeichnet, gegeben sein. Es dient vorrangig zur Umwandlung, insbesondere zur Digitalisierung der Eingangssignale.
Vorteilhafterweise umfasst die Leiterplatine ein Mittel zur Wärmeableitung, welches an das elektronische Bauelement thermisch gekoppelt ist. Der Betrieb des elektronischen Bauelementes geht mit einer beträchtlichen Wärmeentwicklung einher, welche eine Schädigung des elektronischen Bauelementes hervorrufen kann. Durch das Mittel zur Wärmeableitung wird die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Leiterplatine verbessert, so dass über die Leiterplatine die Wärme, die im Betrieb des elektronischen Bauelements entsteht, von dem elektronischen Bauelement abgeführt wird, was die Lebensdauer des Detektormoduls erheblich verlängert. Die Wärmeleitfähigkeit einer standardmäßig hergestellten Leiterplatine liegt üblicherweise im Bereich von 1 W/(m·K), was für eine Ableitbarkeit der Wärme des elektronischen Bauelements erheblich zu gering ist. Das Mittel zur Wärmeleitung kann hiergegen beispielsweise als ein Bereich der Leiterplatine gegeben sein, der aus einem Material, beispielsweise einem Metall, mit einem vergleichsweise hohem Wärmeleitwert besteht. Das elektronische Bauelement ist dabei so auf der Leiterplatine angeordnet, dass es in thermischen Kontakt mit dem Mittel zur Wärmeableitung steht.
Vorteilhafterweise ist das Mittel zur Wärmeableitung durch eine Anzahl von thermischen Durchkontaktierungen der Leiterplatine gegeben. Durch die thermischen Durchkontaktierungen kann die Wärme von dem elektronischen Bauelement direkt abgeleitet werden. Insbesondere ist eine weitergehende Dissipation der Wärme ermöglicht. Über die thermischen Durchkontaktierungen kann beispielsweise die Wärme von dem elektronischen Bauelement abgeführt und an ein Wasserkühlungssystem oder auch an Wärmespeicher abgegeben werden.
Die thermischen Durchkontaktierungen sind als metallausgekleidete oder metallgefüllte durchgängige Bohrungen der Leiterplatine gegeben. Die Metallauskleidung oder Metallfüllung ist dabei vorzugsweise durch eine Kupferauskleidung oder Kupferfüllung realisiert. Durch eine derartige Ausgestaltung der thermischen Durchkontaktierungen kann der hohe Wärmeleitwert von Metallen, insbesondere von Kupfer (ca. 300 W/(m·K)), im Rahmen einer Entwärmung des elektronischen Bauelements genutzt werden, ohne die Produktionskosten der Leiterplatine erheblich zu erhöhen, da die Leiterplatine weiterhin standardmäßig aus einem kostengünstigen Material gefertigt werden kann.
Vorteilhafterweise umfasst das Detektormodul ein Mittel zur Befestigung, welches mit der Leiterplatine verbunden und über die thermischen Durchkontaktierungen mit dem elektronischen Bauelement thermisch kontaktiert ist. Die thermische Kontaktierung des Mittels zur Befestigung mit der Leiterplatine kann beispielsweise durch ein Anpressen des Mittels zur Be festigung an die Leiterplatine geschehen. Die thermische Kontaktierung kann beispielsweise auch durch ein Einpressen oder über ein Ankleben, durch ein Anlöten oder Anschrauben des Mittels zur Befestigung an die Leiterplatine realisiert werden. Die thermische Kontaktierung kann beispielsweise über einen Formschluss, insbesondere über eine Steck- oder Schraubverbindung, erfolgen, ebenso wie über eine thermisch leitfähige Klebeverbindung, beispielsweise mit einem entsprechend modifizierten Kunststoff oder Harz.
Vorzugsweise ist das Mittel zur Befestigung aus einem Material gefertigt, dessen Wärmeleitfähigkeit zumindest im Bereich der Wärmeleitfähigkeit der thermischen Durchkontaktierungen liegt. Mit der thermischen Ankopplung der thermischen Durchkontaktierung an das Mittel zur Befestigung kann zum einen die Wärme effektiv von dem elektronischen Bauelement über einen Wärmestrom von dem Bauelement durch die thermischen Durchkontaktierungen über das Mittel zur Befestigung wegtransportiert werden. Zum anderen wird die Oberfläche, über die eine endgültige Abgabe der Wärme an die Umgebung geschieht, oder der die Wärme aufnehmende Wärmespeicher insgesamt vergrößert.
Vorteilhafterweise ist das Mittel zur Befestigung aus einem Metall gefertigt, wodurch der Abtransport der Wärme von dem elektronischen Bauelement über die thermischen Durchkontaktierungen besonders wirksam ist, da Metalle sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnen.
In einer weiter bevorzugten Ausführung ist das Mittel zur Befestigung mit einem Detektorträger thermisch und mechanisch verbunden. Die Verbindung kann dabei beispielsweise über eine thermisch leitfähige Klebeverbindung, beispielsweise mit einem entsprechend modifizierten Kunststoff oder Harz realisiert werden. Es kann beispielsweise auch eine direkte Schraub- oder Klammerverbindung, ebenso wie eine Steck- oder eine Spannzangenverbindung vorgesehen sein. Durch die Anbindung des Mittels zur Befestigung an den Detektorträger wird zum einen die Entwärmung des elektronischen Bauelements weiter verbessert und damit dessen Lebensdauer erhöht. Zum anderen wird dadurch eine einfache Montage des Detektormoduls als Teil eines Detektors für ein Computertomographiegerät ermöglicht. Das über das Mittel zur Befestigung mit dem Detektorträger mechanisch verbundene Detektormodul kann als vormontierte Einheit in das Computertomographiegerät eingebaut werden. Die Ausrichtung des Detektormoduls geschieht dabei bevorzugt durch eine vorgefertigte Montagevorrichtung, die eine definierte Positionierung der Bauteile zueinander während der Verbindungsherstellung vorgibt. Die durch ein insbesondere ausrichtbares Mittel zur Befestigung derart fixierten Bauteile werden dann beispielsweise verklebt und ausgehärtet oder mittels des insbesondere ausrichtbaren Mittels zur Befestigung in der fixierten Position fest verbunden.
Der Detektorträger ist vorteilhafterweise aus einem Metall gefertigt. Einerseits wird dadurch die Ableitung der Wärme von dem elektronischen Bauelement zur Signalverarbeitung weiter verbessert, da es für eine möglichst effiziente Entwärmung des elektronischen Bauelements über die thermischen Durchkontaktierungen und das Mittel zur Befestigung sowie den Detektorträger vorteilhaft ist, wenn alle an der Entwärmung beteiligten Komponenten eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dies ist vor allem bei metallischen Komponenten der Fall. Andererseits bietet ein metallischer Detektorträger auch eine hohe mechanische Stabilität. Durch die thermische Ankopplung des elektronischen Bauelements an den Detektorträger wird weiter die Größe des Wärmespeichers weiter erhöht, so dass die Wärmedissipation insgesamt noch einmal verbessert wird.
Die dritte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Detektor für ein Computertomographiegerät gelöst, welcher eine Vielzahl von vorbeschriebenen Detektormodulen aufweist.
Bei einem derartigen Detektor können mehrere Detektormodule beispielsweise eindimensional nebeneinander, insbesondere entlang eines Detektorrings angeordnet sein. Die Detektormodule können aber auch zweidimensional, insbesondere auf einer Zylinderteilfläche, angeordnet sein, um einen Flächendetektor zu bilden.
In einem Computertomographiegerät wird ein derartiger Detektor zur Detektion von Röntgenstrahlung verwendet. Im medizinischen Betrieb eines Computertomographiegeräts registriert der Detektor dabei insbesondere die von einer Röntgenstrahlenquelle auf ihn einfallende, durch den Durchtritt durch ein Untersuchungsobjekt abgeschwächte, Röntgenstrahlung. Dabei dreht sich der Röntgendetektor üblicherweise derart um das zu untersuchende Objekt, dass Röntgenaufnahmen von dem Objekt aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen gewonnen werden können. Der Detektor kann hierdurch Signale erzeugen, die der Intensität der aufgetroffenen Röntgenstrahlung entsprechen. Mit den durch den Detektor erzeugten Signale kann ein Bildrechner zwei- oder dreidimensionale Bilder des Untersuchungsobjektes berechnen.
Die vierte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Computertomographiegerät mit einem Detektor der vorgenannten Art und mit einer Röntgenstrahlenquelle und mit einem Rechner zur Bildgebung.
Das Computertomographiegerät umfasst eine Röntgenstrahlenquelle, deren Röntgenstrahl insbesondere zu einem fächerförmigen Röntgenstrahlbündel aufgeweitet wird. Das Röntgenstrahlbündel durchdringt ein zu untersuchendes Objekt und trifft auf den Detektor. Die Röntgenstrahlenquelle und der Detektor können beispielsweise einander gegenüberliegend an einem Drehrahmen des Computertomographiegeräts angeordnet sein. Im Betrieb des Computertomographiegeräts drehen sich die Röntgenstrahlenquelle und der Detektor derart um das zu untersuchende Objekt, dass Röntgenaufnahmen von dem Objekt aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen gewonnen werden können. Durch das Untersuchungsobjekt hindurchgetretene und durch den Durchtritt geschwächte Röntgenstrahlung trifft auf den Detektor auf, wobei der Detektor Signale erzeugt, die der Intensität der aufgetroffenen Röntgenstrahlung entsprechen. Die mit dem Detektor ermittelten Signale werden weiter gegeben und schließlich einem Rechner zur Bildgebung übermittelt, der zwei- oder dreidimensionale Bilder des Objekts berechnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
1 einen Querschnitt durch ein Detektionssubstrat
2 einen Querschnitt durch zwei auf einem Detektorträger befestigte Detektormodule mit einer Montagevorrichtung
3 schematisch ein Computertomographiegerät.
In 1 ist ein Querschnitt durch ein Detektionssubstrat 1 dargestellt. Das Detektionssubstrat 1 umfasst ein einzelne Detektorelemente umfassendes Detektorsubstrat 2, welches auf der Oberseite eines Verdrahtungssubstrats 3 angeordnet ist, und mit diesem über eine elektrische Verbindung 4 verbunden ist.
Das Detektorsubstrat 2 ist gegeben durch ein eine Anzahl von Szintillatorelementen umfassendes Szintillatorsubstrat 7 und ein darunter angeordnetes eine Anzahl von Photodioden umfassendes Photodiodensubstrat 8.
Das Verdrahtungssubstrat 3 ist aus einer Keramik hergestellt und schließt mit dem Detektorsubstrat 2 bündig ab. In der Keramik werden die Anschlussleitungen des Detektorsubstrats 2 geführt und zur Weiterleitung gebündelt.
Das Verdrahtungssubstrat 3 weist eine Anzahl von Aussparungen 10 auf. In jede Aussparungen 10 ist ein Mittel zur Strahlenabschirmung 11 eingebracht. Das Mittel zur Strahlenabschirmung 11 ist im Ausführungsbeispiel insbesondere als ein entsprechend modifizierter Kunststoff 12 gegeben, in den Wolframpartikel eingebracht sind, welcher in jede Aussparung 10 eingebracht ist. Die mit dem modifizierten Kunststoff 12 versehenen Aussparungen 10 befinden sich aus der Sicht der einfallenden Röntgenstrahlung 9 jeweils über einem in 1 nicht dargestellten elektronischen Bauelement, so dass durch den modifizierten Kunststoff 12 jedes elektronische Bauelement vor der einfallenden Röntgenstrahlung 9 geschützt ist. Eine derartige Anordnung gewährleistet einen störungsfreien Betrieb des elektronischen Bauelements über eine lange Lebensdauer hinweg.
Das Detektionssubstrat 1 ist Teil eines in 2 dargestellten Detektormoduls 13 in einem Computertomographiegeräts 6. Im Betrieb trifft einfallende Röntgenstrahlung 9 zunächst auf das Szintillatorsubstrat 7 des Detektionssubstrats 1, welches dadurch zur Emission von Licht angeregt wird. Das emittierte Licht wird von dem nachgelagerten Photodiodensubstrat 8 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das derart erzeugte elektrische Signal wird über die elektrische Verbindung 4 an das Verdrahtungssubstrat 3 weitergeleitet, und über dieses zur weiteren Signalverarbeitung an das elektronische Bauelement 17 geführt.
In 2 ist ein Querschnitt durch zwei Detektormodule 13, 14 die an einem Detektorträger 15 befestigt sind, dargestellt. Insbesondere wird dabei der vertikale Aufbau der Detektomodule 13, 14 ersichtlich. Die Darstellung zeigt die auf dem Detektorträger 15 aufgebrachten Detektormodule 13, 14 in einem Montagezustand in einer Montagevorrichtung 16. Die Montagevorrichtung 16 ist im Detektionsbetrieb der Detektormodule 13, 14 entfernt.
Jedes Detektormodul 13, 14 umfasst ein Detektionssubstrat 1', 1, sowie eine Anzahl von elektronischen Bauelementen 17 und eine Leiterplatine 18. Die elektronischen Bauelemente 17 sind dabei jeweils als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, auch ASIC 19 genannt, gegeben. Das Detektionssubstrat 1', 1, jedes ASIC 19 und die Leiterplatine 18 sind dabei vertikal übereinander angeordnet und schließen im Wesentlichen bündig miteinander ab, so dass die Fläche eines Detektormoduls 13, 14 in einer Draufsicht im Wesentlichen durch die Fläche des Detektionssubstrats 1', 1 gegeben ist.
Jedes Detektionssubstrat 1', 1 umfasst im Wesentlichen ein Detektorsubstrat 2 gemäß 1 und ein Verdrahtungssubstrat 3, das mit dem Detektorsubstrat 2 über eine elektrische Verbindung 4 kontaktiert ist.
Im Ausführungsbeispiel weist das Detektionssubstrat 1 eine Anzahl von Aussparungen 10 auf, wobei in jede Aussparung ein Mittel zur Strahlenabschirmung 11 eingebracht ist. Das Mittel zur Strahlenabschirmung 11 ist im Ausführungsbeispiel ein Wolframblech 12', welches in jede Aussparung 10 eingebracht ist. Die mit dem Wolframblech 12' versehenen Aussparungen 10 befinden sich aus der Sicht der einfallenden Röntgenstrahlung 9 über jedem ASIC 19, so dass durch das Wolframblech 12' jedes ASIC 19 vor der einfallenden Röntgenstrahlung 9 geschützt ist.
Im Ausführungsbeispiel des Detektionssubstrat 1' sind in die Keramik des entsprechenden Verdrahtungssubstrats 3 Wolframpartikel 12'' als Mittel zur Strahlenabschirmung 11 eingebracht. Durch die Einbringung der Wolframpartikel 12'' in das Verdrahtungssubstrat 3 wird das entsprechende ASIC 19 vor der einfallenden Röntgenstrahlung 9 geschützt.
Jedes ASIC 19 ist jeweils zwischen dem Detektionssubstrat 1', 1 und der Leiterplatine 18 eines Detektormoduls 13, 14 angeordnet, wobei das Detektionssubstrat 1', 1 über die Löt kugeln 20 mit der Leiterplatine 18 elektrisch kontaktiert ist.
Das elektronische Bauelement 17 ist insbesondere als ein ASIC 19 gegeben. Ein ASIC 19 verarbeitet im Vergleich zu einer universellen integrierten Schaltung die eingehenden Signale schneller, da die Bearbeitung anwendungsspezifisch festgelegt ist. Meistens ist der Flächenbedarf und der Leistungsverbrauch eines ASIC 19 im Vergleich zu einer universellen integrierten Schaltung sehr viel geringer.
Jedes ASIC 19 wandelt im Wesentlichen die von dem Detektionssubstrats 1', 1 kommenden elektrischen Eingangssignal in digitale Ausgangssignal um, die dann beispielsweise an einen digitalen Signalprozessor weiter geleitet werden. Von dem digitalen Signalprozessor werden die Signale weiterverarbeitet, beispielsweise verstärkt und gefiltert.
Die Leiterplatine 18 umfasst als Mittel zur Wärmeableitung eine Anzahl von thermischen Durchkontaktierungen 22, die als durchgängige kupfergefüllte Bohrungen der Leiterplatine 18 gegeben sind. Die ASICs 19 sind dabei so auf der Leiterplatine 18 befestigt, dass sie sich auf den Bereichen der Leiterplatine 18 befinden, die die kupfergefüllten Bohrungen aufweisen und mit diesen in thermischen Kontakt stehen.
Die thermischen Durchkontaktierungen 22 sind thermisch mit jedem ASIC 19 kontaktiert und führen die Wärme, die im Betrieb des ASICs 19 erzeugt wird, von diesem ab. Bei der Wärmeableitung über die thermischen Durchkontaktierungen 22 wird insbesondere die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer genutzt.
Die thermischen Durchkontaktierungen 22 der Leiterplatine 18 stehen weiter jeweils in thermischen Kontakt zu den als Klemmvorrichtung 24 ausgebildeten Mitteln zur Befestigung. Die Klemmvorrichtungen 24 sind im Wesentlichen durch eine Anzahl metallischer Blöcke gegeben, die über die thermischen Durchkontaktierungen 22 die Wärme, die im Betrieb der ASICs 19 entsteht, aufnehmen und weiterleiten. Dabei wird die hohe Wärmekapazität der metallischen Blöcke genutzt. Die metallischen Blöcke sind mit dem metallischen Detektorträger 15 verbunden und mit diesem thermisch kontaktiert. Die Klemmvorrichtungen 24 leiten die Wärme weiter an den metallischen Detektorträger 15. Der Detektorträger 15 nimmt die Wärme auf und speichert sie zunächst aufgrund seiner hohen Wärmekapazität, um sie anschließend über seine große Oberfläche an die Umgebung abzuführen.
Die Detektormodule 13, 14 sind über die Klemmvorrichtungen 24 jeweils an dem Detektorträger 15 befestigt. Die Klemmvorrichtungen 24 sind einerseits im Bereich der thermischen Durchkontaktierungen 22 mit der Leiterplatine 18 derart an der Leiterplatine 18 befestigt, dass eine thermischer Kontakt mit den thermischen Durchkontaktierungen 22 und den ASICs 19 gegeben ist. Andererseits sind die Klemmvorrichtungen 24 mit dem Detektorträger 15 verbunden. Sowohl die Befestigung des Detektorträgers 15 als auch an dem Detektorträger 15 geschieht mittels einer Klebschicht 26. Die Klebschicht 26 selbst besteht aus einem zur Wärmeleitung modifizierten Kleber.
Der Detektorträger 15 selbst ist ebenfalls aus Metall gefertigt. Der Detektorträger 15 ist über die metallischen Klemmvorrichtungen 24 thermisch mit den thermischen Durchkontaktierungen 22 der Leiterplatine 18 verbunden und trägt damit zu der Entwärmung der ASICs 19 bei. Dabei wird vor allem die hohe Wärmekapazität und die große Oberfläche des Detektorträgers 15 ausgenutzt. Das nach der Montage über die Klemmvorrichtung 24 mit dem Detektorträger 15 verbundene Detektormodul 13, 14 wird als vormontierte Einheit beispielsweise in einen Detektorring 32 eines Computertomographiegeräts 6 eingebaut. Für einen Einbau in den Detektorring 30 sind die Kanten des Detektorträgers 15 abgeschrägt, so dass eine Vielzahl von Detektormodulen 13, 14 aneinandergereiht entlang eines Rings befestigt werden können
Die Montage des Detektormoduls 12, 14 erfolgt mittels der Montagevorrichtung 16. Zunächst werden die verschiedenen Komponenten des Detektormoduls 12, 14, nämlich das Detektorsubstrat 2, das Verdrahtungssubstrat 3 und die Leiterplatine 18, über Kopf in die Montagevorrichtung 16 eingesetzt. Die Montagevorrichtung 16 gibt dabei eine definierte Positionierung der Bauteile vor. Die Bauteile werden dann beispielsweise verklebt und ausgehärtet und während der Verbindungsherstellung in ihrer Position mit der Montagevorrichtung 16 fixiert. Die Klemmvorrichtungen 24 werden an das vormontierte Detektormodul 13, 14 befestigt. Die sich in der Montagevorrichtung 15 befindlichen Detektormodule 13, 14 mit den entsprechenden Klemmvorrichtungen 24 werden dann in der in 2 dargestellten Weise auf den Detektorträger 15 aufgebracht und justiert und in einer definierten Winkelausrichtung fixiert und an dem Detektorträger 15 befestigt. Nach der Montage des Detektormoduls 13, 14 an dem Detektorträger 15 wird die Montagevorrichtung 16 entfernt.
In 3 ist ein Querschnitt eines Computertomographiegeräts 6 dargestellt. Das Computertomographiegerät 6 umfasst eine Röntgenstrahlenquelle 30 und einen Detektor 5. Der Detektor 5 ist aus einer Vielzahl von Detektormodulen 13, 14 aufgebaut, die entlang eines Detektorrings 32 aneinander gereiht sind. Die Röntgenstrahlenquelle 30 ist diametral auf der gegenüberliegenden Seite des Detektorrings 32 befestigt. Im Betrieb des Computertomographiegeräts 6 drehen sich die Röntgenstrahlenquelle 30 und der Detektor 5 um ein Untersuchungs-objekt 33, insbesondere um einen zu untersuchenden Patienten. Dabei werden aus unterschiedlichen Richtungen Röntgenauf-nahmen von dem Untersuchungsobjekt 33 gemacht. Dabei trifft durch das Untersuchungsobjekt 33 hindurchgetretene und durch den Durchtritt geschwächte Röntgenstrahlung 9 auf dem Detektor 5 auf. Der Detektor 5 erzeugt Signale, die der Intensität der aufgetroffenen Röntgenstrahlung 9 entsprechen. Aus den mit dem Detektor 5 ermittelten Signalen berechnet ein Rechner zur Bildgebung 34 zwei- oder dreidimensionale Bilder des Untersu chungsobjekts 33, welche auf einem Sichtgerät 36 darstellbar sind.

Claims

Detektionssubstrat (1, 1') für ein Computertomographiegerät (6) umfassend eine Anzahl von Detektorelementen und ein Verdrahtungssubstrat (3) mit einer einer einfallenden Strahlung zugewandten Oberseite und einer der einfallenden Strahlung abgewandten Unterseite, wobei das oder jedes Detektorelement auf der Oberseite des Verdrahtungssubstrats (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrahtungssubstrat (3) ein Mittel (11) zur Abschirmung von Strahlen umfasst.
Detektionssubstrat (1, 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Abschirmung von Strahlen zur Abschirmung von Röntgenstrahlen (9) ausgebildet ist.
Detektionssubstrat (1, 1') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel (11) zur Strahlenabschirmung ein Element mit hoher Ordnungszahl eingesetzt ist.
Detektionssubstrat (1, 1') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Element mit hoher Ordnungszahl Wolfram ist.
Detektionssubstrat (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (11) zur Strahlenabschirmung in das Verdrahtungssubstrat (3) eingebracht ist.
Detektionssubstrat (1, 1') nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel (11) zur Strahlenabschirmung Partikel des Elements hoher Ordnungszahl in das Verdrahtungssubstrat (3) eingebracht sind.
Detektionssubstrat (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrahtungssubstrat (3) aus einer Keramik gefertigt ist.
Detektionssubstrat (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrahtungssubstrat (3) mindestens eine Aussparung (10) aufweist und wobei das Mittel (11) zur Strahlenabschirmung in die Aussparung (10) eingebracht ist.
Detektionssubstrat (1, 1') nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (11) zur Strahlenabschirmung ein ein Element hoher Ordnungszahl enthaltender Kunststoff oder ein aus dem Element hoher Ordnungszahl gefertigtes Blech (12) ist.
Detektionssubstrat (1, 1') nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Position und die Dimension der Aussparung (10) zu einer Abschattung eines nachgeschalteten elektronischen Bauelements (17) ausgelegt ist.
Detektionssubstrat (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Detektorelement ein Szintillatorelement und eine Photodiode umfasst.
Detektormodul (13, 14) für ein Computertomographiegerät (6) mit einem Detektionssubstrat (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie mit mindestens einem elektronischen Bauelement (17) und mit einer Leiterplatine (18) dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement (17) zwischen der Unterseite des Verdrahtungssubstrats (3) und der Leiterplatine (18) eingebracht ist und wobei die Leiterplatine (18) das elektronische Bauelement (17) trägt.
Detektormodul (13, 14) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatine (18) mindestens ein Mittel zur Wärmeableitung umfasst, welches an das elektronische Bauelement (17) thermisch gekoppelt ist.
Detektormodul (13, 14) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Wärmeableitung durch eine Anzahl von thermischen Durchkontaktierungen (22) der Leiterplatine (18) gegeben ist.
Detektormodul (13, 14) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärme abführendes Mittel zur Befestigung vorgesehen ist, welches mit der Leiterplatine (18) verbunden ist, und das Mittel zur Befestigung über die Anzahl von thermischen Durchkontaktierungen (22) mit dem elektronischen Bauelement (17) thermisch kontaktiert ist.
Detektormodul (13, 14) nach Anspruch 15, wobei das Mittel zur Befestigung mit einem Detektorträger (15) thermisch und mechanisch verbunden ist.
Detektor (5) für ein Computertomographiegerät (6) aufweisend eine Vielzahl von Detektormodulen (13, 14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Computertomographiegerät (6) mit einem Detektor (5) nach Anspruch 17 und mit einer Röntgenstrahlenquelle (30) und mit einem Rechner zur Bildgebung (34).