-
Die
Erfindung betrifft ein Quantendetektormodul zur quantitativen und
energieaufgelösten
Ermittlung von Quantenabsorptionsereignissen, einen Quantendetektor,
ein Verfahren zur quantitativen und energieaufgelösten Ermittlung
der Quantenabsorptionsereignisse, ein das Verfahren nachbildendes Computerprogrammprodukt
und eine Strahlungserfassungseinrichtung.
-
Zur
quantitativen und energieaufgelösten
Ermittlung von Quantenabsorptionsereignissen sind sog. quantenzählende Detektoren
bekannt. Mittels dieser Detektoren können Quanten einer auf den
Detektor einfallenden Röntgen-
oder Gammastrahlung in deren Anzahl und Energie detektiert werden.
Diese Detektoren umfassen in der Regel eine Wandlerschicht zur Wandlung
eines in der Wandlerschicht stattfindenden Quantenabsorptionsereignisses
in elektrische Ladungen. Die Wandlerschicht kann dabei z. B. aus
einem Halbleitermaterial hergestellt sein. Auf einer ersten Oberfläche der
Wandlerschicht ist eine Deckelektrode und auf einer der ersten Oberfläche gegenüber liegenden
zweiten Oberfläche
ist eine Vielzahl matrixartig angeordneter Einzelelektroden als
Gegenelektroden zur Deckelektrode angebracht. Die Deckelektrode
bzw. Einzelelektrode sind auch unter den Bezeichnungen "Rückseitenkontakt" bzw. "Pixelkontakt" bekannt.
-
Im
Betrieb des Detektors wird zwischen der Deckelektrode und den Einzelelektroden
eine Spannung angelegt, wodurch sich in der Wandlerschicht elektrische
Felder ausbilden. Durch jeden Pixelkontakt und dem diesem zugeordneten
elektrischen Feld wird ein Detektorpixel ausgebildet. Im Wirkbereich der
elektrischen Felder der Detektorpixel durch z. B. ein oder mehrere
Quantenabsorptionsereignisse erzeugte elektrischen Ladungen werden
in der Wandlerschicht voneinander getrennt und – je nach Ladungsart – zur Deckelektrode
bzw. zu jeweiligen Pixelkontakten beschleunigt. Die so bewegten
Ladungen influenzieren Ströme
auf die entsprechenden Elektroden. Anhand dieser elektrischen Signale
kann die Anzahl des/r Quantenabsorptionsereignisse/s, d. h. die
Anzahl absorbierter Quanten der Röntgen- oder Gammastrahlung,
und eine diesen zugeordnete Energie ermittelt werden. Ein Nachteil
herkömmlicher Quantendetektormodule
ist, dass die Anzahl und/oder Energie nicht mit zufrieden stellender
Genauigkeit ermittelt werden können/kann.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, den Nachteil nach dem Stand der Technik zu
beseitigen. Es soll insbesondere ein Quantendetektormodul angegeben werden,
welches eine besonders genaue quantitative und energieaufgelöste Ermittlung
von Quantenabsorptionsereignissen ermöglicht. Es soll ferner ein Verfahren
angegeben werden, welches unter Verwendung des Quantendetektormoduls
eine besonders genaue quantitative und energieaufgelöste Ermittlung
von Quantenabsorptionsereignissen ermöglicht. Ein weiteres Ziel ist
es, ein entsprechendes Computerprogrammprodukt, einen Quantendetektor und
eine Strahlungserfassungseinrichtung anzugeben.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der Ansprüche
1, 11, 14, 18 und 19. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich
aus den Ansprüchen 2
bis 10, 12, 13 und 15 bis 17.
-
Ein
erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Quantendetektormodul zur
quantitativen und energieaufgelösten
Ermittlung von Quantenabsorptionsereignissen. Dabei ist unter einer
quantitativen und energieaufgelösten
Ermittlung zu verstehen, dass die Anzahl der Quantenabsorptionsereignisse
und eine diesen zugeordnete Energie oder ein diesen zugeordneter
Energiebereich ermittelt werden.
-
Zur,
insbesondere unmittelbaren, Wandlung der Quantenabsorptionsereignisse
in elektrische Ladungen umfasst das Quantendetektormodul eine Vielzahl
von Detektorpixeln mit zumindest zwei voneinander verschiedenen
Pixelaperturen. Dabei ist unter dem Begriff "Detektorpixel" ein kleinstes zur Detektion von Quantenabsorptionsereignissen
ausgebildetes Detektionselement oder eine mehrere Detektionselemente
umfassende Detektionseinheit zu verstehen. Der Begriff "Pixelapertur" bezeichnet den effektiv
wirksamen Detektionsbereich eines einzelnen Detektorpixels. Der
effektiv wirksame Detektionsbereich korreliert mit der Größe, insbesondere der
Fläche,
der Detektorpixel. Der im Zusammenhang mit dem Begriff "Pixelapertur" verwendete Ausdruck "voneinander verschieden" soll bedeuten, dass über statistische,
insbesondere herstellungsbedingte, Schwankungen hinausgehende Unterschiede
in den physikalischen Eigenschaften bzw. Detektionseigenschaften
der Detektorpixel bestehen.
-
Unter
einem Quantenabsorptionsereignis ist im allgemeinsten Sinne jegliche
zwischen einem Quant der Röntgen-
oder Gammastrahlung und der Wandlerschicht stattfindende Wechselwirkung
zu verstehen, durch welche primär
oder sekundär
elektrische Ladungen erzeugt werden. Bei einer aus einem Halbleitermaterial
hergestellten Wandlerschicht können
die Ladungen aus Elektronen-Löcher-Paaren bestehen.
-
Durch
die erfindungsgemäße Ausbildung des
Quantendetektormoduls kann erreicht werden, dass die Quantenabsorptionsereignisse
in deren Anzahl und Energie besonders genau ermittelt werden können, worauf
im Folgenden näher
eingegangen wird.
-
Die
erreichbare Genauigkeit hängt
mitunter von der Pixelapertur ab. Kleine Pixelaperturen eignen sich
besonders zur Erfassung hoher Quantenflussraten der Röntgen- oder
Gammastrahlung. Jedoch kann es bei kleinen Pixelaperturen vorkommen, dass
die durch ein Quantenabsorptionsereignis erzeugte elektrische Ladung,
z. B. durch Ladungsdiffusion und/oder Fluoreszenzphotonen, auf mehrere Detektorpixel
verteilt wird. Infolgedessen repräsentiert das mittels eines
Detektorpixels erzeugte elektrische Signal nicht die gesamte Ladung,
was zu einer fehlerhaften Ermittlung der Energie des dem Quantenabsorptionsereignis
zu Grunde liegenden Quants führen
kann.
-
Große Pixelaperturen
sind zur quantitativen Erfassung hoher Quantenflussraten weniger
gut geeignet. Bei großen
Pixelaperturen und hohen Quantenflussraten ist die Wahrscheinlichkeit,
dass sich mehrere Quantenabsorptionsereignisse überlagern, vergleichsweise
hoch. Durch Überlagerungen
wird die Linearität
zwischen der Stärke
des elektrischen Signals und der Anzahl und Energie der Quanten
beeinträchtigt,
was zu einer verfälschten
Erfassung der Quantenabsorptionsereignisse führt. Hingegen eignen sich große Pixelaperturen
besonders gut zur quantitativen und energieaufgelösten Ermittlung
der Quantenabsorptionsereignisse bei moderaten bis kleinen Quantenflussraten.
-
Indem
bei dem erfindungsgemäßen Quantendetektormodul
sowohl kleine als auch große
Pixelaperturen vorgesehen sind, können jeweils vorteilhafte Eigenschaften
genutzt und nachteilige Eigenschaften unterdrückt werden. Das kann beispielsweise
durch eine geeignete Kombination der elektrischen Signale von Detektorpixeln
unterschiedlicher Pixelapertur oder jeweiliger Zählergebnisse erreicht werden.
-
Das
Quantendetektormodul kann eine Wandlerschicht zur Wandlung der Quantenabsorptionsereignisse
in elektrische Ladungen aufweisen, bei welcher auf einer ersten
Oberfläche
zumindest eine Deckelektrode und auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden
zweiten Oberfläche
eine Vielzahl von diskret gelegenen Einzelelektroden angebracht
sind. Im Falle einer einzigen Deckelektrode kann diese als zusammenhängende Flächenelektrode
ausgebildet sein, welche die erste Oberfläche zumindest teilweise überdeckt.
Die Einzelelektroden weisen jeweils eine parallel zur zweiten Oberfläche verlaufende
Elektrodenfläche
auf.
-
Durch
Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Deckelektrode und
den Einzelelektroden wird in der Wandlerschicht ein elektrisches
Feld erzeugt, durch welches die elektrischen Ladungen in Abhängigkeit
ihrer jeweiligen Ladungsart entweder zur Deckelektrode oder zu den
Einzelelektroden beschleunigt werden. Die Deckelektrode und die
Einzelelektroden sind mit der Wandlerschicht derart kontaktiert,
dass die elektrischen Ladungen als elektrische Signale erfasst werden
können.
-
Erfindungsgemäß sind Elektrodengrößen und/oder
Abstände
der Einzelelektroden derart gewählt,
dass Detektorpixel mit zumindest zwei voneinander verschiedenen
Pixelaperturen ausgebildet werden. Dabei ist unter dem Begriff der
Elektrodengröße die Größe einer
jeweiligen Kontaktfläche
zwischen der Einzelelektrode und der Wandlerschicht zu verstehen;
der Abstand der Mittelpunkte von Einzelelektroden wird auch als "Pitch" bezeichnet. Die
Pixelapertur ist u. a. abhängig
sowohl von der Elektrodengröße als auch
vom Abstand der Einzelelektroden. Infolgedessen können die
gewünschten
Pixelaperturen durch eine im jeweiligen Fall vorteilhafte Wahl von
Elektrodengröße und Pitch
eingestellt werden.
-
Die
Detektorpixel können
mehrere voneinander verschiedene Pixelaperturen aufweisen. Insbesondere
ist es möglich,
dass genau zwei voneinander verschiedene Pixelaperturen vorgesehen
sind. Die Anzahl der Detektorpixel mit gleicher Pixelapertur kann
daran angepasst werden, welche Quantenflussraten und Energiebereiche
mit dem Quantendetektormodul erfasst werden sollen. Oder anders
ausgedrückt:
die Anzahl der Detektorpixel mit gleicher Pixelapertur kann in Abhängigkeit
der zu erwartenden Quantenabsorptionsereignisse gewählt werden. Ferner
kann die Anzahl der voneinander verschiedenen Pixelaperturen daran
ausgerichtet werden, welche Quantenflussraten und Energiebereiche
mit dem Quantendetektormodul erfasst werden sollen. Mit anderen
Worten, die Anzahl der voneinander verschiedenen Pixelaperturen
kann in Abhängigkeit
der zu erwartenden Quantenabsorptionsereignisse gewählt werden.
Im Falle zweier verschiedener Pixelaperturen bedeutet das insbesondere,
dass ein Verhältnis von
kleinen zu großen
Pixelaperturen, oder um gekehrt, in Abhängigkeit der zu erwartenden
Quantenflussraten gewählt
werden kann. Das bedeutet insbesondere, dass die Flächendichte
der Einzelelektroden in Abhängigkeit
der zu erwartenden Quantenflussraten gewählt werden kann. Bei der Flächendichte
kann es sich um eine bezüglich
der zweiten Oberfläche
mittlere oder lokale Größe handeln,
wobei die Flächendichte
für Einzelelektroden
verschiedener Elektrodengröße und/oder
Abstände
unterschiedlich oder gleich sein kann. Durch die Ausrichtung Detektorpixel
bzw. Pixelaperturen, wie z. B. der Anzahl, der Elektrodengröße und/oder
Flächendichte der
Einzelelektroden, an die zu erwartenden Quantenflussrate kann das
Quantendetektormodul optimal an die jeweiligen Erfordernisse angepasst
werden, wodurch eine besonders genaue Ermittlung der Anzahl und
Energie der Quantenabsorptionsereignisse möglich ist.
-
Die
Detektorpixel können
im Wesentlichen beliebig geometrisch angeordnet sein. Insbesondere ist
es möglich,
dass die Detektorpixel in parallelen Reihen angeordnet sind. Dabei
kann die, insbesondere mittlere, Pixelapertur einer aus zumindest
einer Reihe bestehenden ersten Detektorpixelgruppe größer bzw.
kleiner sein als diejenige einer dazu benachbarten, aus zumindest
einer Reihe bestehenden zweiten Detektorpixelgruppe. Das schließt insbesondere
mit ein, dass sich Reihen mit jeweiligen Pixelaperturen periodisch
wiederholen können.
Im Falle zweier verschiedener Pixelaperturen können dabei Reihen unterschiedlicher
Pixelapertur alternierend aufeinander folgen. Des Weiteren können die
Detektorpixel benachbarter Reihen zueinander deckungsgleich oder
zueinander versetzt, insbesondere auf Lücke, angeordnet sein.
-
Die
erste und/oder zweite Detektorpixelgruppe kann aus mehreren Reihen
bestehen, wobei Aussagen bezüglich
einzelner Reihen für
Detektorpixelgruppen analog gelten. Die Anzahl der von der ersten und
zweiten Detektorpixelgruppe umfassten Reihen kann einander entsprechen
oder unterschiedlich sein. Bei geeigneter geometrischer Anordnung
der Detektorpixel kann erreicht werden, dass das Quantendetektormodul
an die jeweili gen Erfordernisse optimal angepasst ist, wodurch die
jeweils, insbesondere lokal, zu erwartenden Quantenabsorptionsereignisse
besonders genau ermittelt werden können.
-
Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass entlang eines Rands des Quantendetektormoduls
Detektorpixel angeordnet sind, deren Pixelapertur, bzw. mittlere
Pixelapertur, kleiner ist als diejenige der bezüglich des Rands weiter mittig
gelegenen Detektorpixel. Bei dieser Ausgestaltung kann mittels der
randseitigen ersten Detektorpixelgruppe zusätzlich zu den vorgenannten
Vorteilen eine Homogenisierung des elektrischen Felds am Rand der
Wandlerschicht erreicht werden.
-
Ein
zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Quantendetektor, umfassend
zumindest ein erfindungsgemäßes Quantendetektormodul
oder eine Ausgestaltung davon. Wegen Vorteilen und vorteilhaften
Wirkungen des Quantendetektors wird auf die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Quantendetektormodul
verwiesen, welche in analoger Weise gelten.
-
Bei
dem Quantendetektor nach dem zweiten Aspekt kann die mittlere Pixelapertur,
ausgehend von zumindest einem Rand des Quantendetektors zu dessen
Mitte hin zunehmen. Damit kann der Tatsache Rechnung getragen werden,
dass ein Untersuchungsobjekt in der Regel mittig über dem
Quantendetektor angeordnet ist, wodurch im Mittenbereich in der
Regel weniger energiereiche Quanten und insgesamt kleinere Quantenflussraten
zu erwarten sind als in Randbereichen des Quantendetektors.
-
Der
Quantendetektor kann des Weiteren einen den Quantendetektormodulen
strahlungseintrittsseitig vorgeschalteten Streustrahlungskollimator aufweisen.
Durch den Streustrahlungskollimator, insbesondere durch Kollimatorlamellen
desselben, ergeben sich bei den Quantendetektormodulen Abschattungszonen,
welche inaktive Detektionsflächen darstellen.
Die Detektorpixel können
in zu den Abschattungszonen benachbarten Bereichen im Mittel kleinere
Pixelaperturen aufweisen als außerhalb
dieser Bereiche. Für
den Fall, dass genau zwei unter schiedliche Pixelaperturen vorgesehen
sind, kann angrenzend an eine Abschattungszone jeweils zumindest
eine Reihe mit kleiner Pixelapertur vorgesehen sein. Die elektrischen
Signale der Detektorpixel mit kleiner Pixelapertur können zur
Korrektur der elektrischen Signale der Detektorpixel mit großer Pixelapertur
verwendet werden, wodurch die Genauigkeit der Quantendetektormodule
sowohl hinsichtlich der Anzahl als auch Energie der Quantenabsorptionsereignisse
verbessert werden kann.
-
Nach
einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur quantitativen
und energieaufgelösten
Ermittlung von Quantenabsorptionsereignissen bei Verwendung eines
erfindungsgemäßen Quantendetektormoduls
bzw. Quantendetektors vorgesehen. Das Verfahren umfasst folgende
Schritte:
- a) Erfassen von elektrischen Signalen
auf der Grundlage, und
- b) Ermitteln von quantitativen, energieaufgelösten Zählergrößen umfassend
zumindest einen Zählwert
und einen Energiewert für
ein Quantenabsorptionsereignis, durch Kombination zumindest zweier,
im Schritt lit, a) erfasster elektrischer Signale von zumindest
zwei, vorzugsweise benachbarten, Detektorpixeln unterschiedlicher
Pixelapertur.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
in vorteilhafter Weise die Vorzüge
der jeweiligen Pixelaperturen ausgenutzt werden, so dass die Genauigkeit
der Ermittlung der Quantenabsorptionsereignisse verbessert werden
kann.
-
Bei
dem Verfahren kann des Weiteren ein Zähler für den Energiewert entsprechend
dem Zählwert
erhöht
werden. Dabei kann mit dem Zähler
die Anzahl der Quanten einer vorgegebenen diskreten Energie oder
die Anzahl der Quanten, deren Energie in einem vorgegebenen Energieintervall
gelegen ist, erfasst werden.
-
Bei
der Kombination der elektrischen Signale der Detektorpixel unterschiedlicher
Pixelapertur kann es sich beispielsweise um eine gewichtete Summation
handeln. Die elektrischen Signale können in Abhängigkeit der Sensitivität und Trennschärfe der
jeweiligen Detektorpixel kombiniert bzw. gewichtet werden. Bei kleinen
Quantenflussraten, bei welchen die Sensitivität größerer Pixelaperturen die gegenüber kleineren
Pixelaperturen vorteilhafter ist, können die elektrischen Signale
der Detektorpixel mit größeren Pixelaperturen
beispielsweise stärker
gewichtet werden. Demgegenüber
können
mit zunehmenden Quantenflussraten die elektrischen Signale der Detektorpixel
mit kleineren Pixelaperturen, welche bei hohen Quantenflussraten
trennschärfer
sind, zunehmend stärker
gewichtet werden. Gewichtungsfaktoren für die gewichtete Summation
können
auf der Grundlage der elektrischen Signale der Detektorpixel, des
Zählwerts
und/oder Energiewerts ermittelt werden. Damit kann der Dynamikbereich
hinsichtlich Anzahl und Energie der erfassbaren Quanten verbessert
werden.
-
Abgesehen
von der gewichteten Summation kommen auch andere Kombinationen in
Betracht. Beispielhaft sei eine Korrektur der elektrischen Signale
der mittels einer von den elektrischen Signalen der Detektorpixel
abhängigen
Korrekturfunktion erwähnt.
-
Ein
vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt,
umfassend einen Programmcode, welcher bei Ausführung auf einer Rechnereinheit,
wie z. B. einem Computer, ein Verfahren nach dem dritten Aspekt
bewirkt. Ein fünfter
Aspekt der Erfindung betrifft eine Strahlungserfassungseinrichtung,
insbesondere einen Röntgen-Computertomografen,
umfassend einen Quantendetektor nach dem zweiten Aspekt und eine
Rechnereinheit mit einem darauf gespeicherten Programmcode nach
dem vierten Aspekt. Bezüglich
Vorteilen und vorteilhaften Wirkungen des Computerprogrammprodukts
und der Strahlungserfassungseinrichtung wird auf Ausführungen
zum ersten bis dritten Aspekt der Erfindung verwiesen.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 einen
Röntgen-Computertomografen mit
einem erfindungsgemäß ausgebildeten
Röntgendetektor;
-
2 eine
perspektivische explosionsartige Schnittdarstellung einer ersten
Ausgestaltung eines Quantendetektormoduls des Röntgendetektors der 1;
-
3 einen
Querschnitt des Quantendetektormoduls der ersten Ausgestaltung;
-
4 eine
Ansicht des Quantendetektormoduls der 2 von unten;
-
5 eine
zu 4 korrespondierende Ansicht einer zweiten Ausgestaltung
des Quantendetektormoduls;
-
6 eine
zu 4 korrespondierende Ansicht einer dritten Ausgestaltung
des Quantendetektormoduls;
-
7 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur quantitativen und energieaufgelösten Ermittlung von
Quantenabsorptionsereignissen;
-
8 eine
erläuternde
Darstellung zur Ermittlung von Gewichtungsfaktoren beim Verfahren nach 7;
-
In
den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente durchwegs
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Darstellungen in den
Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu und Maßstäbe zwischen
den Figuren können
variieren. Auf den Röntgen-Computertomografen
und den Röntgendetektor
wird im Folgenden nur insoweit eingegangen als es zum Verständnis der
Erfindung erforderlich ist.
-
1 zeigt
einen Röntgen-Computertomografen 1 mit
einem Patientenlagerungstisch 2 mit einem darauf zur Untersuchung
befindlichen Patienten 3. Der Röntgen-Computertomograf 1 weist
eine Gantry 4 auf, in deren Gehäuse ein um eine Systemachse 5 drehbar
gelagertes Röhren-Detektor-System
aufgenommen ist. Das Röhren-Detektor-System
umfasst eine Röntgenröhre 6 und
einen dieser gegenüber
liegend angeordneten Röntgendetektor 7.
Im Betrieb geht von der Röntgenröhre 6 Röntgenstrahlung 8 in
Richtung des Röntgendetektors 7 aus
und kann von diesem erfasst werden. Der Röntgendetektor 7 weist
mehrere Quantendetektormodule 9 auf. Bei dem Röntgendetektor 7 bzw.
den Quantendetektormodulen 9 handelt es sich um einen direkt
konvertierenden, Quanten zählenden
Detektor bzw. um direkt konvertierende, Quanten zählende Detektormodule. Der
Röntgen-Computertomograf
weist ferner eine nicht dargestellte Rechnereinheit auf, welche
zur Ausführung
des weiter unten näher
beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.
-
Eine
perspektivische explosionsartige Schnittdarstellung des Röntgendetektors 7 ist
in 2 dargestellt. Strahlungseintrittsseitig sind
Kollimatorlamellen 10 zur Absorption von Streustrahlung, welche
durch Wechselwirkung der Röntgenstrahlung 8 mit
dem Körper
des Patienten 3 verursacht wird, angeordnet. Die Kollimatorlamellen 10 absorbieren auch
ein parallel zu einer Einfallsrichtung 11 der Röntgenstrahlung 8 auf
Längsseiten 12 der
Kollimatorlamellen 10 treffende Röntgenstrahlung 8,
wodurch bei den Quantendetektormodulen 9 Abschattungszonen 13 ausgebildet
werden.
-
Das
Quantendetektormodul 9 weist eine aus einem Halbleitermaterial
hergestellte Wandlerschicht 14 zur unmittelbaren Wandlung
der Röntgenstrahlung 9 in
elektrische Ladungen 15, im vorliegenden Fall Elektronen
und Löcher,
auf. Auf einer ersten Oberfläche 16 der
Wandlerschicht 14 ist eine Deckelektrode 17 aufgebracht,
welche auch unter der Bezeichnung "Rückseitenkontakt" bekannt ist. Die
Deckelektrode 17 ist mit der ersten Oberfläche 16 elektrisch
leitend in Kontakt, d. h. es kann ein Ladungstransfer von der Wandlerschicht 14 zur
Deck elektrode 17 erfolgen. Auf einer der ersten Oberfläche 16 gegenüber liegenden
zweiten Oberfläche 18 sind eine
Vielzahl von ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20 angebracht,
welche – u.
a. auch unter der Bezeichnung "Pixelkontakt" bekannt sind. Die
ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20 liegen
auf der zweiten Oberfläche 18 diskret,
d. h. sie berühren
sich gegenseitig nicht und zwischen ihnen besteht kein direkter
elektrisch leitender Kontakt. Die ersten 19 und zweiten
Einzelelektroden 20 weisen jeweils eine parallel zur zweiten
Oberfläche 18 verlaufende
erste 21 bzw. zweite Elektrodenfläche 22 auf. Dabei
ist die erste Elektrodenfläche 21 kleiner
als die zweite Elektrodenfläche 22.
Die ersten 21 und zweiten Elektrodenflächen 22 sind kreisförmig ausgebildet.
Es ist jedoch auch möglich,
dass diese eine andere geometrische Form aufweisen, z. B. polygonal,
insbesondere rechteckig, sechseckig usw.
-
Die
ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20 sind
in parallelen Reihen angeordnet, welche wiederum parallel zur Längsrichtung
der Kollimatorlamellen 10 verlaufen. Die ersten 19 und
zweiten Einzelelektroden 20 sind in Richtung der Reihen
unterschiedlich weit voneinander beabstandet. Die ersten Einzelelektroden 19 weisen
einen ersten Abstand, d. h. ersten Pitch P1 auf, welcher kleiner
ist als ein zweiter Abstand, bzw. zweiter Pitch P2 der zweiten Einzelelektroden 20.
Die ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20 sind
jeweils Bestandteil von ersten 23 und zweiten Detektorpixeln 24,
von welchen in den Figuren der Übersichtlichkeit
halber nur einige wenige bezeichnet und dargestellt sind. Der jeweils
effektiv wirksame Detektionsbereich, d. h. die jeweilige Pixelapertur,
der ersten 23 und zweiten Detektorpixel 24 ist
sowohl von der jeweiligen Elektrodengröße als auch vom jeweiligen
Abstand abhängig.
Bedingt durch die unterschiedlichen Elektrodengrößen und Abstände weisen
die ersten 23 und zweiten Detektorpixel 24 als
unterschiedliche Pixelaperturen auf. Dabei weisen die ersten Detektorpixel 23 eine
kleine Pixelapertur auf als die zweiten Detektorpixel 24.
-
Die
zweiten Einzelelektroden 20 sind in Gruppen zu jeweils
zwei parallelen Reihen angeordnet, wobei zwischen zwei benachbarten
Gruppen jeweils eine Abschattungszone 13 liegt. Jede Reihe erster
Einzelelektroden 19 ist benachbart zu einer Abschattungszone 13 angeordnet.
Die Anzahl der ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20,
die Anzahl der Reihen sowie deren Abstände und Anordnung können abweichend
von der Darstellung der 2 je nach Anforderungen, z.
B. der lokal zu erwartenden Quantenflussraten der Röntgenstrahlung 8,
gewählt
werden und sind keineswegs einschränkend für die Erfindung anzusehen.
In diesem Zusammenhang wird auf 5 und 6 hingewiesen,
auf welche weiter unten genauer eingegangen wird.
-
3 zeigt
einen Querschnitt des Quantendetektormoduls der ersten Ausgestaltung.
Wie daraus genauer zu erkennen ist, liegen zwei Reihen zweiter Einzelelektroden 20 zwischen
zwei benachbarten Abschattungszonen 13. Beiderseits jeder
bezüglich
des in 3 linken und rechten Rands der Wandlerschicht 14 innen
gelegenen Abschattungszone 13 liegt benachbart eine Reihe
erster Einzelelektroden 19. Durch die ersten Einzelelektroden 19 kann
der zu den Abschattungszonen 13 benachbarte Bereich der
Wandlerschicht 14 in vorteilhafter Weise noch effektiver
als aktive Wandlerfläche
ausgenutzt werden.
-
Benachbart
zu den Abschattungszonen 13 am linken und rechten Rand
der Wandlerschicht 14 sind keine ersten Einzelelektroden 19 vorgesehen. Stattdessen
kann entlang des Rands der Wandlerschicht 14 auf der Seite
der zweiten Oberfläche 18 ein
lediglich in 4 gezeigter, umlaufender Elektrodenring 25 vorgesehen
sein, welcher auch unter der Bezeichnung "Guardring" bekannt ist und dessen Funktion weiter
unten beschrieben wird. Zur Verdeutlichung der geometrischen Anordnung
der ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20 ist
in 4 eine nicht weiter erläuterte Ansicht von unten auf
das Quantendetektormoduls der 2 gezeigt.
-
Die
Funktion des Quantendetektormoduls 9 ist wie folgt:
Im
Betrieb des Quantendetektormoduls 9 wird zwischen der Deckelektrode 17 und
den ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20 eine
Spannung angelegt. Durch die Spannung wird in der Wandlerschicht ein
elektrisches Feld erzeugt. Der Guardring dient dazu, das elektrische
Feld am Rand des Quantendetektormoduls 9 zu homogenisieren.
Durch Absorption eines Quants der Röntgenstrahlung 8,
d. h. ein Quantenabsorptionsereignis, werden in der Wandlerschicht 14 die
elektrischen Ladungen 15 erzeugt. Durch das zwischen der
Deckelektrode 17 und einer ersten 19 bzw. zweiten
Einzelelektrode 20 ausgebildete elektrische Feld wandern
die Ladungen 15 in Abhängigkeit
des Einwirkungsbereichs des elektrischen Felds, insbesondere des
effektiv wirksamen Detektionsbereichs des jeweiligen Detektorpixels, der
Art der Ladung und der Polung der Spannung, zur Deckelektrode 17 bzw.
zur den ersten 19 bzw. zweiten Einzelelektroden 20,
was in Form von elektrischen Signalen erfasst werden kann.
-
Bei
einem hinreichenden zeitlichen Abstand der Quantenabsorptionsereignisse,
welcher eine getrennte Ermittlung der zugehörigen elektrischen Signale
ermöglicht
können
die Quantenabsorptionsereignisse quantitativ im Wesentlichen exakt
erfasst werden. Bei hohen Quantenflussraten kann die Genauigkeit
durch Überlagerungen
der elektrischen Signale beeinträchtigt
werden, was bei den zweiten Einzelelektroden 20 auf Grund
der größeren Pixelapertur
der Fall ist. Im Unterschied dazu können die Quantenabsorptionsereignisse
mittels der ersten Einzelelektroden 19 auf Grund der kleineren
Pixelapertur und damit verbundenen höheren zeitlichen Auflösung quantitativ
genauer ermittelt werden.
-
Die
durch ein Quantenabsorptionsereignis erzeugten elektrischen Ladungen 15 sind
ein Maß für die Energie
des zugehörigen
Quants. Wandern die aus einem Quantenabsorptionsereignis hervorgehenden
Ladungen 15 zu mehreren ersten 19 bzw. zweiten
Einzelelektroden 20 so stellt das elektrische Signal nicht die
gesamte Energie des Quants dar, was zu einer Beeinträchtigung
der Energieauflösung führt. Von
diesem Effekt sind die zweiten Einzelelektroden 20 mit
größerer Pixelapertur
weniger stark betroffen als die ersten Einzelelektroden 19 mit
kleinerer Pixelapertur. Das bedeutet, dass die zweiten Einzelelektroden 20 eine
vergleichsweise bessere Energieauflösung zeigen. Die Verteilung
der elektrischen Ladungen 15 eines Quantenabsorptionsereignisses auf
mehrere Einzelelektroden kann ggf. mittels einer zeitlichen Korrelation
von elektrischen Signalen festgestellt werden, so dass durch Kombination
der entsprechenden elektrischen Signale dennoch eine vergleichsweise
genaue Ermittlung der Energie möglich ist.
Letzteres ist jedoch bei den kleineren ersten Einzelelektroden 19 weitaus
schwieriger als bei den größeren zweiten
Einzelelektroden 20. Insoweit sind die zweiten Einzelelektroden 20 hinsichtlich
der Energieauflösung
vorteilhafter als die ersten Einzelelektroden 19.
-
Durch
Ausnutzen der durch die jeweiligen Pixelaperturen gegebenen vorteilhaften
Eigenschaften der ersten 19 bzw. zweiten Einzelelektroden 20 bei großen bzw.
kleinen Quantenflussraten kann die Genauigkeit der quantitativen
und energieaufgelösten Ermittlung
der Quantenabsorptionsereignisse gesteigert werden. Dazu können die
elektrischen Signale der ersten Einzelelektroden 19 zur
Korrektur der elektrischen Signale der zweiten Einzelelektroden 20 bei
hohen Quantenflussraten verwendet werden.
-
5 zeigt
eine zu 4 korrespondierende Ansicht
einer zweiten Ausgestaltung des Quantendetektormoduls 9.
Bei dem Quantendetektormodul der zweiten Ausgestaltung sind die
ersten Einzelelektroden 19 an Stelle des bei der ersten
Ausgestaltung vorgesehenen Elektrodenrings 25 vorgesehen. Damit
kann einerseits, wie bei Verwendung des Elektrodenrings 23,
eine Homogenisierung des elektrischen Felds am Rand der Wandlerschicht
erreicht werden. Andererseits können
die elektrischen Signale der ersten Einzelelektroden 19,
analog wie bei der ersten Ausgestaltung, zur Korrektur der elektrischen Sig nale
der zweiten Einzelelektroden 20 bei hohen Quantenflussraten
verwendet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass bei der Darstellung
der 5 die ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20 unterschiedliche
Elektrodengrößen und
Abstände,
und dadurch bedingt unterschiedliche Pixelaperturen aufweisen.
-
Eine
zu 4 korrespondierende Ansicht einer dritten Ausgestaltung
des Quantendetektormoduls 9 ist in 6 gezeigt.
Bei der dritten Ausgestaltung ist, wie bei der ersten Ausgestaltung
und zu dem gleichen Zweck, ein Elektrodenring 25 vorgesehen. Die
ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20 sind
in Reihen parallel zu den Rändern
der Wandlerschicht 14 angeordnet. Dabei sind die Reihen
der ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20 zueinander
versetzt angeordnet, wobei die ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20 zueinander
auf Lücke
angeordnet sind. Zwar ist der erste P1 und zweite Pitch P2 gleich,
jedoch weisen die ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20 unterschiedliche
Elektrodenflächen
auf, so dass auch hier die Pixelapertur der ersten Einzelelektroden 19 kleiner
ist als die der zweiten Einzelelektroden 20. Bei der dritten
Ausgestaltung können
die elektrischen Signale der ersten Einzelelektroden 19, in
Analogie zur ersten und zweiten Ausgestaltung, zur Korrektur der
elektrischen Signale der zweiten Einzelelektroden 20 verwendet
werden. Indem die ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20 gleichmäßig über die
zweite Oberfläche 18 verteilt
sind, können
die elektrischen Signale zumindest zweier benachbarter erster 19 und
zweiter Einzelelektroden 20 zu einem elektrischen Gesamtsignal
kombiniert werden, wodurch eine besonders genaue quantitative und
energieaufgelöste
Erfassung von Quantenabsorptionsereignissen erreicht werden kann.
Die Kombination kann z. B. in Form einer gewichteten Summation der
elektrischen Signale benachbarter erster 19 und zweiter
Einzelelektroden 20 erfolgen, worauf nachfolgend im Zusammenhang
mit der Beschreibung eines Verfahrens zur quantitativen und energieaufgelösten Ermittlung
von Quantenabsorptionsereignissen nochmals eingegangen wird.
-
7 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur quantitativen und energieaufgelösten Ermittlung
von Quantenabsorptionsereignissen. Bei dem Verfahren werden elektrische
Signale eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors
verwendet. In einem ersten Schritt S1 werden elektrische Signale der
ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20 erfasst.
In einem zweiten Schritt 92 wird aus elektrischen Signalen
zumindest zweier benachbarter erster 19 und zweiter Einzelelektroden 20 mit
unterschiedlicher Pixelapertur ein Gesamtsignal durch gewichtete
Summation der elektrischen Signale des/der ersten 19 und
zweiten Einzelelektroden 20 berechnet. Aus dem Gesamtsignal
wird eine Zählergröße ermittelt,
welche einen Zählwert
und Energiewert für Quantenabsorptionsereignisse
oder ein Quantenabsorptionsereignis umfasst, wobei im letzteren
Fall der Zählwert
der Zahl Eins entspricht. In einem dritten Schritt S3 wird auf der
Grundlage des Gesamtsignals ein Zähler für Quanten mit einer zum Energiewert korrespondierenden
Energie bzw. Quanten in einem zum Energiewert korrespondierenden
Energieintervall entsprechend dem Zahlwert erhöht. Dabei repräsentiert
der Wert des Zählers
die in einem Zeitfenster, z. B. der Dauer einer Röntgenaufnahme,
in der Wandlerschicht 14 absorbierten Quanten der entsprechenden
Energie bzw. der absorbierten Quanten im entsprechenden Energieintervall.
Auf der Grundlage des Werts des Zählers und der korrespondierenden
Energie bzw. dem korrespondierenden Energieintervall kann eine Bilddarstellung
eines mittels der Röntgenstrahlung 8 abgetasteten
Abschnitts des Patientenkörpers
ermittelt werden.
-
8 zeigt
eine erläuternde
Darstellung zur Ermittlung von Gewichtungsfaktoren G für die gewichtete
Summation des Verfahrens nach 7. Auf der
Grundlage erster elektrischer Signale z1 der ersten Einzelelektroden 19 und
zweiter elektrischer Signale z2 der zweiten Einzelelektroden 20 und/oder
jeweiliger Werte der Zähler
wird für
die jeweilige Röntgenstrahlung 8 eine
Quantenflussrate f ermittelt oder abgeschätzt. In Abhängigkeit der Quantenflussrate
f werden jeweilige erste g1 und zweite Gewichtungsfaktoren g2 ermittelt.
-
In
dem in 8 gezeigten Diagramm sind ohne Angabe konkreter
Werte und Einheiten Gewichtungsfaktoren G gegen die Quantenflussrate
F aufgetragen. Die Abhängigkeit
der ersten Gewichtungsfaktoren g1 von der Quantenflussrate F ist
durch die strichlinierte Kurve und die der zweiten Gewichtungsfaktoren
g2 durch die durchgezogene Kurve gegeben. Die Kurven können z.
B. auf der Grundlage von Testmessungen unter Berücksichtigung der Eigenschaften
der ersten 19 und zweiten Einzelelektroden 20,
des jeweiligen Untersuchungsobjekts usw. ermittelt werden. Da die
zweiten Einzelelektroden 20 bei geringen Quantenflussraten
F eine vergleichsweise gute Energieauflösung zeigen, sind die zweiten
Gewichtungsfaktoren g2 bei kleinen Quantenflussraten F vergleichsweise
hoch und nehmen mit größer werdenden
Quantenflussraten F ab. Da die ersten Einzelelektroden 19 besonders
gut für
vergleichsweise hohe Quantenflussraten F geeignet sind, sind die ersten
Gewichtungsfaktoren g1 bei kleinen Quantenflussraten F klein und
nehmen mit steigender Quantenflussrate F zu.
-
Die
ersten g1 und zweiten Gewichtungsfaktoren g2 ergeben sich entsprechend
der punktierten Linien aus der jeweils ermittelten oder abgeschätzten Quantenflussrate
f der Röntgenstrahlung 8.
-
Nach
Ermittlung der ersten g1 und zweiten Gewichtungsfaktoren g2 kann
mit den ersten z1 und zweiten elektrischen Signalen z2 ein elektrisches
Gesamtsignal Z durch gewichtete Summation ermittelt werden, z. B.
wie folgt: Z = g1·z1
+ g2·z2.
Da das elektrische Gesamtsignal Z unter Ausnutzung der für die jeweilige
Pixelapertur vorteilhaften Detektionseigenschaften der ersten 19 und
zweiten Einzelelektroden 20 ermittelt wird, kann eine besonders
genaue quantitative und energieaufgelöste Ermittlung der Quantenabsorptionsereignisse
erreicht werden.
-
Die
Erfindung ist anhand eines Quantendetektormoduls mit zwei voneinander
verschiedenen Pixelaperturen beschrieben worden. Es ist jedoch auch
möglich,
dass mehrere voneinander ver schiedene Pixelaperturen verwendet werden.
Ferner können
die Pixelaperturen an lokal zu erwartende Quantenflussraten F angepasst
werden. Dazu können
die Einzelelektroden eines Quantendetektormoduls lokal unterschiedliche
Elektrodengrößen und/oder
aufweisen. Bei einem Röntgendetektor
kann eine Anpassung an die zu erwartende Quantenflussrate F z. B. dadurch
erfolgen, dass Elektrodengröße und/oder Pitch
in Abhängigkeit
der der Montageposition der Quantendetektormodule im Quantendetektor
variiert wird. Es ist auch möglich,
dass die Anzahl, Dichte usw. der Einzelelektroden in Abhängigkeit
der zu erwartenden Quantenflussraten F gewählt ist. Ferner ist es möglich, dass
die Anzahl der Detektorpixel mit unterschiedlichen Pixelaperturen
in Abhängigkeit
der zu erwartenden Quantenflussraten F gewählt ist. Darüber hinaus
kann die Flächendichte
der Einzelelektroden in Abhängigkeit
der zu erwartenden Quantenflussraten F gewählt werden. Die vorgenannten Variationen
zeigen, dass im Hinblick auf die Geometrie der Anordnung der Einzelelektroden
und deren Anzahl eine Vielzahl unterschiedlicher Quantendetektormodule
bzw. Quantendetektoren mit unterschiedlichen jeweils optimal angepassten
Pixelaperturen möglich
sind. Insoweit sind die bezüglich
der Figuren beschriebenen Ausgestaltungen beispielhaft zu verstehen
und stellen nur eine beispielhafte, nicht abschließende Auswahl
der möglichen
Realisierungsformen dar.
-
Insgesamt
wird deutlich, dass die Erfindung eine besonders genaue quantitative
und energieaufgelöste
Ermittlung von Quantenabsorptionsereignissen ermöglicht.