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Die
Erfindung betrifft einen digitalen Röntgendetektor mit einem Szintillator
gemäß dem Patentanspruch
1.
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In
der digitalen Röntgenbildgebung
finden seit einigen Jahren Flachbild-Röntgendetektoren (flat Panel
detector) Anwendung. Ein solcher Röntgendetektor basiert auf einer
aktiven Auslesematrix, der ein Szintillator vorgeschichtet ist.
Die auftreffende Röntgenstrahlung
wird zunächst
in dem Szintillator in sichtbares Licht gewandelt. Die aktive Matrix
ist in eine Vielzahl von Pixel-Ausleseeinheiten mit Photodioden
unterteilt, die dieses Licht wiederum in elektrische Ladung umwandeln
und ortsaufgelöst
speichern. Zum technischen Hintergrund eines Flachbilddetektors
wird auch auf M. Spahn et al., ”Flachbilddetektoren
in der Röntgendiagnostik”, Der Radiologe
43 (2003), Seiten 340 bis 350, verwiesen.
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Szintillatorschichten
nutzen den sogenannten Photoeffekt, um Röntgenquanten in Photonen umzuwandeln,
gängige
Materialien für
Szintillatorschichten sind zum Beispiel Cäsium-Iodid oder Gadoliniumoxisulfid.
Da die Szintillatorschicht das entstehende Licht jedoch im Allgemeinen
isotrop emittiert, gelangt nur ein Teil des entstandenen Lichts
direkt auf die Photodioden. Um dies zu verbessern sind Szintillatorschichten
häufig
in einer Nadelstruktur angeordnet, um zumindest teilweise als Lichtleiter
zu wirken und so das seitlich emittierte Licht mit möglichst
wenig Streuung auf die Photodioden zu leiten. In die den Photodioden
entgegengesetzte Richtung emittiertes Licht wird durch ein reflektierendes
Szintillatorsubstrat wieder in Richtung der Photodioden gesendet.
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Durch
die Reflexion wird aber die bei der Szintillation entstandene Lichtverteilung
weiter verbreitert, wodurch die Auflösung des Röntgendetektors wiederum negativ
beeinflusst wird. Der durch die Reflexion entstandene Signalgewinn
(höhe re
Sensitivität)
bedingt also eine geringere Bildschärfe (messbar anhand der Modulationstransferfunktion
MTF).
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Aus
der
WO 96/14593 A1 ist
ein digitaler Röntgendetektor
mit einer Szintillatorschicht und einem Retroreflektor bekannt,
wobei der Retroreflektor an die Szintillatorschicht angrenzt und
eine retroreflektierende Schicht besitzt, welche von der von der Szintillatorschicht
abgewandten Oberfläche
gebildet wird.
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Aus
der
DE 25 44 356 A1 ist
ein Szintillator bekannt, dessen Vorder- und Rückseite viele nebeneinander
angeordnete Rückstrahler
aufweist. Aus der
DE
25 42 303 A1 ist ein Hochenergiestrahlungsdetektor mit
einer Umwandlungsschicht bekannt, wobei eine retroreflektierende
Schicht benachbart zu der Umwandlungsschicht angeordnet ist, um
Lichtphotonen zurückzureflektieren.
Die Periodizität
der retroreflektierenden Schicht ist kleiner als die Schichtdicke
der Umwandlungsschicht.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen digitalen Röntgendetektor
bereitzustellen, welcher eine hohe Sensitivität und eine hohe Bildschärfe bei
einem Röntgenbild
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen digitalen Röntgendetektor
mit einem Szintillator gemäß dem Patentanspruch
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand
der zugehörigen
Unteransprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen digitalen
Röntgendetektor
mit einer Photodiodenmatrix und einem Szintillator, welcher eine
Szintillatorschicht und ein Szintillatorsubstrat aufweist, ist das
Szintillatorsubstrat auf seiner an die Szintillatorschicht angrenzenden Grenzfläche retroreflektierend
ausgebildet, um das in die zu den Photodioden entgegengesetzte Richtung emittierte
Licht nicht nur zu reflektieren und dadurch die Lichtausbeute und
damit die Sensitivität
zu erhöhen,
sondern das Licht auch unabhängig
von seinem Auftreffwinkel exakt in die Richtung zu reflektieren, aus
der das Licht gekommen ist. Dadurch verbleibt der Großteil des
reflektierten Lichts im Volumenbereich des Pixels, in dem es entstanden
ist und gelangt auf die zu dem Pixel gehörige Photodiode. Dadurch wiederum
wird die Bildschärfe
des entstehenden Röntgenbildes
bei gleichbleibender Sensitivität erhöht.
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Weiterhin
weist das Szintillatorsubstrat auf seiner an die Szintillatorschicht
angrenzenden Grenzfläche
eine Mikrostrukturierung auf. Durch eine solche Mikrostrukturierung
kann die Grenzfläche
auf besonders einfache und effektive Weise retroreflektierend ausgebildet
werden. Derartige Mikrostrukturierungen können mit geringem Aufwand bei
der Herstellung des Szintillatorsubstrats zum Beispiel durch Beschichtungsverfahren
gebildet oder nach der Herstellung durch Strukturierungsverfahren
z. B. mittels Laser erzeugt werden.
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Außerdem ist
die Mikrostrukturierung aus regelmäßig auf der Grenzfläche verteilt
angeordneten Vertiefungen in dem Szintillatorsubstrat gebildet.
Dabei sind insbesondere die Vertiefungen matrixartig, das heißt also
dreidimensional regelmäßig in der
Fläche
verteilt in einer Matrix angeordnet.
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Um
eine besonders hohe Bildschärfe
zu erzielen und um Parallaxeneffekte zu vermeiden ist erfindungsgemäß der mittlere
Abstand zwischen zwei benachbarten Vertiefungen kleiner als die
Erstreckung eines Pixels der Photodiodenmatrix in derselben Richtung.
Insbesondere beträgt
der mittlere Abstand maximal 50% der Erstreckung eines Pixels. Auf diese
Weise trifft ein Großteil
des reflektierten Lichts auf die Photodiode des Pixels, in dessen
Volumenbereich es entstanden ist.
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Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung weist jede Vertiefung die Form
eines Tripelspiegels auf. Ein solcher Tripelspiegel besteht aus
drei spiegelnden Flächen,
die orthogonal zueinander angeordnet sind. Derartig geformte Vertiefungen
erzeugen einen so genannten Katzenaugeneffekt, bei dem Licht unabhän gig vom
Auftreffwinkel genau in seine Einfallsrichtung reflektiert wird.
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In
vorteilhafter Weise für
eine besonders gute Reflexion des Lichts ist das Szintillatorsubstrat aus
Aluminium gebildet oder an seiner an die Szintillatorschicht angrenzenden
Grenzfläche
mit Aluminium beschichtet. Aus Aluminium lassen sich besonders gute
Spiegel herstellen.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der digitale Röntgendetektor
von einem Flachbild-Röntgendetektor
gebildet. Derartige Flachbild-Röntgendetektoren
werden häufig
in der Radiographie und Fluoroskopie eingesetzt und können beispielsweise
auch mobil und kabellos ausgebildet sein.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen
der Unteransprüche werden
im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele
in der Zeichnung näher erläutert, ohne
dass dadurch eine Beschränkung
der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele
erfolgt; es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch den Aufbau eines digitalen Röntgendetektors nach dem Stand der
Technik;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
eines Querschnitts eines Szintillators mit einem einfach reflektierenden
Szintillatorsubstrat nach dem Stand der Technik;
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3 eine
vergrößerte Ansicht
eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Szintillators mit einem
mikrostrukturierten, retroreflektierenden Szintillatorsubstrat;
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4 eine
Ansicht eines Tripelspiegels;
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5 eine
Ansicht einer Matrix aus Tripelspiegeln.
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In
der 1 ist der generelle Aufbau eines digitalen Röntgendetektors
nach dem Stand der Technik gezeigt. Der Röntgendetektor weist eine auf einem
Glassubstrat 14 angeordnete aktive Photodiodenmatrix 13 mit
Pixeln 16 auf, wobei jedes Pixel 16 jeweils eine
Photodiode und ein Schaltelement enthält. In Bezug auf die Einfallsrichtung
der Röntgenstrahlung
oberhalb der aktiven Photodiodenmatrix 13 ist ein Szintillator 10 angeordnet,
welcher aus einer Szintillatorschicht 12 und einem Szintillatorsubstrat 11 gebildet
ist. Hierbei ist wiederum das Szintillatorsubstrat 11 oberhalb
der Szintillatorschicht 12 angeordnet. Röntgensstrahlung 15 durchläuft das
röntgentransparente
Szintillatorsubstrat 11 und wird in der Szintillatorschicht 12 in
Photonen 17 und damit in Licht umgewandelt. Das entstandene
Licht gelangt dann zu den Photodioden der Photodiodenmatrix 13 und
wird hier in elektrische Ladung umgewandelt, anschließend gespeichert
und ausgelesen.
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Da
jedoch ein Teil des entstandenen Lichts in die zu den Photodioden
entgegengesetzte Richtung emittiert wird, ist die Grenzfläche 19 zwischen
der Szintillatorschicht 12 und dem Szintillatorsubstrat 11 einfach
reflektierend ausgebildet, um das Licht wieder in Richtung der Photodioden
zurückzureflektieren und
somit die Sensitivität
zu erhöhen. 2 zeigt
einen in Richtung des Szintillatorsubstrats 11 ausgesendeten
Lichtkegel 18, welcher an der einfach reflektierenden,
z. B. als Spiegel ausgebildeten Grenzfläche 19 abhängig von
dem Auftreffwinkel des Lichts gestreut wird. Diese Streuung führt zu einer
Verschlechterung der Bildschärfe,
da die in alle Richtungen gestreuten Lichtstrahlen 20 über mehrere
benachbarte Pixel 16 verteilt auf den zugehörigen Photodioden
auftreffen. Gestrichelt ist die Grenze des jeweiligen Pixelvolumens
in Bezug auf die Szintillatorschicht gezeigt.
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3 zeigt
einen Röntgendetektor,
der ein Szintillatorsubstrat 11 mit einer retroreflektierenden Grenzfläche 19.1,
welche Vertiefungen 21 aufweist, enthält. Die Vertiefungen 21 sind
dabei in regelmäßigen Abständen auf
der gesamten Fläche
der retroreflektierenden Grenzfläche 19.1 angeordnet.
Der in Richtung des Szintillatorsubstrats 11 ausgesendeten Lichtkegel 18 trifft
auf die retroreflektierende Grenzfläche 19.1 mit den Vertiefungen 21,
wobei das Licht unabhängig
von seinem Auftreffwinkel wieder in die Richtung zurück reflektiert
wird, aus der es gekommen ist. Dadurch trifft ein Großteil des
Lichts als retroreflektierter Lichtkegel 22 auf der Photodiode
desjenigen Pixels auf, in dessen Pixelvolumen es durch die Röntgenstrahlung
erzeugt wurde. Dadurch kommt es zu einer wesentlichen Erhöhung der
Bildschärfe
eines aufgenommenen Röntgenbildes
im Vergleich zu einer normal reflektierenden Grenzfläche 19.
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Wie
in 4 gezeigt, sind die Vertiefungen 21 z.
B. als Tripelspiegel 23 ausgebildet. Ein Tripelspiegel 23 weist
drei Spiegelflächen
auf, welche jeweils orthogonal zueinander angeordnet sind. Durch einen
Tripelspiegel 23 kommt es zu dem so genannten Katzenaugeneffekt,
bei dem das Licht an seinen Entstehungsort zurückreflektiert wird. In 5 ist
gezeigt, wie eine Vielzahl von Vertiefungen 21 in Form von
Tripelspiegeln 23 als Tripelspiegel-Matrix 24 angeordnet
sein können.
Bei einer derartigen Ausbildung des Szintillatorsubstrats 11 mit
einer Matrix von Tripelspiegeln 23 auf der Grenzfläche 19.1 kommt
es zu einer besonders hohen Lichtausbeute für die Bilderzeugung, da nahezu
alle Lichtstrahlen in ihre Ausgangsrichtungen zurückreflektiert
werden.
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Der
mittlere Abstand zwischen zwei jeweils benachbarten Vertiefungen 21,
also z. B. zwischen zwei benachbarten Tripelspiegeln 23,
ist bevorzugt kleiner als die derselben Richtung entsprechende Kantenlänge eines
Pixels und beträgt
insbesondere maximal 50% oder maximal 25% der Kantenlänge eines
Pixels. Bei Abständen
größer als
eine Pixelgröße würde die
Bildschärfe
durch den Parallaxen-Effekt wieder abnehmen. Die Kantenlänge eines
Pixels beträgt
bei bekannten digitalen Röntgendetektoren
bei quadratisch geformten Pixeln etwa 150 bis 200 μm.
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Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Szintillatorsubstrat 11 aus
Aluminium gebildet. Aluminium ist besonders gut geeignet, da es
sowohl röntgentransparent
ist als auch besonders gute reflektierende Eigenschaften aufweist.
Alternativ kann das Szintillatorsubstrat 11 auch aus einem
anderen Material gebildet und mit einer Aluminiumoberfläche beschichtet
sein, wobei die Aluminiumschicht insbesondere auch innerhalb der
Vertiefungen angeordnet sein muss, um reflektierend zu wirken.
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Die
Grenzfläche
kann alternativ zu Vertiefungen auch eine andere retroreflektierende
Ausbildung aufweisen, zum Beispiel kann eine Matrix aus retroreflektierenden
Linsenelementen oder Katzenaugenelementen auf der Grenzfläche angeordnet
sein.
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Die
Erfindung lässt
sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Zur Verbesserung von
Sensitivität
und Bildschärfe
bei Röntgenbildern
ist ein digitaler Röntgendetektor
mit einem Szintillator zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in Licht und
einer Photodiodenmatrix zur Umwandlung des Lichts in elektrische
Ladung vorgesehen, wobei der Szintillator eine Szintillatorschicht
und ein Szintillatorsubstrat aufweist und wobei das Szintillatorsubstrat
auf seiner an die Szintillatorschicht angrenzenden Grenzfläche retroreflektierend,
insbesondere mittels einer Mikrostrukturierung, ausgebildet ist.