DE102009032983A1

DE102009032983A1 - Kollimator für Computertomographen sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102009032983A1
Application number: DE200910032983
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dr. Hempel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2011-01-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen CT-Kollimator sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Bei dem Verfahren wird in einem Siliziumsubstrat (1) unter Einsatz einer Technik zur Herstellung von porösem Silizium eine Gitterstruktur aus Siliziumstegen (5) mit dazwischen liegenden Zwischenräumen (3) in periodischer Anordnung erzeugt. Die Zwischenräume (3) werden anschließend mit Gold oder einer Goldlegierung oder mit Wolfram oder einer Wolframlegierung zumindest teilweise aufgefüllt. Mit dem Verfahren lässt sich ein CT-Kollimator mit hoher Genauigkeit und Stabilität kostengünstig herstellen, der eine geringe Bauhöhe aufweist und somit die Öffnung des CT-Drehrahmens nur in geringem Maße reduziert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kollimator für Computertomographen, der am Röntgendetektor sowohl für die Streustrahlenreduzierung als auch als Analysengitter für die Durchführung von Phasenkontrastaufnahmen eingesetzt werden kann. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kollimators.
In der Computertomographie (CT) ermöglicht der Einsatz von Kollimatoren die Richtungsselektion der zum Bildaufbau erwünschten Röntgenquanten und somit eine gezielte Durchstrahlung des Untersuchungsobjektes. Heutige CT-Kollimatoren werden durch einen Aufbau realisiert, bei dem Bleche aus stark Röntgenstrahlung absorbierendem Material unter Einhaltung von definierten Zwischenräumen nebeneinander angeordnet sind. Die Bleche sind hinsichtlich der Einfallsrichtung der Röntgenstrahlung ausgerichtet, in einer oder mehreren Baugruppen über tragende Strukturen zusammen gehalten und über dem Röntgendetektor angeordnet. Der Blechabstand des Kollimators sollte dabei genau dem Pixel-Abstand (Pitch) der Detektormodule entsprechen. Zudem sollten die Bleche mittig zwischen den Pixeln positioniert sein, so dass keine unterschiedliche Abschattung der einzelnen Pixel erfolgt.
Bei einem anderen Ansatz werden möglichst dünne absorbierende Bleche oder Stege eingesetzt und der Kollimator nicht an den Pixeln des Detektors ausgerichtet. Die absorbierenden Stege können sich dabei zum einen in der toten Zone zwischen den Pixeln und zum anderen auch direkt über einem Pixel befinden. Der Blech- bzw. Stegabstand wird dabei unabhängig von dem Pixel-Pitch des Detektors definiert. Dieser Ansatz vermeidet auch Probleme beim Übergang zwischen zwei Detektormodulen, bei dem unter Umständen der Pixel-Pitch über die Modulgrenze hinweg nicht eingehalten wird.
Für beide Lösungen ist eine hohe Genauigkeit bei der Herstellung des Kollimators erforderlich. Aufgrund der schnellen Rotationsbewegung des Röntgendetektors mit dem Kollimator in einem Computertomographen bestehen auch sehr hohe Stabilitätsanforderungen an den Kollimator, der Beschleunigungskräften bis ca. 40 g ausgesetzt ist. Aufgrund dieser hohen Genauigkeits- und Stabilitätsanforderungen ist die Kollimatorbaugruppe eines Computertomographen ein kostenintensives Bauteil. Darüber hinaus liegen die Abmessungen der Kollimatorbaugruppe in heutiger Bauform bei einer Höhe im cm-Bereich und reduzieren somit die ohnehin klein bemessene Öffnung des CT-Drehrahmens.
Die obigen Ausführungen gelten auch für den Einsatz des Computertomographen zur Erzeugung von Phasenkontrastaufnahmen. Bei diesen Aufnahmen wird zusätzlich oder alternativ zur Absorption der Effekt der Phasenverschiebung beim Durchtritt eines Strahls durch ein Untersuchungsobjekt erfasst. Gerade bei gering absorbierenden Bereichen ist dieser Phaseneffekt wesentlich stärker als der Absorptionseffekt der von der Strahlung durchdrungenen Materie. Eine Technik zur Durchführung von Phasenkontrastaufnahmen mit einer Röntgenquelle, wie sie in Computertomographen zum Einsatz kommt, findet sich bspw. in F. Pfeiffer et al., „Phase retrieval and differential Phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources", Nature Physics, advance online Publication, 26.03.2006, Seiten 1 bis 4 oder in der DE 10 2006 015 355 A1 . Bei dieser Technik wird im Strahlengang der Röntgenstrahlung neben einem Quellengitter und einem Phasengitter auch ein Analysengitter vor dem Röntgendetektor eingesetzt, durch dessen Verschiebung die Phaseninformation gewonnen werden kann. Das Analysengitter entspricht einem Kollimator, bei dem die Dicke und der Abstand der einzelnen Stege im Bereich von wenigen Mikrometern liegt. Auch für eine derartige Anwendung gelten jedoch zum einen die hohen Genauigkeits- und Stabilitätsanforderungen und besteht zum anderen das Problem, dass die Höhe des Kollimators die Öffnung des CT-Drehrahmens (Gantry) unerwünscht stark einschränkt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen CT-Kollimator sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, der eine geringe Bauhöhe aufweist und mit dem die für die Anwendung in einem Computertomographen erforderlichen Genauigkeits- und Stabilitätsanforderungen kostengünstig erfüllt werden können.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie dem CT-Kollimator gemäß den Patentansprüchen 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des CT-Kollimators sowie des Verfahrens zu dessen Herstellung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung des Kollimators wird die Technik zur Herstellung von porösem Silizium eingesetzt, um in einem Siliziumsubstrat eine Gitterstruktur aus Siliziumstegen mit dazwischen liegenden Zwischenräumen in periodischer Anordnung zu erzeugen. Nach dieser Strukturierung des Siliziumsubstrats werden die Zwischenräume mit Gold oder einer Goldlegierung oder mit Wolfram oder einer Wolframlegierung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aufgefüllt. Die Siliziumstege können dabei aufgrund ihrer geringen Absorptionseigenschaften für Röntgenstrahlung im hier interessierenden Energiebereich von ≥ 60 keV in der Kollimatorstruktur verbleiben und tragen dadurch zur Erhöhung der Festigkeit und zur Verbindungssteifigkeit des Kollimators bei.
Durch die Nutzung der Technik des porösen Siliziums für die Herstellung des Kollimators können die Kollimatorstrukturen, d. h. die Röntgenstrahlung absorbierenden Stege, die durch die Auffüllung der Zwischenräume mit dem Röntgenstrahlung absorbierenden Material gebildet werden, mit hoher Genauigkeit und einem hohen Aspektverhältnis von bis zu 250 und darüber erzeugt werden. Die Bauhöhe des Kollimators kann dabei in einem Bereich ≤ 500 μm (Substrat mit Röntgenstrahlung absorbierenden Stegen) gehalten werden. Durch die Wahl von Gold, einer Goldlegierung, Wolfram oder einer Wolframlegierung wird eine hohe Festigkeit der Röntgenstrahlung absorbierenden Stege erreicht, die auch den in Computertomographen auftretenden hohen Beschleunigungskräften widerstehen. Insgesamt wird damit ein Kollimator erhalten, der sich aufgrund der Nutzung der Siliziumtechnologie kostengünstig herstellen lässt und die Öffnung des CT-Drehrahmens in geringerem Maße beschränkt als die bekannten Kollimatoren des Standes der Technik. Insbesondere lässt sich ein derartiger Kollimator aufgrund der Möglichkeit der Erzeugung von Gitterstrukturen mit Gitterperioden (Mittenabstand der Röntgenstrahlung absorbierenden Stege) von 1 bis 5 μm vorteilhaft auch als Analysengitter für die Durchführung von Phasenkontrastaufnahmen einsetzen.
Zur wirkungsvollen Unterdrückung der unerwünschten Streustrahlung werden die Dimensionen der Röntgenstrahlung absorbierenden Stege vorzugsweise so gewählt, dass über eine der Dicke der Stege entsprechende Distanz Röntgenstrahlung im Energiebereich zwischen 60 keV und 140 keV zu mindestens 60% in dem Röntgenstrahlung absorbierenden Material absorbiert werden. Die Röntgenstrahlung absorbierenden Stege weisen vorzugsweise ein Aspektverhältnis zwischen 1:50 und 1:250 oder darüber auf.
Der vorgeschlagene Kollimator umfasst demgemäß ein Siliziumsubstrat mit einer Struktur aus Siliziumstegen mit Zwischenräumen in periodischer Anordnung, die mit Gold oder einer Goldlegierung oder mit Wolfram oder einer Wolframlegierung als Röntgenstrahlung absorbierendem Material zumindest teilweise aufgefüllt sind. Vorzugsweise weist der Kollimator dabei eine Bauhöhe von maximal 500 μm auf.
Die Technik der Herstellung von makroporösem Silizium ist aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei können unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden, insbesondere die stromlose Herstellung durch Ätzung mit einer Mischung aus z. B. HF und einem Oxidationsmittel (Stain-Etch Prozess) sowie die elektrochemische Herstellung. Für die Erzeugung der beim vorliegenden Verfahren gewünschten Gitterstrukturen mit hohem Aspektverhältnis bietet sich besonders der elektrochemische Ätzprozess an. Dabei kommt es in der elektrochemischen Ätzzelle zu einer Porenentstehung am anodischen Übergang Si/HF. Die Porengröße liegt im Bereich von einigen nm bis wenigen μm und ist von der Substratdotierung, der Flusssäurekonzentration und der Stromdichte abhängig. Besonders mit niedrig dotiertem n-Silizium (ca. 1–10 Ωcm) lassen sich vorteilhaft Gitterstrukturen mit den hier erwünschten Stegdicken im Bereich von 1 bis 5 μm herstellen. Die zu erzeugenden Gitterstrukturen werden hierzu an der Oberfläche des n-dotierten Siliziumsubstrats vorgeätzt. Im anschließenden anodischen Betrieb ist die Siliziumoberfläche in Sperrrichtung gepolt. Dabei kann über die Generation von Ladungsträgern mittels Beleuchtung ein weiterer Freiheitsgrad zur Steuerung des Porenbildungsprozesses genutzt werden. Der Strom lässt sich mit konstanter Spannung dann über die Beleuchtungsstärke einstellen und verändert die Morphologie der porösen Schichten (Porendurchmesser ist proportional zur Wurzel aus dem Beleuchtungsstrom). Durch den elektrochemischen Ätzprozess werden dann die Gitterstrukturen in der vorgeätzten Geometrie gebildet. Die maximale Tiefe der Strukturen liegt in der Größenordnung der Dicke des Siliziumsubstrats, erfordert hierzu jedoch eine geringe Elektrolytkonzentration, niedrige Temperatur und lange Ätzzeiten. Stabile Porenbildung ist bei einem Verhältnis Pitch zu Porendurchmesser von ca. 2 bis 10 möglich. Dabei können Gitterstrukturen mit Aspektverhältnissen von bis zu 250:1 bei einem Pitch im Bereich von 1 bis 5 μm erzeugt werden. Die Zwischenräume zwischen den auf diese Weise erhaltenen Siliziumstegen werden dann mit dem vorgeschlagenen Röntgenstrahlung absorbierenden Material aufgefüllt, um den Kollimator bzw. das Analysengitter zu formen. Ein derartiger Kollimator ist flacher als herkömmliche CT-Kollimatoren und preiswert in der Herstellung, da die Vorteile der Siliziumtechnologie genutzt werden können. Durch zusätzliche Integration von Ausrichtelementen in den Herstellungsprozess lässt sich ein derartiger Kollimator vergleichsweise einfach auf dem Detektor positionieren. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von großflächigen Kollimatoren, deren Größe lediglich durch die Wafergröße des Siliziumsubstrats beschränkt ist.
Selbstverständlich ist der Einsatz des Kollimators nicht auf Computertomographen für medizinische Anwendungen beschränkt. Der Kollimator lässt sich beispielsweise auch in industriell eingesetzten Computertomographen nutzen, die z. T. mit Röntgenenergien oberhalb von 140 keV arbeiten.
Der vorgeschlagene CT-Kollimator sowie das Verfahren zu dessen Herstellung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für die Herstellung des vorgeschlagenen CT-Kollimators,
2 ein Beispiel für einen CT-Kollimator in schematischer Darstellung in Draufsicht sowie
3 ein Beispiel für einen Computertomographen mit dem vorgeschlagenen Kollimator.
1 zeigt ein Beispiel für die Herstellung des vorgeschlagenen CT-Kollimators mit den wesentlichen Verfahrensschritten. Für die Herstellung wird ein n-dotiertes Siliziumsubstrat 1 bereitgestellt, an dessen Oberfläche durch einen lithographischen Prozess mit anschließendem Ätzschritt linienförmige Vertiefungen 2 geätzt werden, die den Verlauf der späteren Zwischenräume zwischen den Siliziumstegen vorgeben. Im anschließenden elektrochemischen Ätzschritt wird das Siliziumsubstrat 1 an den durch die Vertiefungen 2 vorgegebenen Stellen geätzt, wodurch die Struktur aus Siliziumstegen 5 mit schmalen Zwischenräumen 3 entsteht. Die Zwischenräume 3 werden anschließend mit einem Röntgenstrahlung stark absorbierenden Material 4, im vorliegenden Beispiel mit Gold, befällt. Dies kann durch Eintauchen des geätzten Substrats in flüssiges Gold oder auch durch geeignete Abscheidung von Gold auf dem Siliziumsubstrat und andere bekannte Füll-Prozesse erreicht werden. Eventuell an der Oberfläche des Siliziumsubstrats gebildete Goldschichten werden anschließend von der Oberfläche entfernt. Dies kann durch einen Ätzschritt oder auch durch mechanische Einwirkung erfolgen. Bei Bedarf kann das Siliziumsubstrat 1 auch noch von der Rückseite gedünnt werden.
Der in 1 im Querschnitt dargestellte Kollimator 6 ist in 2 nochmals in Draufsicht schematisch zu erkennen. Selbstverständlich sind die hier dargestellten Dimensionen nicht maßstabsgetreu. Insbesondere ist das Verhältnis von Höhe h der Röntgenstrahlung absorbierenden Stege zu deren Dicke d deutlich größer, wobei sich Aspektverhältnisse von d. h. von 1:250 realisieren lassen. Auch das Verhältnis zwischen der Dicke d der Röntgenstrahlung absorbierenden Stege zu deren Abstand p (Pitch) kann variieren, beide Größen liegen jedoch vorzugsweise im gleichen Bereich von 1 bis 20 μm, besonders bevorzugt bei 1 bis 5 μm. Die Gesamthöhe H des Kollimators 6 beträgt weniger als 500 μm.
Ein derartiger Kollimator wird – auch bei Verwendung als Analysengitter für die Erzeugung Phasenkontrastaufnahmen – unmittelbar vor dem Röntgendetektor bzw. Röntgendetektormodul des Computertomographen positioniert. 3 zeigt hierzu in schematischer Darstellung ein Beispiel eines Computertomographen 7 mit einer derartigen Röntgendetektor-Kollimatoranordnung. Der Computertomograph 7 verfügt über ein Fokus-Detektor-System mit einer Röntgenröhre 8 und dem gegenüberliegenden Röntgendetektor 9. Der Röntgendetektor 9 ist im unteren Bereich der Figur nochmals schematisch im Querschnitt mit dem darüber angeordneten Kollimator 6 dargestellt. In der Figur ist ersichtlich, das der Pitch der einzelnen Detektorelemente 10 nicht mit dem kleineren Pitch der Röntgenstrahlung absorbierenden Stege des Kollimators 6 übereinstimmt.
Der Röntgendetektor 9 mit dem darüber angeordneten Kollimator 6 ist in der nicht näher dargestellten Gantry des Computertomographen 7 in einem Gantry-Gehäuse 11 angeordnet. Der Patient 12 wird auf einer längs der Systemachse 13 verschiebbaren Patientenliege 14 gelagert. Durch die flache Bauweise des Kollimators 6 wird die Öffnung der Gantry weniger stark eingeschränkt als bei der Nutzung der bisher bekannten Kollimatoren, so dass in dem Untersuchungsvolumen für den Patienten 12 mehr Raum zur Verfügung steht. Die Steuerung des Computertomographen 7 wird durch eine Rechen- und Steuereinheit 15 durchgeführt, die geeignete Programme zur Ansteuerung des Computertomographen 7 für die Durchführung von Absorptions- oder Phasenkontrast-Messungen aufweist und aus den erhaltenen Messdaten entsprechende tomographische Bilder rekonstruieren kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006015355 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- F. Pfeiffer et al., „Phase retrieval and differential Phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources”, Nature Physics, advance online Publication, 26.03.2006, Seiten 1 bis 4 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kollimators, insbesondere für Computertomographen, bei dem – in einem Silziumsubstrat (1) unter Einsatz einer Technik zur Herstellung von porösem Silizium eine Gitterstruktur aus Siliziumstegen (5) mit dazwischen liegenden Zwischenräumen (3) in periodischer Anordnung erzeugt wird und – die Zwischenräume (3) anschließend mit Gold oder einer Goldlegierung oder mit Wolfram oder einer Wolframlegierung zumindest teilweise aufgefüllt werden, um Röntgenstrahlung absorbierende Stege zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Silizumstege (5) zwischen den aufgefüllten Zwischenräumen (3) verbleiben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine durch eine Breite der Zwischenräume (3) festgelegte Dicke der Röntgenstrahlung absorbierenden Stege so gewählt wird, dass Röntgenenergien im Bereich zwischen 60 keV und 140 keV über eine der Dicke entsprechende Distanz zu mindestens 60% in den Röntgenstrahlung absorbierenden Stegen absorbiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Gitterstruktur so erzeugt wird, dass die Röntgenstrahlung absorbierenden Stege ein Aspektverhältnis zwischen 1:50 und 1:250 aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein Mittenabstand der Röntgenstrahlung absorbierenden Stege auf einen Wert zwischen 1 μm und 5 μm eingestellt wird.
Kollimator, insbesondere für einen Computertomographen, der – ein Silziumsubstrat (1) mit einer Gitterstruktur aus Siliziumstegen (5) mit Zwischenräumen (3) in periodischer Anordnung aufweist, die mit Gold oder einer Goldlegierung oder mit Wolfram oder einer Wolframlegierung zumindest teilweise aufgefüllt sind und Röntgenstrahlung absorbierende Stege bilden.
Kollimator nach Anspruch 6, bei dem eine durch eine Breite der Zwischenräume (3) festgelegte Dicke der Röntgenstrahlung absorbierenden Stege so gewählt ist, dass Röntgenenergien im Bereich zwischen 60 keV und 140 keV über eine der Dicke entsprechende Distanz zu mindestens 60% in den Röntgenstrahlung absorbierenden Stegen absorbiert werden.
Kollimator nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Röntgenstrahlung absorbierenden Stege ein Aspektverhältnis zwischen 1:50 und 1:250 aufweisen.
Kollimator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem ein Mittenabstand der Röntgenstrahlung absorbierenden Stege im Bereich zwischen 1 μm und 5 μm liegt.
Computertomograph mit mindestens einer Röntgenquelle (8) und mindestens einem der Röntgenquelle (8) gegenüberliegenden Röntgendetektor (9) an einem Drehrahmen, wobei am Röntgendetektor (9) ein Kollimator (6) nach einem der Patentansprüche 6 bis 9 angeordnet ist.