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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Detektormodul für eine Compton-Kamera, das eine flexible Kontaktierung des eingesetzten Halbleiterdetektorkristalls (CZT-Kristall) aufweist.
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Bei der therapeutischen Anwendung der dosierten und kontrollierten Protonenbestrahlung von Krebspatienten ergibt sich das Problem, dass zur Überwachung des Bestrahlungsvorganges der genaue Ort der Bestrahlung und die im Körper deponierte Dosisleistung bestimmt werden müssen. Bei der Protonenbestrahlung wird im Gewebe prompte Gammastrahlung frei, deren Nachweis für die Dosiskontrolle entscheidend ist. Hierfür sind ortsauflösende Detektoren notwendig. Derartige Detektoren sind bekannt und weisen mittels Compton-Streuung den Ursprung der entstehenden Gammastrahlung nach. Ein geeigneter Aufbau von genannten ortsempfindlichen Strahlungsdetektoren wird unter dem Begriff „Compton-Kamera” zusammengefasst.
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Um diese Messungen mit hinreichender Qualität durchführen zu können, ist es notwendig, dass die Detektierung der Gammastrahlung möglichst exakt und ohne deren Verfälschungen durch beispielsweise Streuung an nichtsensitivem Material stattfindet. Derartige verfälschende Einflüsse werden bspw. auch durch in der Nähe der Detektoren angeordnete Materialien (Streustrahlung) oder durch Fehlsignale in der Steuerelektronik aufgrund der Strahlenexposition ausgelöst.
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Es gibt eine Reihe von Halbleitermaterialien, die für den Einsatz als Detektoren geeignet sind. Nachteilig bei diesen Materialien (Si, Ge) ist, dass sie teilweise bis auf die Temperatur flüssigen Stickstoffs gekühlt werden müssen (Ge) bzw. eine niedrige effektive Kernladungszahl Z aufweisen (Si). Als geeignetes Material, welches bei Raumtemperatur betrieben werden kann und daher ohne Kühlung auskommt, gleichzeitig aber hervorragende Energie-, Zeit- und Ortsauflösungseigenschaften besitzt, hat sich hingegen Cadmiumzinktellurid (CZT) erwiesen.
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Im MEPTECT-Report 13.3 (Ausgabe „Winter 2009”) findet sich eine Beschreibung der CZT-Detektorherstellung. Die Autoren S. Swendowski und H. Lenos schildern auf S. 10 des MEPTEC-Reports die Schwierigkeiten, die sich bei der Verarbeitung von CZT-Kristallen ergeben. So werden diese Kristalle als ausgesprochen spröde und nur bei niedrigen Temperaturen zu verarbeiten, gekennzeichnet. Aufgrund der hohen Anforderungen an Temperatur und Druck versagen die klassischen Methoden der Detektorkontaktierung bei diesem Material. Mögliche Methoden der Weiterverarbeitung werden genannt. Dies sind einmal die Positionierung auf einem „Interposer” oder direkt auf dem Die eines ASICs, der die Weiterverarbeitung der Signale übernimmt. Bei einem Interposer handelt es sich um eine Art keramischer Trägerplatine, die auf der einen Seite direkt mit dem Kristall kontaktiert und auf der anderen geeignete Kontakte zur Aufbringung auf bspw. eine Leiterplatte aufweist. Als geeignete Kontaktierungsmethoden für den Kristall werden Niedertemperatur-Kleber auf der Basis leitfähiger Epoxide oder proprietäre Niedertemperatur-Polymerflussmittel mit Verflüssigungstemperaturen unter 120°C angegeben. Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass mit dem Interposer zusätzliches nichtsensitives Material in den Strahlengang eingebracht wird. Dies führt zu Schwächungen bzw. Streuungen der Gammastrahlung und kann bei bei aktiven Komponenten (Elektronik) zu Fehlsignalen führen.
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In ”CdZnTe Energy Resolving Array Detektors” (ppd_seminar_090318) gibt der Autor Paul Seller im Jahre 2009 einen Überblick über energieauflösende CdZnTe (CZT) Detektoren. Hier wird ebenfalls auf die Kontaktierungsproblematik hingewiesen (Folie 9) und es werden Au-Pfosten oder Ag-Epoxid-basierte Methoden zur Kontaktierung empfohlen. Weiterhin genannt wird Bonding mittels Indium. Bereits in diesem Artikel wird auf die Diffusionsprobleme durch Indium hingewiesen. Jedoch auch die Au oder Ag-basierten Verfahren haben Probleme durch die ungewollte Diffusion der Edelmetallionen in das Kristallgitter des Detektors. Auch die zur Verarbeitung notwendigen Drücke bzw. Temperaturen sind problematisch. Darüber hinaus wird auch bei diesen vorgestellten Systemen zusätzliches nichtsenstives Material in den Detektorbereich und damit den Strahlengang eingebracht (siehe System RAL ERD2004)
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In der
US 2011/0006195A1 wird ein CdZnTe-Kristall zur Detektion radioaktiver Strahlung mittels Bump-Bondings mit den signalverarbeitenden ASICs verbunden (Flip-Chip-Technologie). Bei diesem Verfahren sind benachbarte „Bumps” (Lotkügelchen) durch isolierendes Epoxidmaterial voneinander getrennt. Auch hier finden sich wieder die Nachteile zusätzlichen Materials im bestrahlten Bereich und die Gefahr von Fehldetektionen aufgrund von Strahlenreaktionen in der Elektronik.
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Sämtliche vorgestellte Verfahren erzeugen eine nicht zu vernachlässigende Menge an passivem Material im Strahlengang. Zusätzlich basieren die bekannten Kontaktierungsverfahren auf Materialien (Ag, In), welche durch Diffusion in den Detektorkristall eindringen, dessen Leitfähigkeit verändern und damit dessen Funktionstüchtigkeit erheblich beeinträchtigen.
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Gegenstand der
US7009183B2 ist eine Gammastrahlenkamera, die eine Detektorfläche aus CZT-Kristallen die in Form eines Feldes von detektierenden Pixeln angeordnet sind. Die Schaltkreise zur Verarbeitung der Detektorsignale sind räumlich von der Detektorfläche getrennt. Zur Kontaktierung der CZT-Kristalle verweist die Druckschrift lediglich auf Verfahren aus dem Stand der Technik.
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Die
US 2012/0217386 A1 offenbart ein Compton-Teleskop, das mehrere Lagen preisgünstiger organischer Plast- oder Flüssigkeitsszintillatoren einsetzt. Die Flüssigkeitsszintillatoren sind als Pixelfelder ausgeführt und weisen jeweils Photoverstärker (Photomultiplexer, Avalanche-Photodioden etc.) auf. Der Einsatz von CZT-Kristallen ist nicht vorgesehen.
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Die
US 2011/0253901 A1 beschreibt eine Detektoranordnung für Gammastrahlen, bei der eine Reihe quaderförmiger CZT-Kristalle auf einem Träger angeordnet sind. Die Kristalle wenden der zu erwartenden Bestrahlung die Schmalseite zu, wodurch sich die größeren Ausdehnungen der CZT-Kristalle in Bewegungsrichtung der Gamma-Strahlung erstrecken. Auf diese Weise soll die Detektionswahrscheinlichkeit verbessert werden. Nachteilig ist jedoch, dass die zur Messung zur Verfügung stehende Fläche stark reduziert ist. Weiterhin nachteilig ist der Schaltkreis zur Ein-/Ausgabe der Signale von den CZT-Kristallen in unmittelbarer Nähe der Kristalle, auf demselben Träger, angeordnet.
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Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Detektormodul mit elektrischen Anschlüssen zu kontaktieren ohne das sensitive Material zu beschädigen und dabei möglichst wenig zusätzliche Masse in den Strahlengang einzubringen.
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Dazu ist ein Detektormodul für Compton-Kamera notwendig, dass möglichst ohne Einfluss störender und verfälschender Materialien im Strahlengang des Detektorsystems funktioniert. Der Detektor mit Pixel-Detektions-Charakteristik soll weiterhin kompakt sein und dennoch flexibel aus aneinandergereihten Modulen bestehen. Die Detektormaterialien müssen eine hohe Nachweiseffektivität, d. h. eine hohe effektive Kernladungszahl und eine gute Energie- bzw. Zeit- und Ortsauflösung besitzen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Detektorkonzept in der Compton-Kamera soll die Dosisdeposition während der Tumorbehandlung mit Protonen- oder Ionenstrahlen über den Nachweis prompter Gammastrahlung überwacht werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit der Anordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die vorteilhafte Verwendung eines oder mehrerer erfindungsgemäßer Detektormodule ist in den Ansprüchen 7 und 9 offenbart. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen dargestellt. Die Merkmale des Oberbegriffes des Hauptanspruches sind aus der
US 2011/0253901 A1 bekannt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung sieht vor, an der Rückseite des Detektorkristalls mittels eines leitfähigen Klebers die Kontakte zu den Leitern eines oder mehrerer Flachbandkabel (Flex-Kabel) herzustellen und die Detektorsignale räumlich entfernt vom Detektorkristall zu verstärken und auszuwerten. Dieses Flachbandkabel hat vorzugsweise eine Dicke von 300 μm. Der Detektorkristall weist in der bevorzugten Ausführungsform eine Würfel- oder Quaderform auf. Die Vorderseite (die der Strahlungsquelle zugewandte Seite) ist dabei mit einer Hochspannungselektrode versehen, die die Vorderseite bevorzugt vollständig bedeckt. Diese Hochspannungselektrode ist an mindestens einer Stelle (bevorzugt in einer Ecke der Vorderseitenfläche) zum Zwecke der Hochspannungszuführung kontaktiert. Die Rückseite des Kristalls ist ebenfalls mit Elektroden (Anoden) versehen. Diese sind zur Ausbildung der Ortsabhängigkeit des Detektorsignals in eine Mehrzahl rechteckiger, bevorzugt quadratischer Pixelflächen, die als Pixelelektroden ausgeführt sind, aufgeteilt. Das Material der Frontelektroden und der Pixelelektroden ist vorzugsweise Gold. Bevorzugt kommt ein CZT-Kristall von Redlen Technologies (Canada) zum Einsatz. Es sind jedoch auch CZT-Kristalle anderer Hersteller auf die gleiche Weise kontaktierbar.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der Kontaktierung eines quaderförmigen CZT-Kristalls zur Detektierung von Gammastrahlung in einer Compton-Kamera, wobei der CZT-Kristall eine der einfallenden Strahlung zugewandte vollflächige Vorderseitenelektrode und auf der der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite mehrere voneinander beabstandete rechteckige und als Elektroden ausgeführte Pixelflächen aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines leitfähigen Klebstoffs die zu den Pixelflächen komplementären Anschlussflächen eines oder mehrerer Flachbandkabel mit diesen Pixelflächen elektrisch leitfähig verbunden sind. Die Pixelflächen sind bevorzugt quadratisch.
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Weitere bekannte Detektorbauformen sehen streifenförmige Anoden vor, die sich über die gesamte Breite der Detektorunterseite und -oberseite erstrecken. Um eine hinreichende Ortsauflösung zu erreichen sind hier nachteilig zueinander gekreuzt angeordnete Anodenstreifen notwendig. Diese Bauform ist aufgrund des zu erwartenden hohen Photonenflusses jedoch nicht für den Einsatz in einer Compton-Kamera zur Überwachung von Patientenbestrahlungen geeignet. Prinzipiell kann eine Kontaktierung der Streifendetektoren jedoch analog zu den Detektorkristallen mit Pixelkontakten mittels geklebter Flachbandkontakte erfolgen.
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Die verfügbaren CZT-Kristalle nach dem Stand der Technik weisen zu geringe Abmessungen auf, um den gesamten zu beobachtenden Raumbereich zu erfassen. Um dies dennoch zu erreichen und damit Nachweiseffektivität sowie Auflösungsvermögen der Compton-Kamera zu erhöhen bietet es sich an, das Detektormodul der Compton-Kamera aus mehreren Kristallen zusammenzusetzen, die jeweils eine Mehrzahl von Pixeln aufweisen, die entsprechend einzeln zu kontaktieren sind. Eine bevorzugte Bauform sieht sechs, in der Anordnung 2×3 in einer Ebene befestigte CZT-Kristalle vor. Bevorzugt weist jeder einzelne CZT-Kristall 8×8, also 64, Pixelkontakte (8×8 Pixelarray) auf. Es sind jedoch auch andere Anordnungen von CZT-Kristallen und andere Pixelzahlen je Kristall möglich. Die Kontaktierung des Detektors an ein flexibles Kabel lässt vorteilhaft auch andere Detektoranordnungen zu.
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Die elektrische Kontaktierung des Pixel-Arrays an einem Flex-Band mit leitfähigen Klebstoff erfolgt vorzugsweise mittels ICA-Klebetechnologie (Isotropicaly Conductive Adhesive). Durch die Verwendung eines Klebstoffs, der keine richtungsabhängigen Leitfähigkeitsunterschiede aufweist, ist eine leichtere Herstellung der Klebeverbindung gewährleistet.
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Bei dem ICA-Klebstoff handelt es sich um ein aus dem Stand der Technik bekanntes Produkt, bei dem eine aushärtbare Trägersubstanz mit leitfähigen Partikeln beladen ist, wobei die leitfähigen Partikel im ausgehärteten Zustand der Trägersubstanz einander vielfältig berühren und so Leitungspfade ausbilden. Handelsüblich sind viele unterschiedliche ICA-Klebstoffe, die auch bei der Flip-Chip-Technologie ihre Anwendung finden. Sehr häufig sind dabei Edelmetallpartikel (Ag, Au, Pt, ...) als leitfähige Partikel enthalten. Aufgrund der Diffusion der Edelmetallpartikel in das Detektormaterial und der daraus folgenden Beeinträchtigung von dessen Funktionstüchtigkeit sind diese Klebstoffe nicht geeignet. Insbesondere hat es sich erwiesen, dass Klebstoffe mit Ag-Partikeln zu einer störenden Diffusion von Ag-Ionen in den CZT-Kristall führen. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass für die Verarbeitung mit den CZT-Kristallen ICA-Klebstoffe besonders geeignet sind, die leitfähige Partikel aus Nickel aufweisen. Die leitfähigen Partikel des ICA-Klebstoffs bestehen bevorzugt aus Nickel oder einer Nickellegierung oder einem Nickelgemisch.
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Da es sich bei dem ICA-Klebstoff mit Ni-Partikeln um ein Produkt aus dem Stand der Technik handelt, erfolgt die Verarbeitung entsprechend der zugehörigen Verarbeitungsvorschrift. Vorteilhaft ist insbesondere, dass bei der Herstellung der Verbindung Temperaturen oberhalb von 100°C (bei besonderen Klebstoffvarianten können die Temperaturen vorteilhaft unterhalb von 60°C gehalten werden) und Drücke oberhalb von 50 g/cm2 auf den CZT-Kristall vermieden werden können Die hier eingesetzten Klebstoffe weisen bevorzugt einen sehr hohen Füllgrad mit nichtumhüllten Partikeln auf und sind daher isotrop leitfähig.
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Die wie beschrieben kontaktierten CZT-Kristalle werden bei der Gammastrahlendetektion verwendet.
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Die Kontaktierung von Kristallen mit einer Vielzahl von Pixeln führt zu einer hohen Ortsauflösung des Detektors, resultiert jedoch in einer hohen Packungsdichte der Anschlüsse auf der Rückseite der Kristalle.
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Für eine hohe Packungsdichte erfolgt die Ausführung der Leitungen des Flex-Kabels daher mehrlagig, d. h. dass in dem Flachbandkabel Leiter in mehreren Ebenen zu den Anschlussflächen führen. Das Flex-Kabel besteht dabei vorzugsweise aus wechselnden Lagen von Isolationsschichten und Leiterbahnen-Schichten. Jede Pixelelektrode (PAD) ist mit einer Leiterbahn verbunden. Die konstruktive Auslegung der Leiterbahnen mindert Stör-Effekte wie Übersprechen, Reflektionen, Verluste. Für die bevorzugte Bauform eines 8×8-Pixeldetektorkristalls sind 4-Ebenen-Leiterbahnen erforderlich. Die Kathodenkontaktierungen (Heranführen der Hochspannung für die Vorderseitenelektrode (Kathode)) erfolgen bevorzugt mit einer speziellen Leiterbahn nach dem Verkleben der 8×8-Matrix auf der flexiblen Leiterbahnen-Kontaktseite durch Banden auf der Vorderseite des Kristalls. Die spezielle Leiterbahn für die Hochspannungszufuhr ist vorteilhaft ebenfalls in das Flex-Kabel integriert.
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Zur mechanischen Stabilisierung des angeklebten Flex-Kabels und um sichere Kontakte zu gewährleisten, besitzt die PAD-Matrix (der Detektorkristall) bevorzugt einen eigenen Verstärkungsrahmen auf der Rückseite und/oder der Vorderseite und die Kabel sind bevorzugt an spezifischen Stellen verstärkt, die besonderen Belastungen ausgesetzt sind. Das Flex-Kabel wird bevorzugt an einer Seite des Kristalls abgeführt. Kommen mehrere Flex-Kabel zum Einsatz, werden diese vorzugsweise alle an ein und derselben Seite des Kristalls abgeführt, damit dieser an den drei verbleibenden Seiten frei für eine möglichst dichte Anordnung zu benachbarten Detektorkristallen bleibt.
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Vorteilhaft können so mehrere Detektormodule erstellt werden, wobei ein Detektormodul ein CZT-Kristall mit Aufteilung in mehrere Pixel, mindestens ein Flachbandkabel mit Anschluss der Pixel und der Kristallvorderseite, sowie optional einen Rahmen an der Vorderseite des Kristalls und/oder an der Rückseite des Kristalls aufweist. Die Detektormodule werden bevorzugt unmittelbar aneinandergrenzend zu Detektorebenen zusammengesetzt. Auf diese Weise können zwei oder mehrere CZT-Kristalle, die erfindungsgemäß kontaktiert wurden, vorteilhaft in einer Compton-Kamera Verwendung finden.
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Durch die kompakte und flexible Bauform lässt sich die notwendige Verstärkerelektronik nah am Detektor platzieren, ohne dabei den Strahlengang zu stören.
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Weitere resultierende Vorteile der Erfindung sind:
- • Flex-Kabel-Detektor-Kontaktierung für störungsfreien Strahlgang
- • Verringerte Störstellen wie Reflexionen, Übersprechen der Leiter
- • Hohe Packungsdichte der Modul Anordnungen durch einseitigen Flex-Kabel-Abgang
- • Variantenvielfalt der Detektor-Modul-Anordnungen
- • Detektor-Rahmen-Versteifung für einfache mechanische Montage
- • Schutz des Detektors durch Rahmen
- • Wegfall des Temperatur- und/oder Druck-Stresses bei der Kontaktierung
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Ausführungsbeispiel
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Eine vorteilhafte Ausführungsform wird anhand der folgenden Zeichnungen erläutert:
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Compton-Kamera mit zwei Detektionsebenen (41, 42). Schematisch dargestellt ist die Aufteilung des Detektorkristalls in Pixel. Die Strahlung, die von der Quelle (Source 4) ausgeht durchdringt die beiden Detektionsebenen, so dass aus den bekannten Orten der durchdrungenen Pixel je Detektionsebene der Ort der Quelle bestimmt werden kann. Die Strahlung von der Quelle (4) durchläuft beide Detektoren und aus Energieabgabe und Ortsinformation in beiden Detektoren kann der Winkel Delta berechnet werden. Dieser Winkel ist der Öffnungswinkel des Kegelmantels auf dessen Oberfläche sich die Quelle befinden muss. Das Symbol γ in der Zeichnung stellt das Gamma-Teilchen dar. Drei sich überschneidende Kegelmäntel liefern eine eindeutige Ortsinformation der Strahlungsquelle.
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2 zeigt ein Detektorarray (Detektorebene), bei dem die Detektormodule in 2×3 Anordnung zusammengefügt wurden. Die Rahmen der Kristalle sind dabei vorteilhaft direkt miteinander verbunden und die flanschförmigen Aufnahmen der Detektor-Vorderseiten mit den Schutzrahmen ermöglichen die Kombination mehrerer Detektormodule zu einer doppelreihigen 2×3 Array Detektor-Kamera.
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Die Abführung der Flachbandkabel auf einer Seite jedes Detektormoduls ermöglicht den vorliegenden kompakten Aufbau. Ein entsprechendes Flachbandkabel 3 ist in 3 schematisch dargestellt. Im Kontaktbereich sind die Anschlussflächen (Kontakte) 33, die mittels des leitfähigen Klebstoffs mit den Pixel-PADs auf der Rückseite des Detektorkristalls verbunden werden, angeordnet. Die seitlich angeordneten Kontakte 32 dienen dem Anschluss der Hochspannung an die Vorderseite des Detektorkristalls. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird lediglich einer der Kontakte 32 genutzt, indem von diesem ein Draht zur Kristallvorderseite geführt und dort mittels Bonding befestigt wird. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform werden alle Kontakte 32 kontaktiert, um den Widerstand der Verbindung zu minimieren. Das Flex-Kabel 3 ist vierlagig ausgeführt. Auf diese Weise können die einzelnen Signalleitungen innerhalb des Kabels mit einem Abstand geführt werden, der ein Übersprechen zwischen den einzelnen Leitungen verhindert oder zumindest stark reduziert. Das Flexkabel ist in der vorliegenden Ausführungsform in zwei Teilstränge 31 aufgeteilt, in denen die Leitungen parallel verlaufen. Die Signalleitungen treten am Ende des Flex-Kabels aus und werden über Zebra-Stecker kontaktiert (dieser Abschnitt ist nicht dargestellt).
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Jeder Kristall hat die Abmessungen von 19,3 mm × 19,3 mm × 5 mm Die Abmessungen der Pixelkontakte auf der Rückseite des Kristalls betragen 1,86 mm × 1,86 mm. Diese sind quadratisch ausgeführt und voneinander 0,26 mm beabstandet. Unter den PADs befinden sich Durchkontaktierungen, die Kontakt zur entsprechenden Leiterbahnebene des Flex-Kabels herstellen.
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Die Kontaktierung der Detektorkristalle erfolgte mit einem leitfähigen Klebstoff auf Basis von Ni-Partikeln in einer Epoxidmatrix. Das 4-lagige FLEX-Kabel nach dem Stand der Technik weist Goldpads auf und wird leitfähig über Kontakt-PADS (3, 33) an die Rückseite des Detektorkristalls geklebt. Die Kontaktpads bestehen ebenfalls aus Gold.
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Bezugszeichenliste
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- 3
- Flexkabel
- 31
- Teilstränge des Flex-Kabels
- 32
- Hochspannungskontakte des Flexkabels
- 33
- Anschlussflächen
- 4
- Strahlungsquelle
- 41
- Detektor 1
- 42
- Detektor 2
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- MEPTECT-Report 13.3:
http://www.meptec.org/Resources/MEPTECreport%2013.3.pdf (Stand 04. Januar 2013)
- ppd_seminar_090318:
http://www.stfc.ac.uk/PPD/resources/PowerPoint/ppd_seminar_090318_talk_paul_seller_cdznte_imaging_detectors_and_their_applications.ppt (Stand 04. Januar 2013)
