DE102013214684A1

DE102013214684A1 - Direktkonvertierender Röntgendetektor

Info

Publication number: DE102013214684A1
Application number: DE102013214684.1A
Authority: DE
Inventors: Thorsten ERGLER; Andreas Freund; Björn Kreisler; Stefan Wirth; Christian Schröter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2033-07-27
Also published as: CN104345330B; US20150030120A1; US9392985B2; DE102013214684B4; CN104345330A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen direktkonvertierenden Röntgendetektor zur Detektion von Röntgenstrahlung, aufweisend einen zur Detektion der Röntgenstrahlung verwendeten Direktkonverter, mindestens einen zumindest teilweise in Strahlungsrichtung der Röntgenstrahlung vor dem Direktkonverter angeordneten Kollimator und mindestens eine Strahlungsquelle, welche seitlich des Direktkonverters angeordnet ist und den Direktkonverter mit einer zusätzlichen Strahlung indirekt bestrahlt, wobei der mindestens eine Kollimator auf einer dem Direktkonverter zugewandten Seite mindestens eine Reflexionsschicht aufweist, an welcher die zusätzliche Strahlung auf den Direktkonverter reflektiert wird, und aufweisend eine Kühlvorrichtung, durch welche die mindestens eine Strahlungsquelle kühlbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen direktkonvertierenden Röntgendetektor gemäß dem Patentanspruch 1.
Für die Detektion von Gamma- und Röntgenstrahlung, z.B. in CT-, Dual-Energy-CT-, SPECT- und PET-Systemen, werden unter anderem direktkonvertierende Strahlungsdetektoren, basierend auf halbleitenden Direktkonverter-Materialien, wie CdTe, CdZnTe, CdZnTeSe, CdTeSe, CdMnTe, InP, TIBr₂, HgI₂, verwendet. Bei diesen Materialien tritt jedoch insbesondere bei einer für CT-Geräte notwendigen hohen Strahlungsflussdichte der Effekt der Polarisation auf.
Polarisation bezeichnet die Reduktion der detektierten Zählrate bei hohen Photonen- beziehungsweise Strahlungsflüssen. Verursacht wird diese Polarisation durch die sehr geringe Mobilität der Ladungsträger, vor allem der Elektronenfehlstellen beziehungsweise Löcher, und durch die Konzentration intrinsischer Störstellen im Halbleiter. Die Polarisation entsteht also durch die Reduktion des elektrischen Feldes aufgrund von an Störstellen gebundenen, ortsfesten Ladungen, die als Einfang- und Rekombinationszentren für die durch die Röntgenstrahlung erzeugten Ladungsträger wirken. Hieraus resultiert eine Reduktion der Ladungsträgerlebensdauer und -beweglichkeit, welche wiederum zu einer Reduktion der detektierten Zählrate bei der hohen Strahlungsflussdichte führt.
Die Polarisation des halbleitenden Direktkonverter-Materials ändert sich während eines Messvorgangs. Diese Änderung des elektrischen Feldes hat wiederum eine Veränderung der gemessenen Pulshöhen zur Folge und wirkt sich damit auch auf die Zählrate des Detektors aus, auch als Drift bezeichnet. Somit wird durch die Polarisation der maximal detektierbare Strahlungsfluss eines Direktkonverters begrenzt. Insbesondere bei einer für CT-Geräte notwendigen hohen Strahlungsflussdichte tritt der Effekt der Polarisation verstärkt auf.
Ein Lösungsansatz besteht darin, die Polarisation des halbleitenden Direktkonverter-Materials durch Bestrahlung des Detektors mit zusätzlicher Röntgenstrahlung zum Großteil vorwegzunehmen, indem diese zusätzliche Bestrahlung unmittelbar vor einem Messvorgang durchgeführt wird. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht für den Patientenbetrieb, da der Patient einer zusätzlichen Dosis ausgesetzt werden würde. Durch die zusätzliche Röntgenbestrahlung vor dem Messvorgang wird ein vorbelasteter Zustand des Detektors eingestellt, das halbleitende Direktkonverter-Material wird also bewusst polarisiert, sodass sowohl Kalibrierungsmessungen als auch tatsächliche Messvorgänge durchgeführt werden können.
In einem weiteren Lösungsansatz wird das halbleitende Direktkonverter-Material z.B. mit sichtbarer Strahlung, Infrarot-Strahlung oder UV-Strahlung direkt oder indirekt bestrahlt. Diese Bestrahlung führt zu einer ähnlichen Konditionierung des Detektors wie die Bestrahlung mit Röntgenstrahlung, wobei die IR-Strahlung einfach zu handhaben und unschädlich für den Patienten ist.
Der Direktkonverter kann z.B. durch die flächige Kathode direkt bestrahlt werden. Da der direkte Strahlenweg auf den Direktkonverter durch das Streustrahlenraster eingeschränkt ist und für eine gleichmäßige Bestrahlung nur ein schmaler Spalt zwischen Streustrahlrasterunterseite und Halbleiteroberseite vorhanden ist, kann auch, wie in der nachveröffentlichten Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen DE 10 2012 213 409.3 beschrieben, eine indirekte Bestrahlung vorgesehen sein. Hierfür ist z.B. eine Reflexionsschicht an dem Streustrahlenraster/Kollimator angeordnet, welche eine zusätzliche Strahlung gleichmäßig auf den Direktkonverter reflektiert und von einer z.B. seitlich des Direktkonverters angeordneten Strahlungsquelle beschienen wird. Durch die relativ hohen Ströme, die zur Ausleuchtung benötigt werden, kann sich die Strahlungsquelle stark erwärmen, was durch die unmittelbare Nähe zum Direktkonverter bzw. anderen elektronischen Komponenten des Röntgendetektors zu deren Erwärmung und damit zu einer ungewollten Änderung seiner Sensitivität führt. Außerdem führt eine Erwärmung der Strahlungsquelle dazu, dass sich die emittierte Lichtleistung ändert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen direktkonvertierenden Röntgendetektor bereitzustellen, bei welchem eine gleichmäßige Bestrahlung des zur Detektion verwendeten Direktkonverters zur Reduktion von Polarisation und Drift über einen längeren Zeitraum möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen direktkonvertierenden Röntgendetektor gemäß dem Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist ein direktkonvertierender Röntgendetektor oder ein Röntgendetektormodul zur Detektion von Röntgenstrahlung vorgesehen, aufweisend einen zur Detektion der Röntgenstrahlung verwendeten Direktkonverter, mindestens einen zumindest teilweise in Strahlungsrichtung der Röntgenstrahlung vor dem Direktkonverter angeordneten Kollimator und mindestens eine Strahlungsquelle, welche seitlich des Direktkonverters angeordnet ist und den Direktkonverter mit einer zusätzlichen Strahlung indirekt bestrahlt, wobei der mindestens eine Kollimator auf einer dem Direktkonverter zugewandten Seite mindestens eine Reflexionsschicht aufweist, an welcher die zusätzliche Strahlung auf den Direktkonverter reflektiert wird, und aufweisend eine Kühlvorrichtung, durch welche die mindestens eine Strahlungsquelle kühlbar ist. Durch die Kühlung der zumindest einen Strahlungsquelle kann diese auch für längere Zeit und unter variablen Beleuchtungsbedingungen auf einfache Weise auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Dadurch bleibt auch die Lichtleistung der zumindest einen Strahlungsquelle konstant, was wiederum verhindert, dass der Röntgendetektor einen variablen Wärmeeintrag erfährt, durch welchen eine Beeinflussung der Sensitivität und eine Entstehung von Bildartefakten hervorgerufen würden. Die Kühlung gewährleistet also eine konstante Reduktion von Polarisationseffekten und der Zählratendrift des Röntgendetektors und führt zu einer höheren Bildqualität von mittels des Röntgendetektors aufgenommenen Röntgenbildern.
Insbesondere ist zwischen dem Direktkonverter und dem mindestens einen Kollimator ein Spalt für die zusätzliche Strahlung vorhanden. Durch die indirekte Bestrahlung und Reflexion der Strahlung an der Reflexionsschicht kann der Direktkonverter gleichmäßig und großflächig bestrahlt werden. Unter einer seitlichen Anordnung der Strahlenquelle ist zu verstehen, dass diese außerhalb des Spaltes und außerhalb des üblichen Strahlengangs der Röntgenstrahlung im Wesentlichen neben dem Direktkonverter oder neben dem Spalt angeordnet ist.
Als reflektierende Materialien eignen sich beispielsweise Reflektorlacke, die eine hohe Reflektivität und Unempfindlichkeit gegenüber der Röntgenbestrahlung aufweisen. Weiterhin eignen sich Materialien wie Metalle, insbesondere Leichtmetalle, in Form von metallischen Filmen oder metallbedampften Flächen, Kunststoffe, insbesondere beschichtete Kunststoffe, Verbindungen wie Metalllegierungen oder Halbleiter.
Um eine besonders gleichmäßige Bestrahlung zu gewährleisten, sind zwei Strahlungsquellen auf zwei Seiten des Direktkonverters angeordnet.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Kollimator zumindest teilweise aus einem thermisch leitfähigen Material ausgebildet und ist die mindestens eine Strahlungsquelle in mindestens einen Kühlkörper integriert, welcher in thermisch leitfähiger Verbindung mit dem Kollimator steht. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Kühlkörper zusätzlich integraler Bestandteil des Kollimators. Durch eine direkte oder indirekte Ankopplung der Kühlung der Strahlungsquelle an den Kollimator steht einschließlich des Kollimators ein ausreichend großer Kühlkörper zur Verfügung, um eine konstante Kühlung des oder der Strahlungsquellen zu gewährleisten. Durch die Verwendung des Kollimators als Kühlkörper ist kaum zusätzlicher baulicher Aufwand notwendig und es kann auf einfache und aufwandslose Art die Kühlung zur Verfügung gestellt werden.
In vorteilhafter Weise für eine besonders gute Kühlwirkung ist der Kollimator aus Metall gebildet und weist entweder Metall-Lamellen oder Metallgitter auf. Durch eine derartige mechanische Ausgestaltung des Kollimators ist dieses als Kühlkörper besonders effektiv.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Strahlungsquelle als eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs) ausgebildet. Leuchtdioden sind besonders klein und leistungsstark, energiesparend und erzeugen relativ wenig Abwärme.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Strahlungsquelle zur Aussendung von Infrarotstrahlung ausgebildet. Es können auch andere Strahlungsarten, z.B. sichtbares Licht oder UV-Licht, verwendet werden.
Der Röntgendetektor ist insbesondere als Computertomographie-Röntgendetektor zur Verwendung in einem CT-System ausgebildet. Durch die notwendige hohe Strahlungsflussdichte bei der Computertomographie hat ein erfindungsgemäßer Röntgendetektor hier einen besonders großen Nutzen. Der Röntgendetektor kann jedoch auch in anderen Bereichen, z.B. der Angiographie, genutzt werden und z.B. als Flachbilddetektor ausgebildet sein.
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:
1 eine Ansicht eines bekannten Computertomographie-Systems mit einem Röntgendetektor;
2 eine ausschnittsweise Darstellung eines bekannten Röntgendetektors mit einer indirekten Strahlungsquelle zur Bestrahlung eines Direktkonverters und
3 eine Darstellung einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors.
Die 1 zeigt ein beispielhaftes Computertomographie(CT)-System 10. Das CT-System 10 umfasst ein Gantrygehäuse 11, in dem sich eine hier nicht näher dargestellte Gantry befindet, an der eine Röntgenröhre 12 mit einem gegenüberliegenden Röntgendetektor 13 befestigt ist. (Optional kann eine zweite Röntgenröhre mit einem zweiten gegenüberliegenden Röntgendetektor vorgesehen sein). Ein Patient 14 befindet sich auf einer in Richtung der Systemachse 16 verschiebbaren Patientenliege 15, mit der er während der Abtastung mit der Röntgenstrahlung kontinuierlich oder sequentiell entlang der Systemachse 16 beziehungsweise in z-Richtung durch ein Messfeld zwischen der Röntgenröhre 12 und dem zugeordneten Röntgendetektor 13 geschoben werden kann. Dieser Vorgang wird durch eine Rechen- und Steuereinheit 17 mit Hilfe von Computerprogrammen P₁ bis P_n gesteuert.
Der Röntgendetektor 13 ist in der hier gezeigten beispielhaften Ausführungsform des CT-Systems 10 als direktkonvertierender Röntgendetektor ausgebildet, welcher zumindest einen zur Detektion der Röntgenstrahlung verwendeten Direktkonverter in Form eines Halbleitermaterials, einen Kollimator, und eine seitlich angeordnete Strahlungsquelle, welche den Direktkonverter mit einer zusätzlichen Strahlung bestrahlt, aufweist. Für die Computertomographie geeignete Röntgendetektoren sind häufig als Zeilendetektoren ausgebildet, bei welchen viele Pixelelemente als lange Zeile angeordnet sind, aber insgesamt nur wenige (z.B. zwei) Zeilen vorhanden sind.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines zur Detektion von Röntgenstrahlung z.B. in einem CT-System (1) verwendeten Direktkonverters 1 eines Röntgendetektors oder eines Röntgendetektormoduls (wenn z.B. ein Röntgendetektor aus mehreren Modulen aufgebaut ist) gezeigt. Das Material des Direktkonverters 1 ist im Allgenmeinen ein Halbleitermaterial, beispielsweise CdTe oder CZT. Weiterhin ist ein Kollimator 2 dargestellt, welcher beabstandet und parallel zu dem Direktkonverter 1 angeordnet ist. Zwischen dem Direktkonverter 1 und dem Kollimator 2 ist ein Spalt 5 ausgebildet. Der Direktkonverter 1 weist an seiner dem Kollimator 2 gegenüberliegenden Fläche eine Elektrode 4 auf, welche einen bestimmten Transmissionsgrad aufweist.
Die Elektrode 4 ist z.B. mit einer Elektronik des CT-Systems verbunden, welche jedoch der Übersicht halber nicht dargestellt ist. Auf einer in z-Richtung betrachtet vorderen Seite des Direktkonverters 1 ist außerhalb des Spaltes 5 eine Strahlungsquelle 6 in Form einer Leuchtdiode oder eines LED-Arrays angeordnet. Die Leuchtdiode oder das LED-Array strahlen in z-Richtung in den Spalt 5. Bei der Strahlung handelt es sich z.B. um Infrarot-Strahlung. Auf der dem Direktkonverter 1 gegenüberliegenden Fläche, also der Unterseite, des Kollimators 2 ist eine Reflexionsschicht 3 ausgebildet. Durch die relativ hohen Ströme, die zur Ausleuchtung benötigt werden, kann sich die LED bzw. das LED-Array stark erwärmen, was durch die unmittelbare Nähe zum Röntgendetektor zu dessen Erwärmung und damit zu einer ungewollten Änderung seiner Sensitivität führt. Außerdem führt eine Erwärmung der LED(-Arrays) dazu, dass sich die emittierte Lichtleistung ändert.
In der 3 ist ein Röntgendetektormodul 20 (ein Röntgendetektor kann aus einem oder mehreren solcher Röntgendetektormodule aufgebaut sein) gezeigt, bei welchem eine Kühlvorrichtung zur Kühlung zweier Strahlungsquellen 6 vorgesehen und an dem Röntgendetektormodul angeordnet ist. Das Röntgendetektormodul 13 weist einen Direktkonverter 1 (z.B. ein Halbleitermaterial, beispielsweise CdTe oder CZT), einen Kollimator 2, eine Reflexionsschicht 3, eine Elektrode 4 und einen Luftspalt 5 auf, wie bereits in 2 gezeigt. Der Direktkonverter 1 ist auf einem Modulträger 8 angeordnet und in Strahlungsrichtung unterhalb des Modulträgers ist wiederum eine Modulrückwandplatine 19 angeordnet. In Strahlungsrichtung oberhalb des Kollimators 2 ist eine Eintrittsblende 9 vorgesehen; außerdem ist der Schichtaufbau von einer Detektormechanik 18 umgeben. Die Strahlungsquellen 6 sind auf z.B. einer, zwei, drei oder vier Seiten (bei flächiger Ausbildung des Röntgendetektormoduls) des Spalts 5 in unmittelbarer Nähe des Direktkonverters 1 angeordnet. Die Strahlungsquellen bestrahlen den Direktkonverter z.B. mittels Infrarotlicht (oder einer anderen Strahlungsfrequenz). Wie beschrieben wird dies z.B. durch indirekte Bestrahlung mittels Reflexion durchgeführt. Die Strahlungsquellen 6 sind z.B. als LED oder LED-Arrays ausgebildet. Es kann auch nur eine Strahlungsquelle oder eine Vielzahl von Strahlungsquellen vorgesehen sein. Um eine Erwärmung der Strahlungsquellen 6 zu vermeiden, sind Kühlkörper 7 derart angeordnet, dass die Strahlungsquellen die Kühlkörper zum Wärmeaustausch berühren oder teilweise oder vollständig zur Kühlung in die Kühlkörper integriert sind. Die Kühlkörper sind aus einem thermisch leitfähigen Material ausgebildet, z.B. aus Metall.
Der Kühlkörper 7 kann, wie in der 3 gezeigt, z.B. derart ausgebildet und angeordnet sein, dass er ein integraler Bestandteil des Kollimators ist. In einem solchen Fall, wie gezeigt, ist der Kollimator aus einem thermisch leitfähigen Material ausgebildet; so kann er z.B. als ein- oder zweidimensionales Metallgitter (Lamellen oder Gitter) ausgebildet sein. Ein Teil des Kollimators erstreckt sich dann als Kühlkörper um die Strahlungsquellen 6 herum, also z.B. seitlich des Spaltes 5. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Strahlungsquellen in Kühlkörper (z.B. unabhängige Metallblöcke) integriert sind und die Kühlkörper mit dem aus thermisch leitfähigem Material gefertigten Kollimator leitend verbunden sind.
Durch die Kühlung durch direkte oder indirekte Ankopplung an den Kollimator können die Strahlungsquellen auch unter variablen Beleuchtungsbedingungen auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Dadurch bleibt einerseits die Sensitivität des Röntgendetektormoduls konstant, so dass eine zuverlässig hochqualitative Röntgenbildgebung durchgeführt werden kann. Andererseits weisen die Strahlungsquellen (z.B. LEDs/LED-Arrays) durch die Kühlung eine konstante Lichtleistung auf.
Im Falle der Integration des Kühlkörpers im Kollimator können bei der Herstellung des Kollimators bereits entsprechende Aufnahmen für die Strahlungsquellen vorgesehen werden, womit zusätzliche Bauteile sowie Fertigungsschritte (thermisch leitfähige Klebung der Kühlkörper an den Kollimator) vermieden werden können.
Das in 3 abgebildete Röntgendetektormodul kann als Röntgendetektor (also einfach) ausgebildet sein oder es kann eine Vielzahl solcher Röntgendetektormodule vorgesehen sein, welche einen größeren Röntgendetektor bilden. Der erfindungsgemäße Röntgendetektor kann als Zeilendetektor z.B. für die Computertomographie oder als Flachdetektor z.B. für die Angiographie oder Mammographie vorgesehen sein.
Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Für eine besonders gute Qualität der Röntgenbildgebung ist ein direktkonvertierender Röntgendetektor oder Röntgendetektormodul zur Detektion von Röntgenstrahlung, aufweisend einen zur Detektion der Röntgenstrahlung verwendeten Direktkonverter, mindestens einen zumindest teilweise in Strahlungsrichtung der Röntgenstrahlung vor dem Direktkonverter angeordneten Kollimator und mindestens eine Strahlungsquelle, welche seitlich des Direktkonverters angeordnet ist und den Direktkonverter mit einer zusätzlichen Strahlung indirekt bestrahlt, wobei der mindestens eine Kollimator auf einer dem Direktkonverter zugewandten Seite mindestens eine Reflexionsschicht aufweist, an welcher die zusätzliche Strahlung auf den Direktkonverter reflektiert wird, und aufweisend eine Kühlvorrichtung, durch welche die mindestens eine Strahlungsquelle kühlbar ist, vorgesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012213409 [0007]

Claims

Direktkonvertierender Röntgendetektor oder Röntgendetektormodul zur Detektion von Röntgenstrahlung, aufweisend einen zur Detektion der Röntgenstrahlung verwendeten Direktkonverter (1), mindestens einen zumindest teilweise in Strahlungsrichtung der Röntgenstrahlung vor dem Direktkonverter (1) angeordneten Kollimator (2) und mindestens eine Strahlungsquelle (6), welche seitlich des Direktkonverters (1) angeordnet ist und den Direktkonverter (1) mit einer zusätzlichen Strahlung indirekt bestrahlt, wobei der mindestens eine Kollimator (2) auf einer dem Direktkonverter (1) zugewandten Seite mindestens eine Reflexionsschicht (3) aufweist, an welcher die zusätzliche Strahlung auf den Direktkonverter (1) reflektiert wird, und aufweisend eine Kühlvorrichtung (7), durch welche die mindestens eine Strahlungsquelle (6) kühlbar ist.
Röntgendetektor nach Anspruch 1, wobei der Kollimator (2) zumindest teilweise aus einem thermisch leitfähigen Material ausgebildet ist und die mindestens eine Strahlungsquelle (6) in mindestens einen Kühlkörper (7) integriert ist, welcher in thermisch leitfähiger Verbindung mit dem Kollimator (2) steht.
Röntgendetektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kollimator (2) zumindest teilweise aus einem thermisch leitfähigen Material ausgebildet ist und die mindestens eine Strahlungsquelle (6) in mindestens einen Kühlkörper (7) integriert ist, welcher integraler Bestandteil des Kollimators (2) ist.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kollimator (2) aus Metall gebildet ist und entweder Metall-Lamellen oder Metallgitter aufweist.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Strahlungsquelle (6) als eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs) ausgebildet ist.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle (6) zur Aussendung von Infrarotstrahlung ausgebildet ist.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Strahlungsquellen (6) auf mindestens zwei Seiten des Direktkonverters (1) angeordnet sind.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Direktkonverter (1) und dem mindestens einen Kollimator (2) ein Spalt (5) für die zusätzliche Strahlung ausgebildet ist.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher als Computertomographie-Röntgendetektor zur Verwendung in einem CT-System (10) ausgebildet ist.