DE102013217941A1

DE102013217941A1 - Röntgendetektor und Verfahren

Info

Publication number: DE102013217941A1
Application number: DE201310217941
Authority: DE
Inventors: Mario Eichenseer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-03-12
Also published as: US20150069252A1; CN104414676B; CN104414676A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor zur Detektion von Röntgenstrahlung, aufweisend eine flächige Kathode, eine in eine Vielzahl von Pixelelemente unterteilte Anode und einen zwischen Kathode und Anode angeordneten Direktkonverter zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Ladung, wobei um Pixelelemente oder Gruppen von Pixelelementen mindestens zwei Guardringe oder Guardringstrukturen angeordnet sind, an welche Guardringe oder Guardringstrukturen Potentiale angelegt sind, wobei an mindestens zwei verschiedenen der mindestens zwei Guardringe oder Teile der Guardringstrukturen unterschiedliche Potentiale angelegt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor zur Detektion von Röntgenstrahlung gemäß dem Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zur Angleichung der Strahlungsantwort von unterschiedlichen Pixelelementen eines Röntgendetektors nach dem Patentanspruch 10.
Für die Detektion von Gamma- und Röntgenstrahlung, insbesondere bei der Computertomographie, der Angiographie, der Einzelphotonen-Emissionstomographie (SPECT), der Positronenemissionstomographie (PET) etc. werden unter anderem Strahlungsdetektoren basierend auf direkt konvertierenden Materialien entwickelt. Typische Materialien für Direktkonverter sind etwa III-V- bzw. II-VI-Halbleiter wie Cadmiumtellurid oder Cadmiumzinktellurid. Für die Detektion von Röntgenstrahlung werden die Direktkonverter mit Elektroden (Kathode und Anode) versehen und es wird eine Hochspannung angelegt. Durch das elektrische Feld werden von der (Röntgen-)Strahlung generierte Ladungsträger getrennt, zu den Elektroden beschleunigt und können als Strom gemessen werden.
Um eine örtliche Auflösung des Strahlungsdetektors zu erreichen, wird typischerweise eine der Elektroden (im Allgemeinen die Anode) pixeliert, d.h. in eine Vielzahl von Teilflächen (Pixelelemente) unterteilt. Des Weiteren werden Pixelstrukturen, z.B. Gruppen von mehreren Pixelelementen (z.B. 4 × 4), durch einen sogenannten Guardring umfasst, an welchen ein bestimmtes Potential angelegt wird. Guardringe sind z.B. in der Patentschrift US 6,928,144 B2 beschrieben. Guardringe dienen allgemein dazu, das Verhalten von Randpixeln eines Röntgendetektors oder Detektormoduls zu verbessern, indem z.B. Leckströme und elektrische Feldverzerrungen teilweise ausgeglichen werden. Pixelelemente, welche sich am Rand eines Strahlungsdetektors oder auch nur am Rand eines Detektormoduls befinden, zeigen dennoch häufig ein von mittigen Pixelelementen abweichendes Strahlungsantwortverhalten. Ein weiteres Problem von derartigen Strahlungsdetektoren besteht darin, dass sich Pixelelemente, je nachdem ob und in welcher Form sich eine Streustrahlenrasterstruktur (Anti-Scatter-Grid Struktur) darüber befindet, unterschiedlich verhalten. In der US 2012/0267737 A1 wird dem Randcharakter von Pixelelementen dadurch Rechnung getragen, dass eine der beiden Elektroden (z.B. die obere Kathode) über das Substrat hinaus verlängert wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Röntgendetektor, welcher abweichendes Strahlungsantwortverhalten von Pixelelementen z.B. in Bezug auf deren Randlage und/oder deren Beeinflussung durch Streustrahlenraster berücksichtigt sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Röntgendetektor zur Detektion von Röntgenstrahlung gemäß dem Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Angleichung der Strahlungsantwort von unterschiedlichen Pixelelementen eines Röntgendetektors nach dem Patentanspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Röntgendetektor zur Detektion von Röntgenstrahlung, aufweisend eine flächige Kathode, eine in eine Vielzahl von Pixelelemente unterteilte Anode und einen zwischen Kathode und Anode angeordneten Direktkonverter zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Ladung, wobei um Pixelelemente oder Gruppen von Pixelelementen mindestens zwei Guardringe oder Guardringstrukturen angeordnet sind, an welche Guardringe oder Guardringstrukturen elektrische Potentiale angelegt sind, wobei an mindestens zwei verschiedenen der mindestens zwei Guardringe oder Teile der Guardringstrukturen unterschiedliche elektrische Potentiale angelegt sind, ist in der Lage, durch mittels Guardringen oder Guardringstrukturen anlegbare unterschiedliche elektrische Potentiale das Strahlungsantwortverhalten von Randpixelelementen, Pixelelementen mit wenig direkten Nachbarpixelelementen oder auf andere Weise beeinträchtigten Pixelelementen auszugleichen und so zu einer gleichmäßigen und hochqualitativen Bildgebung beizutragen. Als Vorteil ergibt sich damit, dem unterschiedlichen Verhalten der Pixelelemente z.B. in Sachen Ausbildung der Raumladung bzw. Porisation, die aufgrund der umgebenden Bedingungen zu Stande kommt (z.B. durch Streustrahlenraster, Rand ohne Nachbarn etc.) besser entgegenzutreten, um letztendlich eine homogene Antwort eines Röntgendetektors und damit eine artefaktfreie Bildgebung zu ermöglichen.
Guardringe und Guardringstrukturen können jeweils eine kleine Gruppe (z.B. Makropixel aus vier, neun oder 16 Pixelelementen), eine Vielzahl oder auch nur einzelne Pixelelemente umfassen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Röntgendetektor eine Vielzahl von Guardringen oder Guardringstrukturen auf, an welche mindestens zwei unterschiedliche elektrische Potentiale angelegt sind.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind abhängig von der Position der an den Guardring oder die Guardringstruktur anliegenden Pixelelemente innerhalb des Strahlungsdetektors unterschiedliche elektrische Potentiale an die Guardringe oder Teile der Guardringstrukturen angelegt. Insbesondere weist dabei der Teil der Guardringstruktur, welcher an Randpixelelementen des Röntgendetektors anliegt, ein von dem Teil der Guardringstruktur, welche an an allen Seiten von Nachbarpixelelementen umgebenen Pixelelementen anliegt, unterschiedliches elektrisches Potential auf. Auf diese Weise kann das unterschiedliche Verhalten von Randpixelelementen gegenüber Mitten-Pixelelementen aus- und angeglichen werden. Es kann dabei je nach Bedarf vorgesehen sein, dass das Potential im Bereich der Randpixelelemente höher oder niedriger ist als im Bereich von Mitten-Pixelelementen. Auch die Größenordnungen der Unterschiede der angelegten elektrischen Potentiale sind dabei je nach Bedarf einstellbar; z.B. können die unterschiedlichen elektrischen Potentiale sich um einen Faktor von Eins oder Zwei unterscheiden.
Unter Randpixelelementen werden hier Pixelelemente verstanden, welche entweder am Rand des gesamten Röntgendetektors oder aber am Rand von Detektormodulen oder anderen Detektorabschnitten angeordnet sind und welche aufgrund ihrer Position z.B. bei quadratischen Pixelelementen weniger als acht direkte Nachbarpixelelemente aufweisen, also z.B. nur fünf oder drei Nachbarpixelelemente. Mitten-Pixelelemente weisen acht direkte Nachbarpixelelemente auf. Die Positionsabhängigkeit des Potentials der anliegenden Guardringstruktur kann auch für Pixelelemente gelten, die keine direkten Randpixelelemente sind; so können diese auch nur in der Nähe des Detektorrandes oder Detektormodulrandes liegen und dennoch ein anderes elektrisches Guardringpotential als zentral angeordnete Pixelelemente aufweisen. In diesem Zusammenhang können z.B. stufenweise unterschiedliche elektrische Potentiale an Teile von Guardringstrukturen zwischen Randpixelelementen und zentral auf dem Röntgendetektor (Detektormodul o.ä.) angeordneten Pixelelementen angelegt sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind abhängig von einer Streustrahlenrasterstruktur eines dem Röntgendetektor vorgelagerten Streustrahlenrasters unterschiedliche Potentiale an die Guardringe oder Teile der Guardringstrukturen angelegt. Die jeweiligen Potentiale der Guardringe oder der Guardringstruktur werden also abhängig davon gewählt, ob ein Streustrahlenraster vorhanden ist und wie dieses in Bezug auf die jeweiligen Pixelelemente ausgebildet und angeordnet ist. Insbesondere weist der Teil der Guardringstruktur, der an von der Streustrahlenrasterstruktur zumindest teilweise abgeschatteten Pixelelementen anliegt, ein von dem Teil der Guardringstruktur, welcher an nicht abgeschatteten Pixelelementen anliegt, unterschiedliches elektrisches Potential auf. Auch hier kann das unterschiedliche Strahlenantwortverhalten der entsprechenden, zumindest teilweise abgeschatteten Pixelelemente durch geeignete elektrische Potentiale der Guardringstrukturen ausgeglichen werden. Auch hier können die elektrischen Potentiale nach Bedarf entsprechend ausgewählt werden, z.B. höher oder niedriger bei abgeschatteten Pixelelementen, in entsprechenden Größenordnungen, z.B. um einen Faktor Eins oder Zwei. Unterschiedliche Abschattungen können z.B. durch unterschiedliche elektrische Potentiale ausgeglichen werden.
Der Direktkonverter ist aus einem III-V- bzw. II-VI-Halbleiter, insbesondere aus Cadmiumtellurid oder Cadmiumzinktellurid (CZT) ausgebildet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Röntgendetektor als CT-Röntgendetektor für die Computertomographiebildgebung ausgebildet. Derartige CT-Röntgendetektoren sind häufig bogenförmig ausgebildet und weisen eine oder mehrere Zeilen von Detektormodulen aus einer Vielzahl von Pixelelementen auf. Es wird durch einen CT-Röntgendetektor im Allgemeinen eine Vielzahl von zumeist schmalen, von einem Röntgenstrahlenfächer bestrahlten Schnittbildern aus verschiedenen Projektionsrichtungen aufgenommen, die dann anschließend am Rechner rekonstruiert werden. CT-Röntgendetektoren sind im Allgemeinen aus einer Vielzahl von Detektormodulen aufgebaut, welche wiederum eine Vielzahl von Pixelelementen aufweisen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Röntgendetekor als Flachbilddetektor ausgebildet, z.B. für die Fluoroskopie- oder Angiographiebildgebung. Derartige Flachbilddetektoren sind rechteckig und flächenförmig aufgebaut.
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 Computertomographiegeräts mit einem Röntgendetektor,
2 eine Ansicht eines Röntgendetektors mit einer bekannten Guardringstruktur, und
2 eine Ansicht eines Ausschnitts aus einem erfindungsgemäßen Röntgendetektor mit einer Guardringstruktur mit unterschiedlichen angelegten Potentialen.
In der 1 ist ein bekanntes Computertomographiegerät 10 mit einem CT-Röntgendetektor 11 dargestellt. Das Computertomographiegerät 10 umfasst einen Patientenlagerungstisch 12 zur Lagerung eines zu untersuchenden Patienten, eine nicht dargestellte Gantry mit einem um eine Systemachse 13 drehbar gelagerten Aufnahmesystem 14; 11. Das Aufnahmesystem 14; 11 weist eine Röntgenröhre 14 und den Röntgendetektor 11 auf, die zueinander so gegenüberliegend ausgerichtet sind, dass eine im Betrieb von dem Fokus 15 der Röntgenröhre 14 ausgehende Röntgenstrahlung auf den Röntgendetektor 11 trifft. Der Röntgendetektor 11 umfasst ein Streustrahlenraster 16, einen Direktkonverter 17 zwischen nicht abgebildeter Kathode und pixelierter Anode und eine in Strahlenrichtung dahinter liegende Ausleseelektronik 18. Der Röntgendetektor1 weist mehrere z.B. zu Detektormodulen 19 gruppierte Pixelelemente bzw. Detektorelemente auf. Röntgenquanten sind somit ortsaufgelöst zählbar und/oder energieselektiv erfassbar. Zur Aufnahme eines Bildes von einem Untersuchungsgebiet werden bei Rotation des Aufnahmesystems 14; 11 um die Systemachse 13 Projektionen aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Projektionsrichtungen erfasst. Die generierten Bilddaten werden anschließend an einen Bildrechner 20 mit einer Rekonstruktionseinheit 21 übertragen, die aus den Bilddaten ein Bild, z. B. in Form eines Schnittbildes von dem Patienten, nach bekannten Verfahren rekonstruiert. Das Bild kann auf einer an den Bildrechner 20 angeschlossenen Anzeigeeinheit 22 angezeigt werden.
In der 2 ist ein Beispiel für eine Gruppe von Pixelelementen 23 gezeigt, welche von einem bekannten Guardring 24 umfasst sind. Guardringe 24 oder Guardringstrukturen können eine Gruppe von Pixelelementen, einzelne Pixelelemente oder auch eine Vielzahl von Pixelelementen, z.B. in Form eines ganzen Detektormoduls, umfassen. Guardringe können z.B. als Leiterbahnen oder Leiterpunkte eines leitfähigen Materials (z.B. Gold, Platin oder ein anderes Metall) seitlich der pixelierten Anode des Pixelelements aufgebracht sein. Mittels entsprechender Verschaltung wird an den Guardring bzw. die Guardingstruktur ein elektrisches Potential angelegt. Bekannte Röntgendetektoren weisen Guardringe auf, an welche grundsätzlich das gleiche Potential angelegt ist.
In der 3 ist ein Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Röntgendetektor mit einer Guardringstruktur 25 gezeigt, an welche unterschiedliche elektrische Potentiale angelegt sind. Ein Teil der Guardringstruktur, welche die Randpixelelemente 23.1 einer Untereinheit des Röntgendetektors (zum Beispiel eines Detektormoduls oder eines Sensorboards oder des gesamten Röntgendetektors) umfasst bzw. an diesen anliegt, ist auf ein erstes elektrisches Potential 26 (ausgefüllte Punkte) gelegt, um den Randcharakter der Randpixelelemente auszugleichen. Das Potential wird derart gewählt, dass sich die Randpixelelemente in ihrem Verhalten, also z.B. bezüglich ihres Strahlenantwortverhaltens, ihrer Ausbildung einer Raumladung oder Polarisation oder ähnliches an Mitten-Pixelelemente 23.2 angleichen. Ein anderer Teil der Guardringstruktur 25, welcher an z.B. durch das Streustrahlenraster leicht abgeschatteten Pixelelementen 23.3 anliegt, weist ein von dem ersten elektrischen Potential 26 unterschiedliches zweites elektrisches Potential 27 auf (teilweise gefüllte Punkte). Außerdem ist an einen weiteren Teil der Guardringstruktur 25, welcher an durch den Streustrahlenraster stark abgeschatteten Pixelelementen 23.4 anliegt, ein drittes elektrisches Potential 28 (ungefüllte Punkte) angelegt, wobei das dritte Potential 28 sich von den beiden anderen Potentialen unterscheidet.
Alternativ sind viele verschiedene Ausbildungen der Erfindung denkbar. Es kann auch z.B. um jedes Pixelelement ein Guardring angelegt sein, wobei auch hier unterschiedliche Potentiale, z.B. abhängig von der Lage des jeweils umfassten Pixelelements, vorgesehen sind. Oder es sind um Gruppen von Pixelelementen, z.B. 4 × 4 Pixelelemente (Makropixel), jeweils Guardringe vorhanden, welche dann im Fall einer „Rand“-Gruppe (am Rand des Röntgendetektors oder Detektormoduls oder Sensorboards o.ä.) ein von den Guardringen von Mitten-Makropixeln unterschiedliches elektrisches Potential aufweisen.
Es kann auch z.B. nur der Teil der Guardringstruktur, welcher die Randpixelelemente einer Untereinheit des Röntgendetektors (zum Beispiel eines Detektormoduls oder eines Sensorboards oder des gesamten Röntgendetektors) umfasst bzw. an diesen anliegt, auf ein erstes elektrisches Potential gelegt sein, während die übrige Guardringstruktur ein von diesem unterschiedliches zweites Potential ausweist.
Durch das Anlegen verschiedener elektrischer Potentiale in Abhängigkeit der räumlichen Lage der Guardringstruktur kann letztendlich eine homogene Antwort eines Röntgendetektors und damit eine artefaktfreie Bildgebung ermöglicht werden.
Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Für eine homogene und möglichst artefaktfreie Bildgebung ist ein Röntgendetektor zur Detektion von Röntgenstrahlung, aufweisend eine flächige Kathode, eine in eine Vielzahl von Pixelelemente unterteilte Anode und einen zwischen Kathode und Anode angeordneten Direktkonverter zur Umwandlung von Strahlung in elektrische Ladung, wobei um Pixelelemente oder Gruppen von Pixelelementen mindestens zwei Guardringe oder Guardringstrukturen angeordnet sind, an welche Guardringe oder Guardringstrukturen Potentiale angelegt sind, wobei an mindestens zwei verschiedenen der mindestens zwei Guardringe oder Teile der Guardringstrukturen unterschiedliche Potentiale angelegt sind, vorgesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6928144 B2 [0003]
US 2012/0267737 A1 [0003]

Claims

Röntgendetektor zur Detektion von Röntgenstrahlung, aufweisend eine flächige Kathode, eine in eine Vielzahl von Pixelelementen (23) unterteilte Anode und einen zwischen Kathode und Anode angeordneten Direktkonverter (17) zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in elektrische Ladung, wobei an den Pixelelementen (23) oder Gruppen von Pixelelementen (23) mindestens zwei Guardringe (24) oder Guardringstrukturen (25) angeordnet sind, an welche Guardringe (24) oder Guardringstrukturen (25) Potentiale angelegt sind, wobei an mindestens zwei verschiedenen der mindestens zwei Guardringe (24) oder der Teile der Guardringstrukturen (25) unterschiedliche Potentiale angelegt sind.
Röntgendetektor nach Anspruch 1, welcher eine Vielzahl von Guardringen (24) oder Guardringstrukturen (25) aufweist, an welche mindestens zwei unterschiedliche Potentiale angelegt sind.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei abhängig von der Position der an den Guardring (24) oder die Guardringstruktur (25) anliegenden Pixelelemente (23) innerhalb des Röntgendetektors unterschiedliche Potentiale an die Guardringe (24) oder Teile der Guardringstrukturen (25) angelegt sind.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei abhängig von einer Streustrahlenrasterstruktur eines dem Röntgendetektor vorgelagerten Streustrahlenrasters (16) unterschiedliche Potentiale an die Guardringe (24) oder Teile der Guardringstrukturen (25) angelegt sind.
Röntgendetektor nach Anspruch 3, wobei der Teil der Guardringstruktur (25), welcher an Randpixelelementen (23.1) des Röntgendetektors anliegt, ein von dem Teil der Guardringstruktur, welche an an allen Seiten von Nachbarpixelelementen umgebenen Pixelelementen (23) anliegt, unterschiedliches Potential aufweist.
Röntgendetektor nach Anspruch 4, wobei der Teil der Guardringstruktur (25), der an von der Streustrahlenrasterstruktur zumindest teilweise abgeschatteten Pixelelementen (23.3; 23.4) anliegt, ein von dem Teil der Guardringstruktur, welcher an nicht abgeschatteten Pixelelementen anliegt, unterschiedliches Potential aufweist.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Direktkonverter (17) aus Cadmiumtellurid oder Cadmiumzinktellurid (CZT) gebildet ist.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher als CT-Röntgendetektor (11) für Computertomographie ausgebildet ist.
Röntgendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher als Flachbilddetektor ausgebildet ist.
Verfahren zur Angleichung der Strahlungsantwort von unterschiedlichen Pixelelementen eines Röntgendetektors nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei abhängig von der Position der an dem Teil der Guardringstruktur (25) anliegenden Pixelelemente (23) innerhalb des Röntgendetektors oder abhängig von einer Streustrahlenrasterstruktur eines dem Röntgendetektor vorgelagerten Streustrahlenrasters (16) unterschiedliche Potentiale an die Guardringe (24) oder Teile der Guardringstrukturen (25) angelegt werden.