-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Szintillatorfaser, ein Verfahren zur Herstellung einer Szintillatoreinheit, eine Szintillatoreinheit, einen Röntgendetektor und ein medizinisches Gerät.
-
In der Röntgenbildgebung, beispielsweise in der Computertomographie, der Angiographie oder der Radiographie, können integrierende indirekt-konvertierende Röntgendetektoren verwendet werden. Die in der örtliche Modulation der einfallenden Röntgenstrahlung enthaltene Information wird vom Röntgendetektor erfasst, wobei der Röntgendetektor die Information in ein digitales Signal umwandelt. Die Röntgenstrahlung oder die Photonen können in indirekt-konvertierenden Röntgendetektoren durch ein geeignetes Konvertermaterial in Licht und mittels Photodioden in elektrische Pulse umgewandelt werden. Als Konvertermaterial werden häufig Szintillatoren, beispielsweise GOS (Gd2O2S), CsJ, YGO oder LuTAG, eingesetzt. Eine Szintillatoreinheit weist das Konvertermaterial auf. Szintillatoren werden insbesondere in der medizinischen Röntgenbildgebung im Energiebereich bis 1MeV eingesetzt. Üblicherweise werden sogenannte indirekt-konvertierende Röntgendetektoren, sogenannte Szintillatordetektoren, verwendet, bei denen die Konvertierung der Röntgen- oder Gammastrahlen in elektrische Signale in zwei Stufen erfolgt. In einer ersten Stufe werden die Röntgen- oder Gammaquanten in einem Teilbereich der Szintillatoreinheit absorbiert und in optisch sichtbares Licht, eine Lichtmenge, umgewandelt, dieser Effekt wird Lumineszenz genannt. Das durch Lumineszenz angeregte Licht wird anschließend in einer zweiten Stufe durch eine mit der Szintillatoreinheit optisch gekoppelten ersten Photodiode oder Photomultiplier in einem Teilbereich einer Auswerteeinheit in ein elektrisches Signal umgewandelt, über eine Auswerte- oder Ausleseelektronik ausgelesen und anschließend an eine Recheneinheit weitergeleitet.
-
Szintillatoren, beispielsweise aus der Gasphase abgeschiedenes Cäsiumiodid, können eine anisotrope Lichtleitung aufweisen. Cäsiumiodid weist eine nadelförmige Struktur auf. Durch diese anisotrope Lichtleitung breitet sich die Lichtmenge nicht lateral aus, die Ortsinformation der einfallenden Röntgenstrahlung bleibt somit erhalten. Cäsiumiodid eignet sich jedoch nicht für sämtliche Modalitäten in der medizinischen Bildgebung. So ist es beispielsweise ungeeignet für die Computertomographie, da es weder die notwendigen Absorptionseigenschaften aufweist, noch eine hinreichend stabile Signalantwort.
-
Geeignete keramische Szintillatoren, wie etwa Gadoliniumgalliumaluminiumgranat (GGAG) weisen eine isotrope Lichtleitung auf. Es kann auch GOS als keramischer Szintillator verwendet werden. Um die Ortsinformation der einfallenden Röntgenstrahlung zu erhalten, wird die Szintillatoreinheit aufwendig strukturiert. Meist werden durch Sägeprozesse Volumeneinheiten, welche die Pixel des Röntgendetektors definieren, getrennt. Die Zwischenräume können mit einem reflektierenden Material ausgefüllt werden.
-
Die Teilbereiche der Szintillatoreinheit und der Auswerteeinheit sind in der Regel derart unterteilt, dass jedem Teilbereich der Szintillatoreinheit ein Teilbereich der Auswerteeinheit zugeordnet ist. Man spricht dann von einem pixelierten Röntgendetektor. Röntgendetektoren, wie sie beispielsweise in der Computertomografie zum Einsatz kommen, sind typischerweise aus mehreren Modulen aufgebaut, welche ein Streustrahlengitter, eine Szintillatoreinheit, eine Auswerteeinheit mit Photosensoren oder Photodioden, beispielsweise als Photodioden-Array, sowie mit Elektronikeinheiten zur Wandlung des analogen Signals in digitale Information und einem mechanischen Träger aufweisen. Das Streustrahlengitter dient der Unterdrückung von Streustrahlung. Der mechanische Träger dient zur Montage des Streustrahlengitters, der Szintillatoreinheit und der Auswerteeinheit. Streustrahlengitter, Szintillatoreinheit und Photodiode sind typischerweise in gleicher Weise in zwei Richtungen pixeliert, beispielsweise in rechteckige oder quadratische Pixel. Um eine gute Dosisnutzung und gleichzeitig geringes Übersprechen zwischen den Pixeln zu erreichen, werden Streustrahlengitter, Szintillatoreinheit und Photodiode beim Aufbau der Module sehr exakt zueinander positioniert.
-
Aus der
WO 2009 008911 A2 ist ein Bündel gezogener Fasern bekannt, welche nicht-agglomerierte Nanokristallitpartikel eines Szintillators in Glas- oder Kunststoffkernen mit maximal 0,1µm Abstand aufweisen. Ferner weist das Bündel gezogener Fasern einen Mantel mit röntgenabsorbierenden Gemischen in der Zusammensetzung des Mantels auf. Optional kann eine Abdeckung des Bündels das Austreten von Licht an der Röntgenstrahlungseinfallsseite verhindern, während die Röntgenstrahlung durch die Abdeckung in den Faserkern eintreten kann. Um das Licht, welches das Faserbündel mit Abständen unterhalb eines Mikrometers verlässt, abzubilden, wird bevorzugt eine Lichtausbreitung mittels eines Linsensystems oder einer Aufweitungseinrichtung für das Faserbündel verwendet. Durch die vielen optischen Grenzflächen, die durch die Einbettung der Partikel des Szintillators in der Kunststoff- bzw. Glasmatrix des Faserkerns entstehen, verlässt jedoch ein großer Teil des Lichts aufgrund der Streuung die Faser. Darüber hinaus ist eine Lichtleitung durch längere Fasern, wie sie zur Absorption typischer Röntgenenergien in der Computertomographie notwendig sind, nicht mehr möglich.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Szintillatorfaser, ein Verfahren zur Herstellung einer Szintillatoreinheit, eine Szintillatoreinheit, einen Röntgendetektopr und ein medizinisches Gerät anzugeben, welche eine verbesserte Lichtleitung und eine alternative Strukturierung der Szintillatoreinheit ermöglichen.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Szintillatorfaser nach Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Szintillatoreinheit nach Anspruch 8, eine Szintillatoreinheit nach Anspruch 11, einen Röntgendetektor nach Anspruch 12 und ein medizinisches Gerät nach Anspruch 13.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Szintillatorfaser aufweisend die Schritte des Bereitstellens einer Suspension aus einem in einem Lösemittel gelösten Bindemittel und einem Szintillatormaterial, und des Pressens der Suspension in ein Fällbad, in welchem das Bindemittel unlöslich ist. Es entsteht dabei im Schritt des Pressens eine Szintillatorfaser als Grünkörper. Das Pressen kann insbesondere ein Formpressen oder einen formgebenden Schritt aufweisen. Im Schritt des Pressens wird die Suspension in das Fällbad gepresst. Beispielsweise kann die Suspension mittels einer Schnecke oder einer anderen druckerzeugenden Einrichtung in das Fällbad gepresst werden.
-
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Herstellung von Szintillatorfasern eine aufwendige Strukturierung der Szintillatoreinheit vermieden werden kann. Es kann eine Keramik oder ein keramischer Szintillator gesintert werden, wobei der Grünkörper als Szintillatorfaser vorliegt. Der Grünkörper kann nach dem Entbindern dicht gesintert werden.
-
Erfindungsgemäß wird eine Lösung aus einem Bindemittel und einem Lösungsmittel hergestellt. Das Bindemittel kann beispielsweise ein Kunststoff sein, welcher sich im Lösungsmittel lösen lässt. Der Lösung wird das Szintillatormaterial zugefügt. Das Szintillatormaterial kann als pulverförmiger Leuchtstoff und/oder als pulverförmiges Szintillatormaterial vorliegen. Mittels Rühren, Einwirkung von Ultraschall oder einen Zentrifugalmischer kann das Szintillatormaterial homogen und blasenfrei unter die Lösung gemischt werden, sodass eine Suspension entsteht. Die Suspension kann dann durch eine Düse mit einem festgelegten Querschnitt und einem festgelegten Durchmesser in ein Fällbad gepresst werden. Das Lösungsmittel kann aus der Suspension in das Fällbad diffundieren.
-
Im Fällbad kann das Lösungsmittel aus der Suspension bevorzugt zu mindestens 90 Prozent entfernt werden. Das Bindemittel kann als Feststoff ausfallen und das Szintillatormaterial binden. Das Szintillatormaterial kann vom Bindemittel umgeben sein. Das Szintillatormaterial kann gleichmäßig im Bindemittel verteilt sein.
-
Vorteilhaft kann durch die Reflektionen des Szintillationslichts oder der Lichtquanten der Lichtmenge an den Wänden der Szintillatorfaser eine bevorzugte Lichtleitung entlang der Faserrichtung erreicht werden. Vorteilhaft kann die aufwendige Strukturierung der Szintillatoreinheit vermieden werden. Die Kosten für die Herstellung des Detektors oder Szintillatoreinheit können vorteilhaft gesenkt werden. Bei den Verfahrensschritten und auch weiteren folgenden Verfahrensschritten wirkt sich eine gerade Ausrichtung der Szintillatorfasern auf eine besonders vorteilhafte Qualität der Szintillatorfasern aus.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner den Schritt des Verfestigens der Szintillatorfaser auf. Der Schritt des Verfestigens kann einen Schritt des Trocknens umfassen. Im Schritt des Verfestigens können flüssige Komponenten, wie Lösungsmittel und Fällbad, vom Grünkörper oder der Szintillatorfaser entfernt werden. Restliches, im Grünkörper enthaltenes Lösungsmittel kann im Schritt des Verfestigens oder Trocknens aus dem Grünkörper entfernt werden. Vorteilhaft können aus der Szintillatorfaser für weitere Schritte nicht mehr nötige Komponenten entfernt werden. Vorteilhaft kann die Szintillatorfaser auf nachfolgende Schritte vorbereitet werden. Vorteilhaft kann der Anteil von Stoffen, welche nicht dem Szintillatormaterial entsprechen, reduziert werden.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner mindestens einen der Schritte des Entbinderns der Szintillatorfaser, des ersten Pressens der Szintillatorfaser, und des Sinterns der Szintillatorfaser auf.
-
Im Schritt des Entbinderns wird das Bindemittel zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, aus der Szintillatorfaser entfernt. Das Bindemittel kann im Schritt des Entbinderns thermisch zersetzt werden. Beispielsweise kann bei Verwendung von Polysulfon als Bindemittel das Polysulfon durch thermische Zersetzung zu Wasser, Kohlendioxid und Schwefeldioxid oxidiert werden. Nach dem Schritt der Entbinderns liegt die Szintillatorfaser als ein poröser Grünkörper vor.
-
Im Schritt des ersten Pressens kann die Szintillatorfaser verdichtet werden. Das erste Pressen kann ein kaltisostatisches Pressen sein. Beim kaltisostatischen Pressen kann allseitig wirkender Druck zum Verdichten auf die Szintillatorfaser einwirken, wobei das kaltisostatische Pressen in flexiblen, verschlossenen Formen bei Raumtemperatur in einen mit Wasser gefüllten Druckbehälter durchgeführt wird. Insbesondere können Poren in der Szintillatorfaser mittels des ersten Pressens verdichtet werden. Vorteilhaft können die im Schritt des Sinterns störenden Poren verdichtet oder reduziert werden. Vorteilhaft kann eine Szintillatorfaser mit einer größeren Dichte bzw. weniger Poren erreicht werden.
-
Das Sintern kann ein druckloses Sintern sein, wobei der Luftdruck der Umgebung herrschen kann. Das Sintern findet bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts des Szintillatormaterials statt. Bei Gadoliniumgalliumaluminiumgranat (GGAG) kann das Sintern beispielsweise bei 1600 bis 1800°C stattfinden. Das Szintillatormaterial Gadoliniumgalliumaluminiumgranat (GGAG) kann mit Cer dotiert sein. Um eine theoretische oder optimale Dichte der Szintillatorfaser erreichen zu können, sollte beim drucklosen Sintern mindestens eine Dichte von 95% der theoretischen oder möglichen Dichte des Szintillatormaterials erreicht werden. Die gesinterte Szintillatorfaser kann frei von Bindemittel und Lösemittel sein. Das Bindemittel und das Lösungsmittel kann im Schritt des Sinterns vollständig ausbrennen. Die gesinterte Szintillatorfaser kann nur Szintillatormaterial enthalten. Die Szintillatorfaser ist vorteilhaft gut zur Detektion von Röntgenstrahlung geeignet und weist besonders gute Absorptionseigenschaften auf.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt des Sinterns und ferner den Schritt des zweiten Pressens der Szintillatorfasern auf. Das zweite Pressen kann ein zweiter Sinterschritt oder ein heißisostatisches Pressen sein. Beim zweiten Pressen kann eine Nachverdichtung der Szintillatorfaser, beispielsweise durch heißisostatisches Pressen, erfolgen. Beim heißisostatischen Pressen kann gleichzeitig heiß gepresst und gesintert werden. Die Szintillatorfaser wird dabei in einen deformierbaren, dichten Behälter eingesetzt. Dieser Behälter kommt in einen beheizbaren Druck-Kessel und das Bauteil kann bei festgelegter Temperatur und einem festgelegten Druck von 100 bis 200 MPa unter Schutzgas verdichtet werden. Der Gasdruck wirkt so von allen Seiten auf die Szintillatorfaser, so dass das Bauteil isotrope Eigenschaften erhält. Vorteilhaft kann eine besonders hohe Dichte der Szintillatorfaser erreicht werden. Vorteilhaft kann die Szintillatorfaser isotrope Eigenschaften aufweisen. Der Schritt des Pressens unterscheidet sich von etwaigen Schritten des ersten Pressens und des zweiten Pressens dadurch, dass im Schritt des Pressens der Grünkörper oder die Szintillatorfaser hergestellt, gebildet und/oder geformt wird. In den etwaigen Schritten des ersten Pressens oder des zweiten Pressens wird die bereits hergestellte Szintillatorfaser verdichtet.
-
Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Lösungsmittel mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus aprotisch-polarem Lösungsmittel und N-Methylpyrrolidon, auf. Das Lösungsmittel kann ein aprotisch-polares Lösungsmittel, beispielsweise das aprotische, stark polare organische Lösungsmittel N-Methylpyrrolidon, aufweisen. Das Bindemittel weist mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus amorphem Hochleistungsthermoplast und Polysulfon, auf. Das Bindemittel Polysulfon ist löslich in aprotisch-polaren Lösungsmitteln, z.B. Chloroform, Dichlormethan, N-Methyl-2-pyrrolidon und Dimethylacetamid. Das Szintillatormaterial weist mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus keramischen Szintillatormaterial, GGAG und GOS, auf. Die Lösung aus Bindemittel und Lösungsmittel kann Polysulfon und N-Methylpyrrolidon aufweisen, wobei zwischen 1 und 30 Prozent, beispielsweise Gewichtsprozent oder Volumenprozent, Polysulfon in N-Methylpyrrolidon gelöst werden können. Das Fällbad weist mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus protischem Lösungsmittel, Wasser, Ethanol und Isopropanol, auf. Das Fällbad kann Wasser oder Wasser/Ethanol-Mischungen aufweisen. Bei Polysulfon als Bindemittel kann das Fällbad Ethanol, Isopropanol, Wasser oder deren Mischungen aufweisen. Das wasserlösliche N-Methylpyrrolidon kann aus der Suspension in das Fällbad diffundieren, der Kunststoff oder das Bindemittel kann als Feststoff ausfallen und das Szintillatormaterial kann gebunden werden. Vorteilhaft kann das Szintillatormaterial im Bindemittel gebunden werden. Vorteilhaft können durch Pressen der Suspension in das Fällbad Szintillatorfasern ausgebildet oder geformt werden.
-
Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Lösungsmittel mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus protischem Lösungsmittel, Ethanol und Isopropanol, auf. Das Bindemittel weist mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus Polyvinylacetale und Polyvinylbutyral, auf. Polyvinylbutyrale mit niedrigem Acetalisierungsgrad sind wasserlöslich, hoch acetalisierte Harze lösen sich in Alkoholen. Das Szintillatormaterial weist mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus keramischen Szintillatormaterial, GGAG und GOS, auf. Das Fällbad weist mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus protischem Lösungsmittel und Wasser, auf. Das Fällbad kann Wasser aufweisen. Bei Polyvinylbutyral als Bindemittel kann das Lösungsmittel Ethanol oder Isopropanol aufweisen. Das Fällbad für eine Suspension Polyvinylbutyral kann Wasser aufweisen. Vorteilhaft kann das Szintillatormaterial im Bindemittel gebunden werden. Vorteilhaft können durch Pressen der Suspension in das Fällbad Szintillatorfasern ausgebildet oder geformt werden.
-
Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zweite Pressen bei einem Gasdruck von 1 bis 2000 bar durchgeführt. Vorteilhaft kann die Szintillatorfaser verdichtet werden.
-
Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Szintillatorfaser im Schritt des Verfestigens bei einer Temperatur zwischen 20°C und 130°C getrocknet. Vorteilhaft kann das Lösungsmittel und das Fällbad zumindest teilweise aus der Szintillatorfaser oder von deren Oberfläche entfernt werden.
-
Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Entbindern an Luft bei einer Temperatur zwischen 500°C und 1000°C durchgeführt. Vorteilhaft kann das Bindemittel zumindest teilweise aus der Szintillatorfaser entfernt werden.
-
Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Sintern bei einer Temperatur von 1600°C bis 1800°C durchgeführt. Vorteilhaft können das Bindemittel und das Lösungsmittel im Schritt des Sinterns vollständig ausbrennen bzw. entfernt werden.
-
Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der Durchmesser der Szintillatorfaser 40 bis 100µm. Der Durchmesser oder die Dicke der Szintillatorfasern kann in Abhängigkeit eines akzeptablen optischen Übersprechens zu einer benachbarten Szintillatorfaser in einer Szintillatoreinheit gewählt werden. Insbesondere Durchmesser der gesinterten Szintillatorfasern kann 40 bis 100µm betragen. Der Düsendurchmesser zum Pressen der Suspension in das Fällbad kann dementsprechend größer als der Durchmesser der gesinterten Szintillatorfasern sein, beispielsweise kann der Düsendurchmesser 75 bis 150 µm betragen. Durch das Sintern der Szintillatorfaser kann ein Volumenschrumpf von 40 bis 55 Prozent gegenüber dem Durchmesser der Szintillatorfasern, welcher durch die Düse im Schritt des Pressens in das Fällbad der Szintillatorfaser aufgeprägt wird, bedingt sein. Vorteilhaft kann ein Durchmesser der gesinterten Szintillatorfasern erreicht werden, welcher eine Strukturierung der Szintillatoreinheit aus Szintillatorfasern ermöglicht, wobei eine oder mehrere Szintillatorfasern einem Teilbereich der Auswerteeinheit bzw. der Szintillatoreinheit zugeordnet werden können. Die Länge der Szintillatorfasern kann beliebig gewählt werden, da eine endlose Szintillatorfaser mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sein kann.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Szintillatoreinheit aufweisend die Schritte des Bündelns einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen, insbesondere gesinterten, Szintillatorfasern, und des Füllens der Zwischenräume zwischen der Mehrzahl von Szintillatorfasern mit einem Klebstoff. Im Schritt des Bündelns werden mehrere erfindungsgemäße Szintillatorfasern zuerst parallel in eine Form gelegt. Durch Einrütteln können die Szintillatorfasern einsortiert werden oder gleichmäßig in der Form verteilt werden, sodass ein Faserbündel entsteht. Anschließend kann von außen Druck auf das Faserbündel ausgeübt werden, um den Verbund möglichst dicht zu packen. Die Zwischenräume zwischen den Szintillatorfasern werden im Schritt des Füllens mit einem Klebstoff, welcher beispielsweise eine Epoxidverbindung aufweist, aufgefüllt. Es liegt eine Szintillatoreinheit aus mehreren Szintillatorfasern vor, wobei die Anordnung der Szintillatorfasern zueinander durch den Klebstoff fixiert wird. Die Szintillatorfasern können unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Vorteilhaft kann eine hohe Packungsdichte des Faserbündels erreicht werden, wobei die Zwischenräume zwischen Szintillatorfasern mit größerem Durchmesser durch Szintillatorfasern mit kleinerem Durchmesser gefüllt werden können.
-
Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Klebstoff eine Epoxidverbindung auf. Vorteilhaft kann das Epoxid beständig gegenüber Röntgenstrahlung sein. Der Klebstoff kann ein Reflektormaterial aufweisen. Vorteilhaft kann das Reflektormaterial das Übersprechen von Lichtquanten der Lichtmenge von einer Szintillatorfaser zu einer benachbarten Szintillatorfaser vermindern oder verhindern. Der Klebstoff kann einen Füllstoff enthalten, welcher Röntgenstrahlung in ähnlichem Maß oder ähnlicher Größenordnung absorbieren kann wie die Szintillatorfasern. Vorteilhaft kann der Einfall von Röntgenstrahlung auf die Auswerteeinheit reduziert werden.
-
Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Verfahren ferner mindestens einen der Schritte des Sägens zur Einstellung der Schichtdicke der Szintillatoreinheit und des Aufbringens einer Reflektorschicht auf. Im Schritt des Sägens können die Szintillatorfasern bzw. der Verbund aufweisend eine Mehrzahl von Szintillatorfasern insbesondere senkrecht zur Richtung der Länge der Szintillatorfasern oder mit einem vorbestimmten Winkel der Sägekante zu der Richtung der Länge der Szintillatorfasern gesägt werden. Im Schritt des Sägens kann die Schichtdicke der Szintillatoreinheit eingestellt werden. Bevorzugt kann eine Schichtdicke von 20μm bis 1000μm eingestellt oder ausgebildet werden. Vorteilhaft kann die zur möglichst vollständigen Absorption der einfallenden Röntgenstrahlung nötige Schichtdicke ausgebildet werden. Ein optischer Reflektor oder eine Reflektorschicht kann an der der Röntgenstrahlung zugewandten Fläche ausgebildet sein. Vorteilhaft kann das Eintreten einer Lichtmenge von außen in die Szintillatorfaser vermieden oder reduziert werden. Die Szintillatoreinheit kann zwei gesägte Flächen aufweisen, sodass die Szintillatoreinheit zwei ebene Flächen aufweist. Die ebenen Flächen können der Strahlungsquelle bzw. der Auswerteeinheit zugewandt sein. Vorteilhaft kann die Szintillatoreinheit flächig mit der Auswerteeinheit verbunden werden.
-
Die Erfindung betrifft ferner eine Szintillatoreinheit hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. die Vorteile der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Szintillatoreinheit kann auf die erfindungsgemäße Szintillatoreinheit übertragen werden. Vorteilhaft kann eine kostengünstige und einfache Strukturierung der Szintillatoreinheit erreicht werden.
-
Die Erfindung betrifft ferner einen Röntgendetektor aufweisend eine erfindungsgemäße Szintillatoreinheit und ferner aufweisend eine Auswerteeinheit. Jeder Teilbereich oder Pixel der Szintillatoreinheit kann mehrere Szintillatorfasern umfassen. Mehrere Szintillatorfasern können einem Teilbereich der Auswerteeinheit zugeordnet sein. Vorteilhaft kann die in der Szintillatorfaser ausgelöste Lichtmenge in der einem Teilbereich der Auswerteeinheit registriert oder ausgewertet werden.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein medizinisches Gerät aufweisend einen erfindungsgemäßen Röntgendetektor. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Röntgendetektors können vorteilhaft auf das medizinische Gerät übertragen werden. Vorteilhaft können die Herstellungskosten des medizinischen Geräts gesenkt werden.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
-
1 schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Szintillatorfaser in einer ersten Ausführungsform;
-
2 schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Szintillatorfaser in einer zweiten Ausführungsform;
-
3 schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Szintillatoreinheit;
-
4 schematisch eine erfindungsgemäße Szintillatoreinheit in einer Draufsicht;
-
5 schematisch eine erfindungsgemäße Szintillatoreinheit in einer Seitenansicht;
-
6 schematisch einen erfindungsgemäßen Röntgendetektor; und
-
7 schematisch eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Computertomographen.
-
Die 1 zeigt eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 10 zur Herstellung einer Szintillatorfaser in einer ersten Ausführungsform. Das Verfahren 10 weist die Schritte des Bereitstellens 12 einer Suspension aus einem in einem Lösemittel gelösten Bindemittel und einem Szintillatormaterial, und des Pressens 14 der Suspension in ein Fällbad, in welchem das Bindemittel unlöslich ist, auf. Es entsteht dabei eine Szintillatorfaser als Grünkörper. Der Schritt des Bereitstellens 12 kann die Herstellung der Lösung oder der Suspension aufweisen. Eine Lösung wird aus einem Bindemittel und einem Lösungsmittel hergestellt. Der Lösung wird das Szintillatormaterial zugefügt. Das Szintillatormaterial liegt als pulverförmiger Leuchtstoff oder als pulverförmiges Szintillatormaterial vor. Mittels Rühren, Einwirkung von Ultraschall oder einen Zentrifugalmischer wird das Szintillatormaterial homogen und blasenfrei unter die Lösung gemischt werden, sodass eine Suspension entsteht. Die bereitgestellte Suspension wird dann durch eine Düse mit einem festgelegten Querschnitt und einem festgelegten Durchmesser im Schritt des Pressens 14 in ein Fällbad gepresst. Das Lösungsmittel diffundiert aus der Suspension in das Fällbad. Im Fällbad wird das Lösungsmittel aus der Suspension bevorzugt zu mindestens 90 Prozent entfernt werden. Das Bindemittel oder der Kunststoff fällt als Feststoff aus und bindet das Szintillatormaterial. Das Szintillatormaterial ist vom Kunststoff oder vom Bindemittel umgeben. Das Szintillatormaterial ist gleichmäßig im Bindemittel verteilt. Bei dem Verfahrensschritt Pressen 14 sowie etwaigen weiteren darauffolgenden Verfahrensschritten wirkt sich eine gerade Ausrichtung der Szintillatorfasern auf eine besonders gute Qualität der Szintillatorfasern oder der Szintillatoreinheit mit gerade ausgerichteten Szintillatorfasern aus.
-
Das Lösungsmittel weist mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus aprotisch-polarem Lösungsmittel und N-Methylpyrrolidon, auf. Das Lösungsmittel weist ein aprotisch-polares Lösungsmittel, beispielsweise das aprotische, stark polare organische Lösungsmittel N-Methylpyrrolidon, auf. Das Bindemittel weist mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus amorphem Hochleistungsthermoplast und Polysulfon, auf. Das Bindemittel Polysulfon ist löslich in aprotischpolaren Lösungsmitteln, z.B. Chloroform, Dichlormethan, N-Methyl-2-pyrrolidon und Dimethylacetamid. Das Szintillatormaterial weist mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus keramischen Szintillatormaterial, GGAG und GOS, auf. Die Lösung aus Bindemittel und Lösungsmittel weist bevorzugt Polysulfon und N-Methylpyrrolidon auf, wobei zwischen 1 und 30 Prozent, beispielsweise Gewichtsprozent oder Volumenprozent, Polysulfon in N-Methylpyrrolidon gelöst werden können. Das Fällbad weist mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus protischem Lösungsmittel, Wasser, Ethanol und Isopropanol, auf. Das Fällbad weist bevorzugt Wasser oder Wasser/Ethanol-Mischungen auf. Bei Polysulfon als Bindemittel weist das Fällbad bevorzugt Ethanol, Isopropanol, Wasser oder deren Mischungen auf. Das wasserlösliche N-Methylpyrrolidon diffundiert aus der Suspension in das Fällbad, der Kunststoff oder das Bindemittel fällt als Feststoff aus und das Szintillatormaterial wird gebunden.
-
Der Durchmesser der Szintillatorfaser beträgt 40 bis 100µm. Der Durchmesser oder die Dicke der Szintillatorfasern kann in Abhängigkeit eines akzeptablen optischen Übersprechens zu einer benachbarten Szintillatorfaser in einer Szintillatoreinheit gewählt werden. Insbesondere der Durchmesser der gesinterten Szintillatorfasern beträgt 40 bis 100µm. Der Düsendurchmesser zum Pressen der Suspension in das Fällbad kann dementsprechend größer als der Durchmesser der gesinterten Szintillatorfasern sein, beispielsweise beträgt der Düsendurchmesser 75 bis 150 µm. Durch das Sintern 20 der Szintillatorfaser kann ein Volumenschrumpf von 40 bis 55 Prozent gegenüber dem Durchmesser der Szintillatorfasern, welcher durch die Düse im Schritt des Pressens 14 in das Fällbad der Szintillatorfaser aufgeprägt wird, bedingt sein. Die Länge der Szintillatorfasern ist beliebig wählbar.
-
In einer alternativen Ausführungsform können ein anderes Lösungsmittel, ein anderes Bindemittel und ein anderes Fällbad verwendet werden. Das Lösungsmittel weist mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus protischem Lösungsmittel, Ethanol und Isopropanol, auf. Das Bindemittel weist mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus Polyvinylacetale und Polyvinylbutyral, auf. Polyvinylbutyrale mit niedrigem Acetalisierungsgrad sind wasserlöslich, hoch acetalisierte Harze lösen sich in Alkoholen. Das Szintillatormaterial weist mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus keramischen Szintillatormaterial, GGAG und GOS, auf. Das Fällbad weist mindestens ein Element der Gruppe, bestehend aus protischem Lösungsmittel und Wasser, auf. Das Fällbad weist bevorzugt Wasser auf. Bei Polyvinylbutyral als Bindemittel weist das Lösungsmittel bevorzugt Ethanol oder Isopropanol auf. Das Fällbad für eine Suspension Polyvinylbutyral weist bevorzugt Wasser auf.
-
Die 2 zeigt eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 10 zur Herstellung einer Szintillatorfaser in einer zweiten Ausführungsform. Das Verfahren 10 weist ferner den Schritt des Verfestigens 16 der Szintillatorfaser auf. Der Schritt des Verfestigens 16 bezeichnet bevorzugt einen Schritt des Trocknens. Die Szintillatorfaser wird im Schritt des Verfestigens 16 bei einer Temperatur zwischen 20°C und 130°C getrocknet. Im Schritt des Verfestigens 16 können flüssige Komponenten, wie Lösungsmittel und Fällbad, vom Grünkörper oder der Szintillatorfaser entfernt werden. Restliches, im Grünkörper enthaltenes Lösungsmittel kann im Schritt des Verfestigens 16 oder Trocknens aus dem Grünkörper entfernt werden. Der Schritt des Verfestigens 16 findet im Anschluss an das Pressen 14 statt. Das Verfahren 10 weist ferner die Schritte des Entbinderns 18 der Szintillatorfaser, des ersten Pressens 19 der Szintillatorfaser, und des Sinterns 20 der Szintillatorfaser auf.
-
Der Schritt des Entbinderns 18 findet im Anschluss an den Schritt des Verfestigens 16 statt. Im Schritt des Entbinderns 18 wird das Bindemittel zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, aus der Szintillatorfaser entfernt. Das Entbindern 18 wird an Luft bei einer Temperatur zwischen 500°C und 1000°C durchgeführt. Das Polysulfon wird im Schritt des Entbinderns 18 thermisch zersetzt und dabei zu Wasser, Kohlendioxid und Schwefeldioxid oxidiert. Nach dem Schritt der Entbinderns 18 liegt die Szintillatorfaser als ein poröser Grünkörper vor.
-
Der Schritt des ersten Pressens 19 findet im Anschluss an den Schritt des Entbinderns 18 statt. Im Schritt des ersten Pressens 19 wird die Szintillatorfaser verdichtet. Das erste Pressen 19 kann ein kaltisostatisches Pressen sein. Beim kaltisostatischen Pressen kann allseitig wirkender Druck zum Verdichten auf die Szintillatorfaser einwirken, wobei das kaltisostatische Pressen in flexiblen, verschlossenen Formen bei Raumtemperatur in einen mit Wasser gefüllten Druckbehälter durchgeführt wird. Insbesondere werden Poren in der Szintillatorfaser mittel des ersten Pressens verdichtet.
-
Der Schritt des Sinterns 20 findet im Anschluss an den Schritt des ersten Pressens 19 statt. Das Sintern 20 kann ein druckloses Sintern sein, wobei der Luftdruck der Umgebung herrschen kann. Das Sintern 20 findet bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts des Szintillatormaterials statt. Das Sintern 20 wird bei einer Temperatur von 1600°C bis 1800°C durchgeführt. Bei Gadoliniumgalliumaluminiumgranat (GGAG), welches mit Cer dotiert sein kann, kann das Sintern 20 beispielsweise bei 1600 bis 1800°C stattfinden. Um eine theoretische oder optimale Dichte der Szintillatorfaser zu erreichen, sollte beim drucklosen Sintern mindestens eine Dichte von 95% der theoretischen oder möglichen Dichte erreicht werden. Die gesinterte Szintillatorfaser ist frei von Bindemittel und Lösemittel. Das Bindemittel und das Lösungsmittel brennen im Schritt des Sinterns 20 vollständig aus. Die gesinterte Szintillatorfaser enthält nur Szintillatormaterial und eventuell Spuren von Bindemittel, Lösungsmittel oder Fällbad.
-
Im Anschluss an den Schritt des Sinterns 20 findet der Schritt des zweiten Pressens 22 statt. Das zweite Pressen 22 kann ein zweiter Sinterschritt oder ein heißisostatisches Pressen sein. Beim zweiten Pressen 22 kann eine Nachverdichtung der Szintillatorfaser, beispielsweise durch heißisostatisches Pressen, erfolgen. Beim heißisostatischen Pressen kann gleichzeitig heiß gepresst und gesintert werden. Die Szintillatorfaser wird dabei in einen deformierbaren, dichten Behälter eingesetzt. Dieser Behälter kommt in einen beheizbaren Druck-Kessel und das Bauteil kann bei festgelegter Temperatur und einem festgelegten Druck von 100 bis 200 MPa unter Schutzgas verdichtet werden. Der Gasdruck wirkt so von allen Seiten auf die Szintillatorfaser, so dass das Bauteil isotrope Eigenschaften erhält. Das zweite Pressen 22 wird bei einem Gasdruck von 1 bis 2000 bar durchgeführt.
-
Die 3 zeigt eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Szintillatoreinheit. Das Verfahren 100 zur Herstellung einer Szintillatoreinheit aufweisend die Schritte des Bündelns 102 einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen, insbesondere gesinterten, Szintillatorfasern, und des Füllens 104 der Zwischenräume zwischen der Mehrzahl von Szintillatorfasern mit einem Klebstoff 2. Im Schritt des Bündelns 102 werden mehrere erfindungsgemäße Szintillatorfasern zuerst parallel in eine Form gelegt. Durch Einrütteln können die Szintillatorfasern einsortiert werden oder gleichmäßig in der Form verteilt werden, sodass ein Faserbündel von Szintillatorfasern entsteht. Anschließend kann von außen Druck auf das Faserbündel ausgeübt werden, um den Verbund möglichst dicht zu packen. Die Zwischenräume zwischen den Szintillatorfasern werden im Schritt des Füllens 104 mit einem Klebstoff aufgefüllt. Der Klebstoff ist bevorzugt ein Epoxid. Der Klebstoff kann ein Reflektormaterial aufweisen. Der Klebstoff kann einen Füllstoff enthalten, welcher Röntgenstrahlung in ähnlichem Maß oder ähnlicher Größenordnung absorbieren kann wie die Szintillatorfasern. Es liegt eine Szintillatoreinheit aus mehreren Szintillatorfasern vor, wobei die Anordnung der Szintillatorfasern zueinander durch den Klebstoff fixiert wird. Die Szintillatorfasern können unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
-
Das Verfahren 100 weist ferner die Schritte des Sägens 106 zur Einstellung der Schichtdicke der Szintillatoreinheit und des Aufbringens 108 einer Reflektorschicht 4 auf. Der Schritt des Sägens 106 findet im Anschluss an den Schritt des Füllens 104 statt. Im Schritt des Sägens 106 können die Szintillatorfasern bzw. der Verbund aufweisend eine Mehrzahl von Szintillatorfasern insbesondere senkrecht zur Richtung der Länge der Szintillatorfasern oder mit einem vorbestimmten Winkel der Sägekante zu der Richtung der Länge der Szintillatorfasern gesägt werden. Im Schritt des Sägens 106 kann die Schichtdicke der Szintillatoreinheit eingestellt werden. Die Schichtdicke bezeichnet dabei die Dicke, entlang der die Röntgenstrahlung zumindest teilweise absorbiert wird. Die Schichtdicke beträgt zwischen 20μm und 1000μm. Ein optischer Reflektor oder eine Reflektorschicht ist an der der Röntgenstrahlung zugewandten Fläche der Szintillatoreinheit ausgebildet.
-
Die 4 zeigt eine beispielhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Szintillatoreinheit 3 in einer Draufsicht. Die Szintillatorfasern 1 sind von einem Klebstoff 2 umgeben. Die Szintillatoreinheit 3 weist zwei gesägte Flächen auf, sodass die Szintillatoreinheit 3 zwei ebene Flächen aufweist. Die ebenen Flächen können der Strahlungsquelle des medizinischen Geräts bzw. der Auswerteeinheit des Röntgendetektors zugewandt sein. Die Szintillatoreinheit 3 ist flächig mit der Auswerteeinheit verbunden.
-
Die 5 zeigt eine beispielhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Szintillatoreinheit 3 in einer Seitenansicht.
-
Die Szintillatoreinheit 3 weist auf der Eintrittsseite für Röntgenstrahlung oder von der Strahlungsquelle ausgesandten Röntgenstrahlen eine Reflektorschicht 4 auf. Die Szintillatorfasern 1 sind entlang ihrer Länge parallel zueinander ausgerichtet.
-
Die 6 zeigt eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Röntgendetektors 5. Der Röntgendetektor 5 weist eine Szintillatoreinheit 3 und eine Auswerteeinheit 7 auf, welche flächig miteinander verbunden sind. Jeder Teilbereich oder Pixel der Szintillatoreinheit kann mehrere Szintillatorfasern umfassen. Mehrere Szintillatorfasern können einem Teilbereich der Auswerteeinheit 7 zugeordnet sein.
-
Die 7 zeigt eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Computertomographen 31. Die Detektorvorrichtung 29 weist bevorzugt eine Mehrzahl an Röntgendetektoren 5 in einer zweidimensionale Matrix oder Anordnung auf. Der Computertomograph 31 beinhaltet eine Gantry 33 mit einem Rotor 35. Der Rotor 35 umfasst eine Strahlungsquelle 37 und die erfindungsgemäße Detektorvorrichtung 29. Der Patient 39 ist auf der Patientenliege 41 gelagert und ist entlang der zweiten Achse 43, der Rotationsachse z, durch die Gantry 33 bewegbar. Zur Steuerung und Berechnung der Schnittbilder wird eine Recheneinheit 45 verwendet. Eine Eingabeeinrichtung 47 und eine Ausgabevorrichtung 49 sind mit der Recheneinheit 45 verbunden.
-
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
-
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
-
