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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Mehrschicht-Röntgendetektor.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Mehrschicht-Röntgendetektoren weisen eine (Rück-)Streuung von Röntgenstrahlen zwischen den Detektionsschichten auf, was die Detektorleistung verschlechtert. In der Dual-Energy-Röntgenbildgebung, die auf der einmaligen Belichtung eines Zweischichtdetektors basiert, kann die Anzahl der von der oberen Szintillatorschicht in die untere Szintillatorschicht gestreuten Röntgenstrahlen so groß sein, dass das vom unteren Sensor erfasste Röntgenbild von Streuung anstelle des Primärsignals dominiert wird. Dadurch verringert sich die spektrale Differenzierungsfähigkeit des Detektors.
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In
US 2007/0114426 A 1 wird ein Röntgendetektorsystem mit verbesserter räumlicher Auflösung für ein Computertomographiesystem bereitgestellt. Das Detektorsystem kann Paare von ersten und zweiten Detektorarrays einschließen, wobei jedes Array Detektorelemente unterschiedlicher Bauart enthält. In einer Ausführungsform kann das erste Array eine erste, relativ dünne und kontinuierliche (d. h. monolithische) Szintillationsschicht mit einem Array einzelner Dioden umfassen, die so positioniert sind, dass sie das in der Szintillationsschicht erzeugte Licht empfangen. Das zweite Array kann eine zweite, relativ dicke Szintillationsschicht umfassen, die aus separaten Szintillatorelementen gebildet ist.
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US 2019/0374182 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen virtueller Ausgaben für eine Multi-Energie-Röntgenvorrichtung. Basierend auf der Anwendung, für die die Röntgenvorrichtung verwendet wird, kann ein allgemeiner Algorithmus bestimmt oder ausgewählt werden. Von der Röntgenvorrichtung empfangene Eingaben können in den allgemeinen Algorithmus eingesetzt werden, um einen virtuellen Ausgabealgorithmus für die Röntgenvorrichtung zu erzeugen. Anhand des virtuellen Ausgabealgorithmus können dann virtuelle Ausgaben berechnet werden.
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In
US 2012/0097858 A1 wird ein mehrschichtiger digitaler Megavolt-Imager offenbart. In einer Ausführungsform werden die Umwandlung von Strahlung in Teilchen und die Umwandlung von Teilchen in Elektrizität als eine modulare Entität kombiniert. Die Entität wird als geschichtete Einheit übereinander repliziert, um einen Imager mit höherer Auflösung und Effizienz zu bauen. Aufgrund dieser paarweisen Replikation können Teilbilder aus jedem replizierten Paar selektiv kombiniert und verarbeitet werden, um die Qualität des Bildes zu verbessern.
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WO 2017/007326 A1 beschreibt einen Dualmodus-Strahlungsdetektor, der eine Röntgendetektorschicht, um einfallende Röntgenstrahlung in elektrische Röntgendaten umzuwandeln, wobei der Röntgendetektor eine Einfallsfläche des Dualmodus-Strahlungsdetektors bildet, einen Kollimator, der unter der Röntgendetektorschicht angeordnet ist, und eine Gammaphotonendetektorschicht, die unter dem Kollimator angeordnet ist, um einfallende Gammaphotonen in elektrische Gammaphotonendaten umzuwandeln, umfasst.
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Neben einer guten spektralen Differenzierung ist es wichtig, ein ausreichend hohes primäres Transmissionssignal an die Pixel mehrschichtiger Röntgendetektoren zu erhalten. Ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis könnte durch Erhöhen der Röntgendosis wieder erhöht werden, was jedoch in der derzeitigen Praxis der medizinischen Röntgenbildgebung nicht akzeptabel ist. Es besteht die Notwendigkeit, dieses Problem zu lösen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es wäre vorteilhaft, einen verbesserten mehrschichtigen Röntgendetektor zu haben. Die Erfindung wird durch den unabhängigen Anspruch definiert, wobei weitere Ausführungsformen durch die abhängigen Ansprüche definiert sind.
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In einem ersten Gesichtspunkt wird ein Mehrschicht-Röntgendetektor bereitgestellt, umfassend:
- - einen ersten Röntgenwandler;
- - einen ersten Sensor;
- - einen zweiten Röntgenwandler;
- - einen zweiten Sensor; und
- - eine interne Anti-Streuvorrichtung.
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Der erste Röntgenwandler befindet sich an einer ersten Röntgenumwandlungsschicht. Der erste Sensor befindet sich an einer ersten Sensorschicht. Der zweite Röntgenwandler befindet sich an einer zweiten Röntgenumwandlungsschicht. Der zweite Sensor befindet sich an einer zweiten Sensorschicht. Der erste Röntgenwandler und der erste Sensor bilden ein erstes Detektorpaar, und der erste Sensor ist so konfiguriert, dass er die vom ersten Röntgenwandler emittierte Strahlung erfasst, die bei der Umwandlung von Röntgenstrahlung im ersten Röntgenwandler erzeugt wird. Der zweite Röntgenwandler und der zweite Sensor bilden ein zweites Detektorpaar, und der zweite Sensor ist so konfiguriert, dass er die vom zweiten Röntgenwandler emittierte Strahlung erfasst, die bei der Umwandlung von Röntgenstrahlung im zweiten Röntgenwandler erzeugt wird. Die interne Anti-Streuvorrichtung umfasst eine Vielzahl von röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden. Die interne Anti-Streuvorrichtung befindet sich zwischen dem ersten Detektorpaar und dem zweiten Detektorpaar. In keiner der beiden Schichten des ersten Detektorpaars befindet sich eine Struktur der internen Anti-Streuvorrichtung, und in keiner der beiden Schichten des zweiten Detektorpaars befindet sich eine Struktur der Anti-Streuvorrichtung. Die Vielzahl von Septenwänden umfasst eine Vielzahl von ersten Septenwänden, die im Wesentlichen parallel zueinander sind - somit sind sie im Wesentlichen alle parallel zueinander. Ein Abstand zwischen den ersten Septenwänden in einer ersten Richtung entspricht einem ganzzahligen Vielfachen n des Detektorpixelabstands des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors in der ersten Richtung, wobei n = 2, 3, 4, ... N ist.
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Auf diese Weise können Vorwärtsstreuung und Rückstreuung innerhalb eines Detektors zwischen den Erfassungsschichten abgeschwächt werden, die ansonsten die Detektorleistung verschlechtern würden. Somit kann die spektrale Differenzierung in Dual-Energie-Detektoren durch die Integration einer Anti-Streuvorrichtung oder eines Streustrahlenrasters innerhalb der Detektorstruktur verbessert werden, die keine Struktur in einer Ebene von Erfassungsschichten der Vorrichtung aufweist. Ferner kann der Füllfaktor der Röntgenumwandlung bei 100 % gehalten werden. Mit der vorliegenden Erfindung kann die Rückstreuung mithilfe des Rasters abgeschwächt werden, während gleichzeitig die negative Auswirkung der Rasterwände auf die primäre Transmission verringert werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft für medizinische Röntgenanwendungen, die eine hohe Auflösung/kleine Pixel und eine begrenzte Röntgendosis für den Patienten erfordern.
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In einem Beispiel sind die ersten Septenwände mit Verbindungsstellen zwischen benachbarten Pixeln des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors in der ersten Richtung ausgerichtet. Das Ausrichten der Septenwände mit den Verbindungsstellen oder Lücken zwischen benachbarten Pixeln ist vorteilhaft, um die negative Auswirkung der Septenwände auf die primäre Transmission weiter zu begrenzen.
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In einem Beispiel grenzt die erste Sensorschicht an die erste Röntgenumwandlungsschicht an; und wobei die zweite Sensorschicht an die zweite Röntgenumwandlungsschicht angrenzt.
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In einem Beispiel grenzt die erste Sensorschicht an die interne Anti-Streuvorrichtung an.
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In einem Beispiel grenzt die erste Röntgenumwandlungsschicht an die interne Anti-Streuvorrichtung an.
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In einem Beispiel grenzt die zweite Sensorschicht an die interne Anti-Streuvorrichtung an.
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In einem Beispiel grenzt die zweite Röntgenumwandlungsschicht an die interne Anti-Streuvorrichtung an.
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In einem Beispiel umfasst die Vielzahl von Septenwänden eine Vielzahl von zweiten Septenwänden, die im Wesentlichen parallel zueinander sind. Ein Abstand zwischen den zweiten Septenwänden in einer zweiten Richtung entspricht einem ganzzahligen Vielfachen n des Detektorpixelabstands des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors in der zweiten Richtung, wobei n = 1, 2, 3, 4, ... N, und wobei die zweite Richtung in einem Winkel zur ersten Richtung ist. Ein solcher Mehrschicht-Detektor, der eine interne zweidimensionale Anti-Streuvorrichtung umfasst, kann insbesondere für Anwendungen wie die Computertomographie nützlich sein.
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In einem Beispiel sind die zweiten Septenwände mit Verbindungsstellen zwischen benachbarten Pixeln des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors in der ersten Richtung ausgerichtet.
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In einem Beispiel ist der Detektorpixelabstand des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors in der ersten Richtung kleiner als oder gleich 200 µm. Wie oben erwähnt, kann die Erfindung besonders vorteilhaft sein, um die negative Auswirkung der Septenwänden auf die primäre Transmission bei kleinen Pixelgrößen zu begrenzen, insbesondere wenn die Dosis begrenzt ist.
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In einem Beispiel beträgt der Detektorpixelabstand des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors in der ersten Richtung 175 µm, 150 µm, 125 µm, 100 µm, 75 µm, 50 µm, 25 µm, 10 µm oder 5 µm.
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In einem Beispiel ist der Detektorpixelabstand des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors in der zweiten Richtung kleiner als oder gleich 200 µm.
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In einem Beispiel beträgt der Detektorpixelabstand des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors in der zweiten Richtung 175 µm, 150 µm, 125 µm, 100 µm, 75 µm, 50 µm, 25 µm, 10 µm oder 5 µm.
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In einem Beispiel ist der Detektor so konfiguriert, dass die interne Anti-Streuvorrichtung zwischen dem ersten Detektorpaar und dem zweiten Detektorpaar entfernt werden kann.
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Auf diese Weise kann der Detektor an die Dicke des Patienten oder eines Teils des Patienten angepasst werden. Somit kann bei dünnen Patienten, wie Kindern, und bei dünnen Körperteilen, bei denen die Röntgenstrahlen wenig gestreut werden, die Anti-Streuvorrichtung entfernt werden, um die Bildqualität zu verbessern. Bei dickeren Patienten, bei denen Röntgenstrahlen gestreut werden, kann die Anti-Streuvorrichtung (ASD) jedoch innerhalb des Detektors platziert werden, um die Streuung innerhalb des Detektors zu reduzieren, die andernfalls die Leistung des Detektors verschlechtern würde.
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In einem Beispiel umfasst die Vielzahl von röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden mindestens ein Hoch-Z-Material. Materialien mit hoher Ordnungszahl, so genannte Hoch-Z-Materialien, können die Streuungseffekte in einem Mehrschicht-Detektor mit integrierter Anti-Streuvorrichtung besonders effizient reduzieren.
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Der vorstehende Gesichtspunkt und Beispiele werden aus den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich und unter Bezugnahme darauf erläutert.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die folgende Zeichnung beschrieben:
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Mehrschicht-Röntgendetektors;
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels einer externen Anti-Streuvorrichtung, in Form eines Streustrahlenrasters, das zwischen dem Objekt und dem Röntgendetektor positioniert ist;
- 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Anti-Streuvorrichtung in Form eines 1D-Streustrahlenrasters;
- 4 zeigt eine schematische Darstellung von Beispielen von Anti-Streuvorrichtungen in Form von 2D-Streustrahlenrastern;
- 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Mehrschicht-Röntgendetektors mit einer internen Anti-Streuvorrichtung;
- 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Mehrschicht-Röntgendetektors mit einer internen Anti-Streuvorrichtung;
- 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Mehrschicht-Röntgendetektors mit einer internen Anti-Streuvorrichtung;
- 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Mehrschicht-Röntgendetektors mit einer internen Anti-Streuvorrichtung;
- 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Mehrschicht-Röntgendetektors mit einer internen Anti-Streuvorrichtung; und
- 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Mehrschicht-Röntgendetektors mit einer internen Anti-Streuvorrichtung und einer externen Anti-Streuvorrichtung in Form eines Streustrahlenrasters.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt ein Beispiel eines Mehrschicht-Röntgendetektors 10. Der Detektor 10 umfasst einen ersten Röntgenwandler 20, einen ersten Sensor 30, einen zweiten Röntgenwandler 40, einen zweiten Sensor 50 und eine interne Anti-Streuvorrichtung 60. Der erste Röntgenwandler befindet sich an einer ersten Röntgenumwandlungsschicht. Der erste Sensor befindet sich an einer ersten Sensorschicht. Der zweite Röntgenwandler befindet sich an einer zweiten Röntgenumwandlungsschicht. Der zweite Sensor befindet sich an einer zweiten Sensorschicht. Der erste Röntgenwandler und der erste Sensor bilden ein erstes Detektorpaar, und der erste Sensor ist so konfiguriert, dass er die vom ersten Röntgenwandler emittierte Strahlung erfasst, die bei der Umwandlung von Röntgenstrahlung im ersten Röntgenwandler erzeugt wird. Der zweite Röntgenwandler und der zweite Sensor bilden ein zweites Detektorpaar, und der zweite Sensor ist so konfiguriert, dass er die vom zweiten Röntgenwandler emittierte Strahlung erfasst, die bei der Umwandlung von Röntgenstrahlung im zweiten Röntgenwandler erzeugt wird. Die interne Anti-Streuvorrichtung umfasst eine Vielzahl von röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden. Die interne Anti-Streuvorrichtung befindet sich zwischen dem ersten Detektorpaar und dem zweiten Detektorpaar. In keiner der beiden Schichten des ersten Detektorpaars befindet sich eine Struktur der internen Anti-Streuvorrichtung und in keiner der beiden Schichten des zweiten Detektorpaars befindet sich eine Struktur der Anti-Streuvorrichtung.
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In einem Beispiel umfasst die Vielzahl von röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden mindestens ein Hoch-Z-Material.
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In einem Beispiel kann die interne Anti-Streuvorrichtung eine 1D-Vorrichtung mit einer Vielzahl von röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden sein, die im Wesentlichen parallel zueinander sind.
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In einem Beispiel kann die interne Anti-Streuvorrichtung eine 2D-Vorrichtung mit einer Vielzahl von ersten röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden, die in einer ersten Richtung im Wesentlichen parallel zueinander sind, und einer Vielzahl von zweiten röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden sein, die in einer zweiten Richtung, die zur ersten Richtung abgewinkelt ist, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die zweite Richtung kann orthogonal zu der ersten Richtung sein, die für quadratische oder rechteckige Pixel geeignet ist, oder sie kann um 60 Grad abgewinkelt sein, was für sechseckige Pixel geeignet ist. Andere Winkel sind möglich.
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Gemäß einem Beispiel grenzt die erste Sensorschicht an die erste Röntgenumwandlungsschicht an; und die zweite Sensorschicht grenzt an die zweite Röntgenumwandlungsschicht an.
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Gemäß einem Beispiel grenzt die erste Sensorschicht an die interne Anti-Streuvorrichtung an.
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Gemäß einem Beispiel grenzt die erste Röntgenumwandlungsschicht an die interne Anti-Streuvorrichtung an.
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Gemäß einem Beispiel grenzt die zweite Sensorschicht an die interne Anti-Streuvorrichtung an.
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Gemäß einem Beispiel grenzt die zweite Röntgenumwandlungsschicht an die interne Anti-Streuvorrichtung an.
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Die Vielzahl von Septenwänden umfasst eine Vielzahl von ersten Septenwänden, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Ein Abstand zwischen den ersten Septenwänden in einer ersten Richtung entspricht einem ganzzahligen Vielfachen n des Detektorabstands des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors in der ersten Richtung, wobei n =, 2, 3, 4, ... N ist.
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Gemäß einem Beispiel sind die ersten Septenwände mit den Verbindungsstellen zwischen benachbarten Pixeln ausgerichtet.
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Gemäß einem Beispiel umfasst die Vielzahl von Septenwänden eine Vielzahl von zweiten Septenwänden, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Ein Abstand zwischen den zweiten Septenwänden in einer zweiten Richtung entspricht einem ganzzahligen Vielfachen n des Detektorabstands des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors in der zweiten Richtung, wobei n = 1, 2, 3, 4, ... N ist, und wobei die zweite Richtung in einem Winkel zur ersten Richtung ist.
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In einem Beispiel ist die zweite Richtung orthogonal zur ersten Richtung.
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Gemäß einem Beispiel sind die zweiten Septenwände mit den Verbindungsstellen zwischen benachbarten Pixeln ausgerichtet.
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Gemäß einem Beispiel ist der Detektorabstand des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors in der ersten Richtung kleiner als oder gleich 200 µm.
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Gemäß einem Beispiel beträgt der Detektorabstand des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors in der ersten Richtung 175 µm, 150 µm, 125 µm, 100 µm, 75 µm, 50 µm, 25 µm, 10 µm oder 5 µm.
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Gemäß einem Beispiel ist der Detektorabstand des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors in der zweiten Richtung kleiner als oder gleich 200 µm.
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Gemäß einem Beispiel beträgt der Detektorabstand des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors in der zweiten Richtung 175 µm, 150 µm, 125 µm, 100 µm, 75 µm, 50 µm, 25 µm, 10 µm oder 5 µm.
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Gemäß einem Beispiel ist der Detektor so konfiguriert, dass die interne Anti-Streuvorrichtung zwischen dem ersten Detektorpaar und dem zweiten Detektorpaar entfernt werden kann.
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In einem Beispiel, das zum Beispiel in 9 gezeigt ist, umfasst der Mehrschicht-Röntgendetektor 10 Folgendes: einen dritten Röntgenwandler 80; einen dritten Sensor 90; und eine weitere interne Anti-Streuvorrichtung 60. Der dritte Röntgenwandler befindet sich an einer dritten Röntgenumwandlungsschicht. Der dritte Sensor befindet sich an einer dritten Sensorschicht. Der dritte Röntgenwandler und der dritte Sensor bilden ein drittes Detektorpaar. Der dritte Sensor ist so konfiguriert, dass er die vom dritten Röntgenwandler emittierte Strahlung erkennt, die bei der Umwandlung von Röntgenstrahlen im dritten Röntgenwandler erzeugt wird. Die weitere interne Anti-Streuvorrichtung umfasst eine Vielzahl von röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden. Die weitere interne Anti-Streuvorrichtung befindet sich zwischen dem zweiten Detektorpaar und dem dritten Detektorpaar. In keiner der beiden Schichten des zweiten Detektorpaars befindet sich eine Struktur der weiteren internen Anti-Streuvorrichtung und in keiner der beiden Schichten des dritten Detektorpaars befindet sich eine Struktur der weiteren internen Anti-Streuvorrichtung.
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In einem Beispiel umfasst die Vielzahl von röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden der weiteren internen Anti-Streuvorrichtung mindestens ein Hoch-Z-Material.
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In einem Beispiel kann die weitere interne Anti-Streuvorrichtung eine 1D-Vorrichtung mit einer Vielzahl von röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden sein, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
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In einem Beispiel kann die weitere interne Anti-Streuvorrichtung eine 2D-Vorrichtung mit einer Vielzahl von ersten röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden, die in einer ersten Richtung im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, und einer Vielzahl von zweiten röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden sein, die in einer zweiten Richtung, die zur ersten Richtung abgewinkelt ist, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die zweite Richtung kann orthogonal zu der ersten Richtung sein, die für quadratische oder rechteckige Pixel geeignet ist, oder sie kann um 60 Grad abgewinkelt sein, was für sechseckige Pixel geeignet ist. Andere Winkel sind möglich.
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In einem Beispiel grenzt die dritte Sensorschicht an die dritte Röntgenumwandlungsschicht an.
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In einem Beispiel grenzt die zweite Sensorschicht an die weitere interne Anti-Streuvorrichtung an.
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In einem Beispiel grenzt die dritte Röntgenumwandlungsschicht an die weitere interne Anti-Streuvorrichtung an.
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In einem Beispiel umfasst die Vielzahl von Septenwänden der weiteren internen Anti-Streuvorrichtung eine Vielzahl von ersten Septenwänden, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Ein Abstand zwischen den ersten Septenwänden in einer ersten Richtung entspricht einem ganzzahligen Vielfachen n des Detektorabstands des zweiten Sensors und/oder des dritten Sensors in der ersten Richtung, wobei n = 1, 2, 3, 4, ... N ist.
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In einem Beispiel sind die ersten Septenwände des Weiteren internen Streustrahlenrasters mit den Verbindungsstellen zwischen benachbarten Pixeln ausgerichtet.
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In einem Beispiel umfasst die Vielzahl von Septenwänden des Weiteren internen Streustrahlenrasters eine Vielzahl von zweiten Septenwänden, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Ein Abstand zwischen den zweiten Septenwänden in einer zweiten Richtung entspricht einem ganzzahligen Vielfachen n des Detektorabstands des zweiten Sensors und/oder des dritten Sensors in der zweiten Richtung, wobei n = 1, 2, 3, 4, ... N ist, und wobei die zweite Richtung in einem Winkel zur ersten Richtung ist.
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In einem Beispiel ist die zweite Richtung orthogonal zur ersten Richtung.
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In einem Beispiel sind die zweiten Septenwände mit den Verbindungsstellen zwischen benachbarten Pixeln ausgerichtet.
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In einem Beispiel ist der Detektorabstand des dritten Sensors in der ersten Richtung kleiner als oder gleich 200 µm.
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In einem Beispiel beträgt der Detektorabstand des dritten Sensors in der ersten Richtung 175 µm, 150 µm, 125 µm, 100 µm, 75 µm, 50 µm, 25 µm, 10 µm oder 5 µm.
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In einem Beispiel ist der Detektorabstand des dritten Sensors in der zweiten Richtung kleiner als oder gleich 200 µm.
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In einem Beispiel beträgt der Detektorabstand des dritten Sensors in der zweiten Richtung 175 µm, 150 µm, 125 µm, 100 µm, 75 µm, 50 µm, 25 µm, 10 µm oder 5 µm.
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In einem Beispiel ist der Detektor so konfiguriert, dass die weitere interne Anti-Streuvorrichtung zwischen dem ersten Detektorpaar und dem zweiten Detektorpaar entfernt werden kann.
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In einem Beispiel befindet sich eine externe Anti-Streuvorrichtung 70 angrenzend an das erste Detektorpaar auf der dem internen Streustrahlenraster 60 gegenüberliegenden Seite. Die externe Anti-Streuvorrichtung umfasst eine Vielzahl von röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden. Dies ist in 10 gezeigt.
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In einem Beispiel umfasst die Vielzahl von röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden mindestens ein Hoch-Z-Material.
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In einem Beispiel kann die externe Anti-Streuvorrichtung eine 1D-Vorrichtung mit einer Vielzahl von röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden sein, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
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In einem Beispiel kann die externe Anti-Streuvorrichtung eine 2D-Vorrichtung mit einer Vielzahl von ersten röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden, die in einer ersten Richtung im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, und einer Vielzahl von zweiten röntgenstrahlabsorbierenden Septenwänden sein, die in einer zweiten Richtung, die zur ersten Richtung abgewinkelt ist, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die zweite Richtung kann orthogonal zur ersten Richtung sein oder um 60 Grad abgewinkelt sein. Andere Winkel sind möglich.
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In einem Beispiel sind die Vielzahl von Septenwänden des externen Streustrahlenrasters mit der Vielzahl von Septenwänden des Streustrahlenrasters ausgerichtet.
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Die derzeitigen Auflösungen der in der medizinischen Röntgenbildgebung verwendeten Streustrahlenraster liegen üblicherweise im Bereich von 25 bis 80 Ip/cm (Linienpaare pro Zentimeter), was einem Rasterabstand im Bereich von 125-400 µm entspricht. Im Allgemeinen nimmt die primäre Röntgentransmission des Rasters ab, wenn die Rasterauflösung, d. h. die Anzahl der Septenwände pro Längeneinheit, zunimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Septenwände nicht nur gestreute Röntgenstrahlen absorbieren, sondern auch primäre Röntgenstrahlen. Dementsprechend sinkt der sogenannte „Bildverbesserungsfaktor“ oder Q-Faktor des Rasters, der proportional zum Quadrat seiner primären Röntgentransmission ist, bei höheren Rasterauflösungen drastisch. Darüber hinaus wird es aus Sicht der Rasterherstellung immer schwieriger, Raster mit Auflösungen über 801p/cm herzustellen, die gleichzeitig eine ausreichende Qualität und Gleichmäßigkeit über den gesamten Rasteroberflächenbereich aufweisen.
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Gleichzeitig gibt es bei Röntgendetektoren einen klaren Trend zur Verringerung des Pixelabstands (Pixelabstand ≤ 100 µm), der durch den klinischen Bedarf an höherer räumlicher Auflösung bei vielen Röntgenbildgebungsanwendungen bedingt ist.
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Eine Kombination eines hochauflösenden Röntgendetektors mit einer Standard-Anti-Streuvorrichtung verringert die Anzahl der Röntgenquanten, die den Detektor erreichen, und damit sein Signal. Dies würde zu einer niedrigeren Röntgendetektor-Quanteneffizienz (DQE) führen, d. h. zu Röntgenbildern mit erhöhtem Rauschpegel. Dieses geringere Signal-Rausch-Verhältnis könnte durch Erhöhen der Röntgendosis wieder erhöht werden, was jedoch in der derzeitigen Praxis der medizinischen Röntgenbildgebung nicht akzeptabel ist.
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Die vorliegende Erfindung schlägt vor, den hochauflösenden Röntgendetektor mit einer Anti-Streuvorrichtung zu kombinieren, deren Rasterabstand einem ganzzahligen Vielfachen des Detektorpixelabstands entspricht und die optional die Raster-Septenwände präzise mit den inaktiven Bereichen zwischen den Detektorpixeln ausrichtet.
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Somit kann das Problem einer geringeren spektralen Differenzierung und/oder einer geringeren DQE durch die Integration einer internen Anti-Streuvorrichtung (ASD) oder sogar mehrerer interner Anti-Streuvorrichtungen, wie eines Streustrahlenrasters (ASG), in den Röntgendetektor gelöst werden.
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Auf diese Weise können sowohl die hohen Auflösungsfähigkeiten des Röntgendetektors als auch ein hoher Q-Faktor des Rasters, d. h. eine hervorragende Streustrahlungsleistung, beibehalten werden. Darüber hinaus kann bei der Aufnahme von Röntgenbildern optional ein Pixel-Binning durchgeführt werden, was bei bestimmten Bildgebungsanwendungen von Vorteil sein kann. Bei einem integrierten 2D-ASG können z. B. beim Pixel-Binning alle Pixel identisch gewählt werden (z. B. 3 x 3 Pixel, n = 3), wodurch Aliasing-Effekte reduziert werden und die erforderliche Bildverarbeitung vereinfacht wird, um Bildartefakte zu reduzieren, die durch Raster-Septenwände verursacht werden. Alternativ kann man auswählen, kein Pixel-Binning vorzunehmen (z. B. 1 x 1 Pixel, n = 3), was die Modelle zur Korrektur der Röntgenstreuung vereinfacht, da es nur wenige Arten von Detektorpixeln gibt.
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Der Mehrschicht-Röntgendetektor wird nun unter Bezugnahme auf die 2-10 ausführlich beschrieben.
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Wenn gestreute Röntgenstrahlen eines Patienten von einem Bildgebungsdetektor aufgefangen werden, liefern sie keine zusätzlichen Informationen über die Anatomie des Patienten, sondern sie verschlechtern die Bildqualität, indem sie den Kontrast im Bild verringern. Daher wird in der medizinischen Röntgen- und CT-Bildgebung seit vielen Jahrzehnten ein externes Streustrahlenraster (ASG) verwendet, um gestreute Röntgenstrahlung zu absorbieren und dadurch die Bildqualität zu verbessern. Dies ist in 2 schematisch dargestellt, die auf der linken Seite ein Objekt und einen Detektor zeigt, während auf der rechten Seite ein externes ASG zwischen dem Objekt und dem Röntgendetektor platziert wurde. In 2 wird ein primärer Röntgenstrahl durch „A“ dargestellt, das Objekt wird durch „B“ dargestellt, das externe ASG wird durch „C“ dargestellt, die Röntgenumwandlungsschicht wird durch „D“ dargestellt, der Sensor wird durch „E“ dargestellt, und gestreute Röntgenstrahlen werden durch „F“ dargestellt.
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Zur Veranschaulichung sind in 3 ein großflächiges 1D-ASG, das in Röntgensystemen verwendet wird, und in 4 Beispiele für 2D-ASGs, die in CT-Systemen verwendet werden, dargestellt.
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Mehrschicht-Strahlungsdetektoren ermöglichen die spektrale Bildgebung (z. B. Dual-Energy-Röntgenbildbildung; spektrale Megavolt-Bildgebung) und/oder eine erhöhte Detektorleistung (z. B. höhere DQE). Ein großer Anteil der Röntgenstrahlen, die in einen Standard-Mehrschicht-Detektor eintreten, wird jedoch von der ersten Erfassungsschicht gestreut und von der zweiten Erfassungsschicht aufgefangen. Dies verschlechtert die Leistung des Detektors, da gestreute Röntgenstrahlen keine nützlichen Informationen enthalten. Diese gestreuten Röntgenstrahlen verursachen unerwünschte Bildsignale in der zweiten Erfassungsschicht, die sich zu den Bildsignalen der von der zweiten Erfassungsschicht aufgefangenen primären Röntgenstrahlen addieren. Außerdem werden gestreute Röntgenstrahlen teilweise von der zweiten Erfassungsschicht in die erste Erfassungsschicht zurückgestreut und verschlechtern dadurch die Bildsignale der von der ersten Erfassungsschicht aufgefangenen primären Röntgenstrahlen. Schließlich können K-Fluoreszenzsignale von der ersten Erfassungsschicht in die zweite Erfassungsschicht eintreten. Ähnliche Phänomene der (Rück-)Streuung und K-Fluoreszenz treten in allen aufeinanderfolgenden Schichten eines Standard-Mehrschichtdetektors auf. Folglich werden Bildqualitätsparameter (MTF, DQE, Kontrast-Rausch-Verhältnis, Signal-Rausch-Verhältnis) für jede Erfassungsschicht in einem gewissen Ausmaß reduziert, abhängig von Faktoren wie Belichtungsbedingungen, Detektorkonfiguration, klinische Anwendung usw. Bei der spektralen Röntgenbildgebung verursacht dies eine starke Verringerung der spektralen Differenzierungsfähigkeit der Erfassungsschichten, was verschiedene Mängel erzeugt, wie z. B. ungenaue Materialzerlegungen, qualitativ minderwertige virtuelle monochromatische Bilder und Artefakte bei der CBCT-Bildrekonstruktion. Insbesondere bei der Dual-Energy-Röntgenbildgebung, die auf der einmaligen Belichtung eines Zweischichtdetektors beruht, kann die Anzahl der von der oberen Szintillatorschicht in die untere Szintillatorschicht gestreuten Röntgenstrahlen so groß sein, dass sie das vom unteren Sensor erfasste Röntgensignal dominieren.
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Es wurde festgestellt, dass eine Anti-Streuvorrichtung, die sich intern innerhalb des Röntgendetektors befindet und räumlich getrennt von der ersten und zweiten Erfassungsschicht angeordnet ist, die obigen Probleme angeht.
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Es wurde festgestellt, dass die (Rück-)Streuung zwischen den Erfassungsschichten in einem Mehrschicht-Strahlungsdetektor durch die Implementierung eines ASD zwischen einer oder mehreren Erfassungsschichten reduziert werden kann und damit die Detektorleistung erhöht werden kann. Dies ist in 5 schematisch für eine ASD gezeigt, die zwischen den beiden Erfassungsschichten eines Zweischichtdetektors eingefügt ist. Diese integrierte ASD kann physisch einem standardmäßigen 1D-ASG oder 2D-ASG sehr ähnlich sein, kann aber einen Abstand zwischen den Septenwänden aufweisen, der viel kleiner ist als bei ASGs, die für CT-Detektoren verwendet werden. In 5 ist ein primärer Röntgenstrahl durch „A“ dargestellt, ein gestreuter Röntgenstrahl ist durch „B“ dargestellt, die Röntgenumwandlungsschicht 1 ist durch „20“, der Sensor 1 durch „30“, die Röntgenumwandlungsschicht 2 durch „40“, der Sensor 2 durch „50“ und die interne ASD durch „60“ dargestellt. Die ASD kann integriert sein, kann aber auch entfernt werden, aber in beiden Fällen befindet sie sich innerhalb der Röntgendetektorstruktur und ist von den Erfassungsschichten getrennt.
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Die ASD kann in Form einer strukturierten Schicht aus Hoch-Z-Material, wie einer (gestapelten) Wolframfolie, vorliegen, deren Pixelöffnungen mit den Sensorpixeln ausgerichtet sind, wie in 6 schematisch dargestellt. In 6 ist ein primärer Röntgenstrahl durch „A“ dargestellt, die Röntgenumwandlungsschicht 1 ist durch „20“, der Sensor 1 durch „30“, die Röntgenumwandlungsschicht 2 durch „40“, der Sensor 2 durch „50“ und die interne ASD durch „60“ dargestellt. Die ASD kann wiederum integriert sein, aber auch entfernt werden.
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Zur weiteren Veranschaulichung zeigen 7, 8 und 9 Beispiele dafür, wie eine interne ASD in drei verschiedene Mehrschicht-Detektordesigns integriert werden kann.
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7 zeigt ein symmetrisches Sandwich von zwei Erfassungsschichten auf beiden Seiten einer ASD. In 7 ist ein primärer Röntgenstrahl durch „A“ dargestellt, die Röntgenumwandlungsschicht 1 ist durch „20“, der Sensor 1 durch „30“, die Röntgenumwandlungsschicht 2 durch „40“, der Sensor 2 durch „50“ und die interne ASD durch „60“ dargestellt. Die ASD kann wiederum integriert sein, aber auch entfernt werden.
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8 zeigt einen folienbasierten Dreischicht-Doppelsensordetektor, wobei der untere Sensor 2 (50) Szintillatorlicht von der Ober- und Unterseite empfängt. In 8 ist ein primärer Röntgenstrahl durch „A“ dargestellt, die Röntgenumwandlungsschicht 1 ist durch „20“, der Sensor 1 durch „30“, die Röntgenumwandlungsschicht 2 durch „40“, der Sensor 2 durch „50“, die Röntgenumwandlungsschicht 3 durch „80“ und die interne ASD durch „60“ dargestellt. Die ASD kann wiederum integriert sein, aber auch entfernt werden.
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9 zeigt einen dreischichtigen Detektor mit zwei ASDs. In 9 ist ein primärer Röntgenstrahl durch „A“ dargestellt, die Röntgenumwandlungsschicht 1 ist durch „20“, der Sensor 1 durch „30“, die Röntgenumwandlungsschicht 2 durch „40“, der Sensor 2 durch „50“, die Röntgenumwandlungsschicht 3 durch „80“, der Sensor 3 durch „90“ und die beiden internen ASDs durch „60“ dargestellt.
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Wie in der einleitenden Diskussion erläutert, kann ein externes ASG (oder eine externe ASD) neben einem neu entwickelten und hier beschriebenen internen ASD Vorteile bereitstellen. 10 zeigt ein Beispiel eines Mehrschicht-Detektors, der ein externes ASG und eine interne ASD kombiniert, um die Detektionsleistung zu maximieren. Es können positionsbezogene Ausrichtungsmerkmale zwischen dem internen ASD und dem externen ASG und/oder Pixelstrukturen des Sensors 1 hinzugefügt werden, um die Transmission der primären Röntgenstrahlen zum Sensor 2 zu maximieren. In 10 ist ein primärer Röntgenstrahl durch „A“, das Objekt durch „B“, die Röntgenumwandlungsschicht 1 durch „20“, der Sensor 1 durch „30“, die Röntgenumwandlungsschicht 2 durch „40“, der Sensor 2 durch „50“, die interne ASD durch „60“ und das externe ASG durch „70“ dargestellt.
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Es ist zu beachten, dass der Pixelabstand des Röntgendetektors in der Größenordnung von 5 µm bis 200 µm liegen kann und der Septenwandabstand des internen ASD, gleich d + D, wie in 3 gezeigt, der 1D oder 2D sein kann, gleich 5 µm bis 200 µm sein kann.
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Es gibt viele Optionen, um eine optimal integrierte ASD für einen bestimmten Mehrschicht-Strahlungsdetektor und seine beabsichtigte(n) Hauptbildanwendung(en) zu konfigurieren.
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Optionen:
- Bildgebende Anwendungen schließen Röntgenstrahlen, CT, CBCT NDT, Strahlentherapiesysteme und EPID (MV-Strahlung) ein.
- Der Detektor kann eine großflächige Vorrichtung (z. B. ein Röntgendetektor) oder ein kleines Modul (z. B. eine CT-Kachel) sein
- Der Detektor besteht aus mehreren Schichten von Materialien für die indirekte und/oder direkte Röntgenumwandlung, wobei jede Schicht mit einem gepixelten Bildsensor gekoppelt ist
- Die Aufnahme von Röntgenbildern basiert auf der Energieintegration oder Photonenzählung
- Es können mehrere ASD verwendet werden, wenn der Detektor 3 oder mehr Sensorschichten aufweist.
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Die ASD ist ein fokussiertes 1D- oder 2D-ASG, bestehend aus mehreren Septenwänden, die durch Zwischenraummaterial getrennt sind
- Septenmaterial kann aus Hoch-Z-Elementen bestehen (Pb, W, Bi, Ta, ...)
- Zwischenraummaterialien bestehen aus luft- oder röntgenstrahlabsorbierendem (Filter-)Material (Kohlenstoff, Silizium, Glas, Polymer, Aluminium, Kupfer, Zinn, ...)
- Beispiele: 1D-ASG aus Bleifasern, 1D-ASG aus Blei-Aluminium oder Blei-Kohlenstoff, 2D-ASG aus Wolfram im DMLS-Verfahren, mit CsI gefüllte Siliziumrillen mit RIE-Muster,
- ASD ist eine strukturierte Schicht aus Hoch-Z-Material mit Pixelöffnungen, die auf die Sensorpixel ausgerichtet sind.
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Die Hoch-Z-Schicht kann zusammen mit dem Röntgenumwandlungsmaterial oder dem Sensorsubstrat verarbeitet werden.
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Beispiel: dicke (gestapelte) Metallfolie, die direkt auf das Röntgenumwandlungsmaterial oder das Sensorsubstrat geklebt ist, oder freistehend sein kann.
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Beispiel: dünne Wolframfolie mit einer Reihe quadratischer Pixelöffnungen, die durch Septenwände getrennt sind.
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ASD kann auch als Röntgenabsorptionsfilter fungieren. Daher können die Septenwände auch aus Niedrig-Z-Elementen wie Zinn, Kupfer oder Aluminium bestehen.
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Die ASD-Septenwände sind ausgerichtet und überlappen (teilweise) mit den Septenwänden des externen ASG, um die Transmission primärer Röntgenstrahlen zu maximieren (am relevantesten für CT).
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Die ASD-Septenwände sind ausgerichtet und überlappen (teilweise) mit inaktiven Bereichen zwischen Sensorpixeln, um die Transmission der primären Röntgenstrahlen zu maximieren (am relevantesten für CT).
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Die ASD kann flach oder gekrümmt sein.
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Die ASD kann aus dem Mehrschicht-Detektor entfernt (und wieder eingeführt) werden
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Auch wenn die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, sind eine derartige Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als einschränkend zu betrachten. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann beim Ausüben einer beanspruchten Erfindung, aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der abhängigen Ansprüche verstanden und bewirkt werden.
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In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassen“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Jegliche Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen des Schutzumfangs auszulegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0114426 A [0003]
- US 2019/0374182 A1 [0004]
- US 2012/0097858 A1 [0005]
- WO 2017/007326 A1 [0006]
