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Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor. Sie
betrifft insbesondere einen Röntgendetektor
für radiografische
Untersuchungsgeräte,
wie Computertomografen oder Röntgengeräte für die Mammografie
oder die Angiografie.
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Die Röntgendetektoren bekannter radiografischer
Untersuchungsgeräte
unterscheiden sich wegen der unterschiedlichen Messanforderungen.
Die Röntgendetektoren
sind insbesondere hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen Auflösung, der
Detektorfläche,
der Quanteneffizienz und der Ausleserate speziell angepasst. Auch
bei einer modularen Ausgestaltung der bekannten Röntgendetektoren
sind deren Detektormodule bei den verschiedenen radiografischen
Untersuchungsgeräten
nicht austauschbar. Die Entwicklung, Herstellung und Bereitstellung
speziell an die jeweiligen Messanforderungen angepasster Detektormodule
erfordern einen hohen Aufwand.
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Die
EP 0 819 406 A1 beschreibt einen Computertomografen.
Der Detektor besteht dabei aus mehreren parallelen Detektorzeilen,
die jeweils aus nebeneinander angeordneten Detektorelementen gebildet
sind. Die Detektorzeilen können
jeweils aus mehreren Detektormodulen bestehen. Die vorgeschlagenen
Detektormodule sind speziell an die Erfordernisse eines Detektors
für einen
Computertomografen angepasst. Sie sind nicht universell zur Herstellung
anderer radiografischer Untersuchungsgeräte geeignet.
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Aus der
DE 199 35 093 A1 ist ein
Computertomograf mit einem mehrzeiligen Detektor bekannt. Jede Zeile
besteht aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Detektorelemente.
Jedes der Detektorelemente besteht aus einer Szintillatorkeramik
und einer nachgeordneten Fotodiode. Zur Verringerung des Aufwands
einer dem Detektor nachgeordneten Elektronik können die Detektorelemente gruppenweise
mit der Elektronik verbunden und getrennt werden.
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Die
DE 195 02 574 C2 offenbart einen Computertomografen,
mit einem Flächendetektor,
der N Zeilen aufweist. Jede der Zeilen besteht aus M nebeneinander
angeordneten Detektorelementen. Um die Komplexität des Flächendetektors bezüglich Auslesung,
Datenrate und Rekonstruktion auf ein realisierbares Maß zu reduzieren,
werden die Detektorelemente mehrerer Zeilen zusammengeschaltet.
Die zusammengeschalteten Detektorelemente bilden eine Detektorspalte.
Die Zusammenschaltung bewirkt eine Addition der analogen Ausgangssignale der
Detektorelemente. Die addierten Ausgangssignale werden in einer
nachgeschalteten Elektronik digitalisiert und zu Bildinformationen
weiterverarbeitet.
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Aus der
DE 196 00 115 C1 ist ein
Computertomograf mit einem Flächendetektor
bekannt. Der Flächendetektor
besteht aus einer Vielzahl von Teildetektoren, die wiederum aus
einer Matrix von Detektorelementen gebildet sein. Um im Hinblick
auf die Leistungsfähigkeit
einer nachgeordneten Elektronik die Auslesung des Flächendetektors
zu optimieren, wird vorgeschlagen, die Detektorelemente jedes Teildetektors
sequenziell auszulesen.
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Die
DE 101 06 221 A1 beschreibt einen Röntgendetektor,
bei dem matrixartig angeordnete Detektorelemente aus einem Halbleitermaterial
gebildet sein können.
Absorbierte Röntgenquanten werden
infolge ihrer Absorption unmittelbar in ein elektrisches Ladungssignal
umgewandelt, dessen Größe etwa
proportional zur absorbierten Energie ist. Zur Optimierung der Messung
in einem großen
Dynamikbereich wird vorgeschlagen, in einer den Detektorelementen
nachgeschalteten Auswerteeinheit parallel ein Zählverfahren und ein Integrationsverfahren für die erzeugten
Ladungssignale durchzuführen.
Die Ergebnisse beider Verfahren werden in einer Datenverarbeitungseinheit
gemeinsam verwendet und zur Bestimmung eines Gesamtergebnis ses für die absorbierte
Menge an Röntgenstrahlung
genutzt. Der vorgeschlagene Detektor lässt sich zwar modular aufbauen,
die Module sind gleichwohl nicht universell zur Herstellung von
unterschiedlichen röntgenografischen
Untersuchungsgeräten
geeignet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen.
Es soll insbesondere ein universeller Röntgendetektor bereitgestellt
werden, der sich als Komponente zur Herstellung unterschiedlicher
radiografischer Untersuchungsgeräte
eignet.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der
Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis
8.
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Nach Maßgabe der Erfindung ist ein
Röntgendetektor
vorgesehen,
mit einer Mehrzahl von Pixeln,
wobei jedes
der Pixel aus einem oder mehreren Subpixel/n gebildet ist,
wobei
jedes der Subpixel ein Detektormaterial zur unmittelbaren Umwandlung
einfallender Röntgenstrahlung
in elektrische Signale aufweist,
wobei jedem der Subpixel eine
Einrichtung zur Umwandlung der elektrischen Signale in korrespondierende
digitale Singale zugeordnet ist,
und wobei eine Einreichung
zur Verarbeitung der digitalen Signale in ein die Anzahl und/oder
die Energie der auf das Pixel eingefallenen Röntgenquanten repräsentierendes
digitales Gesamtsignal vorgesehen ist.
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Der vorgeschlagene Röntgendetektor
ist universell. Durch das Vorsehen einer Einrichtung zur Verarbeitung
der digitalen Signale kann die Größe der Pixel und ggf. das durch
Addition der digitalen Signale der Subpixel erzeugte Gesamtsignal
an die jeweiligen Messanforderungen angepasst werden. Der vorgeschlagene
Röntgendetektor
kann gleichermaßen
für die
Röntgen-Computertomografie
und die Radiografie verwendet werden.
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Unter einem "Pixel" wird im Kontext der vorliegenden Erfindung
ein Subpixel oder eine Gruppe von Subpixeln verstanden. Jedes Subpixel
bildet ein Röntgen-Detektorelement.
Von mehreren Röntgen-Detektorelementen
gelieferte digitale Signale können
mittels der Einrichtung zur Verarbeitung entsprechend einem vorgegebenen
Programm zu einem digitalen Gesamtsignal addiert werden. Wenn ein
Pixel durch eine Gruppe von Subpixel gebildet ist, können Fehler
durch defekte Subpixel erkannt und korrigiert werden. Die Funktion
des Pixels bleibt trotz eines Defekts eines oder mehrerer Subpixel
erhalten. Der vorgeschlagene Röntgendetektor
ist besonders zuverlässig
und langlebig.
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Das digitale Gesamtsignal ist das
Signal des Pixels und dient als solches zur Erzeugung eines Bildpunkts
auf einem Bildschirm einer EDV-Anlage oder eines davon erzeugten
Ausdrucks.
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Unter einem "elektrischen Signal" wird insbesondere ein elektrisches
Ladungssignal verstanden. Ein solches elektrisches Ladungssignal
wird bei Absorption von Röntgenquanten
mittels direkt konvertierender Materialien, z. B. Halbleitern, wie
GaAs, CdTe, CdZnTe oder Fotoleitern, wie Se, PbI2 oder
PbO, bewirkt.
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Die Einrichtung zur Verarbeitung
weist zweckmäßigerweise
ein Mittel zur Einstellung der Anzahl der ein Pixel bildenden Subpixel
und/oder zur Auswahl der Anzahl der pro Pixel zur Auswertung verwendeten
Subpixel auf. Mit dem Mittel zur Einstellung wird die Größe und/oder
die Anordnung der ein Pixel bildenden Subpixel festgelegt. Bei dem
Mittel zur Einstellung kann es sich um ein fest vorgegebenes Programm
handeln. Dabei wird die Anzahl und/oder die Anordnung der ein Pixel
bildenden Subpixel, insbesondere in Abhängigkeit der benötigten Datenübertragungsrate
R, eingestellt. Es gilt: R = b·f·A/(c·d2),wobei
b die Bittiefe,
f
die Aufnahmefrequenz in Bilder/Sekunde,
A die röntgenografische
Untersuchungsfläche,
c
die Anzahl der zusammengeschalteten Subpixel und
d das Seitenmaß der Subpixel
ist.
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Der Wert c legt die Anzahl der zusammenzuschaltenden
Subpixel mit dem Seitenmaß d
zu einem Pixel fest. Der vorgeschlagene Röntgendetektor eignet sich sowohl
für die
Computertomographie als auch für
die Radiographie. Für
einen Röntgendetektor
für die
Computertomographie mit einer Bittiefe von b = 16, einer Aufnahmefrequenz
von f = 5000 Bilder/Sekunde, einer röntgenografischen Untersuchungsfläche A von
500 cm2 und einer Pixelgröße (c·d2) von 1 mm2 ergibt
sich eine Datenübertragungsrate
R von 4 Gb/Sekunde. Für
einen Detektor für
die Röntgenographie
mit einer Bittiefe von B = 14, einer Aufnahmefrequenz von f = 30
Bilder/Sekunde, einer röntgenografischen
Untersuchungsfläche
von A = 40 cm2 und einer Pixelgröße von (c·d2) = 100 μm2 ergibt sich eine Datenübertragungsrate R von 6,72
Gb/Sekunde. Das zeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Röntgendetektor
ein weiter Bereich von Messanforderungen abgedeckt werden kann.
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Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal
ist eine Korrektureinrichtung zur Korrektur eines infolge des Ausfalls
einer oder mehrerer der Subpixel verringerten Gesamtsignals vorgesehen.
Dabei kann es sich um einen entsprechend programmierten integrierten
Schaltkreis handeln, der das von einem Pixel gelieferte Gesamtsignal
mit einem vorgegebenen Gesamtsignal vergleicht. Sofern eine Änderung
festgestellt wird, kann in Abhängigkeit
des vorgegebenen Programms eine Änderung
der Belegung der Subpixel innerhalb des Pixels veranlasst werden.
Es ist aber auch möglich,
dass das verringerte Gesamtsignal entsprechend der gemessenen Differenz
korrigiert bzw. normiert wird.
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Die Korrektureinrichtung weist zweckmäßigerweise
einen Vergleicher zum Vergleich eines bei Bestrahlung mit einer
bekannten Röntgenintensität erzeugten
Gesamtsignals mit einem vorgegebenen Gesamtsignal oder einem Maximalwert
des Gesamtsignals weiterer Pixel auf. Zur Korrektur kann die Korrektureinrichtung
auch ein Mittel zur Änderung
der Auswahl der zur Messung des Gesamtsignals verwendeten Subpixel
aufweisen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung
ist das Detektormaterial ein Cadmium-Tellurid, Cadmium-Zink-Tellurid
oder Quecksilber-Jodid.
Es sind auch Mischungen dieser Stoffe untereinander oder mit anderen
Stoffen möglich.
Das Detektormaterial liegt zweckmäßigerweise in einer Dicke vor,
welche für
die vorgesehenen Messzwecke die notwendige Dosisquanteneffizienz
(DQE) garantiert. Im Falle eines Röntgendetektors für die Computertomografie wird
die erforderliche DQE von > 90
% bei einer Dicke von 1,4 mm Cadmium-Tellurid erreicht. Die Dicke
des Detektormaterials ist zweckmäßigerweise
so auszuwählen,
dass die Detektorelemente gleichermaßen für verschiedene Messzwecke einsetzbar
sind.
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Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal
sind eine vorgegebene Anzahl von Pixeln und die deren Subpixeln
zugeordneten Einrichtungen zur Umwandlung als austauschbares Detektormodul ausgeführt. Ein
solches Detektormodul eignet sich gleichermaßen zur Herstellung eines Detektors,
beispielsweise für
die Röntgen-Computertomografie
wie auch für
röntgenografische
Geräte.
Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, dass die Einrichtung zur Verarbeitung
und/oder die Korrektureinrichtung Bestandteil des Detektormoduls
ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 den
schematischen Aufbau eines ersten Detektorelements,
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2 den
schematischen Aufbau eines zweiten Detektorelements,
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3 den
schematischen Aufbau eines Detektormoduls in einer ersten Beschaltung,
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4 den
schematischen Aufbau eines Detektormoduls nach 3 in einer zweiten Beschaltung,
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5 ein
Röntgenflächendetektor
mit ersten Modulen und
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6 ein
Röntgenflächendetektor
mit zweiten Modulen.
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1 zeigt
schematisch ein erstes Detektorelement. Auf einer aus einem Material
zur direkten Umwandlung der Energie absorbierter Röntgenquanten
in ein elektrisches Ladungssignal gebildeten Direktwandlerschicht 1 (z.B.
Cd(Zn)Te) ist eine erste Elektrode 2 aufgebracht, die einer
(hier nicht gezeigten) Strahlenquelle zugewandt ist. Auf der der
Strahlenquelle abgewandten Seite der Direktwandlerschicht 1 befindet
sich eine strukturierte zweite Elektrode 3, die mit einer
CMOS-Zählelektronik 4 kontaktiert
ist. Die CMOS-Zählelektronik 4 ist über Bonding-Kontakte 5 mit
(hier nicht gezeigten) Leiterbahnen auf einem Trägersubstrat 6 elektrisch
verbunden.
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Das in 2 gezeigte
zweite Detektorelement ist ähnlich
zu dem in 1 gezeigten
ersten Detektorelement aufgebaut. Hier ist die CMOS-Zählelektronik 4 über Ballgrid-Kontakte 7 mit
dem Trägersubstrat 6 verbunden
("durchkontaktiert").
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Die 3 und 4 zeigen Draufsichten auf
ein Röntgendetektormodul 8,
wobei mehrere Beschaltungsvarianten I, II, III angegeben sind. Das
Röntgendetektormodul 8 mit
einer Detektor- oder
Sensorfläche
A besteht jeweils aus 16 Detektorelementen. Jedes der Detektorelemente
bildet ein quadratisches Subpixel 9 mit einer Kantenlänge d. Im
einfachsten als Beschaltungsvariante I in 3 gezeigten Fall, ist jedes Pixel lediglich
aus einem Subpixel 9 gebildet (Binning c = 1, 16 Pixel
zu übertragen à Bitbreite
b = 4). Ein Digitalausgang ist mit den Bezugszeichen 11 bezeichnet.
Das von jedem Detektorelement gelieferte digitale Signal wird in
diesem Fall als Gesamtsignal des Pixels interpretiert und weiterverarbeitet.
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Bei der Einrichtung zur Verarbeitung
der digitalen Signale kann es sich um eine der CMOS-Zellelektronik
nachgeordnete besondere Einrichtung handeln. Die Einrichtung kann
aber auch mit der CMOS-Zellelektronik 4 in einem einzigen
Bauteil zusammengefasst sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn
die Einrichtung zur Verarbeitung der digitalen Signale programmierbar
ist. In diesem Fall ist es möglich,
erfindungsgemäße Röntgendetektoren
in ein und derselben Hardwarekonfiguration herzustellen. Je nach
Messanforderung kann der Röntgendetektor
dann mittels der Einrichtung zur Verarbeitung der digitalen Signale
entsprechend konfiguriert werden. Die Einrichtung zur Verarbeitung
kann z. B. zur Erzielung einer hohen Auflösung so programmiert werden,
dass jedes Subpixel ein Pixel bildet.
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Bei der ebenfalls in 3 gezeigten alternativen Beschaltungsvariante
II wird ein Pixel aus vier zusammengeschalteten Subpixeln 9 gebildet
(Binning c = 4). Das Röntgendetektormo dul 8 weist
in diesem Fall also vier Pixel auf. Jedes der Pixel überträgt eine
Bitbreite b = 6. Die von den Detektorelementen gelieferten digitalen
Signale werden mittels der Einrichtung zur Verarbeitung der digitalen
Signale in einem Zähler
der Bitbreite b = 6 addiert und als Gesamtsignal des Pixels weiterverarbeitet.
Ist ein Subpixel 9 defekt, so kann diese als Gainabweichung korrigiert
werden. Das "binning" ist in den Figuren
jeweils mit einer gestrichelten Linie angedeutet.
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Bei der in 4 gezeigten Beschaltunqsvariante III
bildet das Röntgendetektormodul 8 insgesamt
lediglich ein Pixel (Binning c = 16). Hier sind alle sechzehn Subpixel 9 zusammengeschaltet.
Es muss nur ein Pixel übertragen
werden. In diesem Fall beträgt
die übertragene
Bitbreite b = B.
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Für
die konkrete Ausbildung eines Röntgendetektormoduls 8,
welches beispielsweise für
die Röntgen-Computertomografie
und andere Anwendungen geeignet ist, sind zweckmäßigerweise Subpixel mit einer
Kantenlänge
im Bereich von 50 bis 200 μm,
vorzugsweise 100 μm,
vorzusehen. Um bei einer Kantenlänge
von 100 μm
einen Pixel mit einer Pixelgröße von 1
mm2 zu realisieren, werden 100 Subpixel zusammengeschaltet.
Die Gesamtgröße des Röntgendetektormoduls
liegt beispielsweise im Bereich einer Kantenlänge von einigen Zentimetern,
z. B. 5 × 2
cm2. Ein solches Modul umfasst 100 000 Subpixel, entsprechend
1 000 Pixel mit einer Kantenlänge
von 1 mm. Der Ausfall eines einzigen Subpixels 9 würde in diesem
Fall einen Gainfehler in der Größenordnung
von 1% verursachen, der ohne einen Verlust der Bildqualität kompensierbar
ist.
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Besonders vorteilhaft und universell
ist das vorgeschlagene Röntgendetektormodul 8 dann, wenn
die CMOS-Zählelektronik
programmierbar ist. In diesem Fall kann mittels Programmierung eine Einstellung über Größe und Anzahl
der zusammenzuschaltenden Subpixel 9 vorgenommen werden. Das
Röntgendetek tormodul 8 kann
so einfach an den jeweiligen Messzweck angepasst werden.
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Die 5 und 6 zeigen schematisch die
Anordnung mehrerer Module bzw. Röntgendetektormodule 8 zum
Aufbau eines Röntgenflächendetektors. Bei
dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel
sind die Anschlüsse
der Röntgendetektormodule 8 seitlich,
insbesondere an der Längsseite
des Röntgenflächendetektors,
herausgeführt
und zu Leitungen 12 (Power-in und Data-I/O-Leitungen) zusammengefasst. Sie
führen
in einen Digital-Controller 10,
dessen Datenausgang mit 13 bezeichnet ist.
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Bei dem in 6 gezeigten weiter Ausführungsbeispiel
sind die Röntgendetektormodule 8 an ihre
Rückseite
kontaktiert und mittels der Leitungen 12 (Power-in und
Data-I/O-Leitungen) mit dem Digital-Controller 10 verbunden.