DE112010000797B4

DE112010000797B4 - Siliziumdetektor-Anordnung zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlen

Info

Publication number: DE112010000797B4
Application number: DE112010000797.7T
Authority: DE
Inventors: Mats Danielsson; Staffan Karlsson
Original assignee: Prismatic Sensors AB
Current assignee: Prismatic Sensors AB
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2020-02-27
Anticipated expiration: 2030-02-02
Also published as: JP5717652B2; DE112010000797T5; KR101716911B1; KR20110126645A; WO2010093314A1; CN102224434B; CN102224434A; GB2480561B; GB201112331D0; GB2480561A; US8183535B2; US20100204942A1; JP2012517604A

Abstract

Photonenzählender Siliziumdetektor zur Bilderzeugung eines Objekts mittels Röntgenstrahlen,- wobei der Detektor auf mehreren Halbleiter-Detektormodulen basiert, die gemeinsam eine Gesamt-Detektorfläche bilden, wobei jedes Halbleiter-Detektormodul einen Röntgensensor aus kristallinem Silizium aufweist, der mit seinem Rand zu den ankommenden Röntgenstrahlen ausgerichtet ist und an eine integrierte Schaltung zur Erfassung der Röntgenstrahlen angeschlossen ist, die im Röntgensensor durch den photoelektrischen Effekt und die Compton-Streuung und auf eine einfallende Röntgenenergie zwischen 40 keV und 250 keV interagieren, wobei die Raum- und Energieinformation aus diesen Interaktionen bereitgestellt werden, um ein Bild des Objekts zu ermöglichen,- wobei Anti-Streuungs-Module zumindest zwischen einer Teilmenge der Halbleiter-Detektormodule eingelegt sind, um zumindest teilweise die Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung zu absorbieren,- wobei die Halbleiter-Detektormodule in einer Anzahl von Schichten angeordnet sind, wobei die Anzahl der Schichten gleichgroß oder größer als 2 ist,- wobei die Schichten zum Erhalt eines geschichteten Siliziumdetektors in Richtung der einfallenden Röntgenstrahlen angeordnet sind und- wobei die Detektormodule von einer der Schichten in Bezug auf die Detektormodule von einer anderen der Schichten gestaffelt sind, um eine effiziente aktive Detektorfläche zu ermöglichen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlen und insbesondere auf eine Siliziumdetektor-Anordnung zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlen.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Eine Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlen ist eine gängige Methode, wobei der Energiebereich der Röntgenstrahlen in der medizinischen Bilderzeugung üblicherweise 10 keV bis 200 keV beträgt, wobei die Energie in der zerstörungsfreien Prüfung oder der Sicherheitsüberprüfung höher sein kann. In diesem Bereich reagieren die Röntgenstrahlen mit einer Materie hauptsächlich durch den Compton-Effekt und den Photoelektrischen Effekt. Im ersten Fall wird lediglich ein Teil der Energie des Röntgen-Photons bis zum Elektron weitergeleitet und der Röntgenstrahl verläuft nach diesem Streuvorgang mit verminderter Energie weiter. Im letzteren Fall wird sie gesamte Energie zum Elektron weitergeleitet und der Röntgenstrahl vollständig absorbiert.
Die Herausforderung für Detektoren zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlen besteht darin, maximale Informationen aus den erfassten Röntgenstrahlen zu extrahieren, um einen Beitrag für ein Bild eines Objekts bereitzustellen, worin das Objekt hinsichtlich einer Dichte, Zusammensetzung und Struktur dargestellt ist. Es ist immer noch üblich, eine Filmleinwand als Detektor zu verwenden, aber die meisten Detektoren stellen heute ein digitales Bild bereit.
Der Detektor muss die einfallenden Röntgenstrahlen in Elektronen umwandeln, wobei dies üblicherweise durch einen Photo-Effekt oder eine Compton-Interaktion stattfindet und die resultierenden Elektronen normalerweise ein sekundäres sichtbares Licht erzeugen, bis deren Energie verloren gegangen ist und dieses Licht wiederum von einem fotoempfindlichen Material erfasst wurde. Es gibt auch weniger gebräuchliche Detektoren, die auf Halbleitern wie zum Beispiel amorphem Selen oder Silizium basieren, und in diesem Fall erzeugen die vom Röntgenstrahl erzeugten Elektronen eine elektrische Ladung hinsichtlich der Elektronen und Loch-Paaren, die durch ein angelegtes elektrisches Feld mit ausreichender Stärke gesammelt werden.
Die mit Abstand meisten Detektoren arbeiten in einem integrierenden Modus in dem Sinne, dass sie das Signal aus einer Mehrzahl von Röntgenstrahlen integrieren und dieses Signal wird später lediglich digitalisiert, um eine beste Einschätzung der Anzahl von einfallenden Röntgenstrahlen in einem Pixel zu erhalten. In den letzten Jahren sind auch sogenannte photonenzählende Detektoren als brauchbare Alternative bei einigen Anwendungen aufgetaucht; derzeit sind diese Detektoren hauptsächlich bei der Mammographie handelsüblich. Die photonenzählenden Detektoren haben einen Vorteil, da die Energie für jeden Röntgenstrahl grundsätzlich gemessen werden kann, was zusätzliche Informationen über die Zusammensetzung des Objekts liefert; was verwendet werden kann, um die Bildqualität zu verbessern und/oder die Strahlungsdosis zu reduzieren.
Eine weit verbreitete Konfiguration für den Detektor wurde in der US7471765 „Cone Beam Computed Tomography With A Flat Panel Imager“ dargestellt. Der Detektor beinhaltet ein 512x512-Array von a-Si:H-Fotodioden und mit an Szintillatoren gekoppelten Dünnfilm-Transistoren und wird in einem integrierenden Modus betrieben. In diesem Fall besteht die Anwendung darin, eine Strahlungstherapie zu optimieren, aber diese Detektoren nehmen auch einen sehr breiten Platz in der diagnostischen Bilderzeugung und anderen Anwendungen ein.
In der US4785186 wird ein amorpher Siliziumdetektor zum Zählen von hochenergetischen Teilchen vorgeschlagen, die Röntgenstrahlen enthalten. US7471765 zeigt „Cone Beam Computed Tomography With A Flat Panel Imager“, Diese Innovation wurde nicht für die Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlen genutzt, vielleicht aufgrund der Herausforderungen mit dem amorphen Siliziummaterial in dieser Anwendung und sicherlich auch aufgrund der Herausforderungen mit einer Absorptionseffizienz.
Da beim photonenzählenden Modus das Signal von einem einzelnen Röntgenstrahl ganz schwach ist, muss es durch eine Optimierung der Umwandlungseffizienz aus einer Röntgenenergie in eine gesammelte elektrische Ladung für jeden Event maximiert werden. Dies bedeutet, dass die Verwendung von kristallinen Materialien im Detektor normalerweise ratsam ist. Die Vorzüge und die Pit-falls bei der Photonenzählung wurden von Börje Norlin in „Characterisation and application of photon counting X- ray detector systems“ Mid Sweden University Doctoral Thesis 26, ISSN 1652-893X, ISBN 978-91-85317-55-4 Electronics Design Division, in the Department of Information Technology and Media Mid Sweden University, SE-851 70 Sundsvall, Sweden und auch von Mats Lundqvist in Mats Lundqvist: Silicon Strip Detectors for Scanned Multi-Slit X-Ray Imaging beschrieben. Beide Arbeiten betreffen die Entwicklung und Charakterisierung von Bilderzeugungssystemen mittels Röntgenstrahlen, die auf einer einzelnen Photonenverarbeitung basieren. Das Messen der Energie jedes Röntgenstrahls, um die Farbe des Röntgenstrahls zu sehen, kann man analog mit der Farbbilderzeugung im sichtbaren Bereich vergleichen. Die „Farbige“ Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlen eröffnet neue Perspektiven in der medizinischen Röntgendiagnose und weiteren Anwendungen. Der Unterschied der Absorption bei unterschiedlichen Farben kann verwendet werden, um Materialien im Objekt zu unterscheiden und prinzipiell könnte die elementare Zusammensetzung eines Objekts und nicht nur die Grauskala bestimmt werden. Diese Informationen können zum Beispiel verwendet werden, um Kontrastmittel zu identifizieren, die bei einer großen Anzahl von Untersuchungen in der diagnostischen Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlen verwendet werden.
Lundqvist und Norlin zeigen auf, dass es mit der heutigen Technologie möglich ist, photonenzählende Detektorsysteme zu konstruieren, die Details bis zu einem Grad von circa 50 µm auflösen können. Jedoch besteht auch eine Komplikation mit derart kleinen Pixel, da in einem Halbleiter-Detektor jedes absorbierte Röntgenstrahl-Photon eine Ladungswolke erzeugt, die zum Bild beiträgt. Für hohe Photonenenergien ist die Größe der Ladungswolke vergleichbar mit 50 µm und könnte sich auf mehrere Pixel im Bild verteilen. Die Ladungsverteilung ist ein Schlüsselproblem, da nicht nur die Auflösung degeneriert wird, sondern auch die „Farb“-Informationen im Bild zerstört werden. Sie zeigen auch Verfahren, wie zum Beispiel eine Ladungssummierung zwischen benachbarten Pixel auf, um dieses Problem zu umgehen.
Ein Vorschlag für einen Detektor für eine Computertomographie für eine Bildgebung der Brust wurde dargelegt in M. G. Bisogni, A. Del Guerra, N. Lanconelli, A. Lauria, G. Mettivier, M. C. Montesi, D. Panetta, R. Pani, M. G. Quattrocchi, P. Randaccio, V. Rosso and P. Russo „Experimental study of beam hardening artifacts in photon counting breast computed tomography" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume 581, Issues 1-2, 21 October 2007, Pages 94-98. Dies ist ein Beispiel, bei dem die Energien so gering sind, dass Silizium als Detektor verwendet werden kann, der immer noch etwas von der Detektoreffizienz sicherstellt. Das Brust-Computertomographie-(CT-)System mittels Röntgenstrahlen ist auf dem Gerüst eines dedizierten Einzelphoton-Emissions-Tomographiesystems für eine Tc-99-Bildgebung der Brust implementiert. Der einzelne photonenzählende Silizium-Pixeldetektor hatte eine Dicke von 0,3 mm, 256x256 Pixel, einen Abstand von 55 µm, und war auf den photonenzählenden Medipix2-Auslesechip bump-gebonded. Artifakte können aufgrund der niedrigen Detektionseffizienz und des Ladungsverteilungseffekts des Silizium-Pixeldetektors auftreten.
Ein weiterer photonenzählender Detektor für niedrige Energien wurde von V. Rosso, N. Belcari, M. G. Bisogni, C. Carpentieri, A. Del Guerra, P. Delogu, G. Mettivier, M. C. Montesi, D. Panetta, M. Quattrocchi, P. Russo and A. Stefanini vorgeschlagen in „Preliminary study of the advantages of X-ray energy selection in CT imaging" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 572, Issue 1, 1 March 2007, Pages 270-273. Dieser Detektor gewährleistet eine gute Detektionseffizienz (46%) im verwendeten Energiebereich (60 kVp) zusammen mit einer guten räumlichen Auflösung, die aus einem quadratischen Pixel von 55 µm entsteht.
Silizium weist als Detektormaterial viele Vorzüge, wie zum Beispiel eine hohe Reinheit und eine niedrige Energie, die zur Erzeugung von Ladungsträgern (Elektron-Hohlpaaren) erforderlich ist, und außerdem eine hohe Mobilität für diese Ladungsträger auf, was bedeutet, dass es selbst bei hohen Raten von Röntgenstrahlen arbeitet. Nicht zuletzt ist es auch in großen Mengen leicht verfügbar.
Die größte Herausforderung bei Silicon ist dessen niedrige Atomzahl und geringe Dichte, was bedeutet, dass es für höhere Energien sehr dick hergestellt werden muss, um ein effizienter Absorber zu sein. Die niedrige Atomzahl bedeutet außerdem, dass der Anteil an Röntgenstrahl-Photonen mit Compton-Streuung im Detektor gegenüber den photoabsorbierten Photonen dominieren wird, wodurch ein Problem mit den gestreuten Photonen erzeugt wird, da sie Signale in andere Pixel im Detektor induzieren können, was einem Rauschen in diesen Pixel entspricht. Silizium wurde jedoch erfolgreich bei Anwendungen mit niedrigerer Energie eingesetzt, wie dies zum Beispiel von M. Danielsson, H. Bornefalk, B. Cederström, V. Chmill, B. Hasegawa, M. Lundqvist, D. Nygren and T. Tabar in „Dose-efficient system for digital mammography", Proc. SPIE, Physics of Medical Imaging, vol. 3977, pp. 239-249 San Diego, 2000 dargelegt wurde. Eine Möglichkeit, um das Problem einer niedrigen Absorptionseffizienz von Silizium zu überwinden, besteht einfach darin, es sehr dick herzustellen, wobei das Silizium in Wafer gefertigt wird, die circa 500 µm dick sind, und diese Wafer so ausgerichtet werden können, dass die Röntgenstrahlen auf den Rand einfallen und die Tiefe des Siliziums kann, falls erforderlich, so groß wie der Durchmesser des Wafer sein.
Eine weitere Methode um Silizium tief genug herzustellen, um eine hohe Effizienz zu erhalten, ist im Patent US5889313 von Sherwood Parker „Three dimensional architecture for solid state radiation detectors“ 1999 dargelegt, wobei dies ein erfindungsgemäßes Verfahren ist, aber einige nicht standardisierte Produktionsverfahren involviert, die der Grund dafür sein können, dass es bei kommerziellen Bilderzeugungsdetektoren nicht eingesetzt wurde.
Die erste Erwähnung eines kristallinen Silizium-Streifendetektors mit einer randgerichteten Geometrie als Röntgendetektor, die wir finden konnten, ist R. Nowotny: „Application Of Si-Microstrip-Detectors In Medicine And Structural Analysis“ Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 226 (1984) 34-39. Darin wird schlussgefolgert, dass Silizium bei niedrigen Energien, wie zum Beispiel bei der Bildgebung einer Brust, aber nicht bei höheren Energien, wie zum Beispiel einer Computertomographie, hauptsächlich aufgrund des höheren Anteils von Compton-Streuung und damit verbundenen Problemen arbeitet.
Die randgerichtete Geometrie für Halbleiter-Detektoren wird auch in US4937453 von Robert Nelson „X-ray detector for radiographic imaging“ (edge-on), in US5434417 von David Nygren „High resolution energy-sensitive digital X-ray“ und der Patentanmeldung US2004/0251419 von Robert Nelson vorgeschlagen. In der Patentanmeldung US2004/0251419 werden randgerichtete Detektoren für eine sogenannte Compton-Bilderzeugung verwendet, wobei die Energie und Richtung der Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung gemessen wird, um eine Schätzung der Energie des originären Röntgenstrahls zu erstellen. Das Verfahren der Compton-Bilderzeugung wurde in der Literatur lange Zeit heftig diskutiert, setzt aber hauptsächlich Energien ein, die höher als die sind, die bei der Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlen, wie zum Beispiel einer Positron-Emissionstomographie, verwendet werden. Die Compton-Bilderzeugung betrifft nicht die vorliegende Erfindung.
In einer Arbeit von S Shoichi Yoshida, Takashi Ohsugi „Application of silicon strip detectors to X-ray computed tomography" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 541 (2005) 412-420 wird eine Umsetzung des randgerichteten Konzepts dargelegt. Bei dieser Umsetzung reduzieren dünne Tungsten-Platten, die zwischen einem randgerichteten Silizium-Streifendetektor platziert sind, den Hintergrund von gestreuten Röntgenstrahlen und verbessern den Bildkontrast bei einer niedrigen Dosis. Die Umsetzung ist sehr ähnlich dem, was von R. Nowotny in „Application Of Si-Microstrip-Detectors In Medicine And Structural Analysis" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 226 (1984) 34-39 vorgeschlagen wurde.
Mehrere Vorschläge wurden für photonenzählende Halbleiter-Detektoren gemacht, die auf High-Z-Materialien, wie z. B. CdZnTe, basieren und es wurden auch klinische Bilder mit Detektor-Prototypen erstellt. Der Nachteil dieser Materialien sind die Kosten und der Mangel an Erfahrung bei Produktionsmengen.
Es besteht eine beachtliches Interesse an photonenzählenden Detektoren insbesondere bei der medizinischen Bilderzeugung, aber bisher gibt es keine funktionierende kommerzielle Lösung für höhere Energien als circa 40 keV. Dies liegt an den Problemen zur Fertigung von Detektoren aus möglichen und jederzeit verfügbaren Materialien; exotische High-Z-Halbleiter sind immer noch teuer und unerprobt. Silizium hat bei niedrigeren Energien funktioniert, aber bei höheren Energien wurde das Problem eines hohen Anteils an Compton-Streuung ein Hinderungsproblem zusammen mit einem funktionierenden Systemaufbau eines Detektors, der die geometrischen Erfordernisse z. B. von heutigen CT-Modalitäten hinsichtlich einer Kombination einer hohen Direktionseffizienz in Bezug auf Geometrie und Absorption erfüllt.
Die WO 2009/058092 A1 , US 7,342,233 B2 , WO 2008/059425 A2 , US 2002/0018543 A1 , WO 2004/027453 A1 und US 7,208,739 B1 zeigen bekannte photonenzählenden Siliziumdetektoren, die teilweise mit einer Mehrzahl von Halbleiter-Detektormodulen ausgebildet sind, sowie entsprechende Detektionsverfahren.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine generelle Aufgabe, eine Siliziumdetektor-Anordnung zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen photonenzählenden Siliziumdetektor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Eine Grundidee besteht darin, einen Siliziumdetektor zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlen bereitzustellen, der auf mehreren Halbleiter-Detektormodulen basiert, die gemeinsam eine Gesamt-Detektorfläche bilden. Jedes Halbleiter-Detektormodul weist einen Röntgensensor aus kristallinem Silizium auf, der mit seinem Rand zu den ankommenden Röntgenstrahlen ausgerichtet ist und an eine integrierte Schaltung zur Erfassung der Röntgenstrahlen angeschlossen ist, die im Röntgensensor durch den photoelektrischen Effekt und die Compton-Streuung und auf eine einfallende Röntgenenergie zwischen 40 keV und 250 keV interagieren, um die Raum- und Energieinformationen aus diesen Interaktionen bereitzustellen, um ein Bild eines Objekts zu ermöglichen. Darüber hinaus sind Anti-Streuungs-Module zumindest zwischen einer Teilmenge der Halbleiter-Detektormodule eingelegt, um zumindest teilweise die Röntgenstrahlen Compton-Streuung zu absolvieren.
Vorzugsweise umfasst jedes Anti-Streuungs-Modul eine Folie aus einem relativ schweren Material, um zu verhindern, dass die meisten der Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung in einem Halbleiter-Detektormodul ein benachbartes Detektormodul erreichen.
In einer bevorzugten Ausführung ist jedes der Halbleiter-Detektormodule beispielhaft als Multi-Chip-Modul (MCM) implementiert und die integrierte Schaltung weist zumindest zwei integrierte Schaltkreise auf, die durch eine Flip-Chip-Technik kontaktiert sind. Es sollte jedoch so verstanden werden, dass es möglich ist, Ausführungen einzusetzen, wobei das Halbleiter-Detektormodul lediglich einen einzigen integrierten Schaltkreis aufweist.
Insgesamt gesehen will die vorliegende Erfindung diese Probleme überwinden, wodurch photonenzählende Detektoren auch für Anwendungen mit höheren Röntgenstrahlenergien realisiert werden können.
Die Erfindung kann in vielen unterschiedlichen Anwendungen einschließlich einer Computertomographie, Sicherheitsüberprüfung und zerstörungsfreien Prüfung verwendet werden.
Weitere durch die vorliegende Erfindung offerierten Vorzüge und Merkmale werden nach der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung verständlich.
Figurenliste
Die Erfindung kann samt deren weiteren Aufgaben und Vorzügen am besten mit Bezug auf die nachfolgende Beschreibung zusammen mit den anliegenden Zeichnungen verstanden werden, worin:

1 eine schematische Ansicht eines Röntgendetektors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist.
2 eine schematische Ansicht ist, die ein Beispiel eines Halbleiter-Detektormoduls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht,
3 eine schematische Ansicht ist, die ein Beispiel eines Halbleiter-Detektormoduls gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
4 eine schematische Ansicht ist, die ein Halbleiter-Detektormodul veranschaulicht, das als Multi-Chip-Modul gemäß einer beispielhaften Ausführungsform implementiert ist.
5 eine schematische Ansicht ist, die ein Beispiel veranschaulicht, wie mehrere Halbleiter-Detektormodule nebeneinander positioniert werden können, um einen gesamten Röntgendetektor zu bilden.
6 eine schematische Ansicht ist, die ein Beispiel eines Halbleiter-Detektormoduls gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
7 eine schematische Ansicht ist, die unterschiedliche Beispiele veranschaulicht, wie Halbleiter-Detektormodule nebeneinander mit Anti-Streuungs-Folien positioniert werden können, welche zwischen den Detektormodulen positioniert sind.
8 eine schematische Ansicht ist, die ein Beispiel veranschaulicht, wie Halbleiter-Detektormodule in einer Tiefe, in der Richtung der einfallenden Röntgenstrahlen segmentiert werden können.
9 eine schematische Ansicht ist, die ein Beispiel veranschaulicht, wie die integrierten Schaltungen eines Halbleiter-Detektormoduls vor einer ionisierenden Strahlung geschützt werden können.
10a-c verschiedene schematische Ansichten sind, die ein Beispiel einer Anordnung von Halbleiter-Detektormodulen in zwei Lagen (B) veranschaulicht, um eine lückenlose Kachelung der Halbleiter-Detektormodule zu ermöglichen.
10d ein Beispiel eines mechanischen Rahmens für die Halbleiter-Detektormodule veranschaulicht.
11 eine schematische Ansicht ist, die ein Beispiel veranschaulicht, wie ein vollständiger Detektor in zwei Hälften aufgebaut und lückenlos zusammengebaut werden kann, um einen breiteren Detektor zu bilden.
12 eine schematische Ansicht ist, die Beispiele veranschaulicht, wie Halbleiter-Detektormodule relativ zueinander versetzt werden können, um eine räumliche Auflösung zu optimieren.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine Grundidee besteht darin, einen Siliziumdetektor zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlen bereitzustellen, der auf mehreren Halbleiter-Detektormodulen basiert, die gemeinsam eine Gesamt-Detektorfläche bilden, wobei jedes Halbleiter-Detektormodul einen Röntgensensor aus kristallinem Silizium aufweist, der mit seinem Rand zu den ankommenden Röntgenstrahlen ausgerichtet ist und an eine integrierte Schaltung zur Erfassung der Röntgenstrahlen angeschlossen ist, die im Röntgensensor durch den photoelektrischen Effekt und die Compton-Streuung und auf eine einfallende Röntgenenergie zwischen 40 keV und 250 keV interagieren, wobei die Raum- und Energieinformationen aus diesen Interaktionen bereitgestellt werden, um ein Bild des Objekts zu ermöglichen. Ferner sind Anti-Streuungs-Module zumindest zwischen einer Teilmenge der Halbleiter-Detektormodule eingelegt, um zumindest teilweise die Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung zu absolvieren.
Wie oben erwähnt, sind die Halbleiter-Detektormodule, von denen jedes einen Röntgensensor umfasst, zusammen gekachelt bzw. „tiled together“, um einen vollständigen Detektor einer nahezu beliebigen Größe mit einer nahezu perfekten geometrischen Effizienz mit Ausnahme eines Anti-Streuungs-Rasters zu bilden, das zwischen zumindest einige der Halbleiter-Detektormodule integriert ist. Die Röntgensensoren sind an integrierte Schaltungen angeschlossen, die sowohl Informationen aus Röntgenstrahlen, die in den Sensoren eine Compton-Streuung erzeugen, als auch aus Röntgenstrahlen verwenden, die durch den photoelektrischen Effekt reagieren. Diese Informationen werden verwendet, um das endgültige Bild mit einem optimalen Kontrast für eine bestimmte Bilderzeugungsaufgabe zu rekonstruieren. Vorzugsweise kann die Energie für jeden Röntgenstrahl mit den kombinierten Informationen der deponierten Energie im Halbleiter-Sensor und der Interaktionstiefe des Röntgenstrahls abgeleitet werden. Das Anti-Streuungs-Raster, das normalerweise aus einem relativ schweren Material hergestellt ist, schneidet nicht nur die Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung vom Objekt ab, sondern verhindert außerdem, dass Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung in den Halbleiter-Sensoren andere Sensoren erreichen. Diese Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung würden ansonsten hauptsächlich das Rauschen vergrößern.
Vorzugsweise umfasst jedes Anti-Streuungs-Modul eine Folie aus einem relativ schweren Material, um zu verhindern, dass die meisten Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung in einem Halbleiter-Detektormodul ein benachbartes Detektormodul erreichen.
1 ist eine schematische Ansicht eines Röntgensensors gemäß einer exemplarischen Ausführungsform. In diesem Beispiel ist eine schematische Ansicht eines Röntgensensors (A) mit einer Röntgenstrahlenquelle (B) dargestellt, die Röntgenstrahlen (C) emittiert. Die Elemente des Detektors (D) sind zurück zur Quelle gerichtet und somit vorzugsweise in einer leicht gebogenen Gesamtkonfiguration angeordnet. Zwei mögliche Scann-Bewegungen (E, F) des Detektors sind gekennzeichnet. In jeder Scann-Bewegung kann die Quelle stationär sein oder sich bewegen, wobei in der durch (E) gekennzeichneten Scann-Bewegung sich die Röntgenquelle und der Detektor um ein dazwischen positioniertes Objekt gedreht werden. In der mit (F) gekennzeichneten Scann-Bewegung können der Detektor und die Quelle relativ zum Objekt versetzt werden oder das Objekt kann sich bewegen, wenn es z. B. auf einem Förderband positioniert ist. In der Scann-Bewegung (E) kann das Objekt auch während der Drehung, einem so genannten spiralförmigen Scannen, versetzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die aus kristallinem Silizium hergestellten Halbleiter-Sensoren verwendet, um die Röntgenstrahlen in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Um die Röntgenstrahlen zu absorbieren, ist der Sensor mit seinem Rand zu den ankommenden Röntgenstrahlen ausgerichtet und die Tiefe sollte ausreichend sein, um zumindest mehr als 50 % der einfallenden Röntgenstrahlen zu absorbieren, wobei für eine Anwendung in der Computertomographie die Tiefe circa 30 mm betragen sollte. Der Halbleitersensor ist circa 0,5 mm dick und ist vorzugsweise in Pixel unterteilt und jedes Pixel ist z. B. als in Sperrrichtung vorgespannte Diode ausgebildet, die völlig verarmt sein sollte, sodass das ganze Volumen als Sensor für die Röntgenstrahlen arbeitet. In einer beispielhaften Anwendung kann die Breite der Pixel circa 0,4 mm betragen. In einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform sollte jede Pixel-Diode in Tiefensegmente unterteilt sein, um die Zählrate zu reduzieren, wobei die Länge dieser Tiefensegmente vorzugsweise exponentiell variieren sollte, um sicherzustellen, dass die Erfassungsrate, die mit der Tiefe exponentiell abnimmt, annähernd gleich bleibt.
2 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Halbleiter-Detektormoduls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. Dies ist ein Beispiel eines Halbleiter-Detektormoduls (A) mit dem in Pixel (B) aufgeteilten Sensorteil, wobei jedes Sensorpixel z. B. durch eine Diode gebildet ist. Die Röntgenstrahlen (C) treten durch den Rand (D) des Halbleitersensors ein.
3 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Halbleiter-Detektormoduls gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform veranschaulicht. In diesem Beispiel ist das Sensorteil (A) des Halbleiter-Detektormoduls in Pixel (B) aufgeteilt, wobei jedes Sensorpixel durch eine Diode gebildet ist. In diesem Fall ist das Halbleiter-Sensorteil unter der Annahme, dass die Röntgenstrahlen (C) durch den Rand (D) eintreten, ebenfalls in sogenannte Tiefensegmente in der Tiefenrichtung aufgeteilt.
Die Halbleiter-Sensoren können auch als so genannte Multi-Chip-Module in dem Sinne verwendet werden, dass sie als Basis-Substrate für eine elektrische Leitungsführung und eine Anzahl von Application Specific Integrated Circuits (ASICs) verwendet werden, die vorzugsweise durch eine so genannte Flip-Chip-Technik angeschlossen sind. Die Leitungsführung umfasst einen Anschluss für das Signal von jedem Pixel zum ASIC-Eingang sowie Verbindungen vom ASIC zu einem externen Speicher und/oder einer digitalen Datenverarbeitung. Die Energie für die ASICs kann über eine gleichartige Leitungsführung unter Berücksichtigung des Anstiegs des Querschnitts bereitgestellt werden, der für die großen Ströme in den Anschlüssen erforderlich ist, aber die Energie kann auch über einen separaten Anschluss bereitgestellt werden. Die ASICs sind auf der Seite des aktiven Sensors positioniert und dies bedeutet, dass sie vor den einfallenden Röntgenstrahlen geschützt sind, wenn eine absorbierende Abdeckung auf der Oberseite platziert ist, und sie können auch vor den Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung von der Seite geschützt werden, indem ein Absorber auch in diese Richtung positioniert ist. Dies kann wesentlich sein, da Röntgenstrahlen die ASICs schädigen und sowohl kurz- als auch langfristig Fehler hauptsächlich durch eine Aufladung der Oxidschichten im ASIC verursachen können.
In einer bevorzugten exemplarischen Ausführungsform basieren die ASICs auf Silizium und sind durch eine komplementäre Metall-Oxyd-Halbleiter-(CMOS)Technik hergestellt.
4 ist eine schematische Ansicht, die ein Halbleiter-Detektormodul veranschaulicht, das als Multi-Chip-Modul gemäß einer beispielhaften Ausführungsform implementiert ist. Dieses Beispiel zeigt, dass der Halbleitersensor auch die Funktion eines Substrats (A) in einem Multi-Chip-Modul (MCM) aufweisen kann. Das Signal wird von den Pixel (C) zu Eingängen von integrierten Schaltungen mit paralleler Ansteuerung (z. B. ASICs) geleitet, die neben der aktiven Sensorfläche positioniert sind. Es sollte jedoch so verstanden werden, dass der Ausdruck integrierte Schaltung mit paralleler Ansteuerung (ASIC) im weitesten Sinne als irgendeine generelle integrierte Schaltung zu interpretieren ist, die für eine spezielle Anwendung verwendet wird und konfiguriert ist. Die ASICs verarbeiten die elektrische Ladung, die von jedem Röntgenstrahl erzeugt wird, und wandeln diese digitale Daten um, die zum Abschätzen der Energie verwendet werden können. Die ASICs sind zum Anschluss an eine digitale Datenverarbeitungsschaltung konfiguriert, so dass die digitalen Daten zur einer weiteren digitalen Datenverarbeitung (E) und Speichereinheiten gesendet werden können, die außerhalb des MCM angeordnet sind, und letztlich bilden die Daten die Eingabe für das rekonstruierte Bild.
In den ASICs wird das Signal von jedem Röntgenstrahl gemessen und die deponierte Energie von jedem Röntgenstrahl geschätzt. Die gemessene Energie jedes Röntgenstrahls wird verwendet, um den Kontrast von gewünschten Elementen im Bild zu erhöhen. Um dies zu erreichen, werden Energieinformationen verwendet, um ein elektronisches Rauschen aus den Röntgenstrahlen zu separieren, die im Halbleitersensor eine Compton-Streuung aus den Röntgenstrahlen bilden, die durch den Fotoeffekt reagieren. Die Informationen werden vorzugsweise zusammen gewichtet, um den Kontrast für gewünschte Elemente und Strukturen im Objekt zu maximieren. Hierbei gibt es auch einige Energieinformationen aus der Messung der Interaktionstiefe des Röntgenstrahls, welche durchgeführt wird, da damit nachverfolgt werden kann, von welchem Tiefensegment der Röntgenstrahl konvertiert wurde. Dies ist insbesondere für die Röntgenstrahlung mit Compton-Streuung im Detektor von Bedeutung, da die Energie für diese Röntgenstrahlen unsicherer sein wird, da lediglich ein Teil der ursprünglichen Energie im Halbleitersensor deponiert wurde.
Für kleinere Pixel kann es erforderlich sein, eine Ladungsverteilung zwischen den Pixel zu berücksichtigen, die, falls sie nicht korrigiert wird, die Informationen für diese Events verschlechtert. da ein Event sonst irrtümlich als zwei Events mit einer niedrigeren Energie aufgefasst wird.
Die Kombination der ASIC-Elektronik und Halbleitersensoren sollte idealerweise eine nicht-paralysibare Totzeit aufweisen, die kurz genug ist, um mit einem hohen Röntgenstrahl-Fluss mitzuhalten und ein so genanntes Pile-up zu verhindern, was bedeutet, dass zwei Events irrtümlich für einen Event mit der kombinierten Energie von zwei dazu beisteuernden Events aufgefasst werden. Die Totzeit kann korrigiert werden, damit keine Artifakte im Bild erzeugt werden, bedeutet aber einen Verlust an Bildqualität und sollte so gering wie möglich gehalten werden. Es ist möglich, die Pile-up-Events mit einer Energie zu diskriminieren, die die Maximalenergie der einfallenden Röntgenstrahlen überschreitet, da dies physikalisch unmöglich ist.
5 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel veranschaulicht, wie mehrere Halbleiter-Detektormodule nebeneinander positioniert werden können, um einen gesamten Röntgendetektor zu bilden. In diesem speziellen Beispiel werden mehrere Multi-Chip-Module (MCMs) (A) gemäß 4 nebeneinander positioniert, um einen gesamten Röntgendetektor zu bilden. Zwischen die MCMs werden Sheets mit einem schweren Element (wie z. B. Tungsten) (B) eingefügt, um Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung in den Halbleitersensoren (C) oder im Objekt (D) zu absorbieren, da diese Röntgenstrahlen ansonsten zum Rauschen im Bild führen würden.
6 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Halbleiter-Detektormoduls gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Dieses Beispiel veranschaulicht einem Multi-Chip-Modul (A), wobei die ASICs (B) über die Fläche des Sensors verteilt sind, um eine Kapazität am Eingang der ASICs zu minimieren. Die Kapazität verstärkt das elektronische Rauschen, das einen unvorteilhaften Einfluss auf die Bildqualität haben kann. Das Verteilen der ASICs über den Halbleitersensor bedeutet, dass die Leitungslänge, die proportional zur Kapazität ist, viel kürzer sein kann. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass die ASICs einer direkten Röntgenstrahlung (C) ausgesetzt werden, die schädlich sein kann, und außerdem dass die ASICs Platz beanspruchen und eine sehr dichte Packung unmöglich machen, es sei denn, sie werden sehr dünn gefertigt. Es ist sogar vorstellbar, dass die ASICs zu einem großen ASIC zusammengeschlossen werden, der einen größeren Teil des Sensors oder den gesamten Halbleitersensor bedeckt. Es ist daher so zu verstehen, dass es möglich ist, Ausführungen einzusetzen, wobei das Halbleiter-Detektormodul lediglich eine einzige integrierte Schaltung aufweist.
7 ist eine schematische Ansicht, die unterschiedliche Beispiele veranschaulicht, wie Halbleiter-Detektormodule nebeneinander mit Anti-Streuungs-Folien positioniert werden können, welche zwischen den Detektormodulen positioniert sind. In diesem Beispiel ist gezeigt, dass mehrere Detektormodule, wie z. B. Multi-Chip-Module (A) nebeneinander wie in 5 mit den aus schwerem Material (B) hergestellten Sheets positioniert sind. Die Sheets können, wie links dargestellt, zwischen jedem MCM oder, wie beispielsweise rechts dargestellt, zwischen jedem dritten abhängig davon positioniert werden, was den Signal-Rausch-Abstand optimiert.
8 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel veranschaulicht, wie Halbleiter-Detektormodule in einer Tiefe; in der Richtung der einfallenden Röntgenstrahlen segmentiert werden können. Dieses Beispiel veranschaulicht Halbleiter-Detektormodule (A) mit einer Abschirmung (B) und mit einer Tiefen-Segmentierung mit einem Top- (C) und einem Boden-Segment (D). Auf der linken Seite ist das Halbleiter-Detektormodul relativ zu den von der Quelle einfallenden Röntgenstrahlen ausgerichtet. Auf der rechten Seite ist das Halbleiter-Detektormodul in Bezug auf die Röntgenstrahlen von der Quelle nicht ausgerichtet. Eine mechanische Ausrichtung kann eine Herausforderung für lange Halbleiterdetektoren sein und eine Fehlausrichtung kann Artifakte im Bild verursachen, da Teile der Halbleitersensor-Fläche durch die dazwischen eingefügten Sheets aus schwerem Material beschattet werden können. Ein Volumen des beschatteten Detektormoduls (E) ist auf der rechten Seite gekennzeichnet. Durch die Segmentierung des Halbleiter-Detektormoduls in der Tiefe kann dies gemessen und diesbezüglich korrigiert werden. Der erwartete Anteil von erfassten Röntgenstrahlen in den Top- und Boden-Segmenten ist für jedes Objekt und eine Bilderzeugungseinrichtung mittels Röntgenstrahlen halbwegs bekannt. Dieses Wissen kann zur Normalisierung des gemessenen Anteils verwendet werden und dadurch werden jegliche Artifakte wirksam unterdrückt.
Die Länge der Tiefensegmente wird beispielsweise so gewählt, dass die Zählrate im Segment, das die meisten Röntgenstrahlen zählt, weniger als um einen Faktor 10 höher im Vergleich zum Tiefensegment ist, das die mittlere Anzahl von Röntgenphotonen im Vergleich zu den anderen Segmenten zählt.
Die Länge der Tiefensegmente kann auch so gewählt werden, dass die Zählrate im Segment, das die wenigsten Röntgenstrahlen zählt, niedriger als ein Faktor 10 im Vergleich zum Tiefensegment ist, das die mittlere Anzahl von Röntgenphotonen im Vergleich zu den anderen Segmenten zählt.
9 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel veranschaulicht, wie die integrierten Schaltungen eines Halbleiter-Detektormoduls vor einer ionisierenden Strahlung geschützt werden können. Die ASICs können empfindlich gegenüber einer ionisierenden Strahlung wie zum Beispiel Röntgenstrahlen (A) sein und in diesem Beispiel ist gezeigt, wie sie durch Hinzufügen von Absorbern aus schwerem Material (B), wie z. B. Tungsten oder Kupfer, zwischen das bestrahlte Volumen und den ASICs sehr wirksam geschützt werden können. Das Abschirmensmaterial wird die ASICs somit vor der Strahlung von oben (A) und der gestreuten von der Seite (C) schützen. Das Sheet (D) aus schwerem Material, das primär eingefügt ist, um die in die Halbleiter-Detektoren und das Objekt gestreuten Röntgenstrahlen zu absorbieren dient auch als Strahlungsschutz für die ASICs. Um wie oben beschrieben zu verhindern, dass Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung in den Halbleitersensoren die anderen Halbleitersensoren erreichen, ist eine Folie aus einem Röntgenstrahl absorbierenden Material zumindest zwischen einige der Detektormodule eingefügt. Die Folien sollten vorzugsweise aus einem schweren Material mit einer hohen Atomzahl, wie z. B. Tungsten, hergestellt sein
Es wurde darüber hinaus erkannt, dass ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des gesamten Detektors die Anordnung der Halbleiter-Detektormodule in einer Anzahl von Lagen ist, wobei die Anzahl der Lagen gleichgroß oder größer als 2 ist. Die Lagen n werden auch als Schichten bezeichnet und die gesamte Detektorstruktur wird somit als Mehrschicht-Detektor bezeichnet, wobei die verschiedenen Schichten im Wesentlichen in der Richtung der einfallenden Röntgenstrahlen angeordnet sind.
Bei Zweischicht-Halbleiter-Detektormodulen kann z. B. ein erster Satz von Detektormodulen in einer oberen Schicht angeordnet sein und ein zweiter Satz von Detektormodulen in einer unteren Schicht angeordnet sein.
Die Detektormodule von einer der Schichten sind vorzugsweise in Bezug auf die Detektormodule einer anderen der Schichten gestaffelt (versetzt), um eine effiziente geometrische Abdeckung einer aktiven Detektorfläche und/oder eine effiziente Auflösung zu erreichen. Normalerweise werden die Detektormodule von einer der Schichten mit einem vorgegebenen Versatz in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zu den einfallenden Röntgenstrahlen in Bezug auf die Detektormodule einer anderen Schicht angeordnet, um eine effiziente aktive Detektorfläche zu ermöglichen.
10a - c sind verschiedene schematische Ansichten, die ein Beispiel einer Anordnung von Halbleiter-Detektormodulen in zwei Schichten oder Lagen (B) veranschaulicht, um eine lückenlose Kachelung der Halbleiter-Detektormodule zu ermöglichen. Dieses Beispiel zeigt eine mechanische Anordnung von Detektormodulen, wie z. B. MCMs (A), in zwei Lagen (B), um eine lückenlose Kachelung der Halbleitersensoren zu ermöglichen. Außerdem ist jeweils eine vergrößerte Ansicht von beiden Ansichten dargestellt. Der Abstand (C) zwischen den Detektormodulen (z. B. MCMs) ermöglicht eine effiziente Kühlung der ASICs, die eine signifikante Energie verbrauchen kann. Eine Wärmeausdehnung ist dafür ausgewiesen, da jeder MCM separat fixiert ist und die Ausdehnung sich nicht summiert, was der Fall sein würde, wenn sie in direktem Kontakt miteinander nebeneinander positioniert wären. Die mechanische Anordnung gemäß der Figur lässt auch Raum für Anschlüsse für einen Datentransfer und zur Energieversorgung. Sie erleichtert zudem eine Montage und eine exakte Ausrichtung.
Obwohl ein Zwischenraum zwischen den Detektormodulen in jeder einzelnen Schicht oder Lage besteht, sind die Detektormodule des gesamten geschichteten Siliziumdetektors mit einer minimalen Detektor-Totfläche in beiden Richtungen senkrecht zu den einfallenden Röntgenstrahlen angeordnet oder gekachelt.
Die Halbleiter-Detektormodule werden gemäß 10a-c in eine mechanische Vorrichtung/einen mechanischen Rahmen gesetzt, wobei jedes Halbleiter-Detektormodul einschließlich Sensor zu einer vorgesehenen Röntgenstrahlquelle zurückweist, was auch für die einzelnen Pixel im Halbleitersensor des Detektormoduls gelten sollte.
In einem bevorzugten Beispiel stellt die gestaffelte Anordnung mit mehrfachen (zwei oder mehr) Lagen eine Einrichtung für die Vorrichtung/den Rahmen bereit, um jedes Halbleiter-Detektormodul einschließlich des aktiven Sensors zu halten und exakt zu positionieren, während eine maximale geometrische Abdeckung der aktiven Detektorfläche für die einfallenden Röntgenstrahlen ermöglicht wird. Darüber hinaus wird Platz für die ASICs und die Ausleseelektronik bereitgestellt. Ein Beispiel eines geeigneten mechanischen Rahmens für Halbleiter-Detektormodule ist in 10d dargestellt. Präzisionsausrichtungsvorrichtungen (gepunktete Flächen in 10d) für jedes Halbleiter-Detektormodul (einschließlich Sensor), vorzugsweise eines Kinematiktyps, sind in der mechanischen Vorrichtung/im mechanischen Rahmen ausgebildet. Die Halbleiter-Detektormodule (einschließlich der Sensoren) werden gegenüber diesen Ausrichtungsvorrichtungen durch vorzugsweise elastische Halteanordnungen/-einrichtungen gehalten/gesichert/arrettiert. Es ist hervorzuheben, dass die in 10d dargestellte Lösung lediglich ein Beispiel einer realisierbaren Lösung ist. Eine Anordnung, bei der die Präzisionsausrichtung der Halbleitersensoren durch die mechanische Vorrichtung/den mechanischen Rahmen vorgesehen ist, stellt sicher, dass alle Halbleitersensoren in einer exakt bekannten Position gehalten werden und dass sich die einzelnen Sensor-Toleranzen nicht über die ganze Struktur hinweg summieren, wobei ihre Ausrichtung ruiniert wird. Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Mehrlagen-Anordnung besteht darin, dass lediglich die eventuell nicht aktiven Schichten auf den Halbleiter-Detektormodulen (Streuungs-Abschirmung, Leitungsführungsschicht, Passivierungsschicht, usw.) auf der oberen Lage im Röntgenstrahl positioniert werden müssen, wobei die geometrische Abdeckung der aktiven Detektorfläche somit sogar noch weiter vergrößert werden kann.
Darüber hinaus muss die Wärmeausdehnung des Vorrichtungs-/Rahmenmaterials in dieser Anordnung nicht auf die Wärmeausdehnung des Sensormaterials (hierbei Silizium) abgeglichen werden, was bedeutet, dass es aus einem Standardmaterial, wie z. B. Aluminium, hergestellt werden kann, das auf einfache Weise in die gewünschte Form bearbeitet werden kann und jederzeit verfügbar ist. Der Aufbau ermöglicht zudem eine effiziente Luftkühlung der ASICs und MCMs, wenn Luft durch den Abstand zwischen den MCMs gedrückt/geblasen wird, da ein großer Oberflächenbereich für den Wärmeaustausch zwischen der Luft und den MCMs gegeben ist. Die MCMS fungieren selbst als Kühlrippen.
11 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel veranschaulicht, wie ein vollständiger Detektor in zwei Hälften aufgebaut und lückenlos zusammengebaut werden kann, um einen breiteren Detektor zu bilden. Dieses Beispiel zeigt, dass ein vollständiger Detektor in zwei Hälften (A) aufgebaut und lückenlos zusammengebaut werden kann, um einen breiteren Detektor zu bilden, wie dies auch in einer vergrößerten Ansicht dargestellt ist. Dies würde die Kosten erhöhen und zudem würde der Anteil der Streustrahlung vom Objekt ansteigen, wodurch das Rauschen zunehmen würde. Es kann allerdings doch wünschenswert sein, da ein breiterer Detektor die Bilderfassungszeit reduziert, was bei einer Bilderzeugung von sich bewegenden Objekten, wie z. B. dem menschlichen Herzen, von Bedeutung ist.
Um die räumliche Auflösung zu erhöhen, können die einzelnen Halbleitersensoren relativ zueinander in die 90°-Richtung zur Scann-Richtung versetzt werden, wie dies in 12 gezeigt ist. 12 ist eine schematische Ansicht, die Beispiele veranschaulicht, wie Halbleiter-Detektormodule relativ zueinander versetzt werden können, um eine räumliche Auflösung zu optimieren. Um die räumliche Auflösung für einen scannenden Detektor zu optimieren, kann die mechanische Anordnung der Halbleiterdetektoren senkrecht zur Scann-Richtung relativ zueinander um einen bekannten Bruchteil (A) der aktuellen Pixelgröße (B) des Halbleitersensors versetzt werden. Die Figur zeigt zwei Beispiele davon; eines, bei dem jedes Pixel in Bezug zum benachbarten Detektorpixel um 1/3 (C) versetzt ist, sowie ein Beispiel mit einem Versatz von 1/5 (D). Genauer gesagt kann der Versatz zwischen einem halben Pixel und einem Zehntel eines Pixels betragen.
Der wie oben beschrieben zusammengebaute Detektor kann zur Computertomographie aber auch für andere Bilderzeugungsanwendungen, wie z. B. eine Sicherheitsüberprüfung und zerstörungsfreie Prüfung eingesetzt werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung platziert die ASICs auf der Oberseite der Halbleitersensoren, wobei diese Anordnung die für die MCMs benötigte Fläche reduzieren würde. Außerdem und noch wichtiger würde dies die Eingangskapazität am ASIC reduzieren, wodurch die Leistung gesteigert wird und das Rauschen reduziert wird, was für die Bildqualität vorteilhaft ist. Die größte Herausforderung dieser Anordnung besteht darin, dass die ASICs der Strahlung ausgesetzt werden, wodurch sowohl kurz- als auch langfristig eine Funktionsstörung erzeugt werden kann, wobei dies jedoch mit speziellen Designprozessen für das ASIC gemildert werden kann. Ein Problem ist auch, dass die ASICs die in dieser Konfiguration die darunter positionierten Halbleitersensoren abdecken und die im ASIC absorbierten Röntgenstrahlen lediglich zur Dosis und nicht zur Bildqualität beitragen. Diese Absorption kann außerdem Artifakte im Bild verursachen.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen sollten lediglich als einige erläuternde Beispiele der vorliegenden Erfindung verstanden werden. Dem Durchschnittsfachmann wird einleuchten, dass zahlreiche Modifikationen, Kombinationen und Veränderungen der Ausführungsformen erfolgen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere können unterschiedliche Teillösungen in den verschiedenen Ausführungsformen, wo technisch möglich, in anderen Konfigurationen kombiniert werden. Der Umfang der Erfindung ist jedoch durch die anhängigen Ansprüche definiert.
LITERATURHINWEISE

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US5889313 Sherwood Parker „Three dimensional architecture for solid state radiation detectors“ 1999
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US5434417 David Nygren „High resolution energy-sensitive digital X-ray“
US2004/0251419 patent application, Robert Nelson

Claims

Photonenzählender Siliziumdetektor zur Bilderzeugung eines Objekts mittels Röntgenstrahlen, - wobei der Detektor auf mehreren Halbleiter-Detektormodulen basiert, die gemeinsam eine Gesamt-Detektorfläche bilden, wobei jedes Halbleiter-Detektormodul einen Röntgensensor aus kristallinem Silizium aufweist, der mit seinem Rand zu den ankommenden Röntgenstrahlen ausgerichtet ist und an eine integrierte Schaltung zur Erfassung der Röntgenstrahlen angeschlossen ist, die im Röntgensensor durch den photoelektrischen Effekt und die Compton-Streuung und auf eine einfallende Röntgenenergie zwischen 40 keV und 250 keV interagieren, wobei die Raum- und Energieinformation aus diesen Interaktionen bereitgestellt werden, um ein Bild des Objekts zu ermöglichen, - wobei Anti-Streuungs-Module zumindest zwischen einer Teilmenge der Halbleiter-Detektormodule eingelegt sind, um zumindest teilweise die Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung zu absorbieren, - wobei die Halbleiter-Detektormodule in einer Anzahl von Schichten angeordnet sind, wobei die Anzahl der Schichten gleichgroß oder größer als 2 ist, - wobei die Schichten zum Erhalt eines geschichteten Siliziumdetektors in Richtung der einfallenden Röntgenstrahlen angeordnet sind und - wobei die Detektormodule von einer der Schichten in Bezug auf die Detektormodule von einer anderen der Schichten gestaffelt sind, um eine effiziente aktive Detektorfläche zu ermöglichen.
Siliziumdetektor nach Anspruch 1, wobei die Anti-Streuungs-Module zumindest teilweise Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung vom Objekt absorbieren und zumindest teilweise verhindern, dass Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung in einem Halbleiter-Detektormodul ein anderes Halbleiter-Detektormodul erreichen.
Siliziumdetektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes der Anti-Streuungs-Module eine Folie umfasst, die aus einer elementaren Zusammensetzung mit einer durchschnittlichen Atomzahl, die 25 überschreitet, und einer Dicke von weniger als 200 µm hergestellt ist, um zu verhindern, dass die meisten der Röntgenstrahlen mit Compton-Streuung in einem Halbleiter-Detektormodul ein benachbartes Detektormodul erreichen.
Siliziumdetektor nach Anspruch 1, wobei die Anti-Streuungs-Module zwischen jedes Detektormodul, jedes zweites Detektormodul, jedes drittes Detektormodul oder irgend eine Anzahl von Detektormodulen pro einer von weniger als 10 dazwischen eingefügter Folie abhängig vom erwünschten Signal-Rauschabstand eingelegt sind.
Siliziumdetektor nach Anspruch 1, wobei die integrierte Schaltung ermöglicht, dass eine Energie jedes Röntgenstrahls auf der Basis der kombinierten Informationen der deponierten Energie im jeweiligen Röntgensensor und der Interaktionstiefe des Röntgenstrahls abgeleitet wird.
Siliziumdetektor nach Anspruch 1, wobei jedes der Halbleiter-Detektormodule als Multi-Chip-Modul (MCM) implementiert ist, und die integrierte Schaltung zumindest zwei integrierte Schaltkreise aufweist, und die integrierten Schaltkreise als Flip-Chip kontaktiert sind.
Siliziumdetektor nach Anspruch 6 und wobei die integrierten Schaltkreise eine aus jedem Röntgenstrahl erzeugte elektrische Ladung verarbeiten, um die Ladung in digitale Daten zu konvertieren, und die elektrische Schaltung zum Anschluss an einen Bildbearbeitungsschaltkreis zur Rekonstruktion des Bilds des Objekts konfiguriert ist.
Siliziumdetektor nach Anspruch 1, wobei der Röntgensensor in eine Mehrzahl von Pixel in orthogonaler Richtung zur Tiefenrichtung unter der Annahme unterteilt ist, dass die Röntgenstrahlen durch den Rand des Röntgensensors eintreten.
Siliziumdetektor nach Anspruch 1 oder 8, wobei die Halbleiter-Detektormodule in zumindest zwei Tiefensegmente unterteilt sind, um ein Handling von hohen Raten eingehender Röntgenstrahlen zu ermöglichen.
Siliziumdetektor nach Anspruch 9, wobei die Länge der Tiefensegmente so gewählt ist, dass die Zählrate im Segment, das die meisten Röntgenstrahlen zählt, weniger als um einen Faktor 10 höher im Vergleich zum Tiefensegment ist, das die mittlere Anzahl von Röntgenphotonen im Vergleich zu den anderen Segmenten zählt.
Siliziumdetektor nach Anspruch 9, wobei die Länge der Tiefensegmente so gewählt ist, dass die Zählrate im Segment, das die wenigsten Röntgenstrahlen zählt, niedriger als ein Faktor 10 im Vergleich zum Tiefensegment ist, das die mittlere Anzahl von Röntgenphotonen im Vergleich zu den anderen Segmenten zählt.
Siliziumdetektor nach Anspruch 9, wobei jedes der Tiefensegmente an eine Einrichtung zur Messung der Energiedeponierung für jede Röntgenstrahl-Interaktion angeschlossen ist.
Siliziumdetektor nach Anspruch 9, wobei eine Datenverarbeitungsschaltung eine verbesserte Energieabschätzung für jeden einfallenden Röntgenstrahl basierend auf der Energie, wie sie von der integrierten Schaltung gemessen wurde, in Kombination mit der Kenntnis darüber berechnet, in welchem Tiefensegment die Interaktion stattgefunden hat.
Siliziumdetektor nach Anspruch 9, wobei die Datenverarbeitungsschaltung Events in mehreren Tiefensegmenten für Gesamt-Pixeldaten aufsummiert.
Siliziumdetektor nach Anspruch 9, wobei die Datenverarbeitungsschaltung die Zählrate in den oberen und unteren Tiefensegmenten mit einem erwarteten Anteil an Röntgenenergie vergleicht und das Ergebnis zur Korrektur von Ausrichtungsfehlern verwendet.
Siliziumdetektor nach Anspruch 1, wobei die Detektormodule von einer der Schichten mit einem vorgegebenen Versatz in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung zu den einfallenden Röntgenstrahlen in Bezug auf die Detektormodule von einer der anderen Schichten angeordnet sind.
Siliziumdetektor nach Anspruch 1 oder 16, wobei die Detektormodule einer individuellen Schicht beabstandet voneinander angeordnet sind, um eine thermische Ausdehnung und Kühlung und elektrische Anschlüsse zu ermöglichen.
Siliziumdetektor nach Anspruch 17, wobei die Halbleiter-Detektormodule in einem mechanischen Rahmen angeordnet sind, wobei jeder Halbleiter-Detektormodul einschließlich Sensor zu einer vorgesehenen Röntgenstrahlquelle zurückweist, und Präzisionsausrichtungsvorrichtungen im mechanischen Rahmen für jedes Halbleiter-Detektormodul vorgesehen sind, um jedes Halbleiter-Detektormodul zu halten und exakt zu positionieren, wobei eine maximale geometrische Abdeckung der aktiven Detektorfläche für die einfallenden Röntgenstrahlen ermöglicht wird.
Siliziumdetektor nach Anspruch 18, wobei die Halbleiter-Detektormodule in Bezug auf die Präzisionsausrichtungsvorrichtungen durch entsprechende Haltevorrichtungen gesichert sind.
Siliziumdetektor nach Anspruch 1, wobei die Halbleiter-Detektormodule in Verbindung mit einem Abschirmmaterial derart angeordnet sind, dass die integrierte Schaltung vor den einfallenden Röntgenstrahlen geschützt ist.
Siliziumdetektor nach Anspruch 1, wobei die Anti-Streuungs-Module zumindest bei einer Teilmenge der Halbleiter-Detektormodule dazwischen eingeschoben sind, um die integrierte Schaltung vor Röntgenstrahlen zu schützen, die in den Siliziumdetektor streuen.
Siliziumdetektor nach Anspruch 1, wobei die Halbleiter-Detektormodule derart angeordnet sind, dass eine Kachelung der Detektormodule mit einem minimalen Totbereich in beiden Richtungen senkrecht zu den einfallenden Röntgenstrahlen ermöglicht wird.
Siliziumdetektor nach Anspruch 1, wobei der Siliziumdetektor zum Scannen bezüglich des Objekts konfiguriert ist und die Halbleiter-Detektormodule derart angeordnet sind, dass sie relativ zueinander um einen bekannten Bruchteil der Pixelgröße in einer Richtung senkrecht zu einer Scann-Richtung des Siliziumdetektors versetzt sind.