DE19849772A1 - Szintillator für ein Mehrschnitt-Computer-Tomographie-System - Google Patents

Szintillator für ein Mehrschnitt-Computer-Tomographie-System

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Compu­ ter-Tomographie-(CT-)Abbildung und insbesondere Erfassungs­ einrichtungen, die in Verbindung mit CT-Systemen verwendet werden.
Zumindest bei einigen Computer-Tomographie-(CT-) Abbildungssystemanordnungen projiziert eine Röntgenstrahl­ quelle einen fächerförmigen Strahl, der parallel gerichtet ist, daß er in einer X-Y-Ebene eines kartesischen Koordina­ tensystems liegt, die im allgemeinen als Abbildungsebene be­ zeichnet wird. Der Röntgenstrahl fällt durch ein abgebildetes Objekt, wie einen Patienten. Nachdem der Strahl durch das Ob­ jekt gedämpft wurde, trifft er auf Array von Strahlungserfas­ sungseinrichtungen. Die Intensität der an dem Erfassungsarray empfangenen gedämpften Strahlung hängt von der Dämpfung des Röntgenstrahls durch das Objekt ab. Jedes Erfassungselement des Arrays erzeugt ein separates elektrisches Signal, das ein Maß der Strahldämpfung am Erfassungsort ist. Die Dämpfungsma­ ße von allen Erfassungseinrichtungen werden separat zur Er­ zeugung eines Übertragungsprofils erfaßt.
Bei bekannten CT-Systemen der dritten Generation drehen sich die Röntgenstrahlquelle und das Erfassungsarray mit einem Faßlager in der Abbildungsebene und um das abzubildende Ob­ jekt, so daß sich der Winkel, an dem der Röntgenstrahl das Objekt schneidet, konstant ändert. Röntgenstrahlquellen bein­ haltet typischerweise Röntgenröhren, die den Röntgenstrahl im Brennpunkt emittieren. Röntgenstrahlerfassungseinrichtungen beinhalten typischerweise einen Kollimator zur Kollimation von an der Erfassungseinrichtung empfangenen Röntgenstrahlen, einen an den Kollimator angrenzenden Szintillator und an den Szintillator angrenzende Photodioden.
Mehrschnitt-CT-Systeme werden zum Erhalten von Daten für eine erhöhte Anzahl von Schnitten während einer Abtastung verwen­ det. Bekannte Mehrschnitt-Systeme beinhalten typischerweise Erfassungseinrichtungen, die allgemein als dreidimensionale (3D-) Erfassungseinrichtungen bekannt sind. Bei derartigen dreidimensionalen Erfassungseinrichtungen bildet eine Viel­ zahl von Erfassungszellen separate in Spalten und Reihen an­ geordnete Kanäle.
Ein Szintillator für eine dreidimensionale Erfassungseinrich­ tung kann Szintillatorelemente mit Dimensionen von ungefähr 1 × 2 × 3 mm mit engen Spalten von nur wenigen Millimetern, beispielsweise um 0,004 Inch (0,1016 mm), zwischen angrenzen­ den Elementen aufweisen. Als Folge der geringen Größe und der großen Nähe der Elemente ist die Herstellung dieser Elemente schwierig. Des weiteren kann während des Gebrauchs ein auf ein Szintillatorelement auftreffendes Signal ungeeignet nach oben oder zu angrenzenden Elementen reflektiert werden, was ein Übersprechen und einen Auflösungsverlust erzeugt. Bei derart kleinen Szintillatorelementen kann auch die Größe des erzeugten optischen Signals gering sein, und jeder Verlust, der auftritt, kann die Signalqualität signifikant verschlech­ tern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Szintil­ latorelement auszugestalten, das die Größe des der Photodiode zugeführten optischen Signals durch Minimierung der durch das Element verlorengegangenen Lichtmenge erhöht. Das Szintilla­ torelement sollte auch eine erhöhte örtliche Auflösung auf­ weisen. Des weiteren sollte das Szintillatorelement auch ei­ nen Lichtabsorber beinhalten, um die Menge an zwischen an­ grenzenden Elementen übertragenem Licht zu minimieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Szintillator mit einer Vielzahl von Szintillatorelementen gelöst, die als Array mit Spalten zwischen den angrenzenden Elementen ausge­ legt sind. Die Spalte sind mit einer Zusammensetzung gefüllt, die ein Reflexionsmaterial, einen Lichtabsorber und ein gieß­ bares Polymer enthält. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Spalte mit einer Zusammensetzung aus einem weißen, hoch­ diffusiven Reflexionsmaterial gefüllt, das Titandioxid und ein gießbares Harz enthält. Die Zusammensetzung minimiert die Lichtmenge, die aus den Elementen reflektiert wird, und er­ höht die Stärke eines zu einer Photodiode übertragenen Si­ gnals, die angrenzend an das Szintillatorelement angeordnet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Szintillator durch temporäres Miteinander-Verbinden bzw. Bonden eines Stapels von Szintillator-Wafern und dann durch Schneiden der Wafer in erste Block- bzw. Streifenstapel hergestellt. Nach der Tren­ nung der ersten Streifenstapel in einzelne Blöcke bzw. Strei­ fen, werden die Streifen in einer Befestigung mit Spalten zwischen den Streifen angeordnet. Die Spalte werden dann mit dem Reflexionsmaterial zur Ausbildung eines zweidimensionalen Arrays gefüllt. Nachdem das Reflexionsmaterial ausgehärtet ist, wird eine Vielzahl von Arrays aufgestapelt und in eine Vielzahl zweiter Blockstapel bzw. Streifenstapel geschnitten. Die zweiten Streifenstapel werden dann in einzelne zweite Blöcke bzw. Streifen separiert und in einer Befestigung mit Spalten zwischen den zweiten Streifen angeordnet. Die Spalte werden mit der Reflexionsmaterialzusammensetzung zur Ausbil­ dung eines dreidimensionalen Szintillatorarrays gefüllt, das gemäß einem Ausführungsbeispiel 256 Szintillatorelemente auf­ weist.
Der vorstehend beschriebene Szintillator führt der Photodiode ein Signal mit höherer Amplitude bzw. Größe durch Minimierung der Lichtmenge, die bei den Szintillatorelementen verloren geht, zu. Außerdem beinhaltet der beschriebene Szintillator einen Lichtabsorber zur Minimierung der zwischen angrenzenden Szintillatorelementen übertragenen Lichtmenge.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher be­ schrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Szintillators mit einer Vielzahl von Szintillatorelementen,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Stapels von Szintillator-Wafern,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines aus dem Wafer in Fig. 2 geschnittenen Streifenstapels,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des in Fig. 3 gezeig­ ten Streifenstapels nach der Trennung des Stapels in Streifen mit mit einem Reflexionsmaterial gefüllten Spalten,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Strei­ fenstapels, der aus dem in Fig. 4 gezeigten Stapel geschnit­ ten ist,
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung des Szintillators nach dem zweiten Guß und
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels des in Fig. 1 gezeigten Szintillators, wobei der äußere Reflektor eine unterschiedliche Zusammenset­ zung aufweist.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Szintil­ lators 20 mit einer Vielzahl von Szintillatorelementen 24, die in einem Array mit ersten Spalten 28 und zweiten Spalten 32 angeordnet bzw. ausgelegt sind. Die Szintillatorelemente 24 sind beispielsweise aus polykristallinem keramischem Szin­ tillatormaterial oder aus Einkristall-Szintillationsmaterial hergestellt. Zur Erhöhung der örtlichen Auflösung und der Stärke eines einer Photodiode zugeführten Signals, die an ei­ nes der Szintillatorelemente 24 angrenzt, werden die Spalte 28 und 32 mit einem Reflexionsmaterial 36 gefüllt. Die Brei­ ten der Spalte 28 und 32 bewegt sich um 0,5 bis 6 Milli-Inch (0,0127 bis 0,1524 mm). Das Reflexionsmaterial 36 wird auf die angrenzenden Oberflächen der Elemente 24 gegossen, so daß ei­ ne geringere Menge des durch die Elemente 24 erzeugten Licht­ signals ungeeignet reflektiert wird. Gemäß einem Ausführungs­ beispiel wird das Reflexionsmaterial 36 aus Silber, Aluminium oder Gold ausgewählt, um einen Reflektor mit hohem Refle­ xionsvermögen und geringer Lichtabsorption zu erhalten. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel besteht das Refle­ xionsmaterial 36 aus einem weißen, hoch-diffusiven Refle­ xionsmaterial, das beispielsweise eine Zusammensetzung aus Titandioxid (TiO2) und einem gießbaren Polymer enthält. Die Zusammensetzung des Reflexionsmaterials 36 beinhaltet unge­ fähr 20 bis 70 Gewichtsprozent TiO2 und ein gießbares Harz. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein Lichtabsor­ ber, beispielsweise Chromoxid (Cr2O3) zu der Zusammensetzung hinzugefügt werden, um das Übersprechen zwischen den Szintil­ latorelementen 24 zu verringern.
Bei der Herstellung des photoleitfähigen Szintillators 20 werde dünne Szintillator-Wafer 100 auf eine vorausgewählte Dicke T, beispielsweise 3 mm, geschliffen oder geläppt. Die Wafer 100 werden dann vorübergehend miteinander verbunden bzw. gebondet, wobei ein Klebemittel mit niedrigem Schmelz­ punkt oder ein anderes temporäres Klebemittel zur Ausbildung eines Stapels 104 verwendet wird. Der Stapel 104 wird in er­ ste Blockstapel bzw. Streifenstapel 108 unter Verwendung ei­ ner (nicht gezeigten) Innendurchmessersäge oder Drahtsäge ge­ schnitten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die ersten Streifenstapel 108 unter Verwendung einer (nicht gezeigten) Innendurchmessersäge geschnitten. Die Säge weist ein Blatt mit einer Innenumfangsschneidkante auf und wird zum genauen Schneiden der ersten Streifenstapel 108 näherungsweise 1 mm breit verwendet. Nach dem Schneiden der erste Streifenstapel 108 wird die temporäre Klebeverbindung aufgebrochen und die ersten Streifenstapel 108 werden in einzelne Streifen 112 se­ pariert.
Gemäß den Fig. 4 und 5 werden die einzelnen Streifen 112 in einer (nicht gezeigten) Befestigung angeordnet und in ei­ nem Array 114 verbunden, so daß die Streifen 112 voneinander zur Ausbildung von Spalten 28 beabstandet sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind 16 Streifen in der Befestigung mit Spalten 28 von ungefähr 4 Milli-Inch (0,1016 mm) Breite ange­ ordnet. Nach dem Füllen der Spalte 28 mit Reflexionsmaterial 36 und nach dem Aushärten des Materials 36 auf angrenzenden Oberflächen der Streifen 112 wird das Array 114 aus der Befe­ stigung entfernt. Eine Vielzahl verbundener Arrays 114 wird dann zur Ausbildung eines zweiten Stapels 116 beispielsweise aus 10 Arrays 114 zusammengestapelt. Der zweite Stapel 116 wird dann auf ähnliche Weise wie die ersten Streifenstapel 108 allerdings senkrecht zur Länge der Streifen 112 zur Er­ zeugung zweiter Streifenstapel 120 geschnitten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die zweiten Streifenstapel 120 2 mm breit. Nach dem Trennen der zweiten Streifenstapel 120 in einzelne zweite Streifen 122 werden die zweiten Streifen 122 in einer (nicht gezeigten) Befestigung angeordnet, so daß die zweiten Streifen 122 voneinander zur Ausbildung von Spalten 32 beabstandet sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel befinden sich 16 zweite Streifen in der Befestigung, wobei die Spalte 32 die gleiche Breite wie die Spalte 28 haben, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Nach dem Bonden bzw. Verbinden in ein Array werden die Spalte 32 mit einem Gußreflexionsmaterial 36 auf ähnliche Weise wie die Spalte 28 gefüllt. Nach dem Aushärten des Materials 36 und nach dem Gießen des Reflexionsmaterials 36 in die äußere Umgebung wird der fertiggestellte Szintilla­ tor 20 mit den Elementen 24 aus der Befestigung entfernt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel betragen die Wafer 100 50 mm im Quadrat und sind zumindest 3 mm dick, wobei die fertigen Elemente 24 die Dimensionen 3 mm hoch, 2 mm lang und 1 mm breit aufweisen. Natürlich sind verschiedene Ausführungsbei­ spiele möglich, einschließlich Wafern 100, die 1 mm dick sind, so daß die Streifen 112 3 mm breit sind und der zweite Schnitt 2 mm lange zweite Streifen 122 erzeugt. Die resultie­ renden Elemente 24 haben die gleiche Größe wie vorstehend be­ schrieben.
Gemäß einem in Fig. 7 gezeigten alternativen Ausführungsbei­ spiel enthält der Szintillator 150 Szintillatorelemente mit acht angrenzenden Elementen, die als innere Elemente 154 ge­ kennzeichnet sind, und alle anderen Szintillatorelemente sind als Kantenelemente 158 gekennzeichnet. Der Szintillator 150 wird identisch wie der Szintillator 20 hergestellt, abgesehen davon, daß ein zweites Reflexionsmaterial 200 an die äußere Umgebung der Kantenelemente 158 angrenzend gegossen wird. Die Zusammensetzung des zweiten Reflexionsmaterials 200 beinhal­ tet weniger Lichtabsorber, beispielsweise Chromoxid, als das Reflexionsmaterial 36. Das Reflexionsmaterial 200 ermöglicht es den Kantenelementen 158, ein Signal mit größerer Stärke als die Elemente 154 zu erzeugen, was sich aus dem verringer­ ten Lichtabsorberanteil ergibt. Das Signal größerer Stärke erhöht die Gleichmäßigkeit durch Kompensation des Lichtver­ lusts an den Kanten des Szintillators 150.
Das vorstehend beschriebene Gerät und das vorstehend be­ schriebene Verfahren erzeugen einen Szintillator, der das Si­ gnal für die Photodiode an der äußeren Umgebung durch die Er­ höhung der Lichtmenge, die zu der Photodiode reflektiert wird, erhöht. Außerdem beinhaltet der beschriebene Szintilla­ tor einen Lichtabsorber zur Minimierung der zwischen angren­ zenden Szintillatorelementen übertragenen Lichtmenge. Außer­ dem kompensiert der beschriebene Szintillator Gewinnschwan­ kungen der äußeren Elemente und verbessert die Lichtausgabe­ gleichmäßigkeit des Szintillators.
Erfindungsgemäß sind ein Szintillator und ein Verfahren zur Herstellung von Szintillatoren zur Verwendung in CT-Systemen beschrieben. Angrenzende Szintillatorelemente sind durch Spalte getrennt, die mit einer Zusammensetzung aus weißem diffusivem Reflexionsmaterial, einem Lichtabsorber und einem gießbaren Polymer gefüllt sind. Die Zusammensetzung erhöht die Stärke des Signals für die Photodiode durch Minimierung der Lichtmenge, die durch die Szintillatorelemente verloren geht. Außerdem minimiert der Lichtabsorber die zwischen an­ grenzenden Szintillatorelementen übertragene Lichtmenge zur Begrenzung des Übersprechens. Außerdem können die äußeren Kanten des Szintillators eine geringere Menge an Lichtabsor­ bern zur Kompensation des Lichtverlusts an der Umgebung auf­ weisen.

Claims (26)

1. Szintillator (20; 150) für ein Computer-Tomographie- System, mit
einer Vielzahl von in einem Array angeordneten Szintillatorelementen (24) und
einem zwischen angrenzenden Elementen positionierten Reflexionsmaterial (36).
2. Szintillator nach Anspruch 1, wobei das Reflexionsmaterial zumindest Silber, Aluminium oder Gold umfaßt.
3. Szintillator nach Anspruch 1, wobei das Reflexionsmaterial eine geringe Absorption aufweist.
4. Szintillator nach Anspruch 1, wobei das Reflexionsmaterial ein weißes diffusives Reflexionsmaterial ist.
5. Szintillator nach Anspruch 4, wobei das weiße diffu­ sive Reflexionsmaterial eine Zusammensetzung aus TiO2 und ei­ nem gießbaren Polymer umfaßt.
6. Szintillator nach Anspruch 5, wobei die Zusammenset­ zung TiO2 umfaßt, und dieses TiO2 zwischen ungefähr 20 bis 70 Gew.-% der Zusammensetzung umfaßt.
7. Szintillator nach Anspruch 5, wobei das gießbare Po­ lymer einen Lichtabsorber umfaßt.
8. Szintillator nach Anspruch 7, wobei der Lichtabsorber Chromoxid umfaßt.
9. Szintillator nach Anspruch 5, wobei das gießbare Po­ lymer ein Harz ist.
10. Szintillator nach Anspruch 1, wobei das Reflexions­ material eine Dicke im Bereich zwischen 0,5 und 6 Milli-Inch aufweist.
11. Verfahren zur Herstellung von Szintillatoren (20; 150) für ein Computer-Tomographie-System, mit den Schritten Verbinden einer Vielzahl von Szintillatoren zur Ausbil­ dung eines Stapels (104) und Schneiden des Stapels in eine Vielzahl erster Streifen­ stapel (108).
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei jeder Szintillator eine vorausgewählte Dicke hat.
13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die vorausgewählte Dicke ungefähr 3 mm beträgt, und wobei das Schneiden des Sta­ pels in eine Vielzahl erster Streifenstapel den Schritt Schneiden des Stapels in ungefähr 1 mm-Intervallen um­ faßt.
14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die vorausgewählte Dicke ungefähr 1 mm beträgt, und wobei das Schneiden des Sta­ pels in eine Vielzahl erster Streifenstapel den Schritt Schneiden des Stapels in ungefähr 3 mm-Intervallen um­ faßt.
15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die vorausgewählte Dicke ungefähr 1 mm beträgt, und wobei das Schneiden des Sta­ pels in eine Vielzahl erster Streifenstapel den Schritt Schneiden des Stapels in ungefähr 2 mm-Intervallen um­ faßt.
16. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die vorausgewählte Dicke ungefähr 2 mm beträgt, und wobei das Schneiden des Sta­ pels in eine Vielzahl erster Streifenstapel den Schritt Schneiden des Stapels in ungefähr 1 mm-Intervallen um­ faßt.
17. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die vorausgewählte Dicke ungefähr 3 mm beträgt, und wobei das Schneiden des Sta­ pels in eine Vielzahl erster Streifenstapel den Schritt Schneiden des Stapels in ungefähr 2 mm-Intervallen um­ faßt.
18. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die vorausgewählte Dicke ungefähr 2 mm beträgt, und wobei das Schneiden des Sta­ pels in eine Vielzahl erster Streifenstapel den Schritt Schneiden des Stapels in ungefähr 3 mm-Intervallen um­ faßt.
19. Verfahren nach Anspruch 11, mit den weiteren Schrit­ ten
Trennen der ersten Streifenstapel in einzelne Streifen 112),
Plazieren der Streifen in einer Befestigung mit einem Spalt (28) zwischen den Streifen und
Gießen eines Reflexionsmaterials (36) in die Spalte zur Ausbildung eines Streifenarrays (114).
20. Verfahren nach Anspruch 19, mit den weiteren Schrit­ ten
Verbinden einer Vielzahl von Streifenarrays (114) zur Ausbildung eines zweiten Stapels (116),
Schneiden des zweiten Stapels in zweite Streifen (120) mit ungefähr 2 mm,
Plazieren der zweiten Streifen in einer Befestigung mit einem Spalt (32) zwischen den Streifen und
Gießen eines Reflexionsmaterials (36) in die Spalte und die äußere Umgebung der zweiten Streifen.
21. Verfahren nach Anspruch 19, mit den weiteren Schrit­ ten
Verbinden einer Vielzahl von Streifenarrays zur Ausbil­ dung eines zweiten Stapels,
Schneiden des zweiten Stapels in zweite Streifen mit un­ gefähr 3 mm,
Plazieren der zweiten Streifen in einer Befestigung mit einem Spalt zwischen den Streifen und
Gießen eines Reflexionsmaterials in die Spalte und die äußere Umgebung der zweiten Streifen.
22. Verfahren nach Anspruch 19, mit den weiteren Schrit­ ten
Verbinden einer Vielzahl von Streifenarrays zur Ausbil­ dung eines zweiten Stapels,
Schneiden des zweiten Stapels in zweite Streifen mit un­ gefähr 1 mm,
Plazieren der zweiten Streifen in einer Befestigung mit einem Spalt zwischen den Streifen und
Gießen eines Reflexionsmaterials in die Spalte und die äußere Umgebung der zweiten Streifen.
23. Szintillator (150) für ein Computer-Tomographie- System, mit
einer Vielzahl von in einem Array angeordneten Szintil­ latorelementen und
einem an die äußere Umgebung von Kantenelementen (158) des Arrays angrenzend positionierten Reflexionsmaterial (200).
24. Szintillator nach Anspruch 23, ferner mit einem zwi­ schen angrenzenden Elementen (154) positionierten Reflexions­ material.
25. Szintillator nach Anspruch 24, wobei das an die äu­ ßere Umgebung der Kantenelemente angrenzende Reflexionsmate­ rial und das Reflexionsmaterial zwischen angrenzenden Elemen­ ten eine Zusammensetzung aus TiO2, einem Lichtabsorber mit Chromoxid und einem gießbaren Polymer umfaßt.
26. Szintillator nach Anspruch 25, wobei weniger Chro­ moxid in dem an die äußere Umgebung der Kantenelemente an­ grenzenden Reflexionsmaterial ist als in dem Reflexionsmate­ rial zwischen angrenzenden Elementen ist.
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