DE19853648A1 - Mehrschicht-Szinillatoren für Computer-Tomographie-Systeme - Google Patents

Mehrschicht-Szinillatoren für Computer-Tomographie-Systeme

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Compu­ ter-Tomographie-Abbildung und insbesondere Szintillatoren, die in Verbindung mit der Erfassung von Röntgenstrahlen bei der CT-Abbildung verwendet werden.
Bei zumindest 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 das abgebildete 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 uni das abzubildende Ob­ jekt, so daß sich der Winkel, an dem der Röntgenstrahl das Objekt schneidet, konstant ändert. Röntgenstrahlquellen bein­ halten typischerweise Röntgenröhren, die einen Röntgenstrahl im Brennpunkt emittieren. Röntgenstrahlerfassungseinrichtun­ gen beinhalten typischerweise einen Kollimator zur Kollimati­ on von an der Erfassungseinrichtung empfangenen Röntgenstrah­ len, einen an den Kollimator angrenzenden Szintillator und an den Szintillator angrenzende Photodioden.
Bekannte Szintillatoren werden aus verschiedenen Szintillati­ onsmaterialien hergestellt. Diese Szintillationsmaterialien sind in bestimmte Klassen eingeteilt, wobei jede Vorteile und Nachteile hat. Beispielsweise sind einige Szintillationsmate­ rialien schnell, haben aber eine geringe Lichtausgabe, eine große Strahlungszerstörung oder eine geringe Lichtdurchläs­ sigkeit, die zu einer Ungleichmäßigkeit in der Z-Achse führt. Obwohl es erwünscht ist, das schnelle Szintillationsmaterial zu verwenden, schließen die Kompromisse manchmal die Verwen­ dung dieses Materials aus.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Szin­ tillator auszugestalten, der vernünftige Kompromisse zwischen der Geschwindigkeit, der Ausgangssignalgröße und anderer Szintillatorcharakteristiken liefert. Ferner soll dieser Szintillator auch die Lichtübertragung in der lateralen Rich­ tung selbst kollimieren können, so daß ein separater Kolli­ mator nicht länger erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Szintillator mit einer Vielzahl von Schichten von Szintillationsmateriali­ en gelöst. Der Szintillator ist derart aufgebaut, daß ein Röntgenstrahlsignal auf eine erste Schicht aus Szintillati­ onsmaterial mit hoher Geschwindigkeit trifft, und dann durch die erste Schicht hindurchgeht und zu einer zweiten Schicht aus Szintillationsmaterial mit höherer Durchlässigkeit kommt. Nach dem Hindurchgehen durch die zweite Schicht wird das Si­ gnal durch eine Photodiode empfangen, die das optische Signal von dem Szintillatorelement in ein elektrisches Signal umwan­ delt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Szintillator durch Bonden bzw. Verbinden der ersten Schicht aus Szintillations­ material mit der zweiten Schicht aus Szintillationsmaterial unter Verwendung eines optischen Klebemittels hergestellt. Insbesondere werden die erste und die zweite Schicht aus Szintillationsmaterial ausgewählt und in die geeignete Größe und Dicke geschnitten. Die erste und die zweite Schicht wer­ den dann angrenzend aneinander positioniert und miteinander verbunden bzw. kontaktiert. Die Auswahl einer Kombination verschiedener Materialtypen und Dicken ermöglicht es dem Szintillator, bestimmte Ergebnisse zu erzeugen. Bei einem be­ stimmten Ausführungsbeispiel ist eine der Schichten durch ei­ ne Vielzahl von strahlungsresistenten optischen Fasern ausge­ bildet, was dem Szintillator eine Selbst- bzw. Eigenkollima­ tion ermöglicht.
Der vorstehend beschriebene Szintillator bietet vernünftige Kompromisse zwischen der Geschwindigkeit, der Ausgangssignal­ größe und anderen Szintillatorcharakteristiken. Der Szintil­ lator kollimiert selbst die Lichtübertragung in der lateralen Richtung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine bildliche Darstellung eines CT-Abbildungssystems,
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild des in Fig. 1 darge­ stellten Systems,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Mehrschicht-Szintillators gemäß der Erfindung vor der Verknüpfung der Schichten,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des in Fig. 3 gezeigten Mehrschicht-Szintillators nach dem Bonden der Szintillations­ schichten,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines alternativen Aus­ führungsbeispiels des in Fig. 3 gezeigten Szintillators und
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung des in Fig. 5 gezeig­ ten Szintillators aus optischen Fasern.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Computer-Tomographie-(CT-)­ Abbildungssystem 10, das ein Faßlager 12 enthält, das eine CT-Abtasteinrichtung der dritten Generation darstellt. Das Faßlager 12 weist eine Röntgenstrahlquelle 14 auf, die Rönt­ genstrahlen 16 in Richtung eines Erfassungsarrays 18 auf der entgegengesetzten Seite des Faßlagers 12 projiziert. Das Er­ fassungsarray 18 wird durch Erfassungselemente 20 gebildet, die zusammen die projizierten Röntgenstrahlen erfassen, die durch einen medizinischen Patienten 22 hindurchfallen. Jedes Erfassungselement 20 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahls und somit die Dämpfung des Strahls darstellt, wenn er durch den Patienten 22 hindurchfällt. Während einer Abtastung zur Erfassung von Röntgenstrahlprojektionsdaten drehen sich das Faßlager 12 und die daran angebrachten Komponenten um einen Drehmittelpunkt 24.
Die Drehung des Faßlagers 12 und der Betrieb der Röntgen­ strahlquelle 14 werden durch eine Steuereinrichtung 26 des CT-Systems 10 gesteuert. Die Steuereinrichtung 26 enthält ei­ ne Röntgenstrahlsteuereinrichtung 28, die die Röntgenstrahl­ quelle 14 mit Energie und Zeitsignalen versorgt, und eine Faßlagermotorsteuereinrichtung 30, die die Drehgeschwindig­ keit und Position des Faßlagers 12 steuert. Ein Datenerfas­ sungssystem (DAS) 32 in der Steuereinrichtung 26 tastet ana­ loge Daten von den Erfassungselementen 20 ab und wandelt die Daten in digitale Signale zur nachfolgenden Verarbeitung um. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 34 empfängt abgetastete und digitalisierte Röntgenstrahldaten von dem Datenerfas­ sungssystem 32 und führt eine Bildrekonstruktion mit hoher Geschwindigkeit durch. Das rekonstruierte Bild wird einem Computer 36 als Eingangssignal zugeführt, der das Bild in ei­ ner Massenspeichereinrichtung 38 speichert.
Der Computer 36 empfängt auch Befehle und Abtastparameter von einem Bediener über eine Konsole 40, die eine Tastatur auf­ weist. Eine zugehörige Kathodenstrahlröhrenanzeigeeinrichtung 42 ermöglicht es dem Bediener, das rekonstruierte Bild und andere Daten von dem Computer 36 zu überwachen. Die von dem Bediener zugeführten Befehle und Parameter werden von dem Computer 36 zur Ausbildung von Steuersignalen und Informatio­ nen für das Datenerfassungssystem 32, die Röntgenstrahlsteu­ ereinrichtung 28 und die Faßlagermotorsteuereinrichtung 30 verwendet. Außerdem bedient der Computer 36 eine Tischmotor­ steuereinrichtung 44, die einen motorisierten Tisch 46 zur Positionierung des Patienten 22 im Faßlager 12 steuert. Ins­ besondere bewegt der Tisch 46 Abschnitte des Patienten 22 durch eine Faßlageröffnung 48.
Wie es vorstehend beschrieben ist, erzeugt jedes Erfassungs­ element 20 des Arrays 18 ein separates elektrisches Signal, das ein Maß der Strahldämpfung am Erfassungsort ist. Insbe­ sondere enthält jedes Röntgenstrahlerfassungselement 20 typi­ scherweise ein Szintillatorelement, und angrenzende Szintil­ latorelemente sind durch nicht szintillierende Spalte (nicht gezeigt) getrennt. Photodioden sind angrenzend an die Szin­ tillatoren positioniert und erzeugen (nicht gezeigte) elek­ trische Signale, die die Lichtausgabe durch die Szintillator­ elemente darstellen. Die Dämpfungsmaße von allen Erfassungs­ elementen 20 werden separat zur Erzeugung eines Übertragungs­ profils erfaßt.
Geläufige Szintillatormaterialien (nicht gezeigt) können in allgemeine Klassen eingeteilt werden: Eine Klasse stellt eine schnelle Erfassungseinrichtung mit geringer Lichtausgabe und hoher Strahlungszerstörung dar, und die zweite Klasse stellt eine schnelle Erfassungseinrichtung mit niedriger Durchläs­ sigkeit dar, was zu einer Z-Achsen-Ungleichmäßigkeit führt.
Im allgemeinen sind die Szintillatoren hinsichtlich der vor­ stehend beschriebenen und entsprechend der Erfindung aufge­ bauten Szintillatoren derart aufgebaut, daß sie zumindest zwei Schichten aus Szintillationsmaterial enthalten. Durch die Ausbildung zumindest zweier unterschiedlicher Material­ schichten kann eine optimale Mischung von Eigenschaften bzw. Charakteristiken erreicht werden.
Dazu zeigt Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ab­ schnitts einer Erfassungseinrichtung 80, die Photodioden 90 und einen Szintillator 100 mit angrenzenden ersten und zwei­ ten Schichten aus Szintillatormaterial 104 und 108 enthält. Der Szintillator 100 ist derart aufgebaut, daß die (in Fig. 3 nicht gezeigten) Röntgenstrahlen 16 auf die erste Schicht 104 treffen. Die zweite Schicht 108 befindet sich zwischen der ersten Schicht 104 und den Photodioden 90.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die erste Schicht 104 schnelle Szintillationscharakteristiken (beispielsweise GOS (Gd2O3S)) und eine Dicke T1, beispielsweise ungefähr 0,5 mm auf. Die zweite Schicht 108 weist eine Dicke T2 und eine hö­ here Durchlässigkeitscharakteristik als die erste Schicht 104 auf. Die zweite Schicht 108 besteht beispielsweise aus Lumex (YGd)2O3-Material mit einer Dicke T2 von ungefähr 1,5 bis 2,0 mm. Der Szintillator 100 ist sehr schnell, weist einen sehr hohen Ausgangspegel sowie eine verbesserte Z-Achsen-Gleichmäßigkeit auf.
Die für die erste und die zweite Schicht 104 und 108 ausge­ wählten Materialien können andere Szintillationsmaterialien enthalten. Beispielsweise kann das Material für die erste Schicht 104 aus Szintillationsmaterialien mit einer großen Lichtausgabe ausgewählt werden, und das Material für die zweite Schicht 108 kann ein Szintillationsmaterial mit einem niedrigeren Strahlungszerstörungsfaktor als die erste Schicht 104 oder mit einem hohen Gleichmäßigkeitsfaktor sein. Die ausgewählten spezifischen Szintillationsmaterialien hängen von den für den Szintillator 100 und die Erfassungseinrich­ tung 80 gewünschten spezifischen Charakteristiken ab.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel werden die erste Schicht 104 und die zweite Schicht 108 aus einer Vielzahl von Materialien und nicht aus zwei Szintillationsmaterialien aus­ gewählt, was beispielsweise eine Szintillationsmaterial­ schicht und eine Röntgenstrahlabsorptions-Lichtleitungsschicht, oder eine Filmschablonenmaterialschicht und eine Szintillationsschicht, oder die Filmschablonenmate­ rialschicht und eine Röntgenstrahlabsorptionsschicht (nicht gezeigt) einschließt. Beispielsweise würde die Lichtabsorpti­ onsschicht als Lichtleiter dienen und die Photodioden 90 vor den Röntgenstrahlen 16 schützen. Außerdem können die erste Schicht 104 und die zweite Schicht 108 aus anderen Materiali­ en bestehen, was beispielsweise eine Szintillatorschicht und ein dichtes bzw. dunkles Szintillations- oder Nicht-Szintillationsglas einschließt.
Bei der Herstellung des Szintillators 100 werden die Materia­ lien für die erste Schicht 104 und die zweite Schicht 108 ausgewählt und auf die geeignete Größe und Dicke geschnitten. Die erste Schicht 104 und die zweite Schicht 108 können auf vielfache Art und Weise miteinander verbunden werden, wie beispielsweise durch Bonden, Sintern, optische Klebemittel, optische Flüssigkeiten oder durch direktes Aufeinanderwach­ sen. Wird beispielsweise ein optisches Klebemittel 116 zum Verbinden der ersten und der zweiten Schicht 104 und 108 aus­ gewählt, wird das optische Klebemittel 116 auf der Oberfläche der zweiten Schicht 108 vor der Plazierung der ersten Schicht 104 angrenzend an die zweite Schicht 108 aufgebracht. Die Auswahl der speziellen Zusammensetzung des Klebemittels 116 verändert sich in Abhängigkeit von der Auswahl der ersten und der zweiten Schicht 104 und 108 und der gewünschten Charakte­ ristiken des Szintillators 100.
Nach der Verbindung der ersten und der zweiten Schicht 104 und 108 wird der Szintillator auf bekannte Art und Weise in eine Erfassungseinrichtung (nicht gezeigt) verarbeitet.
Bei einem in Fig. 5 gezeigten alternativen Ausführungsbei­ spiel beinhaltet ein Szintillator 200 eine erste Schicht 204 aus Szintillationsmaterial und eine zweite Schicht 208, die durch eine Vielzahl radiolumineszenter optischer Fasern 212 gebildet wird. Die strahlungsresistenten optischen Fasern 212 weisen jeweils ein Eingangsende 216 und ein Ausgangsende 220 auf. Die erste Schicht aus Szintillationsmaterial 204 ist mit der zweiten Schicht 208 wie vorstehend beschrieben verbunden, oder ist direkt an die Fasereingangsenden 216 dotiert. Bei­ spielsweise ermöglichen es der kleine Durchmesser und die Lichtreflexionscharakteristiken der Fasern 212 dem Szintilla­ tor 200, die Lichtübertragung in der lateralen Richtung selbst zu kollimieren. Diese Eigen- bzw. Selbstkollimation ermöglicht die Aufrechterhaltung der lateralen Ortsauflösung überall im Szintillator 200.
Gemäß einem spezifischen Ausführungsbeispiel des Szintilla­ tors 200 sind die optischen Fasern 212 in einem Bündel 308 angeordnet, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Das Bündel 308 weist ein Eingangsende 312 und ein Ausgangsende 316 auf. Die erste Schicht aus Röntgenstrahlszintillationsmaterial 320 ist mit dem Eingangsende 312 optisch gekoppelt. Die erste Schicht 320 kann als Einzelschicht (nicht gezeigt) hergestellt sein, die das gesamte Bündel 308 überdeckt, oder als eine Vielzahl von Stücken, die individuelle Eingangsenden 312 abdecken, in­ dem beispielsweise die Eingangsenden 312 mit einem Röntgen­ strahlszintillationsmaterial 320 dotiert werden.
Die vorstehend beschriebenen Szintillatoren beinhalten eine Vielzahl von Szintillationsmaterialschichten zur Optimierung der bestimmten Charakteristiken der Vorrichtung. Die vorste­ hend beschriebenen Szintillatoren können derart hergestellt sein, daß die besonderen Vorteile mehrerer verschiedener Ma­ terialarten kombiniert sind. Außerdem kann der Szintillator die Lichtübertragung in der lateralen Richtung kollimieren.
Obwohl vorstehend lediglich zwei Schichten beschrieben wur­ den, ist die Anzahl der Schichten nicht beschränkt, und es kann eine beliebige Anzahl von Schichten zum Erreichen des bestimmten beabsichtigten Ergebnisses verknüpft werden.
Erfindungsgemäß ist ein Mehrschicht-Szintillator mit einer ersten und einer zweiten Schicht aus Szintillationsmaterial offenbart. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die erste Szintillatorschicht schnelle Szintillationscharakteristiken und die zweite Schicht eine höhere Durchlässigkeit als die erste Schicht auf. Die zwei Szintillationsschichten sind der­ art miteinander verbunden, daß ein Lichtsignal von der ersten Schicht zu der zweiten Schicht und von der zweiten Schicht zu einer an die zweite Schicht angrenzenden Photodiode übertra­ gen wird. Die spezifischen Szintillationsmaterialien werden zum Erreichen der gewünschten Charakteristiken des Szintilla­ tors ausgewählt.

Claims (27)

1. Szintillator (100) für ein Computer-Tomographie-System (10), mit
einer ersten Schicht (104) aus einem Material mit einer schnellen Szintillationscharakteristik und
einer zweiten Schicht (108) aus einem Material mit einer höheren Durchlässigkeitscharakteristik als die erste Schicht.
2. Szintillator nach Anspruch 1, wobei die erste Materi­ alschicht GOS umfaßt.
3. Szintillator nach Anspruch 2, wobei die erste Materi­ alschicht eine Dicke von ungefähr 0,5 mm aufweist.
4. Szintillator nach Anspruch 1, wobei die zweite Mate­ rialschicht (Ygd)2O3 umfaßt.
5. Szintillator nach Anspruch 1, wobei der Szintillator derart konfiguriert ist, daß Röntgenstrahlen auf die erste Materialschicht treffen.
6. Szintillator nach Anspruch 1, wobei die erste Materi­ alschicht an die zweite Materialschicht gebondet ist.
7. Szintillator nach Anspruch 1, wobei die erste Materi­ alschicht an die zweite Materialschicht gesintert ist.
8. Szintillator nach Anspruch 1, wobei die zweite Mate­ rialschicht ein röntgenstrahlabsorbierendes lichtleitendes Material ist.
9. Szintillator nach Anspruch 1, wobei die zweite Mate­ rialschicht kein Szintillationsmaterial ist.
10. Szintillator nach Anspruch 1, wobei die erste Mate­ rialschicht ein Filmschablonenmaterial ist.
11. Szintillator nach Anspruch 1, wobei die zweite Schicht ein radiolumineszentes faseroptisches Material um­ faßt.
12. Szintillator nach Anspruch 11, wobei das faseropti­ sche Material eine Vielzahl von strahlungsresistenten opti­ schen Fasern (212) aufweist.
13. Szintillator nach Anspruch 12, wobei die optischen Fasern mit einem Szintillationselement dotiert sind.
14. Szintillator nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht direkt auf der Oberseite der zweiten Schicht gewach­ sen ist.
15. Szintillator (200) für ein Computer-Tomographie-System (10), mit einem Bündel (308) optischer Fasern (212), wobei das Bündel ein Eingangsende (312) und ein Ausgangsende (316) auf­ weist und das Bündeleingangsende dazu eingerichtet ist, daß Röntgenstrahlen darauf treffen, wobei zumindest einige der optischen Fasern mit einem Röntgenstrahlszintillationsmateri­ al dotiert sind.
16. Szintillator nach Anspruch 15, ferner mit einer Schicht aus Szintillationsmaterial (320), die an das Ein­ gangsende des Bündels angrenzt.
17. Szintillator nach Anspruch 15, ferner mit einer Vielzahl von mit dem Bündeleingangsende optisch gekoppelten Szintillatoren.
18. Szintillator für ein Computer-Tomographie-System (10), mit
einer ersten Schicht aus Material mit einer schnellen Szintillationscharakteristik und
einer zweiten Schicht aus einem Material, das eine Viel­ zahl optischer Fasern aufweist.
19. Szintillator nach Anspruch 18, wobei die optischen Fasern in einem Bündel angeordnet sind.
20. Szintillator nach Anspruch 19, wobei das Bündel ein Eingangsende und ein Ausgangsende aufweist, und das Bünde­ leingangsende mit der ersten Materialschicht optisch gekop­ pelt ist.
21. Szintillator nach Anspruch 20, wobei die erste Mate­ rialschicht direkt auf dem Eingangsende der zweiten Schicht abgeschieden ist.
22. Szintillator nach Anspruch 18, wobei die zweite Ma­ terialschicht eine höhere Durchlässigkeitscharakteristik als die erste Schicht hat.
23. Szintillator nach Anspruch 18, wobei die zweite Schicht eine Vielzahl strahlungsresistenter optischer Fasern aufweist.
24. Szintillator für ein Computer-Tomographie-System (10), wobei der Szintillator eine Vielzahl von Material­ schichten aufweist und zumindest eine der Schichten ein Mate­ rial mit einer schnellen Szintillationseigenschaft und/oder ein Material mit einer hohen Durchlässigkeitscharakteristik aufweist.
25. Szintillator nach Anspruch 24, wobei eine erste Ma­ terialschicht eine schnelle Szintillationscharakteristik und eine zweite Materialschicht eine höhere Durchlässigkeitscha­ rakteristik als die erste Schicht aufweist.
26. Szintillator nach Anspruch 24, wobei der Szintilla­ tor ein Bündel optischer Fasern umfaßt und das Bündel ein Eingangsende und ein Ausgangsende aufweist.
27. Szintillator nach Anspruch 26, ferner mit einer Schicht aus Szintillationsmaterial an dem Eingangsende des Bündels.
DE19853648A 1997-11-26 1998-11-20 Mehrschicht-Szinillatoren für Computer-Tomographie-Systeme Withdrawn DE19853648A1 (de)

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