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Die Erfindung betrifft einen Streustrahlenraster zur Anordnung in einem Stapelaufbau mit einem Röntgendetektor, eine Röntgendetektorvorrichtung und ein medizinisches Bildgebungsgerät.
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Medizinische Bildgebungsvorrichtungen basierend auf Röntgenstrahlung umfassen in der Regel eine Röntgenquelle und in Gegenüberstellung einen Röntgendetektor. Bei einem Computertomographie-System (CT-System) im Besonderen befinden sich die Röntgenquelle und der Röntgendetektor gegenüberliegend auf einem Rotor. Während einer Abtastung eines abzubildenden Objekts, beispielsweise eines Patienten, wird das Objekt in einem Untersuchungsbereich des Computertomographie-Systems positioniert und die Röntgenquelle und Röntgendetektor rotieren um das Objekt während die Röntgenquelle Röntgenstrahlung emittiert. Die Röntgenstrahlung, die das Objekt durchquert, wird von einem oder mehreren Detektorelementen, auch Detektorpixel oder Pixelelementen genannt, des Röntgendetektors erfasst und basierend auf der lokal erfassten Röntgenstrahlung ein Messsignal erzeugt. Da die Röntgenstrahlung beim Durchqueren des Objekts je nach lokalen Eigenschaften des Objekts wechselwirkt und insbesondere abgeschwächt wird, kann auf diese Weise auf Eigenschaften des Objekts rückgeschlossen werden.
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Zur Unterdrückung der bei einer Aufnahme entstehenden Streustrahlung in einer medizinischen Bildgebungsvorrichtung werden Röntgendetektoren mit Streustrahlenraster, auch Streustrahlenkollimatoren genannt, ausgestattet. Moderne Computertomographie-Systeme werden insbesondere mit 3D-Kollimatoren als Streustrahlenkollimator ausgestattet, welche im Wesentlichen eine dreidimensionale Gitterstruktur aufweisen. Diese 3D-Kollimatoren ermöglichen eine Unterdrückung der Streustrahlung in radialer (φ-Richtung, Rotationsrichtung) und in axialer Richtung (Vorschubrichtung, senkrecht zur Rotationsrichtung). Neben solchen dreidimensionalen Gitterstrukturen können in einfacheren Umsetzungen von Streustrahlenkollimatoren außerdem auch Streustrahlenkollimatoren eingesetzt werden, welche lediglich entlang einer Richtung Kollimatorwände und damit eine Unterdrückung von Streustrahlung vorsehen.
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Dabei steigen in der Regel die Produktionskosten solcher Streustrahlenkollimatoren mit den Anforderungen an die Wandhöhe der Kollimatorwände und an die mechanische Mindesttoleranzen, sowie mit der Reduzierung der erforderlichen Strukturgrößen, welche häufig mit einer Verkleinerung von Pixelgrößen des eingesetzten Detektors einhergehen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein verbessertes Streustrahlenraster zur Anordnung in einem Stapelaufbau mit einem Röntgendetektor, eine Röntgendetektorvorrichtung mit einem Streustrahlenraster und ein medizinisches Bildgebungsgerät anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Schutzansprüche. Weitere vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Die Erfindung betrifft ein Streustrahlenraster zur Stapelanordnung entlang einer Strahleneinfallsrichtung mit einem Röntgendetektor aufweisend ein Kollimatorelement mit einer Mehrzahl an Kollimatorwänden, welche in zumindest einer ersten Richtung senkrecht zur Strahleneinfallsrichtung parallel zueinander angeordnet sind, wobei jede Kollimatorwand der Mehrzahl eine Wandhöhe entlang der Strahleneinfallsrichtung aufweist, und zumindest eine Teilmenge der Mehrzahl an Kollimatorwänden jeweils einen ersten Wandbereich über eine erste Teilwandhöhe und einen zweiten Wandbereich über eine zweite Teilwandhöhe aufweist, wobei der erste Wandbereich eine geringere Absorptionsfähigkeit für Röntgenstrahlung aufweist als der zweite Wandbereich.
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Die erste Richtung kann insbesondere im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung verlaufen, wenn das Streustrahlenraster in der Stapelanordnung mit dem Röntgendetektor vorliegt. Die Stapelrichtung verläuft im Wesentlichen parallel zu einer Strahleneinfallsrichtung von Röntgenstrahlung zur Belichtung des Röntgendetektors.
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Die Kollimatorwände sind im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung ausgebildet bzw. ausgerichtet und entlang der ersten Richtung benachbart angeordnet, wobei eine Abweichung der parallelen Ausrichtung von der Stapelrichtung von bis zu 10 Grad, insbesondere weniger als 5 Grad, umfasst sein kann. Dies kann umfassen, dass die Kollimatorwände leicht geneigt auf einen Fokuspunkt einer für die Belichtung des Röntgendetektors angeordnete Röntgenquelle ausgerichtet sein können. Die Kollimatorwände sind dabei derart beabstandet zueinander angeordnet sind, dass jeweils zwischen zwei benachbarten Kollimatorwänden ein Durchgangskanal bereitgestellt ist. Die Ausrichtung entlang der Stapelrichtung erlaubt den Durchgang der Röntgenstrahlung aus der Strahleneinfallsrichtung durch das Streustrahlenraster, wohingegen aus der Strahleneinfallsrichtung gestreute Röntgenstrahlung, welche negativen Einfluss auf die Bildqualität haben kann, durch die Kollimatorwände absorbiert werden kann. Die Strahleneinfallsrichtung kann hierbei im Wesentlichen die Ausbreitungsrichtung der Röntgenstrahlung, beschreiben, welche von einer Röntgenquelle in Richtung des Röntgendetektors und zur Belichtung des Röntgendetektors emittiert wird. Die Wandhöhe einer jeweiligen Kollimatorwand erstreckt sich im Wesentlichen entlang der Strahleneinfallsrichtung.
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Die Kollimatorwände des Streustrahlenrasters ermöglichen die Unterdrückung von Streustrahlung, welche einen negativen Effekt auf die Bildqualität haben kann. Die Kollimatorwände weisen daher vorzugsweise ein Material auf, welches Röntgenstrahlung derart absorbiert, dass eine Unterdrückung von Streustrahlung, welche bei einer Belichtung und Durchstrahlung eines Objekts in einer Bildgebungsanwendung auftritt, zumindest entlang der ersten Richtung in ausreichenden Maßen gewährleistet ist. Die Kollimatorwände weisen insbesondere ein Material auf, welches Röntgenstrahlung stark absorbiert, d.h. einen hohen Absorptionskoeffizienten für Röntgenstrahlung, beispielsweise einen höheren Absorptionskoeffizienten als Knochengewebe, aufweist. Insbesondere können die Kollimatorwände ein metallisches Material aufweisen.
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Vorzugsweise weisen die Kollimatorwände Wolfram auf. Die Mehrzahl an Kollimatorwänden kann aber auch Blei, Molybdän, Zink oder ein anderweitiges Material oder Verbundmaterial aufweisen, dessen Absorptionsverhalten von Röntgenstrahlung zu einer ausreichenden hohen Unterdrückung der Streustrahlung führt.
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Zumindest eine Teilmenge der Mehrzahl an Kollimatorwänden des Kollimatorelements des erfindungsgemäßen Streustrahlenrasters weist dabei einen ersten Wandbereich auf, welcher sich über eine erste Teilwandhöhe, d.h. einen ersten Teil der Wandhöhe, einer Kollimatorwand erstreckt, welche eine andere, insbesondere eine geringere, Absorptionsfähigkeit für Röntgenstrahlung aufweist als ein zweiter Wandbereich, welcher sich über eine zweite Teilwandhöhe, d.h. einen zweiten Teil der Wandhöhe, der Kollimatorwand erstreckt. Das heißt, der erste Wandbereich einer Kollimatorwand ist ausgelegt in einem geringeren Maß Röntgenstrahlung zu absorbieren als der zweite Wandbereich. Dabei kann die Absorptionsfähigkeit innerhalb des ersten Wandbereichs oder innerhalb des zweiten Wandbereichs lokal variieren, wobei jedoch im Mittel über den ersten Wandbereich eine geringere Absorptionsfähigkeit resultiert als im Mittel über den zweiten Wandbereich. Die Absorptionsfähigkeit kann jedoch auch in andere Ausführungen innerhalb eines Wandbereichs gleichartig bzw. gleichmäßig sein und sich lediglich zwischen den Wandbereichen unterscheiden. Die Absorptionsfähigkeit kann dabei beispielsweise gemessen werden, indem ein jeweiliger Wandbereich einer Kollimatorwand mit Röntgenstrahlung aufweisend ein Energiespektrum der emittierten Röntgenphotonen belichtet wird und die transmittierte Intensität, gemittelt über den jeweiligen bestrahlten Bereich, bestimmt wird.
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Eine unterschiedliche Absorptionsfähigkeit der Wandbereiche kann beispielsweise hergestellt sein, durch das Vorhandensein bzw. die Anordnung von Aussparungen in einem Wandbereich oder beiden Wandbereichen einer Kollimatorwand, durch den Einsatz unterschiedlicher Materialien in den unterschiedlichen Wandbereichen oder einer unterschiedlichen Volumendichte eines bestimmten Materials in unterschiedlichen Wandbereichen der Kollimatorwand. Es können auch anderweitige geeignete Maßnahmen eingesetzt werden, um die Absorptionsfähigkeit eines Wandbereichs im Vergleich zu einem zweiten Wandbereich zu reduzieren.
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Die Teilmenge der Mehrzahl an Kollimatorwänden, welche einen ersten und einen zweiten Wandbereich aufweist, kann dabei vorzugsweise mehr als eine Kollimatorwand umfassen. Die jeweiligen Teilwandhöhen können für unterschiedliche Kollimatorwände der Teilmenge der Mehrzahl an Kollimatorwänden unterschiedlich oder gleich gewählt sein. Die Teilmenge kann insbesondere auch, muss jedoch nicht notwendigerweise, alle Kollimatorwände des Kollimatorelements umfassen. Durch die Anpassung der Anzahl der Kollimatorwände, welche von der Teilmenge umfasst sind, kann eine Feinjustierung der Gesamtwirksamkeit des Streustrahlenrasters hinsichtlich der Unterdrückung von Streustrahlung ermöglicht werden.
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Der erste Wandbereich und der zweite Wandbereich einer Kollimatorwand können sich dabei direkt aneinander anschließen, d.h. zueinander benachbart sein. Es kann jedoch auch mehr als zwei Wandbereiche geben. Beispielsweise weist eine Kollimatorwand einen dritten Wandbereich mit einer dritten von der Absorptionsfähigkeit des ersten und des zweiten Wandbereichs abweichende Absorptionsfähigkeit auf. Derart kann ebenfalls feinere Justierung und Abstimmung der Absorptionsfähigkeit einer jeweiligen Kollimatorwand über die Wandhöhe erreicht werden und eine Feinjustierung der Gesamtwirksamkeit des Streustrahlenrasters ermöglicht werden.
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Die Ausführung eines Streustrahlenrasters aufweisend ein Kollimatorelement umfassend zumindest eine Teilmenge an Kollimatorwänden mit einem ersten Wandbereich, welcher eine geringere Absorptionsfähigkeit aufweist als ein zweiter Wandbereich, kann insbesondere vorteilhaft zu einer kosteneffizienten Bereitstellung des Streustrahlenrasters beitragen. Beispielsweise kann Material eingespart werden oder kostengünstigeres Material für den Aufbau der Kollimatorwände eingesetzt werden. Gleichzeitig kann jedoch wirksam eine Unterdrückung von Streustrahlung ermöglicht werden und damit eine hohe Bildqualität gewährleistet werden.
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Das Streustrahlenraster kann dabei lediglich ein erfindungsgemäßes Kollimatorelement aufweisen. Es kann aber auch mehr als ein Kollimatorelement aufweisen.
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Insbesondere kann das Kollimatorelement des Streustrahlenrasters eine Strahleneintrittsseite und eine entlang einer Strahleneinfallsrichtung gegenüberliegende Strahlenaustrittsseite aufweisen. Der erste Wandbereich kann sich insbesondere einer Strahlenaustrittsseite des Kollimatorelements anschließen oder räumlich näher an der Strahlenaustrittsseite angeordnet sein als an der Strahleneintrittsseite. Die Strahleneintrittsseite des Kollimatorelements kann insbesondere an der Seite des Kollimatorelements ausgebildet sein, welche in einer Stapelanordnung mit einem Röntgendetektor vom Röntgendetektor abgewandt ist. Bei einem Einsatz des Streustrahlenrasters ist die Strahleneintrittsseite insbesondere dann einer Röntgenquelle zur Belichtung des Röntgendetektors zugewandt. Die Strahlenaustrittsseite des Kollimatorelements kann an der Seite des Kollimatorelements ausgebildet sein, welche in einer Stapelanordnung mit einem Röntgendetektor dem Röntgendetektor zugewandt ist. Bei einem Einsatz des Streustrahlenrasters ist die Strahlenaustrittsseite dann von einer Röntgenquelle zur Belichtung des Röntgendetektors abgewandt. Das bedeutet, in einer vorzugsweisen Ausgestaltung des Streustrahlenrasters ist der erste Wandbereich in der Stapelanordnung mit einem Röntgendetektor räumlich näher am Röntgendetektor angeordnet als der zweite Wandbereich. Die Strahlenaustrittsseite und die Strahleneintrittsseite können im Wesentlichen senkrecht zur Strahleneinfallsrichtung flächig ausgebildet.
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Durch die Anordnung des ersten Wandbereichs in einem unterem, dem Röntgendetektor näherliegenden Bereich des Kollimatorelements kann besonders vorteilhaft, trotz der reduzierten Absorptionsfähigkeit des ersten Wandbereichs, eine ausreichende Unterdrückung der Streustrahlung insgesamt durch das Kollimatorelement gewährleisten. Auf den unteren Bereichen tritt im Mittel eine geringere Streustrahlenrate auf als auf Bereichen des Streustrahlenrasters, welche einer Röntgenquelle zugewandt sind, d.h. näher an der Strahleneintrittsseite angeordnet sind.
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In einer vorteilhaften Ausbildungsvariante des Streustrahlenrasters ist das Kollimatorelement mittels einer additiven Fertigungstechnik hergestellt.
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Eine additive Fertigungstechnik umfasst einen Prozess, bei dem auf der Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Dadurch ist eine hohe Variabilität in der Ausgestaltung möglich. Vorteilhaft ist dadurch eine zeiteffiziente Herstellung und eine ressourcenschonende Herstellung auch von komplexen, jedoch gleichzeitig stabilen Strukturen und Formen möglich. Die Bauteile können je nach Ausgangsstoff und Anwendung mit einem Verfahren der Stereolithografie, Laser-Sintern oder 3D-Druckern gefertigt werden. Als Materialien sind unterschiedliche Metalle, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe verfügbar.
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Beispielsweise kann das Kollimatorelement mittels selektiven Laserschmelzen bzw. Lasersintern hergestellt sein. Vorzugsweise wird dabei ein Pulverwerkstoff umfassend ein Metallpulver eingesetzt. Dabei wird zunächst eine dünne Schicht des Pulverwerkstoffs auf eine Bauplattform aufgetragen. Mittels eines Lasers kann das Pulver exakt an den Stellen aufgeschmolzen werden, die die computergenerierten Bauteil-Konstruktionsdaten vorgeben. Danach senkt sich die Fertigungsplattform ab und es erfolgt ein weiterer Pulverauftrag. Der Werkstoff wird erneut aufgeschmolzen und verbindet sich an den definierten Stellen mit der darunterliegenden Schicht.
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Vorteilhaft kann mittels einer additiven Fertigungstechnik und dabei besonders vorteilhaft insbesondere mittels eines Verfahrens des selektiven Laserschmelzens bzw. Lasersinterns außerdem eine hohe Volumendichte eines metallischen Materials in den Kollimatorwänden erreicht werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Streustrahlenrasters ist das Kollimatorelement einteilig ausgebildet.
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Durch eine einteilige, d.h. einstückige, Anfertigung eines Kollimatorelements kann vorteilhaft konstruktiver Aufwand bei der Zusammensetzung des Kollimatorelements aus Einzelteilen vermieden werden. Beispielsweise kann dadurch Material und Verbindungsmittel und zeitintensive Verarbeitungsschritte gespart werden.
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Weiterhin kann in einer Ausführungsform des Streustrahlenrasters der erste Wandbereich zumindest eine Aussparung aufweisen.
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Beispielsweise kann eine Kollimatorwand der Teilmenge zumindest teilweise nicht über die komplette Wandhöhe ausgeführt sein, d.h. zumindest teilweise eine geringere Wandhöhe aufweisen. Beispielsweise kann eine Kollimatorwand der Teilmenge eine Aussparung innerhalb des ersten Wandbereichs oder mehrere über den ersten Wandbereich verteilte Aussparungen aufweisen. Insbesondere kann mittels der zumindest einen Aussparung eine im Mittel geringere Absorptionsfähigkeit des ersten Wandbereichs im Vergleich zu dem zweiten, beispielsweise vollständig ausgeführten oder mit weniger Aussparungen ausgeführten, Wandbereich ausgebildet sein. Vorteilhaft kann Material eingespart werden und ggf. ein schnellerer Aufbau des Kollimatorelements umgesetzt werden.
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Weiterhin kann in einer Ausführungsform des Streustrahlenrasters der erste Wandbereich ein vom zweiten Wandbereich verschiedenes Material oder eine vom zweiten Wandbereich verschiedene Materialzusammensetzung aufweisen.
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Beispielsweise kann der zweite Wandbereich ein Material mit einem höheren Absorptionskoeffizienten für Röntgenstrahlung aufweisen als der erste Wandbereich. Beispielsweise kann der zweite Wandbereich reines Wolfram und der erste Wandbereich ein Verbundpulver aufweisend Wolfram und ein weiteres Material, beispielsweise Nickel, Eisen oder Kupfer, aufweisen. Beispielsweise kann der erste Wandbereich ein Materialzusammensetzung mit unterschiedlichen Anteilen an Materialien, beispielsweise einen geringeren Anteil an Wolfram oder Molybdän, aufweisen als der zweite Wandbereich. Vorteilhaft können kostengünstigere Materialien zum Einsatz kommen, so dass das Streustrahlenraster kosteneffizient bereitgestellt werden.
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Weiterhin kann in einer Ausführungsform des Streustrahlenrasters der erste Wandbereich eine geringere Materialdichte aufweisen als der zweite Wandbereich. Beispielsweise können die Kollimatorwände ein metallisches Material und der erste Wandbereich eine geringere Volumendichte des metallischen Materials aufweisen als der zweite Wandbereich. Insbesondere kann der erste Wandbereich eine höhere Porosität aufweisen als der zweite Wandbereich.
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In einer Variante ist das Streustrahlenraster mittels eines Verfahrens des Selektiven Laserschmelzen oder Lasersinterns eines Metallpulvers hergestellt, wobei die geringere Materialdichte aus der Verwendung von dickeren Pulverschichten im ersten Wandbereich als im zweiten Wandbereich resultiert. Beispielsweise können bei einem Verfahren des Selektiven Laserschmelzens (SLM) oder Lasersinterns (SLS) dickere Pulverschichten eines Metallpulvers beim Aufbau des ersten Wandbereichs als beim Aufbau des zweiten Wandbereichs eingesetzt werden. Nach dem Aufschmelzen wird die Struktur körniger bzw. poröser und die Materialdichte bzw. Volumendichte nimmt ab. Vorteilhaft kann das Kollimatorelement schneller aufgebaut werden oder kostengünstigere Materialien eingesetzt werden. Vorteilhaft kann außerdem erleichtert eine gröbere Pulverkörnung eingesetzt werden.
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Die geringere Materialdichte des ersten Wandbereichs kann auch aus der Anwendung einer gröberen Pulverkörnung des Metallpulvers im ersten Wandbereich als des Metallpulvers im zweiten Wandbereich resultieren oder zumindest beeinflusst werden.
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Eine gröbere Pulverkörnung kann günstiger bereitgestellt werden und ist in der Regel unabhängiger gegen Chargenschwankungen. Weiterhin kann ein gröberes Pulver auch technische Vorteile durch eine geringere elektrische Aufladung beim Pulverauftrag bringen.
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Die Kollimatorwände sind erfindungsgemäß zumindest benachbart zueinander entlang der ersten Richtung angeordnet. Sind die Kollimatorwände lediglich benachbart entlang der ersten Richtung ausgebildet kann das Streustrahlenraster im Wesentlichen als eine Lamellenstruktur ausgebildet sein. Durch die Kollimatorwände begrenzte Durchgangskanäle zwischen den Kollimatorwänden werden dann lediglich auf zwei Seiten entlang der ersten Richtung begrenzt.
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Das Streustrahlenraster kann jedoch daneben in anderen vorteilhaften Ausgestaltungsvarianten Kollimatorwände aufweisen, welche außerdem senkrecht zur ersten Richtung benachbart ausgebildet sind. Das heißt, gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Streustrahlenrasters können außerdem in einer zu der ersten Richtung und der Stapelrichtung senkrechten zweiten Richtung Kollimatorwände ausgebildet sein. Derart weist das Streustrahlenraster in einem waagrechten Schritt entlang der ersten und zweiten Richtung eine zweidimensional gitterförmige Struktur auf. In diesem Fall werden die durch die Kollimatorwände definierten Durchgangskanäle dementsprechend sowohl in der Richtung der ersten Richtung als auch in der Richtung der zweiten Richtung durch Kollimatorwände begrenzt. Ein solcher Kollimator kann auch als 3D-Kollimator bezeichnet werden.
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Vorteilhaft ist das Streustrahlenraster ausgebildet sowohl entlang der ersten als auch entlang der zweiten Richtung Streustrahlung zu absorbieren.
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Insbesondere kann das Streustrahlenraster eine Mehrzahl an Kollimatorelementen gemäß einer der zuvor beschriebenen Varianten aufweisen.
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Beispielsweise können mehrere, einstückig hergestellte Kollimatorelemente zu einem Streustrahlenraster mit einer vorteilhaft größeren flächigen Ausdehnung zusammengesetzt werden. Die Kollimatorelemente können dazu beispielsweise miteinander an aneinanderstoßenden Flächen verklebt werden. Es kann auch eine anderweitige Verbindung der Kollimatorwände vorgesehen sein.
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Dies ermöglicht außerdem unterschiedlich ausgeführte Kollimatorelemente miteinander in einem Streustrahlenraster zu kombinieren. Beispielsweise können Kollimatorelemente, welche einem Randbereich einer Röntgendetektorvorrichtung zugeordnet sind anders ausgeführt sein als Kollimatorelemente welche einem mittigen Bereich einer Röntgendetektorvorrichtung zugeordnet sind. Beispielsweise kann bei einem randseitig angeordneten Kollimatorelement die erste Wandhöher einen größeren Teil der Wandhöhe einer jeweiligen Kollimatorwand einnehmen als bei einem mittig angeordneten Kollimatorelement. Randbereiche einer Detektorvorrichtung können für die Bildgebung eine geringere Relevanz aufweisen, so dass hier eine geringere Unterdrückung von Streustrahlung in Kauf genommen werden kann, um im Gegenzug eine Kostenersparnis in Bezug auf das eingesetzte Streustrahlenraster zu ermöglichen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Röntgendetektorvorrichtung umfassend einen Röntgendetektor und ein erfindungsgemäßes Streustrahlenraster in einer Stapelanordnung entlang einer Röntgenstrahleneinfallsrichtung.
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Der Röntgendetektor kann ein direkt-konvertierender oder ein indirekt-konvertierender Röntgendetektor sein.
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Die Röntgenstrahlung bzw. die Röntgenphotonen können in direkt-konvertierenden Röntgendetektorvorrichtungen durch ein geeignetes Konvertermaterial in elektrische Pulse umgewandelt werden. Als Konvertermaterial können beispielsweise CdTe, CZT, CdZnTeSe, CdTeSe, CdMnTe, InP, TlBr2, HgI2, GaAs oder andere verwendet werden. Die elektrischen Pulse werden von elektronischen Schaltkreisen einer Auswerteeinheit, beispielsweise in Form eines integrierten Schaltkreises (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), bewertet. In zählenden Röntgendetektorvorrichtungen kann einfallende Röntgenstrahlung durch Zählen der elektrischen Pulse, welche durch die Absorption von Röntgenphotonen im Konvertermaterial ausgelöst werden, gemessen werden. Die Höhe des elektrischen Pulses ist in der Regel außerdem proportional zur Energie des absorbierten Röntgenphotons. Dadurch kann eine spektrale Information durch den Vergleich der Höhe des elektrischen Pulses mit einem Schwellwert extrahiert werden.
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Die Röntgenstrahlung bzw. die Photonen können in indirektkonvertierenden Röntgendetektorvorrichtungen durch ein geeignetes Konvertermaterial in Licht und mittels optisch gekoppelten Photodioden in elektrische Pulse umgewandelt werden. Als Konvertermaterial werden häufig Szintillatoren, beispielsweise GOS (Gd202S), CsJ, YGO oder LuTAG, eingesetzt.
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Die erzeugten elektrischen Signale werden weiter über eine Auswerteeinheit aufweisend elektronische Schaltkreise weiterverarbeitet, ausgelesen und anschließend an eine Recheneinheit weitergeleitet.
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Der Röntgendetektor kann eine matrixartige Anordnung einer Vielzahl an Pixelelementen für eine ortsaufgelöste Messung der eintreffenden Röntgenstrahlung umfassen. Die Position des Streustrahlenrasters, insbesondere der Durchgangskanäle und der Kollimatorwände kann relativ zu der matrixartigen Anordnung der Vielzahl an Pixelelementen ausgerichtet sein. Beispielsweise kann jedem Pixelelement oder einer Gruppe von Pixelelementen jeweils eine Kollimatorwand zugeordnet sein. Beispielsweise kann jeweils zwischen zwei benachbarten Pixelelementen oder zwischen benachbarten Gruppen von Pixelelementen, beispielsweise Makropixeln, eine Kollimatorwand angeordnet sein. Vorzugsweise erfolgt eine Anordnung derart, dass möglichst wenig von einer sensitiven Fläche eines Pixelelements durch eine Kollimatorwand überdeckt wird, so dass eine Verschlechterung der Dosiseffizient vermieden werden kann. In Ausführungsvarianten ist jedoch auch denkbar, dass Kollimatorwände ganz oder teilweise über der für Röntgenstrahlung sensitiven Detektionsfläche eines Pixelelements angeordnet sind.
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Vorteilhaft wird auf den Röntgendetektor auftreffende, bildwirksame Streustrahlung reduziert und damit eine verbesserte Bildqualität ermöglicht, wobei gleichzeitig eine kosteneffiziente Bereitstellung gewährleistet werden kann.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein medizinisches Bildgebungsgerät mit einer erfindungsgemäßen Röntgendetektorvorrichtung und einer Röntgenquelle in Gegenüberstellung zum Röntgendetektor, welche ausgebildet ist, den Röntgendetektor entlang der Röntgenstrahleneinfallsrichtung mit Röntgenstrahlung zu belichten.
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Für die Aufnahme des Röntgenbilddatensatzes kann dann insbesondere zwischen die Röntgenquelle und den Röntgendetektor das abzubildende Objekt platziert und mittels der Röntgenquelle durchstrahlt werden.
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Insbesondere kann das medizinische Bildgebungsgerät als Computertomographie-System ausgebildet sein. Es kann aber auch beispielsweise als C-Bogen-Röntgengerät und/oder Dyna-CT oder auch als anderweitiges röntgenbasiertes Bildgebungsgerät ausgebildet sein.
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Alle Ausgestaltungsvarianten, die zuvor im Rahmen der erfindungsgemäßen Streustrahlenrasters beschrieben sind, können entsprechend auch in der Röntgendetektorvorrichtung oder dem medizinischen Bildgebungsgerät ausgeführt sein. Die im Hinblick auf das Streustrahlenraster erfolgte Beschreibung und die zuvor beschriebenen Vorteile des Streustrahlenrasters können entsprechend auch auf die erfindungsgemäße Röntgendetektorvorrichtung und das erfindungsgemäße medizinische Bildgebungsgerät übertragen werden.
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Im Rahmen der Erfindung können außerdem Merkmale, welche in Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sind, zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden. Neben den in dieser Anmeldung ausdrücklich beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind vielfältige weitere Ausführungsformen der Erfindung denkbar, zu denen der Fachmann gelangen kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche vorgegeben ist.
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Die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ schließt nicht aus, dass das betroffene Merkmal auch mehrfach vorhanden sein kann. Die Verwendung des Ausdrucks „aufweisen“ schließt nicht aus, dass die mittels des Ausdrucks „aufweisen“ verknüpften Begriffe identisch sein können. Beispielsweise weist das medizinische Bildgebungsgerät das medizinische Bildgebungsgerät auf. Die Verwendung des Ausdrucks „Einheit“ schließt nicht aus, dass der Gegenstand, auf den sich der Ausdruck „Einheit“ bezieht, mehrere Komponenten aufweisen kann, die räumlich voneinander separiert sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von beispielhaften Ausführungsformen unter Hinweis auf die beigefügten Figuren erläutert. Die Darstellung in den Figuren ist schematisch, stark vereinfacht und nicht zwingend maßstabsgetreu. Es zeigen:
- 1 eine Röntgendetektorvorrichtung umfassend ein Streustrahlenraster aufweisend ein Kollimatorelement in Stapelanordnung mit einem Röntgendetektor,
- 2 ein Kollimatorelement eines Streustrahlenrasters in einer ersten Ausführungsvariante,
- 3 ein Streustrahlenraster umfassend zwei Kollimatorelemente, und
- 4 ein medizinisches Bildgebungsgerät.
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1 zeigt eine Röntgendetektorvorrichtung umfassend ein Röntgendetektor 4 und ein Streustrahlenraster mit einem Kollimatorelement 2 in einer Stapelanordnung entlang einer Röntgenstrahleneinfallsrichtung in einer Schnittansicht. Die Stapelrichtung und die Strahleneinfallsrichtung verlaufen in der gezeigten Darstellung im Wesentlichen parallel zu der x-Achse.
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Das Streustrahlenraster ist in Richtung einer Strahleneinfallsrichtung vor dem Röntgendetektor 4 für die Reduzierung von auf den Röntgendetektor 4 eintreffender Streustrahlung während der Belichtung der Röntgendetektorvorrichtung mit Röntgenstrahlung angeordnet.
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Der Röntgendetektor 4 weist ein Konverterelement 11 für die Umwandlung einfallender Röntgenstrahlung in elektrische Signale auf. Weiterhin ist das Konverterelement 11 über elektrisch leitende Verbindungen 15 mit einer Auswerteeinheit 13 gekoppelt, welche ausgebildet ist, die elektrischen Signale von der Konvertereinheit 11 weiterzuverarbeiten. Die Auswerteeinheit kann außerdem mit einer Ausleseeinheit 17 zur Sammlung und Auslese der weiterverarbeiten Signale oder einem Substrat 17 gekoppelt sein. Der Röntgendetektor kann insbesondere eine matrixartige Anordnung einer Vielzahl an Pixelelementen für eine ortsaufgelöste Vermessung der eintreffenden Röntgenstrahlung umfassen. Der Röntgendetektor 4 kann dabei ein direkt-konvertierender oder ein indirekt-konvertierender Röntgendetektor 4 sein.
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Das Streustrahlenraster zur Stapelanordnung entlang einer Strahleneinfallsrichtung mit dem Röntgendetektor 4 weist ein Kollimatorelement 2 mit einer Mehrzahl an Kollimatorwänden 1, auf, welche in zumindest einer ersten Richtung senkrecht zur Strahleneinfallsrichtung parallel zueinander angeordnet sind, wobei jede Kollimatorwand 1 der Mehrzahl eine Wandhöhe h entlang der Strahleneinfallsrichtung aufweist. Die Wandhöhe einer jeweiligen Kollimatorwand erstreckt sich dabei im Wesentlichen entlang der Strahleneinfallsrichtung. Die Wandhöhe h kann beispielsweise im Bereich von 3 bis 40mm liegen, bevorzugt zwischen 4 und 28mm, noch bevorzugter beträgt die Wandhöhe mehr als 8mm.
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Die Kollimatorwände 1 des Kollimatorelements 2 sind zumindest entlang der ersten Richtung (in der Abbildung parallel zur z-Achse) benachbart und derart beabstandet zueinander angeordnet, dass jeweils zwischen zwei benachbarten Kollimatorwänden 1 ein Durchgangskanal 3 bereitgestellt ist. In einer Aufsicht auf die Anordnung kann dies dann einer Gitterroststruktur bzw. einer Lamellenstruktur entsprechen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Streustrahlenrasters sind in einer zu der ersten Richtung und der Stapelrichtung senkrechten zweiten Richtung Kollimatorwände 1 ausgebildet, so dass das Kollimatorelement 2 in einem waagrechten Schritt entlang der ersten und zweiten Richtung eine zweidimensional gitterförmige Struktur aufweist. Ein solches Kollimatorelement ist in 2 veranschaulicht. Ein solches Streustrahlenraster kann dann auch 3D-Kollimator genannt werden. Die Kollimatorwände 1 und die Durchgangskanäle sind im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung ausgerichtet, wobei dies umfassen kann, dass die Kollimatorwände 1 und die dadurch gebildeten Durchgangskanäle 3 auch leicht geneigt auf einen Fokuspunkt einer für die Belichtung des Röntgendetektors 4 angeordneten Röntgenquelle 37 ausgerichtet sein können.
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Die Kollimatorwände 1 weisen vorzugsweise ein Material, welches Röntgenstrahlung stark absorbiert, beispielsweise ein metallisches Material. Beispielsweise weisen die Kollimatorwände Wolfram auf.
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Zumindest eine Teilmenge der Mehrzahl an Kollimatorwänden des Kollimatorelements des erfindungsgemäßen Streustrahlenrasters weist dabei einen ersten Wandbereich auf, welcher sich über eine erste Teilwandhöhe g, welche eine andere, insbesondere eine geringere, Absorptionsfähigkeit für eine eingesetzte Röntgenstrahlung aufweist als ein zweiter Wandbereich, welcher sich über eine zweite Teilwandhöhe k der Kollimatorwand erstreckt. Das heißt, der erste Wandbereich einer Kollimatorwand ist ausgelegt in eine geringeren Maß Röntgenstrahlung zu absorbieren als der zweite Wandbereich. Im gezeigten Beispiel ist der erste Wandbereich schraffiert hervorgehoben. Beispielsweise umfasst die erste Teilwandhöhe g bis zu 50%. Bevorzugt ist die erste Teilwandhöhe g geringer als die zweite Teilwandhöhe k. Beispielsweise umfasst die erste Teilwandhöhe g 5% bis 30%, beispielsweise 20%, der Wandhöhe h.
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Dabei sind in dem gezeigten Beispiel außerdem alle gezeigten Kollimatorwände 1 gleichartig ausgebildet, wobei sich der erste Wandbereich für alle Kollimatorwände 1 über die gleiche Teilwandhöhe g erstreckt. Es kann jedoch auch andere Ausführungsmöglichkeiten geben, in denen die Kollimatorwände und/oder der erste Wandbereich unterschiedlich ausgebildet sind.
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Die Absorptionsfähigkeit innerhalb eines jeweiligen Wandbereichs kann lokal variieren, wobei jedoch im Mittel über den ersten Wandbereich eine geringere Absorptionsfähigkeit resultiert als im Mittel über den zweiten Wandbereich. Die Absorptionsfähigkeit kann jedoch auch in andere Ausführungen innerhalb eines Wandbereichs gleichartig bzw. gleichmäßig sein und sich lediglich zwischen den Wandbereichen unterscheiden. Beispielweise kann die Absorptionsfähigkeit des ersten Wandbereichs räumlich gemittelt um maximal 30%, bevorzugter maximal 20%, reduziert sein im Vergleich zu dem zweiten Wandbereich.
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Eine unterschiedliche Absorptionsfähigkeit der Wandbereiche kann beispielsweise hergestellt sein, durch das Vorhandensein von Aussparungen in einem Wandbereich der Kollimatorwand. Andere Ausgestaltungsarten können umfassen, dass der erste Wandbereich ein vom zweiten Wandbereich verschiedenes Material oder eine vom zweiten Wandbereich verschiedene Materialzusammensetzung aufweist. Weiterhin können Ausgestaltungsarten umfassen, dass der erste Wandbereich eine geringere Materialdichte aufweist als der zweite Wandbereich. Es können auch anderweitige geeignete Maßnahmen eingesetzt werden, um die Absorptionsfähigkeit eines Wandbereichs im Vergleich zu einem zweiten Wandbereich zu reduzieren. Beispielsweise weisen alle im schraffierten Wandbereich in 1, welcher sich über die Teilwandhöhe g erstreckt, eine geringere Volumendichte von Wolfram auf als im zweiten Wandbereich, welcher sich über die Teilwandhöhe k erstreckt.
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In der Stapelanordnung weist das Kollimatorelement 2 eine einer Röntgenquelle 37 zur Belichtung des Röntgendetektors 4 zugewandte und von dem Röntgendetektor 4 abgewandte Strahleneintrittsseite 6 auf. Entlang der Strahleneinfallsrichtung der Strahleneintrittsseite 6 gegenüberliegend weist das Kollimatorelement 2 entsprechend eine einer Röntgenquelle 37 zur Belichtung des Röntgendetektors 4 abgewandte und dem Röntgendetektor 4 zugewandte Strahlenaustrittsseite 8 auf.
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Im gezeigten Beispiel eines Kollimatorelements 2 schließt sich der erste Wandbereich direkt an die Strahlenaustrittsseite 8 des Kollimatorelements 2 an. In anderen Ausführungsformen kann sich der erste Wandbereich auch nicht an die Strahlenaustrittsseite 8 anschließen, jedoch ist der erste Wandbereich bevorzugt für eine bessere Gesamtunterdrückung von Streustrahlung durch das Streustrahlenraster räumlich näher an der Strahlenaustrittsseite 8 als an der Strahleneintrittsseite 6 angeordnet. Eine sich an die Strahlenaustrittsseite 8 direkt anschließende Anordnung kann insbesondere auch zu einer erleichterten Herstellung führen.
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In einer vorteilhaften Ausbildungsvariante des Streustrahlenrasters ist das Kollimatorelement 2 mittels einer additiven Fertigungstechnik hergestellt, wobei auf der Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Beispielsweise wird das Kollimatorelement mittels selektiven Laserschmelzen bzw. selektiven Lasersinters hergestellt, wobei bevorzugt ein Pulverwerkstoff umfassend ein Metallpulver, beispielsweise ein Metallpulver umfassen Wolframpartikel, eingesetzt wird. Dabei wird das Kollimatorelement 2 gemäß einer bevorzugten Variante einteilig ausgebildet.
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Bei einer Herstellung mittels selektiven Laserschmelzens bzw. Lasersinterns kann beispielsweise aus einer Verwendung von dickeren Pulverschichten im ersten Wandbereich als im zweiten Wandbereich eine geringere Materialdichte im ersten Wandbereich im Vergleich zum zweiten Wandbereich und damit eine geringere Absorptionsfähigkeit des ersten Wandbereichs hervorgerufen werden.
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Die geringere Materialdichte des ersten Wandbereichs kann auch aus der Anwendung einer gröberen Pulverkörnung des Metallpulvers im ersten Wandbereich als des Metallpulvers im zweiten Wandbereich resultieren oder zumindest beeinflusst werden.
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Das Streustrahlenraster kann neben den hier gezeigten Komponenten weitere Komponenten aufweisen. Beispielsweise umfasst das Streustrahlenraster ein Halteelement zur Befestigung des Kollimatorelements 2 an dem Röntgendetektor 4 oder an einer Modulhalterung einer Röntgendetektorvorrichtung. Das Kollimatorelement 2 kann in Ausführungsvarianten auch direkt auf dem Konverterelement 11 angebracht sein.
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In 2 ist eine Ausführungsvariante eines Kollimatorelements 2 in einer dreidimensionalen Ansicht gezeigt. Bei der dargestellten Variante handelt es sich insbesondere um ein Kollimatorelement 2 eines sogenannten 3D Kollimators, wobei sowohl entlang einer ersten Richtung als auch entlang einer zweiten Richtung Kollimatorwände 1 ausgebildet sind.
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Die in der Darstellung sichtbare, vordere Kollimatorwand 1 weist im ersten Wandbereich, welcher sich über die erste Teilwandhöhe g erstreckt zumindest eine Aussparung 5, in diesem Fall mehrere über den ersten Wandbereich verteilte Aussparungen 5, auf. Dagegen ist der zweite Wandbereich, welcher sich über die Teilwandhöhe k erstreckt vollflächig, d.h. ohne Aussparungen 5, ausgebildet. Durch die Aussparungen 5 ist die Absorptionsfähigkeit für Röntgenstrahlung des ersten Wandbereichs im Mittel relativ zu dem zweiten Wandbereich reduziert.
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3 zeigt ein Streustrahlenraster umfassend eine Mehrzahl, in diesem Fall zwei, jeweils einteilig ausgeführte Kollimatorelemente 2, welche für eine größere vorteilhaft flächige Abdeckung des Streustrahlenrasters zusammengefügt sind. Beispielsweise sind die zwei Kollimatorelemente an den Stoßflächen miteinander verklebt. Es können auch mehr als zwei Kollimatorelemente 2 zu einem Streustrahlenraster zusammengefügt sein.
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Beispielsweise weisen beide Kollimatorelemente 2 jeweils im ersten Wandbereich (angedeutet durch die Schraffierung), welcher sich über die erste Teilwandhöhe g erstreckt, eine andere Materialzusammensetzung auf als im zweiten Wandbereich, welcher sich über die teilwandhöhe k erstreckt. Beispielsweise weist der zweite Wandbereich reines Wolfram, oder zumindest Wolfram mit einem hohen Anteil, beispielsweise mehr als 90% auf. Beispielsweise weist der erste Wandbereich ein Verbundmaterial, beispielsweise eine Mischung aus Wolfram und Nickel, Wolfram und Kupfer oder Wolfram und Eisen auf.
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4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines medizinischen Bildgebungsgeräts 32 mit einer Detektionseinheit 36 umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Röntgendetektorvorrichtung, umfassend ein Röntgendetektor 4 und ein erfindungsgemäßes Streustrahlenraster mit einem Kollimatorelement 2, und einer Röntgenquelle 37 in Gegenüberstellung zur Detektionseinheit 36. Die Röntgenquelle ist ausgebildet, die Detektionseinheit 36, und damit den Röntgendetektor 4, entlang einer Röntgenstrahleneinfallsrichtung mit Röntgenstrahlung zu belichten. Das gezeigte medizinische Bildgebungsgerät 32 ist insbesondere als Computertomographie-System ausgebildet. Das Computertomographie-System beinhaltet eine Gantry 33 mit einem Rotor 35. Der Rotor 35 umfasst eine Röntgenquelle 37 und die Detektionseinheit 36. Die Detektionseinheit 36 umfasst mindestens einen Röntgendetektorvorrichtung. Der Rotor 35 ist um die Rotationsachse 43 drehbar. Das Untersuchungsobjekt 39, hier ein Patient, ist auf der Patientenliege 41 gelagert und ist entlang der Rotationsachse 43 durch die Gantry 33 bewegbar. Zur Steuerung des Computertomographie-Systems und zur Berechnung von Schnittbilder bzw. Volumenbildern des Objekts wird eine Recheneinheit 45 verwendet. Eine Eingabeeinrichtung 47 und eine Ausgabevorrichtung 49 sind mit der Rechnereinheit 45 verbunden.
