-
Die Erfindung betrifft ein Strahlungsdetektormodul, ein Strahlungsdetektor und ein Bildgebungssystem umfassend ein solches Strahlungsdetektormodul.
-
Strahlungsdetektoren finden in vielen bildgebenden Anwendungen Einsatz. So werden Strahlungsdetektoren, insbesondere Röntgendetektoren, beispielsweise in Computertomographen in der medizinischen Bildgebung genutzt, um ein tomographisches Röntgenbild eines Untersuchungsbereiches eines Patienten zu erzeugen.
-
In der Bildgebung, beispielsweise in der Computertomographie (CT), der Angiographie oder der Radiographie, können zählende, direkt-konvertierende Detektoren oder integrierende, indirekt-konvertierende Detektoren verwendet werden. Die Röntgenstrahlung oder die Photonen können in direkt-konvertierenden Detektoren durch ein geeignetes Konvertermaterial in elektrische Pulse umgewandelt werden. Als Konvertermaterial können beispielsweise CdTe, CZT, CdZnTeSe, CdTe-Se, CdMnTe, InP, TlBr2, HgI2, GaAs oder andere verwendet werden. Die elektrischen Pulse können von elektronischen Schaltkreisen einer Auswerteeinheit, beispielsweise in Form eines integrierten Schaltkreises (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), bewertet werden. In zählenden Detektoren kann die 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. Die Röntgenstrahlung oder die Photonen können in indirekt-konvertierenden Detektoren durch ein geeignetes Konvertermaterial in Licht und mittels optisch gekoppelten Photodioden in elektrische Pulse umgewandelt werden. Als Konvertermaterial werden häufig Szintillatoren, beispielsweise GOS (Gd2O2S), CsJ, YGO oder LuTAG, eingesetzt. Die erzeugten elektrischen Signale werden weiter über eine Auswerteeinheit aufweisend elektronische Schaltkreise weiterverarbeitet.
-
Eine grundlegende Herausforderung im Aufbau eines Strahlungsdetektors besteht in der Ableitung der entstehenden Wärme, sowohl im Konverter selbst als auch in der Abwärme, die in den Auswerteeinheiten entstehen. Die Abwärme einer einzelnen Auswerteeinheit bzw. Sensors kann beispielsweise in der Größenordnung von 1-2 Watt liegen. Häufig erfolgt eine Entwärmung über die Gesamtkühlung des Detektors mittels des Einblasens von gekühlter Luft.
-
Aufgabe der Erfindung ist es einen optimierten Aufbau eines Strahlungsdetektormodul, einen optimierten Strahlungsdetektor und ein optimiertes Bildgebungssystem bereitzustellen, in welchem eine Entwärmung des Strahlungsdetektormoduls verbessert gewährleistet ist.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
-
Die Erfindung betrifft ein Strahlungsdetektormodul umfassend eine Stapelanordnung aus
- - einer Detektionsschicht mit einer Anzahl an Konvertereinheiten, ausgebildet eintreffende Strahlung in elektrische Signale zu konvertieren,
- - einer Anzahl an Auswerteeinheiten, ausgebildet die von der Detektionsschicht eingespeisten, elektrischen Signale auszuwerten, und
- - einer Trägereinheit.
-
Dabei ist die Anzahl an Auswerteeinheiten in der Stapelanordnung zwischen der Detektionsschicht und der Trägereinheit angeordnet. Außerdem ist in die Trägereinheit in einem Flächenbereich, welcher einer Projektion einer jeweiligen Auswerteeinheit der Anzahl an Auswerteeinheiten entlang der Stapelrichtung entspricht, jeweils ein Vollmaterialkern aus einem wärmeleitfähigen Material eingesetzt, welcher den Großteil des jeweiligen Flächenbereichs überstreckt, und welcher über ein wärmeleitfähiges Füllmaterial mit der jeweiligen Auswerteeinheit wärmeleitend in Kontakt steht.
-
Das Strahlungsdetektormodul weist eine Stapelanordnung auf. Dies umfasst, dass das Strahlungsdetektormodul entlang einer Stapelrichtung im Wesentlichen in Schichten angeordnet ist. Die Stapelrichtung kann insbesondere im Wesentlichen einer Strahleneinfallsrichtung entsprechen, wenn das Strahlungsdetektormodul mit Strahlung bestrahlt wird.
-
Die Detektionsschicht ist allgemein so ausgebildet, dass sie die einfallende Strahlung mittels der Anzahl an Konvertereinheiten in ein üblicherweise analoges elektrisches Signal umwandelt. Die Detektionsschicht kann insbesondere eine Mehrzahl an Konvertereinheiten umfassen, welche nebeneinander angeordnet sind. Je nach Verwendungszweck kann das Strahlungsdetektormodul zur Messung elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen und/oder zur Messung von Teilchenstrahlung dienen. Dafür umfasst die Detektionsschicht eine dem jeweiligen Detektortyp entsprechende Konvertereinheit.
-
Zum Beispiel bei indirekt konvertierenden Röntgendetektoren (auch integrierende Detektoren genannt) umfasst die Detektionsschicht eine Mehrzahl von Photodioden und welche mit einer zweite Unterschicht der Detektionsschicht, einem Szintillator, gekoppelt sind. Dieser konvertiert einfallende Röntgenstrahlung in Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich. Der Szintillator der zweiten Unterschicht kann sich dabei über weite Bereiche des Detektormoduls durchgehend erstrecken, wobei diesem eine Mehrzahl an jeweils in Baugruppen zusammengefasste Mehrzahlen an Photodioden zugeordnet sein können, er kann jedoch auch modular als eine Anzahl von Szintillatorelementen ausgestaltet. Das vom Szintillator erzeugte sichtbare Licht wird folgend auf die jeweils räumlich zugeordnete Photodiode übertragen, die es wiederum in ein elektrisches Signal konvertiert. Eine als Baugruppen zusammengefasste Mehrzahlen an Photodioden und ein zugeordneter Flächenbereich eines Szintillators oder Szintillatorelements kann als eine Konvertereinheit, ausgebildet eintreffende Strahlung in elektrische Signale zu konvertieren, verstanden werden.
-
Bei direkt konvertierenden Detektoren (auch photonenzählende Detektoren genannt) wird beispielsweise die einfallende Strahlung, bevorzugt in einem Halbleitermaterial, direkt in ein elektrisches Signal umgewandelt. Detektoren dieses Typs umfassen daher bevorzugt als Konverterelement eine Konvertereinheit aus Si (Silizium), GaAs (Galliumarsenid), HgI2 (Quecksilberjodid) und/oder a-Se (amorphes Selen), besonders bevorzugt aus CdTe (Cadmiumtellurid) und/oder CdZnTe (Cadmiumzinktellurid) .
-
Das Strahlungsdetektormodul umfasst bei beiden Typen jeweils eine Vielzahl von Pixelelementen, also kleinsten flächigen Bereichen innerhalb der Detektionsschicht, die eigenständig ausgelesen werden können. Um ausgelesen zu werden, ist jedes Pixel mit einem zugeordneten Auswertepixelelement einer Auswerteeinheit verbunden. Dabei sind bevorzugt mehrere Pixelelemente mit einer Auswerteeinheit verbunden. Die Auswerteeinheit dient allgemein der Digitalisierung der elektronischen Signale, welche aus der Anzahl an Konvertereinheiten eingespeist werden. Sie können beispielsweise als ASIC (application specific integrated circuit) implementiert sein. Darin werden beispielsweise in direkt konvertierenden Detektoren die an den jeweiligen Pixeln erfassten elektronischen Signale als Pulse verstärkt, geformt und je nach Pulshöhe und Schwellenwert gezählt oder unterdrückt.
-
Der Vollmaterialkern umfasst bevorzugt ein Metall, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, oder eine wärmeleitfähige Keramik. Vorteilhaft kann Wärme gut abgeleitet werden. Die wärmeleitfähige Keramik kann beispielsweise Bornitrid umfassen, dessen Wärmeleitfähigkeit in Reinform mit Kupfer vergleichbar ist. Andere keramische Werkstoffe können Siliciumcarbid und Aluminiumnitrid umfassen. Der Vollmaterialkern kann auch einer Kombination eines Kunststoffs und einem keramischen Zuschlagsstoff gebildet sein.
-
Der Vollmaterialkern stellt eine besonders große Kontaktierungsfläche und durch die Ausbildung als massiver Vollmaterialkern mit einem geringen thermischen Widerstand eine besonders effektive Möglichkeit für eine Wärmeableitung der in der Auswerteeinheit oder in der Konvertereinheit erzeugten Wärme durch die Trägereinheit dar.
-
Die Trägereinheit kann Leiterplattenmaterial und elektrische Leitungen zur Weiterleitung von Daten von der Anzahl an Auswerteeinheiten umfassen. Die Trägereinheit kann daneben auch anderweitig ausgebildet sein und beispielsweise eine Keramik, ein Glas oder ein Verbundwerkstoff umfassen. Der Vollmaterialkern kann in die Trägereinheit eingepresst sein.
-
Der wärmeleitfähige Füllstoff kann beispielsweise Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid umfasst. Der wärmeleitfähige Füllstoff kann ein wärmeleitfähiger Klebstoff umfassen, welcher silikon- oder Epoxidharzbasiert ist. In anderen Ausführungsmöglichkeiten kann der wärmeleitfähige Füllstoff auch Lotmaterial umfassen.
-
Der wärmeleitfähige Füllstoff überbrückt einen möglicherweise vorliegenden Spalt zwischen einer Auswerteeinheit und dem Vollmaterialkern und erlaubt insbesondere eine verbessert wärmeleitende Kontaktierung zwischen der Auswerteeinheit und dem Vollmaterialkern. Der Füllstoff kann insbesondere eine vollflächige Kontaktierung über die gesamte Kontaktierungsfläche der jeweiligen Auswerteeinheit und des Vollmaterialkerns gewährleisten.
-
Das Füllmaterial ist dabei vorzugsweise rein thermisch leitend und nicht elektrisch leitend. Bevorzugt wird eine Wärmeleitung von mindestens 2 oder 3 W/mK mittels des Füllmaterials erreicht.
-
Zwischen den Schichten der Stapelanordnung vorliegende Spalte können weiterhin ebenfalls mittels eines oder mehrerer unterschiedlicher Unterfüllmaterialien befüllt sein. Beispielsweise kann ein Spalt zwischen einem Szintillator und einer Konvertereinheit in einem indirekt-konvertierenden Strahlungsdetektormodul mit einem optischen Underfill befüllt sein. Beispielsweise kann bei einem direkt- oder einem indirekt-konvertierenden ein Spalt zwischen einer Konvertereinheit und einer Auswerteeinheit oder einer etwaigen Zwischeneinheit, wie später beschrieben, mittels eines mechanischem Underfill befüllt sein. Beispielsweise kann ein Spalt zwischen einer etwaigen Zwischeneinheit und einer Auswerteeinheit ebenfalls mittels eines mechanischem Underfill befüllt sein. Ein mechanischer Underfill dient insbesondere einer Stabilisierung des Aufbaus, während ein optischer Underfill die Einkopplung des erzeugten Lichts im Szintillator in die Photodiode ermöglichen muss.
-
Gemäß einer Ausführungsvariante des Strahlungsdetektormoduls erstreckt sich der Vollmaterialkern von der Oberseite der Trägereinheit, welche in Stapelanordnung der Anzahl an Auswerteeinheiten zugewandt ist, durchgehend bis zu der Unterseite der Trägereinheit, welche von der Anzahl an Auswerteeinheiten abgewandt ist.
-
Dies kann vorteilhaft zu einer verbesserten Wärmeableitung der Wärme aus dem Vollmaterialkern und damit aus dem Strahlungsdetektormodul insgesamt ermöglichen. Vorteilhaft kann beispielsweise eine direkte Kontaktierung des Vollmaterialkerns an der Oberseite und an der Unterseite der Trägereinheit ermöglicht werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist zwischen der Anzahl an Auswerteeinheiten und der Detektionsschicht eine Zwischenschicht ausgebildet, wobei die Zwischenschicht eine Vielzahl elektrisch leitendender Verbindungen zwischen der Detektionsschicht und der Anzahl an Auswerteeinheiten aufweist. Die Zwischenschicht kann beispielsweise ein Substrat aus einem Glasfaserverbundwerkstoff, Leiterplattenmaterial, Hartpapier, Keramik und/oder Glas umfassen. Die Zwischenschicht kann auch als Interposer bezeichnet werden.
-
Über die elektrisch leitenden Verbindungen in der Zwischenschicht können die einzelnen Pixel der Detektionsschicht mit entsprechenden Schnittstellen der Auswertepixelelemente einer Auswerteeinheit verbunden sein. Mittels einer Zwischenschicht kann eine räumliche Anordnung der Pixel der Detektionsschicht von der räumlichen Anordnung der Auswertepixelelemente in der Auswerteeinheit erreicht werden. Insbesondere kann dies erlauben, dass eine Konvertereinheit der Detektionsschicht groß gegenüber der Fläche einer Auswerteeinheit ist, da eine Gegenüberstellung der jeweiligen Schnittstellen nicht nötig ist. Weiterhin ermöglicht dies auch, dass beispielsweise eine Mehrzahl an Konvertereinheiten mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit gekoppelt sind. Beides kann zu einer Kostenreduktion beitragen.
-
Die elektrisch leitenden Verbindungen in der Zwischenschicht können als Durchkontaktierungen und Umverdrahtungsstrukturen ausgebildet sind. Die Zwischenschicht kann insbesondere an einer der Anzahl an Auswerteeinheiten zugewandten Seite Umverdrahtungsstrukturen aufweisen. D. h. die Umverdrahtungsstruktur kann auf der Unterseite der Zwischenschicht angeordnet sein. Umverdrahtungsstrukturen bezeichnen dabei Strukturen von Leiterbahnen, die sich in einer Ebene parallel zu den flächigen Seiten der Zwischenschicht erstrecken. Mittels der Umverdrahtungsstrukturen kann also eine räumliche Umordnung der leitenden Verbindungen innerhalb dieser Ebene erzielt.
-
Eine Zwischenschicht kann außerdem vorteilhaft zur mechanischen Stabilität beitragen.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zwischen der Zwischenschicht und der Trägereinheit eine vorzugsweise leitende, Stützstruktur, umfassend eine Anzahl von Elementen zur Weiterleitung von Daten von der Anzahl an Auswerteeinheiten zu der Trägereinheit, angeordnet sein.
-
Es können auch mehrere solcher Stützstrukturen vorgesehen sein. Die Stützstruktur kann einerseits der Weiterleitung der Daten von der Anzahl an Auswerteeinheiten dienen, die also zum Beispiel die Daten in Verbindung mit anderen Komponenten an eine Rekonstruktionseinheit übertragen. Andererseits können die Stützstrukturen aber auch als tragendes Element zwischen der Zwischenschicht und der darunterliegenden Trägereinheit fungieren. Dazu können die leitenden Stützstrukturen in einer Schicht mit der Anzahl an Auswerteeinheiten angeordnet. Eine leitende Stützstruktur umfasst besonders bevorzugt eine Anzahl von Elementen zur Weiterleitung der Daten der Auswerteeinheit, die grundsätzlich in unterschiedlicher Art und Weise ausgebildet sein können, z. B. als sogenannte „Ballstack-Struktur“. Diese bezeichnet eine gestapelte Anordnung aus Lotbällen oder Cu-Pillars und Platten mit Umverdrahtungsstrukturen. In einer anderen Ausführungsform kann die Stützstruktur auch mittels der sogenannte „Through Mold Via“ Technologie ausgebildet sein, in welcher Durchkontaktierungen (=„Through Vias“) in einem Verguss („Mold“) ausgeführt werden. Die Vias können dann zur Weiterleitung der Daten verwendet werden.
-
Eine solche leitende Stützstruktur kann es ermöglichen, dass Umverdrahtungsstrukturen der Zwischenschicht verglichen mit bekannten mehrlagigen Umverdrahtungsstrukturen einfach, d. h. insbesondere einlagig, gehalten werden können. Dadurch kann außerdem vorteilhafterweise die Stabilität der Zwischenschicht erhöht und der Fertigungsprozess vereinfacht werden. Ein derartiger Aufbau mit einer Zwischenschicht und einer Stützstruktur ermöglicht außerdem in besonders vorteilhafter Weise die Weiterleitung von Daten von der Anzahl an Auswerteeinheiten, wobei eine flächige Seite der Anzahl an Auswerteeinheiten, welche der Trägereinheit zugewandt ist, ohne Einschränkung der Fläche einer wärmeleitenden Kontaktierung mit dem Vollmaterialkern zugänglich ist.
-
Weiterhin kann ein erfindungsgemäßes Strahlungsdetektormodul einen Kühlkörper umfassen, wobei die Trägereinheit mittels eines zweiten wärmeleitfähigen Füllmaterials, insbesondere einem wärmeleitfähigen Klebstoffs, mit dem Kühlkörper wärmeleitend gekoppelt ist. Das zweite wärmeleitfähige Füllmaterial kann auf den gleichen oder ähnlichen Materialien wie das ersten wärmeleitfähige Füllmaterial basieren. Bevorzugt wird ein Strukturklebstoff eingesetzt, welcher eine vergleichsweise geringere Fließfähigkeit aufweist. Ein fest mittels eines wärmeleitfähigen Klebstoffs, insbesondere mittels eines Strukturklebstoffs gekoppelter Kühlkörper kann außerdem zu einer Stabilität des Moduls beitragen.
-
Der Kühlkörper ist in der Regel aus einem gut wärmeleitenden Material und ermöglicht so die Wärmeabgabe von der Trägereinheit an einen Körper mit in der Regel größerem Volumen und größerer Oberfläche und ggf. verbesserten Möglichkeiten der Wärmeabgabe. Der Kühlkörper kann beispielsweise dafür vorgesehen sein, dass mittels eines Kühlluftstroms, welcher entlang des Kühlkörpers geleitet wird, eine weiter verbesserte Entwärmung des Strahlungsdetektormoduls zu gewährleisten.
-
Der Kühlkörper umfasst vorzugsweise ein Metall, insbesondere Aluminium. Ein Metall kann eine gute Wärmeleitfähigkeit gewährleisten. Insbesondere Aluminium ist außerdem relativ leicht und ermöglicht dadurch das Gewicht des Strahlungsdetektormoduls gering zu halten.
-
Insbesondere kann das zweite wärmeleitfähige Füllmaterial zwischen dem Kühlkörper und der Trägereinheit direkt den Vollmaterialkern in der Trägereinheit und den Kühlkörper kontaktiert sein. Vorteilhaft ist durch die direkte Kontaktierung des Vollmaterialkerns und des Kühlkörpers eine besonders vorteilhafte Wärmeableitung von dem Vollmaterialkern auf den Kühlkörper und damit eine besonders gute Ableitung der Wärme insgesamt ermöglich.
-
Die Erfindung betrifft außerdem ein Strahlungsdetektor umfassend eine Mehrzahl an erfindungsgemäßen Strahlungsdetektormodulen, wobei die Strahlungsdetektormodule zumindest entlang einer Richtung nebeneinander angeordnet sind. Vorteilhafterweise kann ein großflächigerer Strahlungsdetektor mit einer größeren Detektionsfläche gebildet werden. Die erwähnten Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen des Strahlungsdetektormoduls können ebenso auch auf den Strahlungsdetektor übertragen werden und umgekehrt.
-
Die Erfindung betrifft außerdem ein Bildgebungssystem umfassend zumindest ein Strahlungsdetektormodul, vorzugsweise eine Vielzahl an Strahlungsdetektormodulen, wie zuvor beschrieben und eine Strahlungsquelle in Gegenüberstellung zum Strahlungsdetektormodul, welche ausgebildet ist, das Strahlungsdetektormodul zu bestrahlen.
-
Die Vorteile des vorgeschlagenen Bildgebungssystem entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des Strahlungsdetektormodul. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen können ebenso auch auf das Bildgebungssystem übertragen werden und umgekehrt.
-
Das Bildgebungssystem kann vorzugsweise als Computertomographie-Gerät ausgebildet sein. In anderen Ausbildungen kann das Bildgebungssystem auch ein anderweitiges Bildgebungssystem und insbesondere ein Bildgebungssystem basierend auf Röntgenstrahlung sein. Die Strahlungsquelle kann dann insbesondere als Röntgenquelle ausgebildet sein, wobei der Strahlungsdetektormodul ausgebildet ist, Röntgenstrahlung zu detektieren. Beispielsweise kann das Bildgebungssystem ein C-Bogen-Röntgengerät oder ein Mammographie-Gerät oder ein Röntgenbildgebungssystem für die Radiographie sein.
-
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 Bildgebungssystem die Bildgebungssystem 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.
-
Der Ausdruck „basierend auf“ kann im Kontext der vorliegenden Anmeldung insbesondere im Sinne des Ausdrucks „unter Verwendung von“ verstanden werden. Insbesondere schließt eine Formulierung, der zufolge ein erstes Merkmal basierend auf einem zweiten Merkmal erzeugt (alternativ: ermittelt, bestimmt etc.) wird, nicht aus, dass das erste Merkmal basierend auf einem dritten Merkmal erzeugt (alternativ: ermittelt, bestimmt etc.) werden kann.
-
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. In unterschiedlichen Figuren werden für gleiche Merkmale die gleichen Bezugszeichen verwendet. Es zeigen:
- 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines Strahlungsdetektormoduls,
- 2 eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines Strahlungsdetektormoduls,
- 3 eine dritte beispielhafte Ausführungsform eines Strahlungsdetektormoduls, und
- 4 eine beispielhafte Ausführungsform eines Bildgebungssystems.
-
Die 1 bis 3 zeigen beispielhafte Ausführungsformen eines Strahlungsdetektormoduls.
-
Das gezeigte Strahlungsdetektormodul umfasst jeweils eine Stapelanordnung aus einer Detektionsschicht 1 mit einer Anzahl an Konvertereinheiten 21, 23, 25, ausgebildet eintreffende Strahlung in elektrische Signale zu konvertieren, - einer Anzahl an Auswerteeinheiten 7, ausgebildet die von der Detektionsschicht 1 eingespeisten, elektrischen Signale auszuwerten, und einer Trägereinheit 5.
-
Die Anordnung in einer Stapelanordnung umfasst, dass das Strahlungsdetektormodul entlang einer Stapelrichtung im Wesentlichen in Schichten angeordnet ist. Die Stapelrichtung kann insbesondere im Wesentlichen einer Strahleneinfallsrichtung entsprechen, wenn das Strahlungsdetektormodul mit Strahlung bestrahlt wird.
-
Die Anzahl an Auswerteeinheiten 7 ist in der Stapelanordnung zwischen der Detektionsschicht 1 und der Trägereinheit 5 angeordnet. Insbesondere umfasst die Anzahl an Auswerteeinheiten 7in den gezeigten Beispielen eine Mehrzahl an Auswerteeinheiten 7. In der Schnittdarstellung sind exemplarisch zwei Auswerteeinheiten 7 gezeigt. Es können jedoch mehr als zwei, beispielsweise vier oder acht, von der Anzahl umfasst sein. Weiterhin ist in die Trägereinheit 5 in einem Flächenbereich, welcher einer Projektion einer jeweiligen Auswerteeinheit 7 der Anzahl an Auswerteeinheiten 7 entlang der Stapelrichtung entspricht, jeweils ein Vollmaterialkern 9 aus einem wärmeleitfähigen Material eingesetzt, welcher den Großteil des jeweiligen Flächenbereichs überstreckt, und welcher über ein wärmeleitfähiges Füllmaterial 11 mit der jeweiligen Auswerteeinheit 7 wärmeleitend in Kontakt steht.
-
Die gezeigten Strahlungsdetektormodule sind insbesondere zur Detektion von Röntgenstrahlung ausgebildet.
-
1 zeigt dabei ein Strahlungsdetektormodul in Form eines indirekt-konvertierenden, integrierenden Detektormoduls. Die Detektionsschicht 1 umfasst hier einen Szintillator 21, welcher mit in Baugruppen 23 zusammengefassten Photodioden gekoppelt ist. Eine Konvertereinheit, ausgebildet eintreffende Strahlung in elektrische Signale zu konvertieren, wird hier entsprechend aus einer der Baugruppen 23 und dem ihr zugeordneten Flächenbereich des Szintillators 21 gebildet.
-
2 und 3 zeigen dagegen ein Strahlungsdetektormodul in Form eines direkt-konvertierenden, photonenzählenden Detektormoduls. Dabei umfasst die Detektionsschicht 1 eine Anzahl an (Halbleiter-)Konvertereinheiten 25, wobei die Konvertereinheiten 25 direkt ausgebildet sind, eintreffende Röntgenstrahlung in elektrische Signale zu konvertieren.
-
Die gezeigte Anzahl an Konvertereinheiten ist dabei rein exemplarisch. Es können auch mehr oder weniger Konvertereinheiten umfasst sein.
-
Das Strahlungsdetektormodul umfasst bei beiden Typen jeweils eine Vielzahl von Pixelelementen, also kleinsten flächigen Bereichen innerhalb der Detektionsschicht 1, die eigenständig ausgelesen werden können. Um ausgelesen zu werden, ist jedes Pixelelement der Detektionsschicht 1 mit einem zugeordneten Auswertepixelelement einer Auswerteeinheit 7 verbunden, in welcher eine Auswertung und Digitalisierung der elektronischen Signale stattfindet. Die Auswerteeinheiten 7 können beispielsweise als ASIC implementiert sein.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist in allen gezeigten Ausführungsformen jeweils zwischen der Anzahl an Auswerteeinheiten 7 und der Detektionsschicht 1 eine Zwischenschicht 3 ausgebildet ist, wobei die Zwischenschicht 3 eine Vielzahl elektrisch leitendender Verbindungen zwischen der Detektionsschicht 1 und der Anzahl an Auswerteeinheiten 7 aufweist.
-
Die elektrischen Signale von den Konvertereinheiten 21, 23, 25 werden über Lötverbindungen an die Zwischenschicht 3 und über die darin enthaltenen elektrisch leitenden Verbindungen und ebenfalls dafür vorgesehenen Lötverbindungen an die Auswerteeinheiten 7 weitergeleitet.
-
Die Zwischenschicht 3 kann beispielsweise ein Substrat aus einem Glasfaserverbundwerkstoff, Leiterplattenmaterial, Hartpapier, Keramik und/oder Glas umfassen.
-
Mittels einer Zwischenschicht 3 kann eine räumliche Anordnung der Pixel der Detektionsschicht 1 von der räumlichen Anordnung der Auswertepixelelemente in den Auswerteeinheiten 7 erreicht werden. Die elektrisch leitenden Verbindungen in der Zwischenschicht 3 können dafür als Durchkontaktierungen und Umverdrahtungsstrukturen ausgebildet sein.
-
Weiterhin ist jeweils zwischen der Zwischenschicht 3 und der Trägereinheit 5 eine leitende Stützstruktur 13, umfassend eine Anzahl von Elementen zur Weiterleitung von Daten von der Anzahl an Auswerteeinheiten 7 zu der Trägereinheit 5, angeordnet. Diese sind als sogenannte „Ballstack-Strukturen“ 13 ausgebildet. Die Ballstack-Strukturen 13 sind eine schichtweise Anordnung aus parallelen Leiterplatten und dazwischen angeordneten Lotbällen, die die Leiterplatten miteinander verbinden. Die Leitplatten können mittels üblicher Verfahren ausgebildete Umverdrahtungsstrukturen aufweisen. Eine andere Möglichkeit der Implementierung der Stützstruktur können beispielsweise „Through Mold Vias“ in einem Vergussmaterial darstellen.
-
Die Auswerteeinheiten 7 weisen Ausgänge auf, die ebenfalls über die Zwischenschicht 3 mit den Ballstack-Strukturen 13 verbunden sind und über die Daten von der Anzahl an Auswerteeinheiten 7 weitergeleitet werden können.
-
Die Trägereinheit 5 kann Leiterplattenmaterial und ebenfalls Leiterbahnen aufweisen, die leitend mit den Ballstack-Strukturen 13 verbunden sind. Die Leiterbahnen der Trägereinheit 5 können dann zu einem Konnektor geführt werden. Über diesen kann auch der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor mit weiteren (hier nicht gezeigten) Verarbeitungseinheiten wie zum Beispiel einem Auswertungscomputer oder einer Rekonstruktionseinrichtung eines CT-Geräts verbunden sein.
-
Der Vollmaterialkern 9 in der Trägereinheit umfasst bevorzugt ein Metall, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, oder eine wärmeleitfähige Keramik. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich der Vollmaterialkern 9 jeweils von der Oberseite der Trägereinheit 5, welche in Stapelanordnung der Anzahl an Auswerteeinheiten 7 zugewandt ist, durchgehend bis zu der Unterseite der Trägereinheit 5, welche von der Anzahl an Auswerteeinheiten 7 abgewandt ist.
-
Der wärmeleitfähige Füllstoff 11 kann beispielsweise ein wärmeleitender Klebstoff umfassend Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid sein. Insbesondere kann der Klebstoff silikon- oder Epoxidharzbasiert sein. In anderen Ausführungsmöglichkeiten kann der wärmeleitfähige Füllstoff auch Lotmaterial umfassen.
-
Zwischen den Schichten der Stapelanordnung vorliegende Spalte können weiterhin ebenfalls mittels eines oder mehrerer unterschiedlicher Unterfüllmaterialien befüllt sein.
-
In 3 umfasst das Strahlungsdetektormodul außerdem einen Kühlkörper 17, wobei die Trägereinheit 5 mittels eines zweiten wärmeleitfähigen Füllmaterials 15, insbesondere einem wärmeleitfähigen Klebstoff, mit dem Kühlkörper 17 wärmeleitend gekoppelt ist.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kontaktiert das zweite wärmeleitfähige Füllmaterial 15 zwischen dem Kühlkörper 17 und der Trägereinheit 5 direkt den Vollmaterialkern 9 in der Trägereinheit 5 und den Kühlkörper 17.
-
Der Kühlkörper 17 umfasst vorzugsweise ein Metall, insbesondere Aluminium. Der Kühlkörper kann beispielsweise dafür vorgesehen sein, dass mittels eines Kühlluftstroms, welcher entlang des Kühlkörpers 17 geleitet wird, eine weiter verbesserte Entwärmung des Strahlungsdetektormoduls zu gewährleisten.
-
4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Bildgebungssystems 32, insbesondere eines medizinischen Bildgebungssystems, mit einem Strahlungsdetektor 36 umfassend zumindest ein erfindungsgemäßes Strahlungsdetektormodul und einer Strahlungsquelle 37 in Gegenüberstellung zum Strahlungsdetektor 36. Die Strahlungsquelle 37 ist ausgebildet, den Strahlungsdetektor 36 mit Strahlung zu belichten. Das gezeigte medizinische Bildgebungssystems 32 ist insbesondere als Computertomographie-Gerät ausgebildet. Das Computertomographie-Gerät umfasst eine Gantry 33 mit einem Rotor 35. Der Rotor 35 umfasst als Strahlungsquelle 37 eine Röntgenquelle und den Strahlungsdetektor 36, welcher ausgebildet ist Röntgenstrahlung zu detektieren. 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. Im Allgemeinen kann das Objekt 39 beispielsweise einen tierischen Patienten und/oder einen menschlichen Patienten umfassen. Zur Steuerung des Bildgebungssystems und/oder zur Erzeugung eines Röntgenbilddatensatzes basierend auf vom Strahlungsdetektor 36 detektierten Signalen ist die Recheneinheit 45 vorgesehen.
-
Im Falle eines Computertomographie-Geräts wird üblicherweise aus einer Vielzahl an Winkelrichtungen ein (Roh-) Röntgenbilddatensatz des Objekts mittels des Strahlungsdetektors aufgenommen, welcher auf verarbeiteten elektrischen Pixelmesssignalen der Pixelelektroniken 5 der Auswerteeinheiten basiert. Anschließend kann basierend auf dem (Roh-) Röntgenbilddatensatz mittels eines mathematischen Verfahrens, beispielsweise umfassend eine gefilterte Rückprojektion oder ein iteratives Rekonstruktionsverfahren, ein finaler Röntgenbilddatensatz rekonstruiert werden.
-
Der Strahlungsdetektor 36 umfasst in der Regel eine Mehrzahl an erfindungsgemäßen Strahlungsdetektormodulen, welche nebeneinander zumindest entlang einer Richtung, hier insbesondere der Rotationsrichtung, angeordnet sind, um eine große Detektionsfläche zu gewährleisten. Die Strahlungsdetektormodule können daneben auch entlang einer zweiten Richtung, hier insbesondere entlang der Rotationsachse 43, nebeneinander angeordnet sein.
-
Die Recheneinheit 45 kann eine Steuereinheit zur Steuerung des Bildgebungssystems 32 und eine Erzeugungseinheit zur Erzeugung eines Röntgenbilddatensatz basierend auf Pixelmesssignalen umfassen.
-
Des Weiteren ist eine Eingabeeinrichtung 47 und eine Ausgabeeinrichtung 49 mit der Recheneinheit 45 verbunden. Die Eingabeeinrichtung und die Ausgabeeinrichtung können beispielsweise eine Interaktion durch einen Anwender oder die Darstellung eines erzeugten Röntgenbilddatensatzes ermöglichen.
