DE2459665C2 - Anordnung zum Herstellen eines Körperschnittbildes mit fächerförmigen Bündeln von Röntgenstrahlen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Herstellen eines Körperschnittbildes mit fächerförmigen Bündeln von Röntgenstrahlen, welche die Bildelemente in der Körperschnittebene nacheinander in verschiedenen Richtungen durchsetzen, mit einer Vorrichtung zur Umsetzung der Röntgenstrahlen in entsprechende elektrische Signale, die einen Szintillator als Strahlungsempfänger und eine Photokathode enthält und mit einem ortsauflösenden Detektorsystem versehen ist, dem eine elektronische Auswertung zugeordnet ist. Solche Anordnungen sind bekannt unter der Bezeichnung Computer-Tomographen.

In solchen Einrichtungen werden die einzelnen Bildelemente jeweils nacheinander in einer anderen Richtung von der Strahlung durchsetzt Wird dieser Vorgang mehrfach wiederholt so wird jedes Körperelement in der Schnittebene so oft ausgebildet wie das System aus Strahlungsquelle und -empfänger in der Bildebene geschwenkt wird. Die Umsetzung dieser verschiedenen Einzelaufnahmen der Körperelemsnte und deren Zuordnung zu dem entsprechenden Bildelement des herzustellenden Körperschnittbildes erhält man mit Hilfe eines elektronischen Rechners, dem dann beispielsweise 28 800 Gleichungen mit 6400 Variablen vorgegeben sind.

Zur Verkürzung der für ein Körperschnittbild erforderlichen Zeit kann die fächerförmige Strahlung einem Empfängersystem zugeführt werden, das die Röntgenstrahlen mit Hilfe von Szintillatorkristallen umwandelt in Photonen, die einem Detektorsystem mit Photomultipliern zugeführt werden und die entsprechenden Lichtsignale zeitlich nacheinander der Photokathode des zugeordneten Photomultipliers zugeführt und in Photoelektronen umgesetzt Zur Bildung des benötigten elektrischen Signals als Maß für die empfangene Strahlung werden in den Photomultipliern Sekundärelektronen gebildet und vervielfacht. Die Signalverstärkung erfolgt somit im Detektorsystem. Eine dichte Packung von Detektoren ist jedoch in einem Empfängersystem mit Photomultipliern nicht möglich. Das Auflösungsvermögen der Anordnung ist somit entsprechend gering (deutsche Offenlegungsschrift 24 22 008).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Empfängersystem so zu gestalten, daß die zur Herstellung eines Körperschnittbildes erforderliche Zeit so kurz ist, daß auch Schnittbilder beispielsweise von Teilen des menschlichen Körpers hergestellt werden können, die sich stetig in geringer Bewegung befinden und daß eine Signalverstärkung vor den Detektoren erfolgt und das Auflösungsvermögen und somit die Schärfe des Bildes erhöht wird.

Die Lösung besteht nun erfindungsgemäß in den Gestaltungsmerkmalen nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Das fächerförmige Bündel von Röntgenstrahlen wird umgewandelt in entsprechende Elektronenstrahlen, die beschleunigt und dann im Detektorsystem in elektrische Signale umgewandelt werden. Die aus der Fotokathode ausgelösten Elektronen werden in der Hochspannungsvakuumstrecke mit einer angelegten Spannung von beispielsweise 20 kV beschleunigt. Die Energiezuführung in der Beschleunigungsstrecke vor den Detektoren wirkt somit als Signalverstärkung. Die Elektronen werden gleichzeitig dem Detektorsystem zugeführt das eine Vielzahl von unmittelbar nebeneinander angeordneten ortsauflösenden Silizium-Detektoren mit geringer Breite enthält. Die Aufteilung der Körperschnittebene entsprechend den einzelnen Bildelementen erfolgt somit im Strahlungsempfänger.

Mit der Anwendung des Bildwandlerprinzips in Verbindung mit diesem Detektorsystem erhält man auch ohne erhöhte Strahlungsleistung noch einen ausreichenden Signal-Rauschabstand. Durch die Beschleunigung der Elektronen mit entsprechender Leistungserhöhung erhält man im allgemeinen einen Verstärkungsgrad größer als 1000. Dementsprechend kann die Strahlungsleistung der Strahlungsquelle und somit auch die Strahlungsdosis für den Körper vermindert werden, dessen Schnittbild hergestellt werden soll. Alle dem fächerförmigen Strahl zugeordneten elektrischen Signale werden gleichzeitig gebildet

und können auch gleichzeitig erfaßt werden. Es ist somit weder ein Abtasten der Szintillatoren noch der Silizium-Detektoren erforderlich.

Es ist zwar bekannt, Gammastrahlen dadurch sichtbar zu machen, daß die Gammaquanten in Elektronenbündel umgewandelt und einer ortsauflösenden Detektoranordnung zugeführt werden, die mit einer Vorrichtung zur Schwerpunktsbildung versehen ist Die Umwandlung des Gammastrahlenbildes in das entsprechende Elektronenbild erfolgt im Vakuum-Bildwandler, der aus einer Vakuumröhre besteht, die hinter der Eirgangsfläche einen Leuchtschirm enthält, auf den in optischem Kontakt die Photokathodenschicht folgt Die in dieser Szintillator-Photokathodenkombination gebildeten Photoelektronen werden in der Vakuum-Beschleunigungsstrecke auf hohe Energie beschleunigt und einem ortsauflösenden Detektor zugeführt, der beispielsweise als sogenannter Streifendetektor ausgeführt sein kann (deutsche Offenlegungsschrift 20 55 824). In dieser Anordnung liefert der Bildwandler in Verbindung mit dem Streifendetektor und dessen Vorrichtung zur Schwerpunktsbildung ein Bild.

Auch eine besondere Ausführungsform einer solchen ortsauflöseiiden Detektoranordnung in Streifenbauform ist bekannt, deren der ankommenden Strahlung ausgesetzten Sperrschichtelektroden in Planartechnik hergestellt und auf einem Siliziumhalbleiterkörper mit hohem spezifischen Widerstand angeordnet sind. Die zum Empfang der Strahlung dienenden Elektroden sind durch Diffusion von Dotierungsstoff in eine dünne Oberflächenschicht hergestellt und der Randbereich der Elektroden, in dem die Sperrschicht an die Oberfläche tritt, ist von einer Oxidschicht bedeckt (deutsche Offenlegungssschrift 22 35 680).

Demgegenüber sind in der Anordnung nach der Erfindung die auf einem gemeinsamen Siliziumkörper nebeneinander angeordneten Sperrschichtelektroden mit einer auf der gegenüberliegenden Flachseite angeordneten gemeinsamen sperrfreien Elektrode zu einer Detektoreinheit vereinigt. Die vorzugsweise in Planartechnik hergestellten Sperrschichtelektroden sind den Elektronenstrahlen aus der Szintillator-Photokathodenkombination ausgesetzt, dessen Szintillator als Strahlungsempfänger der Röntgen- oder Gammastrahlen vorgesehen ist. Die aus der Photokathode austretenden Elektronen werden durch eine angelegte Spannung beschleunigt und erzeugen in der Feldzone des Detektors zwischen der Sperrschichtelektrode und einer im wesentlichen sperrfreien Elektrode Elektronen-Lochpaare, deren Strom der Intensität de ankommenden Strahlen proportional ist.

Eine größere Anzahl solcher Detektoreinheiten bildet dann das Detektorsystem mit einer großen Anzahl, insbesondere mehreren 100, Detektoren. Der gesamte den zu untersuchenden Körper durchsetzende fächerförmige Röntgenstrahl wird dann mit dem Detektorsystem gleichzeitig aufgenommen. Da die Flächenausdehnung der einzelnen Sperrschichtelektroden des Detektorsystems jeweils höchstens wenige Millimeter beträgt, erhält man eine Aufteilung aer Körperschnittebene in eine große Anzahl von Zeilen und somit eine Abbildung mit entsprechend hoher Auflösung.

Obwohl die Zeit der Bestrahlung des zu untersuchenden Körpers verhältnismäßig kurz ist, erscheint die Strahlung für das Detektorsystem als kontinuierlicher Strahlenfluß, der einen entsprechenden Signalstrom erzeugt. Dieser Signalstrom muß als Nutzsignal weit über dem Sperrstrom liegen, der als Dunkelstrom auftritt und somit entsprechend begrenzt werden muß. Für die Detektorwirkung isi eine ausreichend große Raumladungszone erforderlich, die jeweils der Sperrschichtelektrode vorgelagert ist. Mit dem Widerstand des Siliziums nimmt nun bei vorgegebener Sperrspannung zwar die Größe der Raumladungszone, aber zugleich auch der Sperrstrom zu. Mit einem geringen Sperrstrom erhäit man noch eine ausreichende Raumladungszone, wenn der Siliziumkörper einen spezifischen ίο Widerstand von etwa 3 bis 300 Ohm/crr, insbesondere etwa 10 bis 100 Ohm/cm hat

Die Raumladungszone wird bei einem vorgegebenen Leitfähigkeitstyp des Siliziums nicht nur durch den Widerstand des Siüziumkörpers, sondern auch durch die angelegte Spannung bestimmt die beispielsweise zwischen 0 und 10 V, insbesondere etwa 0 bis IV betragen kann. Ist die angelegte Spannung 0, so liegt am pn-übergang der Sperrschichtelektrode die Diffusionsspannung, die weniger als 1 V beträgt Die genannten Größen werden so gewählt daß die Dicke der Raumladungszone etwa 1 bis 10 μπι, insbesondere etwa 2 bis 5 μπι, beträgt

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist

F i g. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil einer Detektoreinheit und in

Fig.3 ist eine Draufsicht auf eine Detektoreinheit dargestellt

Nach F i g. 1 ist oberhalb eines Körpers 2, vorzugsweise eines menschlichen Körpers, der auf einem lediglich als Platte angedeuteten Tisch 4 liegen soll und von dem ein Querschnittsbild angefertigt werden soll, eine Strahlungsquelle 6 für Röntgenstrahlen angeordnet Die Strahlungquelle 6 liefert mit Hilfe eines als Blende dargestellten Kollimators 8 ein fächerförmiges Strahlenbündel, das den Körper 2 in der Körperschnittebene durchsetzt. Der Kollimator 8 bildet im allgemeinen einen Teil der Strahlungsquelle 6 und kann deshalb im Gehäuse der Strahlungsquelle angeordnet sein.

Die fächerförmige Strahlung 10 tritt in der Körperschnittebene durch den Körper 2 hindurch und wird von den Bestandteilen des Körpers unterschiedlich absorbiert und trifft auf einen Szintillator 20. Der Szintillator 20 enthält auf einem Träger, der beispielsweise aus Glas oder auch Metall bestehen kann, eine lumineszierende Schicht aus einem Alkalihalogenid, insbesondere Caesiumjodid mit einem oder mehreren Aktivatoren, die zweckmäßig durch Aufdampfen im Vakuum auf den Träger aufgebracht werden. Diese stimulierende Schicht kann zweckmäßig aus senkrecht zum Träger angeordneten Fasern oder Nadeln bestehen, die durch mehrfaches Aufdampfen hergestellt werden können. Die ankommende Strahlung 10 wird im Szintillator absorbiert und löst dort Photonen aus, die in der lichtempfindlichen Schicht einer Photokathode 22 Elektronen auslösen. Die Elektronen werden auf ihrem Wege zwischen der vorzugsweise aus einer Caesium-Antimonverbindung bestehenden Photokathode 22 und den Halbleiter-Siliziumdetektoreii eines Detektorsystems 24 mit einer angelegten Beschleunigungsspannung Ub von beispielsweise 20 kV beschleunigt und ihre Energie wird entsprechend erhöht. Die energiereichen Elekti onen treffen dann auf Sperrschichtelektroden der Halbleiter-Siliziumdetektoren. In den einzelnen Siliziumdetektoren werden die Elektronen mit einem

Verstärkungsfaktor vervielfacht, der sich aus dem Quotienten der angelegten Beschleunigungsspannung und der Paarbildungsenergie für Silizium von 3,6 eV ergibt Werden die Halbleiterdetektoren in Sperrichtung belastet so erhält man einen Elektronenstrom, welcher der Intensität der ankommenden Strahlung proportional ist

Von den einzelnen Halbleiter-Siliziumdetektoren ist eine größere Anzahl, beispielsweise jeweils 10 oder auch nur 5, auf einem gemeinsamen Halbleiterkörper ίο angeordnet Die so gebildeten Detektoreinheiten 25 bis 29, deren einzelne Detektoren in F i g. J getrennt angedeutet sind, werden dann jeweils so zu einem Polygon zusammengesetzt daß sie einen Kreisbogen wenigstens annähern, dessen Mittelpunkt die Antikathode der Strahlungsquelle 6 bildet

Der gesamte Strahlungsempfänger kann vorzugsweise auch so gestaltet sein, daß das Bild der Strahlung 10 elektronenoptisch um wenigstens eine Größenordnung, beispielsweise im Maßstab 1 :13, verkleinert wird.

Die von den einzelnen Detektoren gelieferten elektrischen Signale können direkt in einer Speicher-Rechnerkombination ausgewertet und einer Bildanzeigevorrichtung oder einer Druckeinrichtung zugeführt werden, die das Körperschnittbild entsprechend den vorgegebenen Signalen druckt

Nach einer Aufnahme werden die Strahlungsquelle und der Empfänger in Richtung der Pfeile 12 und 14 um eine senkrecht zur Körperschnittebene verlaufende und in der Figur nicht näher dargestellte Achse um einen vorbestimmten Winkel geschwenkt und es finden weitere Durchstrahlungen des Körpers 2 statt, deren Signale ebenfalls ausgewertet werden.

Im Längsschnitt durch einen Teil einer der Detektoreinheiten 25 bis 29 nach F i g. 2 ist ein gemeinsamer Halbleiterkörper 30 aus Silizium mit einer Dicke von beispielsweise 300 μΐη, der vorzugsweise aus n-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 10 bis 100 Ohm/cm bestehen kann, auf seiner oberen Flachseite durch Diffusion von p-leitendem Dotierungsstoff, insbesondere Bor, mit Elektroden 32 und 34 versehen, die in fensterartige Öffnungen einer Oxidschicht 36 eindiffundiert sind und deren Sperrschicht jeweils unter der Oxidschicht 36, beispielsweise aus Siliziumdioxid SiOj, an die Oberfläche tritt Oberhalb der Elektroden 32 und 34 bildet sich während des Diffusionsvorganges eine dünne Glasschicht 40 und 41, die den Durchtritt der in der Figur durch Pfeile 44 und angedeuteten Elektronenstrahlung nicht hindert Es ist deshalb nicht erforderlich, daß diese Glasschicht 40 und 41 wieder entfernt wird. Sie wird lediglich in einem Randbereich entfernt in dem die Elektroden 32 und 34 jeweils mit einem in der Figur nicht dargestellten elektrischen Anschlußleiter versehen werden. Die Oxidschicht 36 kann zweckmäßig noch mit einer zusätzlichen Schutzschicht 46 versehen sein, die vorzugsweise aus einem wärmebeständigen Kunststoff, insbesondere Polyimid bestehen kann. Diese Polyimidschicht schützt die dünne Oxidschicht die beispielsweise nur 0,6 μπι dick sein kann und deren Dicke im allgemeinen 1 μπι nicht wesentlich überschreitet Diese Schutzschicht 46 schützt zusätzlich die an die Oberfläche des Halbleiterkörpers 30 tretende Sperrschicht vor der Einwirkung schädlicher Dämpfe, beispielsweise des Caesiums oder Kaliums, während der Herstellung der <" Photokathode 22 des Bildwandlers.

An der unteren Flachseite ist der Halbleiterkörper mit einer gemeinsamen sperrfreien Elektrode 50 versehen, die vorzugsweise aus Gold bestehen kann, das zunächst aufgedampft und dann einlegiert wird. Neben Gold sind auch Silber und Aluminium als Elektrodenmaterial für die Elektrode50 geeignet.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig.2 ist der gesamte Halbleiterkörper 30 mit einer sperrfreien Metallelektrode versehen. Unter Umständen kann auch nur ein verhältnismäßig geringer Teil der unteren Flachseite des Halbleiterkörpers 30 oder sogar eine der in der Figur nicht dargestellten Seitenflächen des Halbleiterkörpers 30 mit dieser Elektrode versehen sein. Die Elektrode 50 oder ein Teil der Elektrode kann auch aus Oberflächenschichten mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit bestehen.

Eine zwischen den Elektroden 32 bzw. 34 und 50 angelegte Spannung wird so gewählt, daß die den Elektroden vorgelagerte Raumiadungs- oder Feidzone wesentlich größer ist als die Diffusionstiefe der Elektroden 32 und 34, die im allgemeinen weniger als

I μπι, beispielsweise 0,3 μίτι, beträgt. Die Tiefe der Raumladungszone 52 bzw. 54, deren Grenzschicht in der Figur gestrichelt angedeutet ist, beträgt im allgemeinen wesentlich mehr als 1 μπι, beispielsweise 5 bis 10 μπι. Mit dieser Ausführungsform der Detektoren erhält man beispielsweise einen Signalstrom der Detektoren von jeweils 2 · 10-⁶A. Mit einem Dunkelstrom der Detektoren von etwa 5 · 10~⁹ A hat man somit ein sehr gutes Signal-Rauschverhältnis. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß das Detektorsystem 24 ohne besondere Kühlung bei Raumtemperatur betrieben werden kann, weil die Verstärkung bereits vor den Detektoren im Bildwandler stattfindet.

Nach Fig.3 sind auf dem gemeinsamen Silizium-Halbleiterkörper einer Detektoreinheit jeweils in der fensterartigen öffnung der gemeinsamen Oxidschicht 36 außer den Sperrschichtelektroden 32 und 34 noch drei weitere nicht näher bezeichnete Sperrschichtelektroden mit einer aktiven Länge L von nur wenigen mm, beispielsweise 8 mm, und einer noch geringeren aktiven Breite D von beispielsweise 6 mm im Abstand a von beispielsweise etwa 0,5 mm voneinander angeordnet Die Detektoreinheit hat dann eine Höhe B von etwa

II mm und eine Gesamtlänge A von beispielsweise etwa 33 mm. An einem Ende der Sperrschichtelektroden ist die in der Figur nicht dargestellte Borglasschicht jeweils mit einer Öffnung versehen, in der eine Elektrode 56, die beispielsweise aus Metall, insbesondere Aluminium bestehen kann, mit der betreffenden Sperrschichtelektrode kontaktiert ist.

Werden abweichend von der Ausführungsform des Detektorsystems 24 nach F i g. 1 die verschiedenen Detektoreinheiten 25 bis 29 so nebeneinander angeordnet daß aiie Sperrschichteiektroden in einer Ebene liegen, so kann der durch den Einfallswinkel entstehende unterschiedliche Anteil der Strahlung dadurch ausgeglichen werden, daß Sperrschichtelektroden mit entsprechender unterschiedlicher aktiver Breite D verwendet werden. Die aktive Breite D der Sperrschichtelektrode 34 des mittleren Detektors ist dann geringer als die aktive Breite der benachbarten Sperrschichtelektroden. Die äußeren Elektroden haben dann die größte Breite.

Auch bei den Sperrschichteiektroden einer einzelnen Detektoreinheit mit in einer Ebene nebeneinander angeordneten Detektoren können Bildfehler aus der Polygonanordnung nach F i g. 1 durch Sperrschichteiektroden mit unterschiedlicher Breite ausgeglichen werden.

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Wird anstelle des η-leitenden Halbleiterkörpers ein hergestellt werden.

Körper aus p-leitendem Silizium gewählt, so wird der Das Verfahren nach der Erfindung ist vorzugsweise

spezifische Widerstand dieses Materials etwa eine geeignet zur Herstellung von Körperschnittbildern

Größenordnung höher, d.h. etwa 9 bis 900 Ohm/cm, lebender Wesen. Es kann jedoch auch zur Untersuchung

insbesondere etwa 30 bis 300 Ohm/cm, gewählt. Die von Gegenständen, beispielsweise in der zerstörungs-

Sperrschichtelektroden müssen dann η-leitend sein und freien Werkstoffprüfung verwendet werden,
können beispielsweise durch Eindiffusion von F'hosphor

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Herstellen eines Körperschnittbildes mit fächerförmigen Bündeln von Röntgenstrahlen, welche die Bildelemente in der Körperschniuebene nacheinander in verschiedenen Richtungen durchsetzen, mit einer Vorrichtung zur Umsetzung der Röntgenstrahlen in entsprechende elektrische Signale, die einen Szintillator als Strahlungsempfänger und eine Photokathode enthält und mit einem ortsauflösenden Detektorsystem versehen ist, dem eine elektronische Auswertung zugeordnet ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Szintillator-Photokathodenk.ombinalion (20, 22) vorgesehen ist, die mit einer Hochspannungs-Beschleunigungsstrecke für Photoelektronen im Vakuum angeordnet ist, und daß ein Detektorsystem (24) mit einer Vielzahl von in der Körperschnittebene nut großer Packungsdichte nebeneinander angeordneten ortsauflösenden Halbleiterdetektoren vorgesehen ist, deren Ausdehnung ihrer Sperrschichtelektrode jeweils höchstens wenige mm beträgt und denen die jeweils einem fächerförmigen Strahlenbündel zugeordneten Photoelektronen gleichzeitig zugeführt werden und daß Halbleiterdetektoren mit einem Silizium-Halbleiterkörper (30) vorgesehen sind, der mit diffundierten Sperrschichtelektroden (32,34) versehen ist, deren Randbereich, in dem die Sperrschicht an die Oberfläche tritt, von einer Oxidschicht (36) bedeckt ist, und daß auf einem gemeinsamen Silizium-Halbleiterkörper (30) nebeneinander angeordnete Sperrschichtelektroden (32, 34) mit einer gemeinsamen, auf der gegenüberliegenden Flachseite des Siiizium-Halbleiterkörpers (30) angeordneten sperrfreien Elektrode (50) eine Detektoreinheit (25 bis 29) bilden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein η-leitender Silizium-Halbleiterkörper (30) mit einem spezifischen Widerstand von etwa 10 bis 100 Ohm/cm vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein p-leitender Silizium-Halbleiterkörper mit einem spezifischen Widerstand von 30 bis 300 Ohm/cm vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der den Sperrschichtelektroden (32,34) vorgelagerten Raumladungszone (52 bzw. 54) 2 bis 5 μηι beträgt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht (36) mit einer Schutzschicht (46) versehen ist.