DE2902780A1

DE2902780A1 - Roentgenstrahl-festkoerperdetektor

Info

Publication number: DE2902780A1
Application number: DE19792902780
Authority: DE
Inventors: Jack Dean Kingsley
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-02-06
Filing date: 1979-01-25
Publication date: 1979-08-09
Also published as: JPS54114285A; GB2013877A; NL7900934A; GB2013877B; FR2416481A1; US4180737A

Description

Röntgenstrahl-Pestkörperdetektor

Die Erfindung bezieht sich auf Röntgenstrahldetektoren und mehr im besonderen auf einen Festkörper-Röntgenstrahldetektor mit Kollimatorplatten, um die Intensität des Röntgenstrahlflusses, der auf die Kanten eines unzureichend ausgerichteten Röntgen- strahldetektorelementes auffällt., beträchtlich zu verringern.

Eine bekannte Vorrichtung zum Messen von Röntgenstrahlen wie sie für die computerisierte Tomographie und ähnliche Anwendungsgebiete eingesetzt wird, erfordert die Messung des Röntgenstrahlflusses mit einer hohen Genauigkeit, wobei im allgemeinen ein Fehler bei der Messung des Röntgenstrahlflusses von weniger als OjI % in hohem Maße-erwünscht ist. Viele Röntgenstrahlsysteme benutzen mehr als ein Detektorelement und insbesondere die meisten computerisierten Tomographiesysteme benötigen eine Vielzahl von Detektorelementen, die den Röntgenstrahlfluß gleichzeitig empfangen und messen. Um die Bestrahlungszeit für den Patienten möglichst gering zu halten, werden üblicherweise polyenergetische RöntgenstrahlqueIlen benutzt und esmuß daher jedes der vielen Detektorelemente auf ein Röntgenstrahlsignal ansprechen, das sowohl hinsichtlich der Intensität als auch der Wellenlänge in weitem Maße variiert, wobei das Ansprechen noch in einer nahezu identischen Weise mit bezug auf das Ansprechen aller anderen Detektorelemente im Detektorsystem erfolgen muß.

Viele computerisierte Tomographiesysteme benutzen eine Reihe von Seinti11atorelementen, die den Röntgenstrahlfluß empfangen und ihn in Lichtquanten größerer Wellenlänge umwandeln, typischerweise im UV- und/oder optischen bzw, sichtbaren Bereich des Spektrums. Weiter weisen diese Systeme einen Kollimator auf, d. h. ein Mittel, um den Winkel zu begrenzen, über den der Röntgenstrahlfluß in den Scintillator eintreten kann. In

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Detektoren rait Scintillatorelementen aus einem rechteckigen parallelepipedonförmigen Scintillatorstab hängt das Ansprechen . des Detektors mit Bezug auf die einfallende Röntgenstrahlenergie von der Abweichung des Scintillators von der Form eines perfekten rechteckigen Paralleifepipedons ab und es ist üblicherweise erforderlich, daß diese Abweichungen geringer sind als ein Teil in tausend. Das Ansprechen des Detektors hängt auch zu einem gewissen Grade vom Zerstreuen der einfallenden Röntgenstrahlen durch irgendwelche Kollimatormittel auf das Scintillatorelement ab. Es ist erwünscht, einen Röntgenstrahldetektor zu haben, bei dem das Zerstreuen durch den Kollimator verringert ist und bei dem die Abhängigkeit von der Abweichung von einer vollständigen rechteckigen Parallelepipedongestalt des Scintillatorelementes vermindert ist, um die Herstellungskosten zu verringern und die Ausbeute zu erhöhen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt ein Festkörper-Röntgenstrahldetektor einen Stab aus einem Festkörper-Scintillatorelement mit einer allgemein rechteckigen Parallelepipedongestalt. Weiter ist eine Kollimatorplatte aus einem Material hoher Atomzahl im wesentlichen parallel zu jedem der gegenüberliegenden Enden des Scintillatorstabes angeordnet und erstreckt sich von dort aus zu der Quelle des einfallenden Röntgenstrahlflusses hin. Fotosensoren zum Nachweisen der Röntgenstrahl—induzierten Fluororeszenz des Scintillators sind benachbart zumindest einer der übrigen Scintillatoroberflächen angeordnet und sie wandeln die vom Scintillator emittierten UV-optischen oder IR-Quanten in ein elektrisches Signal um, dessen Größe der Größe des einfallenden Röntgenstrahlflusses entspricht. Das Endstück jeder Kollimatorplatte, das am weitesten vom Scintillatoreloment entfernt und am nächsten zur Röntgenstrahlquelle liegt, ist mit Bezug auf den Rest der Kollimatorplatte verdickt, damit die seitlichen Oberflächen des Scintillatorstabes durch die verdickten Bereiche abgeschirmt sind, wodurch die Intensität der von den Kollimatorplatten herrührenden Streustrahlung verringert ist und die Röntgenstrahlen daran gehindert sind, auf die Kan-

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tenbereiehe eines mißgestalteten oder unzureichend ausgerichteten Scintillatorelementes aufzutreffen. Auf diese Weise werden Variationen hinsichtlich des spektralen Ansprechens zwischen den Detektoren in einer viele Detektoren umfassenden Anordnung vermindert.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur ein Querschnitt erfindungsgemäßen Röntgenstrahldetektors gezeigt ist.

Die Figur veranschaulicht eine derzeit bevorzugte Ausführungsform des Röntgenstrahldetektors 10, mit dem man die Größe eines einfallenden Röntgenstrahlflusses messen kann, der, von einer Röntgenstrahlquelle (die der Einfachheit halber nicht dargestellt ist) kommend, auf diesen Detektor auftrifft, wobei der Röutgenstrahl^fluß durch einen nichtldargestellten, zu untersuchenden Gegenstand, der zwischen der Röntgenstrahlquelle und dem Detektor 10 angeordnet ist, unterschiedlich teilweise absorbiert worden sein kann.

Der Detektor 10 umfaßt ein Teil 11 aus einem Festkörpermaterial das die einfallenden Röntgenquanten 12 in eine Fluoreszenzemission umwandelt, d. h. in eine Emission von Quanten 1H mit Wellenlängen im UV-, sichbaren und/oder IR-Bereich des Spektums. Vorzugsweise ist dieses Teil 11 ein Scintillator aus einem Material, wie Thalium-dotiertem Cäsiumjodid (CsJ:Tl), Wismutgermanat (Bij.Ge.,0 ._?) etc. Im Idealfall sollte der Scintillator im wesentlichen ein perfektes rechteckiges Parallelepipedon sein, dessen (gestrichelt gezeigte) Seiten 11a senkrecht zur vorderen Oberfläche 11b (auf die der Böntgenstrahlfluß auftrifft), der rückwärtigen Oberfläche lic (durch die die optischen Quanten Ik emittiert werden) und dem Paar der übrigen Seitenoberflächen lld verlaufen. In der Praxis sind im wesentlichen perfekte rechteckige parallelepipedonförmige Scintillatorelemente selten erhältlich. Im allgemeinen bilden die Seitenoberflächen 11a¹ und 11a'¹ Winkel Θ. bzw. θ_? mit der vorderen bzw. rückwärtigen Oberfläche 11b bzw. lic. Scintillatoren in Detektoren nach dem Stand

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der Technik sind annehmbar gewesen, wenn nicht mehr als eine Abweichung von einem Teil in tausend exitierte, ζ. Β. θ ^

arctan (umgekehrter Tangens) (0,001) ^i 0,06.

Dieser hohe Grad der Präzision ist notwenig, um zu verhindern, daß RÖntgenquanten auf den Kantenbereich lie des Scintillator auftreffen, weil sie dort in etwas variabler Weise aufgrund von Variationen in der Größe und Gestalt des Volumens unterhalb der Kantenfläche He in optische Quanten umgewandelt werden, verglichen mit der gleichförmigen Querschnitts fläche und dem Volumen unterhalb der restlichen Oberfläche Hb, auf die RÖntgenquanten auftreffen.

Es wird ein Potosensor 16, der irgendeine Einrichtung, wie eine " Fotodiode, ein Fototransistor und dgl. sein kann, die in der Lage ist, durch Röntgenstrahlen induzierte Fluoreszenz (optische Quanten Ik) nachzuweisen, die vom Scintillator 11 emittiert werden,

benachbart der rückwärtigen Oberfläche Hc des Scintillators angeordnet. Doch kann man den Fotosensor 16 auch benachbart einer der Seitenoberflächen Hd anordnen, wenn optische Photonen durch die Seitenoberflächen des Scintillators austreten oder benachbart der vorderen Ob er fläche Hb, wenn der Fotosensor so ausgewählt ist, daß er im wesentlichen keine RÖntgenquanten einfängt und umwandelt. Es kann ein optische Photonen reflektierender überzug 17 auf die Oberflächen Hb, Hc und/oder Hd aufgebracht werden, benachbart denen kein Fotosensor angeordnet ist. Anderseits können auch mehrere Fotosensoren benutzt und benachbart von mehr als nur einer der Oberflächen Hb₅ Hc und/oder Hd angeordnet werden.

Eines eines Paares von Kollimatorteilen 21 und 22 wird benachbart jeder der Endoberflächen Ha' und Ha' ' des Scintillators angeordnet. Diese Kollimatorteile sind im wesentlichen flache Platten die bis zu einer Dicke T hergestellt sind aus einem Material hoher Atomsah 1, wie' Wolfram, Tantal und ähnlichen und die im wesentlichen parallel zur Richtung des einfallenden Röntgenstrahlflusses angeordnet- sind. Die langgestreckten Kollimatorteile erstrecken sich von einem ersten Endstück 21a bzw. 22a, die im allgemeinen in der gleichen Ebene wie die rückwärtige Oberfläche lic des

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Scintillator angeordnet sind_s für eine Länge L nach vorn bis zu einem zweiten Endstück 21b bzw. 22b und sie erstrecken sich somit für einen Abstand von D über die vordere Oberfläche 11b des Scintillators hinaus in Richtung auf die Röntgens trahlque He. Je größer der Abstand D ist., den sich die Kollimatorteile über die vordere Oberfläche 11b des Scintillators hinaus erstrecken, um so geringer ist der Raumwinkel (f, über den sich die Detektoröffnung erstreckt;, d. h„ der Winkel, in dem der Röntgenstrahlfluß ankommen und auf den Scintillator auftreffen kann, ohne auf eines der Kollimatorteile zu treffen, wird verringert. Eo treffen jedoch Röntgenstrahlen auf die Kollimatorteile auf und werden dadurch zerstreut_s woher die Variationen in der nachgewiesenen Flußamplitude herrühren sowie der Verlust an Stärke und räumlich.! r Auflösung des auftreffenden Röntgens trahlf luss es am Detektor.

Jedes der Kollimatorteile 21 und 22 ist an und benachbart den Endstücken 21b bzw. 22b mit einem verdickten Querschnitt versehen. Hierfür wird vorteilhafterweise ein U-förmiges Teil 2 4 aus dem gleichen Material wie dem der Kollimatorplatten 21 und 22 benutzt, das ein Paar im wesentlichen paralleler voneinander getrennter Abschnitte 2¹Ia aufweist, die sich in die gleiche Richtung im wesentlichen senkrecht zum Querteil 24b erstrecken und zwischen denen ein Schlitz 24c gebildet ist, der die zweiten Endstücke 21b bzw. 22b der Kollimatorteile genau aufnimmt. Die Verbindung der Endteile 24 an den jeweiligen Kollimatorteilen kann durch Reibungssitz oder auf andere Weise erfolgen. Die Dicke B jedes Abschnittes 24a ist so ausgewählt, daß der wirksame Öffnungsabstand A zwischen den äußeren Seitenteiloberflächen der benachbarten Kollimatorendteile vermindert wird und das er geringer ist als die Gesamtbreite W des Scintillators 11, so daß an den Scintillatorkanten und insbesondere den seitlichen Kantenoberflächen lla¹ und lla' ' eine Schattenwirkung verursacht wird. Die Dicke B ist so ausgewählt, daß sie gleich oder größer ist als die größte annehmbare Länge der Kantenfläche He auf der vorderen Oberfläche Hb oder eine ähnliche Kantenfläche Hf auf der rückwärtigen Oberfläche lic, wobei jede der Kantenoberflächen He und Hf ein allge-

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mein keilförmiges Volumen des Scintillatormaterials begrenzen, das mittels der Endteile 24 vorteilhafterweise vor der Bestrahlung durch den Röntgenstrahlfluß abgeschirmt wird. Auf diese Weise sind die Röntgenquanten 12a, die auf die Endteile 24 und die Kollimatorplatten 21 bzw. 22 auftreffen daran gehindert, durch Kantenstreuung auf den Scintillator zu gelangen, während die Hauptmenge der auffallenden Röntgenquanten 12b durch die Öffnung A gelangt und auf den Scintillator 11 auftrifft. Die Endteile 24 mit der Länge C in Richtung auf die Röntgenstrahlquelle dienen zur weiteren Verminderung des Raumwinkels φ zu dem Winkel φ' und weisen daher zusätzliche kollimierende Eigenschaften auf, in dem sie zusätzlich das nachteilige Auftreffen der Röntgenquanten 12c (das sind die am weitesten von der Detektorzentrallinie in der Mitte zwischen den Kollimatorplatten 21 und 22 entfernten Quanten) auf die Detektorvolumina verhindern, die durch die Kantenbereiche He und Hf begrenzt sind.

In einem typischen Detektor 10 hat ein Scintillatorelement aus ThaUium-dotiertem Cäsiumjodid mit einer röntgenstrahldurchlässigen Schicht 17 eine Weite W gleich etwa der doppelten Dicke E und die benachbarten Kollimatorplatten 21 und 22 haben eine Länge L von etwa dem 12-fachen der Detektorelementbreite W, wodurch die Erstreckung D der Kollimatorplatten über die vordere Oberfläche Hb des Scintillators hinaus etwa das 10-fache der Breite W des Scintillators beträgt. Jede der Kollimatorplatten 21 und 22 ist aus einer relativ dünnen (typischerweise 0,15 mm entsprechend 6 Millizoll) Tantalfolie hergestellt. Jedes der Endstücke 24, die auch aus Tantal hergestellt sind, hat eine Länge C von etwa 2,5 mm und eine Seitenteildicke B, die ausreicht, um den Öffnungsabstand A auf etwa 7/8 des Abstandes zwischen den einander gegenüberstehenden inneren Oberflächen der Kollimatorplatten 21 und 22 zu vermindern.

Benachbart den Seitenoberflächen Hd, d. h. im rechten Winkel zum dargestellten Paar von Kollimatorplatten 21 und 22 kann ein weiteres Paar von Kollimatorplatten benutzt werden, deren Ebenen

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parallel zur Zeichnungsebene und oberhalb und unterhalb der Zeichnungsoberfläche verlaufen. Auch kann eine Vielzahl von Scintillatorelementen 11 zusammen mit den dazugehörigen Fotosensoren l6 Ende an Ende oder Seite an Seite angeordnet werden, wie es z. B. durch die zusätzlichen gestrichelt gezeigten Scintillatorelemente 11' und II¹¹ angedeutet ist, um eine lineare oder zweidimensionale Detektoranordnung zu bilden, wobei zwischen jedem benachbarten Paar von Scintillatorelementen eine Kollimatorplatte liegt, wie z. B. die Kollimatorplatte 21 zwischen den benachbarten Scintillatorelementen 11 und 11'. Bei dieser Konfiguration schirmt ein Seitenteil 24a jedes Verdickungsteiles 2h am Kollimatorplattenendstück den Kantenbereich der seitlichen Oberflächen des damit assoziierten Scintillatorelementes ab und verringert dadurch sowohl das Zerstreuen der Eöntgenquanten durch die Kollimatorplatten als auch die Variationen in der Zahl der nachgewiesenen Röntgenquanten aufgrund des Auftreffens der Quanten auf die Kantenbereiehe. Auch kann eine Vielzahl von Scintillatorelementen so angeordnet sein, daß deren vordere Oberflächen keine flache Ebene sondern z. B. eine kreisförmige oder halbkugelförmige Ebene bilden.

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Claims

gekennzeichnet

Ansprüche

ß/. Röntgenstrahlfluß-Detektor
durch:

einen Scintillator (11) zum Umwandeln der auffallenden Röntgenquanten in optische Fluoreszenzquanten, einen Fotosensor (16) benachbart dem Scintillator (H) zum Nachweisen der optischen Fluoreszenzquanten, eine Einrichtung (21, 22) zum Kollimieren des auf den Scintillator (11) auftreffenden Röntgenstrahlflusses, und eine Einrichtung (2*1), die mit dem Kollimator zusammenarbeitend, das Auf treffen von Röntgenquanten auf ausgewählten Teilen (He, Hf) des Scintillators (11) verhindert.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Scintillator (H) eine allgemein rechteckige parallelepipedonförmige Gestalt mit mindestens einer seitlichen Oberfläche (Ha¹, 11a") hat und die Einrichtung (2H) so angeordnet ist, daß sie die seitliche Oberfläche des Scintillators (11) abschirmt, um im wesentlichen das Auftreffen von Röntgenquanten darauf zu verhindern.

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3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Scintillator (11) aus Thalliumdotiertem Cäsiumjodid oder Wismutgermanat besteht.
4. Detektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator ein Paar von Platten (21, 22) ist, die sich je über die vordere Oberfläche (lib) des Scintillators (11) und allgemein in Richtung auf die Quelle des Röntgenstrahlflusses erstrecken und das die Einrichtung (24) einen Teil (21b, 22b) jeder der Platten (21, 22) einschließt, der am weitesten von dem Scintillator entfernt ist, wobei die Einrichtung (2 4) eine Dicke (2 χ B + T) hat, die größer ist als die Dicke (T) des Restes der Platte (21, 22).
5. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Platten (21, 22) aus einem Material hoher Atomzahl bestehen.
6. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Material der Platten (21, 22) Wolfram oder Tantal ist.
7. Detektor nach den Ansprüchen 4-6, dadurch gekennzeichnet , daß der Kollimator ein Paar im wesentlichen paraller Platten (21, 22) ist, die sich im wesentlichen senkrecht zu einer vorderen Oberfläche (lib) des Scintillators (11) und in Richtung auf die Quelle des Röntgenstrahlflusses erstrecken und daß die mit dem Kollimator zusammenarbeitende Einrichtung ein allgemein U-förmiges Endteil (24) ist, die einen Kanal einschließt zur Aufnahme des Endstückes (21b, 22b) einer Platte (21, 22) das am weitesten von dem Scintillator (H) entfernt ist, wobei dieses Endteil (24) eine Dicke (2 χ B + T) hat, die größer ist als die Dicke (T) der dazugehörigen Platte (21, 22).

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8. Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das U-förmige Teil (2¹I) mit der dazugehörigen Platte (21, 22) durch Reibungssitz verbunden ist.
9. Detektor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Endteil (24) aus einem Material hoher Atomzahl hergestellt ist.
10. Detektor nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Endteiles (24) Wolfram oder Tantal ist.
11. Detektor nach den Ansprüchen 1-10, dadurch gekennzeichnet , daß der Fotosensor (16) mindestens eine Fotodiode oder mindestens ein Fototransistor ist.
12. Detektor nach den Ansprüchen 1-11, dadurch gekennzeichnet , daß ein Teil des Scintillators (11) von einer Einrichtung (17) umgeben ist, die die optischen Fluoreszenzquanten allgemein in Richtung ^%auf den Fotosensor (16) reflektiert.
13. Röntgenflußdetektor, gekennzeichnet durch:

eine Vielzahl von Scintillatoren (11) zum Umwandeln darauf auftreffender Röntgenquanten in optische Fluoreszentquanten, wobei diese Vielzahl von Scintillatoren auf der Oberfläche einer mehrdimensionalen Krümmung angeordnet ist, benachbart jedem der Scintillatoren (11) ein Fotosensor (l6) zum Nachweisen der von dem entsprechenden Scintillator emittierten optischen Fluoreezenzquanten angeordnet ist, eine Einrichtung (21, 22) zum Kollimieren des auf jeden der Scintillatoren (11) gerichteten Röntgenflusses, um ihn auf diesem einen Scintillator (11) auftreffen zu lassen und

eine Einrichtung (24) die mit mindestens einem der Kollimatoren zusammenarbeitet, um das Auftreffen von Röntgenquanten auf mindestens einen ausgewählten Teil (lie, Hf) mindestens eines

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der Scintillatoren (11), der mit jedem des mindestens einen Kollimators assoziiert ist, zu verhindern.

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