DE3031867C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Szintillationsdetektoranordnung für einen Röntgen-Computer-Tomographen mit einem Gehäuse zur Aufnah­ me eines Szintillationsmediums, das mehrere mit Wänden versehene zellartige Kammern und eine für Röntgenstrahlen im wesentlichen durchlässige Frontwand aufweist, wobei die Kammern durch gegenüber Röntgenstrahlung im wesentlichen undurchlässige Seitenwandteile be­ grenzt sind, die im wesentlichen senkrecht zur Frontwand angeordnet sind, und mit mehreren lichtelektrisch ansprechenden Vorrichtungen, die um die zellartigen Kammern angeordnet sind, zur Aufnahme von durch das Szintillationsmedium erzeugten Photonen mit einer opti­ schen Wellenlänge.

Eine Szintillationsdetektoranordnung der vorstehenden Art ist in der DE-OS 29 00 465 beschrieben. Das bei dieser Anordnung benutz­ te Szintillationsmedium ist ein fester Szintillatorkörper.

In der US-PS 32 44 637 ist ein flüssiges Szintillationsmedium beschrieben, das aus einem primären Bleiarylalkaryl-Absorber, einem primären Fluoreszenzstoff, einer die Wellenlänge umwandelnden Sub­ stanz und einem flüchtigen Lösungsmittel besteht.

Gegenstand der US-PS 36 73 100 ist ein flüssiges Szintilla­ tionsmedium, das aus mindestens 30 Gew.-% eines aromatischen Kohlen­ wasserstoff-Lösungsmittels und bis zu 70 Gew.-% eines Zusatzes be­ steht, der eine wässrige Lösung einer wasserlöslichen Verbindung ein­ nes Elementes mit einer Ordnungszahl von mehr als 20 umfaßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen hohen Quantenabsorp­ tionswirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein flüssiges Szintillationsmedium mit einem löslichen Fluoreszenzstoff und einem Lösungsmittelmaterial für den Fluoreszenzstoff verwendet wird, wobei das Lösungsmittelmaterial eine darin gelöste Zinnalkyl­ verbindung enthält oder als Lösungsmittelmaterial Jodnaphthalin und/oder Bromnaphthalin verwendet werden.

Der vorstehend verwendete Begriff "Quantenabsorptionswirkungs­ grad" bezeichnet den Bruchteil von Röntgenphotonen, die photoelek­ trisch in dem Szintillationsmedium absorbiert werden. Ein weiterer Begriff, der häufig in Verbindung mit diesen Szintillationsdetektor­ anordnungen verwendet wird, ist der "Umwandlungswirkungsgrad", der die Verluste aufgrund des verwendeten Photodetektorsystems enthält. Beispielsweise beträgt der Umwandlungswirkungsgrad für einen Szintillatorkristall aus CsJ etwa 15%.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anord­ nung finden sich in den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Szintillationsdetektoranordnung und

Fig. 2 eine Seitenquerschnittsansicht durch eine einzelne Zelle der Anordnung.

Die Szintillationsdetektoranordnung um­ faßt drei Hauptabschnitte, nämlich ein Gehäuse, ein flüssiges Szin­ tillationsmedium in dem Gehäuse und lichtelektrisch ansprechende Vorrichtungen bzw. Detektoren, die um die Zellen innerhalb des Ge­ häuses herum angeordnet sind. Jedes dieser Elemente wird im folgen­ den näher erläutert.

Das Gehäuse besteht aus einem nichtreagierenden Material, das zur Aufnahme der Flüssigkeit geeig­ net ist. Ein Kunststoff, wie Polycarbonat, ist beispielsweise ein derartiges Material. Insbesondere bei Fächerstrahl-Tomographen hat das Gehäuse vorzugsweise eine Bogenform. Im allgemeinen ist das Ge­ häuse in innere zellartige Kammern unterteilt, die jeweils im we­ sentlichen die gleichen Abmessungen besitzen. Wenigstens eine Gehäu­ sewand, die hier als die Frontwand (11) bezeichnet wird, ist aus einem Material, das stark durchlässig für Röntgenstrahlen ist, wie bei­ spielsweise einem inerten Kunststoff aus Atomen mit kleiner Ord­ nungszahl. Die Zellkammern werden vorzugsweise in dem Gehäuse durch Seitenwandteile (14) gebildet, die im wesentlichen senkrecht zur Frontwand des Gehäuses angeordnet sind. In dem Innenraum des Gehäu­ ses können zweckmäßigerweise Schlitze vorgesehen sein zum Einsetzen und Ausrichten dieser Seitenwandteile. Bei Verwendung eines Fächer­ strahl-Tomographen ist die Frontwand vorzugsweise bogenförmig und hat bei Verwendung eines Kunststoffes, wie eines Polycarbonates, vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,5 mm. Die Seitenwandteile enthal­ ten ein material mit Atomen hoher Ordnungszahl, das für Röntgen­ strahlung im wesentlichen undurchlässig ist. Die Seitenwandteile sind vorzugsweise Wolfram- oder Tantalplatten mit einer Dicke von etwa 0,05 bis 0,1 mm. Die Platten können in dem Gehäuse und insbe­ sondere innerhalb der Schlitze in dem Gehäuse durch einen geeigneten inerten Klebstoff, wie beispielsweise Epoxid, befestigt sein. Das Gehäuse selbst ist vorzugsweise auch mit einem gemeinsamen Abfluß und, falls erforderlich, mit einer Füllöffnung versehen, um das flüssige Szintillatormedium einzufüllen. Dieses flüssige Medium füllt üblicherweise das gesamte Volumen des Innenraumes des Gehäuses, das vorzugsweise so geformt und bemessen ist, daß jede Zellkammer mit den anderen Kammern in Strömungsverbindung steht, um so eine räumlich gleichförmige Verteilung des flüssigen Szintillatormedi­ ums über den gesamten Innenraum des Gehäuses aufrechtzuerhalten. Diese besondere Gehäuseform in Verbindung mit der Verwendung des flüssigen Szintillationsmediums liefert wesentliche Vorteile für diesen Aufbau der Szintillationsdetektoranordnung. Insbesondere wird das Gehäuse, wenn bessere flüssige Szintillationsmedien entwickelt werden, mit minimalem Aufwand und mit minimaler Ausfallzeit für den Tomographen, auf einfache Weise geleert und neu gefüllt.

Es sind zwar flüssige Szintillationsmedien seit vielen Jahren bekannt, aber sie sind bisher niemals in Detektoran­ ordnungen für einen Röntgen-Computer-Tomographen verwendet worden. Übliche flüssige Szintillationsmedien sind für diesen Zweck nicht verwendet worden, da in diesen Medien die auftreffenden energierei­ chen Röntgenstrahlenphotonen mit dem Material in Wechselwirkung tre­ ten, vorwiegend indem sie eine Compton-Streuung erfahren, bei der das Röntgenphoton nicht absorbiert, sondern vielmehr abgelenkt wird. Aufgrund der erforderlichen hohen Auflösung bei der Computer-Tomo­ graphie müssen die Detektorzellen sehr eng beabstandet sein (ein Millimeter oder weniger) und die entstehenden gestreuten Röntgenpho­ tonen werden einfach in die Seitenwandteile abgelenkt, wo sie absor­ biert werden. Die Absorption in den Seitenwandteilen eines derarti­ gen Röntgenphotons erzeugt kein Ausgangssignal mit optischer Wellen­ länge und führt einfach zu einer Erwärmung der Seitenwandteile. Zu­ sätzlich hat ein übliches flüssiges Szintillationsmedium eine gerin­ ge Röntgenphotonenabsorption (d. h. einen geringen Quantenabsorp­ tionswirkungsgrad), so daß nicht gestreute Röntgenphotonen absor­ biert werden können, aber sie werden nur nach einer tiefen Durch­ dringung des Szintillationsmediums absorbiert. Ein derartiger Detek­ tor, der bei tomographischen Anwendungen benutzt wird, erfordert ei­ ne sehr tiefe Detektorzelle von etwa 200 mm Länge. Selbst wenn ein derartiger Detektor gebaut würde, würde die Compton-Streuung, die auf der gesamten Länge auftreten würde, immer noch für eine Wechsel­ wirkung sorgen und den Quantenabsorptionswirkungsgrad eines derarti­ gen Detektors wesentlich senken und zwar bis unter annehmbare Werte.

Jedoch können gewisse flüssige Szintillationsmedien in einem geeigneten Lösungsmittel mit eine hohe Ordnungszahl aufweisenden Verbindungen kombiniert werden, um die Röntgenstrahlenabsorption und den Quantenabsorptionsgrad für diese Szintillationsmedien zu erhöhen.

Bevor es bekannt ist, ob irgendein gegebenes Szintillationsme­ dium in einer Detektoranordnung für einen Computer-Tomographen wirk­ sam verwendet werden kann, sollten gewisse kritische Eigenschaften des Mediums bekannt sein. Zu diesen Schlüsseleigenschaften gehören seine Dämpfungslänge, d. h. die Eindringtiefe, über der etwa 37% (1/e) der Röntgenphotonen absorbiert werden. Andere kritische Eigen­ schaften beinhalten seine Nach­ glüheigenschaften, seine Spektrallinearität und seine chemische Langzeitstabilität, insbesondere bei Röntgenstrahlung. Die Verwen­ dung von schwere Atome enthaltenden organischen Verbindungen, wie beispielsweise Zinn oder Blei, ist an sich bekannt, um die Absorp­ tionseigenschaften gewisser flüssiger Szintillatormedien zu erhöhen. Beispielsweise ist eine derartige Bleiverbindung in der obengenann­ ten US-PS 32 44 637 beschrieben. Weiterhin ist darin die als Fluor­ eszenzlöschen bekannte Wirkung beschrieben, bei der beobachtet wird, daß eine Erhöhung der Konzentration an Bleiverbindungen das Ver­ hältnis der nichtstrahlenden zu strahlenden Fluoreszenzübergängen erhöht. Dies soll besagen, daß die Erhöhung der Konzentration an Blei im allgemeinen das eine optische Wellenlänge aufweisende Aus­ gangssignal des primären Fluoreszenzstoffes senkt, obwohl die Rönt­ genphotonabsorption zunimmt. Somit erzeugt das Versetzen von flüssi­ gen Szintillatoren mit eine hohe Ordnungszahl aufweisenden Verbin­ dungen Wirkungen aus zwei Quellen. Erstens gibt es eine geometrische Wirkung, die dazu tendiert, die Röntgenabsorption zu vergrößern, wenn die Konzentration der eine hohe Ordnungszahl aufweisenden Ver­ bindung zunimmt, da weniger Röntgenphotonen durch Compton-Streuung entkommen. Zweitens gibt es eine Verminderung der eine optische Wel­ lenlänge aufweisenden Ausgangsgröße aus dem primären Fluoreszenz­ stoff aufgrund des Fluoreszenzlöscheffektes. Diese Verbundwirkungen geben häufig einen Anlaß zu einer nicht-linearen Änderung im opti­ schen Ausgangssignal, wenn die Konzentration der eine hohe Ordnungs­ zahl aufweisenden Verbindung erhöht wird. Es ist deshalb häufig zu sehen, daß, wenn diese Konzentration erhöht wird, die optische Aus­ gangsgröße zunimmt, bis sie ein Niveau erreicht, wo die Löschwir­ kung am größten ist, aber nach der ein steiler Anstieg mit zuneh­ mender Absorption besteht, der durch die höhere Konzentration der Moleküle mit hoher Ordnungszahl erhalten wird.

Demzufolge enthält das verwendete flüssige Szintillationsmedium einen löslichen Fluoreszenzstoff und ein Lö­ sungsmittelmaterial für diesen Fluoreszenzstoff. Weiterhin ist das Lösungsmittel entweder selbst ein von Natur aus eine hohe Ordnungs­ zahl aufweisendes Lösungsmittel oder es kann darin eine Verbindung mit hoher Ordnungszahl gelöst werden.

Typische lösliche Fluoreszenzstoffe, die verwendet werden können, umfassen p-Terphenyl, Biphe­ nyloxazol, Butyl-phenyl-biphenylyl-oxadiazol, Tetramethyl-p-quater- phenyl, Isopropylbiphenyl oder Bis-phenyläthinylanthrazen.

Der Fluoreszenzstoff wird typischerweise in dem Lösungsmittel bis zu seiner Löslichkeitsgrenze oder gerade dar­ unter gelöst, um so die maximale optische Ausgangsgröße zu erhal­ ten. Wenn das Lösungsmittel selbst ein Material mit hoher Ordnungs­ zahl ist, so wird es als von sich aus beladen bezeichnet und es ist im allgemeinen nicht notwendig, auch eine separate Verbindung mit hoher Ordnungszahl zu verwenden, die als ein Röntgenstrahlenabsorber wirkt. Typische von sich aus beladene Lösungsmittel umfassen Jod­ naphthalin und Bromnaphthalin. Wenn das Lösungsmittel nicht von sich aus beladen ist, werden Zinnalkyle zugesetzt, um die Röntgenabsorption zu erhöhen.

Zusätzlich kann die zuvor erwähnte Löschwirkung auf mehreren verschiedenen Wegen gesenkt werden. Beispielsweise wurde gefunden, daß Naphthalin als ein Zusatz die Löschwirkung verkleinert. Auch das Lösungsmittel Isopropyldiphenyl besitzt viermal weniger Löschung als Toluol für Quecksilberverbindungen. Es sei bemerkt, daß Queck­ silber eine Ordnungszahl von 80 hat, die lediglich um zwei kleiner als die Ordnungszahl für Blei ist, die 82 beträgt. Der eine hohe Atomzahl aufweisende gelöste Stoff kann auch unter Verwendung von Tetramethyl-p-quaterphenyl als ein Lösungsmittel gepuffert sein. Zu­ sätzlich wird das flüssige Szintillatormedium sorgfältig von Sauer­ stoff befreit zur Verbesserung der Stabilität und der Lichtausgangs­ größe. In der Anordnung wird vorzugsweise eine Innenatmosphäre aus sauerstoffreiem Stickstoff eingeschlossen.

Falls als Absorbermaterial dem Lösungsmittel eine Zinnalkylverbindung zugesetzt wird, wird die Absorberverbindung in einer Konzentration von etwa 1 bis etwa 30% (Gew.-%) zugesetzt, wobei eine Konzentration von 10% bevorzugt ist.

Der Quantenabsorptionswir­ kungsgrad beträgt etwa 90% bei einer Dämpfungslänge von etwa 7 mm. Zusätzlich hat das flüssige Szintillatormedium im allgemeinen eine relativ hochgradige spektrale lineare Linearität. Das Verhältnis der Dämpfungslänge für 100 KeV-Photonen zur Dämpfungslänge für 40 KeV- Photonen beträgt etwa 2 : 1 im Vergleich zu 15 : 1 für Kristall-Szintillationsdetektoren. Zusätzlich wird die minimale Zellgröße für den Detektor gemäß der Erfindung um einen Faktor 2 auf etwa 0,5 mm verkleinert, wodurch eine größere Bildauf­ lösung geliefert wird.

Da die lichtelektrisch ansprechenden Vorrichtungen, die übli­ cherweise zur Umwandlung der optischen Ausgangsgröße des Fluores­ zenzstoffes verwendet werden, im allgemeinen über einen begrenzten Spektralbereich empfindlich sind, typischerweise im Rotbereich, kön­ nen ein oder mehrere lösliche Substanzen zur Wellenlängenumwandlung zu der Mischung aus Lösungsmittel, Fluoreszenzstoff und eine hohe Ordnungszahl aufweisenden Absorber zugesetzt werden. Zu derartigen Materialien gehören typischerweise 1,4-Bis-(methyl-5-phenyloxazo­ lyl)benzol, 2-(1-Naphtyl)-5-phenyloxazol, p-Bis(o-methylstyryl)ben­ zol, Rhodamin B, Perylen oder 9,10-Bis(phenyläthinyl)anthrazen. Die­ se Materialien haben die Wirkung, die eine optische Wellenlänge auf­ weisende Strahlung, die durch den löslichen primären Fluoreszenz­ stoff erzeugt wird, zu absorbieren und bei einer unterschiedlichen Frequenz erneut abzustrahlen, die mit dem spektralen Ansprechverhal­ ten der Photodetektoren besser kompatibel ist.

Fig. 1 zeigt eine Szintillationsdetektoranordnung gemäß ei­ nem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Röntgen­ strahlen 50 auf die Frontwand der Anordnung auftreffen. Das Gehäuse enthält beispielsweise eine obere Deckwand 22, eine untere Bodenwand 23 und eine Rückwand 16. Die Frontwand 11 ist in Fig. 1 nicht zu sehen. Innerhalb des Gehäuses befinden sich Seitenwandteile 14, die im wesentlichen senkrecht zur Frontwand angeordnet sind. Photoelek­ trisch ansprechende Vorrichtungen 18 sind in einem abwechselnden Decken- und Bodenmuster entlang den Boden- und Deckenwänden angeord­ net. Diese enthalten typischerweise Photodioden, die elektrisch mit einem Analog/Digitalwandler über Leiter 19 verbunden sind. Zusätz­ lich können auf Wunsch die Innenwände der Kammern, außer selbstver­ ständlich den Photodioden, mit einem reflektierenden Material 20 überzogen sein. Dieses Material kann sowohl auf den Seitenwandteilen 14 als auch auf der Frontwand vorgesehen sein. Innerhalb jeder ge­ bildeten Zelle ist ein flüssiges Szintillationsmedium 10 einge­ schlossen.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine einzelne Zelle von einer Szintillationsdetektoranordnung, die etwas anders als in Fig. 1 gezeigt, aufgebaut ist. Insbesondere stellt Fig. 2 die abwech­ selnde Anordnung für die lichtelektrisch ansprechenden Vorrichtungen 18 dar. Dieser Aufbau ist einfacher zu fertigen und bringt die Vor­ richtungen 18 direkt innerhalb der Zellkammern an. Für optimale Lichteigenschaften kann ein Photodetektor sowohl an der Deck-, Bo­ den- und Rückwand jeder Kammer vorgesehen sein. Auch wenn das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Gehäuse bestimmte bzw. einzelne Boden-, Decken-, Rück- und Frontwandteile zeigt, können diese Teile als eine einzelne Einheit aus einem einzigen Material hergestellt sein.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die Szintillationsdetektoranordnung gemäß der Erfindung wesentliche Vorteile für eine Verwendung bei der Computer-Tomographie bietet ge­ genüber denjenigen, die bisher durch Xenon- oder Kristall-Szintilla­ tordetektoranordnungen erzielbar sind. Beispielsweise sind die Ko­ sten des flüssigen Szintillatormediums niedrig, insbesondere im Vergleich zu den Kristalldetektoren, und wenn Verbesserungen bei dem flüssigen Szintillatormedium gemacht werden, kann das Detektor­ system auf einfache Weise entleert und mit dem verbesserten Material erneut gefüllt werden.

Claims (5)

1. Szintillationsdetektoranordnung für einen Röntgen-Computer- Tomographen mit einem Gehäuse zur Aufnahme eines Szintillationsmedi­ ums (10), das mehrere mit Wänden versehene zellartige Kammern und eine für Röntgenstrahlen im wesentlichen durchlässige Frontwand (11) aufweist, wobei die Kammern durch gegenüber Röntgenstrahlung im we­ sentlichen undurchlässige Seitenwandteile (14) begrenzt sind, die im wesentlichen senkrecht zur Frontwand angeordnet sind, und mit mehre­ ren lichtelektrisch ansprechenden Vorrichtungen (18), die um die zellartigen Kammern angeordnet sind, zur Aufnahme von durch das Szintillationsmedium erzeugten Photonen mit einer optischen Wellen­ länge, dadurch gekennzeichnet, daß ein flüssiges Szintillationsmedium (10) mit einem löslichen Fluores­ zenzstoff und einem Lösungsmittelmaterial für den Fluoreszenzstoff verwendet wird, wobei das Lösungsmittelmaterial eine darin gelöste Zinnalkylverbindung enthält oder als Lösungsmittelmaterial Jodnaph­ thalin und/oder Bromnaphthalin verwendet werden.

2. Szintillationsdetektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lösliche Fluoreszenzstoff aus p-Terphenyl, Diphenyl-oxazol, Bu­ tyl-phenyl-biphenylyl-oxadiazol, Tetramethyl-p-quaterphenyl, Isopro­ pylbiphenyl und/oder Bis-phenyläthinyl-anthracen ausgewählt ist.

3. Szintillationsdetektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittelmaterial für die Zinnalkylverbindung Toluol, Xylol und/oder Trimethylbenzol ist.

4. Szintillationsdetektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Szintillationsmedium ferner wenigstens eine die Wellen­ länge umwandelnde Substanz enthält, die aus 1,4-Bis-(methyl-5-phe­ nyloxazolyl)benzol, 2-(1-Naphthyl)-5-phenyloxazol, p-Bis-(o-methyl­ styryl)benzol, Rhodamin B, Perylen und/oder 9,10-Bis(phenyläthinyl)- anthracen ausgewählt ist.

5. Szintillationsdetektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zellartigen Kammern miteinander in Strömungsverbindung stehen.