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Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahlungsdetektor, insbesondere für einen Computertomographen, mit einer regelmäßigen Anordnung von Messpixeln zur Abdeckung einer Messfläche.
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Integrierende, auf Szintillatoren basierende Röntgenstrahlungsdetektoren, auch indirektkonvertierende Röntgenstrahlungsdetektoren genannt, werden aktuell in den verschiedensten Anwendungsbereichen, wie beispielsweise in der Medizintechnik, eingesetzt. Ein wesentlicher Nachteil solcher Röntgenstrahlungsdetektoren ist die begrenzte zeitliche Auflösung der Röntgenstrahlungsintensität infolge des sogenannten Nachleuchtens. Zudem müssen die einzelnen Pixel in der Regel durch Septen voneinander getrennt werden, wobei durch die Septen und somit durch das Trennmaterial sogenannte Totzonen geschaffen werden. Gerade im Falle von isotropen keramischen Szintillatoren ist die Herstellung entsprechender Keramikpixel mitsamt den Trennelementen, also den Septen, relativ aufwendig und die kleinstmögliche Pixelgröße und damit die maximale räumliche Auflösung des Röntgenstrahlungsdetektors ist derzeit auf etwa 500 µm beschränkt.
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Eine Alternative stellen sogenannte direktkonvertierende Röntgenstrahlungsdetektoren dar, die im Vergleich zu den indirektkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektoren mit Szintillatoren eine höhere erreichbare räumliche und zeitliche Auflösung vorweisen. Ungünstig bei direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektoren ist jedoch der Umstand, dass diese vom Phänomen der Polarisation betroffen sind, was zu einer Verringerung eines außen angelegten elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der Zeit und der Strahlungsintensität und somit zu einer nicht konstanten Detektorperformance führt.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen vorteilhaften Röntgenstrahlungsdetektor anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Röntgenstrahlungsdetektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung.
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Der Röntgenstrahlungsdetektor ist hierbei insbesondere für einen Computertomographen ausgelegt und umfasst eine regelmäßige Anordnung von Messpixeln zur Abdeckung einer Messfläche. Dabei weist die regelmäßige Anordnung zwei unterschiedliche Typen von Messpixeln derart auf, dass mehrere Messpixel der regelmäßigen Anordnung als direktkonvertierende Messpixel und die übrigen Messpixel als indirektkonvertierende Messpixel ausgebildet sind. Anstatt also wie bisher entweder das indirektkonvertierende oder das direktkonvertierende Messprinzip zur Erfassung von Röntgenstrahlung zu nutzen, werden im Falle eines hier vorgestellten Röntgenstrahlungsdetektors, nachfolgend auch kurz Detektor genannt, beide Messprinzipien parallel genutzt. Auf diese Weise lassen sich die Vorteil der beiden Messprinzipien kombinieren und die jeweiligen Nachteile zumindest teilweise kompensieren. Infolgedessen bietet dann der Detektor die Möglichkeit stark veränderliche Röntgenstrahlungsintensitäten zu detektieren, wobei dies durch die indirektkonvertierenden Messpixel ermöglicht wird, und zudem bietet der Detektor eine hohe räumliche Auflösung sowie eine zumindest reduzierte Anzahl von Totzonen, was wiederum der Verwendung von direktkonvertierenden Messpixeln zu verdanken ist. Darüber hinaus ist mit Hilfe der direktkonvertierenden Messpixel auch eine energieauflösende Detektion von Röntgenstrahlung möglich.
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Dabei sind die indirektkonvertierenden Messpixel bevorzugt nach an sich bekanntem Prinzip aufgebaut und weisen dementsprechend eine Szintillatorschicht aus einem herkömmlichen keramischen Szintillatormaterial auf. Auch für die direktkonvertierenden Messpixel ist ein an sich bekannter Aufbau bevorzugt und dementsprechend ist für die die Röntgenstrahlung absorbierende Halbleiterschicht ein übliches Material wie zum Beispiel CdxZn1-xTeySe1-y (0,9 < x < 1; 0,9 < y < 1), CdxMn1-xTeySe1-y (0,9 < x < 1; 0,9 < y < 1), InxGa1-xAsyP1-y (0 < x < 1; 0 < y < 1) oder InxGa1-xAsyN1-y (0 < x < 1; 0 < y < 1) vorgesehen.
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Desweiteren sind die direktkonvertierenden Messpixel und die indirektkonvertierenden Messpixel bevorzugt in einer periodischen Abfolge angeordnet. Dabei ist beispielweise eine Ausführungsvariante des Röntgenstrahlungsdetektors derart ausgestaltet, dass die direktkonvertierenden und die indirektkonvertierenden Messpixel nach Art eines Schachbrettmusters angeordnet sind.
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Dieser Detektor wird dann weiter bevorzugt in einem Computertomographen zur Generierung von Bilddaten eingesetzt, wobei gemäß einer darüber hinaus bevorzugten Ausgestaltungsvariante jeweils ein Messpixelpaar aus einem direktkonvertierenden Messpixel und einem indirektkonvertierenden Messpixel als Bildpixel oder Messpixelbasiseinheit fungiert. Hierbei wird davon ausgegangen, dass aufgrund der räumlichen Nähe der beiden Messpixel eines Messpixelpaares beide Messpixel im Wesentlichen stets auf dieselbe Art und Weise mit Röntgenstrahlung bestrahlt werden, so dass quasi dieselbe Messung mit zwei unterschiedlichen Messpixeln, also mit einem indirektkonvertierenden und mit einem direktkonvertierenden Messpixel, vorgenommen wird.
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Alternativ, insbesondere wenn eine möglichst hohe Auflösung erwünscht ist, werden alle Messpixel als Bildpixel oder Messpixelbasiseinheit genutzt, wobei in diesem Fall die Messsignale der direktkonvertierenden Messpixel zusätzlich, also zusätzlich zur an sich bekannten Generierung von Bilddaten, genutzt werden, um Korrekturwerte zu bestimmen, die bei der Messsignalauswertung der indirektkonvertierenden Messpixel berücksichtigt werden, und umgekehrt.
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Vorteilhaft ist insbesondere auch eine Ausgestaltung des Röntgenstrahlungsdetektors, bei der mehrere Messpixel zur Ausbildung einer Messpixelzeile entlang einer Zeilenrichtung aneinandergereiht sind, wobei in einer jeden Messpixelzeile nur Messpixel desselben Typs aneinandergereiht sind, und bei der zur Ausbildung der regelmäßigen Anordnung von Messpixeln mehrere Messpixel entlang einer zur Zeilenrichtung orthogonalen Spaltenrichtung aneinandergereiht sind. Diese Ausführungsvariante des Röntgenstrahlungsdetektors ist fertigungstechnisch verhältnismäßig einfach zu realisieren, zumindest im Vergleich zu einer Ausführung mit einer schachbrettartigen Anordnung von direktkonvertierenden und indirektkonvertierenden Messpixeln. Ist ein derart gestalteter Röntgenstrahlungsdetektor für einen Computertomographen mit einer nicht flachen Messfläche vorgesehen, so wird die Zeilenrichtung bevorzugt so gewählt, dass diese mit der sogenannten Phi-Richtung identisch ist, und dementsprechend ist dann die Spaltenrichtung mit der sogenannten z-Richtung identisch.
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Zweckmäßig ist dabei eine Ausführungsvariante, bei der Messpixelzeilen mit direktkonvertierenden Messpixeln und Messpixelzeilen mit indirektkonvertierenden Messpixeln in Spaltenrichtung gesehen in einer periodischen Abfolge derart angeordnet sind, dass jeweils eine Messpixelzeile mit Messpixeln des einen Typs auf eine vorgegebene Anzahl von Messpixelzeilen mit Messpixeln des anderen Typs folgt. Hierdurch lässt sich beispielsweise erreichen, dass durch die Messpixel der beiden Typen ein gleich großer Anteil der Messfläche abgedeckt wird, auch wenn die Messpixel der beiden Typen unterschiedliche Abmessungen aufweisen.
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Alternativ hierzu sind die Messpixelzeilen in einer periodischen Abfolge angeordnet, bei der jeweils auf eine vorgegebene Anzahl von Messpixelzeilen mit Messpixeln des einen Typs dieselbe Anzahl von Messpixelzeilen mit Messpixeln des anderen Typs folgt. Das heißt also, dass in Spaltenrichtung gesehen jeweils mehrere Messpixelzeilen aufeinanderfolgen, die ausschließlich Messpixel desselben Typs aufweisen. Somit sind stets größere Flächenbereiche der Messfläche mit Messpixeln desselben Typs abgedeckt und es sind somit weniger Übergänge zwischen direktkonvertierenden und indirektkonvertierenden Messpixeln über die gesamte Messfläche gesehen vorhanden, wodurch der technische Aufwand für die Fertigung eines entsprechenden Röntgenstrahlungsdetektors überschaubar bleibt.
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Vorteilhaft ist schließlich auch eine Ausführung des Röntgenstrahlungsdetektors, bei der in Spaltenrichtung gesehen alternierend Messpixelzeilen mit direktkonvertierenden Messpixeln und Messpixelzeilen mit indirektkonvertierenden Messpixeln einander gereiht sind. Diese Ausführungsvariante bedingt zwar einen größeren Fertigungsaufwand, jedoch ist hier auch ein besonders ausgeprägter positiver Effekt durch die Kombination der beiden Messprinzipien zu erwarten.
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Von Vorteil ist es desweiteren, wenn die direktkonvertierenden Messpixel und die indirektkonvertierenden Messpixel in Zeilenrichtung dieselben Abmessungen aufweisen. Eine entsprechende Ausführungsvariante des Röntgenstrahlungsdetektors ist dabei insbesondere für den Einsatz in einem Computertomographen vorgesehen, wobei die Messpixel in Zeilenrichtung einerseits und in Spaltenrichtung andererseits aneinandergereiht sind und somit Messpixelzeilen und dazu orthogonale Messpixelspalten ausbilden. In vorteilhafter Weiterbildung weisen die direktkonvertierenden und die indirektkonvertierenden Messpixel sowohl in Zeilenrichtung als auch in Spaltenrichtung dieselben Abmessungen auf. Somit wird mit jedem Messpixel unabhängig vom Messpixeltyp derselbe Anteil der Messfläche abgedeckt und infolgedessen lassen sich beispielsweise die Messsignale zweier benachbarter Messpixel, also eines direktkonvertierenden Messpixels und eines indirektkonvertierenden Messpixels, leichter in Relation setzen.
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Um möglichst flächendeckend über die gesamte Messfläche hinweg auftreffende Röntgenstrahlung erfassen zu können, also um den Flächenanteil der Totzonen möglichst gering zu halten, weisen die Messpixel bevorzugt eine Detektorschicht und eine Signalverarbeitungsschicht mit einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) auf, wobei die Signalverarbeitungsschicht unterhalb der Detektorschicht, also auf der der Röntgenstrahlungsquelle abgewandten Seite, positioniert ist. Somit werden durch die Ausleseelektronik keine unerwünschten Totzonen geschaffen. Entsprechende Totzonen sind dann, wenn überhaupt nur in den unmittelbaren Grenzbereichen zwischen Messpixeln gegeben, also in den Bereichen, in denen typischerweise Septen oder Abgrenzungen zwischen benachbarten Messpixeln vorhanden sind.
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Auch im Falle eines hier vorgestellten Röntgenstrahlungsdetektors weisen die indirektkonvertierenden Messpixel zweckdienlicherweise eine Szintillatorschicht mit Septen zur Abgrenzung gegen benachbarte Messpixel und somit zur Vermeidung eines optischen, eines Strahlungs- oder eines elektrischen Übersprechens auf, allerdings sind die Septen an Grenzflächen zwischen indirektkonvertierenden Messpixeln und direktkonvertierenden Messpixeln bevorzugt weggelassen. An diesen Grenzflächen übernimmt das Halbleitermaterial der direktkonvertierenden Messpixel die Funktion der Septen mit.
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Zudem bevorzugt weisen die direktkonvertierenden Messpixel eine Detektorschicht auf, die zumindest an Grenzflächen zwischen direktkonvertierenden und indirektkonvertierenden Messpixeln mit einer Verspiegelung versehen ist. Diese Verspiegelung an den direktkonvertierenden Messpixeln übernimmt dann die Funktion der Septen an den indirektkonvertierenden Messpixeln, wobei die Verspiegelung typischerweise durch eine Oberfächenbehandlung oder eine Beschichtung realisiert wird, die typischerweise eine geringere Stärke aufweist, als ein typisches Septum, so dass hierdurch die Ausdehnung der entsprechenden Totzone reduziert ist.
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Wird die Verspiegelung durch eine Beschichtung vorgenommen, so kommt als Material für die Beschichtung bevorzugt SiO2, Si3N4 oder ein Silizid, zum Beispiel WSix, zum Einsatz.
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Um die Vorteile beider Messprinzipien nutzen zu können und die jeweiligen Nachteile kompensieren zu können, ist einerseits eine vorteilhafte Anordnung von direktkonvertierenden und indirektkonvertierenden Messpixeln eine Voraussetzung und andererseits ist eine angepasste Auswertung der Messsignale der Messpixel entscheidet.
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Bevorzugt werden dabei zunächst die Messsignale aller direktkonvertierenden Messpixel und die Messpixel aller indirektkonvertierenden Messpixel unabhängig voneinander ausgewertet, wobei zwei unabhängige pixeltypbezogene Datensätze generiert werden. Beide Datensätze eignen sich beispielsweise im Falle eines Röntgenstrahlungsdetektors, bei dem in Spaltenrichtung alternierend Messpixelzeilen mit direktkonvertierenden Messpixeln und Messpixelzeilen mit indirektkonvertierenden Messpixeln aneinandergereiht sind, um auf deren Basis Röntgenbilder zu generieren. Bevorzugt ist es jedoch vorgesehen, die beiden Datensätze im Rahmen einer Aufbereitung kombiniert auszuwerten und gemeinsam für eine Bildrekonstruktion zu nutzen. Eine Möglichkeit besteht dabei darin, einen der beiden Datensätze als Basis zu verwenden, und den anderen Datensatz lediglich heranzuziehen, um beispielsweise Korrekturwerte für die Basis zu ermitteln. Alternativ werden beide Datensätze quasi als gleichwertig behandel und dementsprechend für eine Bildkonstruktion herangezogen, wobei aus den Datensätzen jeweils Korrekturwerte für den jeweils anderen Datensatz ermittelt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in einer perspektivischen Ansicht eine Computertomographieanlage mit einem Röntgenstrahlungsdetektor,
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2 in einer Draufsicht den Röntgenstrahlungsdetektor mit einer ersten Abfolge von Messpixelzeilen,
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3 in einer Draufsicht den Röntgenstrahlungsdetektor mit einer zweiten Abfolge von Messpixelzeilen,
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4 in einer Draufsicht den Röntgenstrahlungsdetektor mit einer dritten Abfolge von Messpixelzeilen,
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5 in einer Draufsicht den Röntgenstrahlungsdetektor mit einer vierten Abfolge von Messpixelzeilen und
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6 in einer Draufsicht den Röntgenstrahlungsdetektor mit einer fünften Abfolge von Messpixelzeilen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein nachfolgend exemplarisch beschriebener Röntgenstrahlungsdetektor 2 ist Teil einer in 1 stark vereinfacht dargestellten Computertomographieanlage 4 und weist eine regelmäßige oder matrixartige Anordnung von Messpixeln 6 zur Abdeckung einer Messfläche 8 auf, die als Zylindermantelteilfläche ausgeformt ist.
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Die Messpixel 6 sind hierbei in einer Phi-Richtung oder Zeilenrichtung 10 einerseits und in einer z-Richtung oder Spaltenrichtung 12 andererseits aneinandergereiht, so dass die Messpixel 6 in Zeilenrichtung 10 Messpixelzeilen 14 und in Spaltenrichtung 12 Messpixelspalten 16 ausbilden. Die Messpixelzeilen 14 und die Messpixelspalten 16 sind hierbei orthogonal zueinander ausgerichtet und aufgrund der einheitlichen Größe der Messpixel 6 bilden die Messpixel 6 als regelmäßige Anordnung ein rechteckiges Raster aus.
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Jedes Messpixel der regelmäßigen Anordnung weist dabei eine Detektorschicht 18 auf, die im Betrieb der Computertomographieanlage 4 einer Röntgenstrahlungsquelle 20 zugewandt ist, sowie eine darunter positionierte Signalverarbeitungsschicht 22, die dementsprechend von der Röntgenstrahlungsquelle 20 abgewandt ist.
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Während die Signalverarbeitungsschicht 22 eines jeden Messpixels 6 identisch aufgebaut ist, sind für die Detektorschicht 18 zwei unterschiedliche Varianten vorgesehen, und dementsprechend weist die regelmäßige Anordnung zwei verschiedene Messpixeltypen auf. Im Falle des einen Messpixeltyps sind die Messpixel 6 als indirektkonvertierende Messpixel 24 ausgebildet und dementsprechend umfasst deren Detektorschicht 18 nach an sich bekanntem Prinzip jeweils eine Szintillatorschicht und eine lichtempfindliche Ausleseeinheit, wie beispielsweise eine Photodiode. Alternativ ist die entsprechende lichtempfindliche Ausleseeinheit mit in die Signalverarbeitungsschicht 22 integriert. Im Falle des zweiten Messpixeltyps hingegen sind die Messpixel 6 als direktkonvertierende Messpixel 26 ausgebildet und dementsprechend umfasst die Detektorschicht 18 dieser direktkonvertierenden Messpixel 26 eine röntgensensitive Schicht zur Generierung von freien Ladungsträgern sowie eine Sensoreinheit zur messtechnischen Erfassung der generierten freien Ladungsträger.
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Sowohl die Messsignale der indirektkonvertierenden Messpixel 24 als auch die der direktkonvertierenden Messpixel 26 werden genutzt, um nach an sich bekanntem Grundprinzip Bilddaten zu generieren, wobei jedoch hier eine zweistufige Aufbereitung und Weiterverarbeitung der Messsignale in einer Auswerteinheit 28 der Computertomographieanlage 4 erfolgt, gemäß der zunächst die Messsignale aller direktkonvertierenden Messpixel 26 und die Messsignale aller indirektkonvertierenden Messpixel 24 unabhängig voneinander aufbereitet und weiterverarbeitet werden. Auf diese Weise werden erst einmal zwei unabhängige und pixeltypbezogene Datensätze generiert, auf welchen bereits existierende und pixeltypbezogene Korrekturmechanismen angewendet werden. Nachfolgend werden dann beide Datensätze miteinander kombiniert und gemeinsam für eine Bildrekonstruktion herangezogen.
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Die indirektkonvertierenden Messpixel 24 und die direktkonvertierenden Messpixel 26 sind weiter in einer an den jeweiligen Anwendungszweck angepassten und insbesondere periodischen Abfolge relativ zueinander angerordnet, wie dies in 2 bis 6 angedeutet ist. Dabei sind in einer jeden Messpixelzeile 14, der Übersichtlichkeit halber sind alle Messpixelzeilen 14 durch Balken dargestellt, ausschließlich Messpixel 6 desselben Messpixeltyps, also entweder indirektkonvertierende Messpixel 24 oder direktkonvertierende Messpixel 26, aneinandergereiht und die Abfolge von indirektkonvertierenden Messpixeln 24 und direktkonvertierenden Messpixeln 26 erfolgt in Spaltenrichtung 12.
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Im einfachsten Fall gemäß 2 ist der Röntgenstrahlungsdetektor 2 quasi zweigeteilt, so dass eine Hälfte der Messfläche 8 mit indirektkonvertierenden Messpixeln 24 und eine Hälfte der Messfläche 8 mit direktkonvertierenden Messpixeln 26 abgedeckt ist. Alternativ sind die Messpixelzeilen 14 mit indirektkonvertierenden Messpixeln 24 in Spaltenrichtung 12 aneinandergereiht und decken den Mittenbereich der Messfläche 8 ab. Die Messpixelzeilen 14 mit den direktkonvertierenden Messpixeln 26 rahmen dann diesen Mittenbereich ein.
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In 4 ist eine Variante gezeigt, bei der auf drei Messpixelzeilen 14 mit direktkonvertierenden Messpixeln 26 jeweils eine Messpixelzeile 14 mit indirektkonvertierenden Messpixel 24 folgt. In diesem Fall wird dann von den direktkonvertierenden Messpixeln 26 ein größerer Anteil der Messfläche 8 abgedeckt als mit indirektkonvertierenden Messpixeln 24.
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Alternativ decken die beiden Messpixeltypen jeweils die Hälfte der Messfläche 8 ab, wobei gemäß der Abfolge in 5 jeweils eine vorgegebene Anzahl, hier fünf, an Messpixelzeilen 14 mit indirektkonvertierenden Messpixeln 24 auf eine gleiche Anzahl Messpixelzeilen 14 mit direktkonvertierenden Messpixeln 26 folgt.
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In 6 schließlich ist eine Ausführungsvariante gezeigt, bei der Messpixelzeilen 14 mit indirektkonvertierenden Messpixeln 24 und Messpixelzeilen 14 mit direktkonvertierenden Messpixeln 26 alternierend aufeinanderfolgen.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.