DE102004019972A1

DE102004019972A1 - Detektormodul zur Erfassung von Röntgenstrahlung

Info

Publication number: DE102004019972A1
Application number: DE102004019972A
Authority: DE
Inventors: Thomas von der Dr. Haar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2005-11-17
Also published as: CN1690728A; JP2005308748A; US20050236574A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Detektormodul zur Erfassung von Röntgenstrahlung mit einer Vielzahl von Detektorelementen, wobei jedes Detektorelement eine Eintrittsfläche (2) für die Röntgenstrahlung (3) aufweist. Dem Detektormodul ist ein Kollimator mit einer Vielzahl von Kollimatorblechen (5) vorgeordnet, welche eine zum Strahlengang (6) senkrechte Querschnittsfläche (7) mit einer Breite K aufweisen. Die Kollimatorbleche (5) sind so angeordnet, dass die Querschnittsfläche (7) mit ihrer gesamten Breite K die Eintrittsfläche (2) abschattet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Detektormodul zur Erfassung von Röntgenstrahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Detektormodule werden nach dem Stand der Technik beispielsweise in der Computertomografie verwendet. Dabei wird eine von einer Röntgenquelle ausgehende und von einem Objekt transmittierte Röntgenstrahlung von Detektorelementen erfasst. Die Detektorelemente können jeweils aus einem Szintillatorelement und einer Fotodiode bestehen. Um ein Übersprechen zwischen den Szintillatorelementen zu verhindern, können diese durch Septen voneinander getrennt sein.
Die Röntgenstrahlung wird beim Durchtritt durch ein Objekt gestreut. Die Streustrahlung verursacht eine Erhöhung des Rauschanteils sowie eine Verringerung des Kontrasts und ist damit der Bildqualität abträglich.

Die Streustrahlung kann mit einem den Detektorelementen im Strahlengang vorgeordneten Kollimator absorbiert werden. Ein solcher Kollimator ist beispielsweise aus DE 100 11 877 C2 bekannt. Er besteht aus einer Vielzahl von im Wesentlichen parallel angeordneten, stark absorbierenden Kollimatorblechen.

Jedes Kollimatorblech besitzt senkrecht zum Strahlengang eine Querschnittsfläche, welche das im Strahlengang nachgeordnete Detektormodul abschattet. Bei herkömmlichen Detektormodulen sind die Kollimatorbleche in Strahlrichtung über den Septen liegend angeordnet. Die Septen weisen üblicherweise die dreifache Dicke der Kollimatorbleche auf. Infolge dessen werden durch die Querschnittsfläche ausschließlich die Septen abgeschattet.

Der geometrische Wirkungsgrad eines Detektormoduls ist durch das Verhältnis der Fläche der Detektorelemente zur Gesamtfläche des Detektormoduls gegeben. Der geometrische Wirkungsgrad kann durch eine Verringerung der Dicke der Septen erhöht werden. Eine Verringerung der Dicke der Septen verursacht aber einen erhöhten Aufwand für die Positionierung der Kollimatorbleche über den Septen.

In der Praxis kann es dazu kommen, dass sich die Kollimatorbleche in Folge thermischer oder mechanischer Einflüsse relativ zum Detektor bewegen. Es kann dazu kommen, dass das Kollimatorblech das Detektorelement in unerwünschter Weise teilweise abschattet. Die Größe der Abschattungsfläche ist weder bekannt noch zeitlich konstant. In diesem Fall ist eine Korrektur der Abschattung nicht möglich, so dass Artefakte im Röntgenbild erzeugt werden.

Bei üblichen Detektormodulen liegt für 100 μm dicke Kollimatorbleche die Dicke der Septen bei etwa 300 μm. Eine Steigerung des geometrischen Wirkungsgrads durch eine Verringerung der Dicke der Septen ist mit einem hohen Aufwand verbunden. Die Verringerung der Dicke der Septen erfordert eine erhöhte Genauigkeit bei der Positionierung der Kollimatorbleche über den Septen. Des Weiteren sind dünne Kollimatorbleche mit einer kleinen Dickenvarianz erforderlich. Das ist aufwändig und teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Detektormodul angegeben werden, welches einfach und kostengünstig herstellt werden kann. Des Weiteren soll ein Detektormodul mit einem verbesserten geometrischen Wirkungsgrad angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen des Detektormoduls ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 14.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kollimatorbleche bezüglich der Detektorelemente so angeordnet sind, dass die Querschnittsfläche mit ihrer gesamten Breite die Eintrittsfläche abschattet. – Eine exakte und aufwändige Positionierung über den Septen entfällt. Die Kollimatorbleche werden von vornherein über der Eintrittsfläche der Detektorelemente angeordnet. Es entfällt der Aufwand einer exakten Positionierung der Kollimatorbleche über den Septen.

Des Weiteren können Kollimatorbleche mit einer größeren Dickenvarianz verwendet werden. Positionierung, Dickenvarianz und die Dicke der Septen sind in einem weiten Bereich unabhängig voneinander. Außerdem kann die Dicke der Septen auf eine für eine optische Trennung ausreichende Dicke reduziert werden. Dadurch kann der geometrische Wirkungsgrad erhöht werden.

Bei dem Detektormodul wird stets ein Teil der Eintrittsfläche durch die Querschnittsfläche abgeschattet. Die Größe der Abschattungsfläche ist im Wesentlichen zeitlich konstant und bekannt. Die Detektorelemente können bezüglich der Abschattung kalibriert werden.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Array aus einer Zeile nebeneinander angeordneter Detektorelemente gebildet. Arrays mit einer Zeile werden bei der Computertomografie verwendet. Die Detektormodule können in einfacher Weise in bestehende Röntgenvorrichtungen eingebaut werden. Eine aufwändige Umrüstung entfällt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Kollimatorbleche im Wesentlichen parallel zu einer z-Richtung angeordnet. Eine solche Anordnung kann für eine Zeile von Detektorelementen, welche in einer zur z-Richtung senkrechten φ-Richtung angeordnet sind, verwendet werden. Die Kollimatorbleche absorbieren Streustrahlung in φ-Richtung.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kollimatorbleche so angeordnet, dass die Querschnittsfläche die Eintrittsfläche etwa mittig abschattet. Hierbei liegt die Abschattungsfläche, z. B. in z-Richtung, etwa in der Mitte der Eintrittsfläche. Des Weiteren liegt die Abschattungsfläche, z. B. in φ-Richtung, möglichst weit vom Rand der Eintrittsfläche entfernt. Bei dieser Anordnung können die Kollimatorbleche in φ-Richtung besonders einfach positioniert werden. Bei der vorgeschlagenen Anordnung bleibt die Abschattungsfläche trotz einer Positionsänderung der Kollimatorbleche relativ zu den Detektorelementen konstant und bekannt. Eine Positionsänderung der Kollimatorbleche verursacht also keine Artefakte in den Röntgenbildern.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Array mehrere in der z-Richtung aufeinander folgende Zeilen auf. Beispielsweise sind die Detektorelemente schachbrettartig angeordnet. Dabei ist es vorteilhaft, dass der Kollimator im Wesentlichen parallel zu einer φ-Richtung angeordnete Kollimatorbleche aufweist. Ein solcher Kollimator absorbiert Streustrahlung in z- und in φ-Richtung.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kollimatorbleche so angeordnet, dass die Querschnittsfläche die Eintrittsfläche in der z- und/oder φ-Richtung etwa mittig abschattet. Die Länge oder Breite der Eintrittsfläche ist deutlich größer als die Dicke eines Kollimatorblechs. Für eine etwa mittige, jedenfalls nicht in Randnähe der Eintrittsfläche erfolgende, Positionierung ist ein besonders großer Spielraum für die Bewegungen der Kollimatorbleche gegeben. Bei kleinen und üblichen thermisch oder mechanisch induzierten Bewegungen der Kollimatorbleche bleibt die Abschattungsfläche konstant und bekannt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Kollimatorbleche so angeordnet, dass sie senkrecht zum Strahlen gang ein geometrisches, beispielsweise ein linienförmiges, rechteckförmiges, wabenförmiges oder ein rautenförmiges Muster ausbilden. Das Muster kann an die Form der Detektorelemente angepasst werden. Des Weiteren können sich in einer zweidimensionalen, z. B. rechteckförmigen, Anordnung die Kollimatorbleche gegenseitig stabilisieren, so dass deren Bewegungen reduziert werden.

Des Weiteren ist es möglich, dass die Kollimatorbleche senkrecht zum Strahlengang der Röntgenstrahlung zick-zack-förmig, gewellt oder gekrümmt ausgebildet sind. Damit kann die mechanische Festigkeit des Kollimators erhöht werden. Die für eine ausreichende Stabilität der Kollimatorbleche erforderliche Dicke kann reduziert werden. Die Abschattungsflächen der Eintrittsflächen wird verkleinert und der geometrische Wirkungsgrad erhöht.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Kollimatorbleche senkrecht zum Strahlengang eine mittlere Dicke von weniger als 150 μm auf. Dünne Kollimatorbleche reduzieren die Abschattungsfläche und erhöhen den geometrischen Wirkungsgrad. Die mechanische Stabilität derartiger Kollimatorbleche kann mittels einer geeigneten Form oder einer z. B. zweidimensionalen Anordnung erhöht werden.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Detektorelemente mit einem Abstand von höchstens 150 μm, vorzugsweise unter Zwischenschaltung von Septen, angeordnet. Der insbesondere durch die Dicke der Septen gegebene Abstand der Detektorelemente kann auf ein Minimum reduziert werden, welches zur optischen Trennung erforderlich ist. Infolge der durch die erfindungsgemäße Anordnung möglichen, erheblichen Reduzierung der Dicke der Septen, kann die Eintrittsfläche des Detektorelements entsprechend vergrößert werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kollimatorbleche in Richtung des Strahlengangs eine Länge von etwa 1 cm bis 4 cm aufweisen. Eine derartige Länge ist für eine möglichst vollständige Absorption der Streustrahlung erforderlich. Die für die Absorption günstige Länge hängt ab von der Dicke und dem gegenseitigen Abstand der Kollimatorbleche. Kollimatorbleche, welche durch ihre Form oder Anordnung stabilisiert sind, können mit einer in Strahlrichtung größeren Länge hergestellt werden. Das erhöht die Absorption von Streustrahlung.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Kollimatorbleche aus wo oder Mo hergestellt sind. Wo und Mo eignen sich wegen ihrer guten Absorptionswirkung besonders zur Herstellung von Kollimatorblechen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektorelemente Wandler aufweisen, welche Strahlung in elektrische oder optische Signale konvertieren. Bei dem Wandler kann es sich insbesondere um Szintillatorelemente handeln, die z. B. aus einer Gd₂OS-Keramik hergestellt sind. Bei einer flexiblen Ausgestaltung der Funktionalität der Detektorelemente kann das Detektormodul in einem breiten Einsatzgebiet verwendet werden.

Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist ein Detektor zur Erfassung von Röntgenstrahlung, insbesondere für die Computertomografie, umfassend mehrere erfindungsgemäße Detektormodule vorgesehen. Ein derartiger Detektor besitzt die Vorteile des erfindungsgemäßen Detektormoduls und kann herkömmliche Detektoren ersetzen. Beispielsweise ist eine Verwendung bei der Computertomografie, bei der Fotoinspektion, oder bei SPECT möglich. Der Detektor kann einfach und kostengünstig hergestellt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Detektoren besitzt er einen höheren Wirkungsgrad.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Detektormoduls und
2 eine Draufsicht auf ein weiteres Detektormodul in Richtung einer einfallenden Röntgenstrahlung.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Detektormoduls mit mehreren in einer z-Richtung nebeneinander angeordneten Detektorelementen 1. Dabei kann es sich um eine Szintillator-Keramik handeln. Parallel zu einer φ-Richtung φ sind in einer Zeile nebeneinander mehrere Detektorelemente 1 angeordnet. Jedes Detektorelement 1 weist eine Eintrittsfläche 2 für Röntgenstrahlung 3 auf. Zwischen jeweils zwei Detektorelementen 1 befindet sich eine Septe 4. Über den Detektorelementen 1 sind Kollimatorbleche 5 angeordnet. Die Kollimatorbleche 5 sind im Wesentlichen parallel zu einer z-Richtung z. Die z-Richtung z ist senkrecht zur φ-Richtung φ. Jedes Kollimatorblech 5 besitzt senkrecht zur Einfallsrichtung 6 der Röntgenstrahlung 3 eine Querschnittsfläche 7. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Abschattungsfläche der Eintrittsfläche 2. Die Abschattungsfläche 8 liegt in etwa mittig in der Eintrittsfläche 2. Das Bezugszeichen 9 beschreibt ein in der Eintrittsfläche 2 gelegenes und durch eine Bewegung des Kollimatorblechs 5 gegebenes Abschattungsgebiet. Die Kollimatorbleche 5 sind bezüglich der Detektorelemente 1 stets so angeordnet, dass sich das Abschattungsgebiet 9 sich vollständig innerhalb der Eintrittsfläche 2 befindet. Damit wird gewährleistet, dass die Eintrittsfläche 2 stets mit der Abschattungsfläche 8 abgeschattet wird. In der φ-Richtung φ weisen die Kollimatorbleche 5 eine Dicke K, die Detektorelemente 1 eine Länge D und die Septen 4 eine Breite S auf. Mit dem Bezugszeichen 10 ist eine Streustrahlung gekennzeichnet.
Die Funktion des Detektormoduls ist folgende:
Die Detektorelemente 1 erfassen die in der Richtung 6 einfallende Röntgenstrahlung 3. Die zwischen jeweils zwei Detektorelementen 1 angeordnete Septe 4 verhindert ein optisches Übersprechen der Detektorelemente 1. Zur Absorption der Streustrahlung 10 sind den Detektorelementen 1 in der Einfallsrichtung 6 der Röntgenstrahlung 3 die Kollimatorbleche 5 vorgeordnet. Die Eintrittsfläche 2 ist um eine Abschattungsfläche 8 verkleinert, die durch eine Absorption von Röntgenstrahlung in der Querschnittsfläche 7 verursacht wird. Die Septen 2 werden nicht abgeschattet. Eine Bewegung des Kollimatorblechs 5 kann thermisch oder mechanisch verursacht sein und im Bereich von etwa 100 μm liegen. Bei der Bewegung bleibt die Größe der Abschattungsfläche 8 konstant. Die Abschattungsfläche 8 befindet sich stets im Abschattungsgebiet 9. Die Größe der Abschattungsfläche 8 ist bekannt. Das ermöglicht eine Kalibrierung der Detektorelemente 1, so dass die Bewegung keine Artefakte in einer Röntgenaufnahme verursacht. Eine etwa mittige Anordnung der Kollimatorbleche 5 über den Detektorelementen 1 ist besonders günstig. Die Länge D der Detektorelemente 1 ist deutlich größer, z. B. um einen Faktor 10, als die Dicke K der Kollimatorbleche 5. Für eine Positionierung in der φ-Richtung φ über der Länge D existiert ein weiter Spielraum, z. B. 100–200 μm. Sie kann in einfacher Weise ausgeführt werden. Die Breite S der Septen ist auf ein Minimum reduziert, so dass ein optisches Übersprechen der Detektorelemente 1 gerade verhindert wird.
Ein geometrischer Wirkungsgrad η_geo kann für das gegebene Detektormodul in einfacher Weise wie folgt berechnet werden: ηgeo = (D – K )/( D + S )
Allgemein ist der geometrische Wirkungsgrad gegeben durch das Verhältnis einer Röntgenstrahlung detektierenden Fläche zu einer Gesamtfläche eines Detektors.
Bei dem gegebenen Detektormodul ist D = 1,4 mm. Die Kollimatorbleche 5 sind 100 μm dick, K = 100 μm. Eine ausreichende optische Trennung der Detektorelemente 1 kann mit einer Breite S der Septen von 100 μm erreicht werden. Der η_geo des Detektormoduls beträgt 86,67 %.
Bei nach dem Stand der Technik bekannten Detektormodulen bei denen die Kollimatorbleche 5 mittig über den Septen 4 angeordnet sind, wird ein geometrischer Wirkungsgrad von lediglich 80 % erreicht.
2 zeigt ein Detektormodul mit drei in der z-Richtung z aufeinander folgenden Detektorzeilen. Die Detektorelemente 1 sind schachbrettartig angeordnet und durch Septen 4 voneinander getrennt. Etwa mittig über den Detektorelementen 1 sind Kollimatorbleche 5 angeordnet. Die Kollimatorbleche 5 bilden senkrecht zur z-Richtung z und φ-Richtung φ ein Gitter aus. und können sich gegenseitig stabilisieren. Eine Positionierung der Kollimatorbleche 5 mittig über den Detektorelementen 1 ist analog zu 1 in einfacher Weise möglich. Die Positionierung braucht in z-Richtung z und in φ-Richtung φ nicht auf wenige Mikrometer genau durchgeführt werden. Des Weiteren bleibt bei Bewegungen der Kollimatorbleche 5, z. B. um 100–200 μm, die Abschattungsfläche der Detektorelemente konstant, so dass in Röntgenbildern keine Artefakte verursacht werden.

Claims

Detektormodul zur Erfassung von Röntgenstrahlung (3), insbesondere für die Computertomografie, mit einem aus Detektorelementen (1) gebildeten Array, wobei jedes Detektorelement (1) eine Eintrittsfläche (2) für die Röntgenstrahlung (3) aufweist und einem den Detektorelementen (1) im Strahlengang (6) der Röntgenstrahlung (3) vorgeordneten Kollimator, wobei der Kollimator eine Vielzahl von Kollimatorblechen (5) aufweist und wobei jedes Kollimatorblech (5) eine zum Strahlengang (6) senkrechte Querschnittsfläche (7) mit einer Breite (K) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimatorbleche (5) bezüglich der Detektorelemente (1) so angeordnet sind, dass die Querschnittsfläche (7) mit ihrer gesamten Breite (K) die Eintrittsfläche (2) abschattet.
Detektormodul nach Anspruch 1, wobei das Array aus einer Zeile nebeneinander angeordneter Detektorelemente (1) gebildet ist.
Detektormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kollimatorbleche (5) im Wesentlichen parallel zu einer z-Richtung (z) angeordnet sind.
Detektormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kollimatorbleche (5) so angeordnet sind, dass die Querschnittsfläche (7) die Eintrittsfläche (2) etwa mittig abschattet.
Detektormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Array mehrere in der z-Richtung (z) aufeinander folgende Zeilen aufweist.
Detektormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kollimator im Wesentlichen parallel zu einer φ-Richtung (φ) angeordnete Kollimatorbleche (5) aufweist.
Detektormodul nach Anspruch 6, wobei die Kollimatorbleche (5) so angeordnet sind, dass die Querschnittsfläche (7) die Eintrittsfläche (2) in der z- (z) und/oder φ-Richtung (φ) etwa mittig abschattet.
Detektormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kollimatorbleche (5) so angeordnet sind, dass diese senkrecht zum Strahlengang (6) ein geometrisches, beispielsweise ein linienförmiges, rechteckförmiges, wabenförmiges oder ein rautenförmiges Muster ausbilden.
Detektormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kollimatorbleche (5) senkrecht zum Strahlengang (6) eine mittlere Dicke (K) von weniger als 150 μm aufweisen.
Detektormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Detektorelemente (1) mit einem Abstand (S) von höchstens 150 μm, vorzugsweise unter Zwischenschaltung von Septen (4), angeordnet sind.
Detektormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kollimatorbleche (5) in Richtung des Strahlengangs (6) eine Länge von etwa 1 cm bis 4 cm aufweisen.
Detektormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kollimatorbleche (5) vorzugsweise aus Wo oder Mo hergestellt sind.
Detektormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Detektorelemente (1) Wandler aufweisen, welche Strahlung in elektrische oder optische Signale konvertieren.
Detektor zur Erfassung von Röntgenstrahlung, insbesondere für die Computertomografie, umfassend mehrere Detektormodule nach Anspruch 1.