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Kollimator für einen Strahlendetektor und Verfahren zur Herstellung eines solchen Kollimators sowie Verfahren zur Herstellung eines Kollimatoren aufweisenden Strahlendetektors Die Erfindung betrifft einen Kollimator für einen Strahlendetektor und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kollimators sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kollimatoren aufweisenden Strahlendetektors.
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Streustrahlung entsteht im Wesentlichen durch Wechselwirkung einer vom Fokus einer Strahlenquelle ausgehenden Primärstrahlung mit dem zu untersuchenden Objekt. Streustrahlung, die aufgrund dieser Wechselwirkung aus einer im Vergleich zur Primärstrahlung anderen Raumrichtung auf einen Strahlenwandler eines Strahlendetektors trifft, verursacht Artefakte im rekonstruierten Bild.
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Zur Reduzierung des detektierten Anteils der Streustrahlung in den Detektorsignalen sind den Strahlenwandlern daher Kollimatoren vorgeschaltet. Derartige Kollimatoren weisen ein- oder zweidimensional angeordnete Absorberelemente auf, deren Absorberflächen radial auf den Fokus einer Strahlenquelle fächerförmig ausgerichtet werden, so dass nur Strahlung aus einer auf den Fokus zielenden Raumrichtung auf den Strahlendetektor treffen kann.
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Bereits eine leichte Verkippung bzw. Fehlpositionierung des Kollimators gegenüber einem Strahlenwandler kann zu Abschattungen der aktiven Bereiche des Strahlenwandlers und somit zu einer Verfälschung bzw. zu einer Reduzierung eines erzielbaren Signal- zu Rauschverhältnisses führen. Eine besondere Herausforderung beim Aufbau eines Strahlendetektors ist es daher, den Kollimator in sehr präziser Form gegenüber dem Strahlenwandler auszurichten. Es müssen dabei Positioniergenauigkeiten in einem Bereich von wenigen 10 μm erreichbar und auch messtechnisch prüfbar sein.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kollimator für einen Strahlendetektor und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kollimators anzugeben, durch welche die Voraussetzungen für eine präzise Lagerung des Kollimators gegenüber einem Strahlenwandler geschaffen werden. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Aufbau eines Strahlendetektors anzugeben, mit welchem eine präzise Ausrichtung der Kollimatoren gegenüber einem Strahlenwandler erzielt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kollimator bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kollimators gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 8 gelöst. Die Aufgabe wird darüber hinaus durch ein Verfahren zum Aufbau eines Strahlendetektors entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weitergestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Kollimator für einen Strahlendetektor weist zumindest drei auf einer Strahlenaustrittsfläche des Kollimators angeordnete Abstandselemente auf. Sie dienen zur stabilen Lagerung des Kollimators gegenüber einem Strahlenwandler des Strahlendetektors.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass eine exakte Ausrichtung des Kollimators relativ zu dem Strahlenwandler dadurch erschwert wird, dass die Strahlenaustrittsfläche des Kollimators und eine zur Positionierung des Kollimators auf dem Strahlenwandler vorgesehene Auflagefläche fertigungsbedingt Toleranzen gegenüber den jeweils vorgesehenen Sollflächen aufweisen. Abweichungen der hergestellten Flächen von den Sollflächen in Form von Unebenheiten führen in Richtung einer Strahleneinfallsrichtung regelmäßig dazu, dass eine exakte Positionierung des Kollimators erschwert oder nicht möglich ist. In Abhängigkeit des örtlichen Auftretens solcher Abweichungen kann es vorkommen, dass keine stabile Lage des Kollimators relativ zum Strahlenwandler eingenommen werden kann. Durch ein auftretendes Kippeln erhöht sich dann die Gefahr einer Fehlpositionierung des Kollimators während des Fixiervorgangs. Abweichungen können sich zudem lokal verstärken und zu einer Verkippung des Kollimators führen. So können in Strahleneinfallsrichtung zwischen der Strahlenaustrittsfläche und der Auflagefläche des Strahlenwandlers in einem zusammengefügten Zustand Lücken von mehreren 100 μm entstehen.
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Die Erfinder haben erkannt, dass sich die Gefahr einer Fehlpositionierung des Kollimators in Bezug zu dem Strahlenwandler dann im überraschend hohen Maße reduzieren lässt, wenn auf der Strahlenaustrittsfläche des Kollimators zumindest drei Abstandelemente angeordnet sind. Die Abstandelemente dienen zur Überwindung der Unebenheiten der bei Integration des Kollimators gegenüberstehenden Flächen. Sie sind dabei so dimensioniert, dass fertigungsbedingte Abweichungen der hergestellten Flächen von den Sollflächen keinen Einfluss auf die Positionierung des Kollimators haben. Eine Positionierung des Kollimators auf dem Strahlenwandler erfolgt also entkoppelt von etwaigen Unebenheiten der Strahlenaustrittsfläche des Kollimators und der Auflagefläche des Strahlenwandlers.
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Die Abstandselemente weisen eine wesentlich kleinere Grundfläche als die Strahlenaustrittsfläche des Kollimators auf. Zur Gewährleistung einer exakten Ausrichtung des Kollimators genügt es entsprechend, wenn lediglich die Abstandselemente mit hoher Präzision hergestellt werden. Bei Ausrichtung des Kollimators über die Abstandselemente ist die großflächige Strahlenaustrittsfläche des Kollimators unter Inkaufnahme größerer Toleranzen herstellbar, was die Komplexität des Herstellungsprozesses und damit die Herstellungskosten dieses Bauteils im Vergleich zu den bisherigen Kollimatoren mindert.
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Durch die Dreipunktlagerung ist insbesondere eine stabile Lagerung ohne Verkippungsgefahr des Kollimators gewährleistet, da sämtliche der drei Freiheitsgrade einer Ebene durch die drei Füße bereits festgelegt sind. Bei rechteckigen oder quadratischen Grundflächen des Kollimators sind zur einfachen Positionierung aber auch vier auf der Strahlenaustrittsfläche angeordnete Abstandselemente zur einfachen und intuitiven Positionierung auf dem Strahlenwandler von Vorteil.
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Die Abstandselemente sind vorzugsweise entsprechend einer Summe von maximal erwarteten fertigungsbedingten lokalen Abweichungen der Strahlenaustrittsfläche und einer Auflagefläche des Strahlenwandlers von vorgegebenen Sollflächen in Strahleneinfallsrichtung dimensioniert. Damit wird die Gefahr einer Fehlpositionierung des Kollimators aufgrund von herstellungsbedingten Unebenheiten in den Flächen vermieden, wobei entstehende Lücken zwischen dem Strahlenwandler und dem Kollimator gleichzeitig möglichst gering gehalten werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Kollimator mit den Abstandselementen als ein einstückiges Element ausgebildet. Dies vereinfacht insbesondere den Herstellungsprozess. Dabei können die Abstandsfüße beispielsweise formgebunden aus einem Bestandteil des Kollimators gebildet werden.
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Eine hohe Positioniergenauigkeit ist insbesondere bei Kollimatoren zur Streustrahlenreduktion gefordert, welche in φ- und in z-Richtung als 2D-Kollimator mit zellenförmiger Struktur ausgebildet sind. Hier ist der durch die Abstandselemente erzielte Vorteil besonders hoch. Bei diesen Kollimatoren besteht im Vergleich zu den eindimensionalen Kollimatoren nämlich eine höhere Gefahr einer Abschattungen der aktiven Detektorzellbereiche, da Verkippungen der Absorberfläche sowohl in φ- als auch in z-Richtung Abschattungen hervorrufen können.
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Der Kollimator ist vorzugsweise entsprechend einer Rapid Manufacturing Technik, vorzugsweise mittels eines selektiven Laserschmelzens, hergestellt. Die sogenannte Rapid Manufacturing Technik ist ein schnelles Fertigungsverfahren, bei dem ein Bauteil schichtweise aus pulverförmigem Material unter Nutzung physikalischer und/oder chemischer Effekte aufgebaut wird. Bei jedem Fertigungsschritt kann eine neue Schicht selektiv, sehr präzise und dünn auf die bestehende Struktur aufgebracht werden, so dass sich die Absorberelemente und die Abstandselemente in ihrer Breite, Höhe und Position mit sehr hoher Genauigkeit herstellen lassen. Die Fertigung erfolgt dabei auf Basis von Schichtdaten, die unmittelbar aus 3D-Oberflächendaten, so wie sie bei CAD-Systemen vorliegen, auf einfache Weise erzeugbar sind. Hierdurch sind die Abstandselemente softwaregetrieben als einstückiges Bauteil mit dem Kollimator realisierbar. Zumindest ein Abstandselement ist beispielsweise somit vorzugsweise durch Rausragen zumindest eines Absorberelementes aus der Strahlenaustrittsfläche des Kollimators gebildet.
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Die Abstandselemente sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in Eckpositionen oder auf Positionen von Kantenhalbierenden der Strahlenaustrittsfläche des Kollimators angeordnet. Hierdurch weist die durch die Abstandselemente aufgespannte Ausrichtebene eine möglichst große Fläche auf. Toleranzen bei der Herstellung der Abstandselemente wirken sich dann nur im geringen Maße auf die Ausrichtung der durch die Abstandelemente definierten Ausrichtebene aus.
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Ein Kollimator kann, wie bereits zuvor erwähnt, mit den beschriebenen Vorteilen erfindungsgemäß durch ein Verfahren hergestellt werden, bei welchem mittels einer Rapid Manufacturing Technik schichtweise sich überkreuzende Stege aus einem strahlenabsorbierenden Material entlang einer φ- und z-Richtung ausgebildet werden, und bei welchem zusätzlich auf einer Strahlenaustrittsfläche des Kollimators zumindest drei Abstandselemente ausgebildet werden, welche zur stabilen Lagerung des Kollimators gegenüber einem Strahlenwandler des Strahlendetektors eingerichtet sind. Die Abstandselemente werden dabei vorzugsweise entsprechend einer Summe von maximal erwarteten fertigungsbedingten Abweichungen der Strahlenaustrittsfläche und einer Auflagefläche des Strahlenwandlers von vorgegebenen Sollflächen in Strahleneinfallsrichtung dimensioniert.
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Ebenso vorteilhaft ist die Herstellung des Kollimators mittels eines Spritzgussverfahrens mit Kunststoffen, welche mit einem rötgenabsorbierenden Pulver gefüllt bzw. versetzt sind. Das Pulver umfasst zur Herstellung der röntgenabsorbierenden Eigenschaften beispielsweise Partikel aus Wolfram, Molybdän oder Legierungen mit Anteilen von Wolfram und/oder Molybdän. Derartige Verfahren sind konventionell verfügbar und mit geringem Aufwand durchführbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines aus Detektormodulen zusammengesetzten Strahlendetektors, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen eines Strahlenwandlers,
- b) Bereitstellen zumindest eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Kollimators,
- c) selektives oder flächiges Auftragen eines Klebers auf die Strahlenaustrittsfläche des zumindest einen Kollimators und/oder auf eine Auflagefläche des Strahlenwandlers,
- d) Aufsetzen des zumindest einen Kollimators mit dessen Abstandselementen auf den Strahlenwandler zur Bildung einer Detektorkachel,
- e) Wiederholen der Schritte a) bis d) für eine vorgegebene Anzahl von Detektorkacheln,
- f) Montieren der Detektorkacheln auf einen Modulträger,
- g) Wiederholen der Schritte a) bis f) für eine vorgegebene Anzahl von Detektormodulen, und
- h) Montieren der Detektormodule auf eine Detektormechanik zur Bildung des Strahlendetektors.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Unteransprüchen sind in den folgenden schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung ein Computertomographiegerät,
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2 in einer perspektivischen Seitenansicht ein Detektormodul mit drei Detektorkacheln,
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3 in explosionsartiger Darstellung eine Detektorkachel mit einem erfindungsgemäßen Kollimator und
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4 einen Ausschnitt des in 3 gezeigten Kollimators im Bereich eines Abstandselementes.
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In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei sich wiederholenden Elementen in einer Figur, wie beispielsweise bei den Detektorelementen 22, ist jeweils nur ein Element aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einem Bezugszeichen versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht zwingend maßstabsgetreu, wobei Maßstäbe zwischen den Figuren variieren können.
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In 1 ist ein Computertomographiegerät 17 gezeigt, das eine Strahlenquelle 16 in Form einer Röntgenröhre umfasst, von deren Fokus 18 ein Röntgenstrahlenfächer 24 ausgeht. Der Röntgenstrahlenfächer 24 durchdringt ein zu untersuchendes Objekt 19 oder einen Patienten und trifft auf einen Strahlendetektor 15, hier auf einen Röntgendetektor.
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Die Röntgenröhre 16 und der Röntgendetektor 15 sind einander gegenüberliegend an einer Gantry (hier nicht gezeigt) des Computertomographiegerätes 17 angeordnet, welche Gantry in eine φ-Richtung um eine Systemachse Z (= Patientenachse) des Computertomographiegerätes 17 drehbar ist. Die φ-Richtung stellt also die Umfangsrichtung der Gantry und die Z-Richtung die Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts 19 dar.
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Im Betrieb des Computertomographiegerätes 17 drehen sich die an der Gantry angeordnete Röntgenröhre 16 und der Röntgendetektor 15 um das Objekt 19, wobei aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen Röntgenaufnahmen von dem Objekt 19 gewonnen werden. Pro Röntgenprojektion trifft auf den Röntgendetektor 15 durch das Objekt 19 hindurch-getretene und dadurch geschwächte Röntgenstrahlung auf. Dabei erzeugt der Röntgendetektor 15 Signale, welche der Intensität der aufgetroffenen Röntgenstrahlung entsprechen.
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Die Wandlung von Röntgenstrahlung in elektrische Signale erfolgt mittels eines Strahlenwandlers 9, 10, der zur ortsaufgelösten Erfassung der Röntgenstrahlung in einzelne Detektorelemente 22 strukturiert ist. Die Signalerzeugung erfolgt mittels eines Photodiodenarrays 10, welches mit einem Szintillatorarray 9 optisch gekoppelt ist. Aus den mit dem Röntgendetektor 15 so erfassten Signalen berechnet anschließend eine Auswerteeinheit 20 in an sich bekannter Weise ein oder mehrere zwei- oder dreidimensionale Bilder des Objekts 19, welche auf einer Anzeigeeinheit 21 darstellbar sind.
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Die von dem Fokus 18 der Röntgenröhre 16 ausgehende Primärstrahlung wird u. a. in dem Objekt 19 in unterschiedliche Raumrichtungen gestreut. Diese sogenannte Sekundärstrahlung erzeugt in den Detektorelementen 22 Signale, die sich von den für die Bildrekonstruktion benötigten Signalen einer Primärstrahlung nicht unterscheiden lassen. Die Sekundärstrahlung würde daher ohne weitere Maßnahme zu Fehlinterpretationen der detektierten Strahlung und somit zu einer erheblichen Verschlechterung der mittels des Computertomographiegerätes 17 gewonnenen Bilder führen.
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Um den Einfluss der Sekundärstrahlung einzuschränken, wird mit Hilfe eines Kollimators 1 im Wesentlichen nur der von dem Fokus 18 ausgehende Anteil der Röntgenstrahlung, also der Primärstrahlungsanteil, ungehindert auf den Strahlenwandler 9, 10 durchgelassen, während die Sekundärstrahlung im Idealfall vollständig von den Absorberflächen der Absorberelemente 8 absorbiert wird.
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Der Röntgendetektor 15 ist in einzelne Detektormodule 25 untergliedert, wovon eines in der 2 in einer perspektiven Ansicht zu sehen ist. Die Detektormodule 25 werden zum Aufbau des Röntgendetektors 15 in φ-Richtung über seitlich angeordnete Bohrlöcher 23 mit einer Detektormechanik über Schraubverbindungen mechanisch gekoppelt. Jedes Detektormodul 25 ist wiederum in einzelne Detektorkacheln 26 unterteilt, welche in diesem Ausführungsbeispiel in z-Richtung linear nebeneinander angeordnet sind. Die Detektorkacheln 26 sind mit einem Modulträger 12 über Schraub- und/oder Klebverbindungen mechanisch fixiert. Die elektrische Anbindung der einzelnen Detektorkacheln 26 an eine Modulbackplane 14 bzw. an eine Modulplatine des Modulträgers 12 erfolgt über ein Flexkabel 13, welches über einen Stecker 11 mit der jeweiligen Detektorkachel 26 verbunden ist. Jede Detektorkachel 26 weist zur Wandlung der Röntgenstrahlung in elektrische Signale einen Strahlenwandler 9, 10 mit einem Photodiodenarray 10 und einem Szintillatorarray 9, sowie zur Reduzierung einer Streustrahlung einen erfindungsgemäßen Kollimator 1 auf.
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Eine solche Detektorkachel 26 ist in der 3 in explosionsartiger Darstellung näher gezeigt. Der Kollimator 1 weist zu dessen exakten Ausrichtung gegenüber dem Strahlenwandler 9, 10 vier Abstandselemente 4, 5, 6, 7 bzw. Abstandsfüße auf. Die Abstandsfüße 4, 5, 6, 7 sind auf der Strahlenaustrittsfläche 2 in den vier Eckpositionen der rechteckigen Grundfläche des Kollimators 1 angeordnet. Prinzipiell sind sie jedoch an beliebigen Positionen auf der Strahlenaustrittsfläche 2 positionierbar, beispielsweise auf der Position von Kantenhalbierenden der auf der Strahlenaustrittsfläche 2 gebildeten Grundfläche. Sie ragen dabei aus der Grundfläche heraus und sind so dimensioniert, dass eine instabile oder fehlerhafte Lagerung des Kollimators 1 bei Wölbung oder fertigungsbedingt vorliegenden Unebenheiten der Strahlenaustrittsfläche 2 des Kollimators oder der Oberfläche des Strahlenwandlers 9, 10 bzw. des Szintillatorarrays 9 weitgehend reduziert ist. Hierdurch vermindert sich insbesondere der Aufwand bei der Ausrichtung bzw. Justage des Kollimators 1 bei Fixierung mit dem Strahlenwandler 9, 10 durch einen Kleber. Als Kleber kommen beispielsweise Epoxidkleber in Betracht. Die Klebeschicht wird entweder selektiv oder flächig auf die Strahlenaustrittsfläche 2 aufgetragen. Zusätzlich oder alternativ dazu wäre auch das Aufbringen des Klebers auf der Strahleneintrittsseite des Strahlenwandlers 9, 10 denkbar. Die Kleberschichtdicke wird dabei so gewählt, dass mögliche Lücken zwischen dem Kollimator 1 und dem Strahlenwandler 9, 10 geschlossen werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Segmentierung des Strahlendetektors 15 in Detektormodule 25 und die Segmentierung des jeweiligen Detektormoduls 25 in einzelne Detektorkacheln 26 prinzipiell beliebig ausfallen und entsprechend einer effizienten Herstellung oder Integration gewählt werden können Darüber hinaus ist auch die Segmentierung des Kollimators 1 frei wählbar. Je nach Genauigkeitsanforderung, Aufwand im Herstellungsprozess und in der Justage kann es von Vorteil sein, dass die Kollimatoren 1 den ganzen Strahlendetektor 15 überspannen oder nur im anderen Extremfall einen Teil einer Detektorkachel 26 abdecken.
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In der 4 ist eine Detailansicht eines in der 3 mit einem Kreis umkreisten Teils des Kollimators 1 im Bereich eines Abstandselementes 5 zu sehen. In diesem konkreten Ausführungsbeispiel ist das Abstandselement 5 ein integraler Bestandteil eines Teils der Absorberelemente 8. Das Abstandselement 5 wird dadurch gebildet, dass die Absorberelemente 8 von vier im Eckbereich des Kollimators 1 angeordneten Kollimatorzellen gegenüber den restlichen Absorberelementen 8 aus der Grundfläche hervortreten. Der Kollimator 1 mit den Absorberelementen 8 und mit den Abstandselementen 5 kann beispielsweise mittels einer Rapid Manufactoring Technik in nur einem Prozessschritt hergestellt werden. In Frage kommt beispielsweise ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM). Bei dieser Technik wird der 2D-Kollimator nach dem Schichtaufbauprinzip über die Belichtung einzelner Schichten mit einem Laser, beispielsweise mit einem Faserlaser, welcher eine Laserleistung von ca. 100 bis 1000 Watt aufweist, dreidimensional aufgebaut. Als Material kann bei dem Laserschmelzverfahren beispielsweise Wolfram, Molybdän oder eine Legierung mit Anteilen von Wolfram und/oder Molybdän eingesetzt werden. Durch die gute Fokussierbarkeit der Laserstrahlung ist es möglich, den Lasersinterprozess selektiv auf kleine Flächen zu beschränken, so dass Abstandselemente 4, 5, 6, 7 mit kleinen Grundflächen aufgebaut werden können. Die Grundfläche der Abstandselemente 4, 5, 6, 7 erstreckt sich in diesem konkreten Ausführungsbeispiel über vier Detektorelemente 22. Sie kann selbstverständlich auch nur auf ein oder weniger als ein Detektorelement 22 beschränkt sein. Die Höhe der Abstandselemente 4, 5, 6, 7 aus der Strahlenaustrittsfläche 2 des Kollimators 1 liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 50 μm bis 300 μm. Durch die Möglichkeit einer schnellen Ablenkung eines Laserstrahls kann die Herstellzeit gegenüber den bekannten Herstellverfahren, bei denen Polymerverbindungen ausgehärtet werden, erheblich reduziert werden. Es wäre jedoch auch denkbar, die Abstandselemente 4, 5, 6, 7 formgebunden durch einen Sägeprozess herzustellen. Ebenso sind solche Abstandselemente 4, 5, 6, 7 auch bei Kollimatoren 1 von Vorteil, welche lediglich zur eindimensionalen Kollimierung 1 von Strahlung dienen.
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Zusammenfassend kann gesagt werden:
Die Erfindung betrifft einen Kollimator 1 für einen Strahlendetektor 15 mit zumindest drei auf einer Strahlenaustrittsfläche 2 des Kollimators (1) angeordneten Abstandselementen 4, 5, 6, 7. Sie sind zur stabilen Lagerung des Kollimators 1 gegenüber einem Strahlenwandler 9, 10 des Strahlendetektors 15 ausgebildet. Die zumindest drei Abstandselemente 4, 5, 6, 7 ermöglichen eine sehr präzise und lagestabile Ausrichtung des Kollimators 1 in Bezug zu dem Strahlenwandler 9, 10 trotz fertigungsbedingter Wölbungen oder Unebenheiten der Strahlenaustrittsfläche 2 und/oder der Auflagefläche auf Seiten des Strahlenwandlers 9, 10. Die Erfindung betrifft außerdem ein Herstellungsverfahren für einen solchen Kollimator 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlendetektors 15.
