DE102012206546A1 - Streustrahlungsgitter eines CT-Detektors - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Streustrahlungsgitter (G) eines CT-Detektors mit einer Vielzahl von Detektorelementen, die mehrzeilig in Phi- und z-Richtung eines CT-Systems (1) angeordnet sind, mit einer Vielzahl von passend zu den Detektorelementen angeordneten freien Durchgangskanälen (K) und die freien Durchgangskanäle (K) an ihren Längsseiten vollständig umgebenden Wänden (W), wobei erfindungsgemäß die Wände (W) des Streustrahlungsgitters (G) durch Anwendung eines 3d-Siebdruckverfahrens hergestellt sind.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Streustrahlungsgitter eines CT-Detektors mit einer Vielzahl von Detektorelementen, die mehrzeilig in Phi- und z-Richtung eines CT-Systems angeordnet sind, wobei das Gitter mit einer Vielzahl von passend zu den Detektorelementen angeordneten freien Durchgangskanälen ausgestattet ist und die freien Durchgangskanäle an ihren Längsseiten vollständig von Wänden umgeben sind.
- Streustrahlungsgitter, auch Kollimatoren genannt, für Detektoren in CT-Systemen sind allgemein bekannt. Bisher werden in CT-Detektoren Stapel von dünnen Wolframblechen benutzt, welche in einer Trägermechanik verklebt sind. Diese erlauben eine Unterdrückung von Streustrahlung in Phi-Richtung, also in Rotationsrichtung der Gantry. In z-Richtung oder Systemachsenrichtung wird bislang auf eine Kollimierung verzichtet. Es ist allerdings auch bekannt, dass die Streustrahlkorrektur, insbesondere bei Dual-Source-CT-Systemen, mit einem in Phi- und z-Richtung wirkenden Kollimator wesentlich besser ist als mit einem einfachen Phi-Kollimator. Dies kann sich in einer signifikanten Dosisreduktion bei einem gegebenen Kontrast-Rausch-Verhältnis äußern oder eine verbesserte Artefaktreduktion ergeben.
- Darüber hinaus wird es bei größerer z-Abdeckung des Detektors immer schwieriger, die Trägermechanik mit ausreichender Genauigkeit zu fertigen, um die Bleche in Position zu halten. Baut man einen derartigen Phi/z-Kollimator in der herkömmlichen Weise, also mit einzelnen Blechen, so besteht ein weiteres Problem darin, dass die Bleche in beiden Richtungen auf den Fokus der Röntgenröhre ausgerichtet sein müssen.
- Da es schwierig ist, einstückige über die gesamte Detektorfläche reichende Kollimatoren herzustellen, wird hierzu oft ein modularer Aufbau verwendet. Ein Problem bei modular aufgebauten Streustrahlungsgittern mit mehreren nebeneinander angeordneten Gittermodulen besteht darin, dass im Bereich der Stoßstellen zweier Gittermodule Artefakte bei den damit aufgenommenen Projektionen entstehen, die die Bildqualität eines aus solchen Projektionen rekonstruierten tomographischen Bilddatensatzes negativ beeinflussen beziehungsweise sichtbare Artefakte in der tomographischen Darstellung erzeugen. Es besteht daher die Anforderung an solche Kollimatormodule, dass an verschiedenen Positionen des Bauteils, z.B. an der Strahlaustrittsseite oder an den Rändern zu benachbarten Modulen, unterschiedliche Wandstärken realisiert werden müssen.
- Bekannt ist weiterhin aus der Druckschrift
DE 10 2005 044 650 B4 ein Kollimatoraufbau, bei dem kammartig ausgestaltete Bleche ineinander gefügt werden. Dieses Verfahren ist aufwändig und wird zusätzlich dadurch erschwert, dass die Bleche auf den Fokus ausgerichtet sein sollten. - Weiterhin ist aus der Druckschrift
US 2008/0023636 A1 - In Druckschrift
DE 10 2010 011 581 A1 wird weiterhin vorgeschlagen, die Wände in beiden Richtungen durch selektives Laser-Schmelzen (Selective Laser Melting, SLM) zu erzeugen. SLM ist ein Verfahren, bei dem metallische Bauteile direkt aus 3D-CAD Daten in nahezu beliebigen komplexen Geometrien hergestellt werden können. Hierbei werden entsprechend den berechneten Flächen übereinander viele Schichten aus Metallpulver mit einem Laserstrahl selektiv aufgeschmolzen, bis die gewünschte Struktur entstanden ist. Verfahrensbedingt besitzen die so hergestellten Strukturen sehr raue Oberflächen, die über eine Reihe von nachgelagerten Prozessen weiter bearbeitet werden müssen. Auch eine Realisierung beliebiger Wandstärken ist nicht unter allen Umständen gegeben. - Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Streustrahlungsgitter eines CT-Detektors zu finden.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
- Die Erfinder haben erkannt, dass es vorteilhaft ist, in zwei Dimensionen wirksame Streustrahlgitter, die gegebenenfalls auch modulartig zu einer größeren Einheit zusammengesetzt werden können, mit Hilfe eines dreidimensionalen Siebdruckverfahrens herzustellen. Dabei wird eine Suspension aus einem stark absorbierenden Material, vorzugsweise aus Metallpulver, zum Beispiel Blei, Kupfer, Molybdän, Tantal, Wolfram, oder einem sonstigen Element mit hohem Absorptionskoeffizienten und einem Binder Schicht für Schicht übereinander durch ein Sieb gedruckt und dadurch eine dreidimensionale Struktur aufgebaut. Durch einen Siebwechsel der Art, dass das Öffnungsraster mit fortschreitender Schichtzahl enger oder weiter wird, beziehungsweise sich allgemein verändert, kann erreicht werden, dass die Wände des Kollimators auf den Fokus ausgerichtet werden und die Kanäle pyramidenstumpfartig ausgestaltet werden.
- Bei einem solchen Verfahren wird durch dieses Übereinanderschichten zunächst ein Grünkörper erzeugt, der noch nicht die endgültige Festigkeit besitzt. Zur endgültigen Aushärtung wird der entstandene Grünkörper nach erreichen der endgültigen Bauteilhöhe in einem abschließenden Sinterprozess ausgehärtet.
- Die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens bestehen darin, dass sich mit dem Siebdruck gegenüber den bekannten Verfahren wesentlich höhere Bauteilgenauigkeiten erzielen lassen. Insbesondere die Wandrauigkeiten und Abweichungen der Wandpositionen sind gegenüber SLM-Verfahren deutlich reduziert, insbesondere sind gegenüber dem SLM-Verfahren auch dünnere Wände möglich. Somit ist es auch möglich, die äußeren Wände des Bauteils nur mit halber Wandstärke auszulegen, so dass bei einer Aneinanderreihung mehrerer Gittermodule zu einem Gesamtgitter die effektive Wandstärke an den Stoßflächen der Gittermodule genauso groß ist, wie die Wandstärke im Inneren der Bauteile.
- Weiterhin lassen sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren durch einfachen Siebwechsel auch Wandbereiche an der Unterseite des Kollimators, also an der Strahlaustrittsseite, dicker gestalten. Durch diese Ausgestaltung kann ein variabler Schattenwurf durch Instabilität des Röntgenfokus auf die aktive Pixelfläche vermieden werden.
- Ein weiterer Vorteil des Siebdruckverfahrens liegt darin, dass die Prozessfläche typischer Siebdruckmaschinen wesentlich größer ist, als die Prozessfläche von SLM-Maschinen. Daher lassen sich in einem Arbeitsgang gleichzeitig wesentlich mehr Bauteile herstellen. Auch größere Kollimatoren, welche mehrere Sensorboards oder auch mehre Detektormodule überspannen, sind herstellbar. Spezielle Strukturen für die Montage der Kollimatoren in der Detektormechanik sind ebenfalls leicht realisierbar.
- Aufgrund des besonderen zweischrittigen Siebdruck-Herstellungsverfahrens, bei dem im ersten Schritt durch mehrfachen Siebdruck ein relativ stabiler jedoch noch nicht endgültig gehärteter Grünkörper entsteht, der erst im zweiten Schritt seine endgültige Festigkeit erfährt, kann dieser noch nicht endgültig gehärtete Grünkörper einer zusätzlichen Formgebung nach dem Siebdruck und vor der endgültigen Aushärtung unterzogen werden. Es ist also möglich, einen Grünkörper mit zunächst einfacher rechteckiger Außenstruktur zu erzeugen und dann formgebend auf den Grünkörper einzuwirken, so dass eine Ausrichtung der Wände und der strahlungsführenden Durchgangskanäle auf einen gemeinsamen Fokus hin bewirkt wird. Ein so verformter Grünkörper kann dann im zweiten Schritt durch sintern in die gewünschte Endfestigkeit gebracht werden.
- Entsprechend dieser Grundgedanken schlagen die Erfinder ein Streustrahlungsgitter eines CT-Detektors mit einer Vielzahl von Detektorelementen, die mehrzeilig in Phi- und z-Richtung eines CT-Systems angeordnet sind, vor, wobei das Streustrahlungsgitter eine Vielzahl von passend zu den Detektorelementen angeordnete freie Durchgangskanäle aufweist und die freien Durchgangskanäle an ihren Längsseiten vollständig von Wänden umgeben sind. Erfindungsgemäß werden die Wände des Streustrahlungsgitters durch Anwendung eines dreidimensionalen Siebdruckverfahrens hergestellt.
- Zum Aufbau der Wände während des Siebdruckverfahrens kann vorzugsweise eine Suspension aus Metallpulver und Binder verwendet werden, es kann jedoch auch eine Suspension aus einem sonstigen Material mit hohem Röntgenabsorptionskoeffizienten, zum Beispiel aus einem Element mit einer Ordnungszahl größer 19, also ein Element ab der 4. Gruppe, bevorzugt ab der 5. Gruppe, des Periodensystems, verwendet werden. Grundsätzlich gilt hierbei, je größer der effektive Wirkungsquerschnitt des Wandmaterials ist, umso besser wird die unerwünschte Streustrahlung absorbiert.
- Während des Druckverfahrens können durch mindestens einmaliges Auswechseln der verwendeten Siebe pyramidenstumpfartige Durchgangskanäle hergestellt werden, also Durchgangskanäle deren Durchtrittsfläche an dem einen Ende größer als am anderen Ende des Kanals ist, deren Längsachsen jeweils auf einen gemeinsamen Fokus ausgerichtet sind.
- Weiterhin können während des Druckverfahrens durch mindestens einmaliges oder mehrfaches Auswechseln des verwendeten Siebes mit sukzessive sich veränderndem, vorzugsweise enger werdendem, abgedeckten Bereich im Sieb für die Durchgangskanäle mit über die Höhe sich veränderndem Querschnitt beziehungsweise pyramidenstumpfartige Durchgangskanäle erzeugt werden.
- Weiterhin kann das Streustrahlungsgitter in einem noch nicht endgültig gehärteten Zustand – und ohne Ausrichtung der Durchgangskanäle auf einen gemeinsamen Fokus – insgesamt so verformt werden, dass die pyramidenstumpfartigen Durchgangskanäle derart geformt werden, dass deren Längsachsen jeweils auf einen gemeinsamen Fokus ausgerichtet sind.
- Ebenso können die Durchgangskanäle und/oder die Wände in einer ersten Herstellungsphase parallel zueinander ausgerichtet hergestellt werden und vor einer endgültigen Aushärtung auf diese eine mechanische Verformung angewandt werden, durch die eine Ausrichtung der Durchgangskanäle beziehungsweise der Wände auf einen gemeinsamen Fokus bewirkt wird.
- Bei einer solchen mechanischen Verformung kann ein ursprünglich in seinen Außenabmessungen quaderförmiges Streustrahlgitter in eine kegelstumpfartige Form gepresst werden. Alternativ kann die Strahlungseintrittsseite und/oder Strahlungsaustrittsseite an eine zylindrische oder eine sphärische Oberfläche angepresst werden, so dass die Strahlungseintrittsseite und/oder Strahlungsaustrittsseite sich der zylindrischen oder sphärischen Oberfläche anpasst und damit die Wände und die Durchgangskanäle auf einen Fokus ausrichtet.
- Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Durchgangskanäle im Bereich der Strahlaustrittsseite des Streustrahlungsgitters verengt ausgeführt werden. Hierdurch werden Abschattungen durch leichte Variationen der relativen Fokusposition zum Detektor vermieden oder zumindest vermindert.
- Bei dem erfindungsgemäß hergestellten Streustrahlungsgitter kann es sich einerseits um ein komplettes Streustrahlungsgitter handeln. Ebenso kann das Streustrahlungsgitter auch aus mehreren einzeln hergestellten Gittermodulen aufgebaut sein, wobei dann die Gittermodule die oben beschriebenen Merkmale der Streustrahlungsgitter aufweisen.
- Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn die eine Außenseite der Gittermodule bildenden Wände der Gittermodule dünner, vorzugsweise halb so dünn, ausgebildet werden, wie die restlichen Wände der Gittermodule. Hierdurch wird erreicht, dass an den Stoßflächen der Gittermodule die gleiche wirksame Wandstärke herrscht, wie an den sonstigen innerhalb der Gittermodule angeordneten Wänden. Somit wird die Streustrahlungskompensation über den gesamten Detektor weitgehend vereinheitlicht.
- Weiterhin können die Gittermodule an ihren Außenwänden derart gestaltet sein, dass sie gegenseitig formschlüssig ineinander greifen.
- Außerdem können die Wände der Gittermodule strahlaustrittsseitig teilweise Verlängerungen aufweisen, die zur Ausrichtung am Detektor dienen.
- Schließlich können bei der Herstellung des Streustrahlungsgitters beziehungsweise der Gittermodule die Wechsel zwischen unterschiedlich dimensionierten Sieben derart gestaltet werden, dass die Wände des Gitters beziehungsweise der Gittermodule stufenförmig sich verjüngend ausgebildet sind. Der Vorteil einer solchen Ausgestaltung liegt darin, dass weniger unterschiedliche Siebe bereitgehalten werden müssen und durch die weniger häufig ausgeführten Siebwechsel auch weniger Justieraufwand entsteht, also insgesamt das Herstellungsverfahren günstiger wird.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet:
1 : Dual-Source-CT-System;2 : erste Röntgenröhre;3 : erster Detektor;4 : zweite Röntgenröhre;5 : zweiter Detektor;6 : Gantrygehäuse;9 : Systemachse;10 : Gitter, Gittermodul;11 : Zylindermantel/Sphären; G: Streustrahlungsgitter aus mehreren Gittermodulen; K: Durchgangskanal; W: Wand. - Es zeigen im Einzelnen:
-
1 ein Dual-Source-CT-System mit Streustrahlungsgittern vor den Detektoren, -
2 ein Streustrahlungsgitter oder -gittermodul in perspektivischer 3d-Ansicht, -
3 ein Streustrahlungsgitter oder -gittermodul in Seitenansicht und -
4 an einem Zylindermantel verformtes Streustrahlungsgitter beziehungsweise -gittermodul mit auf einen Fokus ausgerichteten Durchgangskanälen. - Die
1 zeigt ein Dual-Source-CT-System1 mit zwei auf einer Gantry in einem Gantry-Gehäuse6 angeordneten Strahler-Detektor-Systemen, bestehend aus einer ersten Röntgenröhre (Strahler)2 mit einem ersten gegenüberliegenden Detektorsystem3 und einer zweiten um 90° winkelversetzt angeordneten Röntgenröhre4 mit einem gegenüberliegenden Detektorsystem5 . Beide Detektorsysteme3 und5 verfügen über je ein Streustrahlungsgitter G, um vor allem die vom jeweils anderen Strahler-Detektor-System erzeugte Streustrahlung abzufangen. Die hier nur schematisch angedeuteten Streustrahlungsgitter sind in der oben beschriebenen Weise hergestellt, modular aufgebaut und bewirken sowohl in Phi-Richtung als auch in z-Richtung eine Streustrahlungsreduktion. Als z-Richtung wird hierbei die in Richtung der Systemachse9 gelegte Koordinatenachse und als Phi-Richtung die Drehrichtung der Gantry, also die Richtung der Detektorzeilen, angesehen. - Die
2 bis4 sollen zeigen, wie aus einem zunächst rechteckig durch das 3d-Siebdruckverfahren hergestellten Grünkörper durch Verformung an einem Zylindermantel ein Gitter entsteht, dessen Durchgangskanäle auf einen gemeinsamen Fokus ausgerichtet sind. - In der
2 ist in perspektivischer 3d-Darstellung ein Gitter oder Gittermodul10 gezeigt, das in seiner Struktur grundsätzlich rechtwinklig aufgebaut ist. Entsprechend sind alle dort erzeugten Wände W und Durchgangskanäle K parallel zueinander ausgerichtet. Die3 zeigt das Streustrahlungsgitter beziehungsweise Gittermodul10 nochmals in einer Seitenansicht. In der4 ist – ebenso in Seitenansicht dargestellt – das Gitter10 aus der3 mit Hilfe zweier Zylindermantel11 oder zweier Sphären11 so umgeformt worden, dass die Gitterstruktur und die in der Gitterstruktur befindlichen Durchgangskanäle auf einen gemeinsamen Fokus – der dem Fokus der im Strahler-Detektor-System vorliegenden Röntgenröhre entsprechen soll – ausgerichtet ist. - Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102005044650 B4 [0005]
- US 2008/0023636 A1 [0006]
- DE 102010011581 A1 [0007]
Claims (17)
- Streustrahlungsgitter (G) eines CT-Detektors mit einer Vielzahl von Detektorelementen, die mehrzeilig in Phi- und z-Richtung eines CT-Systems (
1 ) angeordnet sind, mit einer Vielzahl von passend zu den Detektorelementen angeordneten freien Durchgangskanälen (K) und die freien Durchgangskanäle (K) an ihren Längsseiten vollständig umgebenden Wänden (W), dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (W) des Streustrahlungsgitters (G) durch Anwendung eines 3d-Siebdruckverfahrens hergestellt sind. - Streustrahlungsgitter (G) gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbau der Wände (W) während des Siebdruckverfahrens eine Suspension aus Material mit einer Ordnungszahl größer 19 und Binder verwendet wird.
- Streustrahlungsgitter (G) gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbau der Wände (W) während des Siebdruckverfahrens eine Suspension aus Metallpulver und Binder verwendet wird.
- Streustrahlungsgitter (G) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Druckverfahrens durch mindestens einmaliges Auswechseln des verwendeten Siebes mit sukzessive verändertem abgedeckten Bereich im Sieb für die Durchgangskanäle (K) mit in der Höhe sich veränderndem Querschnitt erzeugt werden.
- Streustrahlungsgitter (G) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Druckverfahrens durch mehrmaliges Auswechseln des verwendeten Siebes mit sukzessive enger werdendem abgedeckten Bereich im Sieb pyramidenstumpfartige Durchgangskanäle (K) erzeugt werden.
- Streustrahlungsgitter (G) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Druckverfahrens zur Herstellung durch mindestens einmaliges Auswechseln des verwendeten Siebes pyramidenstumpfartige Durchgangskanäle (K) geformt werden, deren Längsachsen jeweils auf einen gemeinsamen Fokus ausgerichtet sind.
- Streustrahlungsgitter (G) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangskanäle (K) und die Wände (W) in einer ersten Herstellungsphase parallel zueinander ausgerichtet sind und vor einer endgültigen Aushärtung eine mechanische Verformung angewandt wird, durch die eine Ausrichtung der Durchgangskanäle (K) auf einen gemeinsamen Fokus bewirkt wird.
- Streustrahlungsgitter (G) gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur mechanischen Verformung das ursprünglich quaderförmige Streustrahlgitter in eine kegelstumpfartige Form gepresst wird.
- Streustrahlungsgitter (G) gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur mechanischen Verformung die Strahlungseintrittsseite und/oder Strahlungsaustrittsseite an eine zylindrische oder eine sphärische Oberfläche angepresst wird.
- Streustrahlungsgitter (G) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangskanäle (K) im Bereich der Strahlaustrittsseite des Streustrahlungsgitters verengt ausgeführt sind.
- Streustrahlungsgitter (G) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangskanäle (K) mit ihren Längsachsen auf den Fokus ausgerichtet sind.
- Streustrahlungsgitter (G) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Streustrahlungsgitter (G) aus mehreren einzeln hergestellten Gittermodulen (
10 ) aufgebaut ist. - Streustrahlungsgitter (G) gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Außenseite der Gittermodule (
10 ) bildenden Wände (W) der Gittermodule dünner, vorzugsweise halb so dünn, sind, wie die restlichen Wände (W) der Gittermodule (10 ). - Streustrahlungsgitter (G) gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Außenseite der Gittermodule (
10 ) bildenden und nicht die Außenseite des Detektors bildenden Wände (W) der Gittermodule (10 ) dünner, vorzugsweise halb so dünn, sind, wie die restlichen Wände (W) der Gittermodule (10 ). - Streustrahlungsgitter (G) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gittermodule (
10 ) an ihren Außenwänden (W) derart gestaltet sind, dass sie gegenseitig formschlüssig ineinander greifen. - Streustrahlungsgitter (G) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (W) der Gittermodule (
10 ) strahlaustrittsseitig teilweise Verlängerungen aufweisen, die zur Ausrichtung am Detektor dienen. - Streustrahlungsgitter (G) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (W) des Gitters beziehungsweise der Gittermodule (
10 ) stufenförmig sich verjüngend ausgebildet sind.
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