-
Die
Erfindung betrifft einen Röntgendetektor. Sie
betrifft insbesondere einen Röntgendetektor
für radiografische
Untersuchungsgeräte,
wie Computertomografen oder Röntgengeräte für die Mammografie
oder die Angiografie.
-
Die
Röntgendetektoren
bekannter radiografischer Untersuchungsgeräte unterscheiden sich wegen
der unterschiedlichen Messanforderungen. Die Röntgendetektoren sind insbesondere
hinsichtlich ihrer räumlichen
und zeitlichen Auflösung,
der Detektorfläche,
der Quanteneffizienz und der Ausleserate speziell angepasst. Auch
bei einer modularen Ausgestaltung der bekannten Röntgendetektoren
sind deren Detektormodule bei den verschiedenen radiografischen
Untersuchungsgeräten
nicht austauschbar. Die Entwicklung, Herstellung und Bereitstellung
speziell an die jeweiligen Messanforderungen angepasster Detektormodule
erfordern einen hohen Aufwand.
-
Die
EP 0 819 406 A1 beschreibt
einen Computertomografen. Der Detektor besteht dabei aus mehreren
parallelen Detektorzeilen, die jeweils aus nebeneinander angeordneten
Detektorelementen gebildet sind. Die Detektorzeilen können jeweils
aus mehreren Detektormodulen bestehen. Die vorgeschlagenen Detektormodule
sind speziell an die Erfordernisse eines Detektors für einen
Computertomografen angepasst. Sie sind nicht universell zur Herstellung
anderer radiografischer Untersuchungsgeräte geeignet.
-
Aus
der
DE 199 35 093
A1 ist ein Computertomograf mit einem mehrzeiligen Detektor
bekannt. Jede Zeile besteht aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter
Detektorelemente. Jedes der Detektorelemente besteht aus einer Szintillatorkeramik
und einer nachgeordneten Fotodiode. Zur Verringerung des Aufwands
einer dem Detektor nachgeordneten Elektronik können die Detektorelemente gruppenweise
mit der Elektronik verbunden und getrennt werden.
-
Die
DE 195 02 574 C2 offenbart
einen Computertomografen, mit einem Flächendetektor, der N Zeilen
aufweist. Jede der Zeilen besteht aus M nebeneinander angeordneten
Detektorelementen. Um die Komplexität des Flächendetektors bezüglich Auslesung,
Datenrate und Rekonstruktion auf ein realisierbares Maß zu reduzieren,
werden die Detektorelemente mehrerer Zeilen zusammengeschaltet.
Die zusammengeschalteten Detektorelemente bilden eine Detektorspalte.
Die Zusammenschaltung bewirkt eine Addition der analogen Ausgangssignale der
Detektorelemente. Die addierten Ausgangssignale werden in einer
nachgeschalteten Elektronik digitalisiert und zu Bildinformationen
weiterverarbeitet.
-
Aus
der
DE 196 00 115
C1 ist ein Computertomograf mit einem Flächendetektor
bekannt. Der Flächendetektor
besteht aus einer Vielzahl von Teildetektoren, die wiederum aus
einer Matrix von Detektorelementen gebildet sind. Um im Hinblick
auf die Leistungsfähigkeit
einer nachgeordneten Elektronik die Auslesung des Flächendetektors
zu optimieren, wird vorgeschlagen, die Detektorelemente jedes Teildetektors
sequenziell auszulesen.
-
Die
DE 101 06 221 A1 beschreibt
einen Röntgendetektor,
bei dem matrixartig angeordnete Detektorelemente aus einem Halbleitermaterial
gebildet sein können.
Absorbierte Röntgenquanten werden
infolge ihrer Absorption unmittelbar in ein elektrisches Ladungssignal
umgewandelt, dessen Größe etwa
proportional zur absorbierten Energie ist. Zur Optimierung der Messung
in einem großen
Dynamikbereich wird vorgeschlagen, in einer den Detektorelementen
nachgeschalteten Auswerteeinheit parallel ein Zählverfahren und ein Integrationsverfahren für die erzeugten
Ladungssignale durchzuführen.
Die Ergebnisse beider Verfahren werden in einer Datenverarbeitungseinheit
gemeinsam verwendet und zur Bestimmung eines Gesamtergebnis ses für die absorbierte
Menge an Röntgenstrahlung
genutzt. Der vorgeschlagene Detektor lässt sich zwar modular aufbauen,
die Module sind gleichwohl nicht universell zur Herstellung von
unterschiedlichen röntgenografischen
Untersuchungsgeräten
geeignet.
-
Die
nachveröffentlichte
DE 102 12 638 A1 beschreibt
einen Computertomografen, bei dem eine Detektoreinheit aus einer
Vielzahl von Detektoren gebildet ist. Die Detektoren sind so ausgebildet,
dass damit einfallende Röntgenquanten
sowohl hinsichtlich ihrer Intensität als auch hinsichtlich ihrer
Energie erfasst werden können.
-
Die
WO 98/05980 offenbart ein Detektorarray, das aus einer Vielzahl
von Zeilen gebildet ist. Jede der Zeilen besteht wiederum aus einer
Vielzahl nebeneinander angeordneter Detektorelemente. Die Detektorelemente
können
zur Anpassung an unterschiedliche Messanforderungen in Gruppen zusammengeschaltet
werden.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand
der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein universeller
Röntgendetektor
bereitgestellt werden, der sich als Komponente zur Herstellung unterschiedlicher
radiografischer Untersuchungsgeräte
eignet.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der
Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2. bis
8.
-
Nach
Maßgabe
der Erfindung ist ein Röntgendetektor
vorgesehen,
mit einer Mehrzahl von Pixeln,
wobei jedes
der Pixel aus einem oder mehreren Subpixel/n gebildet ist,
wobei
jedes der Subpixel ein Detektormaterial zur unmittelbaren Umwandlung
einfallender Röntgenstrahlung
in elektrische Signale aufweist,
wobei jedem der Subpixel eine
Einrichtung zur Umwandlung der elektrischen Signale in korrespondierende
digitale Singale zugeordnet ist,
wobei eine Einrichtung zur
Verarbeitung der digitalen Signale in ein die Anzahl und/oder die
Energie der auf das Pixel eingefallenen Röntgenquanten repräsentierendes
digitales Gesamtsignal vorgesehen ist, und
wobei ferner eine
Korrektureinrichtung zur Korrektur eines infolge des Ausfalls eines
oder mehrerer der Subpixel verringerten Gesamtsignals vorhanden
ist.
-
Der
vorgeschlagene Röntgendetektor
ist universell. Durch das Vorsehen einer Einrichtung zur Verarbeitung
der digitalen Signale kann die Größe der Pixel und ggf. das durch
Addition der digitalen Signale der Subpixel erzeugte Gesamtsignal
an die jeweiligen Messanforderungen angepasst werden. Der vorgeschlagene
Röntgendetektor
kann gleichermaßen
für die
Röntgen-Computertomografie
und die Radiografie verwendet werden.
-
Unter
einem "Pixel" wird im Kontext
der vorliegenden Erfindung ein Subpixel oder eine Gruppe von Subpixeln
verstanden. Jedes Subpixel bildet ein Röntgen-Detektorelement. Von
mehreren Röntgen-Detektorelementen
gelieferte digitale Signale können
mittels der Einrichtung zur Verarbeitung entsprechend einem vorgegebenen
Programm zu einem digitalen Gesamtsignal addiert werden. Wenn ein
Pixel durch eine Gruppe von Subpixel gebildet ist, können Fehler
durch defekte Subpixel erkannt und korrigiert werden. Die Funktion
des Pixels bleibt trotz eines Defekts eines oder mehrerer Subpixel
erhalten. Der vorgeschlagene Röntgendetektor
ist besonders zuverlässig
und langlebig.
-
Das
digitale Gesamtsignal ist das Signal des Pixels und dient als solches
zur Erzeugung eines Bildpunkts auf einem Bildschirm einer EDV-Anlage oder
eines davon erzeugten Ausdrucks.
-
Unter
einem "elektrischen
Signal" wird insbesondere
ein elektrisches Ladungssignal verstanden. Ein solches elektrisches
Ladungssignal wird bei Absorption von Röntgenquanten mittels direkt
konvertierender Materialien, z. B. Halbleitern, wie GaAs, CdTe,
CdZnTe oder Fotoleitern, wie Se, PbI2 oder
PbO, bewirkt.
-
Die
Einrichtung zur Verarbeitung weist zweckmäßigerweise ein Mittel zur Einstellung
der Anzahl der ein Pixel bildenden Subpixel und/oder zur Auswahl
der Anzahl der pro Pixel zur Auswertung verwendeten Subpixel auf.
Mit dem Mittel zur Einstellung wird die Größe und/oder die Anordnung der
ein Pixel bildenden Subpixel festgelegt. Bei dem Mittel zur Einstellung
kann es sich um ein fest vorgegebenes Programm handeln. Dabei wird
die Anzahl und/oder die Anordnung der ein Pixel bildenden Subpixel,
insbesondere in Abhängigkeit
der benötigten Datenübertragungsrate
R, eingestellt. Es gilt: R = b·f·A/(c·d2),wobei
- b
- die Bittiefe,
- f
- die Aufnahmefrequenz
in Bilder/Sekunde,
- A
- die röntgenografische
Untersuchungsfläche,
- c
- die Anzahl der zusammengeschalteten
Subpixel und
- d
- das Seitenmaß der Subpixel
ist.
-
Der
Wert c legt die Anzahl der zusammenzuschaltenden Subpixel mit dem
Seitenmaß d
zu einem Pixel fest. Der vorgeschlagene Röntgendetektor eignet sich sowohl
für die
Computertomografie als auch für
die Radiografie. Für
einen Röntgendetektor
für die Computertomografie
mit einer Bittiefe von b = 16, einer Aufnahmefrequenz von f = 5000
Bilder/Sekunde, einer röntgenografischen
Untersuchungsfläche
A von 500 cm2 und einer Pixelgröße (c·d2) von 1 mm2 ergibt
sich eine Datenübertragungsrate
R von 4 Gb/Sekunde. Für
einen Detektor für
die Röntgenografie
mit einer Bittiefe von B = 14, einer Aufnahmefrequenz von f = 30
Bilder/Sekunde, einer röntgenografischen
Untersuchungsfläche
von A = 40 cm2 und einer Pixelgröße von (c·d2) = 100 μm2 ergibt sich eine Datenübertragungsrate R von 6,72
Gb/Sekunde. Das zeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Röntgendetektor
ein weiter Bereich von Messanforderungen abgedeckt werden kann.
-
Des
Weiteren ist eine Korrektureinrichtung zur Korrektur eines infolge
des Ausfalls einer oder mehrerer der Subpixel verringerten Gesamtsignals vorgesehen.
Dabei kann es sich um einen entsprechend programmierten integrierten
Schaltkreis handeln, der das von einem Pixel gelieferte Gesamtsignal
mit einem vorgegebenen Gesamtsignal vergleicht. Sofern eine Änderung
festgestellt wird, kann in Abhängigkeit
des vorgegebenen Programms eine Änderung
der Belegung der Subpixel innerhalb des Pixels veranlasst werden.
Es ist aber auch möglich, dass
das verringerte Gesamtsignal entsprechend der gemessenen Differenz
korrigiert bzw. normiert wird.
-
Die
Korrektureinrichtung weist zweckmäßigerweise einen Vergleicher
zum Vergleich eines bei Bestrahlung mit einer bekannten Röntgenintensität erzeugten
Gesamtsignals mit einem vorgegebenen Gesamtsignal oder einem Maximalwert
des Gesamtsignals weiterer Pixel auf. Zur Korrektur kann die Korrektureinrichtung
auch ein Mittel zur Änderung
der Auswahl der zur Messung des Gesamtsignals verwendeten Subpixel
aufweisen.
-
Nach
einer weiteren Ausgestaltung ist das Detektormaterial ein Cadmium-Tellurid,
Cadmium-Zink-Tellurid oder Quecksilber-Jodid. Es sind auch Mischungen dieser
Stoffe untereinander oder mit anderen Stoffen möglich. Das Detektormaterial liegt
zweckmäßigerweise
in einer Dicke vor, welche für
die vorgesehenen Messzwecke die notwendige Dosisquanteneffizienz
(DQE) garantiert. Im Falle eines Röntgendetektors für die Computertomografie wird
die erforderliche DQE von > 90
% bei einer Dicke von 1,4 mm Cadmium-Tellurid erreicht. Die Dicke
des Detektormaterials ist zweckmäßigerweise
so auszuwählen,
dass die Detektorelemente gleichermaßen für verschiedene Messzwecke einsetzbar
sind.
-
Nach
einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal sind eine vorgegebene Anzahl
von Pixeln und die deren Subpixeln zugeordneten Einrichtungen zur Umwandlung
als austauschbares Detektormodul ausgeführt. Ein solches Detektormodul
eignet sich gleichermaßen
zur Herstellung eines Detektors, beispielsweise für die Röntgen-Computertomografie
wie auch für
röntgenografische
Geräte.
Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, dass die Einrichtung zur Verarbeitung
und/oder die Korrektureinrichtung Bestandteil des Detektormoduls
ist.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 den
schematischen Aufbau eines ersten Detektorelements,
-
2 den
schematischen Aufbau eines zweiten Detektorelements,
-
3 den
schematischen Aufbau eines Detektormoduls in einer ersten Beschaltung,
-
4 den
schematischen Aufbau eines Detektormoduls nach 3 in
einer zweiten Beschaltung,
-
5 ein
Röntgenflächendetektor
mit ersten Modulen und
-
6 ein
Röntgenflächendetektor
mit zweiten Modulen.
-
1 zeigt
schematisch ein erstes Detektorelement. Auf einer aus einem Material
zur direkten Umwandlung der Energie absorbierter Röntgenquanten
in ein elektrisches Ladungssignal gebildeten Direktwandlerschicht 1 (z.B.
Cd(Zn)Te) ist eine erste Elektrode 2 aufgebracht, die einer
(hier nicht gezeigten) Strahlenquelle zugewandt ist. Auf der der
Strahlenquelle abgewandten Seite der Direktwandlerschicht 1 befindet
sich eine strukturierte zweite Elektrode 3, die mit einer
CMOS-Zählelektronik 4 kontaktiert
ist. Die CMOS-Zählelektronik 4 ist über Bonding-Kontakte 5 mit
(hier nicht gezeigten) Leiterbahnen auf einem Trägersubstrat 6 elektrisch
verbunden.
-
Das
in 2 gezeigte zweite Detektorelement ist ähnlich zu
dem in 1 gezeigten ersten Detektorelement aufgebaut.
Hier ist die CMOS-Zählelektronik 4 über Ballgrid-Kontakte 7 mit
dem Trägersubstrat 6 verbunden
("durchkontaktiert").
-
Die 3 und 4 zeigen
Draufsichten auf ein Röntgendetektormodul 8,
wobei mehrere Beschaltungsvarianten I, II, III angegeben sind. Das Röntgendetektormodul 8 mit
einer Detektor- oder Sensorfläche A besteht
jeweils aus 16 Detektorelementen. Jedes der Detektorelemente bildet
ein quadratisches Subpixel 9 mit einer Kantenlänge d. Im einfachsten
als Beschaltungsvariante I in 3 gezeigten
Fall ist jedes Pixel lediglich aus einem Subpixel 9 gebildet
(Binning c = 1, 16 Pixel zu übertragen à Bitbreite
b = 4). Ein Digitalausgang ist mit den Bezugszeichen 11 bezeichnet.
Das von jedem Detektorelement gelieferte digitale Signal wird in
diesem Fall als Gesamtsignal des Pixels interpretiert und weiterverarbeitet.
-
Bei
der Einrichtung zur Verarbeitung der digitalen Signale kann es sich
um eine der CMOS-Zählelektronik
nachgeordnete besondere Einrichtung handeln. Die Einrichtung kann
aber auch mit der CMOS-Zählelektronik 4 in
einem einzigen Bauteil zusammengefasst sein. Besonders vorteilhaft
ist es, wenn die Einrichtung zur Verarbeitung der digitalen Signale
programmierbar ist. In diesem Fall ist es möglich, erfindungsgemäße Röntgendetektoren
in ein und derselben Hardwarekonfiguration herzustellen. Je nach
Messanforderung kann der Röntgendetektor
dann mittels der Einrichtung zur Verarbeitung der digitalen Signale
entsprechend konfiguriert werden. Die Einrichtung zur Verarbeitung
kann z. B. zur Erzielung einer hohen Auflösung so programmiert werden,
dass jedes Subpixel ein Pixel bildet.
-
Bei
der ebenfalls in 3 gezeigten alternativen Beschaltungsvariante
II wird ein Pixel aus vier zusammengeschalteten Subpixeln 9 gebildet
(Binning c = 4). Das Röntgendetektormo dul 8 weist
in diesem Fall also vier Pixel auf. Jedes der Pixel überträgt eine
Bitbreite b = 6. Die von den Detektorelementen gelieferten digitalen
Signale werden mittels der Einrichtung zur Verarbeitung der digitalen
Signale in einem Zähler
der Bitbreite b = 6 addiert und als Gesamtsignal des Pixels weiterverarbeitet.
Ist ein Subpixel 9 defekt, so kann dies als Gainabweichung
korrigiert werden. Das "binning" ist in den Figuren
jeweils mit einer gestrichelten Linie angedeutet.
-
Bei
der in 4 gezeigten Beschaltungsvariante III bildet das
Röntgendetektormodul 8 insgesamt
lediglich ein Pixel (Binning c = 16). Hier sind alle sechzehn Subpixel 9 zusammengeschaltet.
Es muss nur ein Pixel übertragen
werden. In diesem Fall beträgt
die übertragene
Bitbreite b = 8.
-
Für die konkrete
Ausbildung eines Röntgendetektormoduls 8,
welches beispielsweise für
die Röntgen-Computertomografie
und andere Anwendungen geeignet ist, sind zweckmäßigerweise Subpixel mit einer
Kantenlänge
im Bereich von 50 bis 200 μm,
vorzugsweise 100 μm,
vorzusehen. Um bei einer Kantenlänge
von 100 μm
einen Pixel mit einer Pixelgröße von 1
mm2 zu realisieren, werden 100 Subpixel zusammengeschaltet.
Die Gesamtgröße des Röntgendetektormoduls
liegt beispielsweise im Bereich einer Kantenlänge von einigen Zentimetern,
z. B. 5 × 2
cm2. Ein solches Modul umfasst 100 000 Subpixel, entsprechend
1 000 Pixel mit einer Kantenlänge
von 1 mm. Der Ausfall eines einzigen Subpixels 9 würde in diesem
Fall einen Gainfehler in der Größenordnung
von 1 % verursachen, der ohne einen Verlust der Bildqualität kompensierbar
ist.
-
Besonders
vorteilhaft und universell ist das vorgeschlagene Röntgendetektormodul 8 dann, wenn
die CMOS-Zählelektronik
programmierbar ist. In diesem Fall kann mittels Programmierung eine Einstellung über Größe und Anzahl
der zusammenzuschaltenden Subpixel 9 vorgenommen werden. Das
Röntgendetek tormodul 8 kann
so einfach an den jeweiligen Messzweck angepasst werden.
-
Die 5 und 6 zeigen
schematisch die Anordnung mehrerer Module bzw. Röntgendetektormodule 8 zum
Aufbau eines Röntgenflächendetektors.
Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel
sind die Anschlüsse
der Röntgendetektormodule 8 seitlich,
insbesondere an der Längsseite
des Röntgenflächendetektors,
herausgeführt
und zu Leitungen 12 (Power-in und Data-I/O-Leitungen) zusammengefasst. Sie
führen
in einen Digital-Controller 10,
dessen Datenausgang mit 13 bezeichnet ist.
-
Bei
dem in 6 gezeigten weiter Ausführungsbeispiel sind die Röntgendetektormodule 8 an ihre
Rückseite
kontaktiert und mittels der Leitungen 12 (Power-in und
Data-I/O-Leitungen) mit dem Digital-Controller 10 verbunden.