DE19948062A1 - Röntgenstrahl-Detektorsystem für Computertomographie-Abtastgeräte - Google Patents

Abstract

Ein Röntgenstrahl-Detektorsystem für ein Computertomographie-(CT-)Abtastgerät schließt eine Vielzahl von bei Beaufschlagung mit Röntgenstrahlen szintillierenden Kristallen ein, die in einer Anordnung angeordnet sind. Ein eine hohe Dichte aufweisendes lichtreflektierendes und Röntgenstrahlen absorbierendes Medium ist in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Kristallen angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Medium eine Mischung aus Tantalpentoxid und einem optisch transparenten Epoxy-Material.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Röntgenstrahl-Detektorsystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, das insbesondere für Computertomographie-(CT-)Abtast­ geräte geeignet ist.

Computertomographie-Abtastgeräte werden typischerweise zum Gewinnen von Bildern von internen anatomischen Strukturen eines Patienten oder von Objekten innerhalb von Behältern, wie z. B. Gepäck oder Transportverpackungen, verwendet, die anderenfalls nicht anders als durch zeitraubende manuelle Inspektionen identifiziert werden können. Röntgenstrahlen werden in das abzutastende Objekt in einem fächerförmigen Strahlen­ bündel projiziert und durch das Objekt hindurchlaufende Röntgenstrahlen werden von einem Röntgenstrahl-Detektorsystem erfaßt, das auf der der Röntgenstrahlquelle gegenüberliegenden Seite des Objektes angeordnet ist. Die Intensität der erfaßten Röntgenstrahlen ist umgekehrt proportional zu der Dichte der Strukturen auf der Bahn der Röntgenstrahlen. Ein Bild der Abtastebene kann aus den Röntgenstrahl- Intensitätsdaten rekonstruiert werden. Rekonstruierte Bilder von aufeinanderfolgenden Abtastebenen können integriert werden, um ein dreidimensionales Bild des Objektes zu bilden.

Röntgenstrahl-Detektorsysteme für CT-Abtastgeräte schließen typischerweise eine Viel­ zahl von szintillierenden Kristallen, die auf Röntgenstrahlen ansprechen, eine entspre­ chende Vielzahl von Photodioden, die Licht empfangen, das von den Kristallen in Abhängigkeit auf deren Röntgenbestrahlung erzeugt wird, und die das Licht in elektri­ sche Signale umwandeln, sowie ein Kabel oder eine andere Verbindungseinrichtung zum Übertragen der Signale von den Photodioden zu einem Datenerfassungssystem zur Rekonstruktion eines Bildes aus den Röntgenstrahl-Intensitätsdaten ein.

Zur größtmöglichsten Genauigkeit und Auflösung in dem rekonstruierten Bild sollte in den Szintillator-Kristallen erzeugtes Licht vollständig zu den entsprechenden Photo­ dioden mit minimalen Verlusten aufgrund einer Absorption und Streuung übertragen werden. Die szintillierenden Kristalle in CT-Abtastgeräten sind daher allgemein mit irgendeiner Art eines lichtreflektierenden Mediums überzogen, beispielsweise mit einer weiß- oder hellfarbigen Farbe, die beispielsweise Titandioxyd enthält.

Zusätzlich zur Erzielung einer maximalen Ausgangslichtleistung von einer szintillieren­ den Kristallanordnung ist es wünschenswert, eine maximale Röntgenstrahlabsorption durch die Zwischenräume zwischen benachbarten Kristallen zu erzielen, so daß verhin­ dert wird, daß Röntgenstrahlen direkt zu den Photodioden gelangen und ein Zufallsrau­ schen erzeugen. Entsprechend können die Kristalle zusätzlich mit einem Röntgenstrah­ len absorbierenden Medium bedeckt sein, wie z. B. Bleioxyd. Das Bleioxyd weist jedoch eine relativ dunkle Farbe auf und absorbiert somit Licht, statt dieses zu reflektieren. Daher verringert die Verwendung von Bleioxyd mit einem lichtreflektierendem Medium die Wirksamkeit des lichtreflektierendem Mediums und führt zu Lichtverlusten, die wesentlich sein können.

Röntgenstrahl-Detektoranordnungen werden typischerweise mit entsprechenden Anordnungen von Streuschutzplatten zusammengebaut, um das Ausmaß an gestreuten Röntgenstrahlen zu verringern, die in die Szintillator-Kristalle eintreten. Die Streuschutz­ platten sind so ausgerichtet, daß sie im wesentlichen parallel zu den Röntgenstrahlen verlaufen, die von dem Brennfleck der Röntgenstrahlquelle ausgehen, und sie sind typi­ scherweise über den Zwischenräumen zwischen benachbarten Kristallen angeordnet. Wenn sie in dieser Weise angeordnet sind, absorbieren die Streuschutzplatten gestreu­ te Strahlung, und sie schirmen weiterhin die Räume zwischen benachbarten Kristallen ab, wodurch die Röntgenstrahlen, die zu den Photodioden gelangen, zu einem Mini­ mum gemacht werden. Bei zweidimensionalen Detektoranordnungen sind die Kristalle jedoch in mehrfachen Spalten und Reihen angeordnet, und die Zwischenräume zwi­ schen benachbarten Kristallen in der Richtung senkrecht zur Ebene des Fächerstrahls werden nicht durch Streuschutzplatten abgeschirmt und sie sind somit den Röntgen­ strahlen ausgesetzt. Wenn lichtreflektierende und lichtabsorbierende Medien zusam­ men verwendet werden, wie dies beim Stand der Technik bekannt ist, so wird die Licht­ absorption vergrößert und die Lichtreflexion verringert, wie dies weiter oben erläutert wurde. Weil das lichtreflektierende und Röntgenstrahlen absorbierende Medium zwi­ schen den Kristallen allgemein eine geringere Dichte aufweist, als das die szintillieren­ den Kristalle bildende Material, besteht die Wahrscheinlichkeit, daß zumindest ein Teil der Röntgenstrahlen, die auf die Zwischenräume zwischen benachbarten Kristallen auf­ treffen, zu den Photodioden unterhalb der Kristalle hindurchgelangen und Zufalls­ rauschsignale erzeugen, wodurch die Empfindlichkeit des Abtastgerätes und die Genauigkeit des rekonstruierten Bildes verringert wird.

Es würde daher vorteilhaft sein, ein Röntgenstrahl-Detektorsystem zu schaffen, das die von den Szintillator-Kristallen erzeugte Lichtausgangsleistung zu einem Maximum macht, während gleichzeitig der Durchgang von Röntgenstrahlen zu den Photodioden verhindert wird.

Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Röntgenstrahl-Detektor­ system zu schaffen, bei dem die von den Szintillator-Kristallen abgegebene Lichtmenge zu einem Maximum gemacht wird, während gleichzeitig verhindert wird, daß Röntgen­ strahlen an die Photodioden gelangen.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Röntgenstrahl-Detektorsystem mit einer Vielzahl von szintillierenden Kristallen geschaffen, die in einer Anordnung oder Gruppe angeordnet sind, vüobei eine entsprechende Vielzahl von Photodioden so ange­ ordnet ist, daß jede Photodiode Lichtenergie von einem szintillierenden Kristall emp­ fängt und ein dieses Licht darstellendes elektrisches Signal darstellt, wobei weiterhin eine elektrische Verbindungseinrichtung zur Übertragung der elektrischen Signale von jeder Photodiode zu einem Datenerfassungssystem vorgesehen ist. Das Röntgenstrahl- Detektorsystem schließt weiterhin ein lichtreflektierendes und Röntgenstrahlen absor­ bierendes Medium ein, das in den Zwischenräumen zwischen benachbarten szintillie­ renden Kristallen angeordnet ist.

Das lichtreflektierende und Röntgenstrahlen absorbierende Medium umfaßt gemäß einer Ausführungsform vorzugsweise eine Mischung aus einem optisch transparenten härtbaren Trägermittel und Tantalpentoxid. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das im wesentlichen transparente härtbare Trägermittel ein Epoxy-Material.

Das Verhältnis der Mengen von Tantalpentoxid zur Menge an Epoxy-Material bezogen auf das Gewicht in der Mischung beträgt vorzugsweise zumindest angenähert 1 : 1.

Die szintillierenden Kristalle können in irgendeiner Art einer ein- oder zweidimensiona­ len Anordnung angeordnet sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer eindimensionalen Röntgenstrahl-Detektoranordnung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine zweidimensionale Röntgenstrahl-Detektoranordnung, und

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer typischen Röntgenstrahl-Detektor­ anordnung.

Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Typische Röntgenstrahl-Detektorsysteme in einem Computertomographie-Abtastgerät sind in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Das Röntgenstrahl-Detektorsystem 10 schließt eine Vielzahl von szintillierenden Kristallen 12 ein, die in einer Anordnung oder Gruppe angeordnet sind. Das Detektorsystem nach Fig. 1 ist eine eindimensionale Anord­ nung, bei der die Kristalle benachbart zueinander in einer einzigen Reihe angeordnet sind, während das Detektorsystem nach Fig. 2 eine zweidimensionale Anordnung von einzelnen Kristallen ist.

Unter jedem Kristall liegt eine entsprechende Photodiode 14, die in Fig. 3 gezeigt ist. Die Photodioden 14 sind auf einem Trägersubstrat 16 derart angeordnet, daß sie Licht 18 von den szintillierenden Kristallen empfangen und das Licht in ein elektrisches Signal umwandeln, das über eine elektrische Verbindungseinrichtung 20 über ein Kabel 22 oder ein anderes Verbindungselement einem (nicht gezeigten) Datenerfassungs­ system zugeführt wird. Eine Vielzahl von Streuschutzplatten 24 kann über den szintillie­ renden Kristallen angeordnet sein, um Röntgenstrahlen zu kollimieren und um zu ver­ hindern, daß gestreute Strahlung auf die Kristalle auftrifft.

Wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Abstände zwischen benachbarten szintillieren­ den Kristallen vorzugsweise mit einem im wesentlichen lichtreflektierenden, Röntgen­ strahlen absorbierenden Medium 26 gefüllt. Das Medium 26 ist vorzugsweise eine Mischung aus einem im wesentlichen optisch transparenten härtbaren Trägermittel, wie z. B. einem Epoxy-Material, das bei einer Beaufschlagung mit Licht oder thermischer Energie härtbar ist, und Tantalpentoxid, Ta₂O₅, das die Form eines weißen pulverisier­ ten Feststoffes haben kann. Die Mischung bildet vorzugsweise eine weiße, stark reflek­ tierende Paste oder eine Aufschlämmung, die in einfacher Weise durch Kapillarströmung oder durch Injektion in die Zwischenräume zwischen benachbarten Detektorkristallen eingebracht werden kann.

Ein wesentlicher Vorteil von Tantalpentoxid gegenüber Titandioxyd oder Bleioxyd oder beidem zusammen besteht darin, daß Tantalpentoxid sowohl sehr stark lichtreflektie­ rend als auch sehr stark für Röntgenstrahlen absorbierend ist, und zwar aufgrund sei­ ner relativ hohen Dichte (8,2 g/cm³). Weiterhin kann es aufgrund seines relativ hohen Reflexionsvermögens und der Dichte in relativ hohen Konzentrationen verwendet wer­ den, die mit Ausnahme einer Steuerung der Viskosität der resultierenden Mischung nicht beschränkt ist. Somit kann die Anwendung von Tantalpentoxid die Notwendigkeit beseitigen, daß sowohl Titandioxyd als auch Bleioxyd verwendet werden muß, wodurch die Herstellung- und Arbeitskosten verringert werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird Tantalpentoxid mit einem optisch transpa­ renten Epoxy-Material in einem Gewichtsverhältnis von zumindest angenähert 1 : 1 gemischt, obwohl höhere oder niedrigere Konzentrationen von Tantalpentoxid verwen­ det werden können und als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung liegend betrachtet werden.

Die Verwendung von Tantalpentoxid als Medium in den Zwischenräumen zwischen benachbarte szintillierenden Kristallen hat mehrere Vorteile zusätzlich zu der überra­ genden Lichtreflektivität und der Röntgenstrahlabsorption gegenüber der von entweder Titandioxyd oder Bleioxyd oder einer Kombination von beiden. Die Verwendung eines härtbaren und optisch transparenten Epoxy-Materials als Trägermittel für das Tantal­ pentoxid trägt zur strukturellen Halterung und mechanischen Festigkeit der Kristall­ anordnung, insbesondere bei zweidimensionalen Anordnungen, bei, ohne daß das Reflexionsvermögen des Tantalpentoxid beeinträchtigt wird. Ein besseres Lichtreflexi­ onsvermögen und eine bessere Röntgenstrahlabsorption führen zu verringerten Rausch- und Störsignalen in den resultierenden Signalen und damit zu einer größeren Empfindlichkeit des Abtastgerätes und einer größeren Genauigkeit der resultierenden Bilder. Weiterhin erstreckt sich der Spektralbereich des Reflexionsvermögens von Tantalpentoxid sowohl in den Ultraviolettbereich als auch in den sichtbaren Bereich des Lichtes.

Weil bestimmte Änderungen an der vorstehenden Vorrichtung durchgeführt werden können, ohne den Schutzumfang der hier beschriebenen Erfindung zu verlassen, soll der Inhalt der vorstehenden Figurenbeschreibung sowie der beigefügten Zeichnungen nur als erläuternd und nicht beschränkend aufgefaßt werden.

Claims (6)

1. Röntgenstrahl-Detektorsystem mit einer Vielzahl von szintillierenden Kristallen, die in einer Anordnung angeordnet sind, mit einer entsprechenden Vielzahl von Photo­ dioden, die so angeordnet sind, daß jede Photodiode Lichtenergie von einem szintillie­ renden Kristall empfängt und ein dieses darstellendes elektrisches Signal erzeugt, und mit elektrischen Verbindungseinrichtungen zur Übertragung elektrischer Signale von jeder Photodiode zu einem Datenerfassungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Röntgenstrahl-Detektorsystem weiterhin ein lichtre­ flektierendes, Röntgenstrahlen absorbierendes Medium einschließt, das in den Zwi­ schenräumen zwischen benachbarten szintillierenden Kristallen angeordnet ist.

2. Röntgenstrahl-Detektorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtreflektierende, Röntgenstrahlen absorbierendes Medium eine Mischung aus einem optisch transpartenten härtbaren Trägermittel und Tantalpentoxid umfaßt.

3. Röntgenstrahl-Detektorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch transparente Trägermittel ein Epoxy-Material ist.

4. Röntgenstrahl-Detektorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis der Menge des Tantalpentoxid zur Menge des Epoxy-Materials in der Mischung zumindest angenähert 1 : 1 beträgt.

5. Röntgenstrahl-Detektorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die szintillierenden Kristalle in einer eindimensionalen Anordnung angeordnet sind.

6. Röntgenstrahl-Detektorsystem nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die szintillierenden Kristalle in einer zweidimensionalen Anordnung ange­ ordnet sind.