DE102005045594A1 - Verfahren zur Herstellung eines Detektors und Detektor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ein Array von Szintillatorelementen (10) aufweisenden Detektors (5), bei dem aus einem Szintillatormaterial eine Vielzahl von einzelnen Szintillatorelementen (14) hergestellt wird, welche jeweils wenigstens im Wesentlichen die Abmessungen eines Pixels aufweisen. Die Erfindung betrifft außerdem einen Detektor, aufweisend ein Array von Szintillatorelementen (10), welches eine Vielzahl von einzelnen, nicht unmittelbar miteinander verbundenen Szintillatorelementen (14) umfasst.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Detektors, insbesondere für Röntgenstrahlung, aufweisend ein Array von Szintillatorelementen. Die Erfindung betrifft außerdem einen derartigen Detektor.
• Bei der Bildgebung mit einem Röntgengerät, z.B. mit einem Röntgencomputertomographiegerät, welches ein Röntgensystem mit einer Röntgenstrahlenquelle und einem Röntgenstrahlendetektor aufweist, ist man bestrebt, die Detektionsfläche des zur Bildgewinnung zur Verfügung stehenden Röntgenstrahlendetektors möglichst groß auszuführen, um beispielsweise in einem Umlauf des Röntgensystems um einen Patienten ganze Organe, wie das Herz, des Patienten abscannen zu können. Ein derartiger, auch als Flächendetektor bezeichneter Röntgenstrahlendetektor ist in der Regel aus einer Vielzahl von Detektormodulen aufgebaut, welche zweidimensional aneinander gereiht sind. Jedes Detektormodul weist ein Array von Szintillatorelementen und ein Array von Photodioden auf, welche zueinander ausgerichtet sind und die Detektorelemente des Detektormoduls bilden. Die Szintillatorelemente wandeln auf sie auftreffende Röntgenstrahlung in sichtbares Licht um, welches von den nachgelagerten Photodioden des Arrays von Photodioden in elektrische Signale umgesetzt wird.
• Bei dem für ein Detektormodul vorgesehenen Array von Szintillatorelementen handelt es sich um eine scheibenförmige Szintillatorkeramik, die zur Ausbildung einzelner quaderförmiger Szintillatorelemente unter Beibehaltung des Gesamtverbundes mit Sägeschlitzen strukturiert ist. Die Schlitze zwischen den miteinander verbundenen Szintillatorelementen sind mit einem optisch reflektierenden Material ausgegossen, um das optische Übersprechen zwischen den Szintillatorelementen möglichst gering zu halten. Das Array von Szintillatorelementen ist als Gesamtverbund zur Ausbildung eines Detektormoduls auf ein Array von Photodioden geklebt.
• Der relativ starre Verbund des Arrays von Szintillatorelementen weist aber insbesondere in seiner Längs- und Querrichtung unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf.
• Beim Betrieb eines Detektormoduls treten daher mechanische Spannungen in dem das Array von Szintillatorelementen und das Array von Photodioden aufweisenden Verbundaufbau auf, was zu Brüchen von Photodioden geführt hat, welche das Detektormodul zumindest zum Teil unbrauchbar machen. Eine FE-Analyse (Finite Elemente Analyse) hat gezeigt, dass die flächige Verklebung des Arrays von Szintillatorelementen mit dem Array von Photodioden den Bruch von Photodioden maßgeblich mit beeinflusst.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Detektor der eingangs genannten Art so anzugeben, dass der Detektor weniger störanfällig ist.
• Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines ein Array von Szintillatorelementen aufweisenden Detektors, bei dem aus einem Szintillatormaterial eine Vielzahl von einzelnen Szintillatorelementen hergestellt wird, welche jeweils wenigstens im Wesentlichen die Abmessungen eines Pixels aufweisen.
• Es wird also vorgeschlagen, keinen Gesamtverbund eines Arrays von Szintillatorelementen für den Detektor, sondern einzelne, unabhängig voneinander handhabbare Szintillatorelemente, welche nicht miteinander verbunden sind, für den Aufbau des Detektors zu verwenden. Wenn nach einer Variante der Erfindung der Detektor ein Array von Licht detektierenden Elementen, vorzugsweise ein Array von Photodioden, aufweist, wird jeweils ein Szintillatorelement auf einem Licht detektierenden Element, angebracht, wobei sich die Szintillatorelemente nicht berühren und sich in den Zwischenräumen zwischen den Szintillatorelementen vorzugsweise Luft befindet. Auf diese Weise sind die Auswirkungen der thermischen Ausdehnungen, insbesondere der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Szintillatormaterials und eines Licht detektierenden Elementes, insbesondere einer Photodiode, deutlich geringer. Darüber hinaus ergibt sich noch eine Reihe weiterer Vorteile, so erzielt man eine höhere Materialausbeute aus dem scheibenförmigen Szintillatorgrundmaterial, da man kleinere Bauteile, kleinere Trennspalte und weniger Randverschnitt hat. Durch die kleineren Bauteile wirken sich Materialfehlstellen weniger ungünstig aus, so dass die Materialausbeute aus dem scheibenförmigen Szintillatorgrundmaterial nochmals steigt. Des Weiteren ergibt sich eine Kostenreduktion, da die Scheibenstrukturierung des Szintillatorgrundmaterials sowie der Ausgießprozess mit einem reflektierenden Material wegfallen. Die einzelnen Szintillatorelemente erlauben auch eine schnellere Anpassung des Detektors an eine neue Geometrie, was die Ausgestaltung der Detektorfläche anbelangt. In Folge der einzelnen Szintillatorelemente spielen hinsichtlich der Ausrichtung der beiden Arrays relativ zueinander Unebenheiten der Licht detektierenden Elemente keine große Rolle mehr, so dass auch einfachere und somit günstigere Leiterplatten zur Aufnahme und Anordnung der Licht detektierenden Elemente verwendet werden können.
• Nach Ausführungsformen der Erfindung werden die Szintillatorelemente aus einer scheibenförmigen Szintillatorkeramik heraus gesägt, wobei die Szintillatorelemente vorzugsweise würfelförmig oder quaderförmig ausgebildet werden. Die würfelförmige oder quaderförmige Ausbildung der einzelnen Szintillatorelemente erfolgt in Anpassung an die Licht detektierenden Elemente, die in der Regel quadratische oder rechteckige Oberflächen aufweisen, über die jeweils ein Szintillatorelement zur Bildung eines Detektorelementes angeordnet wird.
• Zur Vermeidung des optischen Übersprechens zwischen den einzelnen Szintillatorelementen wird jedes der Szintillatorelemente nach einer Variante der Erfindung auf fünf Seitenflä chen mit einem optisch reflektierenden Material versehen. Nur die dem Licht detektierenden Element zugewandte Seitenfläche des Szintillatorelementes bleibt frei von dem reflektierenden Material. Nach einer Variante der Erfindung wird das optisch reflektierende Material jeweils als Schicht auf die fünf Seitenflächen des Szintillatorelementes aufgebracht. Die Aufbringung des optisch reflektierenden Materials auf die Seitenflächen kann in einem Moldingprozess unter definierten Temperatur- und Druckbedingungen, wie er beim Packaging von Halbleitern in der SMD-Technik (Surface Mounted Device) bekannt ist, erfolgen.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jedes Szintillatorelement in einem Bestückprozess auf jeweils ein Licht detektierendes Element geklebt, wozu die bisher verwendeten Klebstoffe weiter eingesetzt werden können. Der Bestückprozess kann unter Verwendung von Bestückautomaten aus der Elektronikproduktion erfolgen.
• Die den Detektor betreffende Aufgabe wird gelöst durch einen Detektor, vorzugsweise für Röntgenstrahlung, aufweisend ein Array von Szintillatorelementen, welches eine Vielzahl von einzelnen, nicht direkt miteinander verbundenen Szintillatorelementen umfasst.
• Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Detektor außerdem ein Array von Licht detektierenden Elementen, vorzugsweise ein Array von Photodioden, auf, so dass jedes Szintillatorelement einem Licht detektierenden Element zugeordnet ist.
• Wie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert, lassen sich durch einen Aufbau des Szintillatorarrays aus einzelnen Szintillatorelementen die Auswirkungen der thermischen Ausdehnungen, insbesondere der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Szintillatormaterials und eines Licht detektierenden Elementes, insbesondere einer Photodiode, deutlich reduzieren, wodurch Brüche von Photodioden weitgehend vermieden werden können.
• Die zuvor gemachten Aussagen zu Ausführungsformen des Verfahrens gelten entsprechend für gleichwertige Ausführungsformen des Detektors.
• Eine Variante des Detektors sieht vor, dass dieser mehrere Detektormodule aufweist, von denen jedes ein Array von Licht detektierenden Elementen und ein Array von Szintillatorelementen aufweist. Vorzugsweise wird mit den Detektormodulen ein Flächendetektor für ein Röntgengerät, speziell für ein Röntgencomputertomographiegerät aufgebaut, so dass es möglich ist, ganze Organe, wie das Herz eines Patienten, in einem Umlauf eines pyramidenförmigen Röntgenstrahlenbündels um einen Patienten abzuscannen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
• 1 in schematischer, teilweise blockschaltbildartiger Darstellung ein Computertomographiegerät,
• 2 ein Detektormodul des Computertomographiegerätes aus 1, und
• 3 ein Szintillatorarray aus einzelnen Szintillatorelementen.
• In 1 ist in schematischer, teilweise blockschaltbildartiger Darstellung ein Computertomographiegerät 1 gezeigt. Das Computertomographiegerät 1 umfasst eine Röntgenstrahlenquelle 2, von deren Fokus F ein Röntgenstrahlenbündel 3 ausgeht, welches mit in 1 nicht dargestellten, aber an sich bekannten Blenden beispielsweise fächerförmig oder pyramidenförmig geformt werden kann. Das Röntgenstrahlenbündel 3 durchdringt ein zu untersuchendes Untersuchungsobjekt 4 und trifft auf einem Röntgenstrahlendetektor 5 auf. Die Röntgen strahlenquelle 2 und der Röntgenstrahlendetektor 5 sind in in 1 nicht dargestellter Weise einander gegenüberliegend an einem Drehrahmen des Computertomographiegerätes 1 angeordnet, welcher Drehrahmen in φ-Richtung um die Systemachse Z des Computertomographiegerätes 1 drehbar ist. Im Betrieb des Computertomographiegerätes 1 drehen sich die an dem Drehrahmen angeordnete Röntgenstrahlenquelle 2 und der Röntgenstrahlendetektor 5 um das Untersuchungsobjekt 4, wobei aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen Röntgenaufnahmen von dem Untersuchungsobjekt 4 gewonnen werden. Pro Projektion trifft dabei durch das Untersuchungsobjekt 4 hindurch getretene und durch den Durchritt durch das Untersuchungsobjekt 4 geschwächte Röntgenstrahlung auf dem Röntgenstrahlendetektor 5 auf, wobei der Röntgenstrahlendetektor 5 Signale erzeugt, welche der Intensität der aufgetroffenen Röntgenstrahlung entsprechen. Aus den mit dem Röntgenstrahlendetektor 5 ermittelten Signalen berechnet ein Bildrechner 6 in an sich bekannter Weise eines oder mehrere zwei- oder dreidimensionale Bilder des Untersuchungsobjektes 4, welche auf einem Sichtgerät 7 darstellbar sind.
• Der Röntgenstrahlendetektor 5 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Vielzahl von Detektormodulen 8 auf, die in φ-Richtung und in Z-Richtung nebeneinander auf einem nicht explizit dargestellten Detektorbogen, welcher eine Zylinderteilfläche darstellt, angeordnet sind und den flächigen Röntgenstrahlendetektor 5 bilden.
• Ein Detektormodul 8 des Röntgenstrahlendetektors 5 ist in 2 exemplarisch gezeigt. Das Detektormodul 8 weist einen vertikalen Aufbau auf, wobei ein Szintillatorarray 10 über einem Array von Photodioden 11 auf Halbleiterbasis angeordnet ist. Oberhalb des Szintillatorarrays 10 ist ein Kollimator 9 vorhanden, so dass nur Röntgenstrahlung aus einer bestimmten Raumrichtung auf das Szintillatorarray 10 gelangen kann. Das Array von Photodioden 11 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels auf einer Leiterplatte 12 angeordnet, auf deren anderer Seite sich nicht näher dargestellte, zu einer Auswerteelektronik 13 gehörende elektrotechnische Bauelemente befinden, die die von den Photodioden erzeugten elektrischen Signale vorverarbeiten. Die vorverarbeiteten Signale werden anschließend in nicht explizit dargestellter Weise, beispielsweise mit Schleifringen, zu dem Rechner 6 übertragen, welcher zweidimensionale Schnittbilder oder dreidimensionale Bilder von dem Untersuchungsobjekt rekonstruiert.
• Das Szintillatorarray 10 setzt sich, wie aus den 2 und 3 zu erkennen ist, erfindungsgemäß aus einer Vielzahl von einzelnen Szintillatorelementen 14 zusammen. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wurden die einzelnen Szintillatorelemente 14 dadurch erhalten, dass man diese aus einer nicht gezeigten scheibenförmigen Szintillatorkeramik herausgesägt hat. Eine derartige Keramik ist beispielsweise die von der Siemens AG hergestellte und für den Aufbau von Detektoren verwendete UFC (Ultra Fast Ceramic). Prinzipiell können aus der Szintillatorkeramik Szintillatorelemente in nahezu beliebiger Form hergestellt werden. In Anpassung an die bevorzugte Form und Oberfläche der Photodioden 15 des Arrays von Photodioden 11, sind die Szintillatorelemente im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels quaderförmig hergestellt worden und weisen die Abmessungen eines Pixels mit einer Kantenlänge von ca. 1 × 1,2 × 1,2 mm auf.
• Wie aus der 3 zu erkennen ist, sind fünf Oberflächen 16 eines jeden Szintillatorelementes 14 mit einer Schicht eines optisch reflektierenden Materials versehen. Nur die Deckflächen 17 der in 3 gezeigten Szintillatorelemente 14, welche Deckflächen im Übrigen den jeweiligen Photodioden 15 zugewandt sind, weisen keine Schicht eines reflektierenden Materials auf.
• In 3 ist gezeigt, wie die einzelnen, frei handhabbaren Szintillatorelemente 14 zu einem Array von Szintillatorelementen angeordnet werden können. Die Szintillatorelemente 14 sind jedoch nicht miteinander verbunden, bilden also keinen für sich handhabbaren Verbund. Vielmehr ergibt sich die Aus bildung als Array erst dann, wenn die Szintillatorelemente 14 in einem Bestückprozess mit ihren Deckflächen 17 auf die Photodioden 15 unter Verwendung eines der bisher verwendeten Klebstoffe, z.B. Araldite, geklebt werden, wie dies aus 2 zu erkennen ist. Die einzelnen Szintillatorelemente 14 berühren sich dabei nicht. Die Zwischenräume 18 zwischen den Szintillatorelementen 14 sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit Luft gefüllt. Auf diese Weise sind die Szintillatorelemente 14 insbesondere hinsichtlich ihrer thermischen Ausdehnung voneinander entkoppelt.
• Das Array von Photodioden 11 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels hingegen als für sich handhabbarer Verbund ausgeführt. Bei den Räumen 19 handelt es sich demnach nicht um luftgefüllte Zwischenräume zwischen den Photodioden 15, sondern um nicht oder nur schwach dotierte Halbleiterbereiche.
• Die Bestückung der Photodioden 15 mit Szintillatorelementen 14 kann im Übrigen unter Verwendung von Bestückautomaten erfolgen, wie sie in der Elektronikproduktion eingesetzt werden.
• Die Erfindung wurde vorstehend im Zusammenhang mit einem Computertomographiegerät beschrieben. Ein Detektormodule aufweisender Detektor ist aber auch bei anderen Röntgengeräten, beispielsweise bei einem C-Bogen-Röntgengerät, einsetzbar.

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung eines ein Array von Szintillatorelementen (10) aufweisenden Detektors (5), bei dem aus einem Szintillatormaterial eine Vielzahl von einzelnen Szintillatorelementen (14) hergestellt wird, welche jeweils wenigstens im Wesentlichen die Abmessungen eines Pixels aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Herstellung eines ein Array von Licht detektierenden Elementen (11) aufweisenden Detektors (5) jeweils ein Szintillatorelement (14) auf einem Licht detektierenden Element (15) befestigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Szintillatorelemente (14) aus einer scheibenförmigen Szintillatorkeramik heraus gesägt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Szintillatorelemente (14) würfelförmig oder quaderförmig ausgebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem fünf Seitenflächen (16) eines jeden Szintillatorelementes (14) mit einem optisch reflektierenden Material versehen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das optisch reflektierende Material jeweils als Schicht auf den fünf Seitenflächen (16) des Szintillatorelementes (14) aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem jedes Szintillatorelement in einem Bestückprozess auf ein Licht detektierendes Element geklebt wird.
8. Detektor, aufweisend ein Array von Szintillatorelementen (10), welches eine Vielzahl von einzelnen, nicht unmittelbar miteinander verbundenen Szintillatorelementen (14) umfasst.
9. Detektor nach Anspruch 8, aufweisend ein Array von Licht detektierenden Elementen (11), wobei jedes Szintillatorelement (14) einem Licht detektierenden Element (15) zugeordnet ist.
10. Detektor nach Anspruch 8 oder 9, bei dem ein Szintillatorelement (14) würfelförmig oder quaderförmig ausgebildet ist.
11. Detektor nach Anspruch 10, bei dem fünf Seitenflächen (16) des Szintillatorelementes (14) mit einem optisch reflektierenden Material versehen sind.
12. Detektor nach Anspruch 11, bei dem das optisch reflektierende Material jeweils als Schicht auf den fünf Seitenflächen (16) des Szintillatorelementes (14) vorliegt.
13. Detektor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem ein Szintillatorelement (14) mit einem Licht detektierenden Element (15) verklebt ist.
14. Detektor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, welcher mehrere Detektormodule (8) aufweist, von denen jedes ein Array von Licht detektierenden Elementen (11) und ein Array von Szintillatorelementen (10) aufweist.
15. Detektor nach einem der Ansprüche 8 bis 14, welcher für ein Röntgengerät (1) vorgesehen ist.
16. Detektor nach einem der Ansprüche 8 bis 15, welcher für ein Röntgencomputertomographiegerät (1) vorgesehen ist.