DE102007062891A1

DE102007062891A1 - Aufbau von CT-Detektormodulen

Info

Publication number: DE102007062891A1
Application number: DE102007062891A
Authority: DE
Inventors: John Eric Tkaczyk; Yanfeng Du; Jonathan David Short; James Wilson Rose; Charles Gerard Woychik
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-01-04
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2008-07-10
Also published as: JP5432448B2; CN101214154B; US20080165921A1; US7606346B2; CN101214154A; JP2008161689A

Abstract

Es wird ein Detektormodul (20) für ein CT-Bildgebungssystem (10) bereitgestellt. Das Detektormodul (20) enthält ein Sensorelement (52), um Röntgenstrahlen (16) in elektrische Signale umzuwandeln. Das Sensorelement (52) ist an ein Datenerfassungssystem (DAS) (54) über ein Zwischenverbindungssystem gekoppelt, wobei das DAS (54) aus einem elektronischen Trägermaterial (56) und einer integrierten Schaltung (70) besteht. Das Zwischenverbindungssystem koppelt das Sensorelement (52), das elektronische Trägermaterial (56) und die integrierte Schaltung (70) mittels einer Kontaktflächenzwischenverbindung (60) zusammen mit einer Drahtbondzwischenverbindung (72) oder einer zusätzlichen Kontaktflächenzwischenverbindung (60).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Wesentlichen eine elektrische Schnittstelle für ein Sensorelement, und insbesondere eine auf einer integrierten Schaltung (IC) basierende elektrische Schnittstelle zwischen dem Sensorelement und einem Datenerfassungssystem (DAS), wie es als ein modulares anreihbares Element in einem großflächigen Detektor für ein Computertomographie-(CT)-System verwendet werden kann.
Radiografische Bildgebungssysteme, wie z. B. Röntgen- und Computertomographie (CT), werden bereits zur Beobachtung von inneren Aspekten eines Versuchsobjektes in Echtzeit verwendet. Typischerweise enthalten die Bildgebungssysteme eine Röntgenstrahlungsquelle, die dafür eingerichtet ist, Röntgenstrahlung auf ein interessierendes Versuchsobjekt, wie z. B. einen Patienten oder ein Gepäckstück hin zu emittieren. Eine Detektionsvorrichtung, wie z. B. eine Anordnung von Strahlungsdetektoren, ist auf der anderen Seite des Versuchsobjektes positioniert und so eingerichtet, dass sie die durch das Versuchsobjekt hindurch getretene Röntgenstrahlen detektiert.
Ein in einem Computertomographie-(CT)-System verwendeter bekannter Detektor beinhaltet einen Energie unterscheidenden, Direktumwandlungsdetektor. Wenn es Röntgenstrahlenenergie ausgesetzt wird, wandelt ein Sensorelement in dem Direktumwandlungsdetektor diese Röntgenstrahlung in Energie um, um ein einem einfallenden Photonenfluss entsprechendes analoges elektrisches Signal zu erzeugen.
Ein Datenerfassungssystem (DAS) kann die analogen Signale aus dem Direktumwandlungsdetektor erfassen und diese Signale in digitale Signale zur anschließenden Verarbeitung umwandeln. Schnittstellenbaugruppen, die herkömmlicherweise zwischen dem Detektor und dem DAS verwendet wurden, haben das Erzielen einer optimalen Signalintegrität für die analogen Signale nicht ermöglicht. Ein Faktor in dieser nicht-optimalen Signalqualität sind die Zwischenverbindungspfade zwischen dem Sensorelement und dem DAS. Derzeitige Detektormodule bauen Zwischenverbindungen von der Sensorausleseoberfläche zu dem DAS mit einer Zwischenverbindungsstruktur auf, welche lange Metallbahnen auf einer flexiblen oder starren Leiterplatte mit sich bringt. Da die Dichte von Sensorelementen zunimmt, wird die Leitungsführung von Zwischenverbindungen zwischen dem DAS und dem Sensor schwieriger. Mehrere Baugruppenschichten sind erforderlich, um die Zwischenverbindungen zu führen, und verursachen somit eine erhöhte Kapazität und verringerte Zuverlässigkeit.
Demzufolge ist es erwünscht, ein System von Zwischenverbindungen bereitzustellen, das eine kurze kapazitätsarme Zwischenverbindung eines Sensorelementes mit dem DAS ermöglicht. Ferner ist es erwünscht, dass die Sensor- und Signalverarbeitungselektronikeinheiten in einer anreihbaren Einheit mit zwei, drei oder vier Seiten, die aneinander anliegen, verpackt werden, um eine Sensoranordnung zu erzeugen, welche relativ kleine Zwischenräume zwischen den Einheiten aufweist.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung mit einem verbesserten Zwischenverbindungsaufbau bereit, welcher die vorstehend erwähnten Nachteile überwindet. Mehrere Drahtbondverbindungen und Hügelbondverbindungen bilden kurze kapazitätsarme Zwischenverbindungen zwischen den Sensorelementen und verschiedenen Komponenten in einem DAS.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein CT-Bildgebungssystem ein Portal mit einer dadurch ausgebildeten Bohrung, die zur Aufnahme eines durch die Bohrung hindurch zu verschiebenden Patienten ausgelegt ist, eine in dem Portal angeordnete und zur Emission von Röntgenstrahlung zu dem Patienten eingerichtete Röntgenstrahlungsquelle, und ein in dem Portal zum Aufnehmen von durch den Patienten abgeschwächten Röntgenstrahlen angeordnetes Detektormodul. Das Detektormodul enthält ferner ein Sensorelement, um die Röntgensignale in entsprechende elektrische Signale umzuwandeln, ein Datenerfassungssystem (DAS), um die elektrischen Signale aufzubereiten, welches wenigstens eine integrierte Schaltung auf einem elektronischen Trägermaterial enthält, und ein Zwischenverbindungssystem, um das Sensorelement, die wenigstens eine integrierte Schaltung und das elektronische Trägermaterial zu verbinden, wobei das Zwischenverbindungssystem eine erste Kontaktflächenzwischenverbindung und eine von einer Drahtbond-Zwischenverbindung und einer zweiten Kontaktflächenverbindung enthält.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Detektormodul zur Verwendung in einem CT-Bildgebungssystem einen Direktumwandlungssensor, der dafür eingerichtet ist, Röntgensignale aufzunehmen und die Röntgensigna le in entsprechende analoge Signale umzuwandeln, und ein Datenerfassungssystem (DAS) mit einer Chipbaugruppe und wenigstens einem auf der Chipbaugruppe montierten elektronischen Bauelement, wobei das elektronische Bauelement dafür eingerichtet ist, die analogen Signale in entsprechende digitale Signale umzuwandeln. Das Detektormodul enthält auch ein erstes Bondverbindungssystem, das den Direktumwandlungssensor mit einem von der Chipbaugruppe und dem elektronischen Bauelement mittels einer ersten Hügelbondverbindungsanordnung verbindet, und ein zweites Bondverbindungssystem, das das elektronische Bauelement mit der Chipbaugruppe verbindet, wobei das zweite Bondverbindungssystem eines von einer Drahtbondverbindungsanordnung und einer zweiten Hügelbondverbindungsanordnung aufweist.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Aufbau eines Detektormoduls die Schritte einer Positionierung eines Röntgensensors zum Empfangen von Röntgenstrahlen aus einer Röntgenstrahlungsquelle und der Positionierung eines Datenerfassungssystems (DAS) hinter dem Röntgensensor in Bezug zur Röntgenstrahlungsquelle, um die empfangenen Röntgenstrahlen aufzubereiten, wobei das DAS wenigstens eine Elektronik mit wenigstens einer integrierten Schaltung darauf enthält. Das Verfahren beinhaltet auch die Schritte der Kopplung des Röntgensensors mit dem elektronischen Trägermaterial über ein Hügelbondverbindungssystem und die Kopplung der wenigstens einen integrierten Schaltung mit dem elektronischen Trägermaterial über eines von einem Drahtbondverbindungssystem und einem zweiten Hügelbondverbindungssystem.
Verschiedene weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen stellen Ausführungsformen dar, welche derzeit für die Ausführungsform der Erfindung in Betracht gezogen werden. In den Zeichnungen ist:
1 eine perspektivische Ansicht eines Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 eine schematische Darstellung des CT-Bildgebungssystems von 1.
3 eine perspektivische Ansicht eines Detektormoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 eine Unterseitendraufsicht auf das Detektormodul von 3.
5 eine Seitenquerschnittsansicht entlang der Linie 5-5 von 4.
6 eine perspektivische Explosionsansicht eines Detektormoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 eine perspektivische Explosionsteilansicht eines Detektormoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 eine perspektivische Explosionsteilansicht eines Detektormoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 eine perspektivische Explosionsteilansicht eines Detektormoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 eine perspektivische Explosionsteilansicht eines Detektormoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 eine perspektivische Ansicht eines Detektormoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In den 1 und 2 ist eine Ausführungsform eines Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystems 10 mit einem für einen CT-Scanner der "dritten Generation" repräsentativen Portal 12 dargestellt. Das Portal 12 weist eine Röntgenstrahlungsquelle 14 auf, die ein Bündel von Röntgenstrahlen 16 auf die Detektoranordnung 18 auf der gegenüberliegenden Seite des Portals 12 projiziert. Die Detektoranordnung 18 wird von mehreren Detektormodulen 20 gebildet, welche zusammen die projizierten Röntgenstrahlen messen, welche einen Patienten 22 durchlaufen. Jeder Detektor 20 erzeugt ein elektrisches Signal, welches nicht nur die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahlbündels repräsentiert, sondern auch in der Lage ist, Photonen- oder Röntgen-Anzahldaten, und somit den abgeschwächten Strahl so, wie er den Patienten 22 durchläuft zu liefern. Während eines Scans zum Erfassen von Röntgenprojektionsdaten rotieren das Portal 12 und die darauf befestigten Komponenten um einen Rotationsmittelpunkt 24.
Die Rotation des Portals 12 und die Betätigung der Röntgenstrahlungsquelle 14 werden von einem Steuermechanismus 26 des CT-Systems 10 gesteuert. Der Steuermechanismus 26 enthält eine Röntgensteuerung 28, welche Energie und Zeitsignale an eine Röntgenstrahlungsquelle 14 sendet, und eine Portalmotorsteuerung 30, die die Rotationsgeschwindigkeit und Position des Portals 12 steuert. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 34 empfängt abgetastete und digitalisierte Röntgendaten aus dem DAS 54 und führt eine Hochgeschwindigkeitsrekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild wird als ein Eingangssignal in einen Computer 36 eingegeben, welcher das Bild in einer Massenspeichervorrichtung 38 speichert.
Der Computer 36 empfängt auch Befehle und Scanparameter von einem Bediener über eine Konsole 40 mit einer Tastatur zum Eingeben von Datenparametern. Eine zugeordnete Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinrichtung 42 ermöglicht dem Bediener, das rekonstruierte Bild und weitere Daten aus dem Computer 36 zu betrachten. Die von dem Bediener eingegebenen Befehle und Parameter werden von dem Computer 36 genutzt, um Steuersignale und Information an das DAS 32, die Röntgensteuerung 28 und eine Portalmotorsteuerung 30 zu liefern. Zusätzlich betreibt der Computer 36 eine Tischmotorsteuerung 44, welche einen motorisierten Tisch 46 steuert, um den Patienten 22 im Portal 12 zu positionieren. Insbesondere bewegt der Tisch 46 Abschnitte des Patienten 22 durch eine Portalöffnung 48.
Die Detektormodule 20 des CT-Bildgebungssystems 10 sind mit einer Schnittstellenarchitektur aufgebaut, die eine Tren nung (z. B. in einer Baugruppe einer integrierten Schaltung) von Signalen mit einer vorgegebenen elektrischen Eigenschaft (z. B. relativ empfindlichen analogen Signalen) von Signalen mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften in Bezug auf die vorgegebene elektrische Eigenschaft (z. B. digitale und/oder Versorgungssignale) mittels kapazitätsarmer Zwischenverbindungen ermöglicht. D. h., die durch einen Röntgensensor in Detektormodulen 20 erzeugten analogen Signale werden über Zwischenverbindungen an ein Datenerfassungssystem (DAS) übertragen, das eine gewünschte Signalaufbereitung (z. B. Analog/Digital-Wandlung) für die empfindlichen analogen Signale bereitstellt. Getrennte digitale und Versorgungszwischenverbindungen sind in dem DAS angeordnet, welche von den analogen Sensorzwischenverbindungen getrennt sind, um digitale Signale und Versorgungsenergie zu übertragen. Das DAS kann auf Siliziumchips erzeugte anwendungsspezifische integrierte Schaltungen zum Bereitstellen einer speziellen Funktionalität, wie z. B. Analog/Digital-Umwandlung (ASIC) bereitstellen. Beispielsweise können die analogen Zwischenverbindungen in einem ersten Bereich des ASIC-Chips (z. B. auf der Oberseite des ASIC-Chips) ausgebildet sein, und die Zwischenverbindungen der digitalen Signale und Versorgung können bei einem zweiten von dem ersten Bereich beabstandeten Bereich (z. B. angrenzend an Seiten der ASIC oder auf einer Unterseite des ASIC) ausgebildet sein. Typischerweise befinden sich die analogen und digitalen Verbindungen zu dem ASIC auf einer Seite des Siliziumchips. Es wird in Betracht gezogen, dass die genaue Kombination und Konfiguration der Zwischenverbindungen und deren Funktion variiert, und nicht auf eine spezifische Detektormodularchitektur beschränkt ist. Stattdessen sind die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen als exemplarische Konfigurationen für die Ausführung der vorliegenden Erfindung vorgesehen.
3 stellt ein Detektormodul 20 mit Konstruktionsmerkmalen und einem Anordnungs-"Stapelaufbau" gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das Detektormodul 20 hat das Merkmal, dass es so anreihbar ist, dass ähnliche Detektormoduleinheiten an allen vier Seiten anliegen können. Das Detektormodul 20 enthält ein Sensorelement 52, das so eingerichtet ist, dass es Röntgensignale aufnimmt und die Röntgensignale in entsprechende elektrische analoge Signale umwandelt. Bevorzugt weist das Sensorelement 52 eine Einzellage aus Direktumwandlungsmaterial auf, wovon Beispiele Cadmiumtellurid, Cadmiumzinktellurid-Kristalle, polykristalline Kompaktstoffe und Filmlagen umfassen. Gemäß Darstellung in 3 ist das Sensorelement 52 mit dem DAS 54 gekoppelt, um die analogen Signale in digitale Signale umzuwandeln. Insbesondere ist das Sensorelement 52 mit dem elektronischen Trägermaterial 56 gekoppelt, das einen Teil des DAS 54 bildet. Um diese Kopplung zu ermöglichen, ist ein Rasteradapter 58 zwischen dem Sensorelement 52 und dem elektronischen Trägermaterial 56 eingefügt. Der Rasteradapter 58 ist eine doppelseitige Verbindung mit Kontaktflächen 60 auf jeder Seite davon für eine Verbindung mit Kontaktflächen 60 auf der unteren Ausleseoberfläche des Sensorelementes 52 und Kontaktflächen 60 auf dem elektronischen Trägermaterial 56. Der Rasteradapter 58 ist dafür eingerichtet, das Sensorelement 52 mit dem elektronischen Trägermaterial 56 zu verbinden, wenn unterschiedliche Konfigurationen der Kontaktfläche 60 und/oder des Rasters auf dem Sensorelement 52 und dem elektronischen Trägermaterial 56 vorliegen. Die Oberseite des Rasteradapters 58 hat Kontaktflächen 60, die einer Kontaktflächenkonfiguration der Unterseite des Sensorelementes 52 entsprechen, und hat Kontaktflächen 60, die einer anderen Kontaktflächenkonfiguration auf dem elektronischen Trägermaterial 56 entsprechen.
Es ist ferner vorstellbar, dass die Kontaktflächen 60 des Sensorelementes 52 in derselben Konfiguration wie die die Kontaktflächen 60 auf dem elektronischen Trägermaterial 56 vorliegen. In dieser Anordnung ist kein Rasteradapter 80 für die Kopplung des Sensorelementes 52 mit dem elektronischen Trägermaterial 56 erforderlich. In dieser Ausführungsform hat das Sensorelement 52 eine Unterseitenausleseoberfläche mit Kontaktflächen 60 darauf, die direkt mit dem elektronischen Trägermaterial 56 gekoppelt sind. D. h., die Kontaktflächen 60 auf der Unterseite des Sensorelementes 52 sind so angeordnet, dass sie mit entsprechenden Kontaktflächen 60 auf der Oberseite des elektronischen Trägermaterials 56 eine Kopplung bilden.
Die Implementation von Kontaktflächen 60 als eine Zwischenverbindung zwischen dem Sensorelement 52 und dem DAS 54 ist insbesondere vorteilhaft, da sie im Wesentlichen eine kurze Verbindung (d. h., ohne Zwischenverbindungsleitungen) mit geringer Kapazität zwischen dem Sensorelement 52 und dem DAS 54 erlaubt. Bevorzugt enthält das Sensorelement 52 eine individuelle Kontaktfläche für jedes Pixel in dem Direktumwandlungssensor. Eine derartige Konfiguration trägt zur Sicherstellung einer hoch qualitativen Übertragung der empfindlichen analogen Signale bei.
Gemäß Darstellung in 3 ist das elektronische Trägermaterial 56 auch mit einer Leitungsführungsanordnung 62, welche senkrecht zu dem Sensorelement 52 und dem elektronischen Trägermaterial 56 angeordnet ist, verbunden oder darin integriert. Die senkrechte Orientierung der Leitungsführungsanordnung 62 ermöglicht eine Verbindung mit der darauf angeordneten digitalen Zwischenverbindung 64, und ermöglicht damit ei ne verbesserte Übertragung digitaler Daten aus dem Detektormodul 20 zu Verarbeitungskomponenten des CT-Scannsystems 10 von 1. Zusätzlich weisen das elektronische Trägermaterial 56 und die Leitungsführungsanordnung 62 keine Komponenten auf ihren Seitenwänden auf, die sich über das Sensorelement 52 hinaus erstrecken, um jeder Seite des Sensorelementes 52 zu ermöglichen, unmittelbar an einem weiteren Detektormodul desselben Typs anzuliegen. Auf diese Weise wird eine vierseitige Anreihbarkeit durch diese Konstruktion bereitgestellt und ermöglicht den Aufbau großflächiger Detektoren.
Das Detektormodul 20 enthält auch eine Hochspannungs-Zwischenverbindung 66, welche einen Kontakt zu dem Sensorelement 52 an dessen gemeinsamer Kathode herstellt, um Energie an das Detektormodul 20 zu liefern. Es ist vorwegzunehmen, dass diese Verbindung 66 für viele Detektormodule 20 gemeinsam sein kann und aufgebracht wird, nachdem die Detektormodule 20 zu einer großen Anordnung aufgereiht sind. Die Hochspannungs-Zwischenverbindung 66 ist isoliert, um einen Kurzschluss zu anderen Teilen des Detektormoduls 20 außer dem Kathodenkontakt zu verhindern. Eine Vorspannungssteuerung 68 ist ebenfalls in dem Detektormodul 20 enthalten und bildet zusätzliche Verbindungen getrennt von den Pixelanodenverbindungen aus. Die Vorspannungssteuerung 68 stellt eine Verbindung zwischen dem Sensorelement 52 oder Rasteradapter 58 zu dem DAS 54 her. In der in 3 dargestellten Ausführungsform liegt die Vorspannungssteuerung 68 in der Form eines Kontaktfeldes 60 vor und ist in die gesamte Zwischenverbindung des Kontaktfeldes 60 integriert. Es ist auch vorstellbar, dass die Vorspannungssteuerung 68 über eine getrennte Drahtbonstelle oder Spannungsleitung ausgeführt werden könnte. Die Anzahl von Vorspannungssteuerungen 68, die bei der Verbindung des Sensorelementes 52 zu dem DAS 54 verwendet werden, variiert abhängig von den Werten der erwarteten einfallenden Flussrate der durch das Sensorelement empfangenen Röntgenphotonen ab. Die Funktion der Vorspannungssteuerung 68 besteht darin, die aktive Fläche des Sensorelementes 52 dynamisch abhängig von der Röntgenphotonenflussrate anzupassen, um eine Sättigung des Sensorelementes 52 zu verhindern. Die aktive Fläche des Sensorelementes 52, oder der Grad der Subpixelelement-Einstufung kann durch Steuern der Spannungen durch die Vorspannungssteuerung 68 angepasst werden.
Gemäß Darstellung in den 4 und 5 enthält das DAS 54 wenigstens eine integrierte Schaltung 70, die auf der Unterseite des elektronischen Trägermaterials 56 montiert ist. Weitere aktive und passive Schaltungen einschließlich Widerständen und Kondensatoren können ebenfalls vorhanden sein. Bevorzugt ist wenigstens eine integrierte Schaltung 70 als eine Photonen zählende anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) eingerichtet, welche in der Lage ist, das analoge Signal aus dem Sensorelement 52 in ein digitales Signal umzuwandeln. Dieses ASIC oder eine ähnliche Schaltung liefert Daten oder eine Rückkopplung bezüglich der Anzahl und/oder der Energie von Photonen, die in den von dem Sensorelement 52 empfangenen Röntgenstrahlen detektiert werden. Wie es für integrierte Schaltungen, die mittels eines herkömmlichen CMOS-Prozesses hergestellt werden, üblich ist, sind die Zwischenverbindungsflächen für analoge Eingangs-, digitale Ausgangs- und Energieverbindungen auf der Oberseite 76 der integrierten Schaltungen 70, welche dieselbe Seite wie die der Verarbeitungsschaltungen ist, ausgebildet. Die meisten herkömmlichen integrierten Schaltungen 70 sind elektrisch mit dem elektronischen Trägermaterial 56 mittels Drahtbonstellen 72 verbunden, die auf dem Umfang der Oberseite 76 der integrierten Schaltungen 70 angeordnet sind. Die Drahtbondverbin dungen 72 koppeln die elektronischen Schaltungen 70 mit dem elektronischen Trägermaterial 56, um das von dem Sensorelement 52 empfangene analoge Eingangssignal zu übertragen, und um digitale Signale und Versorgungssignale zu übertragen. Gemäß Darstellung in 5 entspringen die Drahtbondverbindungen 72 an der Oberseite 76 der integrierten Schaltung 70 verlaufen über die Dicke der integrierten Schaltung 70 zu der Rückseite des DAS-Trägermaterials 74. Alternativ nutzt eine Kopfüber- bzw. so genannte Flip-Chip-Montage des ASIC eine Flächenanordnungskonfiguration von Kontaktflächen, um die Signale ohne Drahtbondverbindungen zu koppeln. Für die Flip-Chip-Konfiguration ist die Oberseite 76 der integrierten Schaltungen 70 der Oberfläche 74 des elektronischen Trägermaterials 56 zugewandt. Es ist nicht angedacht, dass einige Kombinationen von Drahtbondverbindungen und Flip-Chip-Kontaktierungen bei dieser in 4 und 5 dargestellten Baugruppe angewendet werden, wobei dieses aber durch Ausführungsformen angesprochen wird, die in den späteren Figuren dargestellt werden.
Wie in 4 und 5 dargestellt, sind Drahtbondverbindungen 72 auf einer Unterseite 74 des elektronischen Trägermaterials 56 in Verbindung mit den integrierten Schaltungen 70 positioniert. Die Drahtbondverbindungen dienen zur Bereitstellung aller analogen, digitalen und Energieverbindungen. Die Drahtbondverbindungen 72 sind so positioniert, dass sie ein detailliertes Layout haben, dass sie physikalisch analoge und digitale Zwischenverbindungsbahnen und Schichten trennen. Zusätzlich sind Masseabschirmungsbahnen und Schichten in die Auslegung des elektronischen Trägermaterials 56 dergestalt integriert, dass sie physikalisch zwischen oder benachbart zu den analogen und digitalen Leitungen positioniert sind. Auf diese Weise wird eine Interferenz zwischen analogen und digi talen Signalen auf den Drahtbondverbindungen 72 und auf der Kopplung des Sensorelementes 52 zu dem elektronischen Trägermaterial 56 mittels Kontaktflächen 60 gemäß Darstellung in 3 vermieden. Somit kann die Signalintegrität der analogen Signale während der Übertragung zwischen dem Sensorelement 52 und dem DAS 54 aufrechterhalten werden.
Eine zusätzliche Ausführungsform des Detektormoduls 20 ist in 6 dargestellt, welche den Fall annehmen kann, in welchem die integrierte Schaltung 70 sowohl Flip-Chip- als auch Drahtbondflächen besitzt. Die Kombination von Flip-Chip- und Drahtbondflächen kann eine verbesserte Isolation von analogen und digitalen Signalen bereitstellen. Wie darin dargestellt, sind die integrierten Schaltungen 70 (d. h. ASICs) auf der Oberseite des elektronischen Trägermaterials 56 montiert. In dieser Ausführungsform stellen Kontaktflächen 60 auf der Oberseite 76 der integrierten Schaltungen 70 analoge Verbindungen zwischen dem Sensorelement 52 und den integrierten Schaltungen 70 bereit. Digitale Signalverbindungen und Energieverbindungen werden von Drahtbondverbindungen 72 gebildet, welche mit der Oberseite 76 der integrierten Schaltung 70 verbunden sind und zu dem elektronischen Trägermaterial 76 verlaufen. Die Drahtbondverbindungen 72 sind an gegenüberliegenden Enden der integrierten Schaltungen 70 positioniert und stellen angrenzend an die Kontaktflächen 60 eine Verbindung her, um so die Kopplung des Sensorelementes 52 zu den integrierten Schaltungen 70 nicht zu stören.
Ferner ist in 6 ein Modulhalter 78 dargestellt, welcher das Detektormodul 20 in der in 2 dargestellten Gesamtdetektoranordnung 18 und der Kollimatoranordnung 79 ausrichtet. Das Detektormodul 20 wird an dem Modulhalter 78 befestigt, indem Ausrichtungsstifte 80 des Modulhalters 78 in Öffnungen 82 auf dem elektronischen Trägermaterial 56 eingeführt werden, obwohl es auch vorstellbar ist, dass andere Verbindungsmechanismen das Detektormodul 20 mit dem Modulhalter 78 verbinden können. Die Ausrichtungsstifte 80 positionieren die Detektoranordnung 20 korrekt zu der Kollimatoranordnung 79 von 2, so dass Röntgenstrahlen kollimiert werden, bevor sie auf das Sensorelement 52 auftreffen. Ferner ist in dem Modulhalter 78 ein Schlitz 84 ausgebildet, welcher einen Durchtritt der senkrecht ausgerichteten Leitungsführungsanordnung 62 ermöglicht.
7 stellt eine zusätzliche Ausführungsform des Detektormoduls 20 dar, in welcher die integrierten Schaltungen 70 auf der Oberseite des elektronischen Trägermaterials 56 montiert sind. In dieser Ausführungsform stellen die Kontaktflächen 60 auf der Oberseite 76 der integrierten Schaltungen 70 analoge Verbindungen zwischen dem Sensorelement 52 und den integrierten Schaltungen 70 her. Digitale Signalverbindungen und Energieverbindungen werden durch die mit der Oberseite der integrierten Schaltungen 70 und zu dem elektronischen Trägermaterial 56 verlaufenden Drahtbondverbindungen 72 gebildet. Die Drahtbondverbindungen 72 sind an gegenüberliegenden Enden der integrierten Schaltungen 70 angeordnet und stellen angrenzend an die Kontaktflächen 60 einen Kontakt her, um so die Kopplung des Sensorelementes 52 mit den integrierten Schaltungen 70 nicht zu stören. Gemäß Darstellung in 7 ist jede integrierte Schaltung 70 so eingerichtet, dass sie an drei Seiten an zusätzlichen integrierten Schaltungen 70 anliegen kann. Dieses ermöglicht entlang der z-Achse eine Breite von zwei integrierten Schaltungen 70 und entlang der x-Achse eine Länge, die bezüglich der Anzahl der integrierten Schaltungen 70 unbegrenzt ist. Diese Konstruktion ermöglicht eine größere Dichte von mit den integrierten Schaltungen 70 zu koppelnden Sensorelementen 52.
In der Ausführungsform von 8 stellen Kontaktflächen 60 auf der Oberseite 76 der integrierten Schaltung 70 analoge Verbindungen zwischen dem Sensorelement 52 und der integrierten Schaltung 70 bereit. Die Fläche des Sensorelementes 52 ist größer als die der integrierten Schaltung 70, und somit hängt ein Teil des Sensorelementes 52 auf der integrierten Schaltung 70 über. Um eine Halterung für das Sensorelement 52 bereitzustellen, ist ein isolierendes Halterungselement 86 zwischen dem überhängenden Abschnitt des Sensorelementes 52 und dem elektronischen Trägermaterial 56 positioniert, um das Detektormodul 20 mechanisch robuster zu machen.
In der Ausführungsform von 9 sind das Sensorelement 52 und die integrierten Schaltungen 70 in einer nebeneinander liegenden Konfiguration positioniert. Sowohl das Sensorelement 52 als auch die integrierten Schaltungen 70 sind mit dem elektronischen Trägermaterial 56 mittels Kontaktflächen 60 verbunden, welche die analogen Signale, digitalen Signale und Versorgungssignale übertragen. In dieser Konfiguration ist ein Strahlungsschild 88 über der integrierten Schaltung 70 positioniert, um die integrierte Schaltung 70 vor Röntgenbestrahlung abzuschirmen. Der Strahlungsschild 88 besteht aus einem aus Wolfram oder irgendeinem anderen geeigneten Metall oder Legierung hergestellten Block, der zum Blockieren von Röntgenstrahlen positioniert ist, die ansonsten auf die integrierte Schaltung 70 auftreffen könnten.
In einer alternativen Ausführungsform, und gemäß Darstellung in 10 ist, wenn das Sensorelement 52 und die integrierte Schaltung 70 in einer nebeneinander liegenden Konfigu ration vorliegen, und Drahtbondverbindungen 72 verwendet werden, um die integrierte Schaltung 70 mit dem elektronischen Trägermaterial 56 zu verbinden, ein flexibler Rasteradapter 90 enthalten, um das Sensorelement 52 mit der integrierten Schaltung 70 zu verbinden. Der flexible Rasteradapter 90 stellt eine Kontaktflächenzwischenverbindung 60 zwischen dem Sensorelement 52 und der integrierten Schaltung 70 bereit, um analoge Signale dazwischen zu übertragen. Drahtbondverbindungen 72 sind benachbart zu der Kontaktflächenzwischenverbindung 60 positioniert, um die integrierte Schaltung 70 mit dem elektronischen Trägermaterial 56 zum Übertragen digitaler Daten und Versorgung zu verbinden.
Es ist auch vorstellbar, dass das Detektormodul 20 Teil eines geschichteten Hybriddetektors 92 gemäß Darstellung in 11 bildet. Der genaue Aufbau des in dem geschichteten Hybriddetektor 92 enthaltenen Detektormoduls 20 kann gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen variieren und wird hier nicht weiter im Detail beschrieben. Der geschichtete Hybriddetektor 92 enthält auch eine Szintillatoranordnung 94, die hinter dem Detektormodul 20 angeordnet ist, das den Direktumwandlungssensor 52 enthält. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Direktumwandlungssensor 52 aus einer dünnen Schicht eines Direktumwandlungsmaterials von angenähert 0,2 mm Dicke und die Szintillatoranordnung 94 besteht aus einem Szintillationsmaterial größerer Dicke von angenähert 3 mm. Der Aufbau des geschichteten Hybriddetektors 92, welcher einen Direktumwandlungssensor 52 und eine Szintillatoranordnung 94 enthält, ermöglicht den Aufnahme und die Übertragung sowohl nieder- als auch hochenergetischer Röntgenstrahlung und eine verbesserte Datensammlung über einen breiten Bereich von Eingangs-Röntgenflussraten.
Wie in 11 dargestellt, ist der geschichtete Hybriddetektor 92 so aufgebaut, dass er zu einem Modulhalter 96 durch Einführen von Ausrichtungsstiften 98 des Modulhalters 96 in Öffnungen 100 auf den elektronischen Trägermaterialen 102, 104, auf welcher der Direktumwandlungssensor 52 und die Szintillatoranordnung 94 jeweils montiert sind, ausgerichtet wird. Die Ausrichtungsstifte 98 positionieren den geschichteten Hybriddetektor 92 zur Kollimatoranordnung 79 von 2 so, dass die Röntgenstrahlbündel kollimiert werden, bevor derartige Bündel auf den Direktumwandlungssensor 52 und die Szintillatoranordnung 94 auftreffen. Es ist auch vorstellbar, dass weitere ähnliche Verbindungsmechanismen den geschichteten Hybriddetektor 92 mit dem Modulhalter 96 verbinden können.
Es wird in Betracht gezogen, dass die beschriebenen elektrischen Schnittstellenarchitekturen und Zwischenverbindungssysteme, ein Detektormodul ermöglichen, das in einer Beispielausführungsform, wie z. B. in einem Mehrscheiben-CT-System die nachstehenden exemplarischen Vorteile bereitstellt: Reduzierung von unerwünschtem Signalstrom, Kapazität und/oder Induktivität, um die Signalintegrität des Sensorelementes zu steigern, relativ unkomplizierte Herstellung und Austauschbarkeit, reduzierte Kosten und erhöhte Zuverlässigkeit durch die Reduzierung einer Anzahl und/oder der Länge von Zwischenverbindungen.
Daher enthält gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein CT-Bildgebungssystem ein Portal mit einer dadurch ausgebildeten Bohrung, die zur Aufnahme eines durch die Bohrung hindurch zu verschiebenden Patienten ausgelegt ist, eine in dem Portal angeordnete und zur Emission von Röntgenstrahlung zu dem Patienten eingerichtete Röntgenstrahlungsquelle, und ein in dem Portal zum Aufnehmen von durch den Patienten abgeschwächten Röntgenstrahlen angeordnetes Detektormodul. Das Detektormodul enthält ferner ein Sensorelement, um die Röntgensignale in entsprechende elektrische Signale umzuwandeln, ein Datenerfassungssystem (DAS), um die elektrischen Signale aufzubereiten, welches wenigstens eine integrierte Schaltung auf einem elektronischen Trägermaterial enthält, und ein Zwischenverbindungssystem, um das Sensorelement, die wenigstens eine integrierte Schaltung und das elektronische Trägermaterial zu verbinden, wobei das Zwischenverbindungssystem eine erste Kontaktflächenzwischenverbindung und eine von einer Drahtbond-Zwischenverbindung und einer zweiten Kontaktflächenverbindung enthält.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Detektormodul zur Verwendung in einem CT-Bildgebungssystem einen Direktumwandlungssensor, der dafür eingerichtet ist, Röntgensignale aufzunehmen und die Röntgensignale in entsprechende analoge Signale umzuwandeln, und ein Datenerfassungssystem (DAS) mit einer Chipbaugruppe und wenigstens einem auf der Chipbaugruppe montierten elektronischen Bauelement, wobei das elektronische Bauelement dafür eingerichtet ist, die analogen Signale in entsprechende digitale Signale umzuwandeln. Das Detektormodul enthält auch ein erstes Bondverbindungssystem, das den Direktumwandlungssensor mit einem von der Chipbaugruppe und dem elektronischen Bauelement mittels einer ersten Hügelbondverbindungsanordnung verbindet, und ein zweites Bondverbindungssystem, das das elektronische Bauelement mit der Chipbaugruppe verbindet, wobei das zweite Bondverbindungssystem eines von einer Drahtbondverbindungsanordnung und einer zweiten Hügelbondverbindungsanordnung aufweist.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Aufbau eines Detektormoduls die Schritte einer Positionierung eines Röntgensensors zum Empfangen von Röntgenstrahlen aus einer Röntgenstrahlungsquelle und der Positionierung eines Datenerfassungssystems (DAS) hinter dem Röntgensensor in Bezug zur Röntgenstrahlungsquelle, um die empfangenen Röntgenstrahlen aufzubereiten, wobei das DAS wenigstens eine Elektronik mit wenigstens einer integrierten Schaltung darauf enthält. Das Verfahren beinhaltet auch die Schritte der Kopplung des Röntgensensors mit dem elektronischen Trägermaterial über ein Hügelbondverbindungssystem und die Kopplung der wenigstens einen integrierten Schaltung mit dem elektronischen Trägermaterial über eines von einem Drahtbondverbindungssystem und einem zweiten Hügelbondverbindungssystem.
Die vorliegende Erfindung wurde in Form der bevorzugten Ausführungsform beschrieben, und man erkennt, dass Äquivalente, Alternativen und Modifikationen neben den ausdrücklich festgestellten innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche möglich sind.
AUFBAU VON CT-DETEKTORMODULEN
TEILELISTE

10: Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystem
12: Portal
14: Röntgenstrahlungsquelle
16: Röntgenstrahlbündel
18: Detektoranordnung
20: Detektormodul
22: Patient
24: Rotationsmittelpunkt
26: Steuermechanismus
28: Röntgensteuerung
30: Portalmotorsteuerung
34: Bildrekonstruktionseinrichtung
36: Computer
38: Massenspeichervorrichtung
40: Konsole
42: Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinrichtung
44: Tischmotorsteuerung
46: Tisch
48: Portalöffnung
52: Sensorelement
54: Datenerfassungssystem (DAS)
56: Elektronisches Trägermaterial
58: Rasteradapter
60: Kontaktflächen
62: Leitungsführungsanordnung
64: Digitale Zwischenverbindung
66: Hochspannungs-Zwischenverbindung
68: Vorspannungssteuerung
70: Integrierte Schaltung (IC)
72: Drahtbondverbindungen
74: Rückseite des elektronischen Trägermaterials
76: IC-Oberseite
78: Modulhalter
79: Kollimatoranordnung
80: Ausrichtungsstifte
82: Öffnungen
84: Schlitz
86: Isolierendes Halterelement
88: Strahlungsschirm
90: Flexibler Rasteradapter
92: Geschichteter Hybriddetektor
94: Szintillatoranordnung
96: Modulhalter
98: Ausrichtungsstifte
100: Öffnungen
102: Elektronisches Trägermaterial
104: Elektronisches Trägermaterial

Claims

CT-Bildgebungssystem (110) aufweisend: ein Portal (12) mit einer dadurch ausgebildeten Bohrung, die zur Aufnahme eines durch die Bohrung hindurch zu verschiebenden Patienten (22) ausgelegt ist; Röntgenstrahlungsquelle (12), die in dem Portal (12) angeordnet und zur Emission von Röntgenstrahlen (16) auf den Patienten (22) eingerichtet ist; und ein Detektormodul (20), das in dem Portal (12) zum Aufnehmen von durch den Patienten (22) abgeschwächten Röntgenstrahlen angeordnet ist, wobei das Detektormodul ferner aufweist: ein Sensorelement (52), um die Röntgensignale in entsprechende elektrische Signale umzuwandeln; ein Datenerfassungssystem (DAS) (54), um die elektrischen Signale aufzubereiten, wobei das Datenerfassungssystem (DAS) (54) wenigstens eine integrierte Schaltung (70) auf einem elektronischen Trägermaterial (56) enthält; und ein Zwischenverbindungssystem, um das Sensorelement (52), die wenigstens eine integrierte Schaltung (70) und das elektronische Trägermaterial (56) anzuschließen, wobei das Zwischenverbindungssystem eine erste Kontaktflä chenzwischenverbindung (60) und eine von einer Drahtbond-Zwischenverbindung (72) und einer zweiten Kontaktflächenverbindung (60) enthält.
CT-Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Zwischenverbindungssystem eine analoge Verbindung, eine digitale Verbindung und eine Energieverbindung zwischen dem Sensorelement (52) und der wenigstens einen integrierten Schaltung (70) und dem elektronischen Trägermaterial (56) erzeugt.
CT-Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die analoge Verbindung, die digitale Verbindung und die Energieverbindung elektrisch und physikalisch getrennt und elektrisch abgeschirmt sind.
CT-Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Detektormodul (20) ferner einen Rasteradapter (58) aufweist, wobei der Rasteradapter (58) enthält: eine Oberseite mit mehreren Kontaktflächen (60) darauf, um eine Zwischenverbindung zu einer Ausleseoberfläche des Sensorelementes (52) herzustellen; und eine Unterseite mit mehreren Kontaktflächen (60) darauf, um eine Zwischenverbindung zu einem von dem elektronischen Trägermaterial (56) und der wenigstens einen integrierten Schaltung (70) herzustellen.
CT-Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 4, wobei das Detektormodul (20) ferner wenigstens eine Vorspannungssteuerung (68) aufweist, um eine Funktionalität zum dynamischen Steuern einer Sensorpixelkonfiguration in dem De tektormodul (20) bereitzustellen, wobei die Vorspannungssteuerung das elektronische Trägermaterial (56) mit einem von dem Sensorelemente (52) und dem Rasteradapter (58) verbindet.
CT-Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Detektormodul (20) ferner eine mit dem elektronischen Trägermaterial (56) verbundene elektrische Leitungsführungsleiterplatte (62) aufweist, wobei die elektrische Leitungsführungsplatte (62) senkrecht zu dem Sensorelement (52) ausgerichtet ist, um ein vierseitig anreihbares Detektormodul (20) zu erzeugen, wodurch zusätzliche Detektormodule (20) angrenzend daran positioniert werden können, um eine Sensoranordnung mit größerer Fläche aufzubauen.
CT-Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Detektormodul (20) einen Modulhalter (78) aufweist, der an dem elektronischen Trägermaterial (56) angebracht ist, um das Sensorelement (52) zu einer Kollimatorstruktur (79) auszurichten.
CT-Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Detektormodul (20) ferner eine Hochspannungs-Zwischenverbindung (66) aufweist, die mit dem Sensorelement (52) gekoppelt ist.
CT-Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine integrierte Schaltung (70) dafür eingerichtet ist, dass sie dreiseitig an zusätzliche integrierte Schaltungen (70) anreihbar ist.
CT-Bildgebungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Detektormodul (20) einen Szintillator (94) aufweist, der hinter dem Sensorelement (52) in Bezug zu der Röntgenstrahlungsquelle (14) angeordnet ist, um durch den Patienten (22) abgeschwächte Röntgenstrahlen zu empfangen.