DE102011076543A1

DE102011076543A1 - CT-System mit einem quantenzählenden Röntgendetektor

Info

Publication number: DE102011076543A1
Application number: DE102011076543A
Authority: DE
Inventors: Steffen Kappler; Dr. Wirth Stefan
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: DE102011076543B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein CT-System (1) mit einem quantenzählenden Röntgendetektor (3) mit einer Vielzahl auf einer Fläche angeordneten Detektorelementen (D), jedes Detektorelement (D) aufweisend einen Photosensor (P) mit einem Erfassungsbereich zur Detektion von Licht im sichtbaren Bereich, ein Szintillatormaterial zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in UV-Strahlung, und ein benachbart angeordnetes Wellenlängenschieber-Material (W) im Erfassungsbereich des Photosensors (P), wobei der Wellenlängenschieber Licht im UV-Bereich in vom Photosensor (P) detektierbares Licht im sichtbaren Bereich umwandelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein CT-System mit einem quantenzählenden Röntgendetektor, welcher eine Vielzahl auf einer Fläche angeordneter Detektorelemente aufweist, wobei die Detektorelemente jeweils ein Szintillatormaterial beinhalten, welches Röntgenstrahlung in von einem Photosensor erfassbares Licht umwandelt und dieses von einem solchen Photosensor detektiert wird.
Solche CT-Systeme mit quantenzählenden Detektoren auf der Basis von Szintillationsdetektoren in Kombination mit Photosensoren sind allgemein bekannt. Bisher muss allerdings bei der Auswahl geeigneter Szintillatormaterialien auch die an die Sensorempfindlichkeit angepasste Emissionscharakteristik als Kriterium herangezogen werden, so dass das vom Szintillator durch Strahlung angeregte und emittierte Licht mit seinem Wellenlängenbereich und der empfindliche Wellenlängenbereich des Photosensors sich zumindest teilweise überschneiden.
Ein Problem bei solchen Detektoren im Bereich der Computertomographie liegt allerdings darin, dass solche Detektoren keine sehr hohe Dynamik in Bezug auf die detektierte Dosisleistung aufweisen. Mit anderen Worten, Detektoren, die im niedrigen Dosisleistungsbereich, zum Beispiel in Abtastbereichen in denen sich ein dichtes Objekt im Strahl befindet, mit guter Präzision abtasten, geraten in weniger dichten Bereichen des untersuchten Objektes oder in Bereichen ohne Objekt im Strahlengang schnell in einen Sättigungseffekt, was zu fehlerhaften Messergebnissen führt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein CT-System mit einem verbesserten Szintillationsdetektor mit höherer Dynamik zu finden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Die Erfinder haben folgendes erkannt:
Für den Nachweis von einzelnen Röntgenquanten in einem quantenzählenden Detektor eines CT-Systems eignen sich neben direkt-wandelnden Halbleitermaterialien prinzipiell auch sehr schnelle Szintillatoren mit Abklingzeiten im Bereich von bis zu 5 ns. Solche Szintillatoren zeichnen sich typischerweise aber durch Emissionswellenlängen im Bereich kleiner als 400 nm, also im Ultraviolettbereich aus. In diesem Wellenlängenbereich sind typische optische Sensoren, wie zum Beispiel Photodioden, Avalanche-Photodioden, Si-Photomultiplier, oder Ähnliches, nur eingeschränkt oder überhaupt nicht empfindlich. Es wird daher vorgeschlagen, einen zusätzlichen Wellenlängenschieber zu verwenden, der das im Szintillatormaterial entstandene Licht kurzer Wellenlänge in ein Licht mit längerer Wellenlänge umwandelt, damit dieses in den Bereich guter Empfindlichkeit des verwendeten Photosensors verschoben wird und dort gut gemessen werden kann. Da solche Transferprozesse sehr schnell ablaufen können, erhöht sich auch die Reaktionsgeschwindigkeit des gesamten damit aufgebauten Detektorelementes beziehungsweise des aus diesen Elementen aufgebauten CT-Detektors. Als geeignetes Wellenlängenschiebermaterial kann ein Polymer-Grundstoff, z.B. Polyvinyl-Toluene, mit zusätzlichen Lumineszenz-Dopanden, z.B. TB-PVD, PPO, POPOP, verwendet werden.
Erfindungsgemäß kann ein CT-Detektor wie folgt gefertigt werden:

1. Auswahl eines für die zählende CT-Anwendung geeigneten sehr schnellen Szintillators mit einer Abklingkonstante < 5 ns, vorzugsweise mit Emissionswellenlängen < 400 nm, z.B. BaF₂, CsCl.
2. Fertigung von Pixel-Arrays.
3. Beschichtung der Lichtaustrittsfläche mit einem Wellenlängenschiebermaterial.

Alternativ zu 3. kann auch eine Beschichtung auf allen Seiten der Pixelwände erfolgen, damit können u. U. gleichzeitig auch hygroskopische Materialien gekapselt werden. Außerdem kann auch ein sandwichartiger Aufbau verwendet werden, in dem sich Szintillator und Wellenlängenschieber (WLS) abwechseln, z.B kann zur Herstellung flächig Szintillatormaterial und WLS-Material abgeschieden werden, ebenso kann unmittelbar auf einem Photosensor WLS-Material und darauf Szintillatormaterial, gegebenenfalls mehrfach gestaffelt, abgeschieden werden.
Die Erfinder schlagen also ein verbessertes CT-System mit einem quantenzählenden Röntgendetektor vor, wobei der Röntgendetektor mit einer Vielzahl auf einer Fläche angeordneter Detektorelemente ausgestattet ist und jedes Detektorelement aufweist:

– einen Photosensor mit einem Erfassungsbereich zur Detektion von Licht im sichtbaren Bereich,
– ein Szintillatormaterial zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in UV-Strahlung, und
– ein benachbart angeordnetes Wellenlängenschieber-Material im Erfassungsbereich des Photosensors, wobei
– der Wellenlängenschieber Licht im UV-Bereich in vom Photosensor detektierbares Licht im sichtbaren Bereich umwandelt.

Aufgrund der, gegenüber bekannten quantenzählenden CT-Detektoren mit direkt-wandelnden Szintillatoren, wesentlich höheren Reaktionsgeschwindigkeit des Szintillatormaterials, verbessern sich auch die Abklingzeiten des Detektors und damit dessen Dynamik in Bezug auf den Bereich verwertbarer Dosisleistung.
Vorteilhaft kann es sein, wenn zusätzlich eine Spiegelfläche vorgesehen ist, die das Detektorelement zumindest teilweise umgibt. Hierdurch wird auch nicht unmittelbar in Richtung des Photosensors abgestrahltes Licht zu diesem zurückgeworfen und detektiert. Besonders günstig ist dabei, wenn der gesamte Komplex aus Szintillator und WLS mit Ausnahme der an den Photosensor angrenzenden Flächen von einem dünnen Spiegel umgeben ist, der zwar durchlässig für die Röntgenstrahlung ist, jedoch alles innen auftretende Licht zum Photosensor zurückwirft.
In einer günstigen Ausgestaltungsvariante kann das Szintillatormaterial vollständig von dem Wellenlängenschieber-Material umgeben sein, so dass alle im Szintillator entstandene Strahlung, insbesondere UV-Licht, in längerwellige vom Photosensor detektierbare Strahlung, insbesondere sichtbares Licht, umgewandelt wird.
Ebenso kann das Szintillatormaterial und das Wellenlängenschieber-Material in mehreren Schichten sandwichartig angeordnet werden, wobei diese Schichten bevorzugt senkrecht zu einer vorgesehenen Einstrahlrichtung der zu detektierenden Röntgenstrahlung angeordnet werden sollte.
Alternativ kann das Szintillatormaterial und das Wellenlängenschieber-Material auch als Materialgemisch ausgestaltet werden, indem zum Beispiel Granulate des einen Materials in das jeweils andere Material eingebettet wird oder auch Granulate beider Materialien, gegebenenfalls mit unterschiedlicher Körnung, miteinander verbunden, verpresst oder auch gesintert werden.
In einer anderen Ausgestaltung wird vorgeschlagen, das Szintillatormaterial in Form von Nanoröhrchen auf einer Ebene anzuordnen und das Wellenlängenschieber-Material in Zwischenräumen der Nanoröhrchen einzufüllen, so dass es diese zumindest teilweise umgibt. Auch der umgekehrte Aufbau kann verwendet werden.
Grundsätzlich sollte ein Szintillatormaterial mit einer Abklingzeit von <5 ns und einer Emissionswellenlänge < 400nm verwendet werden, insbesondere eignet sich hierzu BaF₂ oder CsCl.
Weiterhin wird vorgeschlagen als Wellenlängenschieber-Material ein Polymer-Grundstoff mit Lumineszenz-Dopanden zu verwenden, wobei dieser vorzugsweise aus TB-PVD (entspricht der chemischen Bezeichnung: 2-(4-tertbutylphenyl)-5-(4-biphenyl)-oxadiazol)-1,3,4), PPO (entspricht der chemischen Bezeichnung: 2,5-phenyloxzolyl) und/oder POPOP (entspricht der chemischen Bezeichnung: 1,4-di-2-(5-phenyloxzolyl)) besteht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: CT-System; 2: Röntgenröhre; 3: Detektor; 4: Gantrygehäuse; 5: Patient; 6: verschiebbare Liege; 7: Systemachse; 8: Steuer- und Rechensystem; 9: Computerprogramm; D: Detektorelement; M: Spiegelfläche; P: Photosensor; S: Szintillator; S_G: Granulat aus Szintillatormaterial; S_T: Schicht mit in Strahlungseinfallsrichtung ausgerichteten Nanoröhrchen; W: Wellenlängenschieber.
Es zeigen im Einzelnen:
1: CT-System mit erfindungsgemäßem Detektor;
2: schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Detektors;
3–8: verschiedene Detektorelemente mit erfindungsgemäßem Aufbau für einen CT-Detektor.
In der 1 ist ein CT-System 1 mit einem Gantrygehäuse 4 gezeigt, in dem sich auf einer nicht näher dargestellten Gantry eine Röntgenröhre 2 mit einem gegenüberliegend angeordneten Detektor 3 befindet. Es ist weiterhin ein Patient 5 auf einer entlang der Systemachse 7 verschiebbaren Liege 6 dargestellt. Gesteuert wird das CT-System 1 mit Hilfe eines Steuer- und Rechensystems 8, welches in einem Speicher Programme 9 aufweist und damit im Betrieb die Steuerungsanweisungen und die Bildrekonstruktionsverfahren der Programme 9 ausführt. Der Detektor 3, gegebenenfalls auch weitere nicht näher dargestellte Detektoren, weisen eine Vielzahl von quantenzählenden Detektorelementen auf, die in ihrem möglichen Aufbau nachfolgend beschrieben sind.
Ein solcher Detektor 3, bestehend aus einer Vielzahl von flächig nebeneinander angeordneten Detektorelementen D, ist in der 2 schematisch in einer ebenen Aufsicht dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass in der Praxis solche in CT-Systemen eingesetzte Detektoren 3 meist eine um den Fokus der Röntgenröhre als Mittelpunkt kreisförmig gekrümmte Zylinderoberfläche aufweisen. Allerdings können die hier dargestellten Detektorelemente auch in Verbindung mit einem Flachdetektor eines C-Bogen-Systems eingesetzt werden, das im Sinne der Erfindung auch unter den Oberbegriff der CT-Systeme eingeordnet wird.
Die 3 bis 8 zeigen unterschiedliche, allerdings den Umfang der Erfindung nicht erschöpfende, Ausbildungsformen von Detektorelementen D. Alle Detektorelemente verfügen über einen, hier unten angeordneten, Photosensor P, der emittiertes Licht aus dem darüber liegenden Detektorpaket aus Szintillator S und Wellenlängenschieber W detektiert und in ein elektronisches Signal umwandelt. In der 3 wird ein sehr einfacher zweischichtiger Aufbau des Detektorpaketes aus einer oben in Strahlungsrichtung liegenden Schicht eines Szintillators S mit einer darunter, also zwischen Photosensor P und Szintillatorschicht S, liegender Materialschicht W aus Wellenschiebermaterial, gezeigt. In der 4 ist ein Kern aus einem Szintillatormaterial S rundum durch ein Wellenschiebermaterial W umgeben, das wiederum auf einem Photosensor P angeordnet ist. Zusätzlich ist auf der Oberseite eine Spiegelfläche M angeordnet, die das im Detektorpaket insgesamt entstehende UV-Licht und insbesondere im Wellenlängenschieber W umgewandelte sichtbare Licht in Richtung des Photosensors P zumindest größtenteils spiegelt.
Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des Aufbaues eines Detektorelementes D, wobei hier das Detektorpaket aus mehreren sandwichartig übereinander angeordneten Lagen aus Szintillatormaterial S und Wellenlängenschiebermaterial W besteht. Zur Verbesserung der Lichtausbeute sind hier die Seiten durch eine Spiegelfläche M verspiegelt.
In der 6 ist der Aufbau eines Detektorpaketes mit einer photosensorseitig angeordneten Schicht Wellenlängenschiebermaterial W und einer darauf befindlichen Schicht mit in Strahlungseinfallsrichtung ausgerichteten Nanoröhrchen S_T aus Szintillatormaterial gezeigt.
Alternativ zur geschichteten beziehungsweise kompakten Anordnung der beiden Materialien des Detektorpaketes können diese Materialien S und W auch als Materialgemisch vorliegen, zum Beispiel in Form eines in ein Wellenlängenmaterial W eingebettetes Granulat S_G aus Szintillatormaterial S, wie es in der 7 gezeigt ist.
Schließlich ist in der 8 auch noch eine Darstellung einer Vollverspiegelung gezeigt, bei der das zentral angeordnete Detektorpaket mit Hilfe einer, mit Ausnahme der Begrenzungsfläche zum Photosensor P, allseits umfassenden Spiegelfläche M gezeigt.
Es wird darauf hingewiesen, dass alle hier genannten und gezeigten Verspiegelungsvarianten mit allen genannten und gezeigten Varianten der Detektorpakete kombiniert werden können. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung des Photosensors P bezogen auf die Einstrahlungsrichtung unterhalb des Detektorpaketes nur beispielhaft sein soll. Ebenso kann dieser Photosensor auch seitlich oder, falls eine Verwendung mit relativ harter Röntgenstrahlung vorgesehen ist, auch oberhalb angebracht werden.
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 es können andere Variationen vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

CT-System (1) mit einem quantenzählenden Röntgendetektor (3) mit einer Vielzahl auf einer Fläche angeordneten Detektorelementen (D), jedes Detektorelement (D) aufweisend: 1.1. einen Photosensor (P) mit einem Erfassungsbereich zur Detektion von Licht im sichtbaren Bereich, 1.2. ein Szintillatormaterial (S) zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in UV-Strahlung, und 1.3. ein benachbart angeordnetes Wellenlängenschieber-Material (W) im Erfassungsbereich des Photosensors (P), wobei 1.4. der Wellenlängenschieber Licht im UV-Bereich in vom Photosensor (P) detektierbares Licht im sichtbaren Bereich umwandelt.
CT-System (1) gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spiegelfläche (M) vorgesehen ist, die das Detektorelement (D) zumindest teilweise umgibt.
CT-System (1) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Szintillatormaterial (S) vollständig von dem Wellenlängenschieber-Material (W) umgeben ist.
CT-System (1) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Szintillatormaterial (S) und das Wellenlängenschieber-Material (W) in mehreren Schichten sandwichartig angeordnet ist.
CT-System (1) gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten senkrecht zu einer vorgesehenen Einstrahlrichtung der zu detektierenden Röntgenstrahlung angeordnet ist.
CT-System (1) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Szintillatormaterial (S) und das Wellenlängenschieber-Material (W) als Materialgemisch verwendet wird.
CT-System (1) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Szintillatormaterial (S) in Form von Nanoröhrchen (S_T) auf einer Ebene angeordnet sind und das Wellenlängenschieber-Material (W) in Zwischenräumen die Nanoröhrchen zumindest teilweise umgibt.
CT-System (1) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Szintillatormaterial (S) mit einer Abklingzeit von < 5 ns verwendet wird.
CT-System (1) gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Szintillatormaterial (S) mit einer Emissionswellenlänge < 400nm, insbesondere BaF₂ oder CsCl, verwendet wird
CT-System (1) gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Wellenlängenschieber-Material (W) ein Polymer-Grundstoff mit Lumineszenz-Dopanden verwendet wird.
CT-System (1) gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Lumineszenz-Dopant einer der nachfolgenden Liste verwendet wird: TB-PVD, PPO, POPOP.