DE10330595A1

DE10330595A1 - Röntgendetektor und Verfahren zur Herstellung von Röntgenbildern mit spektraler Auflösung

Info

Publication number: DE10330595A1
Application number: DE10330595A
Authority: DE
Inventors: Manfred Fuchs; Peter Dr. Schardt; Detlef Dr. Mattern
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2005-02-17
Also published as: US7435965B2; US20050006588A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor mit einer Mehrzahl von in einer Einfallsrichtung der Röntgenstrahlen (R) übereinander angeordneten Lagen (L1, L2, L3, L4), wobei jede der Lagen (L1, L2, L3, L4) zumindest eine Fotodiode (2) und eine darauf aufgebrachte Leuchtstoffschicht (S2) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor und ein Verfahren zur Herstellung von Röntgenbildern mit spektraler Auflösung.

Nach dem Stand der Technik sind z. B. aus Schulz R. F., Fortschr Röntgenstr 2001; 173: 1137–1146 Röntgendetektoren für verschiedene Verfahren zur Herstellung von Röntgenbildern bekannt. Es handelt sich dabei vorwiegend um Festkörperdetektoren. Solche Festkörperdetektoren bestehen im Allgemeinen aus einer aus einer Vielzahl von Fotodioden gebildeten Fotodioden-Matrix. Die Fotodioden-Matrix ist von einer Leuchtstoffschicht überlagert. Mit der Leuchtstoffschicht wird einfallende Röntgenstrahlung absorbiert. Dabei wird Licht gebildet, welches von den Fotodioden erfasst und zur Auswertung an eine nachgeschaltete Auswerteelektronik weitergeleitet wird.

Zur Herstellung eines ortsaufgelösten Bilds der einfallenden Röntgenintensitätsverteilung wird die mit jeder Fotodiode gemessene Röntgenintensität ausgewertet und als Bildpunkt dargestellt. Dabei wird stets ein über die gesamte Schichtdicke der Leuchtstoffschicht gemessenes integrales Signal ausgewertet. Mit dem bekannten Verfahren ist keine Aussage über die spektralen Eigenschaften der gemessenen Röntgenstrahlung möglich.

Abgesehen davon erfordert die Herstellung herkömmlicher Festkörperdetektoren einen hohen Aufwand. In getrennten Herstellungsverfahren wird eine aus amorphen Silizium gebildete Fotodioden-Matrix und eine durch Aufdampfen im Vakuum z. B. aus nadelförmigem CsJ gebildete Leuchtstoffschicht hergestellt. Anschließend wird die Leuchtstoffschicht auf die Fotodioden-Matrix geklebt. Derartige Festkörperdetektoren sind herstel lungsbedingt eben und starr ausgebildet. Eine abweichende Formgebung erfordert zusätzlichen Aufwand. Z. B. zur Herstellung eines gebogenen Röntgendetektors für die Röntgencomputertomografie werden Fotodioden mit darauf aufgebrachten quader- oder würfelförmigen Szintillationskörpern einzeln auf einem gebogenen Träger montiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein möglichst einfach und kostengünstig herstellbarer Röntgendetektor angegeben werden, mit dem ortsaufgelöst die spektralen Eigenschaften von Röntgenstrahlen gemessen werden können. Weiteres Ziel ist die Angabe eines Verfahrens zur Herstellung von Röntgenbildern mit spektraler Auflösung.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 16 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 15 und 17 bis 19.

Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Röntgendetektor mit einer Mehrzahl von in einer Einfallsrichtung der Röntgenstrahlen übereinander angeordneten Lagen vorgesehen, wobei jede der Lagen zumindest eine Fotodiode und eine darauf aufgebrachte Röntgenleuchtstoffschicht aufweist.

Ein solcher mehrlagig aufgebauter Röntgendetektor ermöglicht eine ortsaufgelöste Messung der spektralen Eigenschaften einfallender Röntgenstrahlung. Röntgenquanten niedriger Energie werden bereits in einer der Röntgenquelle zugewandten obersten Lage absorbiert. Röntgenquanten hoher Energie dringen tiefer in den aus den Lagen gebildeten Stapel ein. Sie sind auch noch in den tieferen Lagen messbar. Aus den in den Lagen gemessenen Intensitäten lässt sich auf die spektralen Eigenschaften der auf jeden Punkt einer Einfallsfläche eingefallenen Röntgenstrahlen zurückschließen. Röntgenstrahlen werden beim Durchtritt durch Gewebe, Knochen und dgl. spezifisch absorbiert. Das Spektrum der Röntgenstrahlen ändert sich spezi fisch in Abhängigkeit des durchstrahlten Materials. Mit dem vorgeschlagenen Röntgendetektor können spektral aufgelöste Röntgenbilder hergestellt werden, die spezifische Informationen über das durchstrahlte Material enthalten.

Nach einer Ausgestaltung ist die Fotodiode Bestandteil einer aus einer Vielzahl von Fotodioden gebildeten Fotodioden-Matrix. Bei einer solchen Fotodioden-Matrix kann es sich auch um ein Fotodioden-Array eines Röntgen-Computertomografen handeln. Jede Fotodiode kann mit einem in der Lage angeordneten Verstärker verbunden sein, der vorzugsweise einen Schaltund/oder Verstärkungstransistor sowie eine Leitung aufweist. Damit ist es möglich, die von den Fotodioden erfassten Signale sogleich zu verstärken und an eine nachgeschaltete Auswerteelektronik weiterzugeben. Damit können die nach dem Stand der Technik bekannten Probleme der Übermittlung unverstärkter Signale über lange Signalwege vermieden werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Leuchtstoffschicht als eine geschlossene die Fotodioden-Matrix überlagernde Schicht ausgebildet. Es kann auch sein, dass jede Lage eine Vielzahl diskreter voneinander beabstandeter Detektorelemente aufweist, die jeweils aus einer Fotodiode mit einer darauf aufgebrachten Leuchtstoffschicht gebildet sind. In dem zwischen den Detektorelementen gebildeten Abstand können z. B. ein Verstärker, Schalttransistor oder dgl. untergebracht werden. Die Detektorelemente einer ersten Lage können versetzt zu den Detektorelementen einer darüberliegenden zweiten Lage angeordnet sein. Eine auf der zweiten Lage liegende dritte Lage kann in diesem Fall wieder deckungsgleich mit der ersten Lage angeordnet sein. Damit gelingt es auf besonders einfache Weise, innerhalb einer Lage in unmittelbarer Nähe der Fotodioden einen Verstärker zur Verstärkung der gemessenen Signale anzuordnen.

Auf der Leuchtstoffschicht kann eine Licht-reflektierende Schicht oder eine weitere Fotodiode, vorzugsweise eine weite re Fotodioden-Matrix, vorgesehen sein. Das Vorsehen einer Licht-reflektierenden Schicht verbessert die Signalwandlung der in der Leuchtstoffschicht absorbierten Röntgenquanten. Durch die Absorption der Röntgenquanten gebildetes Licht wird an der Licht-reflektierenden Schicht reflektiert und zusätzlich auf die Fotodiode geworfen. Alternativ zum Vorsehen einer Licht-reflektierenden Schicht kann auf der Leuchtstoffschicht auch eine weitere Fotodiode, vorzugsweise eine weitere Fotodioden-Matrix, vorgesehen sein. Damit ist es möglich, an der Oberseite der Leuchtstoffschicht austretendes Licht mit der Fotodiode bzw. der Fotodioden-Matrix zu erfassen. Auch damit wird eine verbesserte Effizienz des vorgeschlagenen Röntgendetektors erreicht.

Die Leuchtstoffschicht kann eine Dicke von 20 bis 500 μm, vorzugsweise 50 bis 200 μm, aufweisen. Insbesondere kann die Leuchtstoffschicht lediglich eine Dicke im Bereich von 100 Nm aufweisen. Derartige Leuchtstoffschichten können beispielsweise im Siebdruck hergestellt werden.

Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Fotodiode in Form einer dünnen Schicht mit einer Dicke von höchstens 50 μm, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 μm, hergestellt. Die Fotodiode ist zweckmäßigerweise aus einem Material mit einer mittleren Ordnungszahl Z < 14, vorzugsweise Z < 10, hergestellt. Sie kann insbesondere aus einem halbleitenden organischen Material hergestellt sein. Die Herstellung von Bauelementen, wie Fotodioden für Transistoren und dgl., auf der Basis halbleitender Polymere ist z. B. aus Brabec Chrispoh et al., Adv. Funci. Mater. 2001, 11, Nr. 1, Seiten 15 bis 26 bekannt. Der Offenbarungsgehalt dieses Dokuments wird hiermit einbezogen. Danach können insbesondere Fotodioden auf Basis halbleitender Polymere, beispielsweise in einer Dicke von 100 nm, hergestellt werden. Wegen ihrer geringen Dicke und der geringen Ordnungszahl der zur Herstellung verwendeten polymeren Materialien absorbiert die Schicht kaum Röntgenstrahlen. Unter Verwendung derartiger Schichten ist es möglich, den vorgeschlagenen Röntgendetektor mit einer Vielzahl von übereinander liegenden Lagen auszubilden.

Die Fotodiode kann auf einem, vorzugsweise aus einer Folie, gebildeten Substrat aufgebracht sein. Die Folie ist beispielsweise aus Aluminium oder Kunststoff hergestellt. Sie ist flexibel und ermöglicht damit insgesamt die Herstellung eines flexiblen Röntgendetektors. Eine Anpassung der Form des Röntgendetektors an konstruktive Gegebenheiten ist ohne weiteres möglich. So kann der Röntgendetektor beispielsweise gebogen werden.

Die Leuchtstoffschicht ist zweckmäßigerweise aus einem aus der folgenden Gruppe ausgewählten Szintillatormaterial hergestellt: Gadoliniumoxidsulfid, CsJ, NaJ und dgl..

Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, die Leuchtstoffschichten zumindest zweier Lagen aus unterschiedlichen Szintillatormaterialien herzustellen. Dabei kann eine Leuchtstoffschicht einer der Einfallsrichtung zugewandten oberen Lagen einen kleineren Röntgenabsorptionskoeffizienten aufweisen als eine weitere Leuchtstoffschicht einer darunter angeordneten Lage. Das ermöglicht eine Erhöhung des spektralen Kontrasts zwischen den einzelnen Lagen.

Insbesondere bei der Verwendung halbleitender organischer Polymere zur Herstellung der Fotodiode bzw. der Fotodioden-Matrix kann der vorgeschlagene Röntgendetektor mittels Druckverfahren, vorzugsweise Siebdruckverfahren, hergestellt werden. Damit ist es möglich, den gesamten Röntgendetektor unter Weglassung kostenaufwändiger Vakuumverfahren einfach und schnell im Siebdruckverfahren herzustellen. Dazu werden mittels geeigneter Masken die entsprechenden Schichten nacheinander gedruckt. Es kann damit ein aus mehreren Lagen hergestellter flexibler einstückiger Röntgendetektor einfach und kostengünstig bereitgestellt werden.

Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Röntgenbildern mit spektraler Auflösung mit folgenden Schritten vorgesehen:
Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors,
ortsaufgelöstes Messen des Röntgenspektrums und
Herstellung eines spektral aufgelösten Röntgenbilds.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann für jeden Bildpunkt bzw. für jedes Pixel das Spektrum der darauf eingefallenen Röntgenstrahlung bestimmt werden. Daraus können Informationen über das mit der Röntgenstrahlung durchstrahlte Material gewonnen werden. Diese Informationen können zur Herstellung des Röntgenbilds vorteilhaft verwendet werden.

Nach einer Ausgestaltung werden zum ortsaufgelösten Messen des Röntgenspektrums die mit den übereinander liegenden Fotodioden gemessenen Signale addiert. Es ist aber auch möglich, zum ortsaufgelösten Messen des Röntgenspektrums die mit den übereinander liegenden Fotodioden gemessenen Signale in Abhängigkeit einer z-Position der Lage auszuwerten. Die z-Position beschreibt den Abstand der Lage zu einer Röntgenquelle. So können beispielsweise die in bestimmten Lagen gemessenen Intensitäten verglichen und/oder separat ausgewertet werden.

Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, als spektral aufgelöstes Röntgenbild ein Falschfarbenbild herzustellen. In einer solchen Darstellung können beispielsweise nur Weichteile, bestimmte Gewebearten oder Knochen dargestellt werden. Damit wird erheblich der Informationsgehalt eines Röntgenbilds erhöht. Die Diagnosemöglichkeiten mit derartigen Falschfarbenbildern sind verbessert.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer Lage,
2 eine schematische Schnittansicht eines ersten Röntgendetektors und
3 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Röntgendetektors.
Bei der in 1 gezeigten Lage L ist auf einer Folie 1 eine aus einer Vielzahl von Fotodioden 2 gebildete Fotodioden-Matrix aufgebracht. Die Fotodioden-Matrix ist aus organischen Halbleitern hergestellt. Eine Dicke einer die Fotodioden-Matrix bildenden Schicht S1 beträgt etwa 100 nm. Auf der Schicht S1 befindet sich eine Leuchtstoffschicht S2, die eine Dicke von etwa 100 μm aufweist. Die Leuchtstoffschicht S2 kann aus herkömmlichen Leuchtstoffen, beispielsweise pulverförmigem Gadoliniumoxidsulfid, hergestellt sein. Die Leuchtstoffschicht S2 ist wiederum überlagert von einer Lichtreflektierenden Schicht 3.
Der in 2 schematisch gezeigte erste Röntgendetektor ist aus vier übereinander gestapelten Lagen L1, L2, L3 und L4 aufgebaut. Die Lagen L1, L2, L3 und L4 sind ähnlich zu der in 1 gezeigten Lage aufgebaut, wobei hier allerdings die Licht-reflektierende Schicht 3 weggelassen worden ist. Die Funktion der Licht-reflektierenden Schicht kann bei geeigneter Ausbildung auch durch die Folie 1 erfüllt werden. Die Fotodioden 2 jeder Lage (L1, L2, L3, L4) sind so angeordnet, dass sie deckungsgleich übereinander liegen. Mit dem Bezugszeichen R ist in den ersten Röntgendetektor eindringende Röntgenstrahlung bezeichnet.
Der in 3 gezeigte zweite Röntgendetektor besteht wiederum aus vier übereinander gestapelten Lagen L1, L2, L3 und L4.
Jeder der Lagen L1, L2, L3 und L4 weist als Substrat eine Folie 1 auf. In der Schicht S1 sind die Fotodioden 2 voneinander beabstandet angeordnet. In den zwischen den Fotodioden 2 gebildeten Lücken sind aus polymeren Halbleitern hergestellte Verstärker 4 angeordnet. Auf jeder der Fotodioden 2 ist eine Leuchtstoffschicht S2 aufgebracht. Jede Fotodiode 2 bildet zusammen mit der darauf aufgebrachten Leuchtstoffschicht S2 ein Detektorelement D. Die Detektorelemente D zweier übereinander liegender Lagen L1, L2, L3 und L4 sind jeweils um den Abstand versetzt angeordnet, so dass über einem Detektorelement D eine Lücke der nächsten Lage sich befindet und über der Lücke der nächsten Lage wiederum ein Detektorelement D angeordnet ist. Der vorgeschlagene zweite Röntgendetektor ist besonders vorteilhaft. Damit können die von den Fotodioden 2 gemessenen Signale unmittelbar innerhalb der Schicht S1 mittels der den Fotodioden 2 zugeordneten Verstärker 4 verstärkt und an eine nachgeschaltete Auswerteelektronik weitergegeben werden.
Die Funktion der Röntgendetektoren ist folgende:
Einfallende Röntgenstrahlung R weist in jedem Punkt der Einfallsfläche ein Spektrum auf. Ein Punkt der Einfallsfläche wird hier beispielsweise durch die von einer Fotodiode 2 abgedeckte Fläche beschrieben. Röntgenstrahlen R mit einer hohen Energie dringen tief in den Röntgendetektor ein und sind – wie in 2 gezeigt ist – beispielsweise noch in der untersten Lage L4 messbar. Röntgenstrahlen R mit einer niedrigen Energie werden dagegen bereits beispielsweise bereits in der obersten Lage L1 absorbiert. Aus den in den Lagen L1, L2, L3 und L4 gemessenen Anteilen der absorbierten Röntgenstrahlung kann das Spektrum der in jedem Punkt einfallenden Röntgenstrahlung ermittelt werden. Dazu können die jeweiligen Anteile an absorbierter Röntgenstrahlung der übereinander liegenden Schichten separat ausgewertet und beispielsweise in ein Falschfarbenbild umgewandelt werden. Charakteristische spektrale Verteilungen können beispielsweise bestimmten durchstrahlten Materialien zugeordnet und damit ein Verteilungsbild eines vorgegebenen Materials hergestellt werden.

Claims

Röntgendetektor mit einer Mehrzahl von in einer Einfallsrichtung der Röntgenstrahlen (R) übereinander angeordneten Lagen (L1, L2, L3, L4), wobei jede der Lagen (L1, L2, L3, L4) zumindest eine Fotodiode (2) und eine darauf aufgebrachte Leuchtstoffschicht (S2) aufweist.
Röntgendetektor nach Anspruch 1, wobei die Fotodiode (2) Bestandteil einer aus einer Vielzahl von Fotodioden (2) gebildeten Fotodioden-Matrix ist.
Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Fotodiode (2) mit einem in der Lage (L1, L2, L3, L4) angeordneten Verstärker (4) verbunden ist, der vorzugsweise einen Schalt- und/oder Verstärkungstransistor sowie eine Leitung aufweist.
Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leuchtstoffschicht (S2) als eine geschlossene die Fotodioden-Matrix überlagernde Schicht (S1) ausgebildet ist.
Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Lage (L1, L2, L3, L4) eine Vielzahl diskreter, voneinander beabstandeter Detektorelemente (D) aufweist, die jeweils aus einer Fotodiode (2) mit einer darauf aufgebrachten Leuchtstoffschicht (S2) gebildet sind.
Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektorelemente (D) einer ersten Lage (L1) versetzt zu den Detektorelementen (D) ein darüber liegenden zweiten Lage (L2) angeordnet sind.
Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Leuchtstoffschicht (S2) eine Lichtreflektierende Schicht (3) oder eine weitere Fotodiode (2), vorzugsweise eine weitere Fotodioden-Matrix, vorgesehen ist.
Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leuchtstoffschicht (S2) eine Dicke von 20 bis 500 μm, vorzugsweise 50 bis 200 μm, aufweist.
Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fotodiode (2) in Form einer dünnen Schicht (S1) mit einer Dicke von höchstens 50 μm, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 μm, hergestellt ist.
Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fotodiode (2) aus einem Material mit einer mittleren Ordnungszahl Z < 14, vorzugsweise Z < 10, hergestellt ist.
Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fotodiode (2) aus einem halbleitenden organischen Material hergestellt ist.
Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fotodiode (2) auf einem, vorzugsweise aus einer Folie (1) gebildeten, Substrat aufgebracht ist.
Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leuchtstoffschicht (S2) aus einem aus der folgenden Gruppe ausgewählten Szintillatormaterial hergestellt ist: Gadoliniumoxidsulfid, CsJ, NaJ.
Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leuchtstoffschichten (S2) zumindest zweier Lagen (L1, L2, L3, L4) aus unterschiedlichen Szintillatormaterialien hergestellt sind.
Röntgendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Leuchtstoffschicht (S2) einer der Einfallsrichtung zugewandten oberen Lage (L1) einen kleineren Röntgenabsorpti onskoeffizienten aufweist als eine weitere Leuchtstoffschicht (S2) einer darunter angeordneten unteren Lage (L4).
Verfahren zur Herstellung von Röntgenbildern mit spektraler Auflösung mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Röntgendetektors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ortsaufgelöstes Messen des Röntgenspektrums, Herstellung eines spektral aufgelösten Röntgenbilds.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei zum ortsaufgelösten Messen des Röntgenspektrums die mit den übereinander liegenden Fotodioden (2) gemessenen Signale addiert werden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei zum ortsaufgelösten Messen des Röntgenspektrums die mit den übereinander liegenden Fotodioden (2) gemessenen Signale in Abhängigkeit einer z-Position der Lage ausgewertet werden.
Verfahren nach einem dem Ansprüche 16 bis 18, wobei als spektral aufgelöstes Röntgenbild ein Falschfarbenbild hergestellt wird.