DE19743523A1 - X=ray image converter with reset light source e.g. for medical diagnostic imaging - Google Patents
X=ray image converter with reset light source e.g. for medical diagnostic imagingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Röntgenbildwandler, der eine Szintillatorschicht in einer Matrix angeordnete, lichtem pfindliche Pixelelemente mit einer aSi-Halbleiterschicht und eine in Strahlenrichtung dahinter angeordnete Lichtquelle zur Rücksetzung von Restladungen durch Beleuchtung der Pixelele mente aufweist.The invention relates to an X-ray image converter, the one Scintillator layer arranged in a matrix, light sensitive pixel elements with an aSi semiconductor layer and a light source arranged behind in the beam direction for Resetting of residual charges by lighting the Pixelele has elements.
Es sind Festkörper Matrix-Röntgenbildwandler bekannt, die aus einem Szintillator und einer Matrix von Photodioden aus amor phem Silizium (a-Si) bestehen. Diese Photodioden werden über Schaltelemente mit einer Sperrspannung aufgeladen und entla den sich dann entsprechend der eingestrahlten Röntgendosis.Solid-state matrix X-ray image converters are known which consist of a scintillator and a matrix of amor photodiodes phem silicon (a-Si) exist. These photodiodes are over Switching elements charged with a reverse voltage and discharged which then corresponds to the irradiated X-ray dose.
Um die Photodioden zu entladen und bezüglich des Besetzungs zustandes der im Halbleiter vorhandenen Haftstellen in einen wohldefinierten Ausgangszustand zu versetzen, müssen alle Dioden nach jedem Auslesezyklus zurückgesetzt werden.To discharge the photodiodes and regarding the occupation state of the traps in the semiconductor in one everyone needs to set a well-defined initial state Diodes are reset after each read cycle.
Es gibt zwei Rücksetzmöglichkeiten, das elektrische Rückset zen, das die Haftstellen nicht berührt, und das optische Rücksetzen, bei dem die Photodiode-Matrix von der Rückseite mit einem kurzen Lichtblitz beleuchtet wird, wie dies bei spielsweise in dem Artikel "Amorphous Silicon X-Ray Image Sensor" von J. Chabbal et al. in Proc. of SPIE Vol. 2708, Physics of Medical Imaging (1996), auf den Seiten 499 bis 510 beschrieben ist.There are two reset options, the electrical reset zen that does not touch the traps and the optical Reset where the photodiode matrix from the back is illuminated with a short flash of light, like this at for example in the article "Amorphous Silicon X-Ray Image Sensor "by J. Chabbal et al. In Proc. Of SPIE Vol. 2708, Physics of Medical Imaging (1996), pages 499 to 510 is described.
Das optische Rücksetzen ist besonders vorteilhaft, da durch ein gleichmäßiges Anfüllen von Haftstellen Informationen vorangegangener Bilder überschrieben werden. Folglich werden störende Nachbilder weitgehend unterdrückt. The optical reset is particularly advantageous because of an even filling of detention information previous images are overwritten. Consequently, be disturbing afterimages largely suppressed.
Nachteilig ist die bislang verwendete Ausführungsform der zum Rücksetzen verwendeten Lichtquelle. Die verwendete Matrix aus Hunderten von Leuchtdioden, wie sie beispielsweise in der DE Patentanmeldung 196 06 873.8 beschrieben ist, ist teuer und muß in einigen Zentimetern Abstand angebracht werden, um eine gleichmäßige Ausleuchtung der Photodioden zu gewährleisten.A disadvantage is the previously used embodiment of the Reset used light source. The matrix used Hundreds of light-emitting diodes, such as those in DE Patent application 196 06 873.8 is described, is expensive and must be placed a few centimeters apart to ensure uniform illumination of the photodiodes.
Da immer alle Photodioden gleichzeitig beleuchtet werden, ist ein kontinuierlicher Betrieb des Detektors nicht möglich. Vielmehr muß mit gepulster Röntgenstrahlung gearbeitet wer den, was nicht immer wünschenswert ist.Since all photodiodes are always illuminated at the same time continuous operation of the detector is not possible. Rather, who has to work with pulsed X-rays what is not always desirable.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen Röntgenbild wandler der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen einfachen und kompakten Aufbau aufweist.The object of the invention is an x-ray image to create transducers of the type mentioned at the beginning simple and compact structure.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Röntgenbildwandler eine Elektrolumineszenz-Schicht als Licht quelle aufweist. Eine derartige Anordnung mit einer dünnen Elektrolumineszenz-Schicht erlaubt eine sehr kompakte Aus führung des Röntgenbildwandlers.The object is achieved in that the X-ray image converter uses an electroluminescent layer as light source. Such an arrangement with a thin Electroluminescent layer allows a very compact off guidance of the X-ray image converter.
In vorteilhafter Weise kann auf einem Substrat eine erste Elektrode aufgebracht sein, auf der die Elektrolumines zenz-Schicht abgeschieden ist, und auf der Elektrolumines zenz-Schicht eine zweite, transparente Elektrode aufgetragen sein, auf der sich die aSi-Halbleiterschicht mit der Matrix von Pixelelementen befindet.A first can advantageously be on a substrate Be applied electrode on which the electrolumines zenz layer is deposited, and on the electrolumines zenz layer, a second, transparent electrode can be applied, on which the aSi semiconductor layer with the matrix of Pixel elements.
Eine Isolierierung der Rücksetz-Lichtquelle vom darauf fol genden Röntgenbildwandler läßt sich erreichen, wenn die Ma trix von Pixelelementen von Passivierungsschichten umgeben ist.Isolation of the reset light source from the following X-ray image converter can be achieved if the Ma trix of pixel elements surrounded by passivation layers is.
Eine zeilenweise Rücksetzung wird ermöglicht, wenn eine der Elektroden in Richtung der Zeilen der Matrix in Elektroden streifen unterteilt ist. A line by line reset is possible if one of the Electrodes in the direction of the rows of the matrix in electrodes strip is divided.
Erfindungsgemäß kann die Elektrolumineszenz-Schicht aus amor phem, porösen Silizium, polykristallinem, porösen Silizium, oxydiertem, nanokristallinem Silizium oder aus amorphem Si liziumsuboxid bestehen.According to the invention, the electroluminescent layer can be made of amor phem, porous silicon, polycrystalline, porous silicon, oxidized, nanocrystalline silicon or amorphous Si lizium suboxide exist.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei gen:The invention is based on in the drawing illustrated embodiments explained in more detail. It shows gene:
Fig. 1 einen vereinfachten Querschnitt durch einen erfin dungsgemäßen Röntgenbildwandler zur Erläuterung des Prinzips, Fig. 1 is a simplified cross-section through an image intensifier OF INVENTION to the invention for explaining the principle,
Fig. 2 einen Aufbau des erfindungsgemäßen Röntgenbildwand lers mit einer Halbleiterschicht mit Elektrolumi neszenz, Fig. 2 shows a construction of the X-ray screen invention toddlers neszenz with a semiconductor layer having Elektrolumi,
Fig. 3 einen Aufbau des erfindungsgemäßen Röntgenbildwand lers mit einer unterteilten Halbleiterschicht mit Elektrolumineszenz und Fig. 3 shows a structure of the X-ray screen according to the invention with a divided semiconductor layer with electroluminescence and
Fig. 4 einen zeitlichen Verlauf der Auslesung des Röntgen bildwandlers gemäß Fig. 3 bei Verwendung von Schaltdioden. Fig. 4 shows a time course of the reading of the X-ray image converter according to FIG. 3 when using switching diodes.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen Röntgenbildwandlers im Querschnitt dargestellt. Auf einem Substrat 1 ist eine elektrolumineszente Lichtquelle 2 ange bracht. Auf der Lichtquelle 2 befinden sich in einer Matrix angeordnete, lichtempfindliche Pixelelemente, die Photodioden 3 und Schalter, beispielsweise Schaltdioden 4, aufweisen. Auf der Pixelmatrix ist ein Szintillator 5 aufgebracht, der die auf der der aSi-Halbleiterschicht gegenüberliegenden Seite einfallenden Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt, das dann von der aSi-Halbleiterschicht in eine elektrische Signalfolge umgesetzt wird. Zusammen mit dem Szintillator 5, der aSi-Halbleiterschicht und der elektrolumineszenten Licht quelle 2 erlaubt dies die Herstellung eines sehr dünnen (ca. 3 mm) Röntgenbildwandlers.In Fig. 1 the basic structure of the X-ray image converter according to the invention is shown in cross section. On a substrate 1 , an electroluminescent light source 2 is introduced . On the light source 2 there are light-sensitive pixel elements arranged in a matrix, which have photodiodes 3 and switches, for example switching diodes 4 . A scintillator 5 is applied to the pixel matrix and converts the X-rays incident on the side opposite the aSi semiconductor layer into visible light, which is then converted into an electrical signal sequence by the aSi semiconductor layer. Together with the scintillator 5 , the aSi semiconductor layer and the electroluminescent light source 2 , this allows the production of a very thin (approx. 3 mm) X-ray image converter.
Ein solcher Röntgenbildwandler kann einen beispielsweise in Fig. 2 dargestellten Aufbau aufweisen. Auf dem Substrat 1 ist eine erste Elektrode 6 aufgebracht, auf der eine Elektro lumineszenz-Schicht 7 abgeschieden wird. Auf diese Schicht folgt eine zweite Elektrode 8. Eine anschließende Passivie rungsschicht 9 isoliert diese Rücksetz-Lichtquelle 2 von der darauffolgenden aSi-Halbleiterschicht mit in einer Matrix angeordneten, lichtempfindlichen Pixelelementen. Auf die Pas sivierungsschicht 9 werden als Pixelelemente beispielsweise Spalten-Elektroden 10, n-i-p-Photodioden 3, p-i-n-Schalt dioden 4 oder Dünnfilm-Transistoren (TFT) und Zeilen-Elektro den 11 sowie die nicht dargestellten notwendigen Verbindungs leitungen und Kontaktlöcher und anschließend eine Passivie rungsschicht 12 aufgebracht. In Verbindung mit einem geeig neten Szintillator 5 erhält man den erfindungsgemäßen Rönt genbildwandler.Such an X-ray image converter can have a structure as shown in FIG. 2, for example. On the substrate 1 , a first electrode 6 is applied, on which an electroluminescent layer 7 is deposited. A second electrode 8 follows this layer. A subsequent passivation layer 9 isolates this reset light source 2 from the subsequent aSi semiconductor layer with light-sensitive pixel elements arranged in a matrix. On the passivation layer 9 , for example, column electrodes 10 , nip photodiodes 3 , pin switching diodes 4 or thin-film transistors (TFT) and line electrodes 11 as well as the necessary connecting lines and contact holes (not shown) and then a passive element are used as pixel elements tion layer 12 applied. In conjunction with a suitable scintillator 5 , the X-ray image converter according to the invention is obtained.
Die Elektrolumineszenz-Schicht 7 kann aus einer elektrolumi neszenten Halbleiterschicht, beispielsweise einer p-i-n-Schicht folge aus polykristallinem Silizium bestehen. Eine solche Schicht kann beispielsweise durch Laser-Rekristalli sierung einer amorphen Siliziumschicht hergestellt werden. Die polykristalline Siliziumschicht wird einem elektroche mischen Ätzverfahren unterworfen, das sie in poröses Silizium verwandelt. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in Applied Physics Letters Band 65, 3. 10. 1994, von P. Guyader et al. auf Seite 1787 ff. beschrieben.The electroluminescent layer 7 can consist of an electroluminescent semiconductor layer, for example a pin layer sequence made of polycrystalline silicon. Such a layer can be produced, for example, by laser recrystallization of an amorphous silicon layer. The polycrystalline silicon layer is subjected to an electrochemical etching process, which converts it into porous silicon. Such a method is described, for example, in Applied Physics Letters Volume 65, October 3, 1994, by P. Guyader et al. on page 1787 ff.
Die Elektrolumineszenz-Schicht 7 ist von den beiden Elektro den 6 und 8 umgeben. Eine zwischen diesen beiden Elektroden 6 und 8 angelegte Spannung läßt einen Strom fließen, der die Halbleiterschicht zur Elektrolumineszenz anregt. The electroluminescent layer 7 is surrounded by the two electrodes 6 and 8 . A voltage applied between these two electrodes 6 and 8 causes a current to flow, which excites the semiconductor layer for electroluminescence.
Als leuchtende Halbleiterschicht wird erfindungsgemäß eine amorphe oder polykristalline, poröse Siliziumschicht einge setzt. Das poröse Silizium zeigt eine Lumineszenz im orangen Spektralbereich um 650 nm Wellenlänge. [N. M. Kalkhoran et al., Appl. Phys. Lett. 63, 2661, (1993)]. Da für großflächige Rönt gendetektoren aus amorphem Silizium eine großflächige, leuch tende Schicht erforderlich ist, scheiden einkristalline Halb leiter aus. Polykristallines Silizium ist besonders gut als Ausgangsmaterial geeignet, da es mit hoher Leitfähigkeit her gestellt werden kann. Dadurch ist gewährleistet, daß die für die Anregung von Elektrolumineszenz notwendigen hohen Strom dichten zugeführt werden können.According to the invention, one is used as the luminous semiconductor layer amorphous or polycrystalline, porous silicon layer inserted puts. The porous silicon shows a luminescence in orange Spectral range around 650 nm wavelength. [N. M. Kalkhoran et al., Appl. Phys. Lett. 63, 2661, (1993)]. As for large-area X-ray amorphous silicon detectors have a large, luminous layer is required to separate single-crystal semi-crystals head out. Polycrystalline silicon is particularly good as Starting material suitable because it comes with high conductivity can be put. This ensures that the for the excitation of electroluminescence necessary high current densities can be fed.
Andere Möglichkeiten für leuchtende Dünnfilm-Halbleiter bie ten oxydiertes, nanokristallines Silizium [H. Tamura et al., Thin Solid Films 255, 92, (1995)] oder amorphes Siliziumsub oxid [D. Dimova-Malinovska et al., Proc. of the 9th ISCMP Varna 1996].Other possibilities for luminous thin film semiconductors bie ten oxidized, nanocrystalline silicon [H. Tamura et al., Thin Solid Films 255, 92, (1995)] or amorphous silicon sub oxide [D. Dimova-Malinovska et al., Proc. of the 9th ISCMP Varna 1996].
In einer anderen Ausführung dieses Röntgenbildwandlers kann anstelle des porösen Siliziums eine Schicht aus nanokristal linem Silizium verwendet werden, das nach seiner Abscheidung einer Oxidationsbehandlung unterzogen wird.In another version of this X-ray image converter can instead of porous silicon, a layer made of nanocrystals Linem silicon can be used after its deposition is subjected to an oxidation treatment.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung dieses Rönt genbildwandlers kann anstelle des porösen Siliziums eine Schicht aus amorphem Siliziumsuboxid verwendet werden.In a further embodiment of this X-ray according to the invention gene image converter can instead of the porous silicon Layer of amorphous silicon suboxide can be used.
Durch die Strukturierung der Rücksetz-Lichtquelle 2 in Strei fenform können die Photodioden 3 zeilenweise zurückgesetzt werden. Erfolgt dies synchron zur zeilenweisen Auslesung, ist ein kontinuierlicher Betrieb der Röntgenröhren möglich. Wie in Fig. 3 dargestellt werden die Schicht folgen wie oben be schrieben hergestellt. Allerdings wird die Elektrolumines zenz-Schicht 7 zeilenweise strukturiert, indem beispielsweise die obere Elektrode 8 (Fig. 2) in Elektrodenstreifen 13 unterteilt wird. By structuring the reset light source 2 in Strei fenform, the photodiodes 3 can be reset line by line. If this is done synchronously with the line-by-line reading, continuous operation of the X-ray tubes is possible. As shown in Fig. 3, the layer are made as described above. However, the electroluminescent layer 7 is structured line by line, for example by dividing the upper electrode 8 ( FIG. 2) into electrode strips 13 .
Die Auslesung eines derartigen Röntgenbildwandlers kann im Falle der Verwendung von Schaltdioden zeitlich wie in Fig. 4 dargestellt ablaufen. Die n. Zeile von Photodioden 3 des Röntgenbildwandlers wird über die Schaltdioden 4 mit einer Sperrspannung 14 beaufschlagt. Anschließend folgen die n+1., n+2. Zeile usw. mit den Sperrspannungen 15, 16, usw. Während dieser Zeit trifft Röntgenstrahlung auf den Röntgenbildwand ler und das Szintillationslicht entlädt die Photodioden 3 entsprechend dem lokalen Signal. Nachdem alle Photodiode 3 aufgeladen wurden beginnt der zweite Zyklus. Jede Zeile wird mit einer beispielsweise um 0,5-1 V höheren Spannung 17 bis 19 angesteuert. Die dazu notwendige Ladung ist ein Maß für die empfangene Röntgendosis. Anschließend wird ein Elektro denstreifen 13 der integrierten Rücksetz-Lichtquelle 2 akti viert und die Photodioden 3 der jeweiligen Zeile werden mit einem Lichtblitz 20 bis 22 entladen. Danach werden sie wieder auf die niedrigere Spannung 23 bis 25 aufgeladen und der ge samte Zyklus beginnt von vorne. Die Röntgenröhre kann unun terbrochen betrieben werden. Eine gepulste Strahlung ist nicht erforderlich.The read-out of such an X-ray image converter can be timed as shown in FIG. 4 if switching diodes are used. The nth line of photodiodes 3 of the X-ray image converter is acted upon by a blocking voltage 14 via the switching diodes 4 . This is followed by the n + 1., N + 2. Line etc. with the blocking voltages 15 , 16 , etc. During this time, X-ray radiation strikes the X-ray image wall and the scintillation light discharges the photodiodes 3 in accordance with the local signal. After all photodiodes 3 have been charged, the second cycle begins. Each line is driven with a voltage 17 to 19, for example higher by 0.5-1 V. The charge required for this is a measure of the x-ray dose received. Subsequently, an electric denstreifen 13 of the integrated reset light source 2 is activated and the photodiodes 3 of the respective line are discharged with a flash of light 20 to 22 . Then they are recharged to the lower voltage 23 to 25 and the entire cycle begins again. The X-ray tube can be operated continuously. Pulsed radiation is not required.
Derartige erfindungsgemäße Röntgenbildwandler lassen sich in Röntgendiagnostikeinrichtungen im Durchleuchtungsbetrieb ein setzen, bei der von einem Röntgenstrahler ausgehende Röntgen strahlen einen Patienten durchdringen und entsprechend der Transparenz des Patienten geschwächt als Röntgenstrahlenbild auf die Szintillatorschicht des Röntgenbildwandlers fallen. Der Röntgenbildwandler erzeugt ein dem Röntgenstrahlenbild entsprechendes Videosignal, das in einem Bildsystem gespei chert und verarbeitet und auf einem Monitor als Röntgenbild wiedergegeben werden kann.Such X-ray image converters according to the invention can be found in X-ray diagnostic equipment in the fluoroscopic mode put in the X-ray emitted by an X-ray tube radiate penetrate a patient and according to the Transparency of the patient weakened as an X-ray image fall on the scintillator layer of the X-ray image converter. The X-ray image converter generates an X-ray image corresponding video signal, which is stored in an image system chores and processes and on a monitor as an X-ray image can be played.
Erfindungsgemäß wird als Rücksetz-Lichtquelle eine dünne Halbleiterschicht eingesetzt, die Elektrolumineszenz zeigt.According to the invention, a thin one is used as the reset light source Semiconductor layer used, which shows electroluminescence.
Claims (8)
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| DE19743523A DE19743523A1 (en) | 1997-10-01 | 1997-10-01 | X=ray image converter with reset light source e.g. for medical diagnostic imaging |
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