DE102004036316A1

DE102004036316A1 - Schutzring für ein Detektorarray zur direkten Photo-Elektronenumwandlung

Info

Publication number: DE102004036316A1
Application number: DE102004036316A
Authority: DE
Inventors: Wen Li; Jianguo Fremont Zhao
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2024-07-28
Also published as: DE102004036316B4; CN100457036C; JP2005057281A; NL1026741C2; US20050023475A1; US6928144B2; JP5016188B2; CN1579328A; NL1026741A1

Abstract

Es ist eine Vorrichtung zur Verwendung bei einem bildgebenden System geschaffen, die ein Direktumwandlungsdetektorelement aufweist, das so beschaffen ist, dass es Röntgenstrahlphotonen in elektrischen Strom umsetzt. Das Direktumwandlungsdetektorelement weist eine Katodenoberfläche, eine Anodenoberfläche mit einer Anzahl Anodenseitenrändern und eine Anzahl Detektorseitenoberflächen auf, die die Katodenoberfläche mit der Anodenoberfläche verbinden. Die mehreren Detektorseitenoberflächen haben jeweils eine Detektortiefe. Die Vorrichtung weist außerdem eine auf der Anodenoberfläche angeordnete Pixelarrayanordnung auf. Die Pixelarrayanordnung verfügt über mehrere Pixelseitenränder. Jeder dieser mehreren Pixelseitenränder grenzt unmittelbar an einen der Anodenseitenränder an. Ein Schutzring ist rings um die mehreren Detektorseitenoberflächen gelegt. Der Schutzring weist einen oberen Ringrand und einen unteren Ringrand und eine eine Ringhöhe beinhaltende äußere Ringfläche auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Detektorelemente zur Verwendung bei der medizinischen Bildgebung und insbesondere auf Direktumwandlungs-Detektorarrays zur Verwendung bei der medizinischen Bildgebung.

Hintergrund der Erfindung

Direktumwandlungsdetektoren und -detektorarrays werden bei der medizinischen Bildgebung dazu verwendet, Röntgenstrahlphotonen direkt in elektrische Ladungen umzuwandeln. Sie bestehen typischerweise aus einer unmittelbar auf der Oberseite des Ladungskollektors gewachsenen Röntgenlichtleiterschicht und einer Ableseschicht (wie etwa Raumtemperaturhalbleitern). Die Detektoren werden üblicherweise in Arrays mehrerer Detektoren (oder Kacheln) so eingesetzt, dass ein vergrößertes Bildformat mit verbesserter Auflösung erzeugt werden kann.

Das Betriebsverhalten der Detektoren insbesondere der umfangsseitigen Detektorelemente kann für viele Bildgebungsanwendungen wesentlich sein. Die Linearität, Gleichmäßigkeit, Stabilität und Formbeständigkeit kann insbesondere bei den umfangsseitigen Detektoren wichtig sein. Bei vielen Anwendungen, wie bei dem toten Raum in der Brustwand bei der Mammographie, können die Anforderungen an die Bildgebung sehr stringent sein. Bei gekachelten bildgeben den Detektoren, die mit Raumtemperaturhalbleitern aufgebaut sind, können die Ränder jeder Kachel eine signifikante Ungleichmäßigkeit oder sichtbare Artefakte hervorrufen. Es ist bekannt, dass dies von dem wesentlich höheren Leckstrom und dem verzerrten elektrischen Feld nahe der Ränder herrührt. Derartige Artefakte rings um die Ränder der Kacheln können sehr unerwünscht sein. Es wird angenommen, dass diese Artefakte von der verminderten Funktionsfähigkeit der Randpixel herrühren. Solche Artefakte schließen die Implementierung derartiger Detektoren und Detektorarrays bei medizinischen Bildgebungsanwendungen aus, bei denen Linienartefakte unzulässig sind.

Es ist bekannt, dass ein Schutzring dazu verwendet werden kann, das Verhalten der peripheren Pixel zu verbessern. Bekannte Konfigurationen erzeugen den Schutzring auf der gleichen Oberfläche der Pixel tragenden Seite des Detektors und legen das gleiche Potential wie in dessen Nachbarschaft, d.h. Erdpotential an. Dadurch wird die elektrische Feldverzerrung bei den randseitigen Pixeln, abhängig von der Größe des Schutzrings verringert oder eliminiert. Außerdem wird der Seitenwandleckstrom von dem Schutzring aufgenommen und hat somit keinen Einfluss auf die randständigen Pixel. Solche koplanare Schutzringe erzeugen, aber innerhalb einer Abmessung der Schutzringgeometrie einen inaktiven Ortsbereich. Dies ist bei gekachelten Detektorberandungen oder bei Detektorrändern, die eine sehr beschränkte Toleranz für einen unwirksamen Raum aufweisen können, unzweckmäßig. Demgemäß können vorhandene Schutzringkonstruktionen auch für medizinische Bildgebungsanwendungen ungeeignet sein, bei denen von dem unwirksamen Raum herrührende Linienartefakte unzulässig sind.

Es wäre deshalb in hohem Maße wünschenswert, einen Direktumwandlungsdetektor mit verbesserten Funktionseigen schaften der randseitigen Pixel zu schaffen. Außerdem besteht ein starkes Bedürfnis nach einem Direktumwandlungsdetektorarray mit verringerten Artefakten und weniger unerwünschten Eigenschaften, die von einem inaktiven Raum herrühren.

Zusammenfassung der Erfindung

Es wird eine Vorrichtung zur Verwendung in einem Bildgebungssystem geschaffen, das ein Direktumwandlungsdetektorelement aufweist, das dazu ausgelegt ist Röntgenstrahlphotonen in elektrischen Strom umzuwandeln. Das Direktumwandlungsdetektorelement weist eine Katodenoberfläche, eine Anodenoberfläche mit einer Anzahl Anodenseitenrändern und eine Anzahl Detektorseitenoberflächen auf, die die Katodenoberfläche mit der Anodenoberfläche verbinden. Die mehreren Detektorseitenoberflächen weisen jeweils eine Detektortiefe aus. Die Vorrichtung beinhaltet außerdem eine auf der Anodenoberfläche angeordnete Pixelarrayanordnung. Die Pixelarrayanordnung weist eine Anzahl Pixelseitenränder auf. Jeder dieser mehreren Pixelseitenränder liegt unmittelbar neben einem der Anodenseitenränder. Rings um die mehreren Detektorseitenflächen ist ein Schutzring herumgelegt. Der Schutzring weist einen oberen Ringrand, einen unteren Ringrand und eine Ringaußenoberfläche auf, die eine Schutzringhöhe beinhaltet.

Andere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform mit den beigefügten Zeichnungen und den sich anschließenden Patentansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine perspektivische Veranschaulichung eines medizinischen Bildgebungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Darstellung des in 1 veranschaulichten medizinischen Bildgebungssystems;
3 ist eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Detektorarrays;
4 ist eine detaillierte Veranschaulichung des in 4 dargestellten Direktumwandlungsdetektorarrays, wobei das Detail die Detektorgeometrie und die elektrische Feld-/Potentialverteilung veranschaulicht:
6A ist eine graphische Darstellung einer simulierten elektrischen Potentialverteilung bei einer Null Volt Vorspannung; und
6B ist eine graphische Darstellung einer simulierten elektrischen Potentialverteilung bei einer 20V Vorspannung.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform(en) Es sei zunächst auf 1 Bezug genommen, die eine Veranschaulichung eines Computertomographie (CT-)Bildgebungssystems 10 zur Verwendung mit einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung 18 ist.
Wenngleich hier ein spezielles CT-Bildgebungssystem 10 veranschaulicht ist, so ist doch darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemäße Detektoranordnung 18 bei einer großen Vielfalt von Bildgebungssystemen eingesetzt werden kann. Das CT-Bildgebungssystem beinhaltet eine als Gantryein richtung dargestellte Scanner-Anordnung 12. Die Scanneranordnung 12 weist eine Röntgenstrahlquelle 14 zur Projektion eines Röntgenstrahls 16 auf eine der Röntgenstrahlquelle 14 gegenüberliegende Detektoranordnung 18 auf. Die Detektoranordnung 18 beinhaltet ein Direktumwandlungsdetektorarray 19, das aus einer Anzahl Direktumwandlungselementen 20 (vgl. 3) besteht, die dazu zusammenwirken, die durch ein Objekt, wie etwa einen medizinischen Patienten 22, durchgehenden projizierten Röntgenstrahlphotonen 16 zu erfassen. Jedes der mehreren Direktumwandlungsdetektorelemente 20 erzeugt ein elektrischen Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahls und damit die Schwächung des Strahls 16 beim Durchgang durch das Objekt oder den Patienten 22 wiedergibt. Üblicherweise wird die Scanner-Anordnung 12 während eines Scans zum Akquirieren von Röntgenprojektionsdaten um einen Rotationsmittelpunkt 24 in Umlauf versetzt. Die Direktumwandlungsdetektorelemente 20 sind vorzugsweise in einem Detektorarray 19 angeordnet, so dass während eines Scans einer Anzahl paralleler Schichten entsprechende Projektionsdaten gleichzeitig akquiriert werden können.
Die Umlaufbewegung der Scanner-Anordnung 12 und die Betriebsweise der Röntgenstrahlquelle 14 sind vorzugsweise durch einen Steuermechanismus 26 gesteuert. Der Steuermechanismus 26 beinhaltet mit Vorzug eine Röntgenstrahlsteuereinrichtung 29, die der Röntgenstrahlquelle 14 Leistung und Taktsignale zuführt und eine Scannermotorsteuereinrichtung 30, die die Umlaufgeschwindigkeit und die jeweilige Stellung der Scanneranordnung 12 steuert. Ein Datenakquisitionssystem (DAS) 32 in dem Steuermechanismus 26 sampled Analogdaten von den Direktumwandlungsdetektorelementen 20 und konvertiert die Daten in Digitalsignale zur nachfolgenden Verarbeitung. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 34 empfängt von dem DAS 32 gesampelte und digitalisierte Röntgendaten und führt eine Hochgeschwindigkeitsbildrekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild wird als Eingabegröße in einen Computer 36 eingegeben, der das Bild in einer Massenspeichervorrichtung 38 abspeichert.
Der Computer 36 kann außerdem Befehle und Scanparameter von einem Bediener über eine Konsole 40 empfangen, die eine Tastatur oder eine ähnliche Eingabevorrichtung aufweist. Ein zugeordnetes Display 42 gestattet es dem Bediener das rekonstruierte Bild und andere Daten von dem Computer 36 zu betrachten. Die von dem Bediener eingegebenen Befehle und Parameter werden von dem Computer 36 auch dazu verwendet, dem DAS 32, der Röntgensteuereinrichtung 28 und der Scannermotorsteuereinrichtung 30 Steuersignale und Informationen zuzuführen. Außerdem steuert der Computer 36 eine Liegenmotor-Steuereinrichtung 44 an, die eine motorisch verstellbare Liege 46 in dem Sinne steuert, dass der Patient 22 in der Scanner-Anordnung 12 jeweils ordnungsgemäß positioniert ist. Die Liege 46 bewegt speziell Teile des Patienten 22 durch die Scanneröffnung 48 durch.
Ein Detail eines der Direktumwandlungsdetektorelemente 20 des Detektorarrays 19 ist in 4 veranschaulicht. Das Direktumwandlungsdetektorelement 20 ist vorzugsweise ein Halbleitermaterial (wie CdTe/CdZnTe) mit einer Katodenoberfläche 50, einer Anodenoberfläche 52 und einer Anzahl Detektorseitenoberflächen 54. Die Katodenoberfläche 50 und die Anodenoberfläche 52 sind mit einem metallischen Material 56 beschichtet, so dass sie als Elektroden wirken. Auf die Anodenoberfläche 52 ist eine Pixelarrayanordnung 58 aufgebracht. Die Elektrodenoberflächen 50, 52 sind mit verschiedenen Spannungen vorgespannt, um ein elektrisches Feld über das Direktumwandlungsdetektorelement 20 zu erzeugen. Ist eine negative Hochspannung an die Katodenoberflä che 50 angelegt und die Pixelarrayanordnung 58 auf der Anodenoberfläche 52 mit Masse oder einer virtuellen Masse verbunden, so können elektrische Signale, die von der Bewegung von Elektronen herrühren, die in dem Direktumwandlungsdetektorelement 20 durch die Röntgenstrahlphotonen 16 erzeugt werden, erfasst/beobachtet werden. Mittels verschiedener elektrischer Feldspannungen, die an die Anodenoberfläche 52 und die Katodenoberfläche 50 angelegt sind, können Löcher erfasst/beobachtet werden. Die Pixelarrayanordnung 58 weist eine Anzahl Pixelränder (pixel edges) 60 auf. Die Pixelseitenränder 60 grenzen vorzugsweise unmittelbar an die Anodenseitenkanten 62 an, so dass der tote Raum in dem Detektorarray 19 minimiert ist.
Die Erfindung beinhaltet außerdem einen Schutzring 64, der auf die Detektorseitenoberflächen 54 als Überzug oder Beschichtung aufgebracht ist. Wenngleich der Schutzring 64 aus mehreren verschiedenen Materialien bestehen kann, sei für eine Ausführungsform angenommen, dass der Schutzring 64 aus den gleichen Materialien wie die Elektroden 50, 52, wie etwa Au oder Pt, besteht. Der Schutzring 64 ist dort, wo er aufliegt mit den Detektorseitenoberflächen 54 elektrisch verbunden. Der Schutzring 64 weist eine Schutzringhöhe 66 auf, die kleiner ist als die Detektortiefe 68. Der Schutzring 64 kann an verschiedenen Stellen längs der Detektortiefe 68 positioniert sein, um die Funktionsweise der randseitigen Pixel 70 zu optimieren. Die Schutzringhöhe 66 ist zwischen einem oberen Ringrand 72 und einem unteren Ringrand 74 definiert. Bei einer Ausführungsform liegen der obere Ringrand 72 und der untere Ringrand 74 näher bei der Anodenoberfläche 52 als bei der Katodenoberfläche 50. Als Beispiel veranschaulicht 5 eine Ausführungsform eines Direktumwandlungsdetektorelements 20. Das Direktumwandlungsdetektorelement 20 ist ein 0,5 × 0,5 × 1 mm³ mit Pixel versehener Kristall. Der CdZnTe Kristall ist mit einem 5 × 5 Pixelarray 58 mit einem Pixelrastermaß (pitch) von 100 μm hergestellt. Der Schutzring 64 ist 0,1 mm von der Anodenoberfläche 52 entfernt angeordnet und weist eine Schutzringhöhe von 0,01 mm auf. Die Katodenoberfläche 50 ist mit –400 Volt vorgespannt und die Anodenoberfläche 52 ist geerdet (0 V). Die simulierte Feld-/Potentialverteilung 75 ist auf den Detektorseitenoberflächen 54 veranschaulicht.
Der Schutzring 64 kann außerdem an eine Spannungsquelle 76 angeschlossen sein, so dass der Schutzring 64 mit einer Vorspannung beaufschlagt werden kann. Die Vorspannung kann von der Vorspannung der beiden Elektroden 50, 62 verschieden sein oder sie kann die gleiche wie die einer der Elektroden 50, 52 sein. Die Spannungsquelle 76 kann dazu verwendet werden die Vorspannung so einzustellen, dass das Betriebsverhalten der peripheren Pixel 70 weiter optimiert wird. Die 6A, 6B sind graphische Darstellungen der Potentialverteilungen, die über Gleichpotentialumfangs(-umriss-)linien aufgetragen sind. Die Vorausberechnungen zeigen die Vorteile einer richtigen Berechnung der Vorspannung für den Schutzring 64. 6A veranschaulicht eine Null-Volt-Vorspannung während 6B eine –20 V Vorspannung veranschaulicht. Die höhere Vorspannung in 6A zeigt Verbesserungen hinsichtlich der Gleichmäßigkeit des elektrischen Felds, aber eine Zunahme der Leckspannung zwischen dem Schutzring 64 und dem peripheren Pixeln 70. Bei der 20-Volt-Vorspannung in 6B ist der Leckstrom zwischen dem Schutzring 64 und dem peripheren Pixeln 70 verbessert. Zu bemerken ist, dass diese Vorhersageergebnisse lediglich illustrativer Natur sind und die Vorspannung des Schutzrings 64 im Hinblick auf die Geometrie und die Materialeigenschaften des Direktumwandlungsdetektorelements 20 optimiert werden muss.
Wenngleich spezielle Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, so ergeben sich doch für den Fachmann zahlreiche Abwandlungen und alternative Ausführungsformen. Demgemäß ist die Erfindung lediglich durch den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche beschränkt.

1: Computertomographie(CT)-Bildgebungssystem 10
2: Detektoranordnung 18
3: Scanneranordnung 12
4: Röntgenstrahlquelle 14
5: Röntgenstrahl 16
6: Detektoranordnung 18
7: Direktumwandlungsdetektorarray 19
8: Direktumwandlungsdetektorelemente 20
9: medizinischer Patient 22
10: Rotationsmittelpunkt 24
11: Steuermechanismus 26
12: Röntgenstrahlsteuereinrichtung 29
13: Scannermotorsteuereinrichtung 30
14: Datenakquisitionssystem (DAS) 32
15: Bildrekonstruktionseinrichtung
16: Computer 36
17: Massenspeichervorrichtung 38
18: Bediener über Konsole 40
19: zugeordnetes Display 42
20: Liegenmotorsteuereinrichtung 44
21: Motorbetätigte Liege 46
22: Scanneröffnung 48
23: Katodenoberfläche 50
24: Anodenoberfläche 52
25: mehrere Detektorseitenoberflächen 54
26: metallisches Material 56
27: Pixelarrayanordnung 58
28: mehrere Pixelseitenränder 60
29: Anodenseitenränder 62
30: Schutzring 64
31: Schutzringhöhe 66
32: Detektortiefe 68
33: Randseitige Pixel 70
34: oberer Ringrand 72
35: unterer Ringrand 74
36: simulierte Feld-/Potentialverteilung 75
37: Spannungsquelle 76

Claims

Vorrichtung zur Verwendung bei einem bildgebenden System (10), die aufweist: – ein Direktumwandlungsdetektorelement 20, das dazu ausgelegt ist, Röntgenstrahlphotonen (16) in elektrischen Strom umzuwandeln, wobei das Direktumwandlungsdetektorelement (20) aufweist: eine Katodenoberfläche (50); eine Anodenoberfläche (52) mit einer Anzahl Anodenseitenrändern (62); und eine Anzahl Detektorseitenoberflächen (54), die die Katodenoberfläche (50) mit der Anodenoberfläche (52) verbinden, wobei die mehreren Detektorseitenoberflächen (54) jeweils eine Detektortiefe (68) aufweisen; – eine Pixelarrayanordnung (58), die auf der Anodenoberfläche (52) angeordnet ist, wobei die Pixelarrayanordnung (58) eine Anzahl Pixelseitenränder (60) aufweist, von denen jeder der mehreren Pixelseitenränder (60) unmittelbar an eine der Anodenseitenränder (62) angrenzt; – einem Schutzring (64), der rings um die mehreren Detektorseitenflächen (54) herumgelegt ist, wobei der Schutzring (64) einen oberen Ringrand (72), einen unteren Ringrand (74) und eine eine Schutzringhöhe (66) beinhaltende Ringaußenoberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem aufweist: – eine Spannungsquelle (76), die mit dem Schutzring (64) in Verbindung steht, wobei die Spannungsquelle (76) den Schutzring (64) mit einer Vorspannung vorspannt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der obere Ringrand (72) und der untere Ringrand (74) von der Katodenoberfläche 50 und der Anodenoberfläche (52) entfernt angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ringaußenoberfläche mit den Pixelseitenrändern (60) koplanar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Schutzringhöhe (66) 50% oder weniger der Detektortiefe beträgt.
Bildgebendes System (10), das aufweist: – eine Röntgenstrahlquelle (14); – ein Detektorarray (19) mit einer Anzahl Direktumwandlungsdetektorelementen (20), die dazu ausgelegt sind Röntgenstrahlphotonen (16) in elektrischen Strom umzuwandeln, wobei jedes der mehreren Direktumwandlungsdetektorelemente (20) aufweist: – eine Katodenoberfläche (50); – eine Anodenoberfläche (52) mit einer Anzahl Anodenseitenrändern (62); und – eine Anzahl Detektorseitenoberflächen (54), die die Katodenoberfläche (50) mit der Ano denoberfläche (52) verbinden, wobei die mehreren Detektorseitenoberflächen (54) jeweils eine Detektortiefe (68) aufweisen; – eine Pixelarrayanordnung (58), die auf der Anodenoberfläche (52) angeordnet ist, wobei die Pixelarrayanordnung (58) eine Anzahl Pixelseitenränder (60) aufweist; – einen Schutzring (64), der um die mehreren Detektorseitenoberflächen (54) herumgelegt ist, wobei der Schutzring (64) einen oberen Ringrand (62), einen unteren Ringrand (64) und eine eine Schutzringhöhe (66) beinhaltende Ringaußenoberfläche aufweist, wobei die Ringaußenoberfläche koplanar mit den Pixelseitenrändern (60) angeordnet ist.
Bildgebungssystem nach Anspruch 6, bei dem der Schutzring (64) auf die mehreren Detektorseitenoberflächen (54) so aufgebracht ist, dass der Schutzring (64) mit den mehreren Detektorseitenoberflächen (54) im Wesentlichen koplanar ist.
Verfahren zur Verbesserung der Funktionsweise von peripheren Pixelelementen (58), die auf einer Anodenoberfläche (52) eines Direktumwandlungsdetektorelementes (20) angeordnet sind, wobei das Direktumwandlungsdetektorelement (20) eine Katodenoberfläche (50) und mehrere Detektorseitenoberflächen (54) aufweist, das beinhaltet: – Aufbringen eines Schutzrings (64) rings um die mehreren Detektorseitenoberflächen (54), wobei der Schutzring koplanar zu den peripheren Pixel elementen (70) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, das außerdem beinhaltet: – Anlegen einer Vorspannung an den Schutzring (64).