DE3438984C2

DE3438984C2 -

Info

Publication number: DE3438984C2
Application number: DE3438984A
Authority: DE
Inventors: Keiji Kokubunji Tokio/Tokyo Jp Umetani; Atsushi Higashiyamato Tokio/Tokyo Jp Suzuki; Manabu Kanagawa Jp Nakagawa; Minoru Tokio/Tokyo Jp Yoshida; Fumio Hachiouji Tokio/Tokyo Jp Kawaguchi; Hiromichi Hino Tokio/Tokyo Jp Yamada; Kouichi Kashiwa Chiba Jp Koike
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1983-10-24
Filing date: 1984-10-24
Publication date: 1987-11-12
Also published as: DE3438984A1; JPS6089786A; US4598203A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er für die Röntgenstrahl-Computertomographie oder ähn liches Anwendung findet und z. B. aus der DE-OS 29 23 324, insbes. Fig. 9, bekannt ist.

Bei der Röntgenstrahl-Computertomographie wird ein Multi element-Strahlungsdetektor verwendet, der aus einer Viel zahl von Strahlungs-Detektorelementen besteht, die bogen förmig angeordnet sind, um ein zu untersuchendes Material einer fächerförmigen Röntgenstrahlung auszusetzen und da durch die Verteilung der Röntgenstrahl-Absorptionskoeffi zienten zu messen. Als derartige Multielement-Strahlungs detektoren sind bislang ein Detektor mit Ionisationskammer, der die Ionisationswirkung eines Gases ausnutzt, ein Halb leiterdetektor, der die Ionisationswirkung eines Festkör pers ausnutzt, sowie ein Szintillationsdetektor bekannt, der die auf Röntgenstrahlung beruhende Fluoreszenzwirkung ausnutzt.

Bei einem Szintillationsdetektor wird im allgemeinen ein anorganischer einkristalliner Szintillator, wie z. B. NaI, CsI, CdWO₄, Bi₄Ge₃O₁₂ oder ähnliches, verwendet. Diese Szintillatoren haben wesentliche Vor- und Nachteile und sind nicht für alle Arten der Computertomographie ver wendbar. Um diesen Nachteil der einkristallinen Szintilla toren auszugleichen, wird ein pulverförmiger Szintillator verwendet, der mit einem geeigneten Binder, wie z. B. einem Polystyrenharz oder ähnlichem, in Form gebracht wird.

Der pulverförmige Szintillator hat einen kleineren Licht durchlässigkeitskoeffizienten als der einkristalline Szintillator. Deshalb ist es schwierig, die Strahlung auf der Auslaßseite herauszuführen und unter Verwendung eines Lichtdetektors zu empfangen. Aus diesem Grund wurde der Aufbau eines Strahlungsdetektors mit pulverförmigem Szintillator so ausgelegt, daß das Licht auf der Einfallsseite des Pulver szintillators mit einem Lichtdetektor aufgenommen wird. Detektoren mit einem derartigen Aufbau sind beispielsweise aus der US-Patentschrift 41 87 427 oder der DE-OS 29 23 324 bekannt. Bei diesem Detektor steht die Schicht aus Szintillatormaterial schräg zur Einfallsrichtung der Röntgenstrahlung, und der Detektor ist gegenüber der der Strahlung ausgesetzten Ober fläche der Szintillatorschicht und parallel zur Einfalls richtung der Röntgenstrahlen angeordnet. Da bei einem solchen Aufbau die Detektorebene und die Oberfläche der Szintillator schicht im Winkel zueinander verlaufen, sind nicht alle Gebiete der Szintillatorschicht gleich weit von dem Strahlungsdetektor entfernt, sondern haben vielmehr unterschiedliche Entfernung dazu. Wie anhand von Fig. 3 deutlich ist, haben die rechts unten liegenden Teile der Szintillatorschicht 33 einen kürzeren Abstand zu dem Lichtdetektor 32 als die links oben liegenden Teile der Szintillatorschicht. Die Intensität der in der Szintillatorschicht erzeugten Strahlung fällt aber proportional zum Quadrat der Entfernung ab, so daß Licht, das durch die einfallende Röntgenstrahlung in einem dem Detektor benachbarten Gebiet der Szintillatorschicht erzeugt wird, im Detektor eine größere Wirkung hervorruft als solches Licht, das bei ansonsten gleichen Bedingungen in einem vom Detektor weiter abliegenden Gebiet der Szintillatorschicht erzeugt wird. Damit zeigen die bekannten Szintillationsstrahlungsdetektoren eine Abhängigkeit, d. h. einen Gradienten der Nachweisempfindlichkeit in einer zum einfallenden Röntgenstrahl senkrechten Richtung.

In der Röntgenstrahl-Computertomographie führt andererseits der Unterschied in der Empfindlichkeit zwischen den den Multi element-Detektor aufbauenden Einzelelementen zum Auftreten eines ringförmigen Artefakts bzw. einer ringförmigen Modifikation oder Veränderung im Bild. Deshalb wurde eine elektrische Kalibrierung durchgeführt, um die Empfind lichkeitsabweichung zwischen den Elementen im wesentlichen auszugleichen. Das Auftreten der ringförmigen Veränderung kann durch die Kalibrierung jedoch nur verhindert werden, wenn der Röntgenstrahl-Absorptionsfaktor des zu untersuchenden Materials in Richtung der Dicke des Röntgenstrahlbündels gleichbleibend ist. Bei den in der Praxis zu untersuchenden Materialien ist das jedoch nicht der Fall. Weiterhin ist es schwierig, die Kalibrierung an den praktischen Betrieb der Bilderzeugung anzupassen, wenn die Einzelelemente einen Empfindlichkeits gradienten in Richtung der Dicke des Röntgenstrahlbündels aufweisen. Aufgrund dieses Empfindlichkeitsgradienten tritt zwischen den Einzelelementen eine Empfindlichkeitsabweichung auf. Deshalb entwickelt sich auf dem reproduzierten Bild die genannte ringförmige Veränderung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Multielement-Strahlungs detektor anzugeben, bei dem die Empfindlichkeit für den Strahlungsnachweis möglichst unabhängig davon ist, wo das einzelne Röntgenquant auf den Szintillator trifft, d. h. der Gradient der Nachweisempfindlichkeit soll möglichst gering sein.

Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs. Danach weist jedes der Elemente des Strahlungsdetektors einen Szintillator, dessen Strahlungs einfallsebene schräg bezüglich der Einfallsrichtung der Strahlung angeordnet ist, und einen Lichtdetektor auf, dessen das Licht aufnehmende Ebene ebenfalls schräg bezüglich der Einfallsrichtung der Strahlung und so angeordnet ist, daß sie der Strahlungseinfallsebene des Szintillators gegenüberliegt.

Mit dem genannten Aufbau tritt kaum eine Asymmetrie der Blickwinkel von jedem Punkt der Strahlungseinfallsebene des Szintillators eines jeden Elementes zu dem jeweiligen Lichtdetektor sowie des Abstands zu diesem Lichtdetektor zwischen der rechten und der linken Seite des Szintillators auf. Aus diesem Grund nimmt der Empfindlichkeitsgradient in Richtung der Dicke des Röntgenstrahlbündels ab, d. h. in der Richtung, die senkrecht zur Anordnungsrichtung der Elemente verläuft. Daher kann die Empfindlichkeitsabweichung zwischen den Elementen eliminiert werden, indem die Empfindlichkeit der Elemente durch direkte Einstrahlung des Röntgenstrahlbündels ohne Durchlaufen des zu unter suchenden Materials kalibriert wird. Damit ist es möglich, das Auftreten der ringförmigen Veränderung auf dem durch Röntgenstrahl-Computertomographie erstellten Bild zu ver hindern.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Röntgenstrahl-Computertomographen;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Aufbaus eines Röntgenstrahl-Multielement-Detektors nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Schnittansicht des Detektors nach Fig. 2; und

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Kennlinien des ge zeigten Ausführungsbeispiels.

Fig. 1 verdeutlicht den Aufbau eines Röntgenstrahl-Compu tertomographen, auf den die vorliegende Erfindung Anwendung findet. Auf einer Drehscheibe 5 ist eine Röntgenstrahlquelle 1, die Röntgenstrahlen 2 in Form eines Fächers erzeugt, so wie ein Röntgenstrahl-Multielement-Detektor 4 vorgesehen. Der Röntgenstrahl-Multielement-Detektor besteht aus 30 bis 2000 Elementen 3, die so angeordnet sind, daß sie einen Bogen bilden. Die Einzelelemente erfassen die Intensitäts verteilung des Röntgenstrahlbündels, das durch ein in einem Hohlraum in der Mitte der Scheibe 5 liegendes, zu untersuchendes Material hindurchtritt. Der Erfassungs vorgang wird unter Drehen der Scheibe 5 wiederholt, um die Daten für die Erstellung eines Tomogramms zu gewinnen, das die Verteilung der Röntgenstrahl-Absorptionsfaktoren des Querschnitts des untersuchten Materials wiedergibt.

Fig. 2 zeigt einen Teil des Multielement-Detektors 4. Ein Detektorgehäuse 40 ist durch Kollimatoren 41 in Einzel elemente unterteilt. Auf die Oberflächen der Kollimatoren ist Aluminium aufgedampft, um den Reflexionsfaktor für Licht zu erhöhen und damit die Empfindlichkeit zu steigern. Jedes Element besteht aus einem Pulver-Szintillator 31, der so angeordnet ist, daß seine Einfallsebene für Röntgen strahlen bezüglich der Einfallsrichtung der Röntgenstrah len geneigt ist. Gegenüber diesem Szintillator 31 ist eine Silizium-Fotodiode 32 angeordnet. Das Röntgenstrahl bündel fällt, wie in der Zeichnung durch die Pfeile 21 angedeutet, von oben ein, tritt durch eine aus einer Alu miniumplatte oder ähnlichem bestehenden Vorderwand 42 und erreicht die Szintillatoren 31. Das damit erzeugte Szin tillationslicht wird anschließend durch die Silizium- Fotodioden in elektrische Signale umgewandelt.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht des Detektors nach Fig. 2 entlang einer Ebene senkrecht zur Anordnungsrichtung der Elemente, wie durch den Pfeil P in Fig. 2 angedeutet. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die Strahlungseinfallsebene 33 des Szintillators 31 bezüglich der Einfallsrichtung der Röntgenstrahlen mit dem Winkel R 1 geneigt. Andererseits ist die Lichteinfallsebene 34 der Silizium-Fotodiode 32 mit einem Winkel R 2 geneigt und so angeordnet, daß sie vom oberen Ende des Szintillators 31 um l nach oben ver schoben ist, so daß sie der Vorderfläche des Szintillators 31 gegenüberliegt.

Fig. 4 zeigt die Verteilung der Empfindlichkeit bezogen auf die Ausdehnungsrichtung des einfallenden Röntgenstrahl bündels nach obiger Ausführungsform im Vergleich zu einem herkömmlichen Gerät. In dieser Figur ist die Ordinate die Teilempfindlichkeit eines Detektorelementes, die Abszisse ist die Posi tion x in Dickenrichtung, wobei der Abszissenwert 0 dem linken Ende in Fig. 3 entspricht. Eine Kennlinie 11 zeigt einen Fall, in dem die Ein fallsbreite x des Detektors 16 mm, der durch die Strahlungseinfalls ebene 33 des Szintillators 31 und die Einfallsrichtung der Röntgen strahlen festgelegte Winkel R 1 34,8°, der durch die Lichteinfallsebene 34 der Silizium-Fotodiode 32 und der Einfallsrichtung der Röntgen strahlen festgelegte Winkel R 2 15° und der Abstand l 9 mm ist. Aus dem Vergleich der Kennlinien 11 und 12 wird deut lich, daß der Gradient bezüglich der Ausdehnungsrichtung des Detektors verringert wird und sich eine annähernd ein heitliche Empfindlichkeitsverteilung über den gesamten Be reich ergibt. Dabei zeigt die Kennlinie 12 die Verteilung in dem Fall, in dem der Winkel R 2 0° beträgt, d. h. in dem die Lichteinfallsebene der Silizium-Fotodiode parallel zur Einfallsrichtung der Röntgenstrahlen angeordnet ist.

Die Kennlinie 13 zeigt die Empfindlichkeitsverteilung, wenn R 1 = 34,8°, d. h wenn die Strahlungseinfallsebene des Szintillators 31 parallel zur Lichteinfallsebene der Silizium-Fotodiode ist, wie in Fig. 3 gestrichelt darge stellt. In diesem Fall wird die Empfindlichkeitsverteilung bezüglich der rechten und der linken Seite symmetrisch, d. h. es ergibt sich eine ideale Verteilung. Da der Ab stand zwischen der Silizium-Fotodiode und dem Szintilla tor jedoch zunimmt, nimmt die Empfindlichkeit verglichen mit dem Fall, in dem R 2 = 15° gilt, insgesamt ab.

Bei Verwendung des Multielement-Detektors aus den oben beschriebenen Elementen mit einer einheitlichen Empfind lichkeitsverteilung für die Röntgenstrahl-Computertomo graphie tritt zwischen den Elementen keine Empfindlich keitsabweichung auf, selbst wenn ein Material abgebildet werden soll, das in der Ausdehnungsrichtung des Röntgen strahlbündels eine große Veränderung des Röntgenstrahl absorptionsfaktors aufweist, wie es z. B. in den Spitzen- und Scheitelbereichen eines Materials der Fall ist. Aus diesem Grund entwickelt sich auch keine ringförmige Ver änderung oder Modifikation auf dem Bild. Darüber hinaus können die Röntgenstrahlen auf jede Position des Detektors auffallen, selbst wenn der Abbildevorgang unter Veränderung der Ausdehnung des Röntgenstrahlbündels durchgeführt wird, wodurch sich ein großer praktischer Vorteil ergibt.

Obwohl nach obigem Ausführungsbeispiel als der Szintillator 31 ein Pulver-Szintillator Anwendung findet, ist es auch möglich, statt dessen einen Einkristall-Szintillator zu ver wenden.

Claims

1. Multielement-Strahlungsdetektor, bei dem eine Anzahl von Detektorelementen (3) durch Kollimatoren (41) voneinander getrennt und in regelmäßiger Anordnung aufgebaut sind, wobei jedes Element (3)

a) einen Szintillator (31) aufweist, dessen der einfallenden Strahlung (21) ausgesetzte Ober flächenebene (33) schräg zur Richtung der einfal lenden Strahlung (21) ausgerichtet ist, und
b) einen Lichtdetektor (32) aufweist, der dieser Oberflächenebene (33) des Szintillators (31) gegenüberliegend angeordnet ist und das von ihr ausgehende Szintillationslicht empfängt,

dadurch gekennzeichnet, daß

c) die Lichtaufnahmeebene (34) des Lichtdetektors (32) schräg zur Einfallsrichtung der Strahlung (21) angeordnet ist.

2. Multielement-Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (R 2) zwischen der Lichtaufnahmeebene (34) der Lichtdetektoren (32) und der Einfallsrichtung der Strahlung (21) kleiner ist als der Winkel (R 1) zwischen der der einfallenden Strahlung ausgesetzten Oberflächenebene (33) der Szintillatoren (31) und der Einfallsrichtung der Strahlung (21).

3. Multielement-Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtaufnahmeebene (34) der Lichtdetektoren (32) und die der einfallenden Strahlung ausgesetzte Oberflächenebene (33) der Szintillatoren (31) jeweils zueinander parallel sind.