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Die
Erfindung betrifft einen im Patentanspruch 1 angegebenen Flachbilddetektor
für Röntgenstrahlung.
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In
der modernen Röntgenbildgebung sind Flachbilddetektoren,
auch Festkörperdetektoren genannt, bekannt, welche ein
Röntgenbild direkt in digitaler Form liefern. Dabei werden
zwei Arten von Flachbilddetektoren unterschieden: indirekte und
direkte.
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Bei
einem indirekten Flachbilddetektor wird die eingehende Röntgenstrahlung
mittels eines Szintillators in sichtbares Licht gewandelt. Unterhalb
des Szintillators befindet sich ein Halbleiter, in der Regel aus
amorphem Silizium, aus dem eine integrierte Schaltung zur Umwandlung
des sichtbaren Lichtes in elektrische Signale gebildet ist. Pro
Bildpunkt gibt es je einen Kondensator, einen Dünnschichttransistor, auch
TFT genannt, und eine Fotodiode. Die Fotodiode wandelt das sichtbare
Licht in Elektronen um. Der Kondensator speichert diese Ladung,
und mit Hilfe des Dünnschichttransistors kann der Bildpunkt
ausgelesen werden.
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Direkte
Flachbilddetektoren nutzen anstelle eines Szintillators und einer
Fotodiode einen für Röntgenstrahlung empfindlichen
Fotoleiter, der beim Eintreffen von Photonen elektrische Ladungen
erzeugt. Diese Ladungen werden mit Elektroden abgesaugt. Der Fotoleiter
besteht üblicherweise aus amorphem Selen, welches eine
hohe Empfindlichkeit gegenüber Röntgenstrahlung
sowie eine sehr gute räumliche Auflösung besitzt.
An einer Selenschicht wird ein elektrisches Feld angelegt. Durch
die Röntgenstrahlung entstehen Löcher und Elektronen,
die in Richtung des angelegten Feldes diffundieren. Die Auswerteelektronik
ist ähnlich aufgebaut wie bei den oben beschriebenen indirekten
Flachbilddetektoren.
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Sowohl
bei indirekten als auch bei direkten Flachbilddetektoren können
thermische Einflüsse die Bildaufnahme störend
beeinflussen. Nicht nur bei großflächigen Flachbilddetektoren
treten diese temperaturabhängigen Röntgenstrahlensensitiviätsveränderungen
an den Klebekanten der einzelnen Strahlungssensoren auf, sondern
auch bei Flachbilddetektoren ab ca. einer Größe
von 20 × 20 cm2, sobald sich lokale
Wärmequellen, beispielsweise elektrische Baugruppen auf
einer Leiterplatte, unter dem Strahlungssensor befinden. Die dadurch
entstehenden lokalen Temperaturunterschiede führen zu unterschiedlichen
Dunkelströmen, elektrischem Rauschen und einem Anstieg
des Geistbildverhaltens, somit zu einer Verschlechterung der Röntgenbildqualität.
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In
der Regel verfügen daher Flachbilddetektoren über
Temperatursensoren, welche in der Nähe des Strahlungssensors
angeordnet sind. In
DE
101 08 430 A1 ist beschrieben, wie ein Temperatursensor angeordnet
ist, und der von diesem gemessene Temperaturwert zur Erkennung von
Fehlern und/oder einer Alterung eines Strahlungssensor-Chips verwendet
werden kann.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung einen Flachbilddetektor mit verbesserter
Temperaturwertmessung anzugeben.
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Gemäß der
Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Anordnung des unabhängigen
Patentanspruchs 1 gelöst, indem in einem Flachbilddetektor
für Röntgenstrahlung, der mindestens einen Strahlungssensor
mit einer Vielzahl von Strahlungssensorelementen umfasst, mindestens
ein flächenhaft ausgeprägter Temperatursensor,
dessen Oberfläche in etwa gleich groß der Oberfläche
des Strahlungssensors ist, angeordnet.
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Dies
bietet den Vorteil, dass eine genaue Temperaturanzeige für
jeden Punkt des Strahlungssensors möglich ist. Ein weiterer
Vorteil ist, dass Temperaturschwankungen und der Aufbau eines Temperaturgradienten
für den ganzen Strahlungssensor erfassbar sind.
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In
einer Weiterbildung kann der Temperatursensor unterhalb des Strahlungssensors
angeordnet sein und mit diesem in Wirkverbindung stehen.
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Vorteilhaft
daran ist, dass lokale Auswirkungen von Wärmestrahlern
unterhalb des Strahlungssensors erfasst und durch geeignete Maßnahmen kompensiert
werden können. Temperaturbedingte Artefakte, wie beispielsweise
Geisterbilder und Rauschen, können somit verhindert bzw.
reduziert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann der Temperatursensor
im Strahlungssensor integriert sein.
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Dadurch
ist eine einfache und kostengünstige Herstellung möglich.
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In
einer Weiterbildung kann der Temperatursensor eine Vielzahl von
Temperatursensorelementen umfassen.
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Vorteilhaft
daran ist, dass die Temperaturverteilung jederzeit pixelgenau abrufbar
ist und einer pixelbezogenen Bildinformation zuordenbar ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform können die Temperatursensorelemente
einen temperaturabhängigen Halbleiterwiderstand (Spreading-Resistance)
umfassen.
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Dies
hat den Vorteil, dass bewährte Halbleitertechnologien zur
Herstellung verwendet werden können.
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In
einer Weiterbildung ist jedem Strahlungssensorelement genau ein
Temperatursensorelement zugeordnet ist.
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Dies
hat den Vorteil einer pixelgenauen Temperaturmessung.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird jeweils vier Strahlungssensorelementen
ein Temperatursensorelement zugeordnet.
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Dadurch
kann die Anordnung bei hinreichend guter Auflösung der
Temperaturverteilung einfacher ausgeführt werden.
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In
einer Weiterbildung kann der Strahlungssensor Röntgenstrahlung
direkt in elektrische Ladungen umwandelt (direkte Konversion).
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Röntgenbildaufnahmeeinheit
anzugeben.
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Gemäß der
Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Röntgenbildaufnahmeeinheit
des unabhängigen Patentanspruchs 10 gelöst, indem
ein erfindungsgemäßer Flachbilddetektor Verwendung
findet.
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Weitere
Besonderheiten der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen
mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen
ersichtlich.
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Es
zeigen:
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1:
einen Flachbilddetektor,
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2:
eine Schnittansicht eines Strahlungssensors für direkte
Konversion,
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3:
eine Schnittansicht eines Strahlungssensors für indirekte
Konversion und
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4:
eine Schnittansicht eines Strahlungssensorelements und eines Temperatursensorelements.
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1 zeigt
einen Flachbilddetektor 1 in Form einer Platte. Unterhalb
ist eine Leiterplatte 2, beispielsweise ein Analogboard,
mit nicht im Detail dargestellten elektronischen Baugruppen angeordnet.
Durch eine Wärme abgebende Baugruppe 3 wird der
Flachbilddetektor 1 lokal im in 1 gekennzeichneten
Bereich 4 erwärmt. In Folge kommt es zu räumlich
unterschiedlichen Temperaturverteilungen auf dem Flachbilddetektor,
was zu unterschiedlichen Dunkelströmen, elektrischen Rauschen
und einem Anstieg des Geistbildverhaltens führen kann.
Dadurch verschlechtert sich die Bildqualität einer Röntgenbildaufnahme.
Zur Vermeidung sind Maßnahmen zur Erfassung der Temperaturverteilung
erforderlich.
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2 zeigt
einen erfindungsgemäßen Flachbilddetektor, welches
eine Szintillator-Schicht 5, als indirektem Konverter einer
eintreffenden Röntgenstrahlung 9, eine Auswerteelektronik 6 und
eine aktive Matrix, dem sogenannten Strahlungssensor 7, aus
einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten Strahlungssensorelementen 8 enthält.
Die Strahlungssensorelemente 8 enthalten jeweils mindestens eine
Photodiode, ein Zwischenspeicherelement in Form eines Speicherkondensators
und ein Zwischenschaltelement in Form eines Transfertransistors.
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Unterhalb
des Strahlungssensors 7 ist ein flächenhafter
Temperatursensor 11 bestehend aus einer Vielzahl von Temperatursensorelementen 10 angeordnet.
Die Temperaturmessung der Temperatursensorelemente 10 beruht
auf der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes
von dotiertem Silizium. Der Aufbau der Temperatursensorelemente 10 erfolgt
entweder als Silizium-Kompaktblock oder als Spreading-Resistance.
Details dazu sind in 4 wiedergegeben.
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Mit
Hilfe der Temperatursensorelemente 10 ist es möglich
bis auf Pixelebene genau die Widerstände und somit die
Temperaturen zu erfassen. Diese können beispielsweise auf
Anforderung oder automatisch mit jeder Bildpixelinformation, zum
Beispiel als 16tes Bit, an die Auswerteeinheit eines Röntgenbildaufnahmesystems
zur weiteren Auswertung übermittelt werden. Alternativ
erfolgt die Übermittlung nur mit den Offset- oder Dunkelbildern.
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Wird
eine kritische Temperatur auf dem Strahlungssensor 7 erreicht,
kann ein neues Gainbild oder ein neues Offset-Bild angefordert werden,
die Intensität des Rücklichts auf einem Rücklichtboard der
lokalen Temperaturverteilung angepasst werden oder über
eine Widerstandsheizung auf oder unterhalb des Strahlungssensors 7 die
Temperaturänderung kompensiert werden.
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Die
Auswertelektronik 6 ist in Dünnschichttechnik
mit Dünnschichttransistoren (TFT, thin-film-transistor)
aufgebaut.
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Die
Szintillator-Schicht 5 ist beispielsweise aus Cäsiumjodid,
der Strahlungssensor 7 und der Temperatursensor 11 sind
bevorzugt aus amorphem Silizium aufgebaut.
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3 zeigt
einen Flachbilddetektor 1 mit direkter Konversion der einfallenden
Röntgenstrahlung 9. In einer Konverterschicht 12,
zum Beispiel aus amorphem Selen, wird die Röntgenstrahlung 9 direkt in
elektrische Ladungen umgewandelt. Diese Ladung wird von den Strahlungssensorelementen 8 des Strahlungssensors 7 gespeichert
und an die Auswerteelektronik 6 übermittelt. Die
Strahlungssensorelemente 6 enthalten jeweils mindestens
ein Zwischenspeicherelement in Form eines Speicherkondensators und
ein Zwischenschaltelement in Form eines Transfertransistors. Der
Temperatursensor 11 ist ähnlich 2 unterhalb
des Strahlungssensors 7 angeordnet und vergleichsweise
aus Temperatursensorelementen 10 aufgebaut.
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Vorzugsweise
ist der Temperatursensor 11 in den Strahlungssensor 7 integriert
bzw. bildet mit diesem eine Einheit. 4 zeigt
eine diesbezügliche Ausgestaltung im Detail. Dargestellt
ist ein Strahlungssensorelement 8, welches eine Konverterschicht 12 aus
amorphen Selen und Elektroden 13, 14 umfasst.
Zwischen den Elektroden 13, 14 befindet sich ein
Dielektrikum 15. Das Strahlungssensorelement 8 ist
auf einem Glassubstrat 16 angeordnet.
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In
unmittelbarer Nähe zum Strahlungssensorelement
8 ist
ein Temperatursensorelement
10 auf dem Glassubstrat
16 angeordnet.
Das Temperatursensorelement
10 besteht aus den Elektroden
17,
18 zwischen
denen sich das Dielektrikum
15 und eine Halbleiterschicht
19 aus
beispielsweise amorphem Silizium befinden. Die Halbleiterschicht
19 bildet
das Widerstandsge biet, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit
der Temperatur ändert. Somit kann durch Messung des Widerstands
zwischen den beiden Elektroden
17,
18 die Temperatur
in unmittelbarer Nähe des Strahlungssensorelements
8 bestimmt werden.
In der Patentschrift
DE
101 36 005 C1 sind Aufbau und Funktionsweise dieser sogenannten Spreading-Resistance
Temperatursensorelemente ausführlich beschrieben.
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In
einer weiteren Ausführungsform können für
jeweils mehrere Strahlungssensorelemente 8, beispielsweise
vier, ein Temperatursensorelement 10 vorgesehen werden.
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- 1
- Flachbilddetektor
- 2
- Leiterplatte
- 3
- Baugruppe
- 4
- erwärmter
Bereich
- 5
- Szintillator-Schicht
- 6
- Auswerteelektronik
- 7
- Strahlungssensor
- 8
- Strahlungssensorelement
- 9
- Röntgenstrahlung
- 10
- Temperatursensorelement
- 11
- Temperatursensor
- 12
- Konverterschicht
- 13,
14
- Elektroden
des Strahlungssensorelements 8
- 15
- Dielektrikum
- 16
- Glassubstrat
- 17,
18
- Elektroden
des Temperatursensorelements 10
- 19
- Halbleiterschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10108430
A1 [0006]
- - DE 10136005 C1 [0040]