Untersuchung von CdTe als Sensormaterial für die spektroskopische Röntgenbildgebung

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2012-02-02
Issue Year
2011
Authors
Guni, Ewald
Editor
Abstract

Detector concepts with photon counting read out electronics are gaining increasing importance in medical imaging. Materials with high absorption efficiency like Cadmium Telluride (CdTe) should be used as sensor material. Aim of this thesis was to investigate the sensor material CdTe in combination with the photon counting read out chip Medipix2-MXR with regard to its applicability to spectroscopic X-ray imaging. Of particular interest was the detection of contrast agents in medical X-ray imaging. After the concept of photon counting detectors was introduced and the sensor material CdTe was presented in detail, the spectral response of a CdTe detector concerning pixel pitch, electrode size and sensor thickness was investigated. The measurements showed that the energy response strongly depends on the mentioned parameters. An important influence has the pixel pitch. It determines the magnitude of charge sharing and the signatures of fluorescence radiation in the energy response function. The electrode pad size has a great impact on the electronic noise. Large pixel pitches in combination with small electrode pad sizes would provide good spectral resolution in combination with low noise. However, the analysis showed that there are increasing charge losses with increasing gap between the pixel electrodes. This severely degrades the spectral behaviour of the detector. For this observation several explanations were given. For spectroscopic X-ray imaging a trade-of between spectral and spatial resolution has to be made. Medium sized pixel pitches with large electrode pads proved to be a good choice. With the findings from the measurements a realistic simulation of the energy response functions in a broad energy range was possible. The simulations were compared with the measurements and it turned out that the simulation for pixels with large electrode pads describes the measurement very well. The last part of this work showed that it is possible to do material reconstruction with a photon counting detector with CdTe sensor. In a simulation set-up the three basis materials water, iodine and gadolinium were reconstructed correctly in their quantity and their position. For the measurements a CdTe detector with a pixel pitch of 0.33 mm and a sensor thickness of 1.6 mm was used. Large deviations of the energy response functions among the pixels made it impossible to do material reconstruction in a projective geometry. After a row of pixels with very similar energy response functions was found, there was hope to apply material reconstruction in a computer tomograph geometry. Due to timely uncorrelated disturbing signals in the energy response functions this was impossible. Progress with the fabrication of CdTe detectors constantly improve the quality of such detectors. With this and the findings from this work the application of material reconstruction in measurements will be made possible.

Abstract

Detektorkonzepte mit photonenzählender Ausleseelektronik gewinnen zunehmend an Bedeutung in der medizinischen Bildgebung. Materialien mit hohem Absorptionsvermögen, wie CdTe, sind dabei die bevorzugten Sensormaterialien. Ziel dieser Arbeit war es, CdTe als Sensormaterial in Verbindung mit dem photonenzählenden Auslesechip Medipix2-MXR, im Hinblick auf die Eignung zur spektroskopischen Röntgenbildgebung, zu untersuchen. Das Augenmerk richtete sich dabei auf den Nachweis von Kontrastmitteln in der medizinischen Bildgebung. Nachdem das Konzept photonenzählender Detektoren vorgestellt und detailliert auf das Sensormaterial CdTe eingegangen wurde, wurde die spektrale Energieantwort eines CdTe Detektors in Abhängigkeit von Pixelgröße, Elektrodengröße und Sensordicke untersucht. Die Messungen ergaben, dass die Energieantwort sehr stark von den drei genannten Parametern abhängt. Einen entscheidenden Einfluss hat zum einen die Pixelgröße, da diese den Anteil des Charge Sharing und die Signaturen der Fluoreszenzstrahlung im Energieantwortspektrum bestimmt. Die Elektrodengröße hat großen Einfluss auf das elektronische Rauschen. Die Hoffnung die guten spektralen Eigenschaften großer Pixel zu behalten und gleichzeitig das Rauschen durch kleinere Elektroden zu minimieren, wurde nicht erfüllt, da zunehmend Ladungen an die größer werdende Lücke verloren gingen. Die Folge der Ladungsverluste an die Lücke war eine starke Degradation des Energieantwortspektrums. Hierfür konnten verschiedene Erklärungen gegeben werden. Letztendlich stellte sich heraus, dass für die spektroskopische Röntgenbildgebung ein Kompromiss zwischen spektralem und örtlichen Auflösungsvermögen gefunden werden muss. Mittlere Pixelgrößen mit großen Pixelelektroden erwiesen sich dabei am geeignetsten. Mittels der aus den Messungen gewonnenen Erkenntnissen war eine realistische Simulation der Energieantwortspektren in einem breiten Energiebereich möglich. Dazu wurden zunächst die Messungen mit Simulationen verglichen, wobei sich herausstellte, dass die Simulation für Pixelgrößen mit großen Elektroden die Messung sehr gut wiedergibt. Im letzten Teil der Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Prinzip der Materialrekonstruktion mit einem photonenzählenden CdTe Detektor angewendet werden kann. Dazu wurden in einem Simulationsaufbau die Basismaterialien Wasser, Gadolinium und Iod sowohl in ihrer Quantität als auch in ihrer Position richtig nachgewiesen. Um das Prinzip der Materialrekonstruktion auch in Messungen zu bestätigen, stand ein CdTe Detektor mit einer Pixelkantenlänge von 0,33 mm und einer Dicke von 1,6 mm zur Verfügung. Große Abweichungen der spektralen Energieantwort der einzelnen Pixeln untereinander verhinderten jedoch die Materialrekonstruktion in projektiver Geometrie. Nachdem eine Detektorzeile mit Pixeln mit sehr ähnlichen Energieantwortspektren gefunden wurde, bestand die Hoffnung das Prinzip der Materialrekonstruktion in computertomographischer Geometrie anzuwenden. Auch dies war leider nicht möglich, da zeitlich unkorellierte Störsignale im Energieantwortspektrum dies verhinderten. Fortschritte bei der Herstellung von CdTe Detektoren ermöglichen aber eine stetige Verbesserung der Qualität der Detektoren, so dass zu erwarten ist, dass mit den seit kurzem erhältlichen CdTe Detektoren und der in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen, Materialrekonstruktion auch in Messungen bestätigt werden kann.

DOI
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