DE102006033716A1 - X-ray diagnosis apparatus, with digital imaging, has a dosage measurement sensor using part of the scintillating light with a matrix of detection sensors - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Hochspannungsgenerator für einen Röntgenstrahler, mit einem Röntgendetektor, der einen Bildwandler mit einem Szintillator und mit in einer Matrix angeordneten Pixelelementen und einem dahinter angeordneten Dosissensor einer Dosismessvorrichtung aufweist, an dem ein Messwandler der Dosismessvorrichtung zur Steuerung des Hochspannungsgenerators angeschlossen ist.The The invention relates to an X-ray diagnostic device with a high voltage generator for an X-ray source, with an X-ray detector, the an imager with a scintillator and with in a matrix arranged pixel elements and a dose sensor arranged behind it a dose measuring device, on which a transducer of the Dose measuring device connected to control the high voltage generator is.
Seit Jahren verändern digitale Röntgendetektoren die klassische Radiographie bzw. Fluoroskopie, Angio- und Cardangiographie. Verschiedenste Technologien sind zum Teil schon länger im Einsatz oder kurz vor der Marktreife; digitale Technologien wie Bildverstärker-Kamerasysteme, basierend auf Fernseh- oder CCD-Kameras, Speicherfoliensysteme mit integrierter oder externer Ausleseeinheit, Systeme mit optischer Ankopplung der Konverterfolie an CCDs oder CMOS Chips, Selenbasierte Detektoren mit elektrostatischer Auslesung (z.B. Thoravision) und Festkörperdetektoren mit aktiven Auslesematrizen und direkter oder indirekter Konversion der Röntgenstrahlung.since Change years digital x-ray detectors classic radiography or fluoroscopy, angio and cardangiography. Various technologies have been in use for some time Use or just before the market; digital technologies like Image intensifier camera systems, based on television or CCD cameras, imaging systems with integrated or external readout unit, systems with optical Coupling the converter foil to CCDs or CMOS chips, selenium-based Electrostatic reading detectors (e.g., Thoravision) and Solid state detectors with active readout matrices and direct or indirect conversion the X-ray radiation.
Insbesondere sind seit einigen Jahren neuartige Festkörperdetektoren (FD) für die digitale Röntgenbildgebung in der Markteinführung, die auf aktive Auslesematrizen beispielsweise aus amorphem Silizium (a-Si) basieren. Die Bildinformation wird in einem Röntgenkonverter, beispielsweise Cäsium Jodid (CsI), gewandelt, in den Photodioden der Matrix als elektrische Ladung gespeichert und anschließend über ein aktives Schaltelement mit einer dedizierten Elektronik ausgelesen und analog-digital gewandelt und vom Bildsystem weiterverarbeitet.Especially For some years now, new types of solid state detectors (FD) for digital X-ray imaging have been available in the market launch, on active Auslesematrizen example of amorphous silicon (a-Si). The image information is in an X-ray converter, for example, cesium Iodide (CsI), converted in the photodiodes of the matrix as electrical Stored charge and then over a active switching element with a dedicated electronics read out and analog-digital converted and further processed by the image system.
Verwandte
Technologien verwenden ebenfalls eine aktive Auslesematrix aus amorphem
Silizium, aber einen Konverter (beispielsweise Selen), der direkt
elektrische Ladung generiert, die dann auf einer Elektrode gespeichert
wird. Die gespeicherte Ladung wird anschließend über ein aktives Schaltelement
mit einer dedizierten Elektronik ausgelesen und analogdigital gewandelt,
wie dies nachfolgend anhand von
Allen oben beschriebenen Technologien liegt zugrunde, dass die Röntgeninformation letztendlich digital vorliegt, sowohl im Ort durch eine zweidimensionale Pixelstruktur, als auch in der Signalhöhe durch Grauwerte mit gegebener Bittiefe.all The technology described above is based on X-ray information ultimately digitally present, both in place by a two-dimensional Pixel structure, as well as in the signal height by gray scale with given Bit depth.
Zur Regelung der Dosis werden üblicherweise externe Ionisationskammern verwendet, die vor dem Röntgendetektor angebracht sind. Diese Anordnung entspricht derjenigen, die auch für konventionelle Systeme, d.h. Film-Folie, oder Speicherfoliensysteme, verwendet werden. Der Nachteil dieser Anordnung ist, dass die extern angebrachte Dosisregulierungseinheit strukturiert ist – sie weist beispielsweise drei röntgensensitive Kammern auf – und daher abhängig vom Ort unterschiedlich stark die eintreffende Röntgenstrahlung absorbiert.to Regulation of the dose will be common external ionization chambers used in front of the x-ray detector are attached. This arrangement corresponds to that, too for conventional Systems, i. Film foil, or imaging plate systems used become. The disadvantage of this arrangement is that the externally mounted Dose control unit is structured - she points, for example three X-ray sensitive Chambers on - and therefore dependent from the place different degrees of incoming X-rays absorbed.
Eine externe Ionisationskammer führt zu mehreren prinzipiellen Nachteilen:
- • Bei konventionellen Systemen (Film-Folie) werden die Ionisationskammern auf dem Film abgebildet. Da in diesem Fall keine Bildverarbeitung durchgeführt werden kann, d.h. immer die volle Dynamik des Films dargestellt wird, sind die Strukturen jedoch nur gering oder nicht sichtbar.
- • Im Falle von digitalen Systemen ist dagegen eine Bildverarbeitung möglich, z.B. eine Reduzierung des dynamischen Bereichs (beispielsweise durch Veränderung der "Center"- und "Window"-Werte). Dies kann dazu führen, dass die Strukturen der einzelnen Ionisationskammern deutlich sichtbar werden. Bei digitalen Bildaufnehmern (Festkörperdetektoren, CCDs, CMOS-Chips) wird zwar im allgemeinen eine Kalibrierung durchgeführt, durch die das angesprochene Problem aufgrund der notwendigen Bildvorverarbeitung (z.B. Offset- und Gainkorrekturen) in erster Ordnung korrigiert werden; sobald die Strahlenqualitäten, die bei der Kalibrierung und bei der eigentlichen Röntgenaufnahme nicht übereinstimmen – dies ist im allgemeinen der Fall – tritt der Artefakt jedoch wieder auf. Auch im dem Falle, dass die Kalibrierung mit der vorgelagerten Dosismesskammer und die Aufnahme ohne vorgelagerte Dosismesskammer, beispielsweise bei aus dem Tisch herausziehbarem Detektor, vorgenommen werden oder aber auch bei umgekehrter Anordnung der Dosismesskammer bei Kalibrierung und Aufnahme wird der Artefakt selbst bei gleicher Strahlenqualität in voller Höhe auftreten.
- • Eine externe Ionisationskammer muss auch separat synchronisiert werden, d.h. dann aktiviert werden, wenn der Detektor aufnahmebereit ist und die Röhre bzw. der Generator den Röntgenpuls einleitet. Dies führt zu zusätzlichem "logistischem" Aufwand beim Systemkontroller.
- • In conventional systems (film foil), the ionization chambers are imaged on the film. Since no image processing can be carried out in this case, ie the full dynamics of the film is always displayed, the structures are only slight or invisible.
- • In the case of digital systems, on the other hand, image processing is possible, eg a reduction of the dynamic range (eg by changing the "center" and "window" values). This can lead to the structures of the individual ionization chambers becoming clearly visible. In the case of digital image sensors (solid-state detectors, CCDs, CMOS chips), calibration is generally carried out by which the problem addressed is corrected in first order due to the necessary image preprocessing (eg offset and gain corrections); however, as soon as the beam qualities that do not match during calibration and during the actual X-ray scan - this is generally the case - the artifact recurs. Also in the case that the calibration with the upstream Dosismesskammer and the recording without upstream Dosismesskammer, for example, be pulled out of the table detector, or even with the reverse arrangement of the Dosismesskammer during calibration and recording the artifact is even with the same beam quality in full Height occur.
- • An external ionization chamber must also be synchronized separately, ie activated when the detector is ready to record and the tube or generator initiates the X-ray pulse. This leads to additional "logistical" effort in the system controller.
Das bedingt
- • zusätzliche Systemkosten,
- • zusätzliche Bauhöhe in Systemen,
- • zusätzliche Einstell- und Eichprozeduren (Aufwand, Kosten) sowie
- • eine weitere Komponente, die eventuell Service benötigt.
- • additional system costs,
- • additional height in systems,
- • additional adjustment and calibration procedures (effort, costs) as well as
- • another component, possibly service needed.
Aus
der
Röntgenstrahlung durchdringt jedes Material, wird nur geschwächt und steht damit in jedem Fall hinter der a-Si-Schicht zur Verfügung.X-rays penetrates any material, is only weakened and thus stands in each Fall behind the a-Si layer to disposal.
Weiterhin gibt es Ansätze, das Design der amorphen Silizium-Matrix derart zu ändern, dass direkt die bildgebende Detektoreinheit (das a-Si) zur Dosismessung herangezogen wird. Dies hat allerdings Nachteile, da das Design auf Kosten der primären Verwendung des Detektors, ein Bild zu erzeugen, geht. Konkret geht dies gewöhnlich auf Kosten des so genannten Fillfactors, also der auf die Pixelgröße bezogenen relativen Größe der Photodiode. Ein reduzierter Fillfactor aber bedeutet Einbußen in der Bildqualität, wie beispielsweise reduzierte Sensitivität und Verschlechterung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses.Farther are there any approaches the design of the amorphous silicon matrix to change that way that directly the imaging detector unit (the a-Si) for dose measurement is used. However, this has disadvantages as the design at the expense of the primary Using the detector to create an image goes. Specifically, it works this usually at the expense of the so-called fill factor, ie the pixel size related relative size of the photodiode. A reduced fill factor, however, means loss of image quality, such as reduced sensitivity and Deterioration of the signal-to-noise ratio.
Die Lösung des beschriebenen Problems ist insbesondere für portable Detektoren von Relevanz, d.h. solche, die nicht in einer "Bucky-Lade" eingesetzt sind, in der eine externe Ionisationskammer integriert werden kann. Für portable Detektoren hingegen, die auch für freie Aufnahmen ähnlich einer Filmkassette verwendet werden, gibt es bis heute bzgl. Dosismessung keine Lösung.The solution of the problem described is of particular relevance to portable detectors, i. those that are not used in a "Bucky-Lade" in which an external ionization chamber can be integrated. For portable Detectors, however, also for similar to free shots a film cassette are used, there is still today regarding dose measurement no solution.
Auch für so genannte dynamische Detektoren, die beispielsweise in der Angiographie und Kardiologie zum Einsatz kommen, gibt es heute kein Verfahren, das eine Dosisabschaltung für das aktuelle Bild ermöglicht. Heutige Lösungen basieren auf der Bestimmung der Dosis aus vorhergehenden Bildern. Für ein erstes Bild in einer Serie ist damit keine Dosiskontrolle möglich. Auch ist dies keine ideale Methode, wenn sich das Objekt von Bild zu Bild ändert.Also for like that called dynamic detectors, for example, in angiography and cardiology, there is no procedure today the one dose shutdown for the current picture allows. Today's solutions are based on the determination of the dose from previous images. For a first Image in a series is therefore no dose control possible. Also This is not an ideal method when the object is from image to image Image changes.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Röntgendiagnostikeinrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass eine einfache, schnelle und sichere Dosismessung zur Steuerung der Röntgenanlage für das aktuelle Bild einer einzelnen Aufnahme oder einer Aufnahmesequenz erfolgen kann.The Invention is based on the task of an X-ray diagnostic device of the type mentioned in such a way that a simple, fast and safe dose measurement for controlling the X-ray system for the current Image of a single shot or a recording sequence done can.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Dosissensor einer Dosismessvorrichtung mit einem Array von in einer Matrix angeordneten, großflächigen, lichtempfindlichen Elementen zur Erfassung des durch den Bildwandler fallenden, der Röntgendosis proportionalen Restlichts zur Steuerung des Hochspannungsgenerators versehen ist. Durch die separate Anordnung eines lichtempfindlichen Dosissensors, der das vom Szintillator emittierte, durch die Pixelmatrix durchdringende Restlicht erfasst, kann ein der Röntgendosis proportionales Signal schnell und einfach einem Messwandler der Dosismessvorrichtung zur Steuerung des Hochspannungsgenerators zugeführt werden.The The object is achieved in that the dose sensor of a dose measuring device with an array of in a matrix arranged, large-scale, photosensitive elements for detection by the imager falling, the X-ray dose proportional residual light for controlling the high voltage generator is provided. Due to the separate arrangement of a photosensitive Dosensor, which emitted the scintillator, through the pixel matrix detects penetrating residual light, a signal proportional to the X-ray dose quickly and easily a transducer of the dose measuring device for Control of the high voltage generator can be supplied.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Dosissensor im Detektor integriert und diskret von dem Bildwandler angeordnet sein.It has proved to be advantageous when the dose sensor in the detector integrated and discretely arranged by the imager.
In vorteilhafter Weise kann der Bildwandler eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Rücksetzlichts aufweisen.In Advantageously, the imager can be a device for generating having a reset light.
Erfindungsgemäß kann die Vorrichtung optisch transparent oder teiltransparent ist.According to the invention, the Device is optically transparent or partially transparent.
In vorteilhafter Weise kann der Dosissensor zur Erfassung des Restlichts eine Matrix aus diskreten Photodioden aufweisen, wobei die Matrix erfindungsgemäß integriert sein kann.In Advantageously, the dose sensor for detecting the residual light have a matrix of discrete photodiodes, wherein the matrix integrated according to the invention can be.
Alternativ zu Photodioden können auch Phototransistoren verwendet werden. Sie haben den Vorteil sehr viel höhere Sensitivitäten aufzuweisen, was der Applikation zugute kommt. Allerdings haben sie auch eine für diese Applikation nachteilige geringere Ansprechschnelligkeit.alternative to photodiodes can Phototransistors can also be used. You have the advantage very much much higher Sensitivities to show what the application benefits. However, have she also has one for This application disadvantageous lower Ansprechschnelligkeit.
Diese Photodioden oder Phototransistoren können aus kristallinem oder amorphem Silizium, Germanium, organischem Materialien oder anderen vorteilhaften Materialien bestehen.These Photodiodes or phototransistors can be made of crystalline or amorphous silicon, germanium, organic materials or other advantageous Materials exist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Dosissensor zur Erfassung des Restlichts eine integrierte Matrix von CMOS-Sensoren aufweist.It has proven to be advantageous if the dose sensor for detection of the residual light has an integrated matrix of CMOS sensors.
Erfindungsgemäß können der Matrix des Dosissensors Vorverstärkungs-, Analog/Digital-Wandlungs- und/oder Analyse-Schaltkreisen zugeordnet sein.According to the invention can Matrix of Dosage Sensor Pre-Amplification, Be associated with analog / digital conversion and / or analysis circuits.
Der Dosissensor zur Erfassung des Restlichts lässt sich extrem kostengünstig, großflächig und vor allem dünn herstellen, wenn er in einer Matrix angeordnete organische Photodioden aufweist.Of the Dose sensor for the detection of residual light can be extremely cost-effective, large area and especially thin when arranged in a matrix organic photodiodes having.
Alternativ kann der Dosissensor zur Erfassung des Restlichts auch ein a-Si-Wandler sein.alternative the dose sensor for detecting the residual light can also be an a-Si converter be.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The Invention is described below with reference to the drawing Embodiments explained in more detail. It demonstrate:
In
der
Das
Ausgangssignal des Röntgendetektors
In
der
Es
werden jeweils alle Pixel einer Zeile gleichzeitig von der Ansteuer-Elektronik
In
der
In
der
Durchdringen
nun die Röntgenstrahlen
In
der
In
der
Durch den erfindungsgemäßen Ersatz der Ionisationskammer kommt eine interne, also im Detektor integrierte Dosisregelungseinheit zur Anwendung. Diese Dosisregelung ist diskret aufgebaut, also unabhängig von der eigentlichen bildgebenden Detektoreinheit angebracht.By the replacement according to the invention The ionization chamber has an internal, ie integrated in the detector Dose control unit for use. This dose control is discreet built, so independent attached by the actual imaging detector unit.
Das
Wesentliche ist, dass ein gewisser Teil des Szintillationslichts
Eine
derartige Dosismessvorrichtung, die auf optischen Photonen basiert,
d.h., die das Restlicht
- • CMOS-Sensoren,
- • Photodioden,
- • Phototransistoren oder
- • a-Si-Photodioden,
- • CMOS sensors,
- • photodiodes,
- • phototransistors or
- A-Si photodiodes,
Der
Matrix des Dosissensors
Auf
Rücksetzlicht
- • Die Detektor-Matrix
28 des Dosismesssystems kann hinter der a-Si-Matrix15 , dem Substrat20 und dem Rücksetzlicht34 angebracht sein. Im diesem Falle ist es notwendig, dass die Schicht des Rücksetzlichts34 optisch transparent oder teiltransparent ist. - • Die
Detektor-Matrix
28 des Dosismesssystems kann zwischen Substrat20 und Rücksetzlicht34 angebracht sein. Dann muss die Detektor-Matrix28 transparent oder teiltransparent sein.
- • The detector matrix
28 of the dose measuring system can be behind the a-Si matrix15 , the substrate20 and the reset light34 to be appropriate. In this case, it is necessary that the layer of the reset light34 is optically transparent or semi-transparent. - • The detector matrix
28 of the dose measuring system can be between substrate20 and reset light34 to be appropriate. Then the detector matrix has to be28 be transparent or semi-transparent.
Lösungen für beide oben genannten Varianten können auch alternativ darauf basieren, dass unterschiedliche Teile des optischen Spektrums verwendet werden. Z.B. ist das Szintillationslicht gewöhnlich "grün". Ist das Rücksetzlicht "rot", dann können Varianten mit unterschiedlichen optischen Absorptionseigenschaften verwendet werden.Alternatively, solutions for both of the above variants may also be based on using different parts of the optical spectrum. For example, the scintillation light is usually "green". If the reset light is "red", then k NEN variants with different optical absorption properties can be used.
Zwischen
Substrat
Eine
geometrische Anordnung von individuell selektierbaren Dosissensoren
als Messfelder
- 1. Die Dosissensoren müssen sehr schnell ausgelesen werden. Die Taktrate für das Auslesen und die Analyse muss ein Vielfaches der Taktrate sein, mit der die bildgebenden Detektoren ausgelesen werden, da ja während der Röntgenintegration in den bildgebenden Detektoren die Entscheidung getroffen werden muss, ob die Röntgenstrahlung zu beenden ist.
- 2. Die Größe der Dosissensoren kann deutlich größer sein, als die Größe der bildgebenden Detektorelemente. Damit wird das relativ geringe Signal pro Flächen- und Zeiteinheit, das auf diese Sensoren fällt, kompensiert, da nur ein Teil des Lichts durch die Zwischenräume der Photodioden fällt und für die Dosismessung verfügbar ist. Zudem werden die Sensoren i. Allg. in sehr viel kürzeren Taktraten ausgelesen als die bildgebenden Detektoren.
- 1. The Dosissenoren must be read out very quickly. The clock rate for the reading out and the analysis must be a multiple of the clock rate with which the imaging detectors are read out, since during the X-ray integration in the imaging detectors the decision must be made as to whether the X-radiation is to be ended.
- 2. The size of the dose sensors can be significantly larger than the size of the imaging detector elements. Thus, the relatively small signal per unit area and time that falls on these sensors is compensated because only a portion of the light falls through the interstices of the photodiodes and is available for dose measurement. In addition, the sensors i. Gen. read at much shorter clock rates than the imaging detectors.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Array von in einer Matrix angeordneten, großflächigen, lichtempfindlichen Elementen erhält man eine im Flachdetektor integrierte Restlicht-basierte Dosismessvorrichtung, die diskret, also unabhängig von der eigentlichen bildgebenden Detektoreinheit, aufgebaut ist.By the training of the invention the X-ray diagnostic device with an array of arranged in a matrix, large area, receives photosensitive elements a residual light-based dose measuring device integrated in the flat detector, the discreet, so independent from the actual imaging detector unit is constructed.
Die separate Anordnung eines lichtempfindlichen Dosissensors kann unabhängig davon sein, ob der Detektor mit oder ohne Rücksetzlicht betrieben werden muss. Dabei können verschiedene Varianten von lichtempfindlichen Dosissensoren zur Anwendung kommen, wie beispielsweise CMOS-Schaltungen, in dem Intelligenz wie Vorverstärkung, analog-zu-digital-Wandlung und Analyse on-Chip realisiert werden kann, organische Photodioden, die extrem kostengünstig, großflächig und vor allem dünn hergestellt werden können und/oder a-Si Detektoren.The separate arrangement of a photosensitive Dosassesors can independently whether the detector is operated with or without reset light got to. It can Different variants of photosensitive Dosissenoren for Application, such as CMOS circuits, in intelligence like preamplification, analog-to-digital conversion and analysis can be realized on-chip can, organic photodiodes, the extremely cost-effective, large-area and above all thin produced can be and / or a-Si detectors.
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