DE10135427A1

DE10135427A1 - Flächenhafter Bilddetektor für elektromagnetische Strahlen, insbesondere Röntgenstrahlen

Info

Publication number: DE10135427A1
Application number: DE10135427A
Authority: DE
Inventors: Martin Spahn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2003-02-13
Also published as: US6718011B2; US20030016788A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit einer Röntgenröhre (2), einem Röntgengenerator (1), einem flächenhaften Festkörper-Röntgenbildwandler (5) zur Erzeugung von Röntgenbildern, der aus mehreren, aneinander stoßenden Einzeldetektoren (20) besteht, einem Bildsystem (7) und einer Wiedergabevorrichtung (8). Das Bildsystem (7) weist einen Detektor (46), der an den Stoßstellen (21, 32, 37) sich kontinuierlich ändernde Grauwertstufen erkennt und ein Korrektursignal entsprechend der Höhe der Grauwertstufen erzeugt, und eine Korrekturstufe (47) zur kontinuierlichen Anpassung der Grauwertstufen an den Stoßstellen (21, 32, 37) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit einer Röntgenröhre, einem Röntgengenerator, einem flächenhaften Festkörper-Röntgenbildwandler zur Erzeugung von Röntgenbildern, der aus mehreren, aneinander stoßenden Einzeldetektoren besteht, einem Bildsystem und einer Wiedergabevorrichtung.
Bei der Röntgenbildgebung eingesetzte Festkörperdetektoren (FD) basieren auf aktiven Auslesematrizen, beispielsweise aus amorphem Silizium (a-Si). Die Bildinformation wird in einem Röntgenkonverter (z. B. 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.
In der Fig. 1 ist eine derartige aus der DE 195 27 148 C1 bekannte Röntgendiagnostikeinrichtung mit einer von einem Röntgengenerator 1 mit Hoch- und Heizspannung versorgte Röntgenröhre 2 dargestellt, die eine kegelförmige Röntgenstrahlung 3 erzeugt, die einen Patienten 4 durchdringt und auf einem für Röntgenstrahlung 3 empfindlichen Festkörper-Detektor 5 Strahlenbilder erzeugt. Das Ausgangssignal des Festkörper- Detektors, die Bilddaten 6, wird einem Bildsystem 7 zugeführt. Das Bildsystem 7 kann Wandler, Bildspeicher und Verarbeitungsschaltungen aufweisen. Es ist zur Wiedergabe der erfassten Röntgenbilder mit einem Monitor 8 verbunden. Bedienelemente 9 sind über eine Systemsteuerung und -kommunikation 10 mit den übrigen Komponenten der Röntgendiagnostikeinrichtung verbunden.
In der Fig. 2 ist der Festkörper-Detektor 5 im perspektivischem Querschnitt dargestellt. Die Kernkomponente des Festkörper-Detektors 5 besteht aus einer Festkörper-Pixelmatrix, Zeilentreibern und Verstärkern. Die Festkörper-Pixelmatrix wiederum besteht aus einer Schicht mit einem Szintillator 11, beispielsweise bestehend aus Caesiumjodid (CsI), welche bei Bestrahlung durch die Röntgenstrahlung 3 sichtbare Photonen in eine Pixelmatrix 12 aus amorphem Silizium einspeist, die ein sichtbares Röntgenbild ergeben. Jeder der Pixel oder Bildpunkte dieser Pixelmatrix 12 besteht, wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist, aus einer Photodiode 13 und einem Schalter 14, der mit Zeilen- 15 und Spaltenleitungen 16 verbunden ist. Die Pixelmatrix 12 ist auf einem Glassubstrat 19 aufgetragen.
Es werden jeweils alle Pixel einer Zeile gleichzeitig von den Zeilentreibern 17 adressiert und ausgelesen. Die Signale werden in einer Vielzahl von Verstärkern 18 parallel verarbeitet. Ein Bild wird im einfachsten Fall Zeile für Zeile progressiv ausgelesen.
Großflächige Detektoren, beispielsweise für die allgemeine Radiographie, werden im allgemeinen aus mehreren Plates, d. h. Einzeldetektoren mit Glassubstraten und a-Si-Schicht, hergestellt, um den Yield zu maximieren und um die erhebliche Kosten für größere Anlagen zu vermeiden. Zusammengesetzte Detektoren aus 2 oder 4 einzelnen Plates sind üblich. Da sich 2 Plates in ihren elektrischen Eigenschaften im Detail immer unterscheiden und auch durch unterschiedliche Elektroniken angesteuert werden, können unter gewissen Bedingungen beispielsweise Nichtlinearitäten entstehen, die die verschiedenen Plates in korrigierten Bildern sichtbar machen. Durch die großen "korrelierten" Strukturen sind bereits kleinste Grauwertunterschiede ab einer digitalen Einheit (du) sichtbar. Die Grauwertunterschiede sind ferner im allgemeinen nicht durch einen einzigen Offsetwert pro Plate beschrieben, sondern hängen von der lokalen Dosis und den physikalischen Beschaffenheiten der Plates selbst ab, so dass kontinuierliche Grauwertunterschiedsänderungen (Grauwertestufen) an einem Plate-zu-Plate-Übergang auftreten können. Diese Grauwertunterschiede können im allgemeinen nicht-deterministisch auftreten.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Röntgendiagnostikeinrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, an den Stoßstellen der Plates ein homogener Übergang entsteht und die Buttingstruktur, die Stoßstellen der Plates, nicht mehr sichtbar sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Bildsystem einen Detektor, der an den Stoßstellen sich kontinuierlich ändernde Grauwertstufen erkennt und ein Korrektursignal entsprechend der Höhe der Grauwertstufen erzeugt, und eine Korrekturstufe zur kontinuierlichen Anpassung der Grauwertstufen an den Stoßstellen aufweist. Dadurch lassen sich kontinuierliche Graustufenänderungen, die sich zwischen jeweils zwei Plates, d. h. entlang einer Stoßstelle ergeben, so korrigieren, dass die Stoßstellen der Plates optisch nicht mehr erkennbar - also unterscheidbar - sind. Dazu werden die Stoßstellen zwischen den einzelnen Plates im Grauwertübergang stetig gemacht. Ohne dieses Verfahren sind im allgemeinen die Plates durch unterschiedliche Graustufen sichtbar, was einen entscheidenden Nachteil gegenüber einem Hersteller bedeutet, der Detektoren aus einem einzelnen Plate herstellen kann. Das besondere des Verfahrens ist es, dass die Grauwertanpassung an der Stoßstelle lokal vorgenommen wird und somit unterschiedliche Grauwertstufen an unterschiedlichen Stellen berücksichtigt werden können. Die Vorrichtung analysiert dabei das aktuelle Bild und eignet sich für nicht-deterministische Grauwertübergänge.
Erfindungsgemäß kann der Detektor eine Subtraktionsstufe, eine Mittelwertstufe und/oder eine Filterstufe aufweisen.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Korrekturstufe eine Multiplikationsstufe zur ortsabhängigen Multiplikation mit dem Korrekturfaktor des Detektors innerhalb eines Bereiches aufweist. Dabei kann die Multiplikationsstufe den Korrekturfaktor mit einer x- bzw. y-abhängigen, von der Stoßstelle aus stetig abnehmenden Funktion multiplizieren.
In vorteilhafter Weise kann die Korrekturstufe eine Additionsstufe aufweisen, die mit der Multiplikationsstufe verbunden ist.
Die Korrektur kann vorteilhaft manuell beeinflusst werden, wenn die Größe, d. h. die Korrekturreichweite, des Bereiches einstellbar ist.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine bekannte Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Röntgendetektor,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines bekannten Röntgendetektors,
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Flachbilddetektors, bestehend aus vier einzelnen Plates mit einem Stoßkantenkreuz,
Fig. 4 Messung des lokalen Grauwertsprungs in Draufsicht auf Panel,
Fig. 5 Messung des lokalen Grauwertsprungs in Darstellung des Signals,
Fig. 6 Grauwertstufe nach lokaler Korrektur,
Fig. 7 Messanordnung für eine Stoßstelle,
Fig. 8 Mess- und Korrekturprozedur für eine Stoßstelle in y-Richtung,
Fig. 9 Messanordnung für Stoßstellen in x- und y-Richtung,
Fig. 10 Mess- und Korrekturprozedur für Stoßstellen in x- und y-Richtung,
Fig. 11 Beispiel für Korrekturreichweiten in x-Richtung oberhalb und unterhalb der Stoßkante,
Fig. 12 Beispiel für Korrekturreichweiten links und rechts der Stoßkante mit gleichzeitiger Reduzierung der Reichweite in der Nähe des Stoßkantenkreuzes, und
Fig. 13 den erfindungsgemäßen Detektor und Korrekturstufe.
In der Fig. 3 ist eine schematische Ansicht eines Flachbilddetektors dargestellt, der aus vier a-Si-Plates besteht. Diese berühren sich an den Stoßkanten 21. Zur Auslesung der Bildinformation aus der Pixelmatrix 12 sind Auslese- 22 und Ansteuerchips 23 über beispielsweise flexible Leiterbahnen (nicht dargestellt) mit der aktiven Pixelmatrix 12 verbunden. Die Pixelelemente 24 sind in Spalten 25 und Zeilen 26 angeordnet.
Anhand der Fig. 4 bis 6 werden nun das Problem und deren erfinderische Lösung näher erläutert. Bei einer Stoßkante 21 zweier Plates 20 können bei den lokalen Grauwerten Kontrastsprünge auftreten. Hierzu wird der Bereich 27 betrachtet, wobei Messbereiche M_li 28 und M_re 29 in der Nähe der Stoßkante 21 festgelegt sind. Die Scanrichtung ist mit 30 bezeichnet. In der Fig. 5 ist nun das gemessene Signal der Grauwerte mit dem lokalen Grauwertsprungs wiedergegeben. Die Kurve zeigt, dass bei nahezu gleicher Helligkeit das Grauwertsignal einen Sprung 31 macht. Dieser Sprung 31 im Grauwertsignal ist als Helligkeitsunterschied im Bild deutlich und störend sichtbar.
In der Fig. 6 ist unter gleichen Voraussetzungen das Grauwertsignal nach der erfindungsgemäßen Korrektur der lokalen Grauwertstufe dargestellt. Im Bereich der Stoßkanten 21 wird das Signal derart gemittelt, dass, wie dargestellt, nahtlose Übergänge geschaffen werden, die im Röntgenbild zu keiner sichtbaren Änderung des Grauwertes führen.
Anhand der Fig. 7 und 8 wird nun die Mess- und Korrekturprozedur für eine Stoßstelle 32 (Fig. 7) in y-Richtung näher erläutert. Zuerst erfolgt eine Messung 33 des lokalen Grauwertsprungs im Bereich der Stoßstelle 32 gemäß Gleichung 1.

Δ (y) = M (x_links, y) - M (x_rechts, y) 1
Anschließend wird eine Filterung 34 des lokalen Grauwertsprunges in y-Richtung gemäß Gleichung 2 durchgeführt.

Δ' (y) = M' (x_links, y) - M' (x_rechts, Y) 2
Nach dieser Vorverarbeitung erfolgt die Korrektur 35 der Signalwerte zuerst links der Stoßstelle 32 gemäß Gleichung 3

S'(x, y) = S (x, y) - λ (x).Δ' (y)/2 3

und dann (36) rechts der Stoßstelle 32 gemäß Gleichung 4.

S'(x, y) = S (x, y) + λ (x).Δ' (y)/2 4
Anhand der Fig. 9 und 10 wird nun eine vollständige Mess- und Korrekturprozedur für vier Plates 20 mit Stoßstellen 37 in x-Richtung und 32 in y-Richtung näher erläutert. Zuerst erfolgt die bereits oben beschriebene Messung, Filterung und Korrektur gemäß Fig. 8. Anschließend wird diese Messung 38 in x-Richtung gemäß Gleichung 5 durchgeführt.

Δ (x) = M (x, y_oben) - M (x, y_unten) 5
Dann erfolgt eine Filterung 39 des lokalen Grauwertsprunges in X-Richtung gemäß Gleichung 6.

Δ' (x) = M' (x, y_oben) - M' (x, y_unten) 6
Nach dieser Vorverarbeitung erfolgt die Korrektur 40 der Signalwerte zuerst oberhalb der Stoßstelle 37 gemäß Gleichung 7

S' (x, y) = S (x, y) - λ (x, y).Δ' (x)/2 7

und dann (41) unterhalb der Stoßstelle 37 gemäß Gleichung 8.

S'(x, y) = S (x, y) + λ (x, y).Δ' (x)/2 8
Bei nur einer Stoßstelle 37 in x-Richtung ist in Fig. 11 die Korrekturreichweite 42 eingetragen. Dies gilt bei der Verwendung von zwei Plates 20. Bei vier Plates 20 mit Stoßstellen 37 in x-Richtung und 32 in y-Richtung ist die Korrekturreichweite in y-Richtung 43 eingezeichnet, die sich in der Nähe des Stoßkantenkreuzes 44 auf eine reduzierte Korrekturreichweite 45 verringert.
In der Fig. 13 sind ein Detektor 46 sowie eine Korrekturstufe 47 dargestellt, die Teil des Bildsystems 7 sein können. Der Detektor 46 besteht aus einer Subtraktionsstufe 48, durch die die Differenz der lokalen Grauwerte gemäß Schritt 33 bzw. 38 gebildet wird. Die Signale sowohl links als auch rechts der Stoßstellen 32 und 37 können dadurch bereit gestellt werden, dass das Signal S in einen Speicher 49 eingelesen wird, so dass das aktuelle Signal eines Pixelelementes vor der Stoßstelle 32 gespeichert wird und von diesem Speicherwert der aktuelle Signalwert des Pixels hinter der Stoßstelle 32 subtrahiert wird. Liegt die Stoßstelle 37 in x-Richtung, so wird zuerst eine vollständige Zeile in den Speicher 49 abgespeichert und anschließend von diesem gespeicherten Signal das aktuelle Signal bildpunktgenau durch die Subtraktionsstufe 48 subtrahiert.
Das Ausgangssignal der Subtraktionsstufe 48 kann in einem Differenzspeicher 50 abgespeichert werden. Anschließend erfolgt eine Filterung des lokalen Grauwertsprunges entweder in y- oder in y-Richtung, beispielsweise durch eine Mittelwertstufe 51 gemäß Gleichung 2.
Das Ausgangssignal der Mittelwertstufe 51 wird der Korrekturstufe 47 zugeführt, die an ihrem Eingang eine Multiplikationsstufe 52 aufweist. In ihr wird das Korrektursignal mit einem ortsabhängigen Faktor λ (x, y) multipliziert, der Werte zwischen Eins bis Null annehmen kann, je nach dem, wie weit er sich von den Stoßstellen 32 bzw. 37 entfernt befindet. Der Ausgang der Multiplikationsstufe 52 ist mit einer Additionsstufe 53 verbunden, die das derart bewertete Korrektursignal entsprechend seinem Vorzeichen zu dem gegebenenfalls in einem Bildspeicher 54 gespeicherten Bildsignal S addiert.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird die sich kontinuierlich ändernde Grauwertstufe an den Stoßstellen 32 und 37 zunächst erkannt, das heißt gemessen, und in einem zweiten Schritt entsprechend (d. h. u. U. lokal) korrigiert. Insgesamt lässt sich die Erfassung und Korrektur der Grauwertstufen entlang einer Stoßstelle 32 oder 37 in folgende Schritte unterteilen:

a) Es erfolgt eine lokale Messung der Grauwertstufe durch geeignete Mittelung (Mean, Median oder ähnlichem) gegenüberliegender lokaler ROIs ("regions of interest", d. h. interessierende Bereiche) auf beiden Seiten der Stoßstelle.
b) Die Mittelwerte werden fortlaufend entlang der Stoßkante bestimmt und registriert (gespeichert).
c) Da lokal Grauwertstufen nicht nur durch den zu korrigierenden Effekt, sondern auch durch einen Kontrastsprung im abgelichteten Objekt auftreten können, kann eine geeignete Filterung (z. B. Mittelwert, Median oder ähnliches) der lokal bestimmten Grauwertstufen die Messung des eigentlichen Effekts verbessern oder lokale Fehlmessungen, beispielsweise durch Objektkontrast, ausgleichen.
d) Die lokale Korrektur der Grauwertstufe wird anschließend derart durchgeführt, dass in dem Gebiet unmittelbar an der Stoßstelle der gemessene, eventuell gefilterte Grauwertsprung durch Subtraktion des Wertes und in den Gebieten quer zur Stoßstelle die Grauwertstufe kontinuierlich abnehmend - d. h. nur noch mit einem gewissen Prozentsatz der Grauwertstufe - korrigiert wird.
e) Durch das Verfahren entsteht aus einem diskontinuierlichen Übergang ein kontinuierlicher Übergang an der Stoßstelle.

Für die erfindungsgemäße Ausführung gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, von denen einige beispielhaft zusammengestellt sind:

a) Das Verfahren kann für eine einzelne Stoßstelle in x- oder y-Richtung angewandt werden (Detektor, bestehend aus 2 Plates). Die Prozedur (für eine Stoßstelle in y- Richtung) ist in Abb. 3 dargestellt.
b) Das Verfahren kann für Stoßstellen in x- oder y-Richtung angewandt werden (Detektor, bestehend aus 4 Plates). Die Prozedur ist in Abb. 4 dargestellt.
c) Das Verfahren kann auf beliebig viele Plates und Stoßstellen erweitert werden.
d) Die Messung der Grauwertstufe (links und rechts bzw. ober- und unterhalb der Stoßstelle) kann durch Mittelwertbildung, Mittelwertbildung mit Schwellwerten (z. B. Mittelwertbildung unter Ausschluss der kleinsten 5% und größten 5%), Median oder ähnliches.
e) Die Messung der Grauwertstufe kann sich auf das Pixel (links und rechts, bzw. ober- und unterhalb der Stoßstelle) der Stoßstelle beziehen, oder auf eine größere ROI, bestehend aus nxm Pixeln (jeweils links und rechts, bzw. ober- und unterhalb der Stoßstelle).
f) Die aus den gemessenen Grauwertstufen abgeleiteten Korrekturwerte entlang der Stoßstelle können limitiert werden um Artefakte zu vermeiden, z. B. durch eine maximale zulässige Stufe, abhängig vom lokalen Signal oder einem globalen Schwellwert.
g) Die Grauwertstufe entlang der Stoßstelle (in y- oder x- Richtung) kann durch Filterung entlang der Stoßstelle (z. B. Mittelwert, Mittelwert mit Schwellwerten, Median oder ähnlichem) "homogenisiert" werden, bzw. frei von lokalen Objektkontrasten gemacht werden.
h) Die Korrektur in den Bildbereich links bzw. rechts einer y-Stoßstelle oder oberhalb und unterhalb einer x- Stoßstelle wird mit einer x- bzw y-abhängigen Funktion λ durchgeführt. Diese Funktion ist stetig abnehmend (von 1 auf 0) betrachtet von der Stoßstelle. Diese Funktion kann durch eine Gerade, ein Polynom oder ähnliches beschrieben werden.
i) Die "Reichweite" der Korrekturfunktion λ (d. h. der Bereich von der Stoßstelle, an der die Funktion den Wert 1 besitzt, bis zu dem Bereich, an der die Funktion auf 0 abgefallen ist) ist variabel (z. B. 500 Pixel bei einer gesamten Matrix von 2000 × 2000 Pixeln).
j) Bei Stoßstellen in x- und y-Richtung und daher Korrekturen in x- und y-Richtung sollte die Korrekturfunktion λ eine Funktion von x und y sein, da an der Kreuzungsstelle der Stoßkanten Diskontinuitäten entstehen. Diese können durch Reduzierung der Korrekturreichweite im Kreuzungsbereich vermieden werden (siehe Fig. 12).

Claims

1. Röntgendiagnostikeinrichtung mit einer Röntgenröhre (2), einem Röntgengenerator (1), einem flächenhaften Festkörper- Röntgenbildwandler (5) zur Erzeugung von Röntgenbildern, der aus mehreren, aneinander stoßenden Einzeldetektoren (20) besteht, einem Bildsystem (7) und einer Wiedergabevorrichtung (8), dadurch gekennzeichnet, dass das Bildsystem (7) einen Detektor (46), der an den Stoßstellen (21, 32, 37) sich kontinuierlich ändernde Grauwertstufen erkennt und ein Korrektursignal entsprechend der Höhe der Grauwertstufen erzeugt, und eine Korrekturstufe (47) zur kontinuierlichen Anpassung der Grauwertstufen an den Stoßstellen (21, 32, 37) aufweist.

2. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (46) eine Subtraktionsstufe (48) aufweist.

3. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (46) eine Mittelwertstufe (50) aufweist.

4. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (46) eine Filterstufe aufweist.

5. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturstufe (47) eine Multiplikationsstufe (52) zur ortsabhängigen Multiplikation mit dem Korrekturfaktor des Detektors (46) innerhalb eines Bereiches aufweist.

6. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Multiplikationsstufe (52) den Korrekturfaktor mit einer x- bzw. y-abhängigen, von der Stoßstelle aus stetig abnehmenden Funktion (λ) multipliziert.

7. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturstufe (47) eine Additionsstufe (53) aufweist, die mit der Multiplikationsstufe (52) verbunden ist.

8. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Bereiches einstellbar ist.