-
Die
Erfindung betrifft eine Ausleseschaltung für einen abbildenden Detektor
mit einer Ausleseeinheit, die in Detektorelementen gespeicherte
analoge Bildgrößen ausliest
und diese dabei in digitale Bildwerte umsetzt, und mit einer Steuereinheit,
mit der ein die Empfindlichkeit der Ausleseeinheit betreffender
Betriebsparameter der Ausleseeinheit einstellbar ist.
-
Eine
derartige Ausleseschaltung ist aus SCHIRL, T.: Beschreibung und
Optimierung von digitalen Festkörper-Matrix-Röntgendetektoren
für Anwendungen
in der Medizin, Dissertation, Erlangen, 1999, Seiten 37 bis bis
60 bekannt. Die bekannte Ausleseschaltung dient dazu, einen Flachbilddetektor
für Röntgenstrahlung
auszulesen. Der Flachbilddetektor umfasst eine Vielzahl von Photodioden,
die über
Schalttransistoren an Spaltenleitungen angeschlossen sind. Die Ansteuerung
der Schalttransistoren erfolgt zeilenweise über Zeilenleitungen. Über die Spaltenleitungen
wird nach dem Belichten des Detektors der Ladungszustand der Photodioden über die
Spaltenleitungen ausgelesen. Dieses wird von einem Ausleseverstärker bewerkstelligt,
der den Ladungszustand in eine auf eine Messkapazität gespeicherte
Ladung umsetzt. Die Messkapazität
besteht aus drei parallel geschalteten Kondensatoren, die durch
Schalter unabhängig
voneinander ansteuerbar sind. Die Ansteuerung der Kondensatoren
erfolgt über
eine Steuereinheit, die die Messkapazität je nach Betriebsmodus einheitlich
für sämtliche
Spaltenleitungen auf einen vorbestimmten Wert einstellt.
-
Die
von den Ausleseverstärkern
ausgegebenen Signale werden über
einen Multiplexer auf einen Analogausgang geführt. Nach der Verstärkung des Analogsignals
mit Hilfe eines Analogverstärkers
wird das Analogsignal von einem Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umgesetzt.
-
Die
bekannte Ausleseschaltung kann durch Einstellen der Messkapazität und des
Verstärkungsfaktors
des Analogverstärkers
an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Für Anwendungen im
Rahmen der Radiographie werden hohe Kapazitätswerte und eine geringe Verstärkung gewählt. Für die Fluoroskopie
werden dagegen kleine Messkapazitäten und hohe Analogverstärkungen
eingestellt.
-
Dennoch
kann es vorkommen, dass das am Analog-Digital-Wandler anliegende
Analogsignal außerhalb
des darstellbaren Bereichs des Analog-Digital-Wandlers liegt und
der Analog-Digitalwandler ein Signal ausgibt, das die Sättigung
anzeigt. Es treten daher immer wieder Situationen auf, in denen
der Ladungszustand der Detektorelemente zwar eine bestimmte Strahlungsleistung
wiedergibt, aber die Ausleseschaltung nicht dazu in der Lage ist,
die im Ladungszustand der Photodioden enthaltene Information in
entsprechende Bildwerte umzusetzen.
-
Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Ausleseschaltung zu schaffen, die nach Möglichkeit von Übersteuerungen
frei ist.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Ausleseschaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
gelöst.
In davon abhängigen
Ansprüchen sind
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
-
Die
Ausleseschaltung zeichnet sich dadurch aus, dass ein die Empfindlichkeit
der Ausleseeinheit betreffender Betriebsparameter der Ausleseeinheit beim
Auslesen eines einzelnen Bildes von der Steuereinheit auf unterschiedliche,
an die jeweilige analoge Bildgröße angepasste
Werte einstellbar ist. Dadurch dass die Steuereinheit die Betriebsparameter der
Ausleseeinheit, die die Empfindlichkeit der Ausleseeinheit betreffen,
beim Auslesen eines Bildes auch unterschiedliche Werte einstellen
kann, kann die Steuereinheit die Empfindlichkeit je weils so einstellen,
dass die Ausleseschaltung nicht übersteuert
ist.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform stellt
die Steuereinheit die Empfindlichkeit der Ausleseeinheit in Abhängigkeit
von der jeweils verarbeiteten analogen Bildgröße ein. Dies bietet den Vorteil, dass
es in keinem Fall zur Übersteuerung
kommen kann, da die Empfindlichkeit der Ausleseschaltung an die
Größe des Informationsträgers angepasst werden
kann.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird die Empfindlichkeit der Ausleseeinheit von der Steuereinheit
in Abhängigkeit
von Koordinaten des jeweils zu verarbeitenden Detektorelements eingestellt.
Diese Vorgehensweise bietet sich insbesondere dann an, wenn vorab
Informationen über
den zu erwartenden dynamischen Bereich der analogen Bildgröße vorliegen.
Die Empfindlichkeit der Ausleseschaltung kann dann von vornherein
so eingestellt werden, dass keine Übersteuerung auftritt.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
stellt die Steuereinheit den Betriebsparameter der Ausleseeinheit,
der die Empfindlichkeit der Ausleseeinheit betrifft, beim Verarbeiten
einer analogen Bildgröße in Abhängigkeit
von der Größe einer vorangegangenen
analogen Bildgröße ein.
Bei dieser Ausführungsform
genügt
es, wenn die digitalen Bildwerte auf das Überschreiten von Grenzwerten überwacht
werden. Diese Ausführungsform
eignet sich insbesondere für
Flachdetektoren mit hoher räumlicher
Auflösung,
bei denen zu erwarten ist, dass große Änderungen der analogen Bildgrößen allmählich über mehrere
Detektorelemente hinweg erfolgen.
-
Vorzugsweise
umfasst die Ausleseschaltung einen Ladungsumsetzer, der einen Ladungsstand
eines Detektorelements in eine auf einer einstellbaren Messkapazität gespeicherte
Ladung umsetzt, und eine Analog-Digital-Wandlereinheit, die eine
an der Messkapazität
anliegende Spannung in einen Digitalwert wandelt, wobei eine Überwachungseinheit
die an der Messkapa zität
anliegende Spannung überwacht
und durch Einstellen der Messkapazität in dem von der Analog-Digital-Wandlereinheit
darstellbaren Spannungsbereich hält.
Bei dieser Ausführungsform erfolgt
die Einstellung des Betriebsparameters dynamisch während des
Auslesevorgangs. Insofern ist eine Übersteuerung der Ausleseschaltung
praktisch ausgeschlossen.
-
Die
jeweils verwendeten oder ermittelten Betriebsparameter können bei
einer weiteren Ausführungsform
zusammen mit Objektdaten und Positionsdaten des abbildenden Detektors
von der Steuereinheit in einem Datenspeicher abgelegt werden. Bei der
Wiederholung einer Aufnahme am gleichen Objekt kann dann auf die
abgespeicherten Werte des Betriebsparameters zurückgegriffen werden.
-
Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnung im Einzelnen erläutert
werden. Es zeigen:
-
1 ein
Blockschaltbild einer Ausleseschaltung für einen abbildenden Flächendetektor;
-
2 die
Darstellung einer zum Auslesen eines Detektorelements des Flächendetektors
aus 1 verwendeten Ausleseschaltung; und
-
3 die
Darstellung eines mit einem Flächendetektor
aufgenommenen Bildes, in das die Bereiche des Flächendetektors eingezeichnet
sind, in denen die Empfindlichkeit der Ausleseschaltung auf unterschiedliche
Werte eingestellt worden ist.
-
1 zeigt
ein Blockschaltbild einer Ausleseschaltung 1 für einen
Flachbilddetektor 2. Der Flachbilddetektor 2 kann
beispielsweise ein Flachbilddetektor für Röntgenstrahlung sein, bei dem
ein Szintillator vor einer Vielzahl von Photodioden 3 angeordnet
ist. Die Photodioden 3 können mit Hilfe von Schalttransistoren 4 ausgelesen
werden, die über Zeilenleitungen 5 angesprochen
werden können.
Die Photodioden 3 werden dagegen über Spaltenleitungen 6 ausgelesen.
-
Die
Zeilenleitungen 5 sind an einen Zeilentreiber 7 angeschlossen, über den
die jeweils auszulesende Zeile der Photodioden 3 ausgewählt wird. Eine
Vielzahl von nebeneinander verlaufenden Spaltenleitungen 6 wird
jeweils zu einem Ausleseverstärker 8 geführt. Die
Ausleseverstärker 8 sind
der Hauptbestandteil der Ausleseschaltung 1 und werden
nachfolgend noch im Einzelnen beschrieben.
-
Das
von den Ausleseverstärker 8 erzeugte analoge
Signal wird über
Analogverstärker 9 zu
Analog-Digital-Wandlern 10 geführt. Über digitale Multiplexer 11 gelangen
die digitalisierten Bildwerte zu einer Bildverarbeitungseinheit 12.
Die Bildverarbeitungseinheit 12 ist beispielsweise ein
mit Mikroprozessoren ausgestatteter Rechner. Die Bildverarbeitungseinheit 12 steuert
die einzelnen Komponenten der Ausleseschaltung 1, insbesondere
den Zeilentreiber 7, die Ausleseverstärker 8, die Analogverstärker 9,
die Analog-Digital-Wandler 10 und die Multiplexer 11,
indem die Bildverarbeitungseinheit 12 die genannten Komponenten
mit geeigneten Werten für
die jeweiligen Betriebsparameter beaufschlagt.
-
2 ist
eine weitere Darstellung der Ausleseschaltung 1, in der
weitere Einzelheiten der Ausleseverstärker 8 dargestellt
sind.
-
Am
Eingang der Ausleseverstärker 8 ist
ein Ladungswandler 13 angeordnet, der einen Operationsverstärker 14,
einen n-Kanal-Feldeffekttransistor 15 sowie
Messkondensatoren 16, 17 und 18 aufweist.
Die parallel geschalteten Messkondensatoren stellen eine Gesamtkapazität zur Verfügung, die nachfolgend
als Messkapazität
bezeichnet wird.
-
Der
Ladungswandler 13 funktioniert wie folgt: Beim Belichten
des Flachbilddetektors 2 mit Röntgenlicht wird die Photodiode 3 durch
das vom Szintillator erzeugte Licht entladen. Die Abnahme der Ladung
in der Photodiode 3 ist ein Maß für die von der Photodiode 3 absorbierte
Lichtmenge. Durch den Auslesevorgang wird die Photodiode 3 wieder
auf die am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 14 anliegende
Referenzspannung UREF aufgeladen. Denn beim Öffnen des
Schalttransistors 4 fließt vom Ausgang des Operationsverstärkers 14 über den
Feldeffekttransistor 15 solange ein Strom, bis am nichtinvertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 14 eine
Spannung anliegt, die gleich der Referenzspannung UREF ist.
Dadurch wird die Kathode der Photodiode 3 im Wesentlichen
auf das Niveau der Referenzspannung UREF gezogen.
-
Beim
Aufladen der Photodiode 3 fließt gleichzeitig ein Strom zu
den Messkondensatoren 16 bis 18. Die in den Messkondensatoren 16 bis 18 gespeicherte
Ladung entspricht dabei derjenigen Ladung, die beim Auslesen auf
die Photodiode 3 geflossen ist. Eine Besonderheit der in 2 dargestellten
Ausleseschaltung 1 ist, dass die Messkondensatoren 17 und 18 über Schalter 19 und 20 bei
Bedarf zum Messkondensator 16 hinzugeschaltet werden können. Nach
Abschluss des Auslesevorgangs liegt daher in Abhängigkeit von der Größe der gesamten Messkapazität an einem
Zwischenverstärker 21 ein Spannungssignal
ab, das von der zur Verfügung
gestellten Messkapazität
und von der auf die Messkapazität
geflossenen Ladung abhängt.
Dieses Spannungssignal kann von einem Abtast- und Halteglied 22 abgegriffen
und einem analogen Multiplexer 23 zugeführt werden. Von dort gelangt
das Messsignal über
den in 1 dargestellten Analogverstärker 9, den Analog-Digital-Wandler 10 und
den digitalen Multiplexer 11 zu der Bildverarbeitungseinheit 12.
-
Es
sei angemerkt, dass die an der Gegenelektrode der Messkondensatoren 16, 17 und 18 anliegende
Versatzspannung UOFFSET dazu dient, das
vom Ausleseverstärker 8 an
den zugehörigen
Analog-Digital-Wandler 10 ausgegebene Messsignal so einzustellen,
dass dieses im Erfassungsbereich des Analog-Digital-Wandlers 10 liegt.
Ferner sei angemerkt, dass nach Beendigung eines Auslesevorgangs
die in den Messkondensatoren 16 bis 18 enthaltene
Ladung mit Hilfe eines Entladeschalters 24 entladen werden
kann.
-
Die
Einstellung der von den Messkondensatoren 16 bis 18 gebildeten
Messkapazität
kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen: Bei dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist eine Überwachungseinheit 25 vorgesehen,
die die über die
Messkondensatoren 16 bis 18 abfallende Spannung überwacht
und bei Überschreiten
vorbestimmter Grenzwerte die Messkondensatoren 17 und 18 zu dem
Messkondensator 16 hinzuschaltet. Um der Bildverarbeitungseinheit 12 eine
Interpretation des angelieferten Messwerts zu ermöglichen,
sendet die Überwachungseinheit 25 die
jeweils gewählte
Einstellung für
die Messkapazität
an die Bildverarbeitungseinheit 12.
-
Ein
Vorteil des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels
ist, dass die Auswahl einer geeigneten Messkapazität während des
Auslesevorgangs selbst erfolgt. Dadurch ist sichergestellt, dass
keine Übersteuerung
der Ausleseschaltung 1 eintritt.
-
Bei
einer abgewandelten Ausführungsform ist
keine Überwachungseinheit 25 vorgesehen,
die die über
die Messkondensatoren 16 bis 18 abfallende Spannung überwacht.
Vielmehr wird die Messkapazität
unmittelbar von der Bildverarbeitungseinheit 12 eingestellt.
Diese Vorgehensweise bietet sich immer dann an, wenn vorab Informationen über die
zu erwartenden Signalpegel vorliegen. Dieser Fall tritt beispielsweise
dann ein, wenn Bildaufnahmen am gleichen Objekt wiederholt werden.
-
So
ist es zum Beispiel möglich,
zunächst eine
Voraufnahme mit geringer Strahlungsleistung vorzunehmen. Aufgrund
dieser Voraufnahme kann dann die zu erwartende Intensität bei einer
Hauptaufnahme abgeschätzt
werden.
-
Es
sei angemerkt, dass bei dieser abgewandelten Ausführungsform
die Einstellungen für
die Messkapazität
für die
einzel nen Photodioden 3 oder auch für eine gesamte Spalte von Photodioden 3 erfolgen
können.
-
Bei
einem weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiel wird die Messkapazität von der
Bildverarbeitungseinheit 12 in Abhängigkeit vom Bildwert eines
vorangegangen Auslesevorgangs ausgewählt, bei dem eine benachbarte
Photodiode 3 ausgelesen worden ist. Dies ist insbesondere
dann möglich, wenn
Flachbilddetektoren 2 mit hoher räumlicher Auflösung verwendet
werden oder die Abbildungsgeometrie so beschaffen ist, dass Änderungen
der Bildwerte nicht sprunghaft, sondern langsam über mehrere Photodioden 3 hinweg
erfolgen.
-
Weiterhin
ist es grundsätzlich
möglich,
eine Anpassung der Ausleseschaltung 1 an einen an der Messkapazität anliegenden
Signalpegel dadurch zu erreichen, dass der Erfassungsbereich des
Analog-Digital-Wandlers 10 entsprechend angepasst wird.
Dies setzt aber voraus, dass sämtliche
vor dem Analog-Digital-Wandler 10 gelegene
Glieder der Verarbeitungskette nicht in die Sättigung gehen.
-
3 zeigt
einen Anwendungsfall der Ausleseschaltung 1. In 3 ist
ein mit dem Flachbilddetektor 2 und der Ausleseschaltung 1 aufgenommenes
Bild 26 dargestellt, das die Aufnahme eines Beckenbereichs 27 eines
Patienten zeigt. Ferner ist in 3 ein zwischen
den Oberschenkeln 28 liegender kritischer Bereich 29 eingezeichnet,
in dem die Ausleseschaltung 1 häufig übersteuert. In diesem kritischen
Bereich kann nun die von den Messkondensatoren 16 bis 18 gebildete
Messkapazität
so eingestellt werden, dass die Ausleseschaltung 1 nicht übersteuert.
-
Der
kritische Bereich 29 wird vorzugsweise wie anhand von 2 erläutert mit
Hilfe der Überwachungseinheit 25 in
Echtzeit ermittelt.
-
Die
kritischen Bereiche 29 können zusammen mit Objektdaten
und mit Positionsdaten des Flachbilddetektors 2 in einer
Da tenbank abgespeichert werden. Wenn der Benutzer während der
Untersuchung eines Objekts zu einer bereits gespeicherten Position
zurückkehrt,
werden die zuvor ermittelten Messkapazitäten beim Auslesen des kritischen Bereichs
sofort ausgewählt.
Dadurch werden Überstrahlungen
im Bild 26 vermieden.
-
Mit
den hier beschriebenen Ausleseschaltungen lassen sich Überstrahlungen,
die insbesondere bei Schädel-
oder Beinaufnahmen auftreten, deutlich reduzieren, da sich der Flachbilddetektor 2 mit seiner
Ausleseschaltung an die kritischen Bereiche 29 anpasst.
-
Die
Messkondensatoren 16 bis 18 weisen typischerweise
Kapazitätswerte
im Bereich von Pikofarad auf.