DE102005042210A1

DE102005042210A1 - Verfahren und System zur dynamischen Steuerung der Shaping-Zeit eines photonenzählenden, energiesensitiven Strahlungsdetektors zur Anpassung an Schwankungen des einfallenden Strahlungsflussniveaus

Info

Publication number: DE102005042210A1
Application number: DE102005042210A
Authority: DE
Inventors: David M. New Berlin Hoffman; Jerome S. Arenson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2006-03-16
Also published as: US20070098139A1; US20060056576A1; US7330527B2; CN100502781C; US7149278B2; CN1768705A

Abstract

Ein Verfahren und System (50) zum Zählen und Bezeichnen der von einem Strahlungsdetektor empfangenen Strahlungsenergie wird vorgestellt. Das Verfahren und System (50) sind zur dynamischen Steuerung der Abtastfenster- oder Shaping-Zeit-Charakteristiken eines Photonen zählenden Detektors (54) ausgelegt, um sich an Schwankungen des Flusses anzupassen, dem der Detektor (54) ausgesetzt ist, um die optimale Detektorleistungsfähigkeit aufrecht zu erhalten und eine Sättigung unter Hochflussbedingungen zu verhindern.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die radiographische Bildgebung und insbesondere auf ein Verfahren und System zur dynamischen Steuerung der Shaping-Zeit oder Signalformungszeit eines energiesensitiven radiographischen Detektors, wie z.B. eines CT-Detektors, zur Anpassung an breite Schwankungen der Strahlungsflussniveaus, denen der Detektor ausgesetzt ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf photonenzählende und/oder energiediskriminierende Strahlungsdetektoren.
In radiographischen Systemen sendet typischerweise eine Röntgenquelle Röntgenstrahlen auf ein Subjekt oder Objekt, wie z.B. einen Patienten oder ein Gepäckstück aus. Anschließend können die Ausdrücke "Subjekt" und "Objekt" hierin austauschbar verwendet werden, um irgendetwas zu bezeichnen, das dazu geeignet ist, abgebildet zu werden. Nachdem das Röntgenstrahlenbündel durch das Objekt abgeschwächt worden ist, trifft es auf ein Feld oder Array von Strahlungsdetektoren auf. Die Intensität des an dem Detektorarray empfangenen Strahlenbündels ist typischerweise von der Abschwächung der Röntgenstrahlen durch das untersuchte Objektabhängig. Jedes Detektorelement des Detektorarrays erzeugt ein separates Signal, das für das von dem einzelnen Detektorelement empfangene, abgeschwächte Strahlenbündel kennzeichnend ist. Die Signale werden zur Analyse und weiteren Verarbeitung an ein Datenverarbeitungssystem übertragen, welches schließlich ein Bild erzeugt.
Auf eine ähnliche Weise werden Strahlungsdetektoren in Emissionsbildgebungssystemen verwendet, wie z.B. den in der Nuklearmedizin (NM) verwendeten Gammakameras und Positronenemissionstomografie (PET)-Systemen. Bei diesen Systemen ist die Strahlungsquelle keine Röntgenquelle mehr, sondern vielmehr wird ein Radiopharmazeutikum in den untersuchten Körper injiziert. Bei diesen Systemen erzeugt jeder Detektor des Arrays ein Signal in Abhängigkeit von der lokalisierten Intensität der Konzentration des Radiopharmazeutikums in dem Objekt. Ähnlich wie bei der konventionellen Röntgenbildgebung wird die Stärke des Emissionssignals auch durch dazwischen liegende Körperbereiche abgeschwächt. Jedes einzelne Detektorelement des Detekorarrays erzeugt ein separates Signal, das für den von dem einzelnen Detektorelement empfangenen, ausgesandten Strahl kennzeichnend ist. Die Signale werden zur Analyse und weiteren Verarbeitung an ein Datenverarbeitungssystem übertragen, das schließlich ein Bild erzeugt.
Bei den meisten Computertomografie (CT)-Bildgebungssystemen werden die Röntgenquelle und das Detektorarray um einen Gantryrahmen herum gedreht, der ein Bildgebungsvolumen um das Objekt herum umschließt. Die Röntgenquellen enthalten typischerweise Röntgenröhren, die die Röntgenstrahlen von dem Anodenbrennfleck aus als ein Fächer- oder Konusbündel aussenden. Röntgendetektoranordnungen enthalten typischerweise einen Kollimator, um gestreute Röntgenphotonen zu verringern und am Erreichen des Detektors zu hindern, einen dem Kollimator benachbarten Szintillator zum Umwandeln von Röntgenstrahlen in Lichtenergie und eine dem Szintillator benachbarte Photodiode zum Empfangen der Lichtenergie und Erzeugen elektrischer Signale aus derselben. Typischerweise wandelt jeder Szintillator eines Szintillatorarrays Röntgenstrahlen in Lichtenergie um. Jede Photodiode erkennt die Lichtenergie und erzeugt ein entsprechendes elektrisches Signal. Die Ausgaben der Photodioden werden dann an das Datenakquisitionssystem und danach zur Bildwiederherstellung an das Verarbeitungssystem übertragen.

Konventionelle CT-Bildgebungssysteme verwenden Detektoren, die Röntgenphotonenenergie in Stromsignale umwandeln, die über eine Zeitdauer integriert, dann gemessen und schließlich digitalisiert werden. Ein Nachteil solcher Detektoren ist ihre Unfähigkeit zur Lieferung unabhängiger Daten oder Rückmeldungen wie etwa zu der Energie und Einfallsflussrate der erkannten Photonen. Das bedeutet, dass konventionelle CT-Detektoren eine Szintillatorkomponente und eine Photodiodenkomponente aufweisen, wobei die Szintillatorkomponente in Folge des Empfangs von Röntgenphotonen leuchtet und die Photodiode das Leuchten der Szintillatorkomponente erkennt und ein integriertes elektrisches Stromsignal als eine Funktion der Intensität und Energie der einfallenden Röntgenphotonen liefert. Obwohl es allgemein erkannt wird, dass die CT-Bildgebung ohne die mit der konventionellen CT-Detektorausführung erreichten Verbesserungen kein geeignetes diagnostisches Bildgebungsmittel wäre, besteht ein Nachteil dieser integrierenden Detektoren in ihrer Unfähigkeit, Energiediskriminierungsdaten zu liefern oder in anderer Weise die Anzahl der von einem gegebenen Detektorelement oder Pixel tatsächlich empfangenen Photonen zu zählen und/oder deren Energie zu messen. Dementsprechend beinhalten die jüngsten Detektorentwicklungen den Entwurf eines energie diskriminierenden Detektors, der eine photonenzählende und/oder energiediskriminierende Rückmeldung liefern kann. Im Hinblick darauf kann der Detektor zum Betrieb in einem Röntgenzählmodus, einem Energiemessungsmodus von jedem einzelnen Röntgenereignis oder beiden veranlasst werden.

Diese energiediskriminierenden Detektoren sind nicht nur zur Röntgenzählung, sondern auch zur Lieferung eines Messwerts des Energieniveaus jedes erkannten Röntgenquants in der Lage. Während bei der Konstruktion eines energiediskriminierenden Detektors einschließlich Szintillatoren und Fotodioden eine Anzahl von Materialien verwendet werden kann, hat sich gezeigt, dass Direktumwandlungsdetektoren, die Röntgenphotoleiter, wie z.B. amorphes Selen oder Kadmiumzinktellurid enthalten, die Röntgenphotonen direkt in elektrische Ladung umwandeln, zu den bevorzugten Materialien gehören. Ein Nachteil der photonenzählenden Detektoren besteht jedoch darin, dass diese Typen von Detektoren begrenzte Zählraten aufweisen und Schwierigkeiten bei der Abdeckung der breiten dynamischen Bereiche haben, die sehr hohe Röntgenphotonenflussraten einschließen, die typischerweise mit konventionellen CT-Systemen verbunden sind. Allgemein ist ein dynamischer Bereich eines CT-Detektors von 1.000.000 : 1 erforderlich, um die möglichen Schwankungen der Photonenflussraten angemessen zu beherrschen. Bei den jetzt erhältlichen, sehr schnellen Scannern ist es nicht ungewöhnlich, auf Röntgenflussraten von über 10⁸ Photonen/mm²/sek zu treffen, wenn sich kein Objekt in dem Aufnahmebereich befindet, wobei dasselbe Detektionssystem nur einige zehn Photonen zählen muss, denen die Durchdringung des Zentrums großer Objekte gelingt.

Die sehr hohen Röntgenphotonenflussraten führen schließlich zur Detektorsättigung. Das bedeutet, dass diese Detekto ren typischerweise bei relativ niedrigen Röntgenflussniveaus in Sättigung geraten. Diese Sättigung kann an Detektororten auftreten, wo sich eine geringe Objektdicke zwischen dem Detektor und der radiographischen Energiequelle oder Röntgenröhre befindet. Es ist gezeigt worden, dass diese gesättigten Bereiche zu den Pfaden von geringer Objektdicke nahe bei oder außerhalb der auf das Detektorarray projizierten Begrenzung bzw. Ausdehnung des Objektes gehören. In vielen Fällen ist das Objekt mehr oder weniger zylindrisch in der Wirkung auf die Abschwächung des Röntgenflusses und der dementsprechend auf das Detektorarray einfallenden Intensität. In diesem Falle stellen die gesättigten Bereiche. zwei getrennte Bereiche an den Rändern des Detektorarrays dar. In anderen, weniger typischen, aber nicht seltenen Fällen tritt die Sättigung an anderen Orten und in mehr als zwei getrennten Bereichen des Detektors auf. Im Falle eines zylindrischen Objektes kann die Sättigung an den Rändern des Arrays durch die Verwendung eines Bowtie-Filters zwischen dem Objekt und der Röntgenquelle verringert werden. Typischerweise ist das Filter in einer solchen Weise zur Anpassung an die Form des Objektes ausgelegt, dass es die Gesamtabschwächung durch Filter und Objekt über dem Detektorarray vergleichmäßigt. Der auf den Detektor einfallende Fluss ist dann über dem Array relativ gleichförmig und führt nicht zur Sättigung. Was jedoch problematisch sein kann, ist, dass das Bowtie-Filter unter der Vorgabe nicht optimal sein kann, dass eine Objektpopulation wesentlich kleiner als gleichförmig und nicht exakt zylindrisch in der Form oder nichtzentral in dem Röntgenstrahlenbündel angeordnet ist. In solchen Fällen ist es möglich, dass ein oder mehrere getrennte Sättigungsbereiche auftreten, oder umgekehrt der Röntgenstrahlenfluss überfiltert wird und unnötigerweise Bereiche mit sehr niedrigem Fluss erzeugt werden. Ein niedriger Röntgenfluss in der Projektion führt zu einer Verringerung des Informations gehaltes, was schließlich zu einem unerwünschten Rauschen in dem wiederhergestellten Bild des Objektes beitragen wird.

Darüber hinaus beinhaltet ein den meisten CT-Systemen gemeinsames Systemkalibrierungsverfahren die Messung einer Detektorantwort bei überhaupt keinem Objekt in dem Strahl. Diese von jedem einzelnen Detektorelement lesende "Luftkalibrierung" oder „Air Cal" wird verwendet, um die vorverarbeiteten Daten, die dann für die CT-Bildwiederherstellung verwendet werden, zu normieren und zu korrigieren. Selbst mit idealen Bowtie-Filtern könnte jetzt ein hoher Röntgenfluss in dem zentralen Bereich des Detektorarrays während der Systemkalibrierungsphase zu einer Detektorsättigung führen.

Um sich der Sättigung eines beliebigen Teils des Detektors zuzuwenden, sind eine Anzahl von Bildgebungstechniken vorgeschlagen worden. Diese Techniken enthalten die Aufrechterhaltung eines niedrigen Röntgenflusses über die Breite eines Detektorarrays hinweg, z.B. durch Modulieren des Röhrenstroms oder der Röntgenspannung während der Aufnahme. Diese Lösung führt jedoch zu einer verlängerten Aufnahmezeit . Das bedeutet, dass es eine „Strafe" in dem Sinne gibt, dass die Akquisitionszeit für das Bild im Verhältnis zu dem Nennfluss verlängert wird, der zum Erfassen einer bestimmten Anzahl von Röntgenstrahlen erforderlich ist, die den Bildqualitätsanforderungen genügen. Andere Lösungen enthalten die Implementierung von Over-Range-Algorithmen, die zur Erzeugung von Ersatzdaten für die Sättigungsdaten verwendet werden können. Diese Algorithmen können die Sättigungsdaten jedoch nicht perfekt ersetzen und tragen zu der Komplexität des CT-Systems bei.

Es wäre daher wünschenswert, einen energiediskriminierenden, photonenzählenden CT-Detektor zu entwerfen, der bei den typischerweise in konventionellen CT-Systemen auftretenden Röntgenphotonenflussraten nicht in Sättigung gerät.

Kurze Beschreibung der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die auf die Anpassung der Abtast-/Shaping-Zeit-Charakteristik eines Strahlungsdetektors als eine Funktion des einfallenden Photonenflusses gerichtet sind, die die zuvor genannten Nachteile überwinden.

Die vorliegende Erfindung enthält ein Verfahren und System zur Zählung und Bezeichnung der von einem Strahlungsdetektor empfangenen Strahlungsenergie. Das Verfahren und das System sind zur dynamischen Steuerung der Abtastzeit- oder Shaping-Zeit-Charakteristik eines photonenzählenden Detektors ausgelegt, um sich an starke Schwankungen des auf den Detektor einwirkenden Flusses anzupassen, um eine Sättigung unter Hochflussbedingungen zu verhindern. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung auf die Steuerung des Detektors gerichtet, um sich an Niedrigflussratenbedingungen anzupassen, so dass die Erkennungseffizienz und die Bildqualität nicht geopfert wird, wenn ein niedriger Fluss auf den Detektor einwirkt.

Ein photonenzählendes (PC) radiographisches System enthält einen Strahlungsenergiedetektor, der zur Erkennung von Strahlungsenergie, die eine gegebene Flussrate aufweist, und zur Ausgabe von Signalen eingerichtet ist, die für die erkannte Strahlungsenergie kennzeichnend sind. Eine Former- oder Shaper-Einheit mit einer gegebenen Shaping-Zeit ist zum Empfangen der elektrischen Signale angeschlossen und passt sie zur Lieferung elektrischer Impulse an, die für die Strahlungsphotonenenergie kennzeichnend sind. Ein PC-Kanal ist an geschlossen, um die elektrischen Signale zu empfangen und die elektrischen Impulssignale einer bestimmten Höhe oder Intensität, die für die Photonenergie kennzeichnend sind, durch einen einstellbaren Pulshöhendiskriminator oder -schwellwert abzutasten. Der PC-Kanal ist weiterhin dazu eingerichtet, eine Photonenzählungsausgabe über einem Abtastintervall zu liefern. Das System enthält auch eine Steuerung, die betrieblich mit dem PC-Kanal verbunden und zur automatischen Einstellung der Shaping-Zeit wenigstens als eine Funktion der gegebenen Flussrate eingerichtet ist. Das System enthält auch eine Steuerung, die betrieblich mit dem PC-Kanal verbunden und zur automatischen Einstellung der Sensitivität an dem Pulshöhen- oder Schwellenwertdiskriminator als eine Funktion der gegebenen Flussrate oder Shaping-Zeit eingerichtet ist.

Ein CT-System enthält einen drehbaren Gantryrahmen, der eine darin zentral angeordnete Bohrung und einen nach vorne und hinten durch die Bohrung hindurch beweglichen und zur Positionierung eines Objektes zur CT-Datenakquisition eingerichteten Tisch enthält. Eine radiographische Energieprojektionsquelle ist innerhalb des drehbahren Gantryrahmens angeordnet, und zur Projektion radiographischer Energie auf das Objekt eingerichtet. Das CT-System enthält weiterhin eine Detektoranordnung, die innerhalb des drehbaren Gantryrahmens angeordnet und zur Erkennung der durch die Projektionsquelle projizierten und auf das Objekt auftreffenden radiographischen Energie eingerichtet ist. Die Detektoranordnung ist dadurch ausgezeichnet, dass sie zur Ausgabe elektrischer Signale, die für die erkannte radiographische Energie kennzeichnend sind, eingerichtete Detektorelemente und betrieblich mit den Detektorelementen verbundene und zum Zählen der Anzahl der Photonen des erkannten radiographischen Energiesignals, das gemäß einer variablen Shaping-Zeit angepasst worden ist, eingerichtete PC- Kanäle enthält. Die Detektorelemente weisen auch Shaping-Zeit-Steuerungen auf, die betrieblich mit den PC-Kanälen verbunden und zur Steuerung der variablen Shaping-Zeiten, gestützt auf die Photonenausgabezählungdaten, in nahezu Echtzeit eingerichtet sind.

Ein Verfahren zur Verhinderung der Sättigung eines Detektors für radiographische Energie enthält die Überwachung eines Flusses von radiographischer Energie, der eine Anzahl von durch einen photonenzählenden Detektor für radiographische Energie empfangenen Photonen aufweist. Der Detektor ist im Falle von Direktumwandlungsdetektoren, die einen Röntgen-Photoleiter aufweisen, zum Abtasten einer Photonenladungswolke bzw. Photon Charge Cloud oder im Falle von Szintillatordetektoren eines Photodiodenstromimpulses sowie zum Zählen der Anzahl der Photonen unter Verwendung einer gegebenen Signalimpuls-Shaping-Zeit ausgelegt. Das Verfahren enthält weiterhin das Vergleichen eines gegenwärtigen Flusses an dem Detektor für radiographische Energie mit einem Basisflussniveau, das der gegebenen Shaping-Zeit entspricht, und das Einstellen der gegebenen Shaping-Zeit, damit sie in Abhängigkeit von dem Vergleich zu dem gegenwärtigen Fluss passt. Ein zusätzlicher Ausführungsaspekt der vorliegenden Erfindung enthält automatische Mittel zur Modifizierung der Energieschwellenwertniveaus, um Änderungen der Kanal-Shaping-Zeiten zu kompensieren, um genaue Photonenergieinformationen zu erhalten.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält daher ein einzelnes PC-Radiographiesystem einen Radiographieenergiedetektor, der zur Erkennung radiographischer Energie, die eine gegebene Flussrate aufweist, und zur Ausgabe elektrischer Signale, die für die erkannte radiographische Energie kennzeichnend sind, eingerichtet ist. Das System ent hält weiterhin einen PC-Kanal, der zum Empfangen der elektrischen Signale und Abtasten der elektrischen Signale in einem Abtastintervallfenster und Erzeugen einer Photonenzählungsausgabe verbunden ist. Eine Steuerung ist betrieblich mit dem PC-Kanal verbunden und zum automatischen Einstellen des Abtastintervallfensters wenigstens als eine Funktion der gegebenen Flussrate eingerichtet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält die vorliegende Erfindung ein CT-System, das einen drehbaren Gantryrahmen aufweist, der eine zentral darin angeordnete Bohrung, einen vorwärts und rückwärts durch die Bohrung hindurch beweglichen und zum Positionieren eines Objektes zur CT-Datenakquisition eingerichteten Tisch, eine innerhalb des drehbaren Gantryrahmens angeordnete und zum Projizieren radiographischer Energie auf ein Objekt eingerichtete radiographische Energieprojektionsquelle und eine innerhalb des drehbaren Gantryrahmens angeordnete und zum Erkennen der von der Projektionsquelle projizierten und auf dem Objekt auftreffenden radiographischen Energie eingerichtete Detektoranordnung aufweist. Die Detektoranordnung enthält ein Detektorelement, das zur Ausgabe elektrischer Signale eingerichtet ist, die für die erkannte radiographische Energie kennzeichnend sind, und einen PC-Kanal, der mit dem Detektorelement betrieblich verbunden und zum Zählen einer Anzahl von Photonen der erkannten radiographischen Energie gemäß einer variablen Shaping-Zeit eingerichtet ist. Die Detektoranordnung enthält weiterhin eine Shaping-Zeit-Steuerung, die betrieblich mit dem PC-Kanal verbunden und zur Steuerung der variablen Shaping-Zeit in Abhängigkeit von den Photonenausgabezähldaten in nahezu Echtzeit eingerichtet ist.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform enthält ein Verfahren zur Verhinderung der Sättigung eines Strahlungsenergiedetektors das Überwachen des Flusses von Strahlungsenergie, der eine Anzahl von von einem photonenzählenden Strahlungsenergiedetektor empfangenen Photonen aufweist. Der Detektor ist zum Abtasten einer Photonenladungswolke innerhalb eines gegebenen Abtastfensters und zum Zählen der Anzahl der Photonen ausgelegt. Das Verfahren enthält weiterhin das Vergleichen eines gegenwärtigen Flusses an dem Strahlungsenergiedetektor mit einem Basisflussniveau, das dem gegebenen Abtastfenster entspricht, und das Anpassen des gegebenen Abtastfensters, damit dieses in Abhängigkeit von dem Vergleich zu dem gegenwärtigen Fluss passt.

Vielfältige weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen deutlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Die Zeichnungen stellen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar, das gegenwärtig zur Ausführung der Erfindung in Betracht gezogen wird.
In den Zeichnungen zeigt
1 eine bildliche Ansicht eines CT-Bildgebungssystems,
2 ein schematisches Blockdiagramm des in 1 dargestellten Systems,
3 ein schematisches Blockdiagramm einer Detektoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
4 einen Graph, der Signalamplitudenkurven für eine Anzahl von Shaping-Zeiten für einen beispielhaften PC-Detektor darstellt,
5 eine bildliche Ansicht eines CT-Systems zur Verwendung mit einem nichtinvasiven Gepäcküberprüfungssystem.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels:
Die betriebliche Umgebung der vorliegenden Erfindung wird im Hinblick auf ein Vierschicht-Computertomographie (CT)-System beschrieben. Von Fachleuten wird jedoch erkannt, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen für den Gebrauch mit Einschicht- oder anderen Mehrschichtanordnungen anwendbar ist. Darüber hinaus wird die vorliegende Erfindung im Hinblick auf die Erkennung und Umwandlung von Röntgenstahlen beschrieben. Ein Fachmann wird jedoch weiterhin erkennen, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf die Erkennung und Umwandlung anderer Strahlungsenergiearten anwendbar ist.
Mit Bezug auf die 1 und 2: Ein Computertomographie (CT)-Bildgebungssystem 10 ist gezeigt, das einen Gantryrahmen 12 enthält und für einen CT-Scanner der "dritten Generation" kennzeichnend ist. Der Gantryrahmen 12 weist eine Röntgenquelle 14 auf, die ein Bündel von Röntgenstrahlen 16 auf eine Detektoranordnung 18 auf der gegenüberliegenden Seite des Gantryrahmens 12 projiziert. Die Detektoranordnung 18 ist aus einer Vielzahl von Detektoren 20 gebildet, die gemeinsam die projizierten Röntgenstrahlen erfassen, die einen medizinischen Patienten 22 durchdringen. Jeder Detektor 20 erzeugt ein elektrisches Signal, das nicht nur die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahls wiedergibt, sondern auch zur Lieferung von Photonen- oder Röntgen-Zählungsdaten und -Energieniveau und dadurch zur Wiedergabe des abgeschwächten Röntgenstrahls, wie er den Patienten 22 durchdringt, in der Lage ist. Während einer Aufnahme zur Erfassung von Röntgenprojektionsdaten drehen sich der Gantryrahmen 12 und die daran angebrachten Komponenten um ein Rotationszentrum 24.
Die Drehung des Gantryrahmens 12 und der Betrieb der Röntgenquelle 14 werden durch einen Steuerungsmechanismus 26 des CT-Systems 10 gesteuert. Der Steuerungsmechanismus 26 enthält eine Röntgensteuerung 28, die Energie und Taktsignale an eine Röntgenquelle 14 und eine Gantry-Motorsteuerung 30 liefert, die die Rotationsgeschwindigkeit und Position des Gantryrahmens 12 steuert. Ein Datenakquisitionssystem (DAS) 32 in dem Steuerungsmechanismus 26 inspiziert die Daten von den Detektoren 20 und wandelt die Daten in Digitalsignale für eine anschließende Verarbeitung um. Eine Bildwiederherstellungseinrichtung 34 empfängt die abgetasteten und digitalisieren Röntgendaten von dem DAS 32 und führt eine Hochgeschwindigkeitswiederherstellung durch. Das wiederhergestellte Bild wird als Eingabe einem Computer 36 zugeführt, der das Bild in einer Massenspeichereinrichtung 38 speichert.
Der Computer 36 empfängt auch Befehle und Aufnahmeparameter von einem Bediener über eine Konsole 40, die eine Tastatur aufweist. Ein zugehöriger Anzeigebildschirm 42 erlaubt es dem Bediener, das wiederhergestellte Bild und andere Daten von dem Computer 36 zu betrachten. Die von dem Bediener gelieferten Befehle und Parameter werden von dem Computer 36 verwendet, um Steuerungssignale und Informationen an das DAS 32, die Röntgensteuerung 28 und die Gantry-Motorsteuerung 30 zu liefern. Zusätzlich betreibt der Computer 36 eine Tisch-Motor steuerung 44, die einen motorisierten Tisch 46 steuert, um den Patienten 22 und den Gantryrahmen 12 zu positionieren. Insbesondere bewegt der Tisch 46 Teilbereiche des Patienten 22 durch eine Gantryöffnung 48.
Die vorliegende Erfindung ist auf einen Strahlungsdetektor gerichtet, der in das oben beschriebene CT-System oder in andere radiographische Systeme, wie z.B. Röntgensysteme oder Vielzweck-Strahlungsdetektoren einbezogen sein kann.
Im Allgemeinen sind hochempfindliche, photonenzählende Strahlungsdetektoren so konstruiert, dass sie einen relativ geringen dynamischen Bereich aufweisen. Dies wird für Anwendungen photonenzählender Detektoren allgemein als akzeptabel angesehen, weil Hochflusszustände typischerweise nicht auftreten. Bei CT-Detektorausführungen sind Niedrigfluss-Detektorablesungen durch das Objekt hindurch typischerweise von Gebieten hoher Einstrahlung in Luft und/oder innerhalb der Konturen des Aufnahmeobjektes begleitet, was es erforderlich macht, dass die CT-Detektoren sehr große dynamische Bereichsantworten aufweisen. Darüber hinaus ist die genaue Messung von Photonen in diesen Hochflussbereichen weniger kritisch als die in den Niedrigflussbereichen, wo jedes einzelne Photon zu einem erheblichen Teil zu der gesamten Statistik der gesammelten Photonen beiträgt. Ungeachtet dessen, dass die Gebiete mit höherem Fluss von einem geringeren klinischen oder diagnostischen Wert sein können, können mit Bereichsüberschreitung bzw. Übersteuerung oder gesättigten Detektorkanaldaten wiederhergestellte Bilder anfällig für Artefakte sein. Folglich ist die Beherrschung der Hochflusszustände ebenfalls wichtig.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine Röntgenflussmanagementsteuerung, die zur Verhinderung einer Sättigung des PC-Röntgensystems ausgelegt ist, das durch einen niedrigen dynamischen Bereich gekennzeichnete Detektorkanäle aufweist. Der dynamische Bereich eines Detektorkanals bezeichnet den Bereich von Röntgenflussniveaus, die der Detektorkanal beherrschen kann, um bei der Niedrigflussgrenze noch aussagekräftige Daten zu liefern und bei der Hochflussgrenze keine Übersteuerung oder Sättigung zu erfahren. Dennoch ist die Notwendigkeit, eine Übersteuerung zu vermeiden, um diagnostisch wertvolle Daten zu liefern, und die Beherrschung von Niedrigflusszuständen, die gewöhnlich während der Bildaufnahme durch dickere Querschnitte und andere Gebiete von beschränkter Röntgendurchlässigkeit auftreten, auch bei der Detektorausführung kritisch. Demnach ist die hierin beschriebene Röntgenfluss-Managementsteuerung dazu ausgelegt, sowohl die Hochfluss- als auch die Niedrigflusszustände befriedigend zu beherrschen.
Allgemein ist der Betrieb eines photonenzählenden Detektors durch eine Shaping-Zeit-Kurve gekennzeichnet, die festgelegt ist. Die Shaping-Zeit-Kurve bestimmt eine Beziehung oder ein Gleichgewicht zwischen einer Ladungsintegrationszeit (Einzelereignissignalniveau) und der Detektorkanal-Recovery-Zeit bzw. -Erholungszeit, um akzeptable PC-Zählraten, Rauschunterdrückung und Energieauflösung zu liefern. Typischerweise ist der Detektorkanal so konstruiert, dass er eine Shaping-Zeit aufweist, die Niedrigflussratenzustände begünstigt. Das bedeutet, dass für Niedrigflussratenzustände, die sich in weniger Röntgenphotonen übertragen, eine längere Shaping-Zeit bevorzugt wird, so dass die gesamte Photonenladungswolke integriert und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) optimiert wird. Allgemein besteht eine relativ geringe Beschränkung hinsichtlich der Zeit, die zum Integrieren der gesamten Photonenwolke notwendig ist. Wenn der Zustand durch Niedrigfluss gekennzeichnet ist, wird der Detektorkanal wahrscheinlich nicht in Sättigung geraten, während die gesamte Photonenwolke integriert oder in anderer Weise abgetastet wird. Andererseits kann eine feste Shaping-Zeit für Hochflussratenzustände unzureichend sein, wenn die Niedrigflussrate begünstigt wird. Wenn die Shaping-Zeit so festgelegt wird, dass sie zu Hochflussratenzuständen passt, folgt auch ein negativer Einfluss auf das SNR und die Energieauflösung während der Niedrigflussratenzustände.
Demgemäß enthält die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren zur dynamischen und automatischen Steuerung der Shaping-Zeit eines Detektorkanals, so dass Niedrigfluss- ebenso wie Hochflussratenzustände optimal angenommen werden. Nun mit Bezug auf 3: Ein schematisches Blockdiagramm eines Röntgendetektionssystems 50 gemäß der vorliegenden Erfindung ist gezeigt. Das System 50 enthält einen PC-Kanal 52, der zum Empfangen elektrischer Signale von einem Detektorelement 54 angeschlossen ist. Der Detektor 54 ist zum Erkennen von Röntgensstrahlen 16 konstruiert, die von einer Röntgenquelle projiziert und durch ein Objekt, wie z.B. einen medizinischen Patienten, abgeschwächt werden. Es wird verstanden, dass die vorliegende Erfindung auch mit Gammastrahlen oder anderen Formen radiographischer Energie anwendbar ist.
Der PC-Kanal 52 enthält einen rauscharmen Hochgeschwindigkeits-Ladungsverstärker 56, der zum Empfangen der elektrischen Signale von dem Detektorelement 54 angeschlossen ist. Die verstärkte Ausgabe des Verstärkers 56 wird dann in einen Signalformer 58 eingegeben, der zum Extrahieren einzelner Photonenereignisse aus den elektrischen Signalen konstruiert ist. Ein Energieniveaudiskriminator 60 ist mit dem Signalformer 58 verbunden und dazu ausgelegt, Photonen in Abhängigkeit von ihrem Impulshöhenenergieniveau bezogen auf einen oder mehrere Schwellenwerte zu filtern. Zu diesem Zweck werden solche Pho tonen, die Energieniveaus außerhalb eines gewünschten Bereiches aufweisen, von der Zählung und Verarbeitung zur Bildwiederherstellung ausgeschlossen. Mindestens ist der Diskriminator 60 dazu ausgelegt, solche Photonen auszuschließen, die ein dem Rauschen in dem System entsprechendes Energieniveau aufweisen. Es wird in Erwägung gezogen, dass mehrere Schwellenwerte verwendet werden können, um Energieniveausbereiche zu definieren. Das Zählelement 62 empfängt solche Photonen, die nicht durch den Energieniveaudiskriminator 60 herausgefiltert worden sind, und ist dazu ausgelegt, die Anzahl der an dem Detektor empfangenen Photonen zu zählen und eine entsprechende Ausgabe 64 zu liefern. Wie beschrieben wird und im Gegensatz zu den bekannten PC-Kanälen wird der Betrieb des PC-Kanals 52 durch eine variable Shaping-Zeit gesteuert.
Der PC-Kanal 52 ist betrieblich mit einer Steuerung 66 verbunden, die eine Shaping-Zeit-Steuerung 68 und vorzugsweise eine Energieniveausteuerung 70 enthält. Während es bevorzugt wird, dass die Steuerung 66 eine Energieniveausteuerung 70 enthält, wird es auch in Betracht gezogen, dass die vorliegende Erfindung ohne sie ausgeführt werden kann. In einem Ausführungsbeispiel enthält der PC-Kanal 52 ein aktives Filter, dessen Betrieb die Shaping-Zeit des Kanals festlegt. In dieser Hinsicht können die Widerstands- und Kapazitätseigenschaften des aktiven Filters eingestellt werden, um die Shaping-Zeit-Eigenschaften des Kanals zu beeinflussen.
Die Shaping-Zeit-Steuerung 68 ist mit dem PC-Kanals 52 verbunden und dazu ausgelegt, die Shaping-Zeit-Charakteristiken des PC-Kanals 52 in Abhängigkeit von der über eine Rückkoppelungsschleife 72 empfangenen Photonenzählungsrückmeldung anzupassen. Insbesondere vergrößert die Shaping-Zeit-Steuerung 68 die Shaping-Zeit des Kanals, wenn das Detektorelement einem niedrigen Röntgenfluss ausgesetzt ist, wie er über die Anzahl der gezählten Photonen 64 gemessen wird. Im Gegensatz dazu verringert die Shaping-Zeit-Steuerung die Shaping-Zeit oder das Abtastfensters des PC-Kanals 52, wenn der Röntgenfluss an dem Detektorelement 54 ansteigt.
Folglich wird die Zeitdauer, die der PC-Kanal zum Abtasten der Photonenladungswolke verwendet, verringert, wenn der Detektor einem höheren Röntgenfluss ausgesetzt ist. Dementsprechend werden weniger genaue Photonen- und Energiediskriminierungsdaten im Bezug auf die Photonenladungswolke bestimmt; der Kanal erholt sich jedoch mit einer zur Vermeidung einer Übersteuerung ausreichenden Geschwindigkeit. In diesem Sinne werden mehr Photonen für die Daten untersucht, d.h. gezählt, wenn die Shaping-Zeit oder das Abtastfenster zur Verkürzung veranlasst werden, während jedes erkannte Photon weniger genaue Energiediskriminierungsinformationen liefert. Und bei Hochflussbedingungen kommt jedem einzelnen Photon weniger Bedeutung zu, und die Leistungsfähigkeit und Bildqualität des Gesamtsystems werden durch das verringerten SNR minimal beeinträchtigt. Auf der anderen Seite wird die Zeitdauer, die der PC-Kanal zum Abtasten der Photonenladungswolke verwendet, verlängert, wenn der Detektor einem niedrigeren Röntgenfluss ausgesetzt ist, wodurch eine ausreichende Zeit zum Abtasten der gesamten Photonenladungswolke und zum Gewinnen relativ genauer Photonenzahl- und Energiediskriminierungsdaten bereitstellt wird.
Wie oben erwähnt, enthält die Steuerung 66 in einem Ausführungsbeispiel eine Energieniveausteuerung 70. Weil die gemessenen Photonensignalniveaus mit der Shaping-Zeit des Kanals variieren, ist die Energieniveausteuerung 70 des automatischen Energiediskriminators mit einer Shaping-Zeit-Steuerung 68 und dem PC-Kanal 52 gekoppelt, um den Energieniveauschwellenwert des PC-Kanals als Reaktion auf eine Anpassung der Shaping-Zeit einzustellen oder in anderer Weise zu kalibrieren. Durch die Durchführung einer geeigneten Kanalkalibrierung werden Photonen gezählt, die ein akzeptables oder verringertes Energieniveau aufweisen, um unabhängig von der Shaping-Zeit und Zählrate des Kanals eine lineare Energieantwort sicherzustellen.
Mit Bezug auf 4: Für einige Shaping-Zeit-Kurven für einen beispielhaften PC-Kanal sind eine Anzahl von Amplitudenplots dargestellt. Eine Verringerung der Shaping-Zeit erhöht die potentielle Zählrate, verringert aber, wie gezeigt, die Signalamplitude und erhöht das Rauschen. Speziell erhöht ein Anpassen der durch die Kurve 74 bestimmten Shaping-Zeit auf die durch die Kurve 76 bestimmte die potentielle Zählrate, verursacht aber eine umgekehrt damit zusammenhängende Verringerung der kollektiven Signalstärke der gezählten Photonen und beeinflusst den SNR negativ. Eine weitere Verringerung der Shaping-Zeit, d.h. von der Kurve 76 zu der Kurve 78, führt zu einer weiteren Erhöhung des Zählratenpotentials, allerdings mit einer weiteren Verringerung der Signalstärke und des SNR.
Nun mit Bezug auf 5: Ein Paket/Gepäck-Überprüfungssystem 80 enthält einen drehbaren Gantryrahmen 82, der eine darin enthaltene Öffnung 84 aufweist, durch die Pakete oder Gepäckstücke passieren können. Der drehbare Gantryrahmen 82 enthält eine elektromagnetische Hochfrequenzenergiequelle 86 sowie eine Detektoranordnung 88. Ein Transportsystem 90 ist auch vorhanden und enthält ein von einer Anordnung 94 getragenes Förderband 92, um automatisch und kontinuierlich Pakete oder Gepäckstücke 96, die zu untersuchen sind, durch die Öffnung 84 zu führen. Die Objekte 96 werden von dem Förderband 92 durch die Öffnung 84 befördert, und es werden dann Bild daten erfasst, und das Förderband 92 entfernt die Pakete 96 in einer kontrollierten und kontinuierlichen Weise aus der Öffnung 84. Infolgedessen können Postbedienstete, Gepäckabfertigungs- und anderes Sicherheitspersonal auf nicht invasive Weise den Inhalt von Paketen 96 auf Sprengstoffe, Messer, Schusswaffen, Schmuggelware, etc. untersuchen.
Dementsprechend enthält die vorliegende Erfindung ein radiographisches PC-System. Das radiographische System enthält Detektor für radiographische Energie, der zum Erkennen radiographischer Energie, die eine gegebene Flussrate aufweist, und zur Ausgabe elektrischer Signale, die für die erkannte radiographische Energie kennzeichnend ist, eingerichtet ist. Ein PC-Kanal ist zum Empfangen der elektrischen Signale und zum Abtasten der elektrischen Signale in einem Abtastintervall angeschlossen. Der PC-Kanal ist weiterhin zur Lieferung einer Photonenzählungsausgabe eingerichtet. Das System enthält auch eine Steuerung, die betrieblich mit dem PC-Kanal verbunden und zum automatischen Anpassen des Abtastintervalls wenigstens als eine Funktion der gegebenen Flussrate eingerichtet ist.
Ein CT-System wird vorgestellt und enthält einen drehbaren Gantryrahmen, der eine zentral darin angeordnete Bohrung und einen vorwärts und rückwärts durch die Bohrung hindurch beweglichen und zur Positionierung eines Objektes zur CT-Datenakquisition eingerichteten Tisch enthält. Eine radiographische Energieprojektionsquelle ist innerhalb des drehbaren Gantryrahmens angeordnet und zum Projizieren von radiographischer Energie auf ein Objekt eingerichtet. Das CT-System enthält weiterhin eine Detektoranordnung, die innerhalb des drehbaren Gantryrahmens angeordnet und zum Erkennen der von der Projektionsquelle projizierten und auf dem Objekt auftreffenden radiographischen Energie eingerichtet ist. Die Detektor anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass sie Detektorelemente, die zur Ausgabe elektrischer Signale eingerichtet sind, die für die erkannte radiographische Energie kennzeichnend sind, und PC-Kanäle enthält, die betrieblich mit den Detektorelementen verbunden und zum Zählen der Anzahl der Photonen der erkannten radiographischen Energie gemäß einer variablen Shaping-Zeit eingerichtet sind. Die Detektoranordnung weist auch Shaping-Zeit-Steuerungen auf, die betrieblich mit den PC-Kanälen gekoppelt und zur Steuerung der variablen Shaping-Zeiten anhand der Photonenausgabezähldaten nahezu in Echtzeit eingerichtet sind.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Verhinderung einer Strahlungsdetektorsättigung. Das Verfahren enthält die Überwachung des Flusses der Strahlungsenergie, der eine Anzahl von durch einen photonenzählenden Strahlungsenergiedetektor empfangenen Photonen umfasst. Der Detektor ist zur Abtastung einer Photonenladungswolke innerhalb eines gegebenen Abtastfensters und zur Zählung der Anzahl der Photonen ausgelegt. Das Verfahren enthält weiterhin das Vergleichen eines gegenwärtigen Flusses an dem Strahlungsenergiedetektor mit einem Basisflussniveau, das zu einem Abtastfenster gehört, und das Anpassen des gegebenen Abtastfensters auf der Grundlage des Vergleichs, damit es zu dem gegenwärtigen Fluss passt.
Ein Verfahren und System 50 zum Zählen und Bezeichnen der von einem Strahlungsdetektor empfangenen Strahlungsenergie wird vorgestellt. Das Verfahren und System 50 sind zur dynamischen Steuerung der Abtastfenster- oder Shaping-Zeit-Charakteristiken eines Photonen zählenden Detektors 54 ausgelegt, um sich an Schwankungen des Flusses anzupassen, dem der Detektor 54 ausgesetzt ist, um die optimale Detektorleistungsfähig keit aufrecht zu erhalten und eine Sättigung unter Hochflussbedingungen zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben worden, und es wird erkannt, dass Äquivalente, Alternativen und Abwandlungen neben den ausdrücklich genannten möglich sind und innerhalb des Bereiches der beigefügten Ansprüche liegen.

10: Computertomographie (CT)-Bildgebungssystem
12: Gantryrahmen
14: Röntgenquelle
16: Röntgenstrahlen
18: Detektoranordnung
20: Detektor
22: Patient
24: Rotationszentrum
26: Steuerungsmechanismus
28: Röntgensteuerung
30: Gantry-Motorsteuerung
32: Datenakquisitionssystem
34: Bildwiederherstellungseinrichtung
36: Computer
38: Massenspeichereinrichtung
40: Konsole
42: Anzeigebildschirm
44: Tisch-Motorsteuerung
46: Tisch
48: Gantryöffnung
50: Röntgendetektionssystem
52: PC-Kanal
54: Detektorelement
56: Ladungsverstärker
58: Signalformer
60: Energieniveaudiskriminator
62: Zählelement
64: Ausgabe
66: Steuerung
68: Shaping-Zeit-Steuerung
70: Energieniveausteuerung
72: Rückkoppelungsschleife
74: Kurve
76: Kurve
78: Kurve
80: Paket/Gepäck-Überprüfungssystem
82: Gantryrahmen
84: Öffnung
86: Energiequelle
88: Detektoranordnung
90: Transportsystem
92: Förderband
94: Anordnung
96: Paket/Gepäckstück

Claims

Photonenzählendes (PC) radiographisches System (50), das aufweist: Einen Detektor (54) für radiographische Energie, der zum Erkennen von radiographischer Energie (16), die eine gegebene Flussrate aufweist, und zur Ausgabe elektrischer Signale, die für die erkannte radiographische Energie kennzeichnend sind, eingerichtet ist, einen PC-Kanal (52), der zum Empfangen der elektrischen Signale und Abtasten der elektrischen Signale in einem Abtastfenster und Liefern einer Photonenzählungsausgabe (64) angeschlossen ist, und eine Steuerung (66), die betrieblich mit dem PC-Kanal (52) verbunden und zum automatischen Anpassen des Abtastfensters wenigstens als eine Funktion der gegebenen Flussrate eingerichtet ist.
System (50) nach Anspruch 1, bei dem die Steuerung (66) weiterhin zum Verkleinern des Abtastfensters bei einem Anstieg der gegebenen Flussrate eingerichtet ist.
System (50) nach Anspruch 1, bei dem die Steuerung (66) weiterhin zum Vergrößern des Abtastfensters bei einer Verringerung der gegebenen Flussrate eingerichtet ist.
System (50) nach Anspruch 1, das weiterhin eine Rückkoppelungsschleife (72) zwischen der Photonenzählungsausgabe (64) und der Steuerung (66) aufweist und bei dem die Steuerung (66) weiterhin zum Bestimmen der gegebenen Flussrate in Abhängigkeit von den über die Rückkoppelungsschleife (72) empfangenen Photonenzählungsdaten (64) eingerichtet ist.
System (50) nach Anspruch 1, bei dem die Steuerung weiterhin zum Anpassen eines von einer Einstellung des Abtastfensters abhängigen Energieniveauschwellenwert eingerichtet ist, um Photonen mit akzeptablen Energieniveaus zu gelten zu lassen.
System (50) nach Anspruch 1, bei dem der Detektor (54) für radiographische Energie zum Erkennen von Strahlungsenergie (16) mit einer Wellenlänge von weniger als 10 nm eingerichtet ist.
System (50) nach Anspruch 6, bei dem der Strahlungsenergiedetektor (54) zum Erkennen von Röntgenenergie (16) eingerichtet ist.
System (50) nach Anspruch 1, das in ein CT-System (10) einbezogen ist, wobei das CT-System aufweist: Einen drehbaren Gantryrahmen, der eine zentral darin angeordnete Bohrung aufweist, einen vorwärts und rückwärts durch die Bohrung hindurch beweglichen und zum Positionieren eines Objektes zur CT-Datenakquisition eingerichteten Tisch und eine radiographische Energieprojektionsquelle, die innerhalb des drehbaren Gantryrahmens angeordnet und zum Projizieren radiographischer Energie auf das Objekte eingerichtet ist.
System (50) nach Anspruch 8, bei dem der Tisch zum Positionieren eines medizinischen Patienten innerhalb der Bohrung eingerichtet ist.
System (50) nach Anspruch 1, bei dem die Steuerung (66) weiterhin zur Anpassung des Abtastfensters eingerichtet ist, um ein Gleichgewicht zwischen der Ladungsintegrationszeit und der Kanalerholungszeit zu bestimmen.