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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme eines digitalen Röntgenbildes
gemäß Patentanspruch
1, einen zählenden
Röntgendetektor
gemäß Patentanspruch
8 und ein Röntgensystem
gemäß Patentanspruch
17.
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In
der digitalen Röntgenbildgebung
sind zum Beispiel Bildverstärker-Kamerasysteme,
die auf Fernseh- oder CCD-Kameras basieren, Speicherfoliensysteme
mit integrierter oder externer Ausleseeinheit, Systeme mit optischer
Ankopplung einer Konverterfolie an CCD-Kameras oder CMOS-Chips,
Selenbasierte Detektoren mit elektrostatischer Auslesung und Röntgendetektoren
mit aktiven Auslesematrizen mit direkter oder indirekter Konversion
der Röntgenstrahlung
bekannt.
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In
der Röntgenbildgebung
sind so genannte Festkörperdetektoren
zur Aufnahme von digitalen Röntgenbildern
eines Objektes bekannt, bei denen eine Röntgenstrahlung auf direktem
oder indirektem Weg in elektrische Ladung umgewandelt und die elektrische
Ladung in so genannten aktiven Matrizen, die aus einer Vielzahl
von Pixel-Ausleseeinheiten zusammengesetzt sind, gespeichert wird.
Anschließend
werden die Informationen elektronisch ausgelesen und für die Abbildungserstellung
weiterverarbeitet.
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Bei
der direkten Konversion erzeugt ein Röntgenquant der Röntgenstrahlung
bei seinem Auftreffen auf einer Direktkonverterschicht, zum Beispiel aus
amorphem Selen, ein hochenergetisches Elektron, welches dann wiederum
auf seinem Weg durch eine Direktkonverterschicht Ladungsträger generiert. Die
Ladungsträger
werden mit Hilfe eines elektrischen Feldes zu einer in der Pixel-Ausleseeinheit enthaltenen
Elektrode transportiert und dort als Ladung gespeichert.
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Bei
der indirekten Konversion erzeugt ein Röntgenquant der Röntgenstrahlung
bei seinem Auftreffen auf einer Szintillatorschicht ein hochenergetisches
Elektron, welches dann wiederum auf seinem Weg durch eine Szintillatorschicht
Licht generiert. Auf unterhalb der Szintillatorschicht angeordneten,
in der Pixel-Ausleseeinheit enthaltenen Photodioden wird das Licht
in elektrische Ladung umgewandelt und ebenfalls gespeichert.
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Anschließend wird
der entsprechende Ladungspuls, welcher in erster Linie von der Energie des
primären
Röntgenquants
abhängt,
durch die ebenfalls in den Pixel-Ausleseeinheiten enthaltenen aktiven
Schaltelemente ausgelesen. Derartige Festkörperdetektoren sind zum Beispiel
aus dem Aufsatz „Flachbilddetektoren
in der Röntgendiagnostik" von M. Spahn, V.
Heer, R. Freytag, veröffentlicht
in der Zeitschrift Radiologe 43, 2004, Seite 340 bis 350, bekannt.
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Man
unterscheidet zwischen einem zählenden
und einem integrierenden Röntgendetektor.
Bei einem zählenden
Röntgendetektor
wird ein Ladungspuls in einer Pixel-Ausleseeinheit als Signal eines Röntgenquants
gewertet, bei einem integrierenden Röntgendetektor hingegen wird über sämtliche
Ladungspulse in einer Pixel-Ausleseeinheit integriert.
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Um
bei einem zählenden
Röntgendetektor Untergrundrauschen
von einem auf ein tatsächlich vorhandenes
Röntgenquant
zurückgehenden
Ladungspuls unterscheiden zu können,
wird im Allgemeinen ein unterer Schwellwert definiert, oberhalb dessen
ein Ladungspuls als Signal eines Röntgenquants interpretiert wird.
Es kann auch ein oberer Schwellwert definiert sein, oberhalb dessen
ein Ladungspuls als Signal von zwei oder mehreren Röntgenquanten
definiert wird. In einigen zählenden Röntgendetektoren
wird die Signalhöhe
des Ladungspulses registriert, um zusätzlich auf die Quantenenergie
des jeweiligen Röntgenquants
rückschließen zu können, da
Signalhöhe
und Quantenenergie üblicherweise
proportional zueinander sind.
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Zählende Röntgendetektoren
sind zum Beispiel aus der
DE
10212638 A1 und der
DE 10357187 A1 bekannt. Der Vorteil von zählenden
Detektoren ist, dass das Rauschen reduziert und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert
werden kann.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Einsatz- und Anwendungsbereich
von zählenden
Röntgendetektoren
zu erweitern.
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Die
Aufgabe wird gelöst
bei einem Verfahren zur Aufnahme eines digitalen Röntgenbildes
gemäß dem Patentanspruch
1, bei einem zählenden
Röntgendetektor
zur Aufnahme eines digitalen Röntgenbildes
gemäß dem Patentanspruch
8 und bei einem Röntgensystem
gemäß dem Patentanspruch
17; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand
der Unteransprüche.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Aufnahme eines digitalen Röntgenbildes
mittels Zählung
von Ladungspulsen und/oder Röntgenquanten bzw.
durch den erfindungsgemäßen Röntgendetektor
wird mittels der Zuordnung einer zeitlichen Information, insbesondere
des jeweiligen Zählungszeitpunktes,
zu den Ladungspulsen und/oder zu den Röntgenquanten bei ihrer Zählung eine
zusätzliche, für eine Erstellung
und Auswertung des Röntgenbildes
verwertbare Koordinate zur Verfügung
gestellt. Diese zusätzliche
Koordinate, bei der es sich um eine Zeitkoordinate handelt, eröffnet eine
große
Anzahl an zusätzlichen
oder erweiterten Einsatzmöglichkeiten des
Festkörperdetektors
und bietet unter anderen folgende Vorteile und Vereinfachungen:
Es
können
vereinfacht Korrelationen mit detektorexternen Zeitinformationen
erstellt und für
eine präzisere
und verbesserte diagnostische Auswertung der Bilddaten verwendet
werden. In diesem Zusammenhang können
aus einem einzigen, über
einen längeren
Zeitraum aufgenommenen Röntgenbild
beliebig viele Teil-Röntgenbilder
mittels der Zeitinformation extrahiert werden. Diese Teil-Röntgenbilder
stellen dann Röntgen bilder
eines bestimmten Zeitabschnittes dar und können einzeln oder in ihrer
Abfolge diagnostisch verwertet werden. So können zum Beispiel Informationen
zum EKG eines Patienten mit jeweiligen Teil-Röntgenbildern korreliert werden.
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Es
können
Veränderungen
zum Beispiel des aufgenommenen Untersuchungsobjektes durch Bewegung
oder Veränderungen
der Röntgenquelle durch
deren Bewegung (zum Beispiel bei C-Bogen-Rotation) oder schwankende Energien
der Röntgenquelle
leicht und ohne ein zeitraubendes Zwischenauslesen rückverfolgt
werden. Es werden neben Zeitverzögerungen
auch zeitliche Lücken
in der Abfolge von Röntgenbildern
vermieden, die durch ein Zwischenauslesen von Röntgenbildern entstehen. Ebenfalls
werden durch die zeitnahe Aufnahme von Röntgenbildern Bewegungsartefakte
auf den Röntgenbildern
minimiert. Es kann auch eine verbesserte Korrektur von Bewegungsartefakten
durchgeführt werden,
wenn das Röntgenbild
zum Beispiel in einzelne Teil-Röntgenbilder
aufgeteilt, bewegungskorrigiert und dann wieder zusammengefasst
wird.
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Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung wird die zeitliche Information
durch ein Zeitintervall gebildet, in welches der Zählungszeitpunkt
des jeweiligen Ladungspulses und/oder des jeweiligen Röntgenquants
einordbar ist. Auf diese Art und Weise kann die Datenmenge reduziert
werden, die durch die Speicherung von zeitlichen Informationen entsteht. Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird mit dem Beginn der
Aufnahme des Röntgenbildes
ein erster Zählungszeitpunkt
definiert. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren vereinfacht werden.
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In
zweckmäßiger Weise
werden aus den Pixel-Ausleseeinheiten die zeitlichen Informationen
gemeinsam mit den Ortsinformationen ausgelesen.
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Um
Rückschlüsse auf
die Energie der Ladungspulse bzw. der Röntgenquanten ziehen zu können und
somit weitere Anwendungsfelder zu erschließen werden in vorteilhafter
Weise die La dungspulse und/oder die Röntgenquanten bei ihrer Zählung hinsichtlich
ihrer Energie erfasst. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
werden die Ladungspulse und/oder die Röntgenquanten bei ihrer Zählung hinsichtlich
ihrer Energie erfasst und in vordefinierte Energieintervalle eingeordnet.
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Die
Erfindung sowie eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung gemäß Merkmalen
der Unteransprüche
wird im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele
in der Zeichnung näher erläutert, ohne
dass dadurch eine Beschränkung
der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele
erfolgt; es zeigen:
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1 eine
perspektivische Draufsicht auf einen Festkörperdetektor nach dem Stand
der Technik;
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2 eine
Draufsicht auf eine Pixel-Ausleseeinheit zur Verwendung bei einem
erfindungsgemäßen Verfahren;
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3 eine
Draufsicht auf eine Anordnung mehrerer Pixel-Ausleseeinheiten gemäß 2 in einem
erfindungsgemäßen Röntgendetektor;
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4 eine
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Röntgensystems für 3D-Aufnahmen
mit einem C-Bogen mit einem erfindungsgemäßen Röntgendetektor;
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5 eine
Draufsicht auf einen C-Bogen gemäß 4 für 3D-Aufnahmen
in drei verschiedenen Positionen.
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In 1 ist
eine perspektivische Draufsicht auf einen allgemein bekannten, indirekt
konvertierenden Festkörperdetektor 10 gezeigt.
Der Festkörperdetektor 10 weist
eine Szintillator-Schicht 11 auf, in der Regel Cäsium Jodid,
wobei die Szintillatorschicht 11 auf einer aktiven Auslesematrix 13 aufgebracht
ist. Die aktive Auslesematrix 13, die zum Beispiel aus
einem oder mehreren a-Si plates besteht, ist in eine Vielzahl von
schachbrettartig angeordneten Bildpunkten aufgeteilt, von denen
jedes aus einer Pixel-Ausleseeinheit 9 gebildet wird. Im
abgebildeten indirekt konvertierenden Fall weist jede Pixel-Ausleseeinheit 9 jeweils
eine Photodiode auf, die das von den Röntgenquanten der Röntgenstrahlung 12 generierte
Licht in elektrische Ladung umwandelt und speichert.
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Bekannte
zählende
Röntgendetektoren
weisen im Allgemeinen eine Röntgenkonverterschicht und
eine aktive Matrix mit Pixel-Ausleseeinheiten
auf der Basis von integrierten Schaltkreisen mit CMOS-Design auf.
Bei einem zählenden
Röntgendetektor
wird entweder jeder eintreffende Ladungspuls als Signal eines Röntgenquants
gewertet und der Zähler
der Pixel-Ausleseeinheit um ein Einheit hinaufgesetzt oder, was
einer präziseren
Vorgehensweise entspricht, die eintreffenden Ladungspulse werden
mit Schwellwerten verglichen, dann als Signale eines oder mehrerer
Röntgenquanten
gewertet und gezählt,
indem entsprechende Zähler
werden um eine oder mehr Einheiten heraufgesetzt werden.
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Anschließend werden
die Werte der Zählung zusammen
mit einer Ortsinformation zur Position der jeweiligen Pixel-Ausleseeinheit
mit Hilfe einer Ansteuer- und Ausleseelektronik ausgelesen. Auf
diese weise entsteht durch das Auslesen der Vielzahl von schachbrettartig
angebrachten Bildpunkten ein elektronisches Röntgenbild mit einer Matrix
aus Bildinformationen, die in einem weiteren Prozess verarbeitet werden
können.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren werden
nun zusätzlich
zeitliche Informationen bereitgestellt und gespeichert.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Pixel-Ausleseeinheit 1, welche in
einem erfindungsgemäßen Röntgendetektor
vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Pixel-Ausleseeinheit 1 weist
eine Elektrode 2, einen Energie-Diskriminator 3,
ein Zählspeicherelement 5,
eine Ausleselogik 4, Datenleitungen 6, Ansteuerleitungen 7 und
einen Vorverstärker 8 auf.
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Das
Zählspeicherelement 5 ist
erfindungsgemäß dazu ausgebildet,
zusätzlich
zu einer Information über
die Anzahl der Ladungspulse und/oder der Röntgenquanten auch deren jeweiligen
Zählzeitpunkt
zu speichern. Die Elektrode 2 kann auch als Photodiode
bei indirekter Konversion ausgebildet sein. Über eine oder mehrere Ansteuerleitungen 7 wird
die erfindungsgemäße Pixel-Ausleseeinheit 1 angesteuert
und über
eine oder mehrere Datenleitungen 6 werden Informationen
zum Beispiel beim Ausleseprozess weitergeleitet.
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Trifft
ein Röntgenquant
auf die als Direktkonverter ausgebildete Elektrode 2, so
wird dadurch ein Ladungspuls erzeugt und liegt analog in der Elektrode 2 vor.
Der Ladungspuls wird in dem Vorverstärker 8 verstärkt. Anschließend stellt
der Energie-Diskriminator 3 durch Vergleich des analogen
Ladungspulses mit Schwellwerten fest, ob der Ladungspuls zum Beispiel
innerhalb eines festgelegten Schwellwertintervalls liegt. Dadurch
kann beurteilt werden, ob es sich bei dem Ladungspuls um Rauschen
handelt (unterhalb eines ersten Schwellwertes) oder um einen auf mehr
als ein Röntgenquant
zurückgehenden
Ladungspuls (oberhalb einer zweiten Schwellwertes). Die Schwellwerte
beziehen sich dabei auf die Quantenenergie oder eine dazu proportionale
Größe.
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Liegt
der Ladungspuls zum Beispiel innerhalb des festgelegten Schwellwertintervalls,
so wird er als ein Röntgenquant
gewertet und zusammen mit der Information über seinen Zählzeitpunkt
gezählt und
gespeichert. Dazu wird im Zählspeicherelement 5,
welches in vorteilhafter Weise dem Energie-Diskriminator 3 zugeordnet
ist, ein Eintrag mit einer Zeitinformation registriert. Während der
Ladungspuls bis in den Energie-Diskriminator 3 noch analog
vorliegt, erfolgt dadurch der Übergang
zu einem digitalen Signal.
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Um
für weitere
Röntgenquanten
aufnahmefähig
zu sein, wird die Ladung des ersten Ladungspulses nach dem Diskriminationsschritt
in der Elektrode 2 abgeleitet. Nach Abschluss des Aufnahmeprozesses
des Röntgenbildes
werden die gezählten Röntgenquanten
und ihre zugehörigen
Zeitinformationen mit Hilfe der Ausleselogik 4 und der
entsprechenden Ausleseelektronik über die Datenleitungen 6 ausgelesen
und an ein Bildverarbeitungssystem zur Korrektur, Auswertung und
Weiterbearbeitung weitergegeben. Das Bildverarbeitungssystem kann entweder
innerhalb oder außerhalb
des Röntgendetektors
angeordnet sein.
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Neben
dem oder anstelle des Zählzeitpunkts kann
auch vorgesehen sein, den Auftreffzeitpunkt des Röntgenquants
auf der Konverterschicht als zeitliche Information zu speichern.
Bei einfacheren zählenden
Röntgendetektoren,
bei denen keine Schwellwertbetrachtung durchgeführt wird, wird pro Ladungspuls
eine Zählung
vorgenommen und hier die entsprechende zeitliche Information des
Ladungspulses gespeichert.
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Zur
Reduzierung der anfallenden Datenmenge wird nach einer Ausgestaltung
der Erfindung die zeitliche Information, die den Ladungspulsen und/oder
Röntgenquanten
zugeordnet wird, von einem Zeitintervall gebildet, in welches der
Zählungszeitpunkt
des jeweiligen Ladungspulses und/oder Röntgenquants einordbar ist.
Das Zählspeicherelement 5 registriert
hier lediglich das Zeitintervall, in welches der Ladungspuls oder
das Röntgenquant eingeordnet
werden kann, unterscheidet innerhalb dieses Intervalls aber nicht
mehr zeitlich. Dadurch wird bereits eine Vorauswahl über die
maximale Anzahl der später
extrahierbaren Teil-Röntgenbilder festgelegt.
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In
vorteilhafter Weise wird mit dem Beginn der Aufnahme des Röntgenbildes
ein erster Zählungszeitpunkt
definiert. Auf diese Weise muss nicht der gesamte absolute Zeitpunkt
registriert werden, sondern es wird nur ein Zeitpunkt relativ zu
einem zum Beispiel als t = 0 gesetzten Beginn der Aufnahme des jeweiligen
Röntgenbildes
gespeichert, was zu einer weiteren Reduzierung der Datenmenge und damit
zu einer Vereinfachung führt.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden aus den Pixel-Ausleseeinheiten 1 die zeitlichen
Informationen gemeinsam mit den Ortsinformationen ausgelesen. Dadurch
werden zum Beispiel die Grauwertinformationen eines Röntgenbildes in
Form von Informationen über
die jeweilige Pixelposition und die dazugehörige Zeitinformation erhalten.
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Neben
den zeitlichen Informationen kann zusätzlich vorgesehen sein, dass
jedem Röntgenquant oder
Ladungspuls bei seiner Zählung
auch eine Information über
seine Quantenenergie zugeordnet wird. In diesem Zusammenhang wird
mittels des Zählspeicherelementes 5 die
Quantenenergie oder eine dazu proportionale Größe gespeichert; proportional
zur Quantenenergie ist zum Beispiel die Anzahl der Ladungsträger, die
durch das entsprechende Röntgenquant
erzeugt wurden. Die Speicherung der Quantenenergie wird ebenfalls
bei der Zählung
in dem Zählspeicherelement 5 durchgeführt. Durch
die Speicherung sowohl des Zählzeitpunktes
als auch der Energie des Ladungspulses oder Röntgenquants erweitert sich
der Anwendungsbereich des Röntgendetektors.
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Um
bei der Speicherung bzw. Erfassung der Quantenenergie die anfallende
Datenmenge zu begrenzen, kann ein Diskriminationsverfahren mit mehreren
Diskriminatoren unterschiedlicher Schwellhöhen und mit unterschiedlichen
Zählspeicherelementen 5 vorgesehen
sein. Hier kann zum Beispiel bei einer Röntgenanwendung mit einer maximalen
Beschleunigungsspannung der Röntgenquanten
von 150 keV vorgesehen sein, Ladungspulse bzw. Röntgenquanten in Energieintervalle
von 40 keV bis 60 keV, von 60 keV bis 80 keV, von 80 keV bis 100
keV und von 100 keV bis 150 keV einzuteilen.
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3 zeigt
mehrere matrixförmig
nebeneinander angeordnete Pixel-Ausleseeinheiten 1, deren Datenleitungen 6 in
Richtung der ersten Pixelachse, also zum Beispiel vertikal, und
deren Ansteuerleitungen 7 senkrecht dazu, also zum Beispiel
horizontal, verbunden sind. Ein erfindungsgemäßer Röntgendetektor ist aus einer
Vielzahl, zum Beispiel 2000 mal 2000, derarti ger Pixel-Ausleseeinheiten 1 aufgebaut. Bei
einem derartigen Röntgendetektor
kann es sich zum Beispiel um einen mobilen Flachbilddetektor handeln.
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4 und 5 zeigen
Beispiele für
eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors 20 in
einem Röntgensystem,
welches einen C-Bogen 21 aufweist und hauptsächlich für 3D-Aufnahmen geeignet
ist. In 4 ist ein deckenmontierter C-Bogen 21 gezeigt,
an dessen einem Ende eine Röntgenquelle 22 montiert
ist und an dessen gegenüberliegendem
Ende der Röntgendetektor 20,
zum Beispiel ein Flachbilddetektor, angeordnet ist. Der C-Bogen,
die Röntgenquelle 22 und
Röntgendetektor 20 werden
von einer Steuerungseinrichtung 23 gesteuert. In der Steuerungseinrichtung
befinden sich außerdem
ein System zur Bildverarbeitung und Darstellung von Röntgenbildern.
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Zur
Aufnahme von 3D-Röntgenbildern
ist der C-Bogen 21 – wie
in 5 gezeigt – in
mehrere unterschiedliche Positionen kippbar. Durch die Aufnahme
von mehreren Röntgenbildern
desselben Untersuchungsobjektes in mehreren gekippten Positionen sind
bei ähnlichen
Röntgensystemen
aus dem Stand der Technik dreidimensionale Darstellungen extrahierbar.
Mit einem derartigen erfindungsgemäßen Röntgensystem, bei dem den Ladungspulsen und/oder
den Röntgenquanten
bei ihrer Zählung
eine zeitliche Information zugeordnet wurde, wird zum Beispiel nur
ein Röntgenbild
aufgenommen, aus dem auf einfache Weise Teil-Röntgenbilder
extrahiert oder zeitliche Veränderungen
des Untersuchungsobjektes rekonstruiert werden können.
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Ein
erfindungsgemäßer Röntgendetektor oder
ein erfindungsgemäßes Verfahren
kann in weiteren Röntgensystemen
wie zum Beispiel in einem Computer-Tomographie-Röntgensystem verwendet werden.
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Die
Erfindung kann in folgender Weise kurz zusammengefasst werden: Zur
Erweiterung des Anwendungsbereiches von zählenden Röntgendetektoren ist ein verfahren
zur Aufnahme eines digitalen Röntgenbildes
bzw. ein zählender
Röntgendetektor 20 vorgesehen,
wobei mittels des zählenden
Röntgendetektors 20 mit
in einer Matrix angeordneten Pixel-Ausleseeinheiten 1 Röntgenquanten
und/oder durch Röntgenquanten
erzeugte Ladungspulse detektiert und gezählt werden, und den Ladungspulsen und/oder
der Röntgenquanten
bei ihrer Zählung
eine zeitliche Information zugeordnet wird.