-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einzelner Quantenabsorptionsereignisse
bei einem Strahlungswandler zur Wandlung bzw. Detektion einzelner
Quanten einer darauf einfallenden ionisierenden Strahlung. Die Erfindung
betrifft ferner Programmcodemittel zur Durchführung des
Verfahrens, eine Einrichtung zur elektronischen Datenverarbeitung,
umfassend die Programmcodemittel, einen Strahlungswandler mit der
Einrichtung zur elektronischen Datenverarbeitung sowie ein bildgebendes
Tomografiegerät, insbesondere einen Röntgen-Computertomografen.
-
Ein
Verfahren zur Ermittlung einzelner Quantenabsorptionsereignisse
bei einem Strahlungswandler zur Wandlung einzelner Quanten einer
darauf einfallenden ionisierenden Strahlung ist beispielsweise aus R.
Ballabriga et al.: "The Medipix3 Prototype, a Pixel Readout Chip
Working in Single Photon Counting Mode with Improved Spectrometric Performance",
2006 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record bekannt.
Bei dem bekannten Verfahren wird dasjenige analoge Signal mit der
jeweils größten Signalstärke der Absorption
eines Quants zugeordnet. Dabei werden kleinere Signalstärken
nicht als Absorptionsereignisse angesehen. Ein Vergleich der jeweiligen
analogen Signale erfolgt dabei mittels Komparatoren der entsprechenden
Signale der einzelnen Bildpunkte und der Summen der Signale von
jeweils vier benachbarten Bildpunkten.
-
Dabei
ist es nachteilig, dass die Anzahl der vom Strahlungswandler absorbierten
Quanten nicht zufrieden stellend ermittelt werden kann. Beispielsweise
kann es durch Photoeffekt und/oder Compton-Streuung vorkommen, dass
ein einzelnes Quant mehrere Quantenabsorptionsereignisse, in unterschiedlichen
Bildpunkten verursacht/en. Unter diesen Umständen kann
es vorkommen, dass keine der Signalstärken der analogen
Signale von mehreren, zu einem einzelnen Quant gehörenden
Quantenabsorptionsereignissen ausreicht, um die Absorption des Quants
zu registrieren. In diesem Fall wird trotz eines absorbierten Quants
kein Quant gezählt. Ferner kann es vorkommen, dass zwei
oder mehrere der Signalstärken der analogen Signale von
mehreren, zu einem einzelnen Quant gehörenden Quantenabsorptionsereignissen
registriert werden. In diesem Fall werden fälschlicherweise
mehrere Quanten registriert, obwohl lediglich ein einzelnes Quant
vom Strahlungswandler absorbiert worden ist.
-
Soll
bei dem Verfahren gleichzeitig eine Energie der Quanten ermittelt
werden, so führen die oben beschriebenen Fälle
unweigerlich dazu, dass die Energie des absorbierten Quants falsch
ermittelt wird.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu
beseitigen. Es soll insbesondere ein eingangs erwähntes
Verfahren angegeben werden, welches besonders flexibel ist und eine
genaue und robuste Ermittlung der Anzahl der absorbierten Quanten
ermöglicht. Ein weiteres Ziel ist es, ein Verfahren anzugeben,
mit welchem die Energie eines absorbierten Quants besonders genau ermittelt
werden kann. Weiterhin sollen Programmcodemittel, eine Einrichtung
zur elektronischen Datenverarbeitung, ein Strahlungswandler und
ein bildgebendes Tomografiegerät angegeben werden, mit welchen
die oben genannten Aufgaben in analoger Weise gelöst werden
können.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche
1, 13, 14, 15 und 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich
aus den Ansprüchen 2 bis 12 und 16.
-
Nach
einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung
einzelner Quantenabsorptionsereignisse bei einem Strahlungswandler
zur Wandlung einzelner Quanten einer darauf einfallenden ionisierenden
Strahlung vorgesehen, wobei mittels des Strahlungswandlers ein Quantenabsorptionsereignis
in ein, insbesondere analoges, elektrisches Signal umgewandelt wird,
umfassend folgende Schritte.
- a) zeitlich kontinuierliche
analog-zu-digital Wandlung des elektrischen Signals mit einer vorgegebenen
Anzahl an Bits,
- b) Speichern des im Schritt lit. a) erhaltenen, das elektrische
Signal in dessen zeitlichem Verlauf repräsentierenden digitalen
Signals und
- c) Weiterverarbeiten des digitalen Signals, zur Ermittlung der
Anzahl der dem Quantenabsorptionsereignis zu Grunde liegenden im
Strahlungswandler absorbierten Quanten.
-
Durch
die zeitlich kontinuierliche analog-zu-digital Wandlung kann eine
im elektrischen Signal enthaltene zeitliche Information erhalten
werden. Diese zeitliche Information kann zur Ermittlung der Anzahl
der Quanten oder deren Energien herangezogen werden. Durch diese
zusätzliche zeitliche Information können die Anzahl
und/oder die Energie noch genauer ermittelt werden.
-
Die
analog-zu-digital Wandlung erfolgt erfindungsgemäß im
Wesentlichen bereits unmittelbar nach entstehen des elektrischen
Signals. Durch diese frühzeitige Wandlung kann die darauf
folgende Weiterverarbeitung besonders effektiv, robust und genau
erfolgen.
-
Die
digitalen Signale werden im Schritt lit. b) gespeichert, wobei es
sich im Sinne dieser Erfindung auch um eine Zwischen- oder Kurzzeitspeicherung handeln
kann. Einerseits kann durch eine Kurzzeitspeicherung und eine darauf
folgende Weiterverarbeitung eine zu speichernde Datenmenge reduziert werden.
Andererseits ermöglicht eine Langzeitspeicherung der digitalen
Signale eine zeitliche Trennung der Erfassung der digitalen Signale
von der Weiterverarbeitung. Im letzteren Fall kann die Weiterverarbeitung
auf einer separaten Recheneinheit mit vergleichsweise hoher Rechenkapazität
durchgeführt werden. Damit kann das Verfahren besonders
zeiteffektiv durchgeführt werden. Ferner ist bei Langzeitspeicherung
strahlungswandlerseitig zunächst lediglich eine Einrichtung
zur analog-zu-digital Wandlung erforderlich, wodurch ein dafür
erforderlicher Platzbedarf für elektronische Schaltungen
und Kosten des Strahlungswandlers verringert werden können.
Die Weiterverarbeitung kann im konkreten Anwendungsfall z. B. auf
einem ohnehin vorgesehenen Rechner eines bildgebenden Tomografiegeräts,
insbesondere zeitlich besonders effektiv, durchgeführt
werden.
-
Je
nach Genauigkeitsanforderungen kann die Anzahl an Bits zumindest
2, 3, 4, 5, 6, 7, oder 8 betragen und die analog-zu-digital Wandlung
mit einer Frequenz von 5 MHz bis 20 GHz, vorzugsweise mit einer
Frequenz von 10 MHz bis 10 GHz erfolgen.
-
Im
Schritt lit. c) kann anhand des digitalen Signals für das
Quantenabsorptionsereignisses zumindest eine charakteristische Größe
ermittelt werden. Die charakteristische Größe
ist vorzugsweise aus folgender Gruppe ausgewählt: Energie
des Quants, Integral, Form, Maximum, zeitlicher Verlauf, insbesondere
zeitliche Breite, Amplitude, Anstiegsgeschwindigkeit, Abfallsgeschwindigkeit
des elektrischen Signals. Anhand der/den charakteristischen Größe/n kann/können
ein einzelnes Quantenabsorptionsereignis bzw. die Anzahl der absorbierten
Quanten und/oder deren Energien noch genauer ermittelt werden. Je
nach Erfordernissen und Gegebenheiten der jeweiligen Quantenabsorptionsereignisse
können zur Steigerung der Genauigkeit des Verfahrens darüber hinaus
auch andere oder zusätzliche charakteristische Größen
ermittelt werden. Die Ermitt lung der charakteristischen Größe
kann in Abhängigkeit von dessen Art auch als Pulsformanalyse
bezeichnet werden. Dabei wird unter einem Puls ein durch ein Quantenabsorptionsereignis
verursachtes Auftreten eines elektrischen Signals verstanden. Die
Pulsformanalyse kann dabei auf eine Ermittlung einer Amplitude des
elektrischen Signals, eine Ermittlung von Verlauf und Höhe
der zeitlichen Ableitung des elektrischen Signals und/oder eine
Ermittlung eines Integralwerts über die Zeit für
das elektrische Signal gerichtet sein. Dabei ist z. B. eine Zählung
der absorbierten Quanten mittels einer Schwellentriggerung, einer
Triggerung auf Pulsanstieg bzw. -abstieg und/oder eine Energietriggerung
möglich. Auch eine Kombination der vorgenannten Varianten
ist möglich, wodurch eine noch genauere qualitative bzw.
quantitative Auswertung der Quantenabsorptionsereignisse möglich
ist.
-
Im
Schritt lit. c) kann ferner auf der Grundlage entsprechender digitaler
Signale eine Korrelation zwischen zumindest zwei, mittels zumindest
zwei unterschiedlichen Bildpunkten des Strahlungswandlers registrierten
Quantenabsorptionsereignissen ermittelt werden. Mittels der Korrelationsanalyse
können mehrere, zu einem einzigen absorbierten Quant gehörende
Quantenabsorptionsereignisse identifiziert werden. Beispielsweise
kann anhand des zeitlichen Verlaufs des elektrischen Signals und
der den entsprechenden Quantenabsorptionsereignissen zugeordneten
Energien entschieden werden, ob einzelne Quantenabsorptionsereignisse
durch Absorption eines einzigen Quants verursacht worden sind. Damit kann
die Genauigkeit in der Ermittlung der Anzahl der absorbierten Quanten
und/oder deren Energien wesentlich verbessert werden.
-
Bei
der Korrelationsanalyse können jeweils zumindest zwei,
bezüglich einer Anordnung auf dem Strahlungswandler aneinander
angrenzende Bildpunkte verwendet werden. Damit kann der Tatsache Rechnung
getragen werden, dass ein absorbiertes Quant durch Photoeffekt und/oder
Compton-Streuung bevorzugt in benachbarten Bildpunkten zu mehreren
registrierten Quantenabsorptionsereignissen führen kann.
Es ist damit möglich, derartige Prozesse zu erkennen und
die Genauigkeit des Verfahrens weiter zu steigern. Je nach gewünschter
Genauigkeit und/oder verfügbarer Rechenkapazität
können auch weitere Quantenabsorptionsereignisse nicht
unmittelbar benachbarter Bildpunkte berücksichtigt werden.
-
Bei
der Korrelationsanalyse können sowohl Absolutwerte der
charakteristischen Größen als auch Unterschiede
derselben berücksichtigt werden.
-
Je
nach Bedarf kann im Schritt lit. c) auf der Grundlage der Quantenabsorptionsereignisse
eine Anzahl der vom Strahlungswandler absorbierten Quanten ermittelt
werden. Die Anzahl kann mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren, wie oben bereits dargelegt, besonders genau ermittelt
werden. Insbesondere ist eine besonders genaue Ermittlung der Anzahl
der absorbierten Quanten in Abhängigkeit von deren Energie
möglich. Zusätzlich kann das Quantenabsorptionsereignis
in Abhängigkeit eines relativ zu einer Absorptionsfläche
des Strahlungswandlers definierten Absorptionsorts ermittelt werden.
Damit ist eine zeit-, orts- und/oder energieaufgelöste
Ermittlung der absorbierten Quanten möglich.
-
Nach
einem zweiten Aspekt der Erfindung sind Programmcodemittel vorgesehen,
welche von einer Einrichtung zur elektronischen Datenverarbeitung
lesbar sind, und deren Ausführung mittels der Einrichtung
das oben beschriebene Verfahren oder einer seiner Ausgestaltungen
bewirkt.
-
Nach
einem dritten Aspekt der Erfindung ist eine Einrichtung zur elektronischen
Datenverarbeitung vorgesehen, welches die vorgenannten, in einen
Speicher eingelesenen Programmcodemittel umfasst.
-
Nach
einem vierten Aspekt der Erfindung ist ein Strahlungswandlersystem
zur Erfassung ionisierender Strahlung, insbesondere von Röntgenstrahlung,
vorgesehen, welches die erfindungsgemäße Einrichtung
zur Datenverarbeitung umfasst. Das Strahlungswandlersystem kann
ein direkt konvertierendes wandlermaterial, insbesondere ein Halbleitermaterial,
umfassen Nach einem fünften Aspekt der Erfindung ist ein
bildgebendes Tomografiegerät, insbesondere ein Röntgen-Computertomograf,
vorgesehen, welches/r das erfindungsgemäße Strahlungswandlersystem
umfasst.
-
Bezüglich
der Vorteile und vorteilhaften Wirkungen des zweiten bis fünften
Aspekts der Erfindung wird auf die Vorteile und vorteilhaften Wirkungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen, welche
in analoger Weise zum Tragen kommen.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen:
-
1 einen
erfindungsgemäß ausgestalteten Röntgen-Computertomografen,
umfassend das erfindungemäße Strahlungswandlersystem
und
-
2 schematisch
ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung der Arbeitsweise einer Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel einer
Wandlermatrix bestehend aus 3 × 3 Bildpunkten.
-
1 zeigt
einen an sich bekannten Röntgen-Computertomografen 1,
umfassend das erfindungemäße Strahlungswandlersystem 2.
Das Strahlungswandlersystem 2 weist einen direkt konvertierenden
Halbleiterwandler 3 und eine Einrichtung 4 zur
elektronischen Datenverarbeitung auf.
-
Der
Halbleiterwandler 3 ist Bestandteil eines um eine Systemachse 5 rotierbaren
Röhren-Detektor-Systems. Eine Röntgenröhre 6 des
Röhren-Detektor-Systems ist gegenüberliegend dem
Halbleiterwandler 3 angeordnet. Bei Betrieb des Röntgen-Computertomografen 1 trifft
eine von der Röntgenröhre 6 ausgehende
Röntgenstrahlung 7 auf einen zu untersuchenden
Pati entenkörper 8 und wird von diesem teilweise
absorbiert. Ein transmittierter Anteil der Röntgenstrahlung 7 trifft
auf den Halbleiterwandler 3 und mittels diesem detektiert
und gewandelt. Bei der Wandlung wird die Röntgenstrahlung 7 vom
Halbleiterwandler 3 direkt in analoge elektrische Signale
umgewandelt. Die analogen Signale werden mittels der Einrichtung 4 zur
elektronischen Datenverarbeitung gemäß der weiter
unten beschriebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens analog-zu-digital gewandelt und weiterverarbeitet. Die
Einrichtung 4 zur elektronischen Datenverarbeitung weist
einen nicht dargestellten Speicher auf, in welchen Programmcodemittel
zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eingelesen sind.
-
Die
Einrichtung 4 zur elektronischen Datenverarbeitung kann
auf mehrere Untereinheiten verteilt sein. So kann beispielsweise
ein analog-zu-digital Wandler am Halbleiterwandler 3 vorgesehen
sein, während die Weiterverarbeitung der digitalen Signale auf
einem Rechner des Röntgen-Computertomografen erfolgt. Es
ist jedoch auch möglich, dass sowohl die analog-zu-digital
Wandlung als auch die Weiterverarbeitung in einer wandlerseitigen
Einheit erfolgen.
-
2 zeigt
schematisch ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung der Arbeitsweise
einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
am Beispiel einer Wandlermatrix 9 bestehend aus 3 × 3
Bildpunkten 10. Durch Quantenabsorptionsereignisse werden in
den jeweiligen Bildpunkten 10 analoge Signale erzeugt,
welche bildlich dargestellt mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet
sind. Die anlogen Signale 11 werden im Wesentlichen unmittelbar
nach deren Erzeugung einem ersten Block 12 zugeführt,
welcher eine zeitlich kontinuierliche analog-zu-digital Wandlung der
analogen Signale 11 in digitale Signale bewirkt, welche
bildlich dargestellt mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet
sind. Die analog-zu-digital Wandlung kann beispielsweise mit einer
Auflösung von 4 bis 5 Bits und einer Wandelfrequenz von
100 MHz bis 300 MHz erfolgen. Die digita len Signale 13 werden
in einem nicht dargestellten Speicher gespeichert bzw. zwischengespeichert.
-
Auf
Grundlage der digitalen Signale 13 wird anschließend
in einem zweiten Block 14 eine digitale Pulsformanalyse
durchgeführt, welche eine Charakterisierung der analogen
Signale 11 und der diesen zu Grunde liegenden Quantenabsorptionsereignisse ermöglicht.
Als Analysemöglichkeiten kommen in Betracht: eine Schwellentriggerung,
eine Energietriggerung und/oder eine Triggerung auf Pulsanstieg und/oder
-abstieg.
-
Als
Ausgabe des zweiten Blocks 14 kommen folgende Informationen
in Frage: Signalhöhe zur Zeit t, integrierte Energie, Amplitude,
Anstiegsgeschwindigkeit des analogen bzw. digitalen Signals, Abfallsgeschwindigkeit
des analogen bzw. digitalen Signals.
-
Ausgabewerte
des zweiten Blocks 14 werden in einem dritten Block 15 einer
Korrelationsanalyse unterworfen, welche durch Doppelpfeile 16 angedeutet
ist. Bei der Korrelationsanalyse 16 wird für benachbarte
Bildpunkte 10 anhand von zeitlichen Unterschieden im Auftreten
der analogen Signale 11 und/oder in Unterschieden der Energien
der Quantenabsorptionsereignisse ermittelt, ob zwei oder mehrere
Quantenabsorptionsereignisse in unterschiedlichen Bildpunkten 10 durch
eine einzige Absorption eines Quants der Röntgenstrahlung 7 verursacht
sind. Ist letzteres der Fall, so werden die in den unterschiedlichen
Bildpunkten 10 registrierten Quantenabsorptionsereignisse
zu einem Quantenabsorptionsereignis zusammengefasst.
-
Schließlich
wird in einem vierten Block 17 für jeden Bildpunkt 10 ein
Zähler für die Anzahl der absorbierten Quanten
entsprechend der Anzahl der registrierten, und ggf. zusammengefassten,
Quantenabsorptionsereignisse erhöht. Für einen
Bildpunkt 10 können auch mehrere Zähler
für unterschiedliche Energiebereiche vorgesehen sein. Zusätzlich
kann auch eine mit dem Ort des Bildpunkts 10 auf dem Halbleiterwandler 3 verknüpfte
Ortsinformation ermittelt und gespeichert bzw. ausgegeben werden.
-
Es
soll bemerkt werden, dass die im dritten Block 15 durchgeführte
Korrelationsanalyse 16 optional ist. Allerdings ermöglicht
die Korrelationsanalyse 16 eine besonders genaue Ermittlung
der Anzahl an absorbierten Quanten, der Quantenenergien und weiterer
jeweils relevanter Größen.
-
Zusammenfassend
ergeben sich für das erfindungsgemäße
Verfahren folgende Vorteile: Bedingt durch die frühzeitige
analog-zu-digital Wandlung und die digitale Weiterverarbeitung kann
die Robustheit der Signalverarbeitung wesentlich verbessert werden.
Durch eine Korrelationsanalyse kann die Genauigkeit des Verfahrens
deutlich erhöht werden.
-
Durch
die Verwendung der digitalen Signale bei der Weiterverarbeitung
ist es möglich, dass bei Logikschaltungen, welche bei der
Korrelationsanalyse verwendet werden, verschiedene Algorithmen und/oder
jeweils geeignete Gewichtungsfunktionen eingesetzt werden können.
Durch eine geeignete Auswahl jeweiliger Algorithmen und ggf. Gewichtsfunktionen
kann eine optimale Anpassung zwischen Wandlercharakteristik und
Aufnahmemodus des Strahlungswandlers erreicht werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - R. Ballabriga
et al.: "The Medipix3 Prototype, a Pixel Readout Chip Working in
Single Photon Counting Mode with Improved Spectrometric Performance",
2006 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record [0002]