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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für eine bildgebende
radiologische Anlage mit einer Mehrzahl von Bild-Sensorelementen, welche
auftreffende radiologische Strahlung in elektrische Signale umwandeln,
und einer Anzahl von Streustrahlungs-Sensorelementen. Darüber hinaus betrifft
die Erfindung eine bildgebende radiologische Anlage mit einer solchen
Sensoranordnung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein bildgebendes
Verfahren, bei dem radiologische Strahlung von einer Strahlungsquelle
durch den Körper
oder aus dem Körper eines
Untersuchungsobjekts auf eine derartige Sensoranordnung abgestrahlt
wird.
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Radiologische
Verfahren finden heute ein breites Anwendungsfeld, das von der Röntgendetektion
von Inhalten eines unbelebten Untersuchungsgegenstandes bis hin
zum modernen Computertomographen (CT) oder artverwandten medizintechnischbildgebenden
Verfahren reicht. In all diesen Verfahren gelangt von einer Strahlungsquelle
eine radiologische Strahlung auf eine Sensoranordnung, welche die
Strahlung misst, so dass aus den Messwerten ein Abbild generiert
werden kann, das Aufschluss über
den Zustand von Patienten oder – zum Beispiel
bei einer Material- oder Gepäckkontrolle – den Zustand
und/oder den Inhalt von unbelebten Gegenständen geben soll.
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Ein
entscheidender Störeinfluss
ist hierbei, dass nicht nur die direkt von der Strahlungsquelle durch
den Körper
des Untersuchungsobjekts eintreffende Strahlung, im Folgenden als „Direktstrahlung" bezeichnet, gemessen
wird, sondern auch Streustrahlung. Als Streustrahlung wird jene
Strahlung verstanden, die nicht auf direktem Wege von der Strahlungsquelle
zur Sensoranordnung gelangt, sondern von dieser geraden Linie abgelenkt
wird. Diese Streustrahlung trifft ggf. trotz dieser Ablenkung von der
direkten Bahn ebenfalls auf der Sensoran ordnung auf und kann damit
das Abbild verfälschen,
gelangen doch Signale aus einem anderen Körperbereich als dem an einer
bestimmten Sensorstelle abzubildenden an eben dieser Sensorstelle
in das Bild. Die Folge ist ein geringerer Bildkontrast der Abbildung.
Die Streustrahlung kann sogar einen gleich großen oder gar höheren Anteil
an der eintreffenden Strahlung haben als die Direktstrahlung. Dieses
Problem tritt speziell dann auf, wenn das Untersuchungsobjekt ein
größerer Körper ist,
beispielsweise der Körper
einer beleibteren Untersuchungsperson, da hier viel Direktstrahlung
vom Körper
absorbiert wird und gleichzeitig eine höhere Streuung auftritt. In praxi
bedeutet dies, dass die Strahlungsdosis erhöht werden muss, um einen ausreichenden
Kontrast zu gewährleisten.
Im Sinne der Sicherheit und Gesundheit von Patienten und/oder Untersuchenden
ist eine solche Dosiserhöhung
jedoch nicht erwünscht.
Nochmals verschärft
wird dieses Problem bei der Verwendung von CTs, welche simultan
mehrere Röntgenquellen
verwenden, die in einer so genannten Gantry auf einer kreisförmigen Umlaufbahn
angeordnet sind und jeweils auf eine Sensoreinheit oder einen Sensorbereich
auf der gegenüberliegende
Seite gerichtet sind. Hier entsteht zusätzliche Streustrahlung dadurch,
dass Strahlung, die von einer ersten Röntgenquelle für eine erste
Sensoranordnung bzw. einen ersten Sensorbereich vorgesehen ist,
stattdessen auf eine zweite Sensoranordnung bzw. einen zweiten Sensorbereich
auftrifft.
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Bisher
wurde im Wesentlichen die Streustrahlung eliminiert, indem über der
Sensoranordnung in Richtung der Direktstrahlung ein Streustrahlungsraster
aus hoch strahlungsabsorbierenden Lamellen bzw. einem entsprechenden
Lamellen-Gitter angeordnet wurde. Als Material für die Lamellen kann z. B. Blei
eingesetzt werden. Dadurch kann die Streustrahlung, die in einem
anderen Winkel auf die Sensoranordnung trifft, teilweise abgefangen
werden. Dieses Raster filtert zwar einen großen Teil der Streustrahlung
ab, jedoch bei weitem nicht die gesamte, da die Lamellen des Rasters
eine maximale Dicke von 50 bis 100 μm nicht überschreiten dürfen und
da der Streustrahlungs-Einfallwinkel aufgrund der maximal möglichen
Höhe (10 bis
50 mm) nicht beliebig klein gehalten werden kann. Dies bedeutet
in der Praxis, dass auch mit Streustrahlungsraster ein Rest von
ca. 15% der Streustrahlung ungefiltert auf der Sensoranordnung auftrifft.
Zudem sind derartige Streustrahlungsraster kostspielig und aufwändig in der
Herstellung. Dies gilt speziell bei größeren Sensoranordnungen in
CTs, da die Streustrahlraster stabil genug sein müssen, um
die hohen Zentrifugalkräfte
abzufangen, die in modernen CTs aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit
auftreten. An ihre technischen Grenzen gelangen solche Raster spätestens
dann, wenn die Strahlungsquelle zur Auflösungsverbesserung mit einem
springenden Brennfleck (flying focal spot) betrieben wird, da man
dann Gefahr läuft,
dass auch Direktstrahlung durch das Raster mit gefiltert wird. Eine
dynamische Refokussierung des Rasters ist bei den hohen Rotationsgeschwindigkeiten
kaum möglich.
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Weitere
Lösungsansätze für das Problem der
Streustrahlung basieren auf der kalkulatorischen Extraktion von
Streustrahlungseffekten von den Rohdaten. In einem ersten bekannten
Verfahren wird hierzu ein Vor-Scan durchgeführt, in dem das Verhältnis aus
Streustrahlung und Direktstrahlung ermittelt wird. Hierzu werden
bei der sogenannten „Beam-Stop-Methode" Teilbereiche einer
Sensoranordnung temporär
von Direktstrahlung abgeschirmt, um Streustrahlung und Direktstrahlung
getrennt voneinander zu messen. Im eigentlichen bildgebenden Durchlauf
werden diese Daten dazu verwendet, die Streustrahlungseffekte aus
den Rohdaten herauszurechnen. Bei dieser Methode sind Untersuchungsobjekt
und untersuchende Person jedoch zusätzlichen Strahlungsrisiken
ausgesetzt. Zudem ist die Durchführung
der Gesamt-Untersuchung deutlich komplizierter, langwieriger und
damit kostspieliger.
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Gemäß einem
zweiten Ansatz wird die Streustrahlung mit Hilfe von Sensoren am
Rande der Sensoranordnung gemessen und die entsprechend ermittelte
Streustrahlungsrate aus dem Gesamtbild herausgerechnet. Eine Variante
hierzu wird in der
JP 2000
070254 A beschrieben. Diese Methode ist jedoch für größere Sensoranordnungen
nicht gut geeignet, da die Verteilung der Streustrahlung über eine größere Fläche bzw.
Länge stark
variieren kann. Weitere Varianten finden sich in der
DE 24 52 166 A1 , der
DE 10 2004 026 230
A1 und der
DE
699 31 096 T2 .
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Ein
dritter Ansatz wird in der
WO 2006/018779 A2 vorgeschlagen. Dort wird
die Streustrahlung mit Hilfe des Streustrahlungsrasters gemessen,
indem im Raster selbst eine entsprechende Sensorik integriert ist,
die die Menge der Streustrahlung misst und somit ein akkurates Bild
des lokalen Einfalls von Streustrahlung gibt. Der Nachteil an diesem
Aufbau liegt darin begründet,
dass der (wie oben beschrieben ohnehin aufwändige) Aufbau des Streustrahlungsrasters
zusätzlich
verkompliziert und verteuert wird. Zudem müssten entsprechende Sensoranordnungen
an derartige Streustrahlungsraster eigens angepasst werden, so dass
neue Herstellungsmethoden und neue Sensorik-Aufbauten vonnöten wären.
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Zuletzt
sind noch Software-basierte Korrekturmöglichkeiten zu nennen, die
jedoch sehr rechenintensiv sind und zudem die resultierende Bildschärfe verringern.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes bildgebendes
Verfahren zur Messung radiologischer Strahlung ebenso wie eine verbesserte
Sensoranordnung und eine verbesserte bildgebende radiologische Anlage
bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung gemäß Anspruch 1 sowie eine bildgebende
radiologische Anlage gemäß Anspruch
14 und ein bildgebendes Verfahren gemäß Anspruch 21 gelöst.
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Gemäß der Erfindung
weist eine Sensoranordnung für
eine bildgebende radiologische Anlage eine Mehrzahl von Bild-Sensorelementen auf,
welche auftreffende radiologische Strah lung in elektrische Signale
umwandeln, sowie eine Anzahl von Streustrahlungs-Sensorelementen,
welche im Wesentlichen von radiologischer Direktstrahlung abgeschirmt
sind. Diese Abschirmung erfolgt permanent, beispielsweise durch
eine Beschichtung der Oberfläche
der Streustrahlungs-Sensorelemente mit einem die in der radiologischen
Anlage verwendete Strahlung möglichst
stark absorbierenden Material. In der Regel ist auch mit üblichen
Abschirmungsmaterialien wie Blei in üblichen Stärken keine ganz vollständige Abschirmung
möglich.
Der Begriff „im
Wesentlichen abgeschirmt" ist
hierbei daher so zu verstehen, dass möglichst viel, zumindest aber
75% der Direktstrahlung herausgefiltert wird. Der Vorteil einer
solchen permanenten Anordnung von Streustrahlungs-Sensorelementen
ist gegenüber
der „Beam-Stop-Methode" darin zu sehen,
dass ohne Verfahrensverzögerung
jederzeit ein Streustrahlungs-Messergebnis der Streustrahlungs-Sensorelemente
generiert werden kann. Ein weiterer möglicher Vorzug dieses Verfahrens
ist die einfache Handhabbarkeit des Systems bei gleichzeitig deutlich
erhöhter
Bildqualität.
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In
einer Direktstrahlungsrichtung sind vor den Streustrahlungs-Sensorelementen
Lamellen eines Streustrahlungsrasters angebracht, welche die Streustrahlungs-Sensorelemente
abschirmen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Filtern der Streustrahlung
mit der Abschirmung der Direktstrahlung im Bereich der Streustrahlungs-Sensorelemente kombiniert
werden kann. Dabei kann ein wie oben beschriebenes herkömmliches
Streustrahlungsraster eingesetzt werden. Mit einem solchen Aufbau
kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung
besonders günstig
hergestellt werden, da lediglich die Detektor-Strukturen entsprechend dem Streustrahlungsraster
angepasst sein müssen,
weil die Streustrahlungs-Sensorelemente prinzipiell denselben Aufbau wie
Bild-Sensorelemente haben, nur eben durch das Streustrahlungsraster
oberseitig abgeschirmt werden. Statt eines herkömmlichen Streustrahlungsrasters
kann auch eine dickere Ausführung
von eigens für
diese Anordnung konzipierten Lamellen oder Gitterstrukturen verwendet
werden, die auf die Oberflächengeometrie
der Streustrahlungs-Sensorelemente abgestimmt
sind.
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Die
Streustrahlungs-Sensorelemente der Sensoranordnung sind in einer
Detektorfläche
zwischen den Bild-Sensorelementen angeordnet. Beispielsweise können sie
quasi zwischen Bild-Sensorelementen
eingebettet werden. Besonders bevorzugt wird eine Vielzahl von Streustrahlungs-Sensorelementen
eingesetzt. Diese können
vorzugsweise in konstanten Abständen
voneinander in der Detektoroberfläche angeordnet sein, beispielsweise
nach jeweils zehn Bild-Sensorelementen. Ein möglicher Vorteil daraus kann
darin bestehen, dass für
einen relativ eng begrenzten definierten Bereich je ein Streustrahlungs-Messwert
vorliegt, aufgrund dessen für
diesen ganzen Bereich die Rohdaten der Messung kalkulatorisch bereinigt
werden können.
Alternativ könnte
in einem Extremfall auch an einer definierten Position ein einzelnes
Streustrahlungs-Sensorelement für
die gesamte Sensoranordnung verwendet werden, welches dann vorzugsweise
an einer Stelle angeordnet ist, die repräsentative Rückschlüsse auf die Streustrahlung
auf der gesamten Detektorfläche
zulässt.
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Eine
erfindungsgemäße bildgebende
radiologische Anlage weist eine Sensoranordnung wie eben beschrieben
auf. Dabei kann es sich zum Beispiel um eine Röntgen-Anlage handeln, bei der
ein unbelebtes Objekt auf einem Förderband durchleuchtet und
auf bestimmte darin enthaltene Gegenstände (wie Sprengstoff in einem
Koffer bei der Gepäckkontrolle)
hin untersucht wird. Vorteilhaft daran wäre beispielsweise, dass die
hohe Messgenauigkeit der Sensoranordnung auch bei relativ einfachen Röntgen-Scanverfahren
zu einer deutlichen Verbesserung der Bildqualität und damit der Detektionsmöglichkeiten
führt.
Auf der anderen Seite des Anwendungsspektrums stehen „einfache" Röntgenapparate im
medizintechnischen Bereich, CTs, aber auch nuklearmedizintechnische
Geräte
für PET
(Positronen-Emissions-Tomographie)
bzw. SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography), bei denen Radionuklide
aus einem Körper eines
Untersuchungsobjekts – hier
eines Lebewesens – auf
die Sensoranordnung strahlen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen bildgebenden
Verfahren wird radiologische Strahlung von einer Strahlungsquelle
durch den Körper
oder aus dem Körper
eines Untersuchungsobjekts auf eine Sensoranordnung abgestrahlt
und von einer Sensoranordnung erfasst, welche eine Mehrzahl von
Bild-Sensorelementen aufweist, die die auftreffende radiologische
Strahlung in elektrische Signale umwandeln, wobei eine Sensoranordnung
mit den Merkmalen des Anschpruch 1 verwendet wird.
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Beispielsweise
wird als Strahlungsquelle eine stationär aufgebaute Röntgeneinrichtung
verwendet, die Röntgenstrahlung
zur Durchleuchtung des Körpers
eines Lebewesens abgibt, welche auf der gegenüberliegenden Seite von einer
erfindungsgemäßen Sensoranordnung
detektiert wird. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, ein derartiges
Verfahren in einem CT mit einer rotierenden Gantry mit einer oder
mehreren Röntgenquellen
anzuwenden, bei dem eine Vielzahl von Schnittaufnahmen generiert werden
können,
da hier die Komplexität
des CT-Systems nicht zusätzlich
durch die Sensorik erhöht
wird.
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Weitere
besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich auch aus den abhängigen
Ansprüchen
sowie der nachfolgenden Beschreibung. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren
auch entsprechend den abhängigen
Ansprüchen
zur Sensoranordnung und zur bildgebenden radiologischen Anlage weitergebildet sein
und auch jeweils umgekehrt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Sensoranordnung ist die der Direktstrahlung zugewandte Oberfläche der
Streustrahlungs-Sensorelemente jeweils so abgeschirmt, dass mehr
als 90%, vorzugsweise mehr als 98%, der radiologischen Direktstrahlung
absorbiert wird. Diese starke Filterung kann dadurch erreicht werden,
dass hoch absorbierendes Material auf die Oberfläche der Streustrahlungs-Sensorelemente
direkt aufgebracht, etwa aufgedampft, wird. Dadurch wird unter anderem erreicht,
dass ein sehr akkurater Messwert für die Streustrahlung erreicht
wird. Alternativ kann eine Maskierung mit Hilfe eines aufgelegten
und fixierten Material-Gitters erfolgen.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Variante dieser Ausführungsform weisen die Lamellen bzw.
das Lamellen-Gitter eine Höhe
von maximal ca. 10 mm, vorzugsweise maximal ca. 8 mm, auf. Damit kann
vor allem erreicht werden, dass Zentrifugalkräfte durch die Rotation in einem
CT nicht zu hoch werden und dadurch der Herstellungsaufwand und
die Kosten für
das Streustrahlungsraster niedrig gehalten werden. Weiterhin müssen die
Lamellen nicht absolut exakt in Richtung des Fokus-Punkts der Strahlungsquelle
hin ausgerichtet werden, was speziell bei Anwendungen mit einer
Röntgenquelle
mit variablem Brennfleck einen zusätzlichen Vorteil bieten kann.
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Eine
erste alternative Ausführung
betrifft eine Sensoranordnung, bei der die Bild-Sensorelemente und
Streustrahlungs-Sensorelemente
so ausgebildet sind, dass sie radiologische Strahlung direkt in
elektrische Signale umwandeln. Hierbei wird ein Halbleitermaterial,
beispielsweise CdZnTe, verwendet, das radiologische Strahlung, in
diesem Falle Röntgenstrahlen,
direkt in elektrische-Ladungsträger
umwandelt. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass
die Strahlung ohne Umwandlung in andere Energieträger direkt
in Ladung und damit in elektrische Signale gewandelt wird. Statt
CdZnTe können
auch andere Halbleitermaterialien zur Anwendung kommen, beispielsweise
zur Umwandlung anderer radiologischer Strahlen wie Gammastrahlen.
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Vorzugsweise
weist bei dieser alternativen Ausführungsform die Sensoranordnung
eine Frontelektrode, eine Konverterschicht und eine Rückelektrodenstruktur
auf. Die Bild-Sensorelemente
und die Streustrahlungs-Sensorelemente sind dabei durch voneinander
elektrisch isolierend abgetrennte Rückelektrodenelemente der Rückelektrodenstruktur
ausgebildet. Diese Ausbildung der Rückelektrodenstruktur mit einzelnen
abgetrennten Rückelektrodenelementen
kann erfolgen, indem vollflächige
Leiterschichten durch Ätzen
in voneinander elektrisch isolierte Bereiche aufgeteilt werden.
Dies ist unter anderem eine einfache und bewährte Herstellungsweise. Es
kann jedoch auch eine entsprechende Rückelektrodenstruktur direkt
auf die Rückseite
der Sensoranordnung aufgebracht, z. B. unter Einsatz einer Maske aufgedampft
werden.
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Bei
einer zweiten alternativen Ausführungsführungsform
sind die Bild-Sensorelemente und Streustrahlungs-Sensorelemente
so ausgebildet, dass sie radiologische Strahlung indirekt in elektrische
Signale umwandeln. Hierzu kann ein Szintillator-Material wie CsI oder Gd2O2S verwendet werden, welches zunächst die
eintreffende radiologische Strahlung in Lichtphotonen umwandelt,
welche wiederum durch Fotodioden in elektrische Signale umgewandelt
werden. Dieser Aufbau hat unter anderem den Vorteil, dass er in
bestehenden, entsprechend arbeitenden Geräten als Nachrüst-Satz
eingesetzt werden kann. Eine indirekte Konversion kann jedoch auch
mit Hilfe anderer Wandlungssysteme und neuer Szintillator-Materialien
bzw. alternativer Signal-Träger
durchgeführt
werden.
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Bei
dieser zweiten Alternative sind die Bild-Sensorelemente und die
Streustrahlungs-Sensorelemente bevorzugt als voneinander durch lichtreflektierende
Materialien getrennte Einheiten ausgebildet. Die einzelnen Einheiten
können
durch Schnitte voneinander getrennt werden und es kann zum Beispiel
zur Trennung Aluminiumfolie oder geeignete Vergussmasse, wie z.
B. ein TiO2 Film, in die Schnitte eingebracht
werden. Dabei liegt ein Vorteil dieses Aufbaus in der einfachen
Herstellung der Elemente als ein Ganzes, welches nach Wunsch im
Nachhinein konfektioniert werden kann. Möglich ist jedoch auch eine
Herstellung einzelner Einheiten, zwischen welche beim Zusammenfügen ein
entsprechendes Material verbaut wird.
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Bevorzugt
sind die Sensorelemente, das heißt sowohl die Bild-Sensorelemente als
auch die Streustrahlungs-Sensorelemente, in einer Zeile oder in
einer Matrix angeordnet. Vorteilhaft daran ist unter anderem, dass
damit eine Abbildung eines Scan-Bereichs Pixel für Pixel wie in der digitalen
Verarbeitung üblich
erfolgen kann.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist jedem Bild-Sensorelement zumindest ein Streustrahlungs-Sensorelement zugeordnet.
Dies kann bei Anordnung in einer Zeile bedeuten, dass alternierend
je ein Bild-Sensorelement
und ein Streustrahlungs-Sensorelement aufeinander folgen. Der Vorteil
dieser Anordnung und Zuordnung liegt zum Beispiel darin, dass eine
hohe Messgenauigkeit für
jeden einzelnen kleinen Messbereich gewährleistet ist. Bei Anordnung
in einer Matrix können
Bild-Sensorelemente und Streustrahlungs-Sensorelemente schachbrettartig
angeordnet sein oder – wie
weiter unten beschrieben – die
Streustrahlungs-Sensorelemente geometrische Figuren „über Eck" aufweisen.
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Gemäß einer
ersten möglichen
alternativen Ausformung bildet ein Streustrahlungs-Sensorelement
eine Grenze zwischen zwei Bild-Sensorelementen. Dies kann dadurch
erreicht werden, dass in einer Zeile Bild- und Streustrahlungs-Sensorelemente
mit gleicher Breite verteilt sind, wodurch zum Beispiel praktisch
die gesamte Oberfläche
der Sensoranordnung entweder durch Bild- oder durch Streustrahlungs-Sensorelementen
abgedeckt ist.
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Gemäß einer
zweiten möglichen
alternativen Ausformung ist ein Streustrahlungs-Sensorelement an
zwei aneinander grenzenden Kanten eines Bild-Sensorelements angeordnet.
Hier wäre
die Geometrie zum Beispiel so zu gestalten, dass das Streustrahlungs-Sensorelement über ein
Eck des Bild-Sensorelements geführt
wird. Vorteilhaft an dieser Anordnung kann vor allem sein, dass
die Messgenauigkeit für
Streustrahlung nochmals potenziell erhöht ist, da sie in zwei Dimensionen
des Bild-Sensorelements
gemessen wird. Es kann auch ein geteiltes Streustrahlungs-Sensorelement,
welches messtechnisch als eine Einheit fungiert, jedoch geometrisch
in sich geteilt ist, an zwei aneinander grenzenden Kanten eines
Bild-Sensorelements angeordnet sein.
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Vorzugsweise
nimmt ein Streustrahlungs-Sensorelement eine kleinere Fläche ein
als ein zugeordnetes Bild-Sensorelement. Vorteilhaft ist beispielsweise
eine Ausführung,
bei der ein Streustrahlungs-Sensorelement in etwa die Dicke einer
Lamelle eines herkömmlichen
Streustrahlungsrasters (ca. 50–100 μm) aufweist.
Der Vorteil daran kann zum Beispiels sein, dass die Messung der
Direktstrahlung über
die Bild-Sensorelemente den größeren Bereich zugewiesen
bekommt, so dass sich ein exakteres Abbild der Durchleuchtung des
Untersuchungsobjekts ergibt. Alternativ sind auch je nach Anwendungsbereich
geringere Größenunterschiede
denkbar.
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Eine
erfindungsgemäße bildgebende
radiologische Anlage weist bevorzugter Weise eine Mess- und Auswertungsvorrichtung
für Messsignale
auf, mit einer Schnittstelle zur Aufnahme von Messsignalen aus den
Streustrahlungs-Sensorelementen und den Bild-Sensorelementen, wobei
die Mess- und Auswertungsvorrichtung so ausgebildet ist, dass eine
gewichtete Differenz zwischen den Messwerten eines Bild-Sensorelements
und eines zugeordneten Streustrahlungs-Sensorelements gebildet wird.
Im Folgenden soll diese Ausführungsform
als „Auswertung
mit gewichteter Differenz" bezeichnet
werden. Eine gewichtete Differenz wird beispielsweise durch Subtrahieren
eines mit einem Korrekturfaktor multiplizierten Messwerts des Streustrahlungs-Sensorelements vom
Messwert des Bild-Sensorelements gebildet. Mit Hilfe des Korrekturfaktors
kann zum Beispiel der Einfluss der Direktstrahlung, die trotz Abschirmung
in ein Streustrahlungs-Sensorelement eindringt, herausgerechnet
werden. Alternativ oder zusätzlich
können auch
die Messwerte der Bild-Sensorelemente mit einem Korrekturfaktor
multipliziert werden. Mittels eines Korrekturfaktors wird vorzugsweise
auch von der Fläche
des Bild-Sensorelements auf die Gesamtfläche aus Bild-Sensorelement
und zugeordnetem Streustrahlungs-Sensorelement
hochgerechnet. Verallgemeinert gesprochen sollen durch die Gewichtung
vorzugsweise die Flächenverteilungen
des Bild- und des zugeordneten Streustrahlungs-Sensorelements als
auch die Durchlässigkeit
des Streustrahlungs-Sensorelements für Direktstrahlung berücksichtigt
werden. Dies kann durch einen gemeinsamen Faktor oder durch getrennte
Faktoren, zum Beispiel für
das Bild-Sensorelement und für
das Streustrahlungs-Sensorelement, erfolgen. Das Resultat dieser
gesichteten Differenz stellt den streustrahlungsfreien Bild-Messwert der Rohdaten
dar.
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Gemäß einer
ersten Variante der radiologischen Anlage weist die Mess- und Auswertungsvorrichtung
für jedes
Bild-Sensorelement und für
jedes Streustrahlungs-Sensorelement eine Integratoreinrichtung zur
Kumulierung von jeweils von den Bild-Sensorelementen und den Streustrahlungs-Sensorelementen
in einem vorgegebenen Intervall detektierten Ereignissen auf. Dies
kann zum Beispiel mit Hilfe eines Kondensators erfolgen, der elektrische
Ladungsträger über einen
bestimmten Zeitraum sammelt, von wo aus sie ggf. getaktet an eine
Auswertungsvorrichtung weitergeleitet werden. Vorteilhaft daran
ist, dass mit Hilfe einer einfachen Wechsel- bzw. Signalumschaltung
oder einem Multiplexer abwechselnd die kumulierten Signale des Bild-Sensorelements
und des Streustrahlungs-Sensorelements
in die Auswertungsvorrichtung eingespeist werden können. Andere
Integrator- und/oder Signalverarbeitungsschaltungen sind jedoch
ebenfalls möglich.
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Gemäß einer
ersten speziellen Ausführungsform
dieser ersten Variante weist die Mess- und Auswertungsvorrichtung
für jedes
Bild-Sensorelement und jedes Streustrahlungs-Sensorelement eine
separate Integratoreinrichtung auf, wobei ein Vorteil dieser Schaltung
darin zu sehen ist, dass die Messwerte der beiden Sensorelemente
ggf. auch getrennt voneinander zu Kontroll- und Kalibrierungszwecken ausgewertet
werden können.
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Dagegen
weist die Mess- und Auswertungsvorrichtung in einer zweiten speziellen
Ausführungsform
für je
ein Bild-Sensorelement und ein diesem zugeordnetes Streustrahlungs-Sensorelement
eine gemeinsame Integratoreinrichtung auf, welche so ausgebildet
ist, dass die von den Streustrahlungs-Sensorelementen und den Bild-Sensorelementen
detektierten Ereignisse mit unterschiedlichem Vorzeichen kumuliert
werden. Dies be deutet beispielsweise, dass gezählte Ereignisse aus dem Bild-Sensorelement als
positiv gezählte
Ladungsträger
kumuliert werden, von denen die Ereignisse aus dem Streustrahlungs-Sensorelement subtrahiert werden
bzw. umgekehrt. Vorteilhaft an dieser speziellen Ausführungsform
ist vor allem, aber nicht ausschließlich, dass Schaltungs-Bauteile
eingespart werden können
und direkt ein Mess-Ergebnis an die Auswertungsvorrichtung weitergeleitet
werden kann. Die analogen Messwerte solcher „integrierenden" Detektoren werden
dann vorzugsweise in einem Analog/Digital-Wandler zur weiteren Verarbeitung
digitalisiert.
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Eine
weitere Variante der radiologischen Anlage ist dadurch gekennzeichnet,
dass jedem Streustrahlungs-Sensorelement und jedem Bild-Sensorelement
jeweils eine Impulswandlungseinheit zugeordnet ist, welche für jedes
von dem betreffenden Sensorelement detektierte Ereignis einen Zählimpuls ausgibt.
So können
die Messimpulse beispielsweise mit Hilfe eines Pulsumformers und
eines nachgeschalteten Filters so aufbereitet werden, dass bei Überschreitung
eines definierten Schwellenwerts ein Zählimpuls generiert wird. Die
Schaltungen sollen dabei so eingestellt sein, dass jedes auf das
Sensorelement auftreffende Strahlungselement, beispielsweise jedes
Röntgen-Photon, als einzelnes
Ereignis gezählt
wird. Derartige Schaltungen für
so genannte „zählende" Strahlungsdetektoren
sind beispielsweise in den Projekten „MPEC" der Universität Bonn oder „Medipix" von CERN et al.
entwickelt worden. Beschreibungen hierzu finden sich in der
US 4,255,659 A und
der
US 7,138,635 B2 .
Ein Vorteil dieser Schaltung mit Zählimpulsen besteht unter anderem
darin, dass Störeinflüsse im System
durch die Filterung ausgeschaltet werden können und die Messdaten bereits
digital zur Weiterverarbeitung vorliegen.
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Eine
einfache, erste Form dieser Variante mit Generierung eines Zählimpulses
besteht darin, dass die Zählimpulse
direkt an eine digitale Auswertungsvorrichtung weitergeleitet und
dort weiterverarbeitet werden. Ein Vorzug daran ist zum Beispiel
die Möglichkeit
der Kontrolle und Kalibrierung jeder einzelnen Zähl-Schaltungseinheit (bestehend
aus Bild- oder Streustrahlungs-Sensorelement und einer Impulswandlungseinheit).
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Eine
zweite Form dieser Variante besteht darin, dass die Impulswandlungseinheiten
und/oder eine nachgeordnete Pulszähleinrichtung so ausgebildet
sind, dass die von den Streustrahlungs-Sensorelementen und den Bild-Sensorelementen
gezählten Ereignisse
mit unterschiedlichem Vorzeichen gezählt werden. Dies kann beispielsweise
dadurch erfolgen, dass zwei Impulswandlungseinheiten gegengleich miteinander
verschaltet werden, so dass Impulse aus dem Bild-Sensorelement als
positiv gezählte
Impulse gezählt
werden, während
die Impulse aus dem Streustrahlungs-Sensorelement als negativ gezählte Impulse
gerechnet werden bzw. umgekehrt. Alternativ kann auch bei gleichzeitigen
Impulsen aus dem Bild-Sensorelement und aus der Streustrahlungs-Sensorelement
automatisch eine Weiterleitung eines Impulses an die Auswertungsvorrichtung
unterdrückt
werden.
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In
allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen
können
die entsprechenden Schaltungselemente bereits zusammen mit der Sensoranordnung in
einer Detektoreinheit integriert sein.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren
anhand von Ausführungsbeispielen
noch einmal näher
erläutert.
Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit
identischen Bezugsziffern versehen.
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Es
zeigen:
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1 den
schematisierten Prinzipaufbau eines CT mit Darstellung von Direkt-
und Streustrahlung,
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2 in
Schnittdarstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
gemäß einer ersten
Ausführungsform,
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3 in
Schnittdarstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
gemäß einer zweiten
Ausführungsform,
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4 in
perspektivischer Schnittdarstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
gemäß der ersten
Ausführungsform
mit Lamellen als Streustrahlungsraster,
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5 in
perspektivischer Schnittdarstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
gemäß der ersten
Ausführungsform
mit gitterartigen Lamellen als Streustrahlungsraster,
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6 eine
erfindungsgemäße Sensoranordnung
in Draufsicht mit einer ersten Anordnungsgeometrie von Bild- und
Streustrahlungs-Sensorelementen,
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7 eine
erfindungsgemäße Sensoranordnung
in Draufsicht mit einer zweiten Anordnungsgeometrie von Bild- und
Streustrahlungs-Sensorelementen,
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8 eine
schematische Schaltungsdarstellung von Bild- und Streustrahlungssensorelementen sowie
einer Mess- und Auswertungsvorrichtung gemäß einer ersten Variante,
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9 eine
schematische Schaltungsdarstellung von Bild- und Streustrahlungssensorelementen sowie
einer Mess- und Auswertungsvorrichtung gemäß einer zweiten Variante,
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10 eine
schematische Schaltungsdarstellung von Bild- und Streustrahlungssensorelementen
sowie einer Mess- und Auswertungsvorrichtung gemäß einer dritten Variante,
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11 eine
schematische Schaltungsdarstellung von Bild- und Streustrahlungssensorelementen
sowie einer Mess- und Auswertungsvorrichtung gemäß einer vierten Variante,
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12 eine
schematische Schaltungsdarstellung von Bild- und Streustrahlungssensorelementen
sowie einer Mess- und Auswertungsvorrichtung gemäß einer fünften Variante.
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In 1 ist
eine bildgebende radiologische Anlage 2, hier in Form eines
CT, dargestellt. Auf der Kreisbahn einer Gantry sind gegenüberliegend
eine Sensoranordnung 1 und eine Strahlungsquelle 9 (hier
eine Röntgenquelle)
angeordnet, zwischen denen der Körper
eines Untersuchungsobjekts 10 liegt. Direktstrahlung 3 gelangt
in gerader Linie direkt von der Röntgenquelle 9 durch
den Körper
des Untersuchungsobjekts 10 zur Sensoranordnung 1.
Dagegen wird Streustrahlung 4 im Körper des Untersuchungsobjekts 10 abgelenkt
und gelangt somit nicht in gerader Linie von der Röntgenquelle 9 zur
Sensoranordnung 1. Es ist zu erkennen, dass der Einfallwinkel
der Direktstrahlung 3 klar von dem der Streustrahlung 4 zu
unterscheiden ist: Während
die Direktstrahlung 3 näherungsweise
immer in einem definierten, feststehenden Winkel auf der Sensoranordnung 1 auftrifft, welcher
von der geometrischen Anordnung und dem Aufbau von Röntgenquelle 9 und
Sensoranordnung 1 abhängt,
ist der Einfallwinkel der Streustrahlung 4 variabel.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform. Sie
teilt sich auf in Bild-Sensorelemente 5 und
Streustrahlungs-Sensorelemente 6, welche hier alternierend
nebeneinander angeordnet sind. Gebildet werden die Bild- bzw. Streustrahlungs-Sensorelemente 5, 6 durch
Teilung der Rückelektrodenstruktur 34 in Rückelektrodenelemente 12 der
Bild-Sensorelemente 5 und Rückelektrodenelemente 13 der
Streustrahlungs-Sensorelemente 6. Zwischen der röntgenstrahlungsdurchlässigen Frontelektrode 32 der
Sensoranordnung und der Rückelektrodenstruktur 34 ist eine
Konverterschicht 35 aus einem Halbleitermaterial angeordnet,
welches die eintreffende Bild- und Streustrahlung 3 und 4 direkt
in elektrische Signale 11 umwandelt, die über die
Rückelektroden 12 und 13 abgeführt werden.
Durch Anlegen einer Spannung zwischen der Frontelektrode 32 und
den Rückelektroden 12, 13 bilden
sich elektrische Felder aus (siehe Feldlinien F1 und
F2), die dafür sorgen, dass Ladungsträger, die
in bestimmten Segmenten oberhalb eines Rückelektrodenelements 12, 13 entstehen,
zum betreffenden Rückelektrodenelement 12, 13 gelangen
und dort gezählt
werden. Die Konverterschicht 35 erstreckt sich also durchgehend über alle Sensorelemente 5, 6 und
die Sensorelemente 5, 6 werden nur durch die Rückelektrodenelemente 12, 13 der
Rückelektrodenstruktur 34 definiert.
Auf der Oberfläche
der Streustrahlungs-Sensorelemente 6 sind Lamellen 7 eines
Streustrahlungsrasters angeordnet. Sie fangen die in einem bestimmten
Abweichungs-Winkelbereich einfallende Streustrahlung 4 ab
und dienen zugleich der Abschirmung der Streustrahlungs-Sensorelemente 6.
Direktstrahlung 3 trifft hier senkrecht auf und ist damit
klar unterscheidbar von der Streustrahlung 4, die in unterschiedlichen Winkeln
auftrifft. Näherungsweise
ist daher davon auszugehen, dass Direktstrahlung 3 nur
im Bereich der Bild-Sensorelemente 5 gemessen wird. Dagegen kann
einfallende Streustrahlung 4 zwar auch ein Signal im Bereich
der Bild-Sensorelemente 5 bewirken, jedoch wird häufig auch
simultan ein Signal im Bereich der Streustrahlungs-Sensorelemente 6 erzeugt.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
Die Bild- bzw. Streustrahlungs-Sensorelemente 5 und 6 bestehen
hier jeweils aus einer Konverterschicht aus Szintillator-Material,
durch welches die eintreffende Direkt- und Streustrahlung 3 und 4 in Licht-Photonen umgewandelt
und danach durch Fotodioden 24 und 25 in elektrische
Signale weiterverarbeitet werden. Im Unterschied zu 2 sind
hier die Bild- bzw. Streustrahlungs-Sensorelemente 5 und 6 durch
Trennwände
aus lichtreflektierendem Material 16, welche in die Konverterschicht
eingebracht sind, wie separate Kammern voneinander getrennt. Für die radiologische
Strahlung, zum Beispiel für Röntgenphotonen
oder Gamma-Quanten, sind die Trennwände jedoch weitgehend durchlässig, so
dass schräg
auftreffende radiologische Strahlung von den Streustrahlungs-Sensorelementen
detektiert werden kann. Der Unterschied dieser Ausführungsform
der Erfindung besteht daher im Wesentlichen in der Konversionsmethode
der Strahlung in elektrische Signale, welche hier im Gegensatz zur
Ausführungsform
in 2 nicht direkt, sondern indirekt erfolgt.
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4 zeigt
eine Sensoranordnung gemäß der ersten
Ausführungsform
in perspektivischer Darstellung. Im Vergleich zu 2 ist
erkennbar, dass die Lamellen 7 des Streustrahlungsrasters
von der Oberfläche
der Sensoranordnung 1 näherungsweise senkrecht,
d. h. in Richtung der eintreffenden Direktstrahlung 3 abstehen.
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Dagegen
ist in 5 als Streustrahlungsraster ein Gitter 8 als
solche Lamellen auf der Sensoranordnung 1 angebracht. Hierdurch
kann Streustrahlung sowohl in X- als auch in Z-Richtung vorgefiltert werden.
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In 6 ist
eine Sensoranordnung 1 in Draufsicht mit einer ersten Anordnungsgeometrie von
Bild- und Streustrahlungs-Sensorelementen 5 und 6 dargestellt.
Bild-Sensorelemente 5 und Streustrahlungs-Sensorelemente 6 sind
einander hier jeweils zugeordnet und wechseln einander alternierend
in der Reihenfolge von unten nach oben ab. Es ist weiterhin zu erkennen,
dass die Streustrahlungs-Sensorelemente 6 jeweils deutlich
kleiner sind als die Bild-Sensorelemente 5 und dass alle
Bild- bzw. alle Streustrahlungssensorelemente 5 bzw. 6 immer
die gleiche Größe haben.
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Dies
gilt auch für
die in 7 dargestellte zweite Anordnungsgeometrie von
Bild- und Streustrahlungs-Sensorelementen 5 und 6.
Hier grenzen die Streustrahlungs-Sensorelemente 6 jedoch
an zwei aneinandergrenzende Kanten der Bild-Sensorelemente 5 an und sind
somit nicht rechteckig, sondern „über Eck" angeordnet. Eine solche Geometrie bietet
sich im Speziellen in Kombination mit einem Gitter als Streustrahlungs-Raster
an. Alle Bild-Sensorelemente 5 sind hier jeweils durch
Streustrahlungs-Sensorelemente 6 vollständig voneinander separiert.
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8 zeigt
schematisch eine Schaltung einer an einem Sensorpaar, bestehend
aus einem Bild- und einem Streustrahlungssensorelement 5, 6 angeschlossenen
Mess- und Auswertungsvorrichtung gemäß einer ersten Variante. Hierbei
detektieren das Bild-Sensorelement 5 und das Streustrahlungs-Sensorelement 6 Direktstrahlung 3 bzw.
Streustrahlung 4. Die dabei generierten elektrischen Ladungsträger werden
jeweils in einer Schaltungsanordnung aus einem Integrator 19a, 19b mit
einem parallel geschalteten Kondensator 17a, 17b gesammelt,
bis durch Betätigen
eines Umschalters 20, welcher z. B. in Form eines Multiplexers
realisiert sein kann, eine Weiterleitung der jeweiligen kumulierten
Ladungsträger über einen
Analog-Digital-Wandler 21 an
eine Auswertungsvorrichtung 22 erfolgt. Zur Rücksetzung der
Integratoren 19a, 19b bzw. der Kondensatoren 17a, 17b ist
je ein Rückstellelement 18a, 18b vorgesehen,
das je einen Transistor 30a, 30b schaltet, der den
Kondensator 17a bzw. 17b kurzschließt.
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Im
digitalen Schaltungsbereich kann dann eine gewichtete Differenz
gebildet werden, um für das
Sensorpaar 5, 6 ein bereinigtes Messsignal zu erhalten.
Durch diese Schaltung wird analoge Information in Form von Ladungsträgern kumuliert
und getaktet über
den Wechselschalter weitergegeben, digital gewandelt und verarbeitet.
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In
der schematischen Schaltungsdarstellung in 9 hingegen
erfolgt die Integration der Signale bzw. Ladungsträger des
Bild-Sensorelements 5 und des zugehörigen Streustrahlungs-Sensorelements 6 mit
einer gemeinsamen Schaltungsanordnung mit einem Integrator 19c und
einem parallel geschalteten Kondensator 17c. Dabei werden
die Signale des Streustrahlungs-Sensorelements 6 in einem
invertierenden Verstärker 31 mit
einem einstellbaren Verstärkungsfaktor
verstärkt.
Im Integrator 19c werden somit die Ladungsträger aus
dem Bild-Sensorelement 5 als
Ladungseinheiten gesammelt und die Ladungsträger aus dem Streustrahlungs-Sensorelement 6 aufgrund
der invertierten Verstärkung
automatisch abgezogen. Durch den Verstärkungsfaktor kann die Differenzbildung
nach Wunsch gewichtet werden. Die Weiterverarbeitung erfolgt wiederum über einen
Analog-Digital-Wandler 21 und eine Auswertungsvorrichtung 22.
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In
beiden bisher gezeigten Schaltungen erfolgte die Integration analog,
d. h. es werden Ladungseinheiten analog gesammelt und die so erzeugten
analogen Messwerte in digitale Signale gewandelt.
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Vorrichtungen
mit so genannten zählenden Detektoren,
welche für
jedes detektierte Ereignis einen digitalen Zählpuls liefern, zeigen die 10 bis 12.
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In 10 weist
die Mess- und Auswertungsvorrichtung 23 je einen Pulsformer 26a bzw. 26b auf, die
einem Bild- bzw. einem Streustrahlungs-Sensorelement 5 bzw. 6 zugeordnet
sind. Von diesen Pulsformern 26a und 26b werden
digitale Signale an eine digitale Auswertungsvorrichtung 22 weitergeleitet. Die
Einspeisung der Informationen erfolgt separat, so dass die Informationsverarbeitung
der Pulssignale rein in der digitalen Auswertungsvorrichtung 22 geschieht.
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Dagegen
ist in 11 eine Mess- und Auswertungsvorrichtung
dargestellt, bei der in den Pulsformern 26a und 26b' die digitalen
Signale so generiert und dann an eine digitale Pulszähleinrichtung 27 (einen
Auf/Ab-Zähler)
weitergegeben werden, dass Ereignisse, die von dem Bild-Sensorelement 5 detektiert
werden, beispielsweise als positive Einheit gezählt werden, während Ereignisse,
die aus dem Streustrahlungs-Sensorelement 5 detektiert
werden, als negative Einheit gezählt
werden. Das Zählergebnis
wird dann nach einem vorgebbaren Zählzeitraum als digitaler Zählerstand
(welcher einer integrierten streustrahlungsbereinigten detektierten
Dosis in dem entsprechenden Zählzeitraum
entspricht) an die Auswertungsvorrichtung 22 weitergeleitet.
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In 12 schließlich wird
eine ähnliche
Zählung
mittels eines logischen AND-Gatters 29 erreicht. Das von
einem am Streustrahlungs-Sensorelement 6 angeschlossenen
Pulsformer 26b kommende Signal wird dabei zunächst in
einem Invertierer 28 invertiert und dem Eingang eines AND-Gatters 29 zugeführt. Dem
anderen Eingang des AND-Gatters 29 wird das Ausgangssig nal
des Pulsformers 26a des Bild-Sensorelements 5 zugeführt. Das
Ausgangssignal, das heißt
die digitalen Pulse, des AND-Gatters 29 werden einem
Zähler 33 zugeführt, der
dann zum Beispiel die Zählimpulse über einen
bestimmten Zeitraum addieren kann und als Messwert für das Sensorpaar (Bild-Sensorelement 5 und
Streustrahlungs-Sensorelement 6) einen digitalen Zählstand
(welcher wieder der integrierten detektierten streustrahlungsbereinigten
Dosis entspricht) an eine Auswertungsvorrichtung 22 weiterleitet.
Somit werden nur Pulse aus dem Bild-Sensorelement 5 weitergeleitet,
bei denen nicht zugleich eine Information aus dem Streustrahlungs-Sensorelement 6 auftritt.
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Es
ist klar, dass insbesondere in den 8 bis 12 der
Aufbau der Schaltungen jeweils nur sehr grob schematisch dargestellt
ist und zur Realisierung eine Vielzahl weiterer Komponenten wie
zum Beispiel Verstärker
u. v. m. erforderlich sind. Weiterhin sind verschiedenste Kombinationen
der vorbeschriebenen Varianten möglich.
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Wie
ausgeführt,
kann die vorliegende Erfindung in einem breiten Anwendungsbereich
Verwendung finden. Dies reicht von der Untersuchung von Gegenständen bis
zur medizinischen Diagnostik von Lebewesen. Sie kann bei herkömmlichen
Röntgenapparaturen
mit flach (plan) ausgebildeten ebenen Sensoranordnungen verwendet
werden, bei stationären
und Multiplex-CTs, bei denen die Sensoranordnungen in einer gekrümmten Oberfläche angeordnet Signale
aus einer oder mehreren Röntgenquellen auswerten,
ebenso wie bei Gammadetektoren oder PET/SPECT-Apparaturen.
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Es
wird abschließend
noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem vorhergehend
detailliert beschriebenen Verfahren sowie bei dem dargestellten
Computertomographiesystem lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche
vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne
den Bereich der Erfindung zu verlassen.