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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Röntgenstrahlung
eines Röntgenstrahlers,
bei dem bei Eintreffen eines Quants der Röntgenstrahlung auf einen Sensor
ein elektrischer Puls mit einer für die Energie des Quants charakteristischen
Pulshöhe
erzeugt wird, wobei eine Anzahl von Schwellenenergien vorgegebenen
ist und bei Überschreiten
der der jeweiligen Energie entsprechenden Pulshöhe jeweils ein Signal ausgegeben
wird. Sie betrifft weiter ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes
Röntgensystem.
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Röntgensysteme
dienen üblicherweise
zum Durchstrahlen eines Körpers
mit Röntgenstrahlung unter
Verwendung eines Röntgenstrahlers
sowie zur Darstellung der Durchdringung des Körpers, etwa mittels eines fluoreszierenden
Schirms oder eines Bildverstärkers.
Die Bilder werden entweder auf geeignetem Filmmaterial, Phosphorplatten
oder mittels elektronischer Sensoren, z. B. CCDs, sichtbar gemacht.
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Röntgenstrahler
enthalten üblicherweise eine
Röntgenröhre. Diese
besteht in ihrer einfachsten Form aus einer Kathode und einer Anode,
die in einem Vakuum innerhalb eines abgedichteten Glas- oder Metallkörpers sitzen.
Von der Kathode werden Elektronen emittiert, durch eine Hochspannung
zur Anode beschleunigt und dringen in das Anodenmaterial ein. Dabei
werden sie abgebremst und erzeugen im Wesentlichen charakteristische
Röntgenstrahlung und
Röntgenbremsstrahlung.
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Charakteristische
Röntgenstrahlung
entsteht dadurch, dass die in der Röntgenröhre beschleunigten energiereichen
Elektronen in der Anode Elektronen aus den innersten Schalen der
Atome des Anodenmaterials herausschlagen. In diese entstehenden Lücken „springen” entweder
Elektronen aus höheren Energieniveaus
oder freie Elektronen. Die dabei frei werdende Energie wird in Form
von materialtypischen diskreten Energiequanten abgegeben.
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Röntgenbremsstrahlung
hingegen entsteht durch die Abbremsung der Elektronen beim Durchlaufen
des Metalls der Anode, da jede beschleunigte elektrische Ladung
elektromagnetische Strahlung erzeugt. Die Wellenlänge der
Strahlung hängt
dabei vom Wert der Beschleunigung ab, so dass bei höherer Beschleunigungsspannung
bzw. Anodenspannung weitere Röntgenstrahlung
mit energiereicheren Quanten entsteht. Die maximale Energie des
Bremsstrahlungsspektrums ist dementsprechend diejenige Energie,
bei der die gesamte kinetische Energie des Elektrons an ein einzelnes
Quant abgegeben wird. Diese Grenzenergie ist nur von der Anodenspannung abhängig und
nicht vom Anodenmaterial.
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Bei
der Röntgenuntersuchung
in der Medizin werden für
unterschiedliche Bereiche des Körpers unterschiedliche
Strahlenenergien benötigt,
um unterschiedlich dichte Gewebe, wie z. B. Fettgewebe oder Knochen
zu durchdringen. Ausschlaggebend ist, wie oben erläutert, dabei
die Spannung, die der Röntgenröhre zugeführt wird.
Je nach gewünschter Bildaussage
wird die Röhrenspannung
beispielsweise zwischen 38 kV und 120 kV gewählt. Bei niedrigen Energien
wird viel Strahlung vom Gewebe absorbiert, dadurch werden auch feinste
Gewebeunterschiede auf dem Röntgenfilm
sichtbar gemacht. Hochenergetische Strahlung hingegen durchdringt
Gewebe und Materialien wesentlich leichter, Kontrastunterschiede werden
stark abgemildert.
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Bei
einem herkömmlichen
Röntgenverfahren wird
das abzubildende Objekt von einer Röntgenquelle durchleuchtet und
auf einem Röntgenfilm
abgebildet. Es entsteht eine Projektion des Volumens auf eine Fläche. Bei
dieser Projektion gehen Informationen, welche die dritte Dimension
des durchleuchteten Körpers
betreffen, weit gehend verloren. Grund hierfür ist, dass im Nachhinein nicht
mehr unterschieden werden kann, ob die im Röntgenbild sichtbare Schwächung durch
ein Material höherer Dichte
oder durch eine größere Schichtdicke
hervorgerufen wurde.
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Dieses
Problem wird durch die Computertomographie (CT) gelöst, bei
der viele Röntgenbilder des
Objekts aus den unterschiedlichen Richtungen erstellt werden und
nachträglich
aus diesen vielen Abbildungen die Volumeninformationen rekonstruiert werden.
In der Regel setzen sich diese 3D-Rekonstruktionen aus Einzelschnitten,
die quer durch das Objekt verlaufen, zusammen. Auf diese Weise kann für jedes
Volumenelement des Objektes eine Dichte ermittelt werden.
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Da
bei der Computertomographie innerhalb kurzer Zeit eine Vielzahl
von Röntgenaufnahmen durchgeführt werden
muss, sind CT-Detektoren erforderlich, welche das Röntgenbild
direkt in digitaler Form an eine Datenverarbeitungseinheit liefern
können.
Dazu kommen üblicherweise
elektronische Detektoren zur Anwendung wie beispielsweise Festkörperdetektoren.
Zur räumlichen
Auflösung
des Röntgenbildes
umfassen diese Detektoren üblicherweise pixelartig
angeordnete einzelne Röntgensensoren.
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Die
einzelnen Sensoren des Detektors können in unterschiedlicher Art
ausgeführt
werden, funktionieren jedoch üblicherweise
auf Grundlage des inneren fotoelektrischen Effektes. Dabei wird
bei Einfallen eines Röntgenquants
auf den Sensor ein elektrischer Puls erzeugt, welcher in seiner
Pulshöhe
für die
Energie des Quants charakteristisch ist. Durch die pixelartige Anordnung
der Sensoren wird damit eine Orts- und Energieauflösung prinzipiell
jedes einzelnen einfallenden Röntgenquants
möglich.
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Die
Pulse der Sensoren können
zur Zählung der
einfallenden Röntgenquanten
in der angeschlossenen Datenverarbeitungseinrichtung durch eine Triggerschaltung
gezählt
werden. Dabei wird eine Energieschwelle vorgegeben und bei Überschreitung der
dieser Energie entsprechenden Pulshöhe des Sensors wird ein Zählsignal
ausgegeben (Einzelpulstriggerung). Zur konven tionellen Bildgebung
wird diese Schwelle so gewählt,
dass sie z. B. im Bereich 15 keV bis 35 keV liegt. Für die Dual-Energy
Bildgebung, wird eine weitere Schwelle z. B. im Bereich 50 keV bis
80 keV vorgesehen.
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Wegen
der bei der Computertomographie auftretenden hohen Raten von auf
den Detektor einfallenden Röntgenquanten
stellt das prinzipiell attraktive Konzept eines einzelne Quanten
zählenden
Detektors eine schwer realisierbare Herausforderung dar. Einer der
kritischen Punkte ist die endliche Pulsdauer, die in typischen Sensoren
(beispielsweise CdTe oder CdZnTe) beispielsweise ca. 10 ns (Halbwertsbreite)
beträgt.
In Verbindung mit einer notwendigen elektronischen Pulsformung resultiert
dies in effektiven Pulsen einer Größenordnung von z. B. ca. 30
ns, die individuell registriert werden sollen.
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Bei
zeitlich äquidistant
eintreffenden Pulsen würde
dies alleine die maximal messbare Rate auf ca. 33 MHz pro Pixel
beschränken,
was bei realistischen Pixelgrößen mit
beispielsweise ca. 200 μm Kantenlänge einem
maximalen Röntgenquantenfluss von
ca. 825 MHz/mm2 entspricht. Da das zeitliche Eintreffen
der Pulse jedoch tatsächlich
einer Poissonstatistik unterliegt, beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass
bei (im Mittel) 33 Millionen Quanten pro Pixel und Sekunde sich
Pulse mit einem oder mehreren weiteren Pulsen zumindest teilweise überlagern,
bereits 26%. Bei den für
die Computertomographie heute maximal auftretenden Flüssen von
ca. 2 GHz/mm2 steigt diese Wahrscheinlichkeit
sogar auf über
60%. Dies impliziert, dass trotz der Benutzung von beispielsweise
Formfiltern im Strahlengang Detektorkanäle, die keine oder nur geringe
Schwächung
sehen, beispielsweise am Rand der zu untersuchenden Objekte, keine
Einzelpulse mehr auflösen
können,
da sich die Pulse der eintreffenden Quanten evtl. sogar mehrfach überlagern.
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Bei
einer derartigen mehrfachen Überlagerung
sinkt die Pulshöhe
dann nicht mehr nach jedem Puls unter die Höhe der vorgegebenen Schwellenenergien
der Trigger. Diese lösen
dann im mer weniger Signale aus, so dass die Signalrate nicht mehr
eineindeutig dem tatsächlichen
Quantenfluss zuzuordnen ist; man spricht von der einsetzenden Paralyse. Bei
noch höheren
Quantenflüssen
sinkt die Pulshöhe immer
seltener unter die Höhe
der vorgegebenen Schwellenenergien der Trigger, da sich die Pulshöhe durch überlagernde
Pulse ständig
erhöht.
Der Trigger löst
dann kein Signal mehr aus, die Signalrate geht gegen null. In Bereichen
starker Überlagerung,
d. h. z. B. am Rand der beobachteten Objekte oder in Luft kann dies
zur Folge haben, dass die Daten verworfen werden müssen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung
von Röntgenstrahlung
und ein Röntgensystem
anzugeben, welches auch in Bildbereichen hoher Röntgenquantenraten eine zuverlässige und
qualitativ hochwertige Bildgebung erlaubt.
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Bezüglich des
Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem mindestens eine der
vorgegebenen Schwellenenergien höher
als die maximale Energie des vom Röntgenstrahler abgegebenen Röntgenspektrums
liegt.
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Die
Erfindung geht dabei von der Überlegung aus,
dass eine besonders zuverlässige
und qualitativ hochwertige Bildgebung auch in Bildbereichen hoher Röntgenquantenraten
möglich
wäre, wenn
eine zuverlässige
Zählung
von Pulsen auch bei einer Überlagerung
mehrerer Pulse garantiert werden könnte. Dabei kann konsequent
die Erkenntnis ausgenutzt werden, dass sich bei der Überlagerung
von Pulsen die Pulshöhen
addieren. Bei zweifacher Überlagerung
kann dabei maximal der doppelte Wert der einfachen Pulshöhe erreicht
werden. Um eine derartig entsprechend höhere Pulshöhe zu messen, sollte daher
eine weitere höhere
Schwellenenergie für
einen Trigger vorgegeben werden. Damit dieses für zweifache Überlagerungen
vorgesehene Triggersignal auch wirklich nur überlagerte Pulse erfasst, sollte
die Schwellenenergie derart vorgegeben werden, dass sie höher als
die maximale Energie des vom Röntgenstrahler
abgegebenen Röntgenspektrums
liegt. Eine solche Energie kann dann nämlich nicht von einem einzelnen
Röntgenquant
erreicht werden, und durch die Triggerung auf die höhere Schwellenenergie
werden dann nur mindestens zweifach überlagerte Pulse erfasst. Durch
Vorgabe weiterer, noch höherer
Schwellenenergien können
entsprechend auch mehrfach überlagerte
Pulse gezählt
werden.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird bei Nichtunterschreiten
der jeweiligen vorgegebenen Schwellenenergie innerhalb einer vorgegebenen
Zeitdauer ein Signal ausgegeben. Dies bedeutet, dass eine Messung
von mehrfach überlagerten
Pulsen nicht nur durch die Addierung der Pulshöhen erfasst wird, sondern auch
durch die Verlängerung
der Zeitdauer des elektrischen Pulses. Denn auch wenn die Pulsdauer
des gemessenen Pulses länger
als die übliche
Pulsdauer eines Einzelpulses ist, ist dies ein Zeichen für eine Überlagerung
mehrerer Einzelpulse. Durch eine Kombination dieser Zeitdauermessung
mit der Pulshöhenmessung
wird eine noch genauere und zuverlässigere Messung von überlagerten
Pulsen ermöglicht.
Bei Vorgabe nur einer zusätzlichen
Schwellenenergie oberhalb beispielsweise der doppelten typischen
Energie eines Röntgenquants
können
dann bereits dreifach überlagerte
Pulse gezählt
werden, nämlich
durch den Trigger der ersten Schwellenenergie, durch den der zweiten
Schwellenenergie und durch den Trigger der Zeitdauer.
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Vorteilhafterweise
ist das ausgegebene Signal ein Zählsignal.
In Kombination mit den höheren Schwellenenergien
für die
signalauslösenden
Trigger erlaubt dies eine direkte Zählung der auf dem Röntgendetektor
einfallenden Quanten im Gegensatz zur bisher üblichen Energiemessung des
Röntgenflusses.
Dies ermöglicht
auch eine beliebige Gewichtung des gemessenen Quantenflusses mit
einer anderen Funktion als der Energie zur Verbesserung des Bildkontrastes.
Damit ist eine noch einfachere und zuverlässigere Bildgebung möglich.
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Bezüglich des
Röntgensystems
wird die Aufgabe gelöst,
indem das Röntgensystem
einen Röntgenstrahler
umfasst, einen Detek tor mit einer Mehrzahl von Sensoren, bei dem
der jeweilige Sensor derart ausgelegt ist, dass er bei Einfallen
eines Quants der Röntgenstrahlung
einen elektrischen Puls mit einer für die Energie des Quants charakteristischen Pulshöhe erzeugt
und eine mit dem jeweiligen Sensor verbundene Datenverarbeitungseinheit,
welche die Pulse des jeweiligen Sensors oder einer Mehrzahl von
Sensoren mittels einer Triggerschaltung mit einer Anzahl vorgegebener
Schwellenenergien auswertet, welche bei Überschreiten der der jeweiligen Energie
entsprechenden Pulshöhe
jeweils ein Signal ausgibt, wobei mindestens eine der vorgegebenen Schwellenenergien
höher als
die maximale Energie des vom Röntgenstrahler
abgegebenen Röntgenspektrums
liegt.
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Vorteilhafterweise
kommt ein derartiges Röntgensystem
in einem Computertomographiesystem oder anderen Geräten, die
bei sehr hohen Flüssen
von Röntgenstrahlen
betrieben werden, zum Einsatz.
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Die
mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch die Vorgabe von Schwellenenergien, die höher als
die maximale Energie des vom Röntgenstrahler
abgegebenen Röntgenspektrums
liegen, eine Erfassung von mehrfach überlagerten elektrischen Pulsen
der Sensoren des Röntgendetektors
möglich
wird und diese gerade bei hohen Raten und mehrfacher Überlagerung
von Pulsen noch zur Bildgebung benutzt werden können. Durch eine derartige
Pile-Up-Ratenmessung
der einfallenden Röntgenquanten
ist diese auch in Regimen mit extrem hohen Quantenraten quasilinear
zur auf den Detektor eingestrahlten Röntgenenergie. Zwar ist mit
einer Erhöhung
des statistischen Fehlers gegenüber
der Einzelpulsmessung zu rechnen, ebenso geht die Energieauflösung der
einzelnen Quanten verloren, jedoch stellt diese zusätzliche
Information eine wesentliche Verbesserung im Fall mehrfach überlagernder
Röntgenquanten
dar, wo die reine Triggerung auf Einzelpulse versagt. Insgesamt
ist also eine wesentlich bessere Bildrekonstruktion bei der Computertomographie
möglich bzw.
wird in Regimen mit hohen Quantenraten wie z. B. am Rand der beobachteten
Objekte oder in Luft überhaupt
erst möglich.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 beispielhaft
ein schematisches Diagramm der Pulshöhe aufgetragen gegen die Zeit,
in dem Signale eines Detektors eines Röntgensystems im Bereich niedriger
Quantenraten gezeigt sind,
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2 ein
Diagramm wie in 1 mit mehreren sich überlagernden
Pulsen,
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3 ein
Diagramm der Zählrate
von Triggern mit verschiedenen Schwellenenergien aufgetragen gegen
die tatsächliche
Anzahl von Quanten in einer doppellogarithmischen Skala, und
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4 ein
Diagramm wie in 3 in linearer Skala.
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Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine schematische grafische Darstellung der Ausgangsdaten eines
Sensors des Detektors eines Röntgensystems.
Aufgetragen sind dabei die Pulshöhe 2 der
elektrischen Pulse, die vom Sensor bei Eintreffen eines Quants der
Röntgenstrahlen
ausgegeben werden, gegen die Zeit 4. Die Ausgangsdaten
nach der 1 zeigen die Situation des Sensors
in einem Bereich, in dem sich die elektrischen Pulse 6 nicht überlagern,
sondern die Rate der eintreffenden Röntgenquanten auf den Sensor derart
gering ist, dass die elektrischen Pulse 6 zeitlich voneinander
getrennt sind. Es findet also keine Überlagerung von elektrischen
Pulsen 6 statt.
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Zur
Zählung
der elektrischen Pulse 6 ist ein Trigger vorgesehen, der
beim Überschreiten
der Pulshöhe 2 einer
vorgegebenen Schwellenenergie 8 ein Signal 10 erzeugt.
Dieses Signal 10 dient in einer dem Röntgensystem zugeordneten Datenverarbeitungseinheit
als Zählsignal,
wodurch eine Zählung der
auf den Detektor bzw. dessen einzelne Sensoren fallenden Quanten
erfolgt und somit eine Bildgebung möglich wird. Dabei bietet die
Bildgebung durch Zählung
einzelner Quanten bereits eine wesentlich höhere Qualität als bei bloßer Betrachtung
des Energieeinfalls auf einen Sensor.
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Problematisch
wird die Zählung
einzelner Quanten im Fall der Überlagerung
mehrerer elektrischer Pulse 6 durch schnell hintereinander
auf den Detektor auftreffende Quanten. 2 zeigt
dabei im linken Bereich einen ersten elektrischen Puls 6a,
einen zweiten elektrischen Puls 6b und einen dritten elektrischen
Puls 6c (gestrichelt dargestellt), die in schneller Folge
hintereinander auftreten und sich gegenseitig überlagern. Dabei erhöhen sich
die Pulshöhen 2 der
drei elektrischen Pulse 6a, 6b, 6c kumulativ und
es ergibt sich im Ergebnis ein Puls dreifacher Höhe.
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Trotz
der Überlagerung
wird die Schwellenenergie 8 nur ein einziges Mal überschritten,
so dass nur ein einziges Signal 10 ausgelöst wird.
Somit ergibt sich trotz drei einfallender Lichtquanten und drei elektrischen
Pulsen 6a, 6b, 6c lediglich ein Signal 10. Die
Folge ist ein nicht lineares Verhalten der Signalrate zur tatsächlichen
Quantenrate, wodurch das Zählergebnis
gegenüber
der realistischen eingestrahlten Quantenmenge verfälscht wird.
Bei einer weiteren, mehrfachen Überlagerung
von Pulsen kann dies dazu führen,
dass die erfassten Daten nicht mehr für eine Bildgebung geeignet
sind.
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Um
die drei aufeinander folgenden elektrischen Pulse 6a, 6b, 6c dennoch
zählen
zu können, ist
zusätzlich
zur Schwellenenergie 8 eine weitere Schwellenenergie 12 vorgegeben,
welche höher
liegt als die maximale von der Röntgenröhre des
Röntgenstrahlers
abgegebenen Energie, und damit höher
als die maximale Höhe
eines einzelnen elektrischen Pulses 6. Dadurch löst der Trigger
für diese
Schwellenenergie 12 lediglich ein Signal 14 aus,
wenn sich mehrere elektrische Pulse 6a, 6b, 6c überlagern.
Dadurch wird eine zuverlässige
Zählung
auch mehrerer sich überlagernder
elektrischer Pulse 6a, 6b, 6c gewährleistet,
wodurch diese Daten ebenfalls zur Bildgebung verwendet werden können. Dadurch
ist eine insgesamt bessere und qualitativ hochwertigere Bildgebung
möglich.
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Weiter
kann ein weiterer Trigger verwendet werden, welcher ein Signal 16 auslöst, sobald
die Dauer des elektrischen Pulses 6a, 6b, 6c größer als eine
vorgegebene Zeitspanne 18 ist. Mehrere sich überlagernde
Impulse 6a, 6b, 6c sind nämlich auch durch
eine verlängerte
Pulsdauer gekennzeichnet. Durch eine zusätzliche Nutzung eines derartigen Zeitsignals
kann eine weiter verbesserte Zählung und
damit eine qualitativ noch hochwertigere Bildgebung gewährleistet
werden. Durch die Kombination des Signals 10 der ersten
Schwellenenergie 8, des Signals 14 der weiteren
Schwellenergie 12 und des Signals 16 der Zeitspanne 18 lassen
sich nämlich
die drei elektrischen Pulse 6a, 6b, 6c trotz
ihrer Überlagerung
zählen.
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Die 3 und 4 zeigen
exemplarisch eine grafische Darstellung des gemessenen Flusses von
Quanten auf ca. 200 × 200 μm2 Pixel in Hz/mm2 aufgetragen
gegen den tatsächlichen
Fluss von monoenergetischen, Poisson-verteilten Quanten mit einer
Energie von 120 keV in Hz/mm2.
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Die
Daten wurden mittels einer Simulation erzeugt und zeigen jeweils
in der Kurve 20 das Signal eines Triggers bei einer Schwellenenergie
von 35 keV, in der Kurve 22 das Signal eines Triggers mit
einer Schwellenergie von 70 keV, und in den Kurven 24, 26 und 28 jeweils
Signale von Triggern mit Schwellenenergien von jeweils 140 keV,
210 keV und 280 keV. Dabei liegen die drei letztgenannten Schwellenenergien
oberhalb der maximal erreichbaren Energien der Röntgenröhre und stellen damit Pile-Up-Trigger
dar, die nur Überlagerungen
von mehreren elektrischen Pulsen darstellen.
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Die
Verläufe
der Kurven 20, 22 zeigen jeweils zunächst einen
linearen Verlauf der gemessenen Rate mit der tatsächlichen
Rate, während
die Verläufe
der Kurven 24, 26 und 28 nichtlinear
bei kleinen Raten, jedoch quasilinear bei hohen Raten sind. Die
Signale dieser Pile-Up-Triggerimpulse, die deren Schwellenenergien
oberhalb der maximalen Energie der Röntgenröhre liegen, erfassen keine
Einzelpulse und liegen daher in ihrer absoluten gemessenen Rate
unterhalb der Raten der beiden Kurven 20 und 22.
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Bei
Raten, bei denen sich mehrere Pulse überlagern und die Pulshöhen ansteigen,
sind die Schwellenenergien der einzelnen Trigger immer länger überschritten
und die Trigger lösen
keine Signale mehr aus. Dadurch erreicht der gemessene Fluss ein Maximum
(einsetzende Paralyse) und fällt
danach sogar wieder ab, da die Pulshöhe quasi permanent oberhalb
der entsprechenden Schwellenenergie des Triggers liegt und fast
keine Signale mehr ausgelöst werden
(vollständige
Paralyse).
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Sowohl
in 3 als auch in 4 zeigt
sich nun, dass durch die zusätzliche
Einführung
höherer Schwellenenergie
die diesen Schwellenenergien entsprechenden Trigger erst bei größeren Flüssen, d.
h. weiter rechts in den Diagrammen der 3 und 4 in
die Paralyse laufen und keine Signale mehr erzeugen. Durch geschickte
Kombination dieser Signale mit den Signalen der Einzelpulstrigger
in den Kurven 20 und 22 kann somit ein zum tatsächlichen einfallenden
Fluss linearer gemessener Fluss erzeugt werden, insbesondere auch
in Bereichen oberhalb des Maximums der Kurven 20 und 22,
d. h. in Bereichen, wo die Trigger mit Schwellenenergien unterhalb
der maximalen Energie der Röntgenröhre keine
brauchbaren Daten mehr liefern. Dadurch kann eine wesentlich bessere
Bildgebung des Röntgensystems
gewährleistet
werden.