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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Röntgenstrahlung eines Röntgenstrahlers, bei dem bei Eintreffen eines Quants der Röntgenstrahlung auf einem Sensor ein elektrischer Puls mit einer für die Energie des Quants charakteristischen Pulshöhe erzeugt wird, wobei eine Anzahl von Schwellenenergien vorgegeben 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 dem 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 konventionellen 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 immer 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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In Schmidt H. U. „Meßelektronik in der Kernphysik”, Stuttgart 1986 (Kapitel 10.1.1.) ist die Funktion eines Analog-Digital-Konverters für die nukleare Datenverarbeitung beschrieben. Hier werden Impulse, die beispielsweise energie-proportional sind, durch Vergleich ihrer jeweiligen Impulshöhe mit mehreren hinterlegten Schwellwerten in unterschiedlichen Zählkanälen gezählt. Dazu werden unter anderem Parallel-ADCs eingesetzt.
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Aus
DE 37 10 745 C2 ist ferner offenbart, dass bei einer Gammastrahlungsdetektion mittels einer Szintillationskamera eine quasi zeitgleiche Detektion mehrerer Gammaquanten (Pile-up) infolge der hierdurch verursachten Störung des Messsignals (Pile-Up-Wellenform) typischerweise Detektionsfehler verursacht. Solche Messsignale werden gemäß
DE 37 10 745 C2 unterdrückt.
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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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Bei Nichtunterschreiten der jeweiligen vorgegebenen Schwellenenergie innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer wird 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 Detektor 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 dem 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.
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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.
