DE102011005539A1

DE102011005539A1 - Verfahren zur Detektion von Röntgenstrahlung und Detektorsystem mit direktkonvertierenden Detektoren

Info

Publication number: DE102011005539A1
Application number: DE102011005539A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kraft Edgar; Dr. Niederlöhner Daniel; Dr. Schröter Christian
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2012-09-06
Also published as: US9164183B2; US20120235052A1; CN102681001A; BR102012005761A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Detektorsystem zur Photonen zählenden Detektion von Röntgenstrahlung mit direktkonvertierenden Detektoren, wobei abhängig von der vorliegenden Strahlungsenergie zu dieser weitgehend proportional Strom und/oder Spannungsimpulse erzeugt werden und die erzeugten Strom- und/oder Spannungsimpulse in dem Detektor bei Überschreiten einer vorgegebenen Strom- beziehungsweise Spannungsschwelle gezählt werden, wobei als vorgegebene Strombeziehungsweise Spannungsschwelle eine Schwelle verwendet wird, welche einer Detektion eines Photons mit einer Energie entspricht, die geringer als die k-Kante des verwendeten Detektormaterials ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Photonen zählenden Detektion von Röntgenstrahlung mit direktkonvertierenden Detektoren im Bereich von CT-Systemen der Medizin oder Materialuntersuchung, wobei abhängig von der vorliegenden Strahlungsenergie zu dieser weitgehend proportional Strom und/oder Spannungsimpulse erzeugt werden und die erzeugten Strom- und/oder Spannungsimpulse in dem Detektor bei Überschreiten einer vorgegebenen Strom- beziehungsweise Spannungsschwelle gezählt werden. Außerdem betrifft die Erfindung auch ein Detektorsystem zur Photonen zählenden Detektion von Röntgenstrahlung mit direktkonvertierenden Detektorelementen gemäß dem zuvor genannten Verfahren.
Ähnliche Verfahren und Detektoren der eingangs erwähnten Art sind allgemein bekannt. Hierbei werden die Dosisleistung und auch die Energieverteilung einer detektierten Strahlung gemessen, indem in einem Detektormaterial durch die ionisierende Strahlung entstandene freie Ladungen als Strom- oder Spannungsimpulse gemessen werden. Die Höhe eines so entstandenen Ladungsimpulses ist dabei in etwa proportional zur Energie des jeweils in das Detektormaterial eindringende Röntgenquant beziehungsweise Photon. Bei der Messung solcher Ereignisse wird in der Regel darauf geachtet, dass das in der Messelektronik zwangsweise immer vorliegende Rauschen möglichst unterdrückt wird, indem eine Schwelle geschaltet wird, die überschritten werden muss, bevor ein Impuls gezählt wird. Da im Rahmen der Messungen im Bereich von CT-Systemen der Medizin oder Materialuntersuchung regelmäßig Röntgenstrahlungsspektren im Energiebereich ab 30 keV bis meist kleiner 300 keV eingesetzt werden, werden diese Schwellwerte derart gesetzt, dass sie nicht wesentlich unter dem Äquivalent von 30 keV liegen. Hierdurch wird ein ausreichender Abstand zum Rauschen sichergestellt.
Es hat sich gezeigt, dass derartige Verfahren und Detektoren eine relativ starke Drift bezüglich ihrer Strahlungsempfindlichkeit aufweisen und dadurch zu falschen Messergebnissen führen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Photonen zählenden Detektion von Röntgenstrahlung mit direktkonvertierenden Detektoren im Bereich von CT-Systemen der Medizin oder Materialuntersuchung und ein hierfür verwendetes Detektorsystem zu finden, welche weniger driftanfällig ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Für die Detektion von Gamma- und Röntgenstrahlung, insbesondere bei der CT (Computertomographie) und Dual-Energy-CT, werden direktkonvertierende Detektoren basierend auf halbleitenden Materialien, wie z. B. CdTe, CdZnTe, CdZnTeSe, CdTeSe, CdMnTe, InP, TlBr2, HgI2 genutzt. Bei diesen Detektoren werden anstelle eines integrierten Signals einzelne Röntgenquanten gezählt. Der Messwert, der zur Bildgebung beiträgt, ist also eine Zählrate. Die Zählrate wird von einer Elektronik erfasst, die immer dann ein Ereignis detektiert, wenn der durch das Röntgenquant ausgelöste Strompuls einen gewissen Schwellwert überschreitet. Die Höhe dieses Schwellwerts kann auf die detektierten Röntgenenergien kalibriert werden und wird daher typischerweise in keV angegeben.
Den genannten Materialien ist eine auftretende Polarisation insbesondere bei einer für CT-Geräte notwendigen Flussdichte der Strahlung gemein. Verursacht wird diese durch zunehmende Besetzung von Störstellen unter Fluss und damit erhöhter Rekombination. Es kommt zu einer Minderung der gesammelten Ladungsmenge pro Röntgenquant und damit zu einer kleineren Amplitude des Strompulses.
Daher unterschreiten im polarisierten Zustand nun einige Pulse den Schwellwert und lösen kein Zählereignis mehr aus. Es kommt also zu einer Reduktion des Messsignals aufgrund der Polarisation. Dieses Phänomen wird als „Detektordrift” oder kurz „Drift” bezeichnet.
Eine solche Drift der Detektoren führt im Zusammenhang mit bildgebenden Verfahren und einer dabei ausgeführten Rekonstruktion von Bilddaten aus Detektordaten zu diversen Bildartefakten und eine quantitative Messung von Absorptionswerten aus derart rekonstruierten Bilddaten ist kaum mehr möglich. Es wird daher vorgeschlagen, eine möglichst rauscharme Elektronik zu verwenden, die eine Messung bei besonders niedrigen Schwellen ermöglicht. Damit kann die Messschwelle sehr niedrig, andererseits noch mit ausreichendem Abstand zum Rauschlevel, gesetzt werden. Der Grund, warum diese Lösung das Driftproblem entschärft, liegt darin, dass sich eine materialimmanente Drift bei niedrigen Schwellen deutlich weniger stark äußert als bei hohen Schwellen. Hinreichend niedrige Driftwerte werden bei einer Schwellenenergie von 20 keV, besser 10 keV, besser 5 keV erreicht.
Die untere Schranke für die einstellbare Schwelle stellt das Rauschniveau des Verstärkers dar. Dieses Rauschniveau folgt näherungsweise einer Gauss-Verteilung, deren Breite durch das elektronische Rauschen und deren absolute Höhe durch die Bandbreite bzw. Maximalrate der analogen Verarbeitungskette bestimmt wird. Die Schwelle muss daher mindestens so hoch eingestellt werden, dass die rauschgenerierten Zählereignisse (= Dunkelzählrate) die Bildgebung nicht negativ beeinflussen. Dies ist dann der Fall, wenn die Dunkelzählrate deutlich kleiner ist, als der minimal zu detektierende Fluss. In der Computertomographie liegt der Maximalfluss bei etwa 1 × 10⁹ Quanten/(mm²·s). Der dynamische Bereich beträgt sechs Größenordnungen. Daher ist eine Dunkelzählrate von maximal etwa 1 × 10³ Quanten/(mm²·s) akzeptabel.
Das Rauschniveau der Verstärker sollte also derart beschaffen sein, dass diese Dunkelzählrate bei der zur Driftminimierung eingestellten Schwellenenergie nicht überschritten wird. Diese Anforderung läuft teilweise konträr zu dem Wunsch, mit der Signalverarbeitungselektronik zeitlich sehr dichte Pulsfolgen verarbeiten zu können. Für einen gegebenen Anwendungsfall sollte daher neben einer sorgfältigen Rauschoptimierung eine individuelle Abwägung zwischen der erzielbaren Geschwindigkeit und der minimalen Schwelleneinstellung getroffen werden.
Zur Minimierung des Rauschens der Signalverarbeitungskette sind grundsätzlich alle geläufigen Methoden verwendbar. Besonders günstige Schlüsselmethoden sind beispielsweise:

– Minierung der durch die Detektorelektroden und deren Anbindung verursachten Eingangskapazität des Vorverstärkers;
– Anpassung der Feedback-Kapazität des Vorverstärkers an die Detektoreingangskapazität;
– sorgfältige Optimierung des Vorverstärkes als dominante Rauschquelle;
– Optimierung der Übertragungsfunktion der Signalkette auf das Signal- und Rauschleistungsspektrum;
– Maximierung der Zeitkonstante des Pulsformers (= Maximierung der Shapingzeit) auf Kosten der Maximalzählrate;
– Reduktion des Digital-zu-Analog-Übersprechens (= Crosstalk), durch maximal räumliche und elektronische Separierung von Digital- und Analogteil und
– Minimierung des Sensorleckstromes.

Weiterhin ist es günstig zur Driftminimierung besonders geeignete Kalibrierungsverfahren zu verwenden. Während das elektronische Rauschen die niedrigste einstellbare Schwelle eines Pixels festlegt, sollte bei einer Vielzahl von Pixel erzeugenden Detektorelementen auf dem Detektor ferner die Variation des Rauschen zwischen den einzelnen Pixeln (= Dispersion) sowie die Einstellgenauigkeit der Schwellen (DAC-Auflösung, -Schrittweite und -Einstellbereich) berücksichtigt werden. Ein driftminimierter Detektor sollte daher auch eine Vorrichtung zur Einstellung der Schwellen aufweisen, die an die Dispersion der Pixel und an die benötigte Energieauflösung angepasst ist.
Erfindungsgemäß werden bei der Schwellenkalibrierung zwei besonders vorteilhafte Ausführungsvarianten mit unterschiedlicher Präferenz vorgeschlagen:

a) Ist die Energieauflösung des Detektors von höchstem Interesse, so ist es vorteilhaft, die einzelnen Pixel des Detektors genauer gesagt die, die Pixel erzeugenden Detektorelemente auf eine möglichst identische Schwelle zu setzen. In diesem Fall wird die minimale Schwelle nicht nur durch das elektronische Rauschen, sondern auch durch dessen Dispersion zwischen den Pixeln bestimmt. Ein driftoptimierter Detektor dieser Art zeichnet sich folglich zusätzlich durch ein nach den gängigen Verfahren dispersionsoptimiertes Design aus. Das bedeutet, dass die Abweichung des Rauschniveaus von Pixel zu Pixel minimal sein sollte und damit auch die Schwelle über den ganzen Detektor identisch eingestellt werden kann.
b) Besteht die Hauptanforderung in einer möglichst geringen Drift, so kann auf Kosten der Energieauflösung die minimale Schwelle pixelindividuell derart eingestellt werden, dass gerade die geforderte Maximaldunkelzählrate unterschritten wird. Die Dispersion der signalverarbeitenden Elektronik übersetzt sich in diesem Fall in eine Energiedispersion der Schwellen. Als Kalibrierungsmechanismus ist hier beispielsweise ein automatisches Verfahren möglich, das bei jeder Schwelleneinstellung die Dunkelzählrate misst und die Energieschwelle dann in jedem Pixel auf den kleinsten Wert setzt, der das Dunkelzählratenkriterium erfüllt.

Unabhängig von der Wahl der Art der Schwelleneinstellung kann es natürlich vorteilhaft sein, in den Pixeln weitere, höhere Energieschwellen vorzusehen. Ferner kann es vorteilhaft sein, deren Signal mit dem Signal der driftarmen Schwelle zu verknüpfen oder zu korrigieren.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine Reduktion beziehungsweise Eliminierung der Detektordrift erreicht, es ergibt sich eine hohe Quanteneffizienz durch die Erfassung sämtlicher durch Röntgenquanten erzeugter Signalpulse und es wird eine gute Energieauflösung durch eine rauscharme Elektronik erreicht, was einen besonders hohen Kontrast bei Dual-Energy-CT-Untersuchungen ergibt.
Entsprechen dem oben dargestellten Grundgedanken schlagen die Erfinder ein Verfahren zur Photonen zählenden Detektion von Röntgenstrahlung mit direktkonvertierenden Detektoren vor, wobei:

– abhängig von der vorliegenden Strahlungsenergie zu dieser weitgehend proportional Strom und/oder Spannungsimpulse erzeugt werden und
– die erzeugten Strom- und/oder Spannungsimpulse in dem Detektor bei Überschreiten einer vorgegebenen Strom- beziehungsweise Spannungsschwelle gezählt werden, und
– als vorgegebene Strom- beziehungsweise Spannungsschwelle eine Schwelle verwendet wird, welche einer Detektion eines Photons mit einer Energie entspricht, die geringer als die k-Kante des verwendeten Detektormaterials ist.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die verwendete Schwelle gleichzeitig größer als der vorliegende Rauschpegel im Messsystem ist.
Bezüglich konkreter Werte wird vorgeschlagen, die Schwelle derart zu setzen, dass sie einem einfallenden Photon von kleiner 23 keV, vorzugsweise kleiner 20 keV, vorzugsweise kleiner 10 keV, vorzugsweise zwischen 10 keV und 5 keV, entspricht.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass zur Messung ein kontinuierlich arbeitender oder ein getaktet arbeitender Pulshöhendiskriminator verwendet wird. Besonders günstig ist es allerdings, wenn zur Messung von Strahlung eine Kombination aus mindestens zwei logisch verknüpft arbeitenden Pulshöhendiskriminatoren verwendet wird, wobei mindestens ein kontinuierlich arbeitender Pulshöhendiskriminator und mindestens ein getaktet arbeitender Pulshöhendiskriminator verwendet werden.
Weiterhin können Maßnahmen zur Minimierung des Rauschens der Auswerteelektronik im Detektor ausgeführt werden.
Bezüglich der Optimierung der Energieauflösung des aus einer Vielzahl von Detektorelementen bestehenden Detektors ist es günstig für alle Detektorelemente die gleiche Schwelle zu verwenden, wobei es zur maximalen Reduktion einer Drift des Ansprechverhaltens des aus einer Vielzahl von Detektorelementen bestehenden Detektors es besonders günstig ist, für jedes Detektorelement eine individuelle Schwelle zu verwenden.
Im Rahmen der Erfindung wird auch ein Detektorsystem zur Photonen zählenden Detektion von Röntgenstrahlung mit direktkonvertierenden Detektorelementen vorgeschlagen, wobei die Detektorelemente und deren Auswerteelektronik derart gestaltet sein sollten, dass das oben beschrieben erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: CT-System; 2: erste Strahlenquelle; 3: erster Detektor; 4: zweite Strahlenquelle; 5: zweiter Detektor; 6: Gantrygehäuse; 7: Patient; 8: Patientenliege; 9: Systemachse; 10: Rechenstation; E: Zählergebnis; K: kontinuierlicher Pulshöhendiskriminator; L: Logikelement; Prg₁–Prg_n: Computerprogramme; S: Pulse-Shaper; T: getakteter Pulshöhendiskriminator; V: Verstärker.
Es zeigen im Einzelnen:
1 eine Abhängigkeit der Zählratendrift vom eingestellten Schwellwert;
2 eine Schaltungsanordnung einer Detektorelektronik mit zählendem und kontinuierlichem Zähler;
3 ein CT-System.
In der 1 ist der Verlauf der Drift eines beispielhaften zählenden Detektors von eingestellten Zählschwelle oder Ansprechschwelle dargestellt. Hierzu ist auf der Abszisse die Zählschwelle als Äquivalent zur in den Detektor einfallenden Photonenenergie in keV aufgetragen und auf der Ordinate die prozentuale Abweichung der sich ergebenden Zählrate gegenüber der tatsächlichen Photonenereignisse dargestellt. Der Verlauf dieser Abhängigkeit wird durch die im Diagramm dargestellte Kurve gezeigt. Wie aus dem Verlauf ersichtlich, zeigt im relativ hohen Energiebereich ein doppelter Peak bei etwa 60 keV und 70 keV den Einfluss der charakteristischen Strahlung der verwendeten Röntgenröhre, währen sich im Bereich zwischen 20 keV und 30 keV der Einfluss der K-Linien des Detektormaterials widerspiegelt. Es ist daher besonders günstig, die Zählschwelle des Detektors unterhalb dieses Einflusses der K-Linien des jeweiligen Detektormaterials, allerdings über das Energieniveau des Rauschens, zu legen. Um hier einen ausreichend großen Abstand zum Rauschniveau zu erreichen ist es besonders günstig, durch entsprechende Maßnahmen darauf zu achten, dass der Rauschpegel möglichst niedrig ist.
Eine beispielhafte Schaltungselektronik eines zählenden Detektors ist in der 2 gezeigt. Die Zählimpulse werden dabei von links kommen einem Pulse-Shaper S mit einem darauf folgenden Verstärker V zugeführt. Anschließend werden die geshapten und verstärkten Signale parallel einem kontinuierlichen Pulshöhendiskriminatoren (= Zähler) K und einem getakteten Pulshöhendiskriminatoren (= Zähler) T zugeleitet. Erfindungsgemäß werden diese Pulshöhendiskriminatoren bezüglich ihres Schwellwertes so eingestellt, dass diese einer geringeren Energie entspricht als die Energie der k-Kante des verwendeten Detektormaterials. Die Ausgänge des kontinuierlichen Pulshöhendiskriminators K und des getakteten Pulshöhendiskriminators T werden dann über ein Logikelement L derart verknüpft, dass im Ergebnis ein möglichst lineares gemeinsames Zählergebnis E entsteht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Verbindung mit beliebigen Detektoren mit zählenden Detektorelementen, beispielsweise direktkonvertierenden Halbleitermaterialien, eingesetzt werden. Lediglich beispielhaft wird hier in der 3 ein Computertomographie-System mit erfindungsgemäß ausgestalteten Detektoren dargestellt. Dieses CT-System 1 weist ein Gantrygehäuse 6 auf, in dem sich eine Gantry mit einer Strahlungsquelle 2 befindet, die zusammen mit einem gegenüberliegenden Detektor 3 um eine Systemachse 9 rotiert. Optional kann mindestens eine zweite Strahlungsquelle 4 und ein gegenüberliegender Detektor 5 auf der Gantry angeordnet werden. Zur Abtastung wird zum Beispiel ein Patient 7 auf einer Patientenliege 8 durch das Messfeld geschoben, während die Strahlungsquellen 2, 4 und Detektoren 3, 5 auf der Gantry um die Systemachse 9 rotieren.
Die vom Detektor 3 und/oder 5 detektierten Signale können direkt in einer erfindungsgemäß ausgestalteten beziehungsweise eingestellten Detektorelektronik verarbeitet oder entsprechend verstärkt in einer zentralen Rechenstation 10 verarbeitet werden. Dort können auch Computerprogramme Prg₁–Prg_n hinterlegt sein, welche im Betrieb unter anderem das erfindungsgemäße Verfahren durchführen.
Es wird darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nicht auf tomographische Anwendungen beschränkt ist, sondern mit jedem teilchen- oder photonendetektierenden Detektor mit zählenden Detektorelementen anwendbar ist.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Photonen zählenden Detektion von Röntgenstrahlung mit direktkonvertierenden Detektoren (3, 5), wobei 1.1. abhängig von der vorliegenden Strahlungsenergie zu dieser weitgehend proportional Strom- und/oder Spannungsimpulse erzeugt werden und 1.2. die erzeugten Strom- und/oder Spannungsimpulse in dem Detektor (3, 5) bei Überschreiten einer vorgegebenen Strom- beziehungsweise Spannungsschwelle gezählt werden, dadurch gekennzeichnet, dass 1.3. als vorgegebene Strom- beziehungsweise Spannungsschwelle eine Schwelle verwendet wird, welche einer Detektion eines Photons mit einer Energie entspricht, die geringer als die k-Kante des verwendeten Detektormaterials ist.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Schwelle gleichzeitig größer als der vorliegende Rauschpegel im Messsystem ist.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwelle derart gesetzt wird, dass sie einem einfallenden Photon von kleiner 23 keV, vorzugsweise kleiner 20 keV, vorzugsweise kleiner 10 keV, vorzugsweise zwischen 10 keV und 5 keV, entspricht.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung ein kontinuierlich arbeitender Pulshöhendiskriminator (K) verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung ein getaktet arbeitender Pulshöhendiskriminator (T) verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung von Strahlung eine Kombination aus mindestens zwei logisch verknüpft arbeitenden Pulshöhendiskriminatoren verwendet wird, wobei mindestens ein kontinuierlich arbeitender Pulshöhendiskriminator (K) und mindestens ein getaktet arbeitender Pulshöhendiskriminator (T) verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Maßnahmen zur Minimierung des Rauschens der Auswerteelektronik im Detektor (3, 5) ausgeführt werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung der Energieauflösung des aus einer Vielzahl von Detektorelementen bestehenden Detektors für alle Detektorelemente die gleiche Schwelle verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur maximalen Reduktion einer Drift des Ansprechverhaltens des aus einer Vielzahl von Detektorelementen bestehenden Detektors für jedes Detektorelement eine individuelle Schwelle verwendet wird.
Detektorsystem zur Photonen zählenden Detektion von Röntgenstrahlung mit direktkonvertierenden Detektorelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente und deren Auswerteelektronik derart gestaltet sind, dass die Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche ausgeführt werden.