DE102011005604A1

DE102011005604A1 - Schaltungsanordnung eines direktkonvertierenden Detektors sowie deren Verwendung und Verfahren zum Auslesen eines direktkonvertierenden Detektors

Info

Publication number: DE102011005604A1
Application number: DE102011005604A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schröter Christian
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: DE102011005604B4; CN102681002A; CN102681002B; US9075147B2; US20120236986A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung eines Detektors (C3, C5) mit direktkonvertierendem Halauslesenden Messelektronik (I, II) und ein Verfahren zum Auslesen der im Halbleitermaterial entstehenden Zählimpulse, wobei ein Teil der Pulse-Shaper (S) mit einer längeren und ein anderer Teil der nstante ausgestattet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung eines direktkonvertierenden Detektors für ionisierende Strahlung, insbesondere eines Detektors eines CT-Systems, mit einer Vielzahl von strahlungsempfindlichen Teilflächen, wobei als strahlungsempfindliches Material ein direktkonvertierendes Halbleitermaterial vorliegt und jeder Teilfläche eine eigene, diese Teilfläche einzeln auslesende Ausleseelektronik zugeordnet ist, welche jeweils einen Pulse-Shaper zur Vergleichmäßigung der detektierten elektronischen Signale aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auslesen von Detektorelementen eines direktkonvertierenden Detektors für ionisierende Strahlung, insbesondere eines CT-Systems.
Die Verwendung von Pulse-Shapern in der Auswerteelektronik von Detektoren für ionisierende Strahlung, insbesondere für Detektoren von CT-Systemen, ist allgemein bekannt.
Bekannt ist auch, dass die Shaping-Zeitkonstante veränderbar eingestellt werden kann, um sich an die auftretende Photonenflussdichte anzupassen und damit eine Drift des Detektors zu reduzieren. Allerdings führt eine solche variable Anpassung nicht immer zu dem gewünschten Ziel der Vermeidung einer strahlungsintensitätsabhängigen Detektordrift.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung eines direktkonvertierenden Detektors für ionisierende Strahlung und ein Verfahren zur Auslesung von Detektorelementen eines direktkonvertierenden Detektors zu finden, welche eine weitgehende Vermeidung oder Korrektur von Detektordrift ermöglicht.
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 CT und Dual-Energy-CT, werden u. a. direktkonvertierende Detektoren basierend auf halbleitenden Materialien, wie zum Beispiel CdTe, CdZnTe, CdZnTeSe, CdTeSe, CdMnTe, InP, TlBr₂ oder HgI₂ genutzt. Bei diesen 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 Schwellwertes kann auf Röntgenenergien kalibriert werden und wird daher typischerweise in keV angegeben.
Den oben 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 einer Änderung des inneren elektrischen Feldes. Es kommt also zu einer Veränderung der Pulsform und damit zu einer Änderung der Amplitude des durch ein einfallendes Röntgenquant initiierten Strompulses.
Daher unterschreiten beziehungsweise überschreiten im polarisierten Zustand einige Pulse einen vorgegebenen Schwellwert und lösen kein beziehungsweise ein zusätzliches Zählereignis aus. Es kommt also zu einer Änderung des Messsignals aufgrund der Polarisation. Dieses Phänomen wird als Detektordrift bezeichnet.
Eine solche Detektordrift führt in der Bildgebung zu diversen Bildartefakten und eine quantitative Messung ist nicht mehr möglich. Typischerweise wird in den elektronischen Zählzellen, in denen die Strompulse detektiert werden, ein sogenannter Pulse-Shaper eingesetzt. Dieser bildet Pulsflächen der ursprünglichen, intrinsischen Pulse, auf Pulshöhen ab. Die Pulsflächen enthalten die eigentlich interessante Information der Ladungsmenge, die proportional zur Energie des detektierten Röntgenquants ist. Durch den Pulse-Shaper können diese Energien einfach durch Verwendung einer Komparatorschwelle detektiert werden, da die Energieinformation also die ausgelöste Energiemenge nun durch die Pulshöhe nach dem Durchlauf eines Signals durch einen Pulse-Shaper wiedergegeben wird.
Diese Transformation des Eingangssignals durch den Pulse-Shaper in Signalhöhen wird umso bessern, je länger die Shaping-Zeitkonstante ist. Der Wahl einer äußerst langen Konstante steht jedoch entgegen, dass in der Computertomographie extrem dichte Pulsfolgen detektiert werden müssen. Werden die Pulse zu lang, kommt es verstärkt zu einer Überlagerung der Pulse, der Detektor paralysiert. Je länger die Shaping-Zeitkonstante, desto früher tritt die Paralyse auf. Daher werden in Anwendungen, die dichte Pulsfolgen betreffen, eher kurze Shaping-Zeitkonstanten gewählt, wodurch jedoch das elektronische Rauschen ansteigt, die Energieauflösung vermindert wird und eine hohe Detektordrift entsteht.
Der Erfinder hat erkannt, dass es möglich ist, jeweils eine Zählzelle aus zwei Subzellen zusammenzusetzen, wobei jede Subzelle je einen Pulse-Shaper und mindestens eine Komparatorschwelle beinhalten. Dabei soll mindestens ein Pulse-Shaper eine lange Shaping-Zeitkonstante besitzen, so dass diese für eine Subzelle im Niederflussfall, also im Falle starker Absorption bei einer CT-Untersuchung, genutzt wird, und die andere Subzelle einen Pulse-Shaper mit einer kurzen Shaping-Zeitkonstante aufweisen und damit ein gutes Messsignal im Falle hohen Flusses, also niedriger Absorption beim CT-Scan, liefern.
Somit kann unterhalb eines bestimmten Schwellwerts der detektierten Zählrate, also in dem Bereich, in dem auch bei der langen Shaping-Zeitkonstante noch keine Paralyse auftritt, das Signal der Subzelle mit der langen Shaping-Zeitkonstante zur Bildgebung verwendet werden. Dieses Signal ist quasi driftfrei und zeigt eine gute Energieauflösung, woraus sich ein hoher Multi-Energy-Kontrast ergibt. Oberhalb des Schwellwerts kann die Subzelle mit der kurzen Shaping-Zeitkonstante verwendet werden, die zwar stärkere Drift und schlechtere Energieauflösung zeigt, jedoch durch die später eintretende Paralyse hochflussfähig ist.
Im Sinne der Erfindung wird dabei eine Zählzelle einem Detektorelement gleichgesetzt, welches bei der Abtastung eines Objektes einen einzigen Strahl detektiert. Somit wird die Fläche, die ein Strahl während eines Readings abtastet in mindestens zwei Teilflächen unterteilt. Im Rahmen der Erfindung kann allerdings auch eine weitergehende Unterteilung in mehrere, zum Beispiel 2 × 2, 3 × 2, 3 × 3, 3 × 4 oder 4 × 4 usw. Teilflächen erfolgen, wobei die Summe der Teilflächen eines Detektorelementes aufgeteilt wird in Teilflächen mit längerer oder kürzerer Shaping-Zeitkonstante. Werden mehr als zwei Teilflächen verwendet, so kann weiterhin innerhalb einer Gruppe mit gleicher Shaping-Zeitkonstante eine Unterteilung in Untergruppen unterschiedlicher Anzahl von Komparatorschwellen erfolgen, um zumindest teilweise die Energieauflösung zu verbessern.
Da während eines CT-Scans immer wieder Bereiche starker Absorption durchlaufen werden, bei denen der Fall niedrigen Flusses eintritt, kann an diesen Stellen durch Abgleich der Zählrate der Subzellen die stärker driftende schnelle Subzelle immer wieder innerhalb eines Scans korrigiert werden, indem das Signal der langsamen Zelle als Kalibrierungssignal verwendet wird.
Entsprechend schlägt der Erfinder eine Schaltungsanordnung eines Detektors für ionisierende Strahlung, insbesondere eines Detektors eines CT-Systems, vor, aufweisend eine Vielzahl von strahlungsempfindlichen Teilflächen, wobei als strahlungsempfindliches Material ein direktkonvertierendes Halbleitermaterial vorliegt und jeder Teilfläche eine eigene, diese Teilfläche einzeln auslesende Ausleseelektronik zugeordnet ist, welche jeweils einen Pulse-Shaper aufweist, wobei ein Teil der Pulse-Shaper mit einer längeren und ein anderer Teil der Pulse-Shaper mit einer kürzeren Shaping-Zeitkonstante ausgestattet sind.
Vorteilhaft ist es bei dieser Schaltungsanordnung, wenn eine Vielzahl von über eine flächige Ausdehnung des Detektors verteilter Detektorelemente vorgesehen sind, wobei jedes Detektorelement zur Messung eines Strahls ausgestaltet ist, und jedes Detektorelement in mindestens zwei strahlungsempfindliche Teilflächen unterteilt ist, wobei innerhalb jedes Detektorelementes mindestens eine Teilfläche mit einem Pulse-Shaper mit längerer Shaping-Zeitkonstante und mindestens eine Teilfläche mit einem Pulse-Shaper mit kürzerer Shaping-Zeitkonstante ausgestattet ist.
Günstig ist es dabei, die Detektorelemente so auszugestalten und aufzuteilen, dass jede eine Vielzahl von Teilflächen aufweist, wobei die Anzahl der Teilflächen mit langer Shaping-Zeitkonstante der Anzahl der Teilflächen mit kurzer Shaping-Zeitkonstante auf +/–1 gleich ist.
Außerdem sollten alle Teilflächen und auch alle Detektorelemente gleich groß sein.
Weiterhin kann das vom Detektormaterial erhaltene Ausgangssignal über eine Verstärkungsstufe zum Pulse-Shaper geleitet werden.
Ebenso kann dem Pulse-Shaper nachgeschaltet zumindest ein diskreter Zähler angeordnet werden.
Ebenso wird vorgeschlagen, dass die Schaltungsanordnung in einem Detektor eines CT-Systems angeordnet ist und eine Kalibrierungsschaltung vorgesehen ist, welche derart ausgebildet ist, dass während eines Scans in den Detektorelementen, die zumindest zeitweise Photonenflussraten unterhalb eines vorgegebenen Wertes aufweisen eine Kalibrierung stattfindet, indem die Messwerte aus den Teilflächen mit kurzer Shaping-Zeitkonstante auf der Basis der Messwerte der Teilflächen mit langer Shaping-Zeitkonstante korrigiert werden.
Außerdem können zur möglichst guten Ausschöpfung applizierter Dosis jeweils alle Messwerte aus den Teilflächen mit kurzer Shaping-Zeitkonstante und jeweils alle Messwerte aus den Teilflächen mit langer Shaping-Zeitkonstante jeweils eines Detektorelementes aufsummiert werden.
Schließlich wird auch eine Schaltungsanordnung eines Detektors vorgeschlagen, bei der durch die Teilflächen jeweils einzelne Detektorelemente gebildet werden, wobei jedes Detektorelement zur Messung eines Strahls ausgestaltet ist und jedes Detektorelement mit mindestens einem Pulse-Shaper mit längerer Shaping-Zeitkonstante und mit mindestens einem Pulse-Shaper mit kürzerer Shaping-Zeitkonstante verbunden ist. Es wird also bei dieser Ausgestaltung die Gesamtfläche jedes Detektorelementes durch mindestens zwei Zählelektroniken mit unterschiedlichen Shaping-Zeitkonstanten parallel ausgelesen.
Neben den oben beschriebenen Schaltungsanordnungen wird auch ein Verfahren zum Auslesen von Detektorelementen eines direktkonvertierenden Detektors für ionisierende Strahlung, insbesondere eines CT-Systems, vorgeschlagen, wobei:

– jedes, jeweils insgesamt einen Strahl messende Detektorelement in mindestens zwei separat detektierbare Teilflächen aufgeteilt wird, wobei jeder Teilfläche eine eigene Messelektronik mit einem Pulse-Shaper zugeordnet wird, welcher jeweils gleiche Ladungsmengen eines Signals unabhängig von der Form und Höhe des durch die Ladungsmenge erzeugten Signalverlaufs in Signale gleicher Höhe und Form umwandelt, und
– in jedem Detektorelement mindestens eine Teilfläche mit einem Pulse-Shaper mit längerer Shaping-Zeitkonstante und mindestens eine Teilfläche mit einem Pulse-Shaper mit kürzerer Shaping-Zeitkonstante detektiert wird.

Hierbei kann innerhalb eines Scans abhängig vom aktuellen lokalen Photonenfluss durch jedes Detektorelement bei hohem Photonenfluss vornehmlich die Messwerte der Teilflächen mit kürzerer Shaping-Zeitkonstante und bei niedrigem Photonenfluss die Messwerte der Teilflächen mit längerer Shaping-Zeitkonstante zur gesamten Messwertbildung für das Detektorelement herangezogen werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn bei sich veränderndem Photonenfluss während eines Scans mindestens einmal während des einen Scans bei Unterschreiten einer vorgegebenen Photonenflussrate eine Kalibrierung der mindestens einen Teilfläche mit kleinerer Shaping-Zeitkonstante mit den Messwerten der zum selben Detektorelement gehörenden mindestens einen Teilfläche mit größerer Zeitkonstante vorgenommen wird.
Auch kann während eines Scans mit alternierend wechselndem Photonenfluss je Detektorelement an jedem n-ten Minimum des Photonenflusses eine Kalibrierung der mindestens einen Teilfläche mit kleinerer Shaping-Zeitkonstante mit den Messwerten der zum selben Detektorelement gehörenden mindestens einen Teilfläche mit größerer Zeitkonstante vorgenommen werden, wobei n eine natürliche Zahl zwischen 1 und der Zahl der Readings (= Auslesevorgänge des Detektors) des betrachteten Scans ist.
Alternativ kann auch während eines Scans mit alternierend wechselndem Photonenfluss je Detektorelement an mindestens einem Minimum des Photonenflusses die Abweichung zwischen den Messwerten der Gruppe der Teilflächen mit kleiner und großer Shaping-Zeitkonstante bestimmt werden und bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung eine Kalibrierung der mindestens einen Teilfläche mit kleinerer Shaping-Zeitkonstante mit den Messwerten der zum selben Detektorelement gehörenden mindestens einen Teilfläche mit größerer Zeitkonstante vorgenommen werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: C1: Dual-Source-CT-System; C2: erste Röntgenröhre; C3: erster Detektor; C4: zweite Röntgenröhre; C5: zweiter Detektor; C6: Gantrygehäuse; C8: Patientenliege; C9: Systemachse; C10: Computersystem; C11: Kontrastmittelapplikator; D: Detektorelement; E: Zählergebnis; K: kontinuierlicher Pulshöhendiskriminator; L: Logikelement; P: Patient; Prg₁–Prg_n: Computerprogramme; S: Pulse-Shaper; S_1.1: Signalverstärkung; S_1.2: Signalshaping mit kürzerer Shaping-Zeitkonstante; S_2.2: Signalzählung; S_1.4: Korrektur; S_2.1: Signalverstärkung; S_2.2: Signalshaping mit längerer Shaping-Zeitkonstante; S_2.3: Signalzählung; S₃: Signalzusammenfassung und -kalibrierung; S₄: Messwertausgabe; T: getakteter Pulshöhendiskriminator; T₁: Teilfläche mit kürzerer Zeitkonstante; T₂: Teilfläche mit längerer Zeitkonstante; V: Verstärker; 1: Werteverlauf der idealen Zählrate; 2: Werteverlauf der Zählrate mit kurzer Shaping-Zeitkonstante; 3: Werteverlauf der Zählrate mit langer Shaping-Zeitkonstante; I, II: Auslese-/Zählelektronik:
Es zeigen im Einzelnen:
1 ein Dual-Source-CT-System,
2 eine schematische Darstellung eines Sinogramms für einen Pixel eines CT-Detektors,
3 ein Detail aus 2,
4 einen Mehrzeilendetektor mit Detektorelementen,
5–12 je Figur ein Detektorelement mit mehreren Teilflächen in unterschiedlicher Aufteilung,
13 einen schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Verfahrensablauf,
14 eine Schaltungsanordnung des Detektors mit in Teilflächen aufgeteilten Detektorelementen und getrennt zugeordneten Detektorelektroniken mit unterschiedlicher Shaping-Zeitkonstante und
15 eine Schaltungsanordnung des Detektors mit parallel zu zwei Detektorelektroniken mit unterschiedlicher Shaping-Zeitkonstante verbundenen – nicht in Teilflächen aufgeteilten – Detektorelementen.
Die 1 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines Dual-Source-CT-Systems (= CT-System mit zwei Strahler-Detektor-Systemen) C1 mit einem Gantrygehäuse C6, in dem an der nicht näher dargestellten Gantry zwei winkelversetzt angeordnete Strahler-Detektor-Systeme befestigt sind. Die Strahler-Detektor-Systeme bestehen aus einer ersten Röntgenröhre C2 mit einem der ersten Röntgenröhre zugeordneten gegenüberliegenden Detektor C3. Optional kann zusätzlich ein weiteres Strahler-Detektor-System winkelversetzt auf der Gantry angeordnet werden, welches aus einer zweiten Röntgenröhre C4 mit einem der zweiten Röntgenröhre zugeordneten gegenüberliegenden Detektor C5 besteht. Zumindest einer der beiden Detektoren weist dabei eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bezüglich der dort installierten Detektorelemente auf. Beide Strahler-Detektor-Systeme bestreichen ein in der zentralen runden Öffnung gelegenes Messfeld. Durch dieses Messfeld kann der Patient P mit Hilfe der Patientenliege C8 entlang der Systemachse C9 geschoben werden. Grundsätzlich kann hiermit sowohl ein Spiralscan als auch ein Sequenzscan ausgeführt werden. Zur Verbesserung der Abbildung von Blutgefäßen oder sonstiger Strukturen kann dem Patienten über den Kontrastmittelapplikator C11 auch ein Kontrastmittel injiziert werden.
Die Steuerung des CT-Systems C1 und die Auswertung der Abtastung des Patienten P wird durch das damit verbundene Computersystem C10 ausgeführt, wobei dieses mindestens eine Speicher aufweist, in dem Computerprogramme Prg₁–Prg_n gespeichert sind. Erfindungsgemäß sind darin auch Programme enthalten beziehungsweise gespeichert, welche derart ausgebildet sind, dass sie im Betrieb des Systems die unterschiedlichen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführen.
Betrachtet man die Messwerte, die ein Detektorelement beziehungsweise ein einzelner Strahl liefert, so ist aufgrund der Rotation des Strahler-Detektor-Systems unschwer erkennbar, dass diese Messwerte während einer Rotation um das Untersuchungsobjekt – zumindest bei nicht rotationssymmetrisch ausgestalteten und nicht koaxial zur Systemachse angeordneten Untersuchungsobjekten – stetig um einen beträchtlichen Betrag schwanken.
Für einen beispielhaften Strahl beziehungsweise ein beispielhaftes Detektorelement eines Sinogramms ist der Werteverlauf in der 2 über mehrere Umdrehungen dargestellt, wobei auf der Ordinate die Zählrate der Impulse und auf der Abszisse der Rotationswinkel der Gantry angegeben ist. Während eines Scans werden dabei Bereiche hoher und niedriger Absorption und damit niedriger und hoher Zählrate überstrichen. Der ideale – etwa sinusförmige – Verlauf ist mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Im Falle der Verwendung eines Pulse-Shapers beeinflusst die länge Shaping-Zeitkonstante – also die Dauer, über die ein einzelner originärer Impuls gemessen wird, um anschließend in einer vorgegebenen Pulsform ausgegeben zu werden – das Messverhalten eines Detektorelementes. Der Fall einer relativ kurzen Shaping-Zeitkonstante ist beispielhaft durch den Verlauf 2 dargestellt. Hier beträgt die künstliche Pulsbreite etwa das 1,5-fache der intrinsischen Pulsbreite. Als Beispiel einer längeren Shaping-Zeitkonstante ist der Verlauf 3 der ermittelten Zählrate bei einer 5-fachen Shaping-Zeitkonstante relativ zur intrinsischen Pulsbreite gezeigt.
Wie zu erkennen ist, erzeugt eine kurze Shaping-Zeitkonstante also bei höheren Pulsraten eine bessere Annäherung des Messwertverlaufes 2 an den tatsächlichen Werteverlauf 1. Gleichzeitig bewirkt jedoch diese kurze Shaping-Zeitkonstante bei niedrigeren Pulsraten ein Auseinanderdriften der Messwerte von den tatsächlichen Werten, wie es mit den gestrichelten Linien dargestellt ist. Betrachtet man hingegen den Verlauf 2 der Messwerte mit langer Shaping-Zeitkonstante, so ist wesentlich weniger Drift erkennbar. Zur besseren Darstellung ist in der 3 nochmals das Detail A aus der 2 im Bereich des vorletzten gezeigten Minimums der Messwerte gezeigt.
Die 4 zeigt einen beispielhaften in einer Ebene dargestellten Mehrzeilendetektor C3, welche aus einer Vielzahl von Detektorelementen D besteht, die hier als kleine Quadrate dargestellt sind.
Erfindungsgemäß sollen nun die einzelnen Detektorelemente aus mehreren Teilflächen bestehen, wobei mindestens eine Teilfläche einen Pulse-Shaper mit einer kürzeren Shaping-Zeitkonstante und mindestens eine Teilfläche einen Pulse-Shaper mit einer längeren Shaping-Zeitkonstante aufweist. Beispiele dieser Ausführung sind in den 5 bis 12 dargestellt, die jeweils ein Detektorelement D mit unschraffierten und schraffierten Teilflächen zeigen. Hierbei sollen die schraffierten Teilflächen solche mit einer zugehörigen Schaltungsanordnung mit kurzer und die unschraffierten Teilflächen mit langer Shaping-Zeitkonstante darstellen.
Durch den Einsatz mindestens zweier Teilflächen mit unterschiedlichen Shaping-Zeitkonstanten ergeben sich folgende Vorteile:

a) Durch die längere Shapingzeit kann die Zählratendrift bei niedrigem Fluss quasi eliminiert werden.
b) Gute Energieauflösung durch rauscharme Elektronik im für die Bildgebung wichtigen Bereich niedriger Zählrate, hoher Dual-Energy-Kontrast.
c) Einstellbarkeit niedriger Schwellen im Niederflussfall, dadurch verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis.
d) Möglichkeit der Driftkorrektur innerhalb eines Scans für die schnellere Zelle, also für hohen Fluss.
e) Niedriger Stromverbrauch und Wärmeentwicklung der langsamen Zelle, daher gute Integrierbarkeit.

Beispielhaft ist in der 13 ein erfindungsgemäßer Verfahrensablauf der Messwertaufnahme eines Detektorelementes D mit einer Teilflächenaufteilung entsprechend der 5 gezeigt.
Von der Teilfläche T₁, welche die direktkonvertierende Halbleiterteilfläche des Detektorelementes darstellen soll, wird eine Signalverstärkung im Schritt S_1.1 ausgeführt. Es erfolgt danach im Schritt S_1.2 ein Signal-Shaping unter Verwendung einer relativ kurzen Shaping-Zeitkonstante, vorzugsweise im Bereich des 1- bis 2-fachen der intrinsischen Pulsbreite. Im Schritt S_1.3 werden diese geshapten Signale gezählt und dann im Schritt S_1.4 durch ein Korrekturglied weitgehend auf den realen Photonenfluss korrigiert und an den Signalverwertungsschritt S₃ weitergegeben. Parallel hierzu erfolgt eine entsprechende Verarbeitung der Signale aus der Teilfläche T₂ über die entsprechenden Schritte S_2.1 bis S_2.3 und S₃. Im Schritt S₃ wird erfindungsgemäß bei kleinen Zählraten durch Beeinflussung des Korrekturgliedes im Schritt S_1.4 jeweils eine Kalibrierung des Korrekturgliedes des oder der Teilflächen mit kurzer Shaping-Zeitkonstante auf der Basis eines Vergleichs der Messwerte von Teilflächen mit kurzer und langer Shaping-Zeitkonstante ausgeführt. Hierdurch werden die Werte der Teilflächen mit langer Shaping-Zeitkonstante als eher den tatsächlichen Werten entsprechend angenommen. Zur Ausgabe des Signals kann im Schritt der Signalzusammenfassung S₃ zum Beispiel eine Mittelwertbildung der Signale der Teilflächen gebildet werden. Schließlich erfolgt im Schritt S₄ die Ausgabe der Messwerte.
Eine beispielhafte Ausführung der Schaltungselektronik eines zählenden Detektors mit in Teilflächen T₁, T₂ unterteilter Detektorelemente D die jeweils mit unterschiedlicher Shaping-Zeitkonstante abgetastet werden, ist in der 14 gezeigt. Erfindungsgemäß werden hier vom Detektor kommend die Zählimpulse der Teilflächen T₁ beziehungsweise T₂ jeweils Zählelektroniken I und II mit einem Pulse-Shaper S mit einem darauf folgenden Verstärker V zugeführt. Die Pulse-Shaper S der Teilflächen T₁ beziehungsweise der Zählelektroniken I besitzen dabei eine kleinere Shaping-Zeitkonstante als die Pulse-Shaper S der Teilflächen T₂ beziehungsweise der Zählelektroniken II. Anschließend werden die geshapten und verstärkten Signale parallel einem kontinuierlichen Pulshöhendiskriminatoren (= Zähler) K und einem getakteten Pulshöhendiskriminatoren (= Zähler) T zugeleitet. 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.
Alternativ zu der in 14 gezeigten Aufteilung der Detektorelemente in Teilflächen kann, wie in der 15 gezeigt, auch von einer gesamten Fläche eines Detektorelementes D ausgehend die Zählsignale parallel an zwei Detektorelektroniken I und II mit unterschiedlichen Shaping-Zeitkonstanten weitergeleitet und dort getrennt verarbeitet werden. Auch hierdurch entstehen parallel zwei Messpfade je Detektorelement D. Im Bereich niedriger Zählrate müssen dann die Zählerstände beider Pfade gleich sein, wobei zur Kalibrierung bei Abweichungen der Zählerstand des schnellen Zählers dem Zählerstand des langsamen Zählers gleichgesetzt wird.
Insgesamt wird also durch diese Erfindung eine Schaltungsanordnung eines Detektors mit direktkonvertierendem Halbleitermaterial und Pulse-Shaper in der signalauslesenden Messelektronik und ein Verfahren zum Auslesen der im Halbleitermaterial entstehenden Zählimpulse vorgeschlagen, wobei ein Teil der Pulse-Shaper mit einer längeren und ein anderer Teil der Pulse-Shaper mit einer kürzeren Shaping-Zeitkonstante ausgestattet sind.
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

Schaltungsanordnung eines Detektors (C3, C5) für ionisierende Strahlung, insbesondere eines Detektors eines CT-Systems (C1), mit einer Vielzahl von strahlungsempfindlichen Teilflächen (T₁, T₂), wobei als strahlungsempfindliches Material ein direktkonvertierendes Halbleitermaterial vorliegt und jeder Teilfläche eine eigene, diese Teilfläche einzeln auslesende Ausleseelektronik (I, II) zugeordnet ist, welche jeweils mindestens einen Pulse-Shaper (S) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Pulse-Shaper (S) mit einer längeren und ein anderer Teil der Pulse-Shaper (S) mit einer kürzeren Shaping-Zeitkonstante ausgestattet sind.
Schaltungsanordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: 2.1. eine Vielzahl von über eine flächige Ausdehnung des Detektors verteilter Detektorelemente (D) vorgesehen sind, wobei jedes Detektorelement (D) zur Messung eines Strahls ausgestaltet ist und 2.2. jedes Detektorelement (D) in mindestens zwei strahlungsempfindliche Teilflächen (T₁, T₂) unterteilt ist, wobei innerhalb jedes Detektorelementes (D) mindestens eine Teilfläche (T₂) mit einem Pulse-Shaper (5) mit längerer Shaping-Zeitkonstante und mindestens eine Teilfläche (T₁) mit einem Pulse-Shaper (S) mit kürzerer Shaping-Zeitkonstante ausgestattet sind.
Schaltungsanordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektorelement (D) eine Vielzahl von Teilflächen (T₁, T₂) aufweist, wobei die Anzahl der Teilflächen (T₂) mit langer Shaping-Zeitkonstante der Anzahl der Teilflächen (T₁) mit kurzer Shaping-Zeitkonstante auf +/–1 gleich ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teilflächen (T₁, T₂) gleich groß sind.
Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Detektorelemente (D) gleich groß sind.
Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vom Detektormaterial erhaltene Ausgangssignale über eine Verstärkungsstufe (V) zum Pulse-Shaper (S) geleitet werden.
Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Pulse-Shaper (S) nachgeschaltet zumindest ein diskreter Zähler (K, T) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils alle Messwertausgänge aus den Teilflächen (T₁) mit kurzer Shaping-Zeitkonstante und jeweils alle Messwertausgänge aus den Teilflächen (T₂) mit langer Shaping-Zeitkonstante jeweils eines Detektorelementes (D) aufsummierend zusammengeschaltet sind.
Schaltungsanordnung gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: 9.1. die Teilflächen einzelne Detektorelemente (D) bilden, wobei jedes Detektorelement (D) zur Messung eines Strahls ausgestaltet ist und 9.2. jedes Detektorelement (D) mit mindestens einem Pulse-Shaper (S) mit längerer Shaping-Zeitkonstante und mit mindestens einem Pulse-Shaper (S) mit kürzerer Shaping-Zeitkonstante verbunden ist.
Verfahren zum Auslesen von Detektorelementen eines direktkonvertierenden Detektors für ionisierende Strahlung, insbesondere eines CT-Systems (C1), dadurch gekennzeichnet, dass: 10.1. jedes, jeweils insgesamt einen Strahl messende Detektorelement (D) in mindestens zwei separat detektierbare Teilflächen (T₁, T₂) aufgeteilt wird, wobei jeder Teilfläche (T₁, T₂) eine eigene Messelektronik (I, II) mit einem Pulse-Shaper (S) zugeordnet wird, welcher jeweils gleiche Ladungsmengen eines Signals unabhängig von der Form und Höhe des durch die Ladungsmenge erzeugten Signalverlaufs in Signale gleicher Höhe und Form umwandelt, und 10.2. in jedem Detektorelement (D) mindestens eine Teilfläche. (T₂) mit einem Pulse-Shaper (S) mit längerer Shaping-Zeitkonstante und mindestens eine Teilfläche (T₁) mit einem Pulse-Shaper (S) mit kürzerer Shaping-Zeitkonstante detektiert wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Scans abhängig vom aktuellen lokalen Photonenfluss durch jedes Detektorelement (D) bei hohem Photonenfluss vornehmlich die Messwerte der Teilflächen (T₁) mit kürzerer Shaping-Zeitkonstante und bei niedrigem Photonenfluss die Messwerte der Teilflächen (T₂) mit längerer Shaping-Zeitkonstante zur gesamten Messwertbildung für das Detektorelement (D) herangezogen werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei sich veränderndem Photonenfluss während eines Scans mindestens einmal während des Scans bei Unterschreiten einer vorgegebenen Photonenflussrate eine Kalibrierung der mindestens einen Teilfläche (T₁) mit kleinerer Shaping-Zeitkonstante mit den Messwerten der zum selben Detektorelement (D) gehörenden mindestens einen Teilfläche (T₂) mit größerer Zeitkonstante vorgenommen wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Scans mit alternierend wechselndem Photonenfluss je Detektorelement (D) an jedem n-ten Minimum des Photonenflusses eine Kalibrierung der mindestens einen Teilfläche (T₁) mit kleinerer Shaping-Zeitkonstante mit den Messwerten der zum selben Detektorelement (D) gehörenden mindestens einen Teilfläche (T₂) mit größerer Zeitkonstante vorgenommen wird, wobei n eine natürliche Zahl zwischen 1 und der Zahl der Readings des betrachteten Scans ist.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Scans mit alternierend wechselndem Photonenfluss je Detektorelement (D) an mindestens einem Minimum des Photonenflusses die Abweichung zwischen den Messwerten der Gruppe der Teilflächen (T₁) mit kleiner und der Gruppe der Teilflächen (T₂) mit großer Shaping-Zeitkonstante bestimmt wird und bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung eine Kalibrierung der mindestens einen Teilfläche (T₁) mit kleinerer Shaping-Zeitkonstante mit den Messwerten der zum selben Detektorelement (D) gehörenden mindestens einen Teilfläche (T₂) mit größerer Zeitkonstante vorgenommen wird.
Verwendung einer Schaltungsanordnung gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 9 in einem Detektor (C3, C5) eines CT-Systems (C1) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Patentansprüche 10 bis 14.