DE102011080656A1

DE102011080656A1 - Verfahren zur Homogenisierung der Schwellenwerte eines mehrkanaligen quantenzählenden Strahlungsdetektors

Info

Publication number: DE102011080656A1
Application number: DE102011080656A
Authority: DE
Inventors: Thilo Hannemann; Steffen Kappler; Edgar Kraft; Daniel Niederlöhner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: CN102955164A; US20130214144A1; CN102955164B; US8716652B2; DE102011080656B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Homogenisierung von Schwellenwerten eines mehrkanaligen quantenzählenden Strahlungsdetektors. Bei dem Verfahren werden mit dem Detektor (3) bei unterschiedlichen spektralen Zusammensetzungen der Strahlung jeweils Leermessungen (110) mit unterschiedlich eingestellten Schwellenwerten der Komparatoren (9) durchgeführt. Für jeden Kanal, dessen Komparator (9) auf die gleiche Energieschwelle eingestellt werden soll, wird aus den Leermessungen ein angepasster Schwellenwert für diese Energieschwelle ermittelt, bei dem eine Variation der normierten Zählrate des Kanals über die unterschiedlichen spektralen Zusammensetzungen der Strahlung minimiert ist. Auf diese Weise werden Probleme bei der Weiterverarbeitung der Messdaten des Detektors vermieden, die bei Veränderungen des Spektrums auftreten können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Homogenisierung der Schwellenwerte eines mehrkanaligen quantenzählenden Strahlungsdetektors, wie er bspw. in der Röntgenbildgebung eingesetzt wird. Ein derartiger mehrkanaliger Detektor weist mehrere in Zeilen und Spalten angeordnete Detektorelemente oder Pixel auf, die die einzelnen Kanäle des Strahlungsdetektors bilden. Bei einem quantenzählenden Strahlungsdetektor wird je detektiertem Strahlungsquant im jeweiligen Detektorelement ein Ladungspuls erzeugt. Der Ladungspuls wird von der Detektorelektronik geformt und das resultierende elektrische Signal in einem oder mehreren Komparatoren mit einem Schwellenwert verglichen. Wird der Schwellenwert überschritten, so wird ein Zähler hochgezählt. Die während einer Integrationszeit gezählten Strahlungsquanten ergeben das Messsignal für den jeweiligen Komparatorkanal.
Da die Größe des Ladungspulses von der Energie des einfallenden Strahlungsquants abhängt, lässt sich über die Einstellung der elektrischen Schwellenhöhe bzw. des Schwellenwerts des Komparators eine spektrale Selektion der gezählten Strahlungsquanten erreichen. Nur die Strahlungsquanten werden gezählt, die aufgrund ihrer Energie ein elektrisches Signal erzeugen, das den Schwellenwert des Komparators überschreitet.
Aufgrund von Variationen in den Detektorelementen oder Pixeln und der Elektronik ist die einer bestimmten Energie der Strahlungsquanten entsprechende elektrische Schwellenhöhe des Komparators für jeden Kanal unterschiedlich. Daher müssen bei der Kalibration eines derartigen Strahlungsdetektors die elektronischen Schwellenhöhen für jeden Komparator und jeden Kanal getrennt so eingestellt werden, dass sie einer vorgegebenen Energie der einfallenden Strahlungsquanten entsprechen. Bei der Energiekalibrierung wird für unterschiedliche Schwellenwerte des jeweiligen Komparators bestimmt, welcher Energieschwelle dieser Schwellenwert entspricht. Für die Energiekalibrierung von quantenzählenden Röntgendetektoren werden bspw. radioaktive Präparate, Synchrotronlichtquellen oder K-Fluoreszenzstrahler eingesetzt, die definierte spektrale Linien oder Quanten emittieren. Als Ergebnis der Energiekalibrierung wird jedem Schwellenwert des Komparators eine Energieschwelle zugeordnet.
Mit den bisher bekannten Verfahren zur Energiekalibrierung wird jedoch nur eine begrenzte Genauigkeit erreicht, so dass auch die Einstellung der Schwellenhöhen der Komparatoren des Strahlungsdetektors auf eine vorgegebene Energieschwelle nur eine begrenzte Genauigkeit ermöglicht. Daraus ergibt sich eine Dispersion der tatsächlichen energetischen Schwellhöhe über die Kanäle des Detektors, im Folgenden auch als Schwellendispersion bezeichnet. Diese Schwellendispersion hat den Effekt, dass sich bei unterschiedlicher energetischer Verteilung der einfallenden Strahlung gemessene Leerbilder des Detektors, auch unter den Begriffen „Airscan“ oder „Flat field image“ bekannt, nicht durch eine einfache Skalierung der Zählraten ineinander überführen lassen. Der Aufwand bei der Weiterverarbeitung der Messdaten des Detektors wird dadurch wesentlich erhöht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Homogenisierung der Schwellenwerte eines mehrkanaligen quantenzählenden Strahlungsdetektors anzugeben, das eine genauere Einstellung der Schwellenwerte auf eine vorgegebene Energieschwelle ermöglicht.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Das vorgeschlagene Verfahren setzt einen mehrkanaligen quantenzählenden Strahlungsdetektor voraus, der für jeden Kanal mindestens einen Komparator mit einem einstellbaren Schwellenwert aufweist, wobei den einstellbaren Schwellenwerten der Komparatoren Energieschwellen zugeordnet wurden. Vorzugsweise wird hierbei ein Detektor eingesetzt, mit dem bereits eine Energiekalibrierung durchgeführt wurde. Bei dem Verfahren werden mit dem Detektor bei unterschiedlichen spektralen Zusammensetzungen der Strahlung jeweils Leermessungen mit unterschiedlich eingestellten Schwellenwerten der Komparatoren durchgeführt. Unter Leermessungen ist hierbei die Durchführung bzw. Aufzeichnung von sog. „Airscans“ oder „Flat field images“ zu verstehen. Bei derartigen Leermessungen befindet sich bspw. bei Röntgendetektoren für die Röntgenbildgebung kein zu vermessendes Objekt im Strahlengang. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun für jeden Kanal, dessen Komparator auf die gleiche Energieschwelle eingestellt werden soll, aus den Leermessungen ein angepasster Schwellenwert für diese Energieschwelle ermittelt, bei dem eine Variation der normierten Zählrate des Kanals über die unterschiedlichen spektralen Zusammensetzungen der Strahlung, bei denen gemessen wurde, verringert oder minimiert ist. Die ermittelten angepassten Schwellenwerte werden dann für die Komparatoren der einzelnen Kanäle zur Einstellung für diese Energieschwelle genutzt.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit der Effekt der Abhängigkeit des Leerbildes vom Spektrum der einfallenden Strahlung als Optimierungskriterium genutzt, um durch Variation der Schwellenwerte, im Folgenden aufgrund der Art ihrer Einstellung auch als elektrische Schwellenhöhen bezeichnet, und Verringerung oder Minimierung der spektralen Abhängigkeit des Leerbildes die Schwellendispersion zu verringern. Dies erfolgt bei dem vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise ausgehend von einer Kalibration der elektrischen Schwellenhöhen mit einem der bekannten Verfahren durch einen nachgeschalteten Homogenisierungs-Schritt, bei dem die einzelnen Schwellenwerte bzw. Schwellenhöhen für eine vorgegebene Energieschwelle entsprechend angepasst werden. Angestrebt wird dabei eine möglichst identische Höhe der Energieschwelle für die einfallenden Strahlungsquanten für alle betrachteten Kanäle des Detektors. Alternativ zu einer vorangehenden Kalibrierung kann die Zuordnung der Schwellwerte zu den Energieschwellen auch auf anderem Weg erfolgen, bspw. durch Einstellung auf einen konstanten DAC Wert oder auf x DAC-Schritte über dem Rauschuntergrund (jeweils für die jeweilige Energieschwelle), um dadurch den Aufwand für eine gute Kalibration einzusparen.
Im Folgenden wird das Verfahren anhand der Homogenisierung der Schwellenwerte eines Röntgendetektors erläutert. Das Verfahren lässt sich jedoch ohne weiteres auch auf Detektoren für andere Strahlungsarten übertragen. Bei den folgenden Erläuterungen wird davon ausgegangen, dass der Detektor pro Kanal nur einen Komparator besitzt und alle Kanäle auf den gleichen Energieschwellenwert eingestellt werden sollen. Das Verfahren lässt sich selbstverständlich auch direkt auf mehrere Komparatoren und Energieschwellen pro Kanal erweitern, indem es für jede Energieschwelle separat ausgeführt wird. Die Leermessungen können dabei jedoch für alle Energieschwellen parallel durchgeführt werden. Sollen nicht alle Kanäle auf den gleichen Energieschwellenwert eingestellt werden, so lässt sich das Verfahren auch so durchführen, dass die Kanäle entsprechend dem geforderten Energieschwellenwert in Gruppen eingeteilt werden und das Verfahren auf jede dieser Gruppen separat angewendet wird. Auch hier können die Leermessungen für alle Gruppen parallel erfolgen.
Zur Ausführung des Verfahrens muss der Detektor mit mindestens zwei unterschiedlichen spektralen Zusammensetzungen der Röntgenstrahlung, d. h. mit mindestens zwei unterschiedlichen Röntgen-Energiespektren, belichtet werden. Dies kann bspw. durch unterschiedliche Beschleunigungsspannungen der Röntgenröhre oder durch das Einbringen unterschiedlicher Filter-Materialien in den Strahlengang erreicht werden. Idealerweise wird die Veränderung der Spektren durch Filter in einer Art und Weise durchgeführt, bei der die resultierende spektrale Änderung zwischen den Spektren ähnlich einer ist, die sich durch Einbringen zu untersuchender Objekte ergibt, da für genau diese Anwendung in der Röntgenbildgebung die Homogenisierung der Schwellenwerte der Kanäle durchgeführt wird. Bei bestimmten Anwendungen kann es, bspw. aufgrund eines Bow-Tie-Filters, nicht möglich sein, an jeder Stelle des Detektors das gleiche Spektrum der einfallenden Röntgenstrahlung zu erreichen. Ist das einfallende Spektrum wenigstens für jeweils eine Anzahl an Kanälen konstant, so lässt sich das Verfahren dann wieder durch Gruppenbildung auf dieser Menge an Kanälen durchführen, wie bereits weiter oben erläutert. Im Falle eines Bow-Tie-Filters bei einem CT-Gerät kann bspw. davon ausgegangen werden, dass die Kanäle aller Zeilen der gleichen Spalte, also in Vorschubrichtung des Patiententisches orthogonal zur Modulation der Strahlung durch den Bow-Tie-Filter, das gleiche Eingangsspektrum sehen und somit eine der Gruppen bilden.
Das Ziel des Verfahrens besteht darin, die Schwellenwerte bzw. elektrischen Schwellenhöhen der einzelnen Komparatoren der betrachteten Kanäle möglichst genau, insbesondere genauer als durch eine vorzugsweise erfolgte vorangehende Energiekalibrierung, auf eine Energieschwelle der einfallenden Röntgenquanten, z. B. 35 keV, einzustellen bzw. zu justieren und dadurch gleichzeitig die Homogenisierung über verschiedene Spektren zu erreichen. Der Absolutwert der mittleren Energiekalibrierung überträgt sich auf den Mittelwert der Homogenisierung. Es ist daher vorteilhaft, bereits bei der Energiekalibrierung im Vorfeld möglichst genau zu sein und sie beispielsweise mit einem der in der Beschreibungseinleitung genannten Verfahren des Standes der Technik durchzuführen.
Das Verfahren kann in unterschiedlicher Weise durchgeführt werden. In einer ersten Ausgestaltung werden die Schwellenwerte der Detektoren jeweils auf einen Wert eingestellt, der sich aus der bekannten Zuordnung für eine bestimmte Energieschwelle ergibt. Anschließend werden erste Leermessungen bei den unterschiedlichen Energiespektren der Röntgenstrahlung durchgeführt und jeweils für jeden Kanal die normierten Zählraten berechnet. In gleicher Weise werden weitere Leermessungen bei den unterschiedlichen Energiespektren durchgeführt, bei denen dann die Schwellenwerte der Komparatoren variiert werden. Die Variation erfolgt solange bis eine aus den wie weiter unten erläuterten normierten Zählraten des jeweils betrachteten Kanals erhaltene Variation über die unterschiedlichen Energiespektren verringert oder minimiert ist. Die auf diese Weise gefundenen Schwellenwerte, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als angepasste Schwellenwerte bezeichnet, werden dann für die Einstellung der Komparatoren dieser Kanäle bei der entsprechenden Energieschwelle verwendet. Die Variation der Schwellenwerte bei den Leermessungen, d. h. von Leermessung zu Leermessung bei dem jeweiligen Spektrum, erfolgt vorzugsweise entsprechend der Vorgabe eines hierzu eingesetzten Minimierungs-Algorithmus.
Die Normierung der Zählraten für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt in einer Alternative des Verfahrens auf einen Wert, der aus den Zählraten aller betrachteten Kanäle der jeweiligen Leermessung bei der gleichen Energieschwelle ermittelt wird. Hierbei kann der einfache (arithmetische) Mittelwert der Zählraten der Kanäle verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, einen gewichteten Mittelwert, den Median, oder ein anderes Quantil zur Normierung heranzuziehen. Die Nutzung dieser Normierung ermöglicht es, die Varianz der jeweiligen normierten Zählraten jedes Kanals über die Energiespektren als Abstandsmaß heranzuziehen, das durch die Variation der Schwellenwerte minimiert wird, vorzugsweise über einen geeigneten Minimierungs-Algorithmus. Derartige Algorithmen zur Minimierung eines Abstandsmaßes sind allgemein bekannt. Dieses Abstandsmaß hat den Vorteil, dass bei einer Aufteilung des Detektors in Module und einer Durchführung des Verfahrens innerhalb dieser Module nur eine geringe Informationsmenge zwischen den Modulen übertragen werden muss.
In einer weiteren Alternative wird die Normierung der Zählrate in anderer Weise durchgeführt. Dies erfordert mindestens drei unterschiedliche Energiespektren, von denen eines als Referenzspektrum genutzt wird. Die Zählrate jedes Kanals, dessen Komparator auf die gleiche Energieschwelle eingestellt ist, wird nun mit der Zählrate des gleichen Kanals normiert, die bei Messung mit dem Referenzspektrum bei gleicher Einstellung des Komparators erhalten wurde. In dieser Alternative kann dann als Abstandsmaß eine Abweichung der normierten Zählrate des jeweiligen Kanals von den normierten Zählraten der anderen Kanäle, deren Schwellenwerte auf diese Energieschwelle eingestellt sind, über die unterschiedlichen spektralen Zusammensetzungen der Strahlung herangezogen werden. Dieses Abstandsmaß wird wiederum durch einen Minimierungsalgorithmus minimiert. Mit diesem Abstandsmaß wird in der Regel eine bessere Optimierung als mit dem weiter oben angeführten Abstandsmaß erreicht, da der Minimierungsalgorithmus schneller konvergiert.
Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich in einer zweiten Ausgestaltung auch in anderer Weise durchführen, da die Anzahl der unterschiedlichen Einstellungen für die elektronischen Schwellenhöhen in einem Detektor in der Regel begrenzt ist, typischerweise auf < 100. Damit kann das Verfahren im einfachsten Fall so erfolgen, dass die Leermessungen mit allen zur Verfügung stehenden Schwellenwerten durchgeführt werden, um anschließend die Schwellenwerte mit der geringsten Variation der normierten Zählraten über die unterschiedlichen Spektren zu bestimmen. Die Messungen können hierbei vorab, d. h. vor dem Ablauf des Minimierungsalgorithmus vorgenommen werden. Die Minimierung erfolgt dann durch den Algorithmus auf den bereits vorhandenen Daten.
Wenn Schwankungen der Zählrate aufgrund von Schwankungen des von der eingesetzten Strahlungsquelle emittierten Röntgenflusses auftreten, bspw. aufgrund von Schwankungen des Röntgenstromes, sollten diese vermieden oder korrigiert werden. Die Korrektur kann bspw. durch zusätzliche Normierung der Zählraten auf das Signal eines Dosis-Monitors erfolgen. Die Korrektur von Schwankungen des emittierten Röntgenflusses muss dabei allerdings nur innerhalb der Messungen mit einem Spektrum konsistent sein, d. h. eine spektrale Abhängigkeit des Dosis-Monitors ist unproblematisch und muss nicht korrigiert werden.
Bei einem typischen CT-Röntgendetektor ist die Wahl der Größe der Detektorelemente bzw. Pixelgröße nicht durch die zu erzielende Auflösung, sondern primär durch die maximale Zählrate eines Kanals bestimmt. Um den zu erwartenden Röntgenfluss bei der gegebenen maximalen Zählrate eines Kanals verarbeiten zu können, muss die Pixelgröße kleiner gewählt werden als für die zu erzielende Auflösung notwendig wäre. Die Zählergebnisse mehrerer nebeneinander liegender Kanäle bzw. Pixel werden daher entweder schon im Detektor selbst oder bei nachfolgenden Verarbeitungsschritten zusammengefasst. Die zusammengefassten nebeneinander liegenden Pixel bilden einen Verbund, der als Makropixel bezeichnet werden kann. Diese Zusammenfassung der Zählraten mehrerer Pixel eröffnet beim vorliegenden Verfahren die Möglichkeit, die Auflösung der elektronischen Schwelle des zusammengefassten Wertes bzw. des Makropixels durch Dithering gegenüber der Auflösung der Einzelschwellen der Pixel zu steigern. Dies erfordert ein Verfahren, das den Sollwert der Schwelle mit einer höheren Auflösung bestimmt als sie durch die Auflösung der Schwelleneinstellung der einzelnen Kanäle im verwendeten Detektor gegeben ist. Das vorgeschlagene Verfahren, insbesondere mit der zweitgenannten Abstandsfunktion, ist dazu besonders gut geeignet, da sich diese Abstandsfunktion um ihr Minimum gut interpolieren lässt. Ausgehend vom Sollwert der elektronischen Schwelle werden die tatsächlich eingestellten elektronischen Schwellen der Komparatoren der zu einem Makropixel gehörenden Pixel nun so manipuliert, dass sich nach der Addition bzw. anderweitigen Verrechnung der Zählergebnisse eine effektive Schwelle ergibt, die der gewünschten Soll-Schwelle nahe kommt. Im einfachsten Fall werden dazu die elektronischen Schwellen der jeweils benachbarten Kanäle des Makropixels so gewählt, dass der Mittelwert dieser elektronischen Schwellen möglichst nahe am Soll-Wert liegt. Liegt die Einstellschrittweite der einzelnen Komparatoren bspw. bei 1 keV, so kann sich bei Zusammenfassung von vier Kanälen eine mittlere Energieschwelle von 40,25 keV ergeben, in dem die Energieschwelle in drei Kanälen auf 40 keV und in einem Kanal auf 41 keV gestellt wird.
In einer möglichen weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann dieses Dithering in die Optimierung einbezogen werden. Dazu wird das Verfahren zuerst wie bereits beschrieben durchgeführt. Dann wird ausgehend von den ermittelten Schwellenwerten ein zweiter Durchlauf durchgeführt, bei dem jeweils die zusammengefassten Zählraten der Makropixel, d. h. der zu einem gemeinsamen Kanal zusammengefassten Kanäle mehrerer Pixel, herangezogen werden. Die Schwellenwerte der Komparatoren der einzelnen Kanäle werden dabei so gewählt, dass für jeden gemeinsamen Kanal die gewünschte (mittlere) Energieschwelle erreicht wird, und anschließend unabhängig voneinander variiert. Wichtig bei diesem zweiten Durchlauf ist, die mögliche Änderung der Schwellenwerte gegenüber dem Ergebnis des ersten Durchgangs zu begrenzen, z.B. auf maximal einen Schwellenwert Änderung. Ansonsten läuft man Gefahr, dass z.B. eine Schwelle von 40 keV aus der Kombination 20 keV + 60 keV gebildet wird, was zwar numerisch korrekt sein könnte, aber die Energieauflösung des Detektors beeinträchtigt. Der zweite Durchlauf der Optimierung ist insofern qualitativ unterschiedlich zum ersten Durchlauf, als dass jetzt in einem mehrdimensionalen Parameterraum optimiert wird, weil die Schwellen mehrerer Pixel in eine Optimierung einfließen. Im ersten Durchlauf wurde jeweils nur ein Parameter (die Schwelle des Einzelpixels) variiert.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
1 eine stark schematisierte Darstellung eines Computertomographen, mit dem das Verfahren durchführbar ist,
2 ein erstes Beispiel für einen Verfahrensablauf des vorgeschlagenen Verfahrens,
3 ein zweites Beispiel für einen Verfahrensablauf des vorgeschlagenen Verfahrens,
4 ein drittes Beispiel für einen Verfahrensablauf des vorgeschlagenen Verfahrens sowie
5 eine schematische Darstellung der Komponenten eines quantenzählenden mehrkanaligen Strahlungsdetektors.
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend für das bevorzugte Anwendungsgebiet, die Einstellung der Schwellenwerte eines Röntgendetektors in einem Computertomographen (CT) oder Röntgen-C-Bogen-Gerät anhand mehrerer Ausführungsbeispiele nochmals näher erläutert. Dabei wird wie bereits bei der vorangehenden Erläuterung davon ausgegangen, dass der Röntgendetektor pro Kanal bzw. Detektorelement oder Pixel nur einen Komparator besitzt und alle Kanäle auf den gleichen Energieschwellenwert eingestellt werden sollen. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass mit dem Detektor in diesem Beispiel bereits eine Energiekalibrierung bspw. mittels k-Fluoreszenzstrahlern durchgeführt wurde, wodurch den bei dem Detektor einstellbaren Schwellenwerten bzw. elektrischen Schwellenhöhen bereits Energien bzw. Energieschwellenwerte zugeordnet wurden.
Für die Durchführung des Verfahrens ist es erforderlich, mit dem Detektor mehrere Leermessungen bei unterschiedlicher spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung durchzuführen. In 1 ist hierzu stark schematisiert ein Computertomograph dargestellt, mit dem das Verfahren durchführbar ist. Der Computertomograph weist in bekannter Weise einen Drehrahmen 1 auf, an dem sich gegenüberliegend eine Röntgenröhre 2 sowie der in den Schwellenwerten einzustellende Röntgendetektor 3 angeordnet sind. Für die Durchführung der Leermessungen, d. h. bei einem Computertomographen die Aufzeichnung von Leerbildern, wird der Drehrahmen 1 nicht bewegt und der Patientenlagerungstisch 5 aus dem Aufnahmebereich des Röntgensystems gefahren. Das von der Röntgenröhre 2 emittierte Röntgenstrahlbündel 6 trifft somit idealerweise mit einer über alle Detektorelemente gleichen Röntgenenergieverteilung auf den Röntgendetektor 3 auf. Zur Erzeugung der unterschiedlichen Energiespektren der Röntgenstrahlung, mit denen die Leerbilder aufgezeichnet werden, kann entweder die Beschleunigungsspannung an der Röntgenröhre 2 gezielt geändert werden oder es können unterschiedliche Filter in den Strahlengang zwischen Röntgenröhre 2 und Röntgendetektor 3 eingefügt werden. Die Weiterverarbeitung der vom Röntgendetektor 3 erfassten Messdaten erfolgt in der Steuer- und Auswerteeinheit 4 des Computertomographen.
Die 2 zeigt nun ein erstes Beispiel für Verfahrensschritte zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens. In einem ersten Schritt 100 wird jeder Kanal auf die aus der Energiekalibrierung ermittelte elektronische Schwelle eingestellt, die der gewünschten Energieschwelle entspricht. Im nächsten Schritt 110 wird eine Leermessung mit dem Computertomographen bei mindestens zwei unterschiedlichen spektralen Verteilungen der Röntgenstrahlung vorgenommen. Die Zählraten eines Kanals bei den unterschiedlichen Spektren unterscheiden sich, da der Anteil an Photonen mit einer Energie oberhalb der eingestellten Schwelle des Kanals aufgrund der nicht ausreichend genauen Energiekalibrierung für die unterschiedlichen Spektren differiert. Bei dem dargestellten Verfahrensbeispiel werden die Zählraten jedes Kanals mit der mittleren Zählrate aller Kanäle des Detektors normiert, die auf die gleiche Energieschwelle eingestellt werden sollen bzw. sind. Dies erfolgt im Schritt 120 der 2. Haben alle Kanäle bereits die gleiche Energieschwelle mit ausreichender Genauigkeit, so sind die normierten Zählraten jedes einzelnen Kanals über die unterschiedlichen Spektren für diesen Kanal konstant. Hat ein Kanal eine abweichende Energieschwelle, so wird seine normierte Zählrate über die unterschiedlichen Spektren variieren, da er einen anderen Teil des Spektrums zählt als die anderen Kanäle der gleichen Gruppe. Aufgrund der Vielzahl der Kanäle einer Gruppe bzw. des gesamten Detektors wie im vorliegenden Beispiel, kann die für die Normierung verwendete mittlere Zählrate in guter Näherung als für die Zielenergie passend angesehen werden.
Die Variation der normierten Zählrate eines Kanals über die unterschiedlichen Spektren dient beim vorgeschlagenen Verfahren als Abstandsmaß, das es zu minimieren gilt. Sie lässt sich auf unterschiedliche Weise quantifizieren. Im vorliegenden Beispiel wird die Varianz der normierten Zählrate über die Spektren als Abstandsmaß eingesetzt. Dieses Abstandsmaß hat den Vorteil, dass bei einer Aufteilung des Detektors in Module und Durchführung des Verfahrens innerhalb dieser Module nur eine geringe Informationsmenge zwischen den Modulen übertragen werden muss. In Schritt 130 wird daher bei dem Beispiel der 2 die Varianz der Zählraten jedes Kanals berechnet. Die Minimierung dieser Abstandsfunktion bzw. dieses Abstandsmaßes erfolgt über einen der bekannten Minimierungs-Algorithmen in Schritt 140. Dazu werden die Leermessungen mit veränderten elektronischen Schwellen für die Kanäle wiederholt, wobei die Veränderung der elektronischen Schwellen durch den Minimierungs-Algorithmus vorgegeben wird. Schritt 150 deutet hierbei die Änderung der Schwellenwerte an, mit denen die vorangehenden Verfahrensschritte erneut durchlaufen werden. Ist das Minimum der Abstandsfunktion ermittelt, werden in Schritt 160 die Komparatoren der Kanäle auf die Schwellenwerte eingestellt, bei denen sich das Minimum der Abstandsfunktion ergibt. Bei diesen angepassten Schwellenwerten ist die Variation der normierten Zählraten über die unterschiedlichen spektralen Verteilungen minimal, so dass damit die gewünschte Homogenisierung der Schwellenwerte des Detektors erreicht ist.
Da die Minimierung der Abstandsfunktion für jeden Kanal in erster Näherung (bis auf den Einfluss dieses Kanals auf den zur Normierung verwendeten Mittelwert) unabhängig von den anderen Kanälen erfolgen kann, hängt der Zeitaufwand für die Optimierung nicht von der Anzahl der Kanäle ab. Tatsächlich funktioniert das beschriebene Verfahren umso besser, je mehr Kanäle in die Normierung eingehen.
Die Vorgehensweise zur Homogenisierung der Schwellenwerte mit Hilfe der Varianz als Abstandsfunktion wird im Folgenden nochmals in allgemeinerer Form als Befehlsfolge dargestellt:
Für jede elektronische Schwelle sw
Für jedes Spektrum S
Nehme ein Leerbild auf und speichere die Zählwerte in C_S,sw(c) für alle Kanäle c.
Korrigiere die Zählwerte entsprechend der bei der jeweiligen Messung vom Strahler emittierten Röntgendosis, ermittelt z.B. durch einen Dosis-Monitor.
Für jedes Spektrum S
Ermittle die mittlere Zählrate I_S über alle Kanäle bei der elektronischen Schwelle sw0(c) für jeden Kanal c, die von dem vorangegangenen Kalibrationsschritt ermittelt wurde:
Für jede elektronische Schwelle sw
Für jeden Kanal c
Für jedes Spektrum S
Berechne die normierte Zählrate N_S,sw(c): N_S,sw(c) = C_S,sw(c)/I_S Berechne die Varianz var_sw(c) der normieren Zählrate N_S,sw(c) über die Spektren S:
Für jeden Kanal c
Wähle das Ergebnis die Schwelle sw, für die die Varianz var_sw(c) minimal ist.
Eine weitere Möglichkeit zur Quantifizierung eines Abstandsmaßes für die Minimierung der Variation der normierten Zählrate eines Kanals über die unterschiedlichen Spektren wird im Folgenden erläutert. Hierbei werden die Zählraten auf eines der Spektren normiert und eine Abstandsfunktion gebildet, die sich aus der quadratischen Differenz zwischen der normierten Zählrate und der mittleren normierten Zählrate über alle Detektorkanäle ergibt. Dieses Verfahren zeigt ein günstigeres Verhalten der Optimierung gegenüber dem vorangehend erläuterten Verfahren. Bei der Durchführung werden die Schritte 100 und 110 in gleicher Weise wie bei dem Beispiel der 2 durchgeführt. Anschließend erfolgt in Schritt 170 die Berechnung der normierten Zählraten durch Normierung der Zählrate jedes Kanals auf die Zählrate eines Referenzspektrums, die bei gleicher Einstellung des Schwellenwertes des jeweiligen Komparators bzw. Kanals erhalten wurde. Als Referenzspektrum wird hier ein beliebiges der bei den Leermessungen eingesetzten Spektren herangezogen. Das Verfahren erfordert hier jedoch die Nutzung von mindestens drei unterschiedlichen Spektren. Im nächsten Schritt 180 erfolgt dann die Berechnung der quadratischen Summe über die Differenz zwischen der jeweiligen normierten Zählrate und dem Mittelwert der normierten Zählraten der jeweiligen Leermessung über die gemessenen Spektren. Auch hier wird über einen Minimierungs-Algorithmus 140 dieses Abstandsmaß verringert, wobei die Leermessungen jeweils mit in Schritt 150 veränderten elektronischen Schwellen für die Kanäle wiederholt werden, die durch den Minimierungs-Algorithmus vorgegeben werden. Dies ist wiederum in 3 angedeutet. Hat der Minimierungs-Algorithmus 140 das Minimum des Abstandsmaßes ermittelt, so werden die dabei erhaltenen elektronischen Schwellenhöhen bzw. Schwellenwerte in Schritt 160 für die Einstellung der Komparatoren bzw. Kanäle des Detektors verwendet. Dies entspricht der Vorgehensweise der 2.
Auch hier wird im Folgenden diese Verfahrensvariante nochmals in allgemeinerer Form als Befehlsfolge dargestellt:
Für jede elektronische Schwelle sw
Für jedes Spektrum S
Nehme ein Leerbild auf und speichere die Zählwerte in C_S,sw(c) für alle Kanäle c.
Korrigiere die Zählwerte entsprechend der bei der jeweiligen Messung vom Strahler emittierten Röntgendosis, ermittelt z.B. durch einen Dosis-Monitor.
Wähle ein Spektrum S₀ aus den verfügbaren Spektren
Für jeden Kanal c
Für jede Schwelle sw
Für jedes Spektrum S
Dividiere die Zählwerte C_S,sw(c) durch die Werte C_S0,sw(c), die für das Spektrum S₀ gemessen wurden. Dies ergibt die S₀-kalibrierten Zählwerte C´_S,sw: C´_S,sw(c) = C_S,sw(c)/C_S0,sw(c)
Für das Spektrum S₀ ergibt sich durch diese Normierung ein konstanter Wert C´_S0,sw von eins. In den folgenden Berechnungen kann dieser Wert entweder berücksichtigt werden oder das Spektrum S₀ wird von den Berechnungen ausgenommen.
Für jedes Spektrum S
Ermittle aus den S₀-kalibrierten Zählwerten C´_S,sw(c) die mittlere S₀-kalibrierte Zählrate I_S über alle Kanäle bei der elektronischen Schwelle für jeden Kanal, die von dem vorangegangenen Kalibrationsschritt ermittelt wurde:
Für jede elektronische Schwelle sw
Für jeden Kanal c
Berechne die quadratische Summe d_sw(c) über die Differenz zwischen der S₀-kalibrierten Zählrate C´_S,sw(c) und der mittleren S₀-kalibrierten Zählrate I_S über die Spektren S:
Für jeden Kanal c
Wähle als Ergebnis die Schwelle, für die d_sw(c) minimal ist.
Die bekannten quantenzählenden mehrkanaligen Röntgendetektoren verfügen nur über eine begrenzte Anzahl von Schwellenwerten bzw. Schwellenhöhen, auf die die Komparatoren der einzelnen Kanäle eingestellt werden können. Im Beispiel der 4 wird daher ein Verfahrensablauf beschrieben, bei dem die Leermessungen vorab durchgeführt werden und der Minimierungsalgorithmus anschließend lediglich die zur Verfügung stehenden Daten verarbeitet, um die (angepassten) Schwellenwerte zu finden, mit denen die geringste Varianz der Zählwerte bei einer vorgegebenen Energieschwelle über die einzelnen Spektren erreicht wird. Hierzu werden in Schritt 190 Leermessungen bei den unterschiedlichen Spektren mit sämtlichen möglichen Schwellenwerten durchgeführt. Im Schritt 200 werden dann jeweils die normierten Zählraten berechnet und in Schritt 210 mit dem Minimierungsalgorithmus die Minimierung des genutzten Abstandsmaßes durchgeführt. Hierbei kann sowohl das Abstandsmaß der 2 als auch das Abstandsmaß der 3 für die Minimierung der Variation der Zählraten über die unterschiedlichen Spektren genutzt werden. Die dabei ermittelten Schwellenwerte werden wiederum in Schritt 160 zur Einstellung der Komparatoren des Röntgendetektors genutzt.
Die 5 zeigt ein stark schematisiertes Beispiel für den Aufbau eines quantenzählenden mehrkanaligen Röntgendetektors und dessen Signalverarbeitung. Der Röntgendetektor 3 besteht aus einer Vielzahl von Detektorelementen 7, von denen in der Figur lediglich vier beispielhaft dargestellt sind. Die auf jedes Detektorelement 7 einfallenden Röntgenquanten erzeugen aufgrund des Detektoraufbaus Ladungspulse, die durch die analoge Signalverarbeitungskette 8 verstärkt und geformt werden und in einem Komparator 9 mit einstellbaren Schwellenhöhen verglichen werden. Werden die eingestellten Schwellenhöhen überschritten, so wird ein Zählpuls erzeugt, der einem Zähler 10 zugeführt wird. Die Zählraten dieses Zählers 10 für jedes Detektorelement 7 bzw. jeden Kanal werden beim vorgeschlagenen Verfahren für die Auswertung verwendet.
Bei Nutzung von Röntgendetektoren, bei denen mehrere benachbarte Detektorelemente zu einem sog. Makropixel zusammengefasst werden, werden die von jedem einzelnen Detektorelement eines Makropixels gezählten Zählraten zusammengefasst. Dies ist schematisch in 5 für jeweils zwei zu einem Makropixel zusammengefasste Detektorelemente durch die Summiereinheiten 11 angedeutet. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die Zählimpulse der zusammengefassten Detektorelemente bereits einem gemeinsamen Zähler zuzuführen, so dass dann die Summiereinheiten 11 nicht benötigt werden. Dieser Schritt kann natürlich auch in einem Verarbeitungsschritt per Software außerhalb des Detektors ablaufen.
Für die Homogenisierung der Schwellenwerte eines derartigen Röntgendetektors mit aus mehreren Detektorelementen gebildeten Makropixeln wird das Verfahren in gleicher Weise für die einzelnen Kanäle bzw. Pixel durchgeführt und die Zielenergieschwelle dann mittels Dithering eingestellt. Die jeweils einzustellende Zielenergieschwelle kann hierbei mit höherer Energieauflösung festgelegt werden, als bei der Nutzung eines Röntgendetektors ohne zusammengefasste Detektorelemente. Werden z.B. vier Einzelpixel zusammengefasst und die Zielenergieschwelle wurde zu 40,25 keV ermittelt bei einer Granularität der Schwellen von 1 keV, so wird die Schwelle eines der Pixel auf 41 keV eingestellt und die Schwellen der anderen drei Pixel auf 40 keV. Welcher der vier Pixel auf 41 keV gestellt wird ist unerheblich. Als mittlere Schwelle ergibt sich dann (in linearer Näherung) 40,25 keV. Dieses Dithering lässt sich verbessern, wenn nicht linear genähert wird, sondern die Form des Spektrums und die individuelle Quanteneffizienz der Einzelpixel berücksichtigt wird. Im Allgemeinen ist bei den praktisch vorkommenden Spektren aber eine lineare Interpolation schon sehr gut geeignet.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird der Effekt der Abhängigkeit des Leerbildes vom Spektrum der einfallenden Röntgenstrahlung als Optimierungskriterium genutzt, um durch Variation der elektrischen Schwellenhöhen der einzelnen Kanäle und durch Minimierung der spektralen Abhängigkeit des Leerbildes die Schwellendispersion zu verringern. Damit wird genau das Kriterium optimiert, dessen Abweichung vom Idealfall bei der Weiterverarbeitung der Daten Schwierigkeiten, bspw. Bildartefakte, verursacht. Bei der Nutzung von Röntgendetektoren mit zusammengefassten Detektorelementen bzw. Pixeln lässt sich die effektive Auflösung der elektronischen Schwellen durch Dithering verbessern. Dies funktioniert besonders gut bei Nutzung des oben angeführten zweiten Abstandsmaßes, da dieses für die dazu notwendige Interpolation besonders gut geeignet ist.
Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens ist es lediglich erforderlich, das Spektrum der einfallenden Röntgenstrahlung zu ändern. Dies kann bei nahezu jedem medizinisch genutzten Röntgensystem durch Änderung der Beschleunigungsspannung, durch das Einbringen von Filtern in den Strahlengang oder durch Scannen eines geeigneten Phantoms, welches effektiv die Einbringung der verschiedenen Filter in den Strahlengang bewirkt, erreicht werden, da diese Möglichkeiten bei den Geräten bereits vorhanden sind und somit keinen zusätzlichen Aufwand erfordern. Das vorgeschlagene Verfahren verbessert das Ergebnis der bekannten Kalibrationsverfahren, da es genau die Unterschiede in der spektralen Empfindlichkeit zwischen den Kanälen eines Detektors minimiert, die in der Weiterverarbeitung der Bilddaten zu Problemen führen. Das Verfahren ist gegenüber den Unterschieden in der Empfindlichkeit der Kanäle, bspw. aufgrund der Pixelgröße oder unterschiedlicher Quanteneffizienz, unempfindlich und läuft nicht Gefahr, die unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Kanäle durch eine Änderung der Schwellen zu kompensieren.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Homogenisierung von Schwellenwerten eines mehrkanaligen quantenzählenden Strahlungsdetektors (3), der für jeden Kanal mindestens einen Komparator (9) mit einem einstellbaren Schwellenwert aufweist, bei dem – ein Detektor (3) eingesetzt wird, bei dem den einstellbaren Schwellenwerten der Komparatoren (9) Energieschwellen zugeordnet sind, – mit dem Detektor (3) bei unterschiedlichen spektralen Zusammensetzungen der Strahlung jeweils Leermessungen mit unterschiedlich eingestellten Schwellenwerten der Komparatoren (9) durchgeführt werden, und – für jeden Kanal, dessen Komparator (9) auf die gleiche Energieschwelle eingestellt werden soll, aus den Leermessungen ein angepasster Schwellenwert für diese Energieschwelle ermittelt wird, bei dem eine Variation einer normierten Zählrate des Kanals über die unterschiedlichen spektralen Zusammensetzungen der Strahlung verringert oder minimiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine erste Leermessung bei den unterschiedlichen spektralen Zusammensetzungen der Strahlung durchgeführt wird, bei der die Schwellenwerte der Komparatoren (9), die auf die gleiche Energieschwelle eingestellt werden sollen, auf einen der Energieschwelle zugeordneten Wert eingestellt sind, aus den ersten Leermessungen jeweils die normierten Zählraten berechnet werden und anschließend weitere Leermessungen in gleicher Weise durchgeführt werden, bei denen die Schwellenwerte der Komparatoren (9) variiert werden, die auf die gleiche Energieschwelle eingestellt werden sollen, bis für jeden der betrachteten Kanäle ein Maß für eine Variation der normierten Zählraten des Kanals über die unterschiedlichen spektralen Zusammensetzungen der Strahlung verringert oder minimiert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Schwellenwerte bei den weiteren Leermessungen jeweils durch einen Minimierungs-Algorithmus vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zählraten der Kanäle jeweils auf einen aus den Zählraten aller Kanäle der jeweiligen Leermessung ermittelten Wert normiert werden, deren Komparator (9) auf die gleiche Energieschwelle eingestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zählraten der Kanäle jeweils auf einen Mittelwert, gewichteten Mittelwert, Median oder ein anderes Quantil aus den Zählraten aller oder einiger der Kanäle der jeweiligen Leermessung normiert werden, deren Komparator (9) auf die gleiche Energieschwelle eingestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimierung der Variation der normierten Zählrate des Kanals über die unterschiedlichen spektralen Zusammensetzungen der Strahlung anhand der Minimierung der Varianz der normierten Zählraten über die unterschiedlichen spektralen Zusammensetzungen der Strahlung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der spektralen Zusammensetzungen als Referenzspektrum gewählt wird und die Zählrate jedes Kanals, dessen Komparator (9) auf die gleiche Energieschwelle eingestellt ist, jeweils auf eine Zählrate des gleichen Kanals (9) bei der Leermessung mit dem Referenzspektrum und gleicher Einstellung des Komparators (9) normiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung des angepassten Schwellenwertes eine Abweichung der normierten Zählrate des jeweiligen Kanals von den normierten Zählraten der anderen Kanäle über die spektralen Zusammensetzungen der Strahlung minimiert wird, deren Schwellenwerte auf diese Energieschwelle eingestellt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Homogenisierung von Schwellenwerten eines mehrkanaligen quantenzählenden Strahlungsdetektors, der für jeden Kanal mindestens einen Komparator (9) mit einem einstellbaren Schwellenwert aufweist, wobei Zählraten mehrerer benachbarter Kanäle zur Bildung eines gemeinsamen Kanals zusammengefasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Komparatoren (9) des gemeinsamen Kanals auf unterschiedliche Schwellenwerte eingestellt werden, um eine Energieschwelle für den gemeinsamen Kanal zu erhalten, die zwischen den Energieschwellen der einzelnen Komparatoren (9) liegt.