DE102011083832B4

DE102011083832B4 - Verfahren zum Gewinnen eines Röntgenbildes mit einem direkt-konvertierenden, zählenden Röntgendetektor und direkt-konvertierender, zählender Röntgendetektor

Info

Publication number: DE102011083832B4
Application number: DE201110083832
Authority: DE
Inventors: Klaus Klingenbeck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2031-10-01
Also published as: DE102011083832A1; DE102011083832A8

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt Verfahren (1) zum Gewinnen eines Röntgenbildes (29) mit einem direkt-konvertierenden, zählenden Röntgendetektor (10), der zumindest ein Raster (26) von Pixelelektroden (15) mit definierten Ortskoordinaten (25), einen Röntgenkonverter (13) zum Generieren von Ladungsträgern (20) bei einfallenden Röntgenquanten (12), eine Top-Elektrode (19) zum Generieren eines elektrischen Feldes (21) im Röntgenkonverter (13), und wenigstens ein Detektionsmittel (16) zur ortsaufgelösten Detektion von, über der Zeit auf die Pixelelektroden (15) mit definierten Ortskoordinaten (25) auftreffenden, Ladungsträgern (20), umfasst. Das Verfahren (1) umfasst folgende Verfahrensschritte: S1) während einer bestimmten Zeitspanne ortsaufgelöste Detektion und Zählung (24) von auf den Pixelelektroden (15) auftreffenden Ladungsträgern (20); S2) Berechnen einer effektiven Ortskoordinate (28) und einer Intensität (30) eines Pixels, wobei in die Berechnung der nach der bestimmten Zeitspanne ortsaufgelöste Zählerstand (23) von auf den Pixelelektroden (15) aufgetroffenen Ladungsträgern (20) eingeht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gewinnen eines Röntgenbildes mit einem direkt-konvertierenden, zählenden Röntgendetektor. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung einen direkt-konvertierenden, zählenden Röntgendetektor.
Zur diagnostischen Untersuchung und für interventionelle Eingriffe, beispielsweise in der Kardiologie, der Radiologie oder der Chirurgie, werden zur medizinischen Bildgebung häufig Röntgensysteme eingesetzt. Diese Röntgensysteme bestehen meist aus einem C-Bogen, an dem in gegenüberliegender Lage eine Röntgenröhre und ein Röntgendetektor angebracht sind, einem Hochspannungsgenerator zur Erzeugung einer Röhrenspannung, einem Bildgebungssystem mit mindestens einem Monitor, einer Systemsteuereinheit und einem Patiententisch. Bekannt sind auch Systeme mit zwei Ebenen, d. h. mit zwei C-Bögen, die ebenfalls in der interventionellen Radiologie eingesetzt werden.
Röntgendetektoren sind heute meist als Röntgenflachdetektoren ausgebildet. Sie werden in vielen Bereichen der medizinischen Röntgendiagnostik und der Intervention eingesetzt, beispielsweise in der Radiographie, der interventionellen Radiologie oder in der Kardangiographie. Weitere Einsatzgebiete sind auch die Therapieunterstützung durch Bildgebung im Rahmen der Kontrolle und der Bestrahlungsplanung oder der Mammographie.
Aus technischer Sicht sind heutige Röntgenflachdetektoren meist indirekt-konvertierende, integrierende Flachdetektoren. Ein solcher Flachdetektor besteht im Allgemeinen aus einer Vielzahl an aktiven Röntgenstrahlungsdetektorelementen, die in einer Matrixstruktur angeordnet sind. Ein Röntgenstrahlungsdetektorelement umfasst eine Photodiode und ein Schaltelement aus amorphem Silizium, sowie eine Ansteuer- und Ausleseelektronik. Auf den Röntgendetektorelementen befindet sich eine Schicht aus Szintillatormaterial, z. B. aus Cäsiumjodid, die auftreffende Röntgenstrahlenquanten in Lichtquanten umwandelt. Alternative aktive Auslesematrizen sind z. B. auf Basis von CMOS-Technologien, engl. Complementary Metal Oxide Semiconductor, also komplementäre Metalloxid-Halbleiter, bzw. verwandten Technologien oder auch auf Basis von polykristallinem Silizium, p-Si, ausgeführt.
Ein Ziel zukünftig einzusetzender Röntgendetektoren ist, die Quanten nicht mehr zu integrieren sondern zu zählen oder deren Energie zeitlich aufzulösen. Hiermit ließen sich beispielsweise die niederenergetischeren Quanten, die einen größeren Anteil am Objektkontrast tragen, gleich bzw. höher gewichten als höherenergetische Röntgenquanten. Außerdem eröffnet diese Technologie neue Applikationsfelder.
Derzeit werden halbleiterbasierte Röntgenkonverter, insbesondere auf Basis von Cadmiumtellurid, CdTe, oder Cadmium-Zink-Tellurid, CdZnTe bzw. CZT, für quantenzählende Röntgendetektoren favorisiert. Aber auch alternative Direktkonverter auf Halbleiterbasis wie z. B. PbO, PbJ₂, HgJ₂, etc. werden seit längerem untersucht.
Die prinzipielle Funktionsweise eines direkt-konvertierenden, zählenden Röntgendetektors kann folgendermaßen beschrieben werden: Wenn ein Röntgenquant in beispielsweise einem Photohalbleiter absorbiert wird, wird in einem kleinen Volumen eine Vielzahl von Ladungsträgern, Elektronen-Loch-Paaren, erzeugt. Im Folgenden werden vereinfachend nur die Elektronen betrachtet. Unter dem Einfluss eines angelegten elektrischen Feldes driften die Elektronen zu Sammelelektroden, die als ein Raster von einzelnen Pixelelektroden ausgeführt sein können. Während die Elektronen zu den Sammelelektroden driften, findet gleichzeitig quer zu dem angelegten elektrischen Feld eine ungerichtete Diffusion, d. h. eine Bewegung quer zu dem angelegten elektrischen Feld in alle Richtungen, statt. Daher kommt es häufig vor, dass die Absorption eines Röntgenquants zu Signalen, insbesondere Zählereignissen, in der Ausleseelektronik mehrerer benachbarter Pixeln führt. Durch Summation der Signale aus den entsprechenden Pixeln kann das Gesamtsignal, d. h. die Energie des absorbierten Röntgenquants wieder restauriert werden. Dieses Verfahren ist beispielsweise in dem „Medipix3” genannten CMOS-Pixel-Detektor-Auslese-Chip der Entwicklergruppe „The Medipix Team”, Microelectronics Group, PH Department, CERN, Geneva, Switzerland, realisiert. Das Problem der Bestimmung des Ortes der Absorption wird bei „Medipix3” dadurch gelöst, dass die Pixelelektrode mit der größten Signalamplitude ausgewählt wird.
In der Patentschrift US 2011/0155918 A1 ist ein Verfahren zum Gewinnen einen Röntgenbildes beschrieben, bei dem aus Ladungsverteilungen, die auf mehreren Pixelelektroden detektiert werden, effektive Ortskoordinaten von einfallenden Photonen bestimmt werden.
Die Patentschrift DE 10 2004 048 962 B4 stellt eine digitale Röntgenaufnahmevorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme von Röntgenabbildungen in einer digitalen Röntgenaufnahmevorrichtung vor. Zur Messung und Zählung von durch Röntgenquanten einer Röntgenstrahlung erzeugten Ladungspulsen wird dabei vorgeschlagen, eine Detektierung einer innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls auftretenden Koinzidenz von Ladungspulsen einer Pixel-Ausleseeinheit und von Ladungspulsen mindestens einer angrenzenden Pixel-Ausleseeinheit und eine Summierung der entsprechenden Ladungspulse zu einem Gesamtladungspuls als Basisgrößen für eine weitere Auswertung vorzusehen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein besseres Verfahren zum Gewinnen eines Röntgenbildes mit einem direkt-konvertierenden, zählenden Röntgendetektor anzugeben.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren zum Gewinnen eines Röntgenbildes mit einem direkt-konvertierenden, zählenden Röntgendetektor mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Patentanspruchs und einem direkt-konvertierenden, zählenden Röntgendetektor mit den Merkmalen des zweiten unabhängigen Patentanspruchs.
Der Grundgedanke der Erfindung ist ein Verfahren zum Gewinnen eines Röntgenbildes mit einem direkt-konvertierenden, zählenden Röntgendetektor. Der direkt-konvertierende, zählende Röntgendetektor weist zumindest ein Raster von Pixelelektroden mit definierten Ortskoordinaten, einen Röntgenkonverter zum Generieren von Ladungsträgern bei einfallenden Röntgenquanten, eine Top-Elektrode zum Generieren eines elektrischen Feldes im Röntgenkonverter, und wenigstens ein Detektionsmittel zur ortsaufgelösten Detektion von, über der Zeit auf die Pixelelektroden mit definierten Ortskoordinaten auftreffenden, Ladungsträgern, auf. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:

S1) während einer bestimmten Zeitspanne ortsaufgelöste Detektion und Zählung von auf den Pixelelektroden auftreffenden Ladungsträgern, wobei während der bestimmten Zeitspanne ein zweites elektrisches Feld im Röntgenkonverter, das orthogonal zu dem elektrischen Feld zwischen Pixelelektroden und Top-Elektrode, ausgerichtet ist, angelegt ist;
S2) Berechnen einer effektiven Ortskoordinate und einer Intensität eines Pixels, wobei in die Berechnung der nach der bestimmten Zeitspanne ortsaufgelöste Zählerstand von auf den Pixelelektroden aufgetroffenen Ladungsträgern eingeht.

Das Verfahren geht somit von einem direkt-konvertierenden, zählenden Röntgendetektor, im Folgenden auch nur kurz Röntgendetektor genannt, aus. Der direkt-konvertierende, zählende Röntgendetektor weist ein Raster von einzelnen Pixelelektroden mit definierten Ortskoordinaten auf. Zweckmäßig sind die Pixelelektroden in einer Matrixstruktur, von z. B. 1000 mal 1000 Pixeln, angeordnet. Unter definierten Ortskoordinaten soll verstanden werden, dass jede Pixelelektrode, z. B. durch einen zweidimensionalen Vektor oder durch einen fortlaufenden Index, eindeutig zuordenbar ist. Ortsvektor und Ortskoordinate werden als Synonyme verwendet, da sie eindeutig ineinander überführbar sind. Weiter weist der Röntgendetektor einen Röntgenkonverter, z. B. aus Cadmiumtellurid, zum Generieren von Ladungsträgern bei einfallenden Röntgenquanten auf. Eine Top-Elektrode bildet mit dem Röntgenkonverter und dem Raster der Pixelelektroden eine Lagenstruktur aus. Bei Anlegen einer Spannung an Top-Elektrode und den Pixelelektroden bildet sich im Röntgenkonverter ein elektrisches Feld aus. Wenigstens ein Detektionsmittel, z. B. eine elektronische Schaltung, dient der ortsaufgelösten Detektion von Ladungsträgern, die über der Zeit auf die Pixelelektroden auftreffen. Zweckmäßig ist jeder Pixelelektrode ein Detektionsmittel zugeordnet, was z. B. dadurch realisiert werden kann, dass sich in unmittelbarer Nachbarschaft zu jeder Pixelelektrode eine elektronische Detektionsschaltung für diese Pixelelektrode befindet.
Im ersten Verfahrensschritt erfolgt während einer bestimmten, d. h. einer festlegbaren, Zeitspanne, eine pixelelektrodenindividuelle Detektion und Zählung, der auftreffenden Ladungsträger, z. B. von Elektronen. Das heißt, nach der bestimmten Zeitspanne ist jeder Pixelelektrode ein Zählerstand zuordenbar. Wenigstens während der bestimmten Zeitspanne ist ein zweites elektrisches Feld im Röntgenkonverter, das orthogonal zu dem elektrischen Feld zwischen Pixelelektroden und Top-Elektrode, ausgerichtet ist, angelegt. Durch gezieltes Anlegen einer ”Querspannung”, die ein elektrisches Feld quer zu dem elektrischen Feld zwischen Pixelelektroden und Top-Elektrode ausbildet, kann die Diffusion der Elektronenwolke erzwungen werden. Dazu können seitliche Elektroden an den Halbleiter angebracht werden oder generelle Dotierungen des Materials eingebracht werden. Da dann für jedes absorbierte Röntgenquant mehrere Pixel ansprechen, kann das beschriebene Verfahren zur Auflösungssteigerung angewandt werden. So kann ein Detektor mit üblichen Pixelgrößen konzipiert werden, der aber eine über die Pixelgröße hinausgehende räumliche Auflösung erlaubt.
Im zweiten Verfahrensschritt erfolgen eine Berechnung einer effektiven Ortskoordinate und eine Berechnung einer Intensität eines Pixels. In die Berechnung der effektiven Ortskoordinate gehen die Zählerstände jeder Pixelelektrode ein. In die Berechnung der Intensität eines Pixels, insbesondere in die Berechnung der Intensität des Pixels mit der zuvor berechneten effektiven Ortskoordinate, gehen ebenfalls die Zählerstände jeder Pixelelektrode ein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Verfahren wiederholt ausgeführt und die berechnete effektive Ortskoordinate und/oder die berechnete Intensität des Pixels werden gespeichert, bis ein Abbruchkriterium, insbesondere das Erreichen einer vorgebbaren Anzahl an Verfahrensdurchläufen oder das Erreichen einer vorgebbaren Zeitdauer oder das Betätigen eines Tasters oder das Betätigen eines Schalters, erfüllt ist. In dieser Ausgestaltung wird somit das Verfahren solange wiederholt, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist. In jedem Verfahrensdurchlauf wird eine effektive Ortskoordinate und eine Intensität eines Pixels berechnet, die beide oder nur jeweils ein Wert, z. B. in einer Tabelle, gespeichert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die bestimmte Zeitspanne mit Hilfe wenigstens einer Koinzidenzschaltung vorgebbar. Koinzidenz bedeutet im Zusammenhang mit Röntgen- oder allgemeiner mit Strahlungsdetektoren, dass zwei oder mehr Signale „gleichzeitig” bzw. unterhalb einer vorgegebenen zeitlichen Auflösungsgrenze auftreten. Koinzidenzschaltungen oder Koinzidenzelektroniken sind aus dem Bereich der Nuklearkameras für Positronen-Emissions-Tomographie (PET) bekannt. In dieser Ausgestaltung eines Grundgedankens der Erfindung wird die Eigenschaft einer Koinzidenzelektronik, nämlich das quasi gleichzeitige Auftreten von Signalen an mehreren Pixelelektroden festzustellen, dazu genutzt, die Signale eines absorbierten Röntgenquants zu detektieren. Mit anderen Worten kann mit Hilfe einer Koinzidenzelektronik das gleichzeitige Ansprechen mehrerer Pixel festgestellt werden.
Vorzugsweise liegt die bestimmte Zeitspanne im Bereich von 100 ps bis wenige Nanosekunden. Bei Verwendung einer Koinzidenzelektronik zur Generierung der Zeitspanne, ist die Zeitspanne abhängig von der Ausgestaltung der Koinzidenzelektronik und kann dadurch, d. h. durch eine entsprechende Ausgestaltung oder Realisierung, eingestellt oder bestimmt werden.
Mit besonderem Vorteil umfasst die Berechnung der effektiven Ortskoordinate eine Schwerpunktbestimmung, in die die Ortskoordinaten der Pixelelektroden und die zugehörigen Zählerstände der Pixelelektroden eingehen. Insbesondere kann der Schwerpunkt r →_S = (x_S, y_S) nach folgender Formel bestimmt werden:
mit dem Index i über alle Pixelelektroden, r →_i dem Ortsvektor der Pixelelektrode i, s_i dem Zählerstand bzw. dem Signal der Pixelelektrode i, und S gleich der Summe der Zählerstände aller Pixelelektroden bzw. dem Gesamtsignal,
In dieser Ausgestaltung eines Grundgedankens der Erfindung wird somit das Problem, dass Ladungsträger, z. B. Elektronen, die durch die Absorption eines Röntgenquants gebildet werden und auf Grund von Diffusionseffekten nahezu gleichzeitig auf mehreren Pixelelektroden detektiert werden, dadurch gelöst, dass durch eine Schwerpunktberechnung eine effektive Ortskoordinate bestimmt wird, die den Ort der Absorption beschreibt. Ein Vorteil dieser Berechnungsvorschrift liegt darin, dass die effektive Ortskoordinate im Allgemeinen ein kontinuierlicher oder reeller Wert ist, im Gegensatz zu den Ortsvektoren der Pixelelektroden, die wegen ihres physikalischen Aufbaus nur diskrete oder ganzzahlige Werte annehmen können, bzw. auf diskrete oder ganzzahlige Werte zurückgeführt werden können. Somit kann durch dieses Verfahren die effektive Auflösung des Röntgendetektors über der physikalischen Auflösung des Röntgendetektors liegen. Oder mit anderen Worten, der Röntgendetektor erreicht eine Subpixel-Auflösung.
Die Intensität des detektierten Röntgenquants kann durch Summation der Einzelsignale bzw. der Summation der Zählereignisse, der detektierten Ladungsträger, z. B. Elektronen, auf den Pixelelektroden bestimmt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die effektive Ortskoordinate auf die Ortskoordinate der nächstliegenden Pixelelektrode gerundet. Es kann von Vorteil sein, z. B. zur Reduktion der Datenmenge eines Röntgenbildes oder zur einfachen Weiterverarbeitung der Daten, dass die im Allgemeinen kontinuierliche effektive Ortskoordinate auf die diskrete Ortskoordinate einer Pixelelektrode geändert wird. Zweckmäßig wird dazu die kontinuierliche effektive Ortskoordinate auf die diskrete Ortskoordinate der nächstliegenden Pixelelektrode gerundet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Raster von Pixelelektroden in wenigstens zwei Teilraster aufgeteilt und das Verfahren wird parallel für jedes der wenigstens zwei Teilraster durchgeführt. Da man im Allgemeinen davon ausgehen kann, dass durch ein absorbiertes Röntgenquant erzeugte Ladungsträger nicht über die gesamte Fläche des Röntgendetektors diffundieren, ist es zweckmäßig, das Pixelelektrodenraster des Röntgendetektors in mehrere Teilraster aufzuteilen und eines der erfindungsgemäßen Verfahren parallel für jedes dieser Teilraster durchzuführen. Denkbar ist auch, die Teilraster überlappend auszubilden, um an den Teilrastergrenzen keine Ladungsträger unberücksichtigt zu lassen.
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist ein direkt-konvertierender, zählender Röntgendetektor zum Gewinnen eines Röntgenbildes, der zumindest ein Raster von Pixelelektroden mit definierten Ortskoordinaten, einen Röntgenkonverter zum Generieren von Ladungsträgern bei einfallenden Röntgenquanten, eine Top-Elektrode zum Generieren eines elektrischen Feldes im Röntgenkonverter, wenigstens ein Detektionsmittel zur Detektion von, über der Zeit auf die Pixelelektroden mit definierten Ortskoordinaten auftreffenden, Ladungsträgern, umfasst. Der direkt-konvertierende, zählende Röntgendetektor weist wenigstens ein Zeit- und Berechnungsmittel auf, mit Hilfe dessen während einer bestimmten Zeitspanne, ortsaufgelöst, auf die Pixelelektroden auftreffende, Ladungsträger detektierbar und zählbar sind, wobei während der bestimmten Zeitspanne ein zweites elektrisches Feld im Röntgenkonverter, das orthogonal zu dem elektrischen Feld zwischen Pixelelektroden und Top-Elektrode, ausgerichtet ist, angelegt ist, und mit Hilfe des Zeit- und Berechnungsmittels eine effektive Ortskoordinate berechenbar ist, wobei in die Berechnung der effektiven Ortskoordinate der nach der bestimmten Zeitspanne ortsaufgelöste Zählerstand von auf den Pixelelektroden aufgetroffenen Ladungsträgern eingeht. Das Detektionsmittel und das Zeit- und Berechnungsmittel sind vorzugsweise als elektronische Schaltung, z. B. als Integrierte Schaltung in CMOS Technologie, ausgeführt. Zweckmäßig können die elektronischen Schaltungen zumindest teilweise verteilt an den zugehörigen Pixelelektroden angeordnet sein.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des zweiten Grundgedankens der Erfindung sieht vor, dass der direkt-konvertierende, zählende Röntgendetektor dazu ausgeführt ist, ein zuvor beschriebenes Verfahren auszuführen. Dazu umfasst der direkt-konvertierende, zählende Röntgendetektor in einer Ausgestaltung insbesondere eine Koinzidenzelektronik, wie sie beispielsweise aus Nuklearkameras für PET-Anwendungen bekannt ist, wodurch ein nahezu gleichzeitiges, d. h. unterhalb einer zeitlichen Auflösungsgrenze liegendes, Ansprechen mehrerer Detektionsmittel festgestellt werden kann.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden Figuren samt Beschreibung. Es zeigen:
1 schematisch einen prinzipiellen Aufbau eines direkt-konvertierenden, zählenden Flachdetektors;
2 schematisch einen prinzipiellen Aufbau einer Pixelelektrode mit Auswerteelektronik;
3 eine schematische Darstellung zur Erklärung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 ein Ausführungsbeispiel eines Ablaufdiagramms eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gewinnen eines Röntgenbildes mit einem direkt-konvertierenden, zählenden Röntgendetektor;
5 eine schematische Darstellung zur Erklärung der Berechnung einer effektiven Ortskoordinate und einer Intensität eines Pixels;
6 eine schematische Darstellung zur Erklärung eines Aufbaus eines Röntgenbildes.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen prinzipiellen Aufbau eines direkt-konvertierenden, zählenden Flachdetektors 10. Der Flachdetektor 10 umfasst eine Vielzahl an aktiven Röntgenstrahlungsdetektorelementen 11, die auf oder in einem Substrat 14 platziert sind und in einer Matrixstruktur in x- und y-Richtung angeordneten sind. Auf den Röntgendetektorelementen 11 befindet sich ein halbleiterbasierter Röntgenkonverter 13, z. B. auf Basis von Cadmiumtellurid, CdTe. Schlägt ein Röntgenquant 12 in den Röntgenkonverter 13 ein, kann es unter Erzeugung von Ladungsträgern absorbiert werden. Die Ladungsträger können sodann durch eine geeignete Auswerteelektronik detektiert werden.
2 zeigt beispielhaft und schematisch einen prinzipiellen Aufbau eines Röntgenstrahlungsdetektorelements 11. Das Röntgenstrahlungsdetektorelement 11 umfasst eine Pixelelektrode 15 und, nur angedeutet, eine Auswerteelektronik 16. Orthogonal angeordnete Zeilenleitungen 17 und Spaltenleitungen 18 ermöglichen das Auslesen und die eindeutige Zuordnung von Detektionsereignissen jeder Pixelelektrode 15.
Anhand 3 soll die Problematik und ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt werden. Sie zeigt schematisch einen Röntgendetektor 10 in einer Seitenansicht. Der Röntgendetektor 10 umfasst einen Röntgenkonverter 13, der insbesondere ein direktkonvertierendes Halbleitermaterial, wie CdTe, CdZTe, Hgl oder PbO enthält, in der 3 an der oberen Grenzschicht eine Top-Elektrode 19, die auf einem ersten Spannungspotential liegt, und in der 3 an der unteren Grenzschicht des Röntgenkonverters 13 angeordnet eine Reihe von Pixelelektroden 15, die auf einem zweiten Spannungspotential, das ungleich dem ersten Spannungspotential ist, liegen. Durch die unterschiedlichen Potentiale der Top-Elektrode 19 und der Pixelelektroden 15 bildet sich über der Dicke des Röntgenkonverters 13 ein elektrisches Feld 21 aus.
Beispielhaft wird ein erstes Röntgenquant 12 betrachtet, das auf den Röntgenkonverter 13 trifft und in ihn eindringt. Das Röntgenquant 12 wird im Röntgendetektorkonvertermaterial absorbiert. Bei dem Absorptionsprozess werden von einem Röntgenquant direkt Elektronen-Loch-Paare erzeugt, die sich entsprechend ihrer Ladung im elektrischen Feld 21 bewegen. Im Folgenden werden der Übersichtlichkeit wegen nur Elektronen 20 betrachtet, von denen ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen wird, dass sie aufgrund des elektrischen Feldes zu den Pixelelektroden 15 driften. Während die Elektronen 20 zu den Pixel- oder Sammelelektroden 15 driften, findet gleichzeitig quer zu dem angelegten elektrischen Feld 21 eine ungerichtete Diffusion, d. h. eine Bewegung quer zu dem angelegten elektrischen Feld 21 in alle Richtungen, statt. Dieser Vorgang ist durch Trajektorien 22 angedeutet. Durch die ungeordnete Diffusion treffen die Elektronen 20 häufig auf mehrere Pixelelektroden 15, wo sie durch eine zuvor beschriebene Ausleseelektronik detektiert werden und insbesondere einen Zählimpuls oder ein Zählereignis generieren.
Im unteren Teil der 3 ist ein Diagramm mit einer Detektionsanzahl 24 über dem Pixeldetektionsort „x” zu sehen. Man erkennt, dass ein absorbiertes Röntgenquant an mehreren, in diesem Beispiel an drei, Pixelelektroden 15 detektiert wurde und jeweils ein oder zwei Zählimpulse ausgelöst hat. Durch das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem nach einer bestimmten Zeitspanne ortsaufgelöste Zählerstände 23 von auf den Pixelelektroden 15 aufgetroffenen Ladungsträgern 20 eingehen, kann eine effektive Ortskoordinate, in diesem Fall eine x-Koordinate, und eine Intensität eines Pixels, bestimmt werden, die die „richtige” Ortskoordinate „x” angibt.
4 zeigt beispielhaft ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 1 zum Gewinnen eines Röntgenbildes mit einem direkt-konvertierenden, zählenden Röntgendetektor. Der direkt-konvertierende, zählende Röntgendetektor weist zumindest ein Raster von Pixelelektroden mit definierten Ortskoordinaten, einen Röntgenkonverter zum Generieren von Ladungsträgern bei einfallenden Röntgenquanten, eine Top-Elektrode zum Generieren eines elektrischen Feldes im Röntgenkonverter, und wenigstens ein Detektionsmittel zur ortsaufgelösten Detektion von, über der Zeit auf die Pixelelektroden mit definierten Ortskoordinaten auftreffenden, Ladungsträgern, auf. Das Verfahren 1 umfasst die Verfahrensschritte S1 bis S4, beginnt, „Start”, mit Verfahrensschritt S1 und endet, „End”, nach Verfahrensschritt S3. Die einzelnen Verfahrensschritte lauten:

S1) während einer bestimmten Zeitspanne ortsaufgelöste Detektion und Zählung von auf den Pixelelektroden auftreffenden Ladungsträgern, wobei während der bestimmten Zeitspanne ein zweites elektrisches Feld im Röntgenkonverter, das orthogonal zu dem elektrischen Feld zwischen Pixelelektroden und Top-Elektrode, ausgerichtet ist, angelegt ist;
S2) Berechnen einer effektiven Ortskoordinate und einer Intensität eines Pixels, wobei in die Berechnung der nach der bestimmten Zeitspanne ortsaufgelöste Zählerstand von auf den Pixelelektroden aufgetroffenen Ladungsträgern eingeht;
S3) Abfrage eines Abbruchkriteriums, z. B. das Erreichen einer vorgebbaren Anzahl an Wiederholungen. Ist das Abbruchkriterium erfüllt, „Y”, dann beenden, „End”, des Verfahrens 1, ansonsten, „N”, Sprung zu Verfahrensschritt S4;
S4) Speichern der berechneten effektiven Ortskoordinate und/oder der berechneten Intensität des Pixels und Sprung zu Verfahrensschritt S1.

5 zeigt eine schematische Darstellung zur Erklärung einer Berechnung einer effektiven Ortskoordinate 28 und einer Intensität eines Pixels. Wie bereits beschrieben, umfasst der Flachdetektor eine Vielzahl an Pixelelektroden 15, die in einer Rasterstruktur 26 oder einer Matrixstruktur in x- und y-Richtung angeordnet sein können. Z. B. mit Hilfe einer Koinzidenzschaltung bzw. Koinzidenzelektronik, werden die nahezu gleichzeitig eintretenden Detektionsereignisse, die von auf den Pixelelektroden 15 auftreffenden Ladungsträgern ausgelöst werden, gezählt. Das Ergebnis ist in 5 symbolisch durch Kreise dargestellt. Ein Kreis 27 stellt beispielsweise ein einzelnes Detektionsereignis auf der Pixelelektrode mit der Ortskoordinate oder dem Ortsvektor r → = (x, y) = (1, 3) dar. Die Ortsauflösung eines Detektionsereignisses ist auf die Granularität der Pixelelektroden beschränkt, da ein Detektionsereignis gezählt wird, wenn es „irgendwo” auf der Pixelelektrode ausgelöst wird. Das bedeutet, dass im dargestellten Beispiel jedes Zählereignis einem der 5 × 5 = 25 Pixelelektroden bzw. einer Ortskoordinate (x, y), mit ganzzahligen x und y, zugeordnet wird. Z. B. ist unabhängig vom genauen Auftreffort der acht Zählereignisse auf der Pixelelektrode (3,2) der Zählerstand dieser Pixelelektrode „acht”. Die effektive Ortskoordinate 28 eines Pixels kann mit Hilfe eines Schwerpunktverfahrens berechnet werden, wobei in die Berechnung der nach einer, z. B. durch die Koinzidenzelektronik, bestimmten Zeitspanne ortsaufgelöste Zählerstand von auf den Pixelelektroden 15 aufgetroffenen Ladungsträgern eingeht. In dem dargestellten Beispiel ist die effektive Ortskoordinate 28, bzw. der Schwerpunkt, bei
mit i = 1, 2, ..., 25; s_i gleich dem Zählerstand der Pixelelektrode i, r →_i gleich der Ortskoordinate bzw. dem Ortsvektor der Pixelelektrode i, und S gleich der Summe der Zählerstände aller Pixelelektroden.
Daraus ergeben sich mindestens zwei Erkenntnisse. Zum einen ist die effektive Ortskoordinate 28 reellwertig und nicht ganzzahlig, wie die Ortsvektoren 25 der Pixelelektroden 15, d. h. die räumliche Auflösung des Röntgendetektors ist nicht mehr begrenzt durch die Pixelgröße, sondern kann darüber hinaus gesteigert werden, so dass eine Subpixelgenauigkeit erreicht werden kann. Zum anderen ist die effektive Ortskoordinate 28 in diesem Beispiel unterschiedlich zu der Ortskoordinate mit der Detektion der meisten Zählereignisse. Auch nach einer Rundung auf eine Ortskoordinate 25 einer Pixelelektrode 15 ist die gerundete Ortskoordinate (2,3) anders als die Ortskoordinate mit den meisten Zählereignissen, die (3,2) ist.
Die Intensität eines Pixels ergibt sich aus der Summe der Zählerstände aller Pixelelektroden und wäre in dem dargestellten Beispiel gleich 24.
In 6 schließlich ist eine schematische Darstellung zur Erklärung eines Aufbaus eines Röntgenbildes 29 gezeigt. Durch mehrmaliges Wiederholen eines erfindungsgemäßen Verfahrens können die effektiven Ortskoordinaten und die Intensitäten mehrerer Pixel bestimmt werden. Nach jedem Durchlauf werden diese Daten gespeichert, gegebenenfalls können die effektiven Ortskoordinaten der Pixel auf ganzzahlige Ortskoordinaten gerundet werden, und schließlich können die Pixel mit ihren Intensitäten an den Ortskoordinaten, z. B. an der Ortskoordinate (2,3) mit der Intensität 30, dargestellt werden.

Claims

Verfahren (1) zum Gewinnen eines Röntgenbildes (29) mit einem direkt-konvertierenden, zählenden Röntgendetektor (10), der zumindest ein Raster (26) von Pixelelektroden (15) mit definierten Ortskoordinaten (25), einen Röntgenkonverter (13) zum Generieren von Ladungsträgern (20) bei einfallenden Röntgenquanten (12), eine Top-Elektrode (19) zum Generieren eines elektrischen Feldes (21) im Röntgenkonverter (13), und wenigstens ein Detektionsmittel (16) zur ortsaufgelösten Detektion von, über der Zeit auf die Pixelelektroden (15) mit definierten Ortskoordinaten (25) auftreffenden, Ladungsträgern (20), umfasst, wobei das Verfahren (1) folgende Verfahrensschritte umfasst: S1) während einer bestimmten Zeitspanne ortsaufgelöste Detektion und Zählung (24) von auf den Pixelelektroden (15) auftreffenden Ladungsträgern (20), wobei während der bestimmten Zeitspanne ein zweites elektrisches Feld im Röntgenkonverter, das orthogonal zu dem elektrischen Feld (21) zwischen Pixelelektroden (15) und Top-Elektrode (19), ausgerichtet ist, angelegt ist; S2) Berechnen einer effektiven Ortskoordinate (28) und einer Intensität (30) eines Pixels, wobei in die Berechnung der nach der bestimmten Zeitspanne ortsaufgelöste Zählerstand (23) von auf den Pixelelektroden (15) aufgetroffenen Ladungsträgern (20) eingeht.
Verfahren (1) nach Anspruch 1, wobei das Verfahren (1) wiederholt ausgeführt wird und die berechnete effektive Ortskoordinate (28) und/oder die berechnete Intensität (30) des Pixels gespeichert werden (S4), bis ein Abbruchkriterium (S3), insbesondere das Erreichen einer vorgebbaren Anzahl an Verfahrensdurchläufen oder das Erreichen einer vorgebbaren Zeitdauer oder das Betätigen eines Tasters oder das Betätigen eines Schalters, erfüllt ist.
Verfahren (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die bestimmte Zeitspanne mit Hilfe wenigstens einer Koinzidenzschaltung vorgebbar ist.
Verfahren (1) nach Anspruch 3, wobei die bestimmte Zeitspanne im Bereich von 100 ps bis wenige Nanosekunden liegt.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Berechnung der effektiven Ortskoordinate (28) eine Schwerpunktbestimmung, in die die Ortskoordinaten (25) der Pixelelektroden (15) und die zugehörigen Zählerstände (23) der Pixelelektroden (15) eingehen, umfasst, wobei insbesondere der Schwerpunkt r →_S = (x_S, y_S) nach folgender Formel bestimmt wird:
mit dem Index i über alle Pixelelektroden (15), r →_i dem Ortsvektor (25) der Pixelelektrode (15) i, s_i dem Zählerstand (23) bzw. dem Signal der Pixelelektrode (15) i, und S gleich der Summe der Zählerstände (23) aller Pixelelektroden (15) bzw. dem Gesamtsignal,
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die effektive Ortskoordinate (28) auf die Ortskoordinate (25) der nächstliegenden Pixelelektrode (15) gerundet wird.
Verfahren (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Raster (26) von Pixelelektroden (15) in wenigstens zwei Teilraster aufgeteilt ist und das Verfahren (1) parallel für jedes der wenigsten zwei Teilraster durchgeführt wird.
Direkt-konvertierender, zählender Röntgendetektor (10) zum Gewinnen eines Röntgenbildes (29), der zumindest ein Raster (26) von Pixelelektroden (15) mit definierten Ortskoordinaten (25), einen Röntgenkonverter (13) zum Generieren von Ladungsträgern (20) bei einfallenden Röntgenquanten (12), eine Top-Elektrode (19) zum Generieren eines elektrischen Feldes (21) im Röntgenkonverter (13), wenigstens ein Detektionsmittel (16) zur Detektion von, über der Zeit auf die Pixelelektroden (15) mit definierten Ortskoordinaten (25) auftreffenden, Ladungsträgern (20), umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der direkt-konvertierende, zählende Röntgendetektor (10) wenigstens ein Zeit- und Berechnungsmittel aufweist, mit Hilfe dessen während einer bestimmten Zeitspanne, ortsaufgelöst, auf die Pixelelektroden (15) auftreffende, Ladungsträger (20) detektierbar und zählbar sind, wobei während der bestimmten Zeitspanne ein zweites elektrisches Feld im Röntgenkonverter, das orthogonal zu dem elektrischen Feld (21) zwischen Pixelelektroden (15) und Top-Elektrode (19), ausgerichtet ist, angelegt ist, und eine effektive Ortskoordinate (28) berechenbar ist, wobei in die Berechnung der effektiven Ortskoordinate (28) der nach der bestimmten Zeitspanne ortsaufgelöste Zählerstand (23) von auf den Pixelelektroden (15) aufgetroffenen Ladungsträgern (20) eingeht.
Direkt-konvertierender, zählender Röntgendetektor (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der direkt-konvertierende, zählende Röntgendetektor (10) dazu ausgeführt ist, ein Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7 auszuführen.