DE102013200021B4

DE102013200021B4 - Verfahren zur Kalibrierung eines zählenden digitalen Röntgendetektors, Röntgensysteme zur Durchführung eines solchen Verfahrens und Verfahren zur Aufnahme eines Röntgenbildes

Info

Publication number: DE102013200021B4
Application number: DE102013200021.9A
Authority: DE
Inventors: Silke Janssen; Martin Spahn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2013-01-02
Filing date: 2013-01-02
Publication date: 2016-01-28
Anticipated expiration: 2033-01-03
Also published as: US20160334521A1; DE102013200021A1; US9417345B2; US9664803B2; US20140185781A1

Abstract

Verfahren zur Kalibrierung eines zählenden digitalen Röntgendetektors, aufweisend einen Röntgenkonverter zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in ein elektrisches Signal und eine Matrix mit einer Vielzahl von zählenden Pixelelementen, wobei jedes Pixelelement einen Signaleingang und mindestens eine Speichereinheit, insbesondere einen Zähler, aufweist und für jedes Pixelelement ein Schwellwert anlegbar ist, oberhalb dessen das eingehende Signal mittels einer Speichereinheit gezählt wird, wobei der Röntgendetektor zumindest einen globalen Diskriminator und einen globalen Digital-Analog-Wandler zum Anlegen eines globalen Schwellwerts an alle oder eine Vielzahl von Pixelelementen aufweist und jedes Pixelelement zumindest einen lokalen Diskriminator und einen lokalen Digital-Analog-Wandler zum Anlegen eines lokalen Schwellwerts an das jeweilige Pixelelement aufweist und der Schwellwert an ein Pixelelement als Summe aus dem globalen und dem lokalen Schwellwert anlegbar ist, mit den folgenden Schritten: a) Durchführung eines Schwellwertscans bei einem definierten Röntgenspektrum zur Bestrahlung des Röntgendetektors mit den folgenden Schritten: i) Anlegen eines ersten, für alle Pixelelemente gleichen Schwellwertes, wobei die lokalen Schwellwerte auf Null gesetzt werden, ii) Bestrahlung des Röntgendetektors mit Röntgenstrahlung des definierten Röntgenspektrums, iii) während der Bestrahlung Messung der Zählraten der Pixelelemente des Röntgendetektors, iv) anschließend Anlegen eines weiteren, von dem ersten unterschiedlichen Schwellwertes für alle Pixelelemente und Wiederholung der Schritte ii) und iii), v) bei Bedarf einmalige oder mehrmalige Iteration des Schrittes iv), b) Speicherung der Zählraten der Pixelelemente in Abhängigkeit von den jeweiligen angelegten Schwellwerten, c) aus den Messergebnissen Bestimmung oder Berechnung von individuellen Korrekturschwellwerten für die einzelnen Pixelelemente, wobei die individuellen Korrekturschwellwerte einen an die Pixelelemente anzulegenden Schwellwert bei dem definierten Röntgenspektrum derart korrigieren, dass das Schwellwertrauschen verringert wird, insbesondere eine für alle Pixelelemente im Wesentlichen bei der gleichen Röntgenenergie beginnende Zählung bewirkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines zählenden digitalen Röntgendetektors gemäß dem Patentanspruch 1 sowie ein Röntgensystem zur Durchführung eines derartigen Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 14 und ein Verfahren zur Aufnahme eines Röntgenbildes gemäß dem Patentanspruch 15.
Zur diagnostischen Untersuchung und für interventionelle Eingriffe z. B. in der Kardiologie, der Radiologie sowie der Chirurgie werden zur Bildgebung Röntgensysteme eingesetzt. Röntgensysteme 16, wie in 1 gezeigt, weisen eine Röntgenröhre 18 und einen Röntgendetektor 17 auf, z. B. gemeinsam an einem C-Bogen 19 angeordnet, einen Hochspannungsgenerator zur Erzeugung der Röhrenspannung, ein Bildgebungssystem 21 (häufig inklusive mindestens eines Monitors 22), eine Systemsteuereinheit 20 und einen Patiententisch 23. Systeme mit zwei Ebenen (zwei C-Bögen) werden ebenfalls in der interventionellen Radiologie eingesetzt. Als Röntgendetektoren werden im Allgemeinen Röntgenflachdetektoren in vielen Bereichen der medizinischen Röntgendiagnostik und Intervention verwendet, beispielsweise in der Radiographie, der interventionellen Radiologie, Kardangiographie, aber auch der Therapie zur Bildgebung im Rahmen der Kontrolle und Bestrahlungsplanung oder der Mammographie.
Heutige Röntgenflachdetektoren sind im Allgemeinen integrierende Detektoren und basieren vorwiegend auf Szintillatoren, deren Licht in Matrizen von Photodioden in elektrische Ladung gewandelt wird. Diese werden dann über aktive Steuerelemente üblicherweise zeilenweise ausgelesen. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines heute verwendeten indirekt-konvertierenden Röntgenflachdetektors, aufweisend einen Szintillator 10, eine aktive Auslesematrix 11 aus amorphem Silizium mit einer Vielzahl von Pixelelementen 12 (mit Photodiode 13 und Schaltelement 14) und Ansteuer- und Ausleseelektronik 15 (siehe z. B. M. Spahn, „Flat detectors and their clinical applications”, Eur Radiol. (2005), 15: 1934–1947). Je nach Strahlenqualität liegt die Quanteneffizienz für einen Szintillator aus CsJ mit einer Schichtdicke von z. B. 600 μm zwischen etwa 50% und 80% (siehe z. B. M. Spahn, „Flat detectors and their clinical applications”, Eur Radiol (2005), 15: 1934–1947). Die ortsfrequenzabhängige DQE(f) („detective quantum efficiency”) wird hierdurch nach oben begrenzt und liegt für typische Pixelgrößen von z. B. 150 μm bis 200 μm und für die für die Applikationen interessanten Ortsfrequenzen von 1 lp/mm bis 2 lp/mm deutlich darunter. Um neue Applikationen (z. B. Dual-Energy, Material-Separation) zu ermöglichen, aber auch die Quanteneffizienz weiter zu steigern, wird zunehmend das Potential von zählenden Detektoren bzw. energiediskriminierenden zählenden Detektoren hauptsächlich auf Basis von direkt-konvertierenden Materialien (wie z. B. CdTe oder CdZTe = CZT) und kontaktierten ASICs (application specific integrated circuit; z. B. Ausführung in CMOS-Technologie) untersucht.
Ein beispielhafter Aufbau solcher zählender Detektoren ist in 3 dargestellt. Röntgenstrahlung wird im Direktkonverter 24 (z. B. CdTe oder CZT) konvertiert und die erzeugten Ladungsträgerpaare werden über ein elektrisches Feld, welches von einer gemeinsamen Top-Elektrode 26 und einer Pixelelektrode 25 erzeugt wird, separiert. Die Ladung erzeugt in einer der pixel-förmig ausgeführten Pixelelektroden 26 des ASIC 27 einen Ladungspuls, dessen Höhe der Energie des Röntgenquants entspricht und der, falls oberhalb eines definierten Schwellwerts liegend, als ein Zählereignis registriert wird. Der Schwellwert dient dazu, ein tatsächliches Ereignis von elektronischem Rauschen zu unterscheiden oder z. B. auch k-Fluoreszenzphotonen zu unterdrücken, um Mehrfachzählungen zu vermeiden. Der ASIC 27, ein entsprechender Abschnitt des Direktkonverters 24 und eine Kopplung zwischen Direktkonverter 24 und ASIC 27 (bei direkt-konvertierenden Detektoren z. B. mittels Bumpbonds 36) bilden jeweils das Detektormodul 35 mit einer Vielzahl von Pixelelementen 12. Der ASIC 27 ist auf einem Substrat 37 angeordnet und mit peripherer Elektronik 38 verbunden. Ein Detektormodul kann auch ein oder mehrere ASICs und ein oder mehrere Teilstücke eines Direktkonverters aufweisen, gewählt jeweils nach Bedarf.
In der 5 ist die generelle Schematik eines zählenden Pixelelements 12 gezeigt. Die elektrische Ladung wird über den Ladungseingang 28 im Pixelelement gesammelt und dort mit Hilfe eines Ladungsverstärkers 29 und einer Rückkopplungskapazität 40 verstärkt. Zusätzlich kann am Ausgang die Pulsform in einem Shaper (Filter) angepasst werden (nicht dargestellt). Ein Ereignis wird dann gezählt, indem eine digitale Speichereinheit (Zähler oder Counter) 33 um Eins hochgezählt wird, wenn das Ausgangssignal über einem einstellbaren Schwellwert liegt. Dies wird über einen Diskriminator 31 festgestellt. Der Schwellwert kann prinzipiell auch fest analog vorgegeben sein, wird aber im Allgemeinen über einen Digital-Analog-Wandler (digital-to-analog-converter, DAC) 32 angelegt und ist damit in einem gewissen Bereich variabel einstellbar. Der Schwellwert kann entweder pixelweise lokal einstellbar sein, wie gezeigt über den (lokalen) Diskriminator 31 und (lokalen) ASIC 32 oder auch global für mehrere/alle Pixelelemente über z. B. einen globalen Diskriminator und ASIC. Anschließend kann der Zählerstand der digitalen Speichereinheit 33 über eine Ansteuer- und Ausleseeinheit 38 ausgelesen werden. 6 zeigt eine entsprechende Schematik für ein gesamtes Array von zählenden Pixelelementen 12, z. B. 100×100 Pixelelemente von je z. B. 180 μm und eine Ansteuer- und Ausleseeinheit 38. Bei diesem Beispiel hätte er eine Größe von 1,8×1,8 cm². Für großflächige Detektoren (z. B. 20×30 cm²), wie beispielsweise in 4 dargestellt, werden mehrere Detektormodule 35 zusammengeschlossen (bei diesem Beispiel würden 11×17 etwa die gewünschte Fläche ergeben) und Detektormodule 35 über die gemeinsame periphere Elektronik, wie z. B. eine Ansteuer- und Ausleseeinheit 38, verbunden. Für die Verbindung zwischen ASIC 27 und peripherer Elektronik wird z. B. TSV-Technologie (through silicon via) in 4 durch das Bezugszeichen 37 angedeutet, eingesetzt, um eine möglichst enge vierseitige Anreihbarkeit der Module zu gewährleisten.
Im Falle von zählenden und energiediskriminierenden Röntgendetektoren werden zwei, drei (wie in 7, mit dem Bezugszeichen entsprechend 5, gezeigt) oder mehr Schwellwerte eingeführt und die Höhe des Ladungspulses, entsprechend den vordefinierten Schwellwerten (Diskriminatorschwellwerten), in eines oder mehrere der digitalen Speichereinheiten (Zähler) eingeordnet. Die in einem bestimmten Energiebereich gezählten Röntgenquanten lassen sich dann durch Differenzbildung der Zählerinhalte zweier entsprechender Zähler erhalten. Die Diskriminatoren lassen sich z. B. mit Hilfe von Digital-Analog-Wandlern für das ganze Detektormodul oder pixelweise innerhalb gegebener Grenzen oder Bereiche einstellen. Die Zählerinhalte der Pixelelemente werden nacheinander über eine entsprechende Ausleseeinheit modulweise ausgelesen. Dieser Ausleseprozess benötigt eine gewisse Zeit, währenddessen nicht fehlerfrei weitergezählt werden kann.
Grundsätzlich sind verschiedene Architekturen für die Implementierung der Digital-Analog-Wandler (digital-to-analog-converter), DAC, möglich. Im Folgenden sind zwei Beispiele beschrieben: 1. Jeder Pixel hat seinen eigenen Digital-Analog-Wandler mit genügend feiner analoger Abstufung pro bit und genügend hoher bit-Tiefe, sodass sowohl erwartete Schwankungen korrigiert werden können als auch der jeweils gewünschte Schwellwertbereich (Röntgenenergiebereich) abgedeckt werden kann. 2. Es gibt einen „globalen” Digital-Analog-Wandler, pro Röntgendetektor oder pro Detektormodul (oder einige wenige), der für alle Pixelelemente eine gemeinsame Spannung (oder Strom) erzeugt und damit für einen globalen „Grobschwellwert” sorgt. Daneben gibt es in jedem Pixel einen zusätzlichen lokalen Digital-Analog-Wandler, der eine weitere pixelinterne Spannung (Strom) erzeugt, die kombiniert mit der globalen Spannung (Strom) eine pixelspezifische Gesamtspannung (Gesamtstrom) erzeugt.
In einem derartigen Design können die Schrittweiten der Energien für globale Digital-Analog-Wandler und lokale Digital-Analog-Wandler entweder gleich weit (z. B. 1 keV/bit) oder unterschiedlich weit ausgelegt werden, bevorzugt z. B. eher gröber für den globalen Digital-Analog-Wandler und feiner für die lokalen Digital-Analog-Wandler. Die lokalen Digital-Analog-Wandler sollten dabei eine genügend hohe bit-Tiefe haben, um die gröberen Schritte des globalen Digital-Analog-Wandlers abzudecken. Als Beispiel für den beschriebenen Fall weist der globale Digital-Analog-Wandler eine Schrittweite von 2 keV/bit (bzw. entsprechende Spannungsdifferenzen oder Stromdifferenzen) mit 6 bit Tiefe auf, d. h. es können z. B. Werte zwischen 0 und 126 keV abgedeckt werden. Entsprechend weisen die lokalen Digital-Analog-Wandler 0,5 keV/bit und z. B. 5 bit Tiefe auf, was ausgelegt ist, um die lokalen Schwankungen des globalen Digital-Analog-Wandlers am Pixelelement in einem Bereich von 16 keV auszugleichen. Das Beispiel setzt lineares Verhalten des globalen und der lokalen Digital-Analog-Wandler voraus, ansonsten muss entsprechend großzügiger dimensioniert werden. Eine sinnvolle Wahl der Bittiefen und der Energieschritte sind von Pixel- und Modul-Design, Röntgendetektormaterialeigenschaften (z. B. CdTe), den klinischen Applikationen und anderen Faktoren abhängig.
Zählende Detektoren mit einstellbaren Diskriminatorschwellwerten zeigen unter anderem folgende Probleme: i) Die Diskriminatorschwellwerte schwanken im Allgemeinen von Pixelelement zu Pixelelement. Da aber nur Röntgenquanten gezählt werden, deren Röntgenenergie oberhalb der Schwellwerte liegt, werden unterschiedliche Anteile des Energiespektrums gezählt, sodass „Schwellwertrauschen” entsteht. Diese Art von Rauschen ist eine Besonderheit von zählenden und energiediskriminierenden zählenden Detektoren. ii) Die Diskriminatorschwellwerte werden über sogenannte DAC-Werte verändert. Diese digitalen Werte sind zunächst nicht gewissen physikalischen Energien zugeordnet. Somit ist eine Kalibrierung notwendig, die eine Zuordnung von Schwellwerten und Energien in keV ermöglicht. iii) Das Design des Röntgendetektors kann unterschiedlich große Pixelelemente aufweisen (z. B. kleinere effektive Pixelelemente an den Rändern von Detektormodulen, verglichen mit zentral auf dem Detektormodul angeordneten Pixelelementen), sodass aus geometrischen Gründen unterschiedlich hohe Zählraten zu erwarten sind. Außerdem kann das Detektormaterial Detektormaterialstörstellen aufweisen (z. B. Te-Einschlüsse, Strukturgrenzen, Feldverläufe oder Anderes). Derartige Effekte können zu strukturellem oder „fixed-pattern”-ähnlichem Rauschen führen. iv) Auch das Strahlungsfeld ist im Allgemeinen nicht über die gesamte Fläche des Röntgendetektors homogen, da eine Röntgenquelle im Allgemeinen punktförmig ist und daher der Röntgenfluss je nach Abstand von Röhrenfokus und Detektorpixel variieren kann. Auch kann der bekannte Heel-Effekt durch richtungsabhängige Reabsorption der erzeugten Röntgenstrahlung in der Röhrenanode auf dem Röntgendetektor zu lokal anderen Strahlungsprofilen führen.
Aus der Druckschrift DE 10 2011 080 656 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem einem einstellbaren Komparator Energieschwellwerte zugewiesen werden. Für verschiedene Strahlungsspektren werden Leermessungen durchgeführt. Die Komparatoren werden auf den Energieschwellwert eines jeweiligen Kanals eingestellt.
Aus der Druckschrift US 2011/0012014 A1 ist ein Verfahren zur Detektion von Strahlung eines bekannten Spektrums bekannt, bei dem das Detektionssignal mit der Spektral-Charakteristik gemappt wird. Das Verfahren umfasst ferner die energiesensitive Strahlungsdetektion auf Basis des Mappings.
Aus der Druckschrift DE 10 2006 022 596 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem einer Detektor-Einheit Energieschwellwerte zugewiesen werden. Die Schwellwerte werden so eingestellt, dass aus ein geeignetes Verhältnis des jeweils über und unter dem Schwellwert liegenden Strahlungs-Spektrums erreicht wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches zumindest eines der zuvor geschilderten Probleme löst und eine höhere Qualität der Röntgenbildgebung ermöglicht, Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein für die Durchführung des Verfahrens geeignetes Röntgensystem bereitzustellen und ein Verfahren zur Aufnahme eines Röntgenbildes mit einem solchen Röntgensystem zu beschreiben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Kalibrierung eines zählenden digitalen Röntgendetektors gemäß dem Patentanspruch 1, von einem Röntgensystem gemäß dem Patentanspruch 14 und einem Verfahren zur Aufnahme eines Röntgenbildes gemäß Patentanspruch 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur insbesondere automatischen Kalibrierung eines zählenden digitalen Röntgendetektors, aufweisend einen Röntgenkonverter zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in ein elektrisches Signal und eine Matrix mit einer Vielzahl von zählenden Pixelelementen, wobei jedes Pixelelement einen Signaleingang und mindestens eine Speichereinheit, insbesondere einen Zähler, aufweist und für jedes Pixelelement ein Schwellwert anlegbar ist, oberhalb dessen das eingehende Signal mittels einer Speichereinheit gezählt wird, wobei der Röntgendetektor zumindest einen globalen Diskriminator und einen globalen Digital-Analog-Wandler zum Anlegen eines globalen Schwellwerts an alle oder eine Vielzahl von Pixelelementen aufweist und jedes Pixelelement zumindest einen lokalen Diskriminator und einen lokalen Digital-Analog-Wandler zum Anlegen eines lokalen Schwellwerts an das jeweilige Pixelelement aufweist und der Schwellwert an ein Pixelelement als Summe aus dem globalen und dem lokalen Schwellwert anlegbar ist, umfasst die folgenden Schritte:

a) Durchführung eines Schwellwertscans bei einem definierten Röntgenspektrum zur Bestrahlung des Röntgendetektors mit den folgenden Schritten: i) Anlegen eines ersten, für alle Pixelelemente gleichen Schwellwertes, wobei die lokalen Schwellwerte auf Null gesetzt werden, ii) Bestrahlung des Röntgendetektors mit Röntgenstrahlung des definierten Röntgenspektrums, iii) während der Bestrahlung Messung der Zählraten der Pixelelemente des Röntgendetektors, iv) anschließend Anlegen eines weiteren, von dem ersten unterschiedlichen Schwellwertes für alle Pixelelemente und Wiederholung der Schritte ii) und iii), v) bei Bedarf einmalige oder mehrmalige Iteration des Schrittes iv),
b) Speicherung der Zählraten der Pixelelemente in Abhängigkeit von den jeweiligen angelegten Schwellwerten, und
c) aus den Messergebnissen Bestimmung oder Berechnung von individuellen Korrekturschwellwerten für die einzelnen Pixelelemente, wobei die individuellen Korrekturschwellwerte einen an die Pixelelemente anzulegenden Schwellwert bei dem definierten Röntgenspektrum derart korrigieren, dass das Schwellwertrauschen verringert wird, insbesondere eine für alle Pixelelemente im Wesentlichen bei der gleichen Röntgenenergie beginnende Zählung bewirkt wird.

Es wird also z. B. bei einer Röntgenbestrahlung mit einem Röntgenspektrum einer handelsüblichen Röntgenquelle (z. B. max. 50 oder 70 oder 90 oder 120 keV), während ein erster, für alle Pixelelemente gleicher Schwellwert insbesondere mittels Diskriminatoren und Digital-Analog-Wandlern angelegt ist, die Zählrate der Pixelelemente gemessen. Anschließend wird eine weitere Messung bei einem weiteren, von dem ersten Schwellwert unterschiedlichen Schwellwert durchgeführt. Es ist von Vorteil, wenn mindestens drei oder mehr Messungen bei weiteren Schwellwerten durchgeführt werden. Es kann auch eine Vielzahl von Messungen durchgeführt werden. Es kann z. B. aufsteigend oder absteigend eine Reihe von verschiedenen Schwellwerten angelegt und entsprechend gemessen werden. Die Messergebnisse werden dann gespeichert und entsprechend zur Bestimmung und/oder Berechnung von individuellen Korrekturschwellwerten, welche für geplante Messungen mit dem Röntgendetektor zusätzlich zu den ursprünglich für alle Pixelelemente gleichen Schwellwerte eingesetzt werden sollen, verwendet. Die Korrekturschwellwerte sind derart gewählt, dass bei dem definierten und für alle Pixelelemente gleichen Röntgenspektrum alle Pixelelemente bei im Wesentlichen der gleichen Röntgenenergie mit einer Zählung beginnen oder zumindest hinsichtlich des Zählungsbeginns voneinander nur um einen geringen Betrag abweichen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine deutliche Verbesserung der Bildqualität bei der Röntgenbildgebung und insbesondere eine Reduzierung des Schwellwert-bedingten Rauschens erzielt werden. Es handelt sich um ein sehr einfaches und robustes Verfahren, das auch ohne monoenergetische (z. B. radioaktive) Röntgenquellen, einfach unter Verwendung üblicher Röntgenspektren, zuverlässig durchgeführt werden kann. Dadurch ist das Verfahren problemlos mit jeder Röntgenquelle durchführbar. Das Verfahren ist außerdem auf einfache Weise automatisierbar, so dass z. B. im Fall von Drifts, Temperatureinflüssen etc. schnell und zuverlässig eine Neukalibrierung durchgeführt werden kann.
Ein Röntgensystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist einen zählenden digitalen Röntgendetektor auf, aufweisend einen Röntgenkonverter zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in ein elektrisches Signal, eine Matrix mit einer Vielzahl von zählenden Pixelelementen und eine Ansteuer- und Ausleseeinheit, wobei jedes Pixelelement einen Signaleingang, einen Zähler und zumindest einen lokalen Diskriminator und zumindest einen lokalen Digital-Analog-Wandler mit einem individuell für das jeweilige Pixelelement einstellbaren lokalen Schwellwert (ΔDAC) aufweist, und wobei für jedes Pixelelement oberhalb des aus dem globalen Schwellwert und dem jeweiligen lokalen Schwellwert summierten Schwellwerts das eingehende Signal mittels einer Speichereinheit gezählt wird, sowie aufweisend eine Röntgenquelle zur Aussendung einer Röntgenstrahlung, eine Speichereinheit zur Speicherung der Zählraten der Pixelelemente und eine Berechnungseinheit zur Bestimmung oder Berechnung von Korrekturschwellwerten. Bei einem derartigen Röntgensystem bzw. einem derartigen Röntgendetektor, bei welchem jedes Pixelelement zumindest einen lokalen Diskriminator und zumindest einen lokalen Digital-Analog-Wandler aufweist, kann der Schwellwert im Rahmen des Schwellwertscans durch die lokalen Diskriminatoren und die lokalen Digital-Analog-Wandler an das jeweilige Pixelelement angelegt werden. Insbesondere wird für den Fall, dass ein solcher Röntgendetektor ausschließlich lokale Diskriminatoren und lokale Digital-Analog-Wandler aufweist, der Schwellwert ausschließlich von diesen angelegt.
Ein alternatives Röntgensystem weist einen zählenden digitalen Röntgendetektor auf, aufweisend einen Röntgenkonverter zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in ein elektrisches Signal, eine Matrix mit einer Vielzahl von zählenden Pixelelementen, eine Ansteuer- und Ausleseeinheit, zumindest einen globalen Diskriminator und einen globalen Digital-Analog-Wandler mit einem an alle oder eine Vielzahl von Pixelelementen anlegbaren, einstellbaren, globalen Schwellwert (gDAC), wobei jedes Pixelelement einen Signaleingang, einen Zähler und zumindest einen lokalen Diskriminator und zumindest einen lokalen Digital-Analog-Wandler mit einem individuell für das jeweilige Pixelelement einstellbaren lokalen Schwellwert (ΔDAC) aufweist, und wobei für jedes Pixelelement oberhalb des summierten Schwellwerts das eingehende Signal mittels einer Speichereinheit gezählt wird, sowie aufweisend eine Röntgenquelle zur Aussendung einer Röntgenstrahlung, eine Speichereinheit zur Speicherung der Zählraten der Pixelelemente und eine Berechnungseinheit zur Bestimmung oder Berechnung der Korrekturwerte. Bei einem derartigen Röntgensystem bzw. Röntgendetektor kann der Schwellwert vorteilhafterweise als Summe aus dem globalen und dem lokalen Schwellwert angelegt werden, wobei bei den Schwellwertscans in Schritt a die lokalen Schwellwerte auf Null gesetzt werden. Es kann z. B. für den gesamten Röntgendetektor nur ein globaler Diskriminator und ein globaler Digital-Analog-Wandler vorhanden sein, welche an alle Pixelelemente gleichzeitig einen globalen Schwellwert anlegen können, es kann aber auch vorgesehen sein, dass mehrere globale Diskriminatoren und globale Digital-Analog-Wandler vorgesehen sind, welche für eine größere Anzahl von Pixelelementen verwendet werden können, z. B. jeweils einer pro Detektormodul.
Nach einer weiteren Ausführung der Erfindung werden zur Berechnung der Korrekturschwellwerte die folgenden Schritte durchgeführt: Bestimmung von Kennkurven für die einzelnen Pixelelemente durch Auftragung der Zählraten gegen den Schwellwert, Berechnung einer Mittelwertkurve aus den Kurven der Pixelelemente, Auswahl eines Bezugswertes auf der Mittelwertkurve, Bestimmung der horizontalen Differenz zwischen dem Bezugswert und der jeweiligen Kennkurve der Pixelelemente und Bestimmung der Korrekturschwellwerte aus den horizontalen Differenzen. Diese Berechnung stellt eine zuverlässige und einfache Möglichkeit dar, Korrekturschwellwerte aus den aufgenommenen Schwellwertscans zu erhalten. Die Kennkurven werden dabei aus den zuvor gemessenen Daten der Schwellwertscans bestimmt. Eine Mittelwertkurve wird z. B. durch Mittelung der Kennkurven von mehreren oder allen Pixelelementen bestimmt bzw. errechnet. Der Bezugswert kann an einem beliebigen Punkt der Mittelwertkurve festgelegt werden. Vorteilhafterweise kann er bei zwischen 5% und 25%, z. B. 10% oder 20%, der maximalen Zählrate gewählt werden; es sind aber auch andere Bezugswerte möglich. Anschließend wird die horizontale Differenz zwischen dem Bezugswert und der jeweiligen Kennkurve der Pixelelemente bestimmt, um daraus den Korrekturschwellwert für das entsprechende Pixelelement zu berechnen. Dabei kann z. B. der Korrekturschwellwert der horizontalen Differenz entsprechen oder aus dieser mittels Addition eines konstanten Betrags berechnet werden (um keine negativen Werte zu erhalten, da keine „negativen” Schwellwerte angelegt werden können).
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Kennkurven und/oder die Mittelwertkurven gefittet und/oder geglättet und/oder skaliert. Auf diese Weise ist eine Bestimmung oder Berechnung der Korrekturschwellwerte einfacher, statistische Schwankungen können reduziert und die Kalibrierung letztendlich verbessert werden. Es kann z. B. vorgesehen sein, die Kennkurven zunächst zu glätten und eine geeignete Fitfunktion an die einzelnen Kennkurven anzupassen. Anschließend wird z. B. aus den geglätteten und gefitteten Funktionen eine Mittelwertkurve bestimmt. Die horizontalen Differenzen werden dann ebenfalls z. B. anhand der geglätteten und gefitteten Funktionen berechnet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Schritte a) bis c) wiederholt, wobei bei den Schwellwertscans anstelle der für alle Pixelelemente gleichen Schwellwerte die individuellen Korrekturschwellwerte verwendet werden, und wobei im Schritt c) dadurch aktualisierte Korrekturschwellwerte bestimmt werden. Insbesondere wird das Verfahren mehrfach iteriert, wobei bei den Schwellwertscans jeweils die in der vorhergehenden Iteration bestimmten, individuellen, aktuellen Korrekturschwellwerte verwendet werden. Die Iterationen dienen dazu, dafür zu sorgen, dass die Pixelelemente sich hinsichtlich ihres Zählbeginns (bei der entsprechenden Röntgenenergie) immer weiter annähern bzw. immer weiter an die Mittelwertkurve annähern, bis schließlich alle Pixelelemente einen (nahezu) gleichen Zählungsbeginn aufweisen.
Für den Fall dass der entsprechende Röntgendetektor sowohl globale als auch lokale Schwellwerte erzeugen kann, werden nach einer Ausführung der Erfindung die Korrekturschwellwerte als lokale Schwellwerte an die einzelnen Pixelelemente angelegt.
In vorteilhafter Weise werden bei der Bestimmung der Korrekturschwellwerte die unterschiedlichen Schrittweiten der globalen und der lokalen Digital-Analog-Wandler und/oder deren nicht-lineares Verhalten zueinander durch Verwendung von Umrechnungsfaktoren berücksichtigt. Bei Vorliegen eines linearen Zusammenhangs können hier Konstanten verwendet werden, ansonsten kann auch die Verwendung einer komplexeren Funktion notwendig sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Tabelle aus den Korrekturschwellwerten erstellt und gespeichert, wobei aus der Tabelle bei Bedarf die Korrekturschwellwerte entnehmbar und für die Pixelelemente des Röntgendetektors einstellbar sind.
Zunächst liegen nun für das jeweilige verwendete Röntgenspektrum bestimmte Korrekturschwellwerte vor. Um die Kalibrierung umfassender für mehrere oder gar alle möglichen Röntgenspektren und Röntgenenergien anwendbar zu machen, werden in vorteilhafter Weise die folgenden Schritte durchgeführt: Die Schritte a) und b) werden für mindestens zwei Röntgenspektren durchgeführt, aus den Messungen für die mindestens zwei Röntgenspektren werden Kennlinien, insbesondere durch eine Fitfunktion, für die Pixelelemente durch Auftragung der maximalen Energie der Röntgenspektren gegen den Schwellwert, bei welchem das jeweilige Pixelelement anfängt zu zählen, erstellt, eine Mittelwertkurve wird aus den Kennlinien der Pixelelemente ermittelt, und die Kennlinien werden zur Bestimmung oder Berechnung von individuellen Korrekturschwellwerten für die einzelnen Pixelelemente verwendet, wobei Korrekturschwellwerte für mehrere Röntgenenergien bestimmt werden. Durch diese Verknüpfung zwischen der Energie der Röntgenspektren und den Schwellwerten und vorteilhaft auch durch eine Fitfunktion, welche die diskreten Punkte der tatsächlich gemessenen Röntgenspektren verbindet, ist es möglich, für jedes Pixelelement und für jedes gewünschte Röntgenspektrum bzw. jede Röntgenenergie die entsprechenden Korrekturschwellwerte aus den Kennlinien zu entnehmen und z. B. in den Röntgendetektor einzugeben. Damit ist das Verfahren unter Verwendung von normalen Röntgenquellen in der Lage, eine absolute Beziehung zwischen Schwellwert und Energie zu generieren.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden für den Fall, dass für die Schwellwerte nur diskrete Werte auswählbar sind und die bestimmten Korrekturschwellwerte von den auswählbaren diskreten Werten abweichen, jeweils die den Korrekturschwellwerten am nächsten liegenden diskreten Werte verwendet.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren zur Aufnahme von zumindest einem Röntgenbild mit einem beschriebenen Röntgensystem beansprucht, bei welchem mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Korrekturschwellwerte bei der Aufnahme von Röntgenbildern zur Korrektur des Schwellwertrauschens verwendet werden. Ein solches Verfahren erzielt Röntgenbilder, die nahezu oder komplett frei von Schwellwertrauschen sind und damit eine besonders hohe Bildqualität aufweisen.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt. Es zeigen:
1 eine Ansicht eines bekannten Röntgensystems zur Verwendung bei interventionellen Eingriffen;
2 eine Ansicht eines bekannten Röntgendetektors mit einem Szintillator;
3 einen Schnitt durch einen Ausschnitt aus einem bekannten Röntgendetektor mit mehreren Detektormodulen;
4 eine perspektivische Draufsicht auf einen Schnitt durch einen Ausschnitt aus einem bekannten Röntgendetektor mit mehreren Detektormodulen;
5 eine Darstellung der zentralen Funktionselemente eines zählenden Pixelelements eines bekannten Röntgendetektors;
6 eine Darstellung einer Matrix aus zählenden Pixelelementen eines bekannten Röntgendetektors mit Ansteuer- und Ausleselogik;
7 eine Darstellung der zentralen Funktionselemente eines zählenden Pixelelements eines bekannten energiediskriminierenden Röntgendetektors;
8 Kennkurven der Zählrate von zwei Pixelelementen a und b und deren Mittelwertskurve gegen den globalen Schwellwert vor Anwendung des Kalibrierverfahrens;
9 Kennkurven gemäß 8 und zugehörige gefittete Kennkurven sowie einen Bezugswert und die horizontalen Differenzen der Kennkurven der zwei Pixelelemente;
10 gefittete Kennkurven von drei Pixelelementen a, b und c vor Anwendung des Kalibrierverfahrens;
11 Kennkurven der Zählrate von zwei Pixelelementen a und b und deren Mittelwertskurve gegen den globalen Schwellwert nach Anwendung des Kalibrierverfahrens;
12 Kennlinie der Energie, bei welcher zwei Pixelelemente a und b ihren Zählbeginn aufweisen und deren Mittelwertskennlinie gegen den globalen Schwellwert vor Anwendung des Kalibrierverfahrens;
13 Kennlinie der Energie gegen den globalen Schwellwert nach Anwendung des Kalibrierverfahrens;
14 eine Abfolge eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kalibrierung eines Röntgendetektors für ein Röntgenspektrum;
15 eine Abfolge eines erweiterten, iterierten Kalibrierverfahrens nach 14;
16 eine Abfolge eines Verfahrens zur Berechnung von Korrekturschwellwerten;
17 eine Abfolge eines erweiterten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kalibrierung eines Röntgendetektors für mehrere Röntgenspektren;
18 eine Abfolge einer Aufnahme und Bildverarbeitung eines Röntgenbildes mit einem entsprechend kalibrierten Röntgendetektor;
19 eine Abfolge einer Aufnahme und Bildverarbeitung mehrerer Röntgenbilder mit einem entsprechend kalibrierten Röntgendetektor; und
20 eine Abfolge eines Kalibrierverfahrens.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung eines digitalen zählenden Röntgendetektors, durch welches Kalibrierverfahren das sogenannte Schwellwertrauschen verringert bzw. vollständig vermieden werden kann und damit die Qualität der Röntgenbildgebung deutlich verbessert wird. Ein Röntgendetektor, welcher mittels eines derartigen Verfahrens kalibriert werden kann, weist z. B. eine Struktur wie in 3 beschrieben mit einem Direktkonverter 24 (z. B. CdTe oder CZT) zur Umwandlung von Röntgenquanten in elektrische Signale und einer Vielzahl von Pixelelementen in einer Matrixstruktur auf, welche Pixelelemente die Signale entgegennehmen und positionsabhängig als Zählereignisse registrieren können, falls die Signale über einem Schwellwert liegen. Die einzelnen Pixelelemente weisen dabei zentrale Funktionselemente, wie z. B. in der 5 (einfach diskriminierend) oder 7 (energiediskriminierend) gezeigt, auf. Der Schwellwert, welcher an das jeweilige Pixelelement angelegt werden kann, ist einstellbar.
In den jeweiligen Pixelelementen direkt implementierte Diskriminatoren und Analog-Digital-Wandler werden im Folgenden als lokale Diskriminatoren und lokale Analog-Digital-Wandler bezeichnet. Diese sorgen dafür, dass lokal in dem Pixelelement ein Schwellwert angelegt wird und zum Zählen eines Signals, welches den Schwellwert überschreitet, mittels des Zählers führt. Neben dem lokalen Schwellwert für jedes Pixelelement individuell kann auch zusätzlich oder alternativ ein globaler Schwellwert anlegbar sein, welcher – wenn angelegt – für alle Pixelelemente oder zumindest eine größere Anzahl von Pixelelementen (z. B. alle Pixelelemente eines Detektormoduls) gilt. Ein globaler Schwellwert wird z. B. mittels eines globalen Diskriminators und globalen Analog-Digital-Wandlers angelegt. Sind sowohl globaler als auch lokaler Schwellwert anlegbar bzw. angelegt, so wird das Signal in dem entsprechenden Pixelelement bei Überschreiten des summierten Schwellwertes (globaler Schwellwert gDAC plus lokaler Schwellwert ΔDAC; DAC (n, m, Sp) = gDAC + ΔDAC (n, m, Sp) wobei n = 1 ... N und m = 1 ... M die Position der Pixelelement innerhalb der Matrix bezeichnet) gezählt. Im Folgenden wird das Verfahren für eine einfache Diskriminierung ohne Energiesensitivität beschrieben; das Verfahren kann jedoch auch einfach auf energiediskriminierende Röntgendetektoren übertragen werden.
In der 14 ist eine Abfolge eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Das Verfahren kann automatisch z. B. mittels einer Systemsteuerung eines Röntgensystems, von welchem der Röntgendetektor eine Komponente darstellt, oder von einer separaten Steuerungseinheit oder von einer Software angesteuert werden. In einem ersten Schritt 60 wird zunächst ein Röntgenspektrum gewählt. Es kann hierbei z. B. ein mit einer üblichen Röntgenquelle abstrahlbares Röntgenspektrum Sp_i gewählt werden, z. B. maximal 50 oder 70 oder 90 oder 120 keV, sowie eine übliche Filterung verwendet werden. In einem zweiten Schritt 61 wird ein erster für alle Pixelelemente gleicher Schwellwert an alle Pixelelemente des Röntgendetektors angelegt. Ein Röntgendetektor, welcher ausschließlich lokale Diskriminatoren und lokale Digital-Analog-Konverter aufweist, wird hierfür derart angesteuert, dass für jedes Pixelelement von seinem lokalen Diskriminator und lokalen Digital-Analog-Konverter derselbe lokale Schwellwert eingestellt und angelegt wird. Besitzt der Röntgendetektor auch einen globalen Diskriminator und globalen Digital-Analog-Konverter bzw. eine andere Möglichkeit zum Anlegen eines globalen Schwellwertes, so kann vorgesehen sein, dass von diesen ein globaler Schwellwert an alle Pixelelemente angelegt wird. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass die lokalen Schwellwerte auf Null gesetzt sind. Alternativ kann der angelegte Schwellwert sich auch aus jeweils einem Anteil globalem und lokalem Schwellwert zusammensetzen. Wichtig ist, dass zunächst an alle Pixelelemente der gleiche, erste Schwellwert angelegt ist, egal in welcher Zusammensetzung.
In einem dritten Schritt 62 wird nun mit dem ausgewählten Röntgenspektrum der Röntgendetektor gleichmäßig bestrahlt und gleichzeitig in einem vierten Schritt 63 werden die Zählraten der Pixelelemente gemessen, z. B. indem die Zählerinhalte der digitalen Speicher, insbesondere der Zähler, ausgelesen werden. In einem fünften Schritt 66 wird anschließend der für alle Pixelelemente gleiche Schwellwert geändert und es wird z. B. ein zweiter, ebenfalls für alle Pixelelemente gleicher, Schwellwert angelegt – es wird also Schritt 61 mit einem geänderten Schwellwert wiederholt. Dies kann wiederum entsprechend der Beschaffenheit des Röntgendetektors durch viele gleiche lokale Schwellwerte und/oder einen globalen Schwellwert durchgeführt werden. Ebenso werden der dritte Schritt 62 – Bestrahlung mit dem Röntgenspektrum – und der vierte Schritt 63 – Messung der Zählraten – wiederholt. Bei Bedarf und je nach Anwendung kann die Schleife (Iteration) Änderung des Schwellwerts – Anlegen des neuen Schwellwerts – Bestrahlung und Messung mehrmals bis beliebig oft wiederholt werden. Eine ausreichend hohe Anzahl an Messungen bei verschiedenen Schwellwerten ist dabei vorteilhaft, z. B. mindestens fünf oder zehn verschiedene, aber für alle Pixelelement gleiche Schwellwerte. Es kann z. B. auch vorgesehen sein, dass in passenden Stufen alle durch die Digital-Analog-Wandler möglichen Schwellwerte nacheinander angelegt werden.
In einem sechsten Schritt 64 werden die jeweiligen Messergebnisse gespeichert, insbesondere die Zählraten in Abhängigkeit von den Schwellwerten. Die Speicherung kann z. B. in einer Speichereinheit oder einem Bildsystem erfolgen. Die Speicherung kann auch bereits nach jeder einzelnen Messung durchgeführt werden.
In einem siebten Schritt 65 werden aus den gespeicherten Messungen z. B. mittels einer Berechnungseinheit individuelle Korrekturschwellwerte für die einzelnen Pixelelemente bestimmt bzw. berechnet. Die Korrekturschwellwerte sind dabei derart, dass sie beim Anlegen an die individuellen Pixelelemente kombiniert mit einem für alle Pixelelemente gleichen Schwellwert bei dem definierten Röntgenspektrum bewirken, dass das Schwellwertrauschen reduziert wird (im Idealfall auf Null). Insbesondere bewirken sie, dass eine Zählung für alle Pixelelemente im Wesentlichen bei der gleichen Röntgenenergie beginnt.
Die Korrekturschwellwerte können dann in einem achten Schritt 67 in einer Tabelle gespeichert werden. Eine solche Tabelle kann später für Aufnahmen von Röntgenbildern mittels des Röntgendetektors genutzt werden. Die gespeicherten Korrekturschwellwerte werden dann für eine geplante Aufnahme abgerufen und verwendet. Wird auf diese Weise ein Röntgenbild aufgenommen, so ist für ein solches Röntgenbild die Bildqualität deutlich verbessert, da das schwellwertbedingte Rauschen verringert oder vollständig entfernt ist. So kann z. B. vorgesehen sein, dass die individuellen Korrekturschwellwerte als lokale Schwellwerte der einzelnen Pixelelemente verwendet und angelegt werden. Bei der Aufnahme wird also z. B. ein globaler Schwellwert an alle Pixelelemente angelegt und als lokale Schwellwerte werden jeweils die individuellen Korrekturschwellwerte angelegt.
Das Verfahren kann noch weiter ausgebaut werden, um ein noch besseres Ergebnis zu erzielen. So kann das Verfahren wiederholt werden mit dem Unterschied, dass anstelle der für alle Pixelelemente gleichen Schwellwerte nun zusätzlich die zuvor ermittelten Korrekturschwellwerte eingesetzt werden. In der 15 ist eine solche Modifikation des Verfahrens gezeigt. Unter Verwendung desselben Röntgenspektrums werden ergänzend zu den gleichen Schwellwerten zusätzlich die individuellen Korrekturschwellwerte in einem neunten Schritt 68 an die Pixelelemente angelegt und dann wird wiederum mit der Röntgenstrahlung bestrahlt und die Zählraten werden gemessen, ausgelesen und gespeichert. Auch hier werden mehrere Schleifen (Iterationen) mit jeweils veränderten Schwellwerten (z. B. gleicher globaler Schwellwert plus lokaler Korrekturschwellwert) durchgeführt. Aus den so erhaltenen Messergebnissen werden dann wiederum aktualisierte Korrekturschwellwerte bestimmt, welche das Schwellwertrauschen noch besser ausgleichen können. Auch hier können mehrere Iterationen durchgeführt werden, bis z. B. das Schwellwertrauschen vollständig entfernt ist.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Bestimmung bzw. Berechnung der Korrekturschwellwerte mit Hilfe von Kennkurven für die einzelnen Pixelelemente, bei denen die Zählrate als y-Achse gegen den Schwellwert als x-Achse aufgetragen ist, durchgeführt. In der 16 ist die Abfolge der Teilschritte einer solchen Berechnung gezeigt. In einem ersten Teilschritt 70 werden aus den gemessenen und gespeicherten Zählraten Kennkurven für Pixelelemente erstellt, bei denen die mittels der Zähler gezählte und ausgelesene Zählrate Z gegen den angelegten Schwellwert DAC aufgetragen wird. In der 8 ist eine solche Auftragung für zwei Pixelelemente gezeigt, mit einer ersten ungeglätteten Kennkurve a eines ersten Pixelelements und einer zweiten ungeglätteten Kennkurve b eines zweiten Pixelelements. Die Kennkurven können für ein besseres Ergebnis geglättet werden oder es kann eine geeignete Funktion gefittet werden. Auch Skalierungen können durchgeführt werden, zum Beispiel für den Fall, dass ein Pixelelement eine kleinere Fläche als andere Pixelelemente aufweist, kann dies in die Zählrate eingerechnet werden.
In der 8 ist eine erste gefittete Kennkurve A für das erste Pixelelement und eine zweite gefittete Kennkurve B für das zweite Pixelelement gezeigt. In einem zweiten Teilschritt 71 wird aus den Kennkurven der einzelnen Pixelelemente, bevorzugt aus einer Vielzahl oder aller Pixelelemente, eine Mittelwertkurve bestimmt oder berechnet. Diese kann entweder aus den ungefitteten Kennkurven als ungefittete (ungeglättete/unskalierte) Mittelwertkurve MW oder als gefittete (geglättete/skalierte) Mittelwertkurve F durchgeführt werden. In einem dritten Teilschritt 72 wird anschließend ein Bezugswert auf der Mittelwertkurve ausgewählt. In der 9 ist ein solcher Bezugswert MF gezeigt. Dieser Bezugswert kann an irgendeinem geeigneten Punkt auf der Mittelwertkurve festgelegt werden, z. B. bei 5% oder 10% oder 20% der maximalen Zählrate. Es kann als Bezugspunkt auch derjenige Schwellwert auf der Mittelwertkurve verwendet werden, welcher vertikal oberhalb des Schnittpunkts der Kennkurve des Pixelelements mit der geringsten Zählrate liegt.
In einem vierten Teilschritt 73 wird nun für jedes Pixelelement die horizontale Differenz zwischen dem Bezugswert MF und der jeweiligen Kennkurve bestimmt, also die Schwellwertdifferenz zwischen der Mittelwertkurve und der jeweiligen Kennkurve für die Zählrate des Bezugspunkts. Für das erste Pixelelement wird in dem Beispiel bei 9 die erste horizontale Differenz K(A) und für das zweite Pixelelement die zweite horizontale Differenz K(B) (diese ist negativ) bestimmt. Aus den horizontalen Differenzen bzw. Schwellwertdifferenzen werden dann in einem fünften Teilschritt 74 die Korrekturschwellwerte bestimmt. So können die Korrekturschwellwerte z. B. den horizontalen Differenzen entsprechen. Hier muss dann allerdings bei der Verwendung der Korrekturschwellwerte beachtet werden, dass keine „negativen” Schwellwerte angelegt werden können, so dass eine entsprechende Umsetzung notwendig ist. Es ist auch denkbar, die Korrekturschwellwerte gleich so zu bestimmen, dass das Pixelelement mit der negativsten horizontalen Differenz den Wert Null bekommt und bei allen anderen der Betrag von dessen horizontaler Differenz zu den horizontalen Differenzen addiert wird, um die Korrekturschwellwerte zu erhalten.
Es ist auch denkbar, anstelle der Mittelwertkurve gleich die Kennkurve mit der niedrigsten Zählrate zu verwenden und dort einen Bezugspunkt zu wählen. Die horizontalen Differenzen der Kennkurven der anderen Pixelelemente sind dann immer positiv und können direkt als Korrekturschwellwert gespeichert werden.
Vor der Bestimmung der horizontalen Differenz (vierter Teilschritt 73) können auch die gefitteten Kennkurven in einem Bereich hoher Zählraten (z. B. 80% oder 90% der Zählrate von der Mittelwertkurve, also bei einem Schwellwert, bei dem 80% oder 90% der Röntgenquanten des Röntgenspektrums gezählt werden) aufeinander normiert werden. In der 10 ist eine solche Auftragung mit einem Skalierpunkt T gezeigt. Dies kann insbesondere sinnvoll sein, um die Nullstellen der Pixelelemente, also den Schwellwert, an dem die jeweiligen Pixelelemente anfangen zu zählen, zu bestimmen. In der 10 ist eine dritte Kennkurve C eines dritten Pixelelements gezeigt, wobei dieses dritte Pixelelement eine geringere Fläche als die beiden anderen Pixelelemente, aber die gleiche Nullstelle wie das zweite Pixelelement, aufweist. Die skalierten Kurven sind ebenfalls gezeigt, also die erste skalierte Kennkurve SK(A) des ersten Pixelelements, die zweite skalierte Kennkurve SK(B) des zweiten Pixelelements und die dritte skalierte Kennkurve SK(C) des dritten Pixelelements.
In der 11 sind Kennkurven gezeigt, welche nach Durchführung zumindest eines Durchlaufs des Kalibrierverfahrens unter Verwendung der Korrekturschwellwerte für das erste und das zweite Pixelelement gemessen werden können. Wird also z. B. der jeweilige Korrekturschwellwert für das erste Pixelelement in diesem lokal angelegt und der jeweilige Korrekturschwellwert für das zweite Pixelelement in diesem lokal angelegt und anschließend global nacheinander verschiedene Schwellwerte angelegt und auf diese Weise Messungen unter Bestrahlung durch das auch zuvor verwendete Röntgenspektrum durchgeführt, so ergeben sich derartige Kennkurven. Gezeigt sind eine ungefittete erste Kennkurve a des ersten Pixelelements und eine ungefittete zweite Kennkurve des zweiten Pixelelements sowie eine gefittete Mittelwertskurve F aus den beiden Kennkurven. Durch die Verwendung der Korrekturschwellwerte beginnt für beide Pixelelemente eine Zählung bei im Wesentlichen derselben Röntgenenergie; sie besitzen also im Wesentlichen die gleiche Nullstelle, gezeigt durch den Energieeichpunkt EE.
Für das bisher beschriebene Kalibrierverfahren besteht nun das Problem, dass die Korrekturschwellwerte nur für das Röntgenspektrum sicher eine Gültigkeit haben, bei welchem das Verfahren durchgeführt wurde. Um für alle möglichen anderen Röntgenspektren und Röntgenenergien Korrekturschwellwerte zu bekommen, müsste demnach also für alle möglichen Röntgenspektren ein derartiges Kalibrierverfahren durchgeführt werden. Die im Folgenden beschriebene Erweiterung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt eine Möglichkeit vor, wie mit geringem zusätzlichen Aufwand Korrekturschwellwerte für eine Vielzahl von Röntgenspektren bestimmt werden können. Dies kann mittels der Durchführung der Schritte a) bis c) des Kalibrierverfahrens für eine kleine Anzahl von verschiedenen Röntgenspektren und im Wesentlichen eine Interpolation durchgeführt werden.
In der 17 sind die wesentlichen Schritte eines solchen Verfahrens gezeigt. So werden zunächst in einem zehnten Schritt 75 ein Schwellwertscan (wie zuvor beschrieben) und eine Speicherung der Messwerte bei einem ausgewählten Röntgenspektrum durchgeführt. Im Folgenden werden in einem elften Schritt 76 das Röntgenspektrum geändert und der zehnte Schritt 75 bei einem sich unterscheidenden Röntgenspektrum wiederholt. Dies wird bei mindesten zwei, bevorzugt drei oder mehr (z. B. vier) Röntgenspektren wiederholt. Anschließend werden in einem zwölften Schritt 77 aus den Messungen für die mindestens zwei Röntgenspektren Kennlinien für die Pixelelemente durch Auftragung der maximalen Energie der Röntgenspektren (also z. B. 50 oder 70 oder 90 oder 120 keV) gegen den Schwellwert, bei welchem das jeweilige Pixelelement anfängt zu zählen, erstellt. Die entsprechenden Informationen können z. B. aus Kennkurven (Auftragung der Zählrate gegen die Schwellwerte, wie zuvor beschrieben) entnommen werden.
Eine derartige Auftragung der maximalen Energie des Röntgenspektrums gegen die Zählbeginn-Schwellwerte ist in der 12 gezeigt. Für zwei Pixelelemente sind hier die entsprechenden Zählbeginn-Schwellwerte gegen die maximale Energie von vier schiedenen Röntgenspektren SP₁, Sp₂, Sp₃ und Sp₄ aufgetragen, die Kurvenpunkte aa des ersten Pixelelements und die Kurvenpunkte bb des zweiten Pixelelements. Vorteilhaft ist es dabei, aus den diskreten Kurvenpunkten eine Fitfunktion zu erstellen, welche die Kennlinien repräsentiert. Es kann z. B. für alle Pixelelemente eines Röntgendetektors die gleiche Fitfunktion (nur mit auf der x-Achse verschobenen Werten) verwendet werden. Aus den (gefitteten) Kennlinien wird nun in einem dreizehnten Schritt 78 eine Mittelwertkurve mw bestimmt, wie in der 12 gezeigt ist. Es ist von Vorteil, wenn die Mittelwertkurve durch die gleiche Fitfunktion gefittet werden kann wie die Kennlinien der Pixelelemente.
Anschließend werden in einem vierzehnten Schritt 79 die Kennlinien zur Berechnung von individuellen Korrekturschwellwerten für die einzelnen Pixelelemente verwendet. So können zum Beispiel die Korrekturschwellwerte direkt als horizontale Differenzen zwischen der Mittelwertkurve und den Kennlinien der einzelnen Pixelelemente verwendet werden oder es können entsprechende daraus abgeleitete oder berechnete Werte als Korrekturschwellwerte verwendet werden. Insbesondere durch eine passende Fitfunktion ist es nun auch möglich, für andere Röntgenspektren, bei denen kein Schwellwertscan durchgeführt wurde, Korrekturschwellwerte zu erhalten. So kann für jeden Punkt der Kennlinien für die einzelnen Pixelelemente die horizontale Differenz von der Mittelwertkurve bestimmt werden, da die Kennlinien für nicht gemessene Punkte durch die Fitfunktion intra- oder extrapoliert worden sind. In der 13 ist eine „ideale” Kennlinie L_F gezeigt, welche nach Durchführung des Kalibrierverfahrens für mehrere Röntgenspektren im Idealfall, also bei optimaler Eliminierung des Schwellwertrauschens, erzielt werden kann.
Im Folgenden ist beispielhaft eine Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, bei welchem zunächst der Einfluss der über Digital-Analog-Konverter einstellbaren Diskriminator-Schwellwerte untersucht und ein mögliches Kalibrierverfahren zur Angleichung der pixelweisen Diskriminatorschwellwerte bezüglich der Energie und der Korrelation von Schwellwerten und Energie untersucht werden. Das Verfahren ist in 20 beschrieben. Zunächst wird angenommen, dass die Architektur einen globalen Schwellwert (im Folgenden als gDAC abgekürzt) und pixelweise lokale Schwellwerte (im Folgenden als ΔDAC(n, m) abgekürzt) vorsieht. Das Verfahren kann aber analog übertragen werden, wenn die Architektur keinen gDAC vorsieht, sondern nur jeweils einen ΔDAC(n, m) für jedes Pixelelement n, m aufweist.
Als erstes wird ein Schwellwertscan durchgeführt für ein gegebenes, definiertes Input-Röntgenspektrum (dies wird dann für verschiedene Röntgenspektren wiederholt). Der Schwellwertscan wird z. B. so durchgeführt, dass vom größten (alternativ vom kleinsten) einstellbaren Schwellwert ausgehend die Zählrate in jedem Pixelelement gemessen wird. Dann werden der Schwellwert reduziert (erhöht) und das Verfahren wiederholt, bis der Schwellwert bei Null (beim maximalen Bit-Wert) angekommen ist (Iteration). Variieren nun die tatsächlichen Schwellwerte trotz vorgegebenem Schwellwert von Pixelelement zu Pixelelement, dann beginnt ein Pixelelement a beispielsweise schon zu zählen, ein anderes (Pixelelement b) aber noch nicht, sondern erst dann, wenn der angelegte Schwellwert weiter reduziert wird (siehe auch 8, welches die Zählrate gegen den angelegten Schwellwert zeigt). Werden die angelegten Schwellwerte nach und nach weiter reduziert, sieht das Pixelelement a bereits einen größeren Teil des Röntgenspektrums und zählt daher bei diesem Schwellwert bereits mehr Röntgenquanten als z. B. das Pixelelement b. Die Zählrate für jedes Pixelelement unterliegt Quantenstatistik (abhängig von der gewählten Dosis bzw. dem Quantenfluss) und schwankt daher von Schwellwert zu Schwellwert. Wird über alle Pixelelemente eines Detektormoduls oder des gesamten Röntgendetektors (mit z. B. mehreren Detektormodulen) gemittelt, dann wird die Statistik erheblich besser und es ergibt sich eine mittlere Zählratenkurve (Mittelwertkurve MW) als Funktion des Schwellwerts. Bei dem allerersten Schwellwertscan für ein gewisses Röntgenspektrum Sp_i (definiert durch wenigstens die Röhrenspannung in kVp (wodurch die maximale Röntgenenergie der Röntgenquanten in keV gegeben ist) und die Vorfilterung) wird zunächst jedem Pixelelement der gleiche Schwellwert zugeteilt. Dies lässt sich wie folgt beschreiben:
DAC(n, m, S) = gDAC + ΔDAC(n, m, S), mit ΔDAC(n, m, S) = 0 für alle n = 1 ... N und m = 1 ... M, wobei gDAC der globale Schwellwert ist und ΔDAC(n, m, S) der lokale Schwellwert (nd z. B. die aktuelle pixelweise Schwellwertdifferenz- oder Korrekturtabelle für jedes Pixel n, m).
Ziel ist es nun, die Schwellwerte für jedes Pixelelelement durch Anpassung der Schwellwertdifferenztabelle so anzugleichen, dass bei einem wiederholten Schwellwertscan alle Pixelelemente im Wesentlichen beim gleichen globalen Schwellwert gDAC anfangen zu zählen. Die Anpassung der pixelweisen Schwellwerte ADAC kann z. B. wie folgt durchgeführt werden (siehe 9 und 10): Die Mittelwertkurve (eines Detektormoduls oder aller Detektormodule) wird geglättet (durch die Mittelung ergeben sich bereits wesentlich geringere statistische Schwankungen) und es wird eine geeignete Funktion gefittet. Die geglättete Mittelwertkurve oder gefittete Funktion wird dann an die Schwellwertscan-Kurven jedes einzelnen Pixelelements gefittet, wobei Freiheitsgrade wie Verschiebung der Kurve auf der x-Achse, Skalierung und Ähnliches zugelassen sind. Dann wird ein mittlerer Bezugswert festgelegt. Dieser Bezugswert kann an irgendeinem geeigneten Punkt festgelegt werden. Dies kann z. B. bei 10% oder 20% der maximalen Zählrate sinnvoll sein. Es kann aber auch direkt der Schwellwert gewählt werden, der am nächsten an dem Punkt liegt, an dem die gefittete Zählratenkurve über die Mittelwertkurve die x-Achse berührt oder trifft. Je mehr Gainunterschiede (z. B. wegen unterschiedlicher Pixelgrößen an Detektormodulgrenzen gegenüber dem Detektormodulzentrum) von Pixelelement zu Pixelelement eine Rolle spielen, umso geeigneter könnte es sein, einen eher kleinen prozentualen Zählwert (z. B. 5% oder auch die Nullstelle der gefitteten Funktion) als Bezugswert zu verwenden, da in diesen Fällen selbst nach der pixelweisen Schwellwertkorrektur die Kennkurven unterschiedlicher Pixelelemente auf der y-Achse unterschiedlich skalieren (ein Pixelelement mit kleinerer Fläche wird weniger zählen als ein Pixelelement größerer Fläche). Alternativ bzw. zusätzlich können die Fitkurven in einem Bereich hoher Zählrate (d. h. für einen Schwellwert, für den bereits ein großer Teil, z. B. 80%, aller Röntgenquanten des Röntgenspektrums gezählt werden) aufeinander normieren (Skalierpunkt), da dort etwaige pixelweise Schwellwertunterschiede keine Rolle spielen. Wählt man die Nullstelle, d. h. den Schwellwert, an dem oder vor dem die Zähler beginnen zu zählen, als Bezugswert, führt dies zu keiner Verbesserung. Ist die Nullstelle für die einzelnen Pixelelemente nur ungenau bestimmbar, dann kann das zusätzlich sinnvoll sein. In 10 ist ein drittes Pixelelement c gezeigt, das (z. B. wegen geringerer Fläche als das erste und zweite Pixelelement a oder b) weniger Röntgenquanten absorbiert und daher auch weniger zählt. Es besitzt aber z. B. die gleiche Schwellwertverschiebung wie das zweite Pixelelement b. Die Skalierung der gefitteten Zählratenkurven der Pixelelemente auf einen Skalierpunkt hat kaum Einfluss auf die pixelweisen Korrekturschwellwerte, solange der Bezugspunkt klein genug (bezogen auf die maximalen Zählrate) und der Skalierpunkt groß genug (bezogen auf die maximale Zählrate) gewählt werden. Auch der iterative Korrekturschwellwerte-Bestimmungsprozess hilft hierbei.
Anschließend wird für jedes Pixelelement n, m die (horizontale) Differenz δgDAC(n, m, S) zwischen dem mittleren Bezugswert und dem entsprechenden Wert auf der Kurve oder gefitteten Funktion des Pixelelements (in gDAC-Werten) bestimmt. Aus den so bestimmten Differenzen wird eine aktualisierte DAC-Differenz- oder Korrektur-Tabelle, ΔDAC(n, m, S), erzeugt. Werden für den globalen DAC und die pixelweisen ΔDACs unterschiedliche Schrittweiten verwendet (also z. B. 2 keV/bit für den gDAC und 0,5 keV für die ΔDACs), dann muss ein entsprechender Umrechnungsfaktor k (in diesem Beispiel 4) berücksichtigt werden, d. h. es gilt: ΔDACs(n, m, S) = k·δgDAC(n, m, S).
Verhalten sich der gDAC oder/und die pixelweisen ΔDACs nicht-linear, so ist ferner zu beachten, dass der Umrechnungsfaktor keine Konstante k ist, sondern eine komplexere Funktion, die sich z. B. wie folgt angeben lässt: ΔDACs(n, m, S) = k(gDAC, δgDAC(n, m, S))·δgDAC(n, m, S) Der Schwellwertscan wird anschließend mit der aktualisierten Korrekturtabelle (ΔDAC(n, m, S)) erneut wiederholt. Dieses Vorgehen kann bei Bedarf mehrfach iteriert werden. Im Idealfall gleichen sich dann die Zählraten an und ab einem gegebenen globalen Schwellwert gDAC beginnen alle Pixelelemente zu zählen (siehe 11).
Zusätzlich kann auch eine Verknüpfung zwischen Röntgenenergie und Schwellwert hergestellt werden. Nach Durchführung der oben beschriebenen Iteration und Korrektur der Pixelelemente n, m auf den pixelweisen Korrekturschwellwert, ΔDAC(n, m, S), fangen alle Pixelelemente im Idealfall beim gleichen globalen Schwellwert, gDAC, an zu zählen (z. B. Annahme, man beginnt den Scan mit hohen globalen Schwellwerten). Dieser globale Schwellwert entspricht dann etwa der maximalen Energie des Röntgenspektrums. Ein Röntgenspektrum, das mit einer Röhrenspannung von z. B. 70 kVp erzeugt wird, also bei 70 keV. Wird das oben beschriebene Verfahren also für unterschiedliche Röntgenspektren, Sp_i, mit unterschiedlichen kVp (z. B. 50, 70, 90, 120 kVp) durchgeführt, so kann eine gDAC-keV-Kennlinienkurve, gDAC(keV), erstellt werden, wie in 13 gezeigt, indem z. B. eine geeignete Funktion (z. B. linear, Polynom höherer Ordnung, Wurzelkennlinie oder ähnliches – was immer die Eigenschaften von Material, Vorverstärker, Schwellwerten, Diskriminatoren, etc. auch bedingen) an die gemessenen Punkte z. B. durch ein Fit-Verfahren erzeugt wird. Die Kennlinie kann u. U. (wie in 13 gezeigt) nicht-linear sein.
In 12 ist der Zusammenhang ohne vorherige pixelweise DAC-Korrektur (d. h. z. B. für den Fall ΔDAC(n, m, Sp_i) = 0 oder auch nach ungenügend vielen Iterationsschritten) gezeigt. Dann liegen die Endpunktsenergien eines Röntgenspektrums für unterschiedliche Pixel u. U. bei unterschiedlichen globalen Schwellwerten. Oder umgekehrt, für einen Schwellwert entsprechen unterschiedlichen Pixelelementen unterschiedliche Energien (siehe Rauten). Durch den Fit einer geeigneten Funktion an die diskreten pixelweisen Korrekturschwellwerte, ΔDAC(n, m, Sp_i), können dann kontinuierliche pixelweise Korrekturschwellwerte, ΔDAC(n, m, keV), extrahiert werden. In diesem Zusammenhang ist es also möglich, für eine gewünschte Diskriminatorschwelle in keV den entsprechenden globalen Schwellwert, gDAC(keV) und die benötigten pixelweisen Korrekturschwellwerte, ΔDAC(n, m, keV), anzugeben und in den Röntgendetektor zu laden, um für die Aufnahme von Röntgenbildern verwendet zu werden. Sieht das Pixeldesign mehrere Diskriminatorschwellen vor (z. B. bei Energiediskriminierung), dann werden entsprechend viele gDAC(keV)-Werte und entsprechende Korrekturschwellwerte, ΔDAC(n, m, keV), geladen.
Die Gesamtheit der Schritte der Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 20 beschrieben. Die Berechnung von verbesserten (aktualisierten) Korrekturschwellwerten kann je nach Implementierung extern geschehen, z. B. in einem externen PC oder einer geeigneten externen Bildverarbeitungselektronik (dann werden die Z(n, m, gDAC, Sp_i) in den PC ausgelesen, dort verarbeiten, neue DAC-Korrekturtabellen erstellt und von dort wieder in den Detektor geladen) oder es kann auch z. B. in einem FPGA oder anderen Recheneinheiten direkt in der peripheren Elektronik des Detektors, also intern, durchgeführt werden.
Die Schwellwerte sind im Allgemeinen diskret, z. B. ganzzahlig und entsprechen gewissen Energieschritten von z. B. 0,5, 1, 2 oder mehr keV pro bit (hängt von der Ausführung ab). Da die Fitfunktionen aber „reelle” nicht-diskrete Korrekturschwellwerte δgDAC(n, m, S) berechnen, kann zur einfacheren Implementierung z. B. der am nächsten liegende Schwellwert oder der nächst kleinere oder der nächst größere Korrekturschwellwert, ΔDACs(n, m, S), gewählt werden.
Wie oben beschrieben kann ein ähnliches Kalibrierverfahren auch für Röntgendetektoren angewendet werden, die keinen globalen Schwellwert gDAC aufweisen. In diesem Fall müssen die lokalen Schwellwerte dann so eingestellt werden, dass die individuellen (pixelweisen) Zählratenkurven möglichst gut mit der gemittelten oder gefitteten Zählratenkurve übereinstimmen. Auch hier kann iteriert werden; allerdings kann auf neue Messungen verzichtet werden. Stattdessen werden die iterative Bestimmung der gemittelten und gefitteten Zählratenkurve und die benötigte Verschiebung der individuellen lokalen Schwellwerte und Skalierung auf einen gemeinsamen Skalierpunkt neu berechnet.
Zur Durchführung des Kalibrierverfahrens können Röntgenquellen in Form der an Röntgensystemen verfügbaren Röntgenröhren verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass alle Voraussetzungen zur Kalibrierung an einem üblichen Röntgensystem vorhanden sind und jederzeit erneut ohne großen Aufwand neu kalibriert werden kann. Die Strahlung kann aber auch mit monochromatischen Quellen erzeugt werden. Die Kennkurven der Zählraten haben dann allerdings etwas andere Verläufe als die in den 8 bis 11 gezeigten. Bei handelsüblichen Röntgenquellen nimmt im Allgemeinen die integrale Zählrate mit kleiner werdenden Schwellwerten zu, da deren Röntgenspektrum breit ist. Bei monochromatischen Quellen würde die Zählrate sehr schnell ansteigen, wenn der Schwellwert (von hohen Werten kommend) den der Röntgenenergie entsprechenden Wert erreicht und nicht weiter ansteigen, sobald der Schwellwert diesen deutlich unterschreitet (invertierte S-Kurven). Als monochromatische Quellen können zum einen geeignete radioaktive Quellen wie z. B. ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs, ²⁴¹Am verwendet werden, oder auch quasi-monochromatische Quellen, die die Bragg-Reflexion ausnutzen.
Zusätzlich zu der Kalibrierung bzw. Korrektur des schwellwertbedingten Rauschens ist es im Allgemeinen sinnvoll, eine Gain-Kalibrierung von Röntgenbildern durchzuführen. Es kann wichtig sein, schwellwertbedingten Zählrateneinflüssen von anderen „gain-artigen” Einflüssen (wie z. B. Geometrie) zu unterscheiden. Beispielsweise kann sowohl ein höherer Schwellwert als auch eine geringere Pixelgröße zu einer geringeren Zählrate führen als für ein vergleichbares Pixelelement. Sind die Korrekturschwellwerte für die Pixelelemente für verschiedene Energien gefunden, dann kann anschließend eine von heute eingesetzten integrierenden Detektoren her bekannte Gain-Kalibrierung stattfinden, um mit einer entsprechenden Korrektur multiplikative Unterschiede von Pixelelement zu Pixelelement auszugleichen. Dazu werden geeignete Gain-Korrekturmaps, G(n, m), erzeugt. Die Korrektur eines „Zählratenbildes” Z(n, m, keV), das oberhalb eines Schwellwerts keV entstanden ist, wird dann z. B. nach folgendem Schema korrigiert: Z_corr(n, m, keV) = Z(n, m, keV)·Gain(n, m). Außerdem können defekte Pixelelemente identifiziert und in entsprechenden Defektmaps, D(n, m) gespeichert werden. Die Korrektur eines defekten Pixelelements erfolgt dadurch, dass dessen erwartetes Signal mittels der Information aus benachbarten, nicht defekten Pixelelementen rekonstruiert wird (z. B. durch Mittelung, Interpolation, etc.) und dem defekten Pixelelement zugeordnet wird.
Eventuell kann es notwendig sein, für unterschiedliche Röntgenspektren auch unterschiedliche Gain-Kalibrierdaten zu ermitteln und zu verwenden. Es kann vorteilhaft sein, analog zur Erzeugung von röntgenspektrumsabhängigen pixelweisen Korrekturschwellwerten auch Gain-Maps, Gain(n, m, keV), zu erzeugen. Dazu können wiederum für mehrere Stützstellen, sprich mehrere Röntgenspektren Sp_i, entsprechende Gainmaps, G(n, m, Sp) erzeugt werden. Je nach Notwendigkeit und Implementierung kann für die Gain-Korrektur eines Zählratenbildes, Z(n, m, keV), diejenige Gainmap, G(n, m, Sp), verwendet werden, die am geeignetsten ist. Verfeinern lässt sich das noch derart, dass noch weitere Gainmaps G(n, m, keV) entstehen, z. B. durch Inter- oder Extrapolation unter Zuhilfenahme der gewonnenen Gainmaps, G(n, m, S).
In den 18 und 19 sind Abfolgen von Verfahren zur Aufnahme von Röntgenbildern mit aus dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Korrekturschwellwerten gezeigt, wobei in 18 ein Röntgendetektor mit Pixelelementen mit jeweils einem Zähler und in 19 eine Energiediskriminierung, also eine Zählung in mehreren Energiestufen, vorgesehen ist. Für eine Energiediskriminierung wird ein Röntgendetektor verwendet, dessen Pixelelemente mehrere Zähler sowie mehrere lokale Diskriminatoren und lokale Digital-Analog-Wandler aufweisen, wie z. B. in 7 gezeigt.
In einem vierzehnten Schritt 80 wird der oder bei einer Energiediskriminierung die gewünschte/n Gesamt-Schwellwert/e ausgewählt, welche/r an die Pixelelemente angelegt werden soll/en. In einem fünfzehnten Schritt 81 und einem sechzehnten Schritt 82 wird daraus dann abgeleitet, welcher globale Schwellwert und welche lokalen Schwellwerte zur Umsetzung des Gesamt-Schwellwertes verwendet werden müssen. So kann, wie zuvor beschrieben, der für das entsprechende zu verwendende Röntgenspektrum ermittelte Korrekturschwellwert lokal angelegt werden und der übrige Anteil global angelegt wird. In jedem Fall wird auf die Korrekturschwellwerte, welche in dem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren ermittelt wurden, zurückgegriffen. In einem siebzehnten Schritt 83 werden die entsprechenden Schwellwerte (z. B. global und lokal) angelegt. In einem achtzehnten Schritt 84 werden dann unter Bestrahlung eines Untersuchungsobjekts durch das Röntgenspektrum Bilddaten des Untersuchungsobjekts akquiriert und in einem neunzehnten Schritt 85 die Zählraten ausgelesen. In einem zwanzigsten Schritt 86 wird das passende Gainbild ausgewählt und in einem einundzwanzigsten Schritt 87 die passende Defektmap zur Korrektur ausgewählt und in einem zweiundzwanzigsten Schritt 88 werden mit diesen die Korrekturen der zuvor ausgelesenen Zählraten durchgeführt. Anschließend kann noch eine weitere Bildverarbeitung 89 erfolgen und die bearbeiteten Röntgenbilder können einer Speicherung 90 und einer Anzeige 91 z. B. an einem Monitor zugeführt werden.
Der Ablauf ist nur als schematisch anzusehen, da z. B. pro dargestelltem Röntgenbild mehrere Ausleseprozesse der Zählraten stattfinden können, um diese „Readings” dann zu einem Bild zusammen zu setzen und da eine Wiederholung von Bildakquisitionen typischerweise nicht erst mit Darstellung des Bildes am Monitor iniziiert wird. Optional ist die Verwendung von mehr als einer Gain- und/oder Defektmap dargestellt.
Durch das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren können eine deutliche Verbesserung der Bildqualität und eine Reduzierung des schwellwertbedingten Rauschens erzielt werden. Es wird eine direkte Zuordnung von Schwellwerten zur Energie der Röntgenquanten (wichtig für energieselektive Bildgebung), d. h. Bestimmung von Schwellwert-Energie-Kennlinien, erzielt.
Durch das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren können eine deutliche Verbesserung der Bildqualität und eine Reduzierung des schwellwertbedingten Rauschens erzielt werden. Es wird eine direkte Zuordnung von Schwellwerten zur Energie der Röntgenquanten (wichtig für energieselektive Bildgebung), d. h. Bestimmung von Schwellwert-Energie-Kennlinien, erzielt. Das Verfahren ist ein sehr einfaches und robustes Verfahren und kann ohne monoenergetische (z. B. radioaktive) Röntgenquellen, mit einfachen, bekannten Röntgenquellen, durchgeführt werden. Es ist leicht automatisierbar, so dass im Fall von Drifts, Temperatureinflüssen etc. schnell eine Neukalibrierung durchgeführt werden kann.
Die Erfindung kann ebenfalls auf Röntgendetektoren mit einer Energiediskriminierung oder auf Röntgendetektoren mit Fensterdiskriminatoren (also unterer und oberer Schwellwert) übertragen werden.
Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Es wird ein Verfahren zur Kalibrierung eines zählenden digitalen Röntgendetektors, aufweisend einen Röntgenkonverter zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in ein elektrisches Signal und eine Matrix mit einer Vielzahl von zählenden Pixelelementen, wobei jedes Pixelelement einen Signaleingang und mindestens eine Speichereinheit, insbesondere einen Zähler, aufweist und für jedes Pixelelement ein Schwellwert anlegbar ist, oberhalb dessen das eingehende Signal mittels einer Speichereinheit gezählt wird, wobei der Röntgendetektor zumindest einen globalen Diskriminator und einen globalen Digital-Analog-Wandler zum Anlegen eines globalen Schwellwerts an alle oder eine Vielzahl von Pixelelementen aufweist und jedes Pixelelement zumindest einen lokalen Diskriminator und einen lokalen Digital-Analog-Wandler zum Anlegen eines lokalen Schwellwerts an das jeweilige Pixelelement aufweist und der Schwellwert an ein Pixelelement als Summe aus dem globalen und dem lokalen Schwellwert anlegbar ist, mit den folgenden Schritten beansprucht:

Claims

Verfahren zur Kalibrierung eines zählenden digitalen Röntgendetektors, aufweisend einen Röntgenkonverter zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in ein elektrisches Signal und eine Matrix mit einer Vielzahl von zählenden Pixelelementen, wobei jedes Pixelelement einen Signaleingang und mindestens eine Speichereinheit, insbesondere einen Zähler, aufweist und für jedes Pixelelement ein Schwellwert anlegbar ist, oberhalb dessen das eingehende Signal mittels einer Speichereinheit gezählt wird, wobei der Röntgendetektor zumindest einen globalen Diskriminator und einen globalen Digital-Analog-Wandler zum Anlegen eines globalen Schwellwerts an alle oder eine Vielzahl von Pixelelementen aufweist und jedes Pixelelement zumindest einen lokalen Diskriminator und einen lokalen Digital-Analog-Wandler zum Anlegen eines lokalen Schwellwerts an das jeweilige Pixelelement aufweist und der Schwellwert an ein Pixelelement als Summe aus dem globalen und dem lokalen Schwellwert anlegbar ist, mit den folgenden Schritten: a) Durchführung eines Schwellwertscans bei einem definierten Röntgenspektrum zur Bestrahlung des Röntgendetektors mit den folgenden Schritten: i) Anlegen eines ersten, für alle Pixelelemente gleichen Schwellwertes, wobei die lokalen Schwellwerte auf Null gesetzt werden, ii) Bestrahlung des Röntgendetektors mit Röntgenstrahlung des definierten Röntgenspektrums, iii) während der Bestrahlung Messung der Zählraten der Pixelelemente des Röntgendetektors, iv) anschließend Anlegen eines weiteren, von dem ersten unterschiedlichen Schwellwertes für alle Pixelelemente und Wiederholung der Schritte ii) und iii), v) bei Bedarf einmalige oder mehrmalige Iteration des Schrittes iv), b) Speicherung der Zählraten der Pixelelemente in Abhängigkeit von den jeweiligen angelegten Schwellwerten, c) aus den Messergebnissen Bestimmung oder Berechnung von individuellen Korrekturschwellwerten für die einzelnen Pixelelemente, wobei die individuellen Korrekturschwellwerte einen an die Pixelelemente anzulegenden Schwellwert bei dem definierten Röntgenspektrum derart korrigieren, dass das Schwellwertrauschen verringert wird, insbesondere eine für alle Pixelelemente im Wesentlichen bei der gleichen Röntgenenergie beginnende Zählung bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 mit den folgenden Schritten zur Berechnung der Korrekturschwellwerte: – Bestimmung von Kennkurven für die einzelnen Pixelelemente durch Auftragung der Zählraten gegen den Schwellwert, – Berechnung einer Mittelwertkurve aus den Kurven der Pixelelemente, – Auswahl eines Bezugswertes auf der Mittelwertkurve, – Bestimmung der horizontalen Differenz zwischen dem Bezugswert und der jeweiligen Kennkurve der Pixelelemente, und – Bestimmung der Korrekturschwellwerte aus den horizontalen Differenzen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei bei Bedarf die Kurven gefittet und/oder geglättet und/oder skaliert werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei der Bezugswert zwischen 5% und 25% der maximalen Zählrate gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schritte a) bis c) wiederholt werden, wobei bei den Schwellwertscans zusätzlich zu den für alle Pixelelemente gleichen Schwellwerten die individuellen Korrekturschwellwerte verwendet werden, und wobei im Schritt c) dadurch aktualisierte Korrekturschwellwerte bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verfahren mehrfach iteriert wird, wobei bei den Schwellwertscans jeweils die in der vorhergehenden Iteration bestimmten, individuellen, aktuellen Korrekturschwellwerte verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Korrekturschwellwerte als lokale Schwellwerte an die einzelnen Pixelelemente aus Schritt c) angelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei bei der Bestimmung der Korrekturschwellwerte die unterschiedlichen Schrittweiten der globalen und der lokalen Digital-Analog-Wandler und/oder deren nicht-lineares Verhalten zueinander durch Verwendung von Umrechnungsfaktoren berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Tabelle aus den Korrekturschwellwerten erstellt und gespeichert wird, wobei aus der Tabelle bei Bedarf die Korrekturschwellwerte entnehmbar und für die Pixelelemente des Röntgendetektors verwendbar sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren automatisch durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei – die Schritte a) und b) für mindestens zwei verschiedene Röntgenspektren durchgeführt werden, – aus den Messungen für die mindestens zwei Röntgenspektren Kennlinien für die Pixelelemente durch Auftragung der maximalen Energie der Röntgenspektren gegen den Schwellwert, bei welchem das jeweilige Pixelelement anfängt zu zählen, erstellt werden, – eine Mittelwertkurve aus den Kurven der Pixelelemente ermittelt wird, und – die Kennlinien zur Bestimmung oder Berechnung von individuellen Korrekturschwellwerten für die einzelnen Pixelelemente entsprechend Schritt c) verwendet werden, wobei Korrekturschwellwerte für verschiedene Röntgenspektren oder Röntgenenergien bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Korrekturschwellwerte für Röntgenenergien, bei denen kein Schwellwertscan vorliegt, durch ein Interpolations- oder Extrapolationsverfahren ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für den Fall, dass für die Schwellwerte nur diskrete Werte auswählbar sind und die bestimmten Korrekturschwellwerte von den auswählbaren diskreten Werten abweichen, jeweils die den Korrekturschwellwerten am nächsten liegenden diskreten Werte verwendet werden.
Röntgensystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit einem zählenden digitalen Röntgendetektor, aufweisend einen Röntgenkonverter zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in ein elektrisches Signal, eine Matrix mit einer Vielzahl von zählenden Pixelelementen, eine Ansteuer- und Ausleseeinheit, zumindest einen globalen Diskriminator und einen globalen Digital-Analog-Wandler mit einem an alle oder eine Vielzahl von Pixelelementen anlegbaren, einstellbaren, globalen Schwellwert (gDAC), wobei jedes Pixelelement einen Signaleingang, einen Zähler und zumindest einen lokalen Diskriminator und einen lokalen Digital-Analog-Wandler mit einem individuell für das jeweilige Pixelelement einstellbaren lokalen Schwellwert (ΔDAC) aufweist, und wobei für jedes Pixelelement oberhalb des aus dem globalen Schwellwert und dem jeweiligen lokalen Schwellwerten summierten Schwellwerts das eingehende Signal mittels einer Speichereinheit gezählt wird, sowie aufweisend eine Röntgenquelle zur Aussendung einer Röntgenstrahlung, eine Speichereinheit zur Speicherung der Zählraten der Pixelelemente und eine Berechnungseinheit zur Bestimmung oder Berechnung von Korrekturschwellwerten.
Verfahren zur Aufnahme von zumindest einem Röntgenbild mit einem Röntgensystem nach Anspruch 14, wobei mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 bestimmte Korrekturschwellwerte bei der Aufnahme des Röntgenbildes zur Korrektur des Schwellwertrauschens verwendet werden.