DE102013218692B4

DE102013218692B4 - Detektion von Röntgenstrahlung

Info

Publication number: DE102013218692B4
Application number: DE102013218692.4A
Authority: DE
Inventors: Steffen Kappler; Edgar Kraft
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2033-09-19
Also published as: DE102013218692A1; CN104459756B; US10104752B2; CN104459756A; US20150078512A1; US9854656B2; US20180146535A1

Abstract

Röntgendetektor (100), mit- einer Detektionseinheit (10), welche ein Detektionssignal für auf die Detektionseinheit (10) auftreffender Röntgenstrahlung (XR) erzeugt, und- einem Signalanalysemodul (30, 30') welches auf Basis des Detektionssignals und vorgegebenen Signalanalyseparametern (P1, P2) für Röntgenstrahlung einen Satz von Zählraten (R1, R2, R1', R2') für auf die Detektionseinheit auftreffende Röntgenstrahlung ermittelt,- einer Umschaltsteuereinheit (40) zur Umschaltung zwischen mindestens ersten Signalanalyseparametern (P1) und zweiten Signalanalyseparametern (P2), so dass bei einer vorgegebenen, auf die Detektionseinheit (10) auftreffenden Röntgenstrahlung (XR)auf Basis von ersten Signalanalyseparametern (P1) für eine erste Zeitspanne (Δt1) ein erster Satz von Zählraten (R1, R1') erzeugt wird undauf Basis eines zu den ersten Signalanalyseparametern (P1) unterschiedlichen zweiten Signalanalyseparametern (P2) für eine zweite Zeitspanne (Δt2) ein zweiter Satz von Zählraten (R2, R2') erzeugt wird, wobei die Umschaltsteuereinheit (40) zu einer stochastischen Umschaltung ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Röntgendetektor zur Detektion von Röntgenstrahlung mit einer Detektionseinheit, welche ein Detektionssignal für auf die Detektionseinheit auftreffende Röntgenstrahlung erzeugt und einem Signalanalysemodul, welches auf Basis des Detektionssignals und vorgegebenen Signalanalyseparametern für Röntgenstrahlung einen Satz von Zählraten für auf die Detektionseinheit auftreffende Röntgenstrahlung ermittelt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung von Zählraten für Röntgenstrahlung mit einem solchen Röntgendetektor, sowie ein Röntgenbildgebungssystem mit einem solchen Röntgendetektor.
Mit Hilfe moderner bildgebender Verfahren werden häufig zwei- oder dreidimensionale Bilddaten erzeugt, die zur Visualisierung eines abgebildeten Untersuchungsobjekts und darüber hinaus auch für weitere Anwendungen genutzt werden können.
Häufig basieren die bildgebenden Verfahren auf der Erfassung von Röntgenstrahlung, wobei sogenannte Projektionsmessdaten erzeugt werden. Beispielsweise können Projektionsmessdaten mit Hilfe eines Computertomographie-Systems (CT-Systems) akquiriert werden. Bei CT-Systemen läuft gewöhnlich eine an einer Gantry angeordnete Kombination aus Röntgenquelle und gegenüberliegend angeordnetem Röntgendetektor um einen Messraum um, in dem sich das Untersuchungsobjekt (das im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Patient bezeichnet wird) befindet. Das Drehzentrum (auch „Isozentrum“ genannt) fällt dabei mit einer sogenannten Systemachse z zusammen. Bei einem oder mehreren Umläufen wird der Patient mit Röntgenstrahlung der Röntgenquelle durchstrahlt, wobei mit Hilfe des gegenüberliegenden Röntgendetektors Projektionsmessdaten bzw. Röntgenprojektionsdaten erfasst werden.
Die erzeugten Projektionsmessdaten sind insbesondere von der Bauart des Röntgendetektors abhängig. Röntgendetektoren weisen gewöhnlich eine Mehrzahl an Detektionseinheiten auf, die meist in Form eines regelmäßigen Pixelarrays angeordnet sind. Die Detektionseinheiten erzeugen jeweils für auf die Detektionseinheiten auftreffende Röntgenstrahlung ein Detektionssignal, welches zu bestimmten Zeitpunkten hinsichtlich Intensität und spektraler Verteilung der Röntgenstrahlung analysiert wird, um Rückschlüsse auf das Untersuchungsobjekt zu erhalten und Projektionsmessdaten zu erzeugen.
Einem bestimmten Zeitpunkt ist dabei jeweils ein bestimmter Winkel der Drehung der Röntgenquelle um das Isozentrum zugeordnet, der sogenannten Projektionswinkel. Die einem bestimmten Projektionswinkel zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. einer bestimmten Zeitspanne zugeordneten Projektionsmessdaten werden typischerweise als sogenannte „Projektion“ bezeichnet, und die einem bestimmten Projektionswinkel zugeordnete Zeitspanne bzw. der Zeitpunkt wird im Folgenden als „Framezeit“ bezeichnet.
Mit Hilfe heute gebräuchlicher CT-Systeme werden die Projektionsmessdaten zur Rekonstruktion eines Satzes von Schnittbildern bzw. eines volumetrischen Datensatzes erfasst. Für jedes einzelnes Schnittbild werden einige Hundert bis mehrere tausend Projektionen verwendet. Die Aufnahmezeit einer Projektion (auch: eines „Frames“) beträgt typischerweise wenige hundert Mikrosekunden (meist zwischen 100µs und 1 ms). Die Framezeit ist in der Regel durch die Umdrehungsgeschwindigkeit und den Drehwinkelbereich der Gantry bestimmt, in dem Projektionsmessdaten für den volumetrischen Datensatz erzeugt werden sollen.
Bei sogenannten quantenzählenden bzw. photonenzählenden Röntgendetektoren wird das Detektionssignal für Röntgenstrahlung hinsichtlich der Intensität und der spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung in Form von Zählraten analysiert. Die Zählraten werden als Ausgabedaten eines sogenannten Detektorkanals zur Verfügung gestellt, der jeweils einer Detektionseinheit zugeordnet ist. Bei quanten- bzw. photonenzählenden Detektoren mit mehreren Energieschwellen erzeugt jeder Detektorkanal auf Basis des jeweiligen Detektionssignals der Detektionseinheit pro Projektion meist einen Satz von Zählraten. Der Satz von Zählraten kann dabei Zählraten für mehrere verschiedene, insbesondere gleichzeitig überprüfte Energieschwellwerte umfassen. Die Energieschwellwerte und die Anzahl der Energieschwellen, denen jeweils ein Energieschwellwert zugeordnet ist, sind meist als Signalanalyseparameter zur Erfassung der Projektion vorgegeben.
Dabei ist eine Obergrenze für die Anzahl von gleichzeitig überprüften Energieschwellen eines Detektorkanals dadurch gegeben, dass für jede überprüfte Energieschwelle in dem Detektorkanal jeweils eigene Signalkomparatoren und Zählerelemente vorhanden sein sollten. Aus Kosten- und Platzgründen kann die Anzahl der Energieschwellen somit nicht ins unendliche gesteigert werden, und Kompromisse hinsichtlich der Anzahl von analysierten Energieschwellen sind somit unumgänglich. Dabei ist klar, dass die Signalanalyseparameter letztendlich die Güte der Analyse der Röntgenstrahlung und damit der erzeugten Projektionsmessdaten bestimmen. Die Güte der erzeugten Projektionsmessdaten wird dabei u. a. durch die Trennung zweier Röntgenstrahlungsquanten in dem Detektionssignal beeinflusst, die in einem als „Einzelpulstrennung“ bezeichneten zeitlichen Abstand möglich ist. Ferner kann die Güte der Projektionsmessdaten auch von dem energetischen Abstand, in dem die Trennung zweier Röntgenstrahlungsquanten (der meist als Spannungsabstand in dem Signal repräsentiert ist) möglich ist, beeinflusst sein.
Insgesamt ist es jedoch schwierig, diese Signalanalyseparameter vorab geeignet festzulegen, so dass Projektionsmessdaten hoher Qualität erzeugt werden können. Die vorliegende Erfindung schafft hier Abhilfe.
In der Druckschrift US 2011/ 0 096 892 A1 wird ein Bildgebungssystem offenbart, umfassend eine Strahlungsquelle, wobei die Strahlungsquelle Strahlung mit einem Energiespektrum emittiert, das während eines Bildgebungsvorgangs selektiv abwechselnd zwischen mindestens zwei verschiedenen Energiespektren umgeschaltet wird, und ein energieauflösendes Detektorarray, das die Strahlung detektiert, wobei das energieauflösende Detektorarray die detektierte Strahlung über mindestens zwei verschiedene Energiebereiche auflöst und das energieauflösende Detektorarray energieaufgelöste Ausgangssignale als eine Funktion sowohl des Emissionsenergiespektrums als auch des Energiebereichs erzeugt.
In der Druckschrift US 2009/ 0 147 919 A1 ist ein Röntgengerät offenbart, umfassend eine Bildverarbeitungsvorrichtung mit eine Erfassungsvorrichtung, die Projektionsdaten eines ersten Energiespektrums und Projektionsdaten eines zweiten Energiespektrums erfasst, und eine Vorrichtung zur Erzeugung synthetischer Bilder, die ein erstes Bild auf der Grundlage der Projektionsdaten des ersten Energiespektrums und ein zweites Bild auf der Grundlage der Projektionsdaten des zweiten Energiespektrums gemäß einer vorbestimmten synthetischen Bedingung synthetisiert.
In der Druckschrift WO 2012/ 158 759 A2 wird ein Verfahren und System zur Erfassung von Spektralinformationen durch einem energieempfindlichen Nukleardetektor offenbart, welches eine automatische Anpassung der Pulsformungszeit umfassen kann.
In der Druckschrift DE 10 2011 077 859 A1 ist einen quantenzählenden Strahlungsdetektor offenbart, bei dem in parallelen Verarbeitungszweigen die Signale der Einzel-Pixel und die Signale zusammengefasster Pixel ausgewertet werden, wobei die Zählergebnisse anschließend in geeigneter Weise kombiniert werden können, um den Einfluss unerwünschter Störeffekte bei der jeweiligen Anwendung zu reduzieren.
Aufgabe der Erfindung ist, Projektionsmessdaten hinsichtlich der Röntgenenergiebestimmung und/oder der Intensitätsbestimmung zu verbessern und ein Verfahren anzugeben, mit dem die Röntgenbildgebung insgesamt verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines Röntgendetektors nach Anspruch 1, eines Röntgenbildgebungssystems nach Anspruch 6, eines Verfahrens zur Ermittlung von Zählraten für Röntgenstrahlung nach Anspruch 7 und einem Verfahren zur Kalibration von Signalanalyseparametern eines Röntgendetektors nach Anspruch 10 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein quantenzählender bzw. photonenzählender Röntgendetektor mit einer Detektionseinheit vorgeschlagen, welcher auf Basis von auf die Detektionseinheit auftreffender Röntgenstrahlung ein Detektionssignal erzeugt. Die Detektionseinheit umfasst insbesondere einen Detektionsbereich, um beispielsweise Ladungspulse als Detektionssignal für von der Detektionseinheit absorbierte Röntgenstrahlung zu erzeugen. Das Detektionssignal und insbesondere die Ladungspulse sind somit insbesondere geeignet, um die Energie der absorbierten Röntgenstrahlung zu bestimmen.
Bei dem Detektionsbereich bzw. einer Detektionsfläche kann es sich um ein Röntgenstrahlung direkt erfassendes bzw. absorbierendes Halbleitermaterial handeln (Direktkonverter).
Es ist auch denkbar, dass der Detektionsbereich ein Szintillatormaterial umfasst, welches Röntgenstrahlung zu Strahlung in anderen, insbesondere sichtbaren Spektralbereichen, wandelt. Die gewandelte Strahlung kann mit einem im Strahlungsweg dem Szintillator nachfolgend angeordneten und meist ebenfalls in der Detektionseinheit umfassten Halbleiterdetektor, beispielsweise einer Photodiode oder einem Silicon Photomultiplier, erfasst werden. Die Photodiode, der Silicon Photomultiplier bzw. der Halbleiterdetektor erzeugt dann ein Detektionssignal, welches ebenfalls hinsichtlich der spektralen Verteilung und Intensität der von dem Szintillator erfassten Röntgenstrahlung analysiert werden kann.
Ferner weist der erfindungsgemäße Röntgendetektor ein Signalanalysemodul auf, welches auf Basis des Detektionssignals und vorgegebenen Signalanalyseparametern für Röntgenstrahlung, insbesondere in quanten- bzw. photonenzählender Weise, einen Satz von Zählraten für auf die Detektionseinheit auftreffende bzw. von der Detektionseinheit wenigstens teilweise absorbierte Röntgenstrahlung ermittelt. Der Satz von Zählraten umfasst dabei meist, wie eingangs erwähnt, mehrere Zählraten, die gleichzeitig für einen einzelnen Detektorkanal ermittelt werden, vorzugsweise für eine einzelne Projektion. Die gleichzeitig für einen einzelnen Detektorkanal ermittelten Zählraten werden, insbesondere für mehrere Energieschwellen, mit jeweils zugeordneten zueinander unterschiedlichen Energieschwellwerten ermittelt.
Das Signalanalysemodul kann insbesondere in einen sogenannten ASIC (Application Specific Integrated Circuit) integriert sein bzw. in der Bauform eines ASIC realisiert sein. Insbesondere können die Detektionseinheit und wenigstens Teile des Signalanalysemoduls in dem eingangs erwähnten Detektorkanal umfasst sein.
Im Folgenden werden mit dem Begriff „Signalanalyseparameter“ sowohl Parameterwerte, wie beispielsweise die Energieschwellwerte, als auch Parameter selbst, wie beispielsweise die Energieschwellen, bezeichnet, sofern nicht explizit zwischen beiden Fällen unterschieden wird.
Bei den Signalanalyseparametern kann es sich beispielsweise um Energieschwellwerte oder auch die Anzahl von zugeordneten Energieschwellen handeln, welche somit die Ermittlung des Satzes von Zählraten bestimmen bzw. verändern. Die Signalanalyseparameter können beispielsweise in einem sogenannten Konfigurationsregisters des ASICs hinterlegt sein.
Ferner weist der erfindungsgemäße Röntgendetektor eine Umschaltsteuereinheit zur Umschaltung zwischen ersten Signalanalyseparametern und zweiten Signalanalyseparametern auf, so dass bei einer bestimmten, d.h. gleichen, auf die Detektionseinheit auftreffenden Röntgenstrahlung auf Basis von ersten Signalanalyseparametern ein erster Satz von Zählraten für eine erste Zeitspanne, die zu einen ersten Zeitpunkt beginnt, erzeugt wird und bei zu vorgegebenen ersten Signalanalyseparametern unterschiedlich vorgegebenen zweiten Signalanalyseparametern ein, bevorzugt zum ersten Satz unterschiedlicher, zweiter Satz von Zählraten für eine zweite Zeitspanne erzeugt wird, die zu einen zweiten Zeitpunkt beginnt.
Mit Hilfe der Umschalteinheit ist es somit möglich, schnell, insbesondere nach einer Framezeit, zwischen verschiedenen Signalanalyseparametern umzuschalten. D.h. die ersten Signalanalyseparameter sind vor der Umschaltung in einem ersten Satz von Signalanalyseparametern umfasst, der zur Analyse des Detektionssignals genutzt wird, während die zweiten Signalanalyseparameter erst nach der Umschaltung in dem (dann zweiten) Satz von Signalanalyseparametern umfasst sind, der zur Analyse des Detektionssignals verwendet wird. Insbesondere können die zweiten Signalanalyseparameter die ersten Signalanalyseparameter in dem verwendeten Satz von Signalanalyseparametern ersetzen. Dabei kann es sich bei den ersten und zweiten Signalanalyseparametern jeweils auch um einen einzelnen Wert oder Parameter handeln. Beispielsweise können die ersten Signalanalyseparameter erste Energieschwellwerte umfassen und die zweiten Signalanalyseparameter zweite Energieschwellwerte, die wenigstens teilweise unterschiedlich zu den ersten Energieschwellwerten sind. Durch eine schnelle, insbesondere zyklische Umschaltung zwischen den ersten und zweiten Energieschwellwerten kann insbesondere die Anzahl der vorzugsweise für eine Projektion überprüften Energieschwellen über die Anzahl erhöht werden, die beispielsweise durch die Menge von vorhandenen Komparatoren für Energieschwellen in einem Detektorkanal begrenzt ist. Die Auflösung der Projektionsmessdaten kann somit hinsichtlich der Energie der erfassten Röntgenstrahlung auf einfache Art und Weise erhöht werden. Dabei ist explizit zu erwähnen, dass die erfindungsgemäße Umschaltung mindestens zwischen ersten und zweiten Signalanalyseparametern erfolgt. Darüber hinaus können auch weitere, dritte, vierte oder mehr Sätze von Signalanalyseparametern zur Umschaltung genutzt werden, sodass dritte, vierte oder mehr Sätze von Zählraten erzeugt werden.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Röntgenbildgebungssystem, insbesondere CT-System, vorgeschlagen, mit einer Röntgenquelle zur Aussendung von Röntgenstrahlung und einem erfindungsgemäßen Röntgendetektor, zur Detektion der von der Röntgenquelle ausgesandten Röntgenstrahlung.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Ermittlung von Zählraten für Röntgenstrahlung mit einem solchen Röntgendetektor wobei mit dem Signalanalysemodul einen erster Satz von Zählraten für auf die Detektionseinheit auftreffende Röntgenstrahlung unter Nutzung, d. h. auf Basis von ersten Signalanalyseparametern erzeugt wird, und in einem nachfolgenden Schritt ein Umschalten des Signalanalysemoduls, vorzugsweise zur Erfassung einer, insbesondere unmittelbar, nachfolgenden Projektion, zu zweiten Signalanalyseparametern erfolgt, die zu den ersten Signalanalyseparametern unterschiedlich sind.
In dem Verfahren ermittelt das Signalanalysemodul einen zweiten Satz von Zählraten für auf die Detektionseinheit auftreffende Röntgenstrahlung auf Basis, d.h. unter Nutzung der zweiten Signalanalyseparameter, der bevorzugt für identisch ausgebildete auf die Detektionseinheit treffende Röntgenstrahlung unterschiedlich zum ersten Satz von Zählraten ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kalibration eines Röntgendetektors, wobei auf Basis der Umschaltung von ersten zu zweiten Signalanalyseparametern ein erster und zweiter Satz von Zählraten für eine Detektionseinheit erzeugt wird. Der Begriff Kalibration eines Röntgendetektors betrifft insbesondere die Gewinnung von Kalibrationsdaten, die im Verlauf einer Röntgenmessung bzw. einer Bildrekonstruktion verwendet werden. Beispielsweise kann es sich dabei um Kalibrationsparameter zur Datenvorverarbeitung oder Bildrekonstruktion handeln, wie beispielsweise zur Linearitätskorrektur, Flatfield-Korrektur, Strahlaufhärtungskorrektur, oder Ähnliche.
Wie bereits erwähnt, kann somit die Anzahl der während des Kalibrationsverfahrens insbesondere für eine Projektion überprüften Energieschwellen über die Anzahl von vorhandenen Komparatoren für Energieschwellen hinaus erhöht werden, sodass ein besonders schnelles Auffinden der Kalibrationsparameter bzw. Kalibrationsdaten ermöglicht wird. Das Kalibrationsverfahren wird somit insgesamt beschleunigt.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können.
In einer Weiterbildung der Erfindung liegt der Beginn der ersten Zeitspanne, also der erste Zeitpunkt und der Beginn der zweiten Zeitspanne, also der zweite Zeitpunkt, zwischen 100 µs und 1 ms zeitlich voneinander entfernt, also bevorzugt bei einer Framezeit.
Werden beispielsweise Röntgenprojektionsverfahren mit einer hohen Umdrehungsgeschwindigkeit der Gantry, wie beispielsweise ein Flash-Verfahren eingesetzt, kann es insbesondere sinnvoll sein, wenn die ersten Signalanalyseparameter zur Analyse von Röntgenstrahlung einer ersten Projektion eingesetzt werden, und, nach Umschaltung, die zweiten Signalanalyseparameter für eine zeitlich unmittelbar nachfolgend erfasste Projektion bzw. Frame, so dass die Röntgenstrahlung der beiden zeitlich unmittelbar nacheinander erfassten Projektionen mit unterschiedlichen Signalanalyseparametern analysiert wird.
Eine Umschalteinheit kann zur zyklischen vorzugsweise alternierenden Umschaltung zwischen den ersten Signalanalyseparametern und den zweiten Signalanalyseparametern ausgebildet sein. Dabei kann die Umschaltung in periodischen Zeitabständen erfolgen, d. h. ein zeitliches „Interlacing“ von Signalanalyseparametern, die zur Analyse des Detektionssignals verwendet werden, wird in dieser Weiterbildung vorgeschlagen.
Die erfindungsgemäße Umschalteinheit ist zur sogenannten stochastischen Umschaltung ausgebildet, d. h. im Sinne von nicht regelmäßiger Umschaltung. Beispielsweise kann die Umschaltung auch zufällig, bzw. pseudozufällig, d.h. ohne festen Zyklus erfolgen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn mit mehr als zwei Sätzen von Signalanalyseparametern gearbeitet wird.
Dazu kann der Röntgendetektor beispielsweise eine Speichereinheit zur gleichzeitigen Speicherung der ersten Signalanalyseparameter und der zweiten Signalanalyseparameter aufweisen. Somit können mehrere Sätze von Signalanalyseparametern für jeweils die Signalanalyseparameter eines Übertragungskanals, d. h. insbesondere unterschiedlicher Energieschwellwerte, für die Energieschwellen eines Übertragungskanals gespeichert bzw. zur Verfügung gestellt werden. Dabei ist klar dass die Anzahl der Sätze von Signalanalyseparametern nicht auf zwei beschränkt sein muss. Vorzugsweise können bis zu 16 verschiedene Sätze von Signalanalyseparametern in der Speichereinheit gleichzeitig gespeichert sein, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können.
In einem ASIC sind typischerweise ein oder mehrere unterschiedliche Konfigurationsregister verfügbar, die einen Speicherplatz für diese Signalanalyseparameter zur Verfügung stellen. Dabei kann zwischen unterschiedlichen Typen von Konfigurationsregistern unterschieden werden. Ein erster Typ von Konfigurationsregistern ist beispielsweise für globale Signalanalyseparameter, d. h. für Parameter, die für alle Detektionseinheiten des Detektors gelten vorgesehen. Ein anderer Typ von Konfigurationsregistern steht für lokale Signalanalyseparameter zur Verfügung, die für jede Detektionseinheit getrennt festgelegt werden. Unter letztere fallen beispielsweise oftmals die Energieschwellen bzw. die Energieschwellwerte, die zu einem bestimmten Zeitpunkt für eine bestimmte Detektionseinheit vorgegeben sind.
Explizit ist hervorzuheben, dass bevorzugt mehrere Speicherplätze pro Signalanalyseparameter zur Verfügung gestellt werden, wobei vorzugsweise jeder der zu einem bestimmten Zeitpunkt verwendeten globalen und insbesondere lokalen Signalanalyseparameter jeweils mehrfach und wenigstens teilweise unterschiedlich in den Speicherplätzen bzw. Konfigurationsregistern hinterlegt ist.
Dabei ist weiterhin zu erwähnen, dass dies einen Unterschied zur Neukonfiguration des ASICs darstellt, bei dem die Signalanalyseparameter bei jedem Umschalten über eine Schnittstelle in den ASIC eingelesen werden müssten. Typischerweise erfasst die Detektionseinheit kontinuierlich Projektionsmessdaten. D. h. eine Umkonfiguration bzw. Neukonfiguration des ASICs müsste während dieser Messung erfolgen. Um eine Signalverfälschung aufgrund einer hohen elektrischen Aktivität des ASICs zu vermeiden ist die Weiterbildung mit mehreren dezidierten Speicherplätzen in dem Röntgendetektor für jeweils einen der Signalanalyseparameter besonders vorteilhaft. Ein weiterer Vorteil gegenüber einer Neukonfiguration liegt darin, dass die Umschaltung zwischen zwei Sätzen an Signalanalyseparameter sehr schnell, also insbesondere wesentlich schneller als die Zeitdauer für eine Neukonfiguration, die meist zwischen 3ms bis 4 ms liegt, erfolgen kann. D. h. die Umschaltung kann dabei schneller als eine Framezeit erfolgen.
Die Speichereinheit kann insbesondere mit einer Schnittstelle verbunden sein, um die erwähnten Signalanalyseparameter wenigstens teilweise in den Röntgendetektor bzw. in die Speichereinheit einzulesen. Es handelt sich somit um veränderbare Signalanalyseparameter bzw. Sätze von Signalanalyseparametern.
Wie erwähnt kann die Umschaltung der Signalanalyseparameter zyklisch erfolgen, insbesondere in maximal 16 Zyklen. d. h. mit maximal 16 Sätzen von Zählraten bzw. Signalanalyseparametersätzen, die wie erläutert in der Speichereinheit gleichzeitig gespeichert sein können. Insbesondere kann die Umschaltung alternierend erfolgen, so dass die Erfassung der Röntgenprojektionsdaten nicht signifikant durch das Umschaltverfahren verlängert wird, und beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit der Gantry nahezu unverändert beibehalten werden kann.
Ferner kann die Umschalteinheit eine Auslöseschnittstelle bzw. Triggerschnittstelle zum Empfang eines Auslösesignals zur Auslösung der Umschaltung aufweisen. Beispielsweise sind in der Röntgenbildgebung verschiedene Konzepte mit zeitlichem Interlacing bekannt, die zur Erhöhung der Ortsauflösung eines Röntgendetektors eingesetzt werden. Mit Hilfe der Triggerschnittstelle können diese Vorschläge mit dem erfindungsgemäßen Konzept zur Erhöhung der Energie bzw. Intensitätsauflösung kombiniert werden. Ein Vorschlag zur Erhöhung der Ortsauflösung betrifft die zyklische Variation des Fokuspunkts der Röntgenquelle zwischen unterschiedlichen Orten. Dieses Verfahren ist beispielsweise als „Flying Focus Spot“ bekannt. Mit Hilfe der Triggerschnittstelle kann eine Synchronisation zwischen der zyklischen Variation des Fokuspunkts und der zyklischen Umschaltung der verwendeten Signalanalyseparameter erfolgen, so dass beide Konzepte miteinander vereint werden.
Ein anderer Vorschlag zur Erhöhung der Energieauflösung des Röntgendetektors betrifft das sog. „Fast kV-Switching“. Dabei erfolgt ein zyklisches Umschalten zwischen verschiedenen Spektren der Röntgenstrahlung einer Röntgenquelle. Auch dieses Umschalten der Röntgenspektren kann mit Hilfe der Triggerschnittstelle zeitlich mit dem Umschalten zwischen verschiedenen Sätzen von Signalanalyseparametern, d.h. dem Umschalten zwischen ersten und zweiten Signalanalyseparametern, synchronisiert werden.
Ferner kann mit Hilfe der Triggerschnittstelle ein Gantrywinkel bzw. projektionswinkelabhängiges Auslösesignal erfasst werden. Es ist ebenso denkbar, dass das Auslösesignal von einem externen Zeitgeber erzeugt wird, der beispielweise wie erwähnt pseudozufällig arbeiten kann. Weiterhin ist es denkbar, dass bereits existierende Signale, besonders vorteilhaft das die Framezeit definierende Signal, zum Auslösen einer Umschaltung verwendet werden.
Wie erwähnt, können die Signalanalyseparameter u. a. Energieschwellwerte oder die Anzahl von verwendeten Energieschwellen betreffen. Darüber hinaus ist auch denkbar, dass sogenannte „Signalformparameter“ wie beispielsweise eine „Shaping-Zeit“, ein sog. „Undershoot“ oder auch ein sog. „Gain“ in den Signalanalyseparametern umfasst sind.
Bei der „Shaping-Zeit“ (auch: „Peaking-Zeit“) handelt es sich um die Zeit, während der die in dem Detektor erzeugten Ladungsträger einen Beitrag zur Pulsform eines einzelnen Detektionspulses leisten können. Wie erwähnt, handelt es sich bei dem Detektionssignal typischerweise um einen Ladungs- bzw. Strompuls, der mit Hilfe des Analysemoduls in einen Spannungspuls gewandelt wird. Die „Shaping-Zeit“ betrifft also einen Zeitraum, in dem zur Erzeugung eines einzelnen Spannungspulses Ladung auf der Detektionsfläche aufgesammelt und der Spannungspuls geformt wird. Typischerweise liegt die „Shaping-Zeit“ im Bereich zwischen 5 ns und 1 µs, die Shapingzeit ist also viel kleiner als die Framezeit.
Bei dem sog. „Undershoot“ handelt es sich um einen Spannungswert, auf den das erzeugte Spannungssignal abfällt, bevor es auf seinen Ruhepegel zurückkehrt. Der Undershoot kann insbesondere genutzt werden, um die Signaltrennung von verschiedenen, zeitlich kurz aufeinander folgenden, Spannungspulsen zu verbessern.
Der sog. Verstärkungsfaktor bzw. „Gain“ bestimmt das Verhältnis zwischen der eingesammelter Ladung oder Eingangsstromstärke und der Höhe des korrespondierenden Spannungspulses. Es bestimmt also die maximale Ausgangssignalhöhe, d. h. beispielsweise am Ausgang des Verstärkers, die bei der Verstärkung eines Strompulses erreicht wird.
Mit Hilfe der beschriebenen Signalformparameter kann insbesondere zwischen einer Präferenz auf eine präzise Ladungsmessung oder eine Präferenz auf eine präzise Trennung von Röntgenquanten gewählt werden. Wird beispielsweise eine lange Shaping-Zeit gewählt, kann eine präzise Ladungsmessung und damit eine präzise Energiebestimmung erfolgen. D.h. die Präferenz liegt in diesem Fall auf einer präzisen Bestimmung des Röntgenspektrums. Für den Fall, dass jedoch eine hohe Anzahl von Röntgenquanten nahezu gleichzeitig analysiert werden muss, d. h. den sog. „Hochflussfall“, ist es bei einer langen Shaping-Zeit nicht immer möglich, die resultierenden Pulse für zeitlich unmittelbar aufeinander nachfolgende Röntgenquanten zu trennen. Man spricht von sog. „Pile-Up-Ereignissen“, wobei die erzeugten Spannungspulse unmittelbar nacheinander absorbierter Röntgenquanten nicht mehr voneinander zu trennen sind. Das heißt, insbesondere ist die Anzahl der „Pile-Up-Ereignisse“ über die erwähnte Shaping-Zeit einstellbar. Reduziert man die Anzahl „Pile-Up-Ereignisse“ beispielsweise durch eine kurze „Shaping-Zeit“ für den Hochflussfall, kann dies jedoch die Präzision der Ladungsmessung mit dem erzeugten Spannungspuls verringern. Man spricht vom sog. „ballistischen Defizit“. Die Wahl einer bestimmten „Shaping-Zeit“ ist somit immer ein Kompromiss zwischen erzielbarer Ladungstrennung, d.h. Messung der Röntgenintensität, und Präzision der Ladungsbestimmung, d.h. Messung der spektralen Verteilung der Röntgenstrahlung.
Über die Möglichkeit der Vorgabe eines bestimmten Kompromisses hinaus, ermöglicht die Umschaltung der Shaping-Zeit die Anpassung an verschiedene Fälle für absorbierte Röntgenstrahlung, so dass zu unterschiedlichen Zeitpunkten (dem ersten bzw. zweiten Zeitpunkt) nämlich der Kompromiss von einer optimalen Ladungsbestimmung, nachfolgend, zu einer optimalen Signaltrennung verschoben werden kann. Damit ist es möglich, für einen Frame eine präzise Ladungsmessung mit einer präzisen Signaltrennung (d.h. nur wenige Pile-Up-Ereignisse) zu verbinden. Unterschiedliche Kontrastinformationen und damit unterschiedliche Bildcharakteristiken können damit „quasi gleichzeitig“ eingestellt und erzeugt werden.
Die Signalanalyseparameter können ferner Detektionssignal-Kombinationsparameter umfassen, wie beispielsweise den sogenannter „Charge Summing Modus“ eines Röntgendetektors. Dabei werden die Detektionssignale mehrerer Detektionseinheiten miteinander kombiniert, so dass ein gemeinsamer Satz von Zählraten für ein kombiniertes Detektionssignal ermittelt wird. Typischerweise handelt es sich bei der Absorption eines Röntgenquants um einen Kaskadenprozess, bei dem ein oder mehrere Fluoreszenzphotonen freigesetzt werden, die beispielsweise in ein Nachbarpixel bzw. eine benachbarte Detektionseinheit gestreut werden können. Dies trifft insbesondere bei sog. subpixelierten Detektoren zu, welche möglicherweise keine Septen (Streustahlungsgitter) zwischen den Detektionsbereichen benachbarter Subpixel aufweisen. Unter Umständen kann so durch Kombination der Signale mehrerer Pixel (bzw. Subpixel) ein genaueres Ergebnis der Ladungsbestimmung erhalten werden. Beispielsweise kann ein Summensignal einer Vierergruppe von benachbarten Detektionseinheiten kombiniert werden, und in Form des Analogsignals (Ladungspuls) der Detektionseinheit ausgegeben werden. Das in Form des Summensignals vorliegende Detektionssignal, wird dann wie beschrieben von dem Analysemodul mit Hilfe von Signalanalyseparametern, wie beispielsweise Signalformparametern oder Energieschwellwerten, in Form von Zählraten analysiert und als Satz von Zählraten ausgegeben.
Mit Hilfe der gezielten Anpassung der Signalanalyseparameter sind, wie erläutert, unterschiedliche Optimierungsziele hinsichtlich der Qualität der Röntgenbildgebung bzw. der Analyse von Röntgenstrahlung erreichbar. Die Erfindung ermöglicht insbesondere die nahezu gleichzeitige Verfolgung mehrerer unterschiedlicher Optimierungsziele. Die ersten Signalanalyseparameter können insbesondere an einen ersten Typ von gewünschter Bildcharakteristik angepasst sein und die zweiten Signalanalyseparameter an einen dazu unterschiedlichen zweiten Typ von Bildcharakteristik. Bei der Bildcharakteristik kann es sich insbesondere um den Kontrast, die Schärfe sowie die örtliche Auflösung der Röntgenprojektionsdaten handeln. Somit ist es beispielsweise möglich, die ersten Signalanalyseparameter an einen gewünschten Jodkontrast anzupassen, d. h. insbesondere können die Energieschwellwerte passend gewählt werden, und die zweiten Signalanalyseparameter an einen gewünschten Gewebekontrast, beispielsweise für Herzgewebe.
Somit ist es beispielsweise möglich, über die Anzahl der hardwaremäßig vorgegebenen Energieschwellen hinaus zusätzliche Kontraste und d. h. insbesondere zusätzliche Schärfe in die Röntgenprojektionsdaten aufzunehmen und eine geeignete Bildinformation abzuleiten.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:

1 zeigt ein Ausführungsbeipiel eines Röntgenbildgebungssystems mit einer Röntgenquelle und einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors,
2 ein Verfahren zur Ermittlung von Zählraten,
3 ein Zeitdiagramm für mehrere Varianten der Umschaltung zwischen ersten Signalanalyseparametern und zweiten Signalanalyseparametern,
4 den zeitlichen Verlauf eines erzeugten Spannungssignals, das unter Nutzung mehrerer Signalanalyseparameter erzeugt wird, und
5 ein Ausführungsbeispiel für die Aktivierung und Deaktivierung eines „Charge Summing Modus“.

1 zeigt ein Computertomographiesystem 1 mit einer Röntgenquelle RS, welche Röntgenstrahlung XR aussendet, die von einem der Röntgenquelle RS gegenüberliegenden Röntgendetektor 100 erfasst wird. Zwischen der Röntgenquelle RS und dem Röntgendetektor 100 ist ein Untersuchungsobjekt O, das im Folgenden kurz als Patient O bezeichnet wird, angeordnet. Der Patient O wird von der Röntgenstrahlung XR durchstrahlt, so dass die Projektionsmessdaten des Röntgendetektors 100 zur Rekonstruktion von Bilddaten des Untersuchungsobjekts verwendet werden können. Der erfindungsgemäße Röntgendetektor 100 umfasst mehrere Detektionseinheiten 10, die in einem flächigen Array zueinander benachbart angeordnet und die jeweils mit einem Signalanalysemodul 30, 30' verbunden sind. Die Detektionseinheiten 10 werden im Folgenden auch kurz als Pixel bezeichnet. Die Signalanalysemodule, 30, 30' sind in einer anwendungsspezifischen Schaltung (ASIC) 20 zusammengefasst.
Exemplarisch wird im Folgenden lediglich auf das Signalanalysemodul 30 eingegangen. Die Signalanalysemodule 30' können jedoch grundsätzlich dieselbe Bau- und Funktionsweise wie das Signalanalysemodul 30 aufweisen, sodass auf eine nähere Beschreibung der Signalanalysemodule 30' verzichtet werden kann.
Die im vorliegenden Fall durch ein direktkonvertierendes Halbleiterelement, beispielsweise auf Cd(Zn)Te Basis, gebildete Detektionseinheit 10 erzeugt unter dem Einfluss einer Hochspannung HV, die zwischen Elektroden 11 der Detektionseinheit 10 anliegt, einen Strompuls für absorbierte Röntgenquanten der Röntgenstrahlung XR, welcher als Detektionssignal dem Signalanalysemodul 30 zur Verfügung gestellt wird. Dabei ist zu erwähnen, dass meist die rückseitige Elektrode für alle Detektionseinheiten 10 als gemeinsame Elektrode 11 ausgebildet ist. Dieses Detektionssignal wird unter Nutzung von jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt t₀ für eine bestimmte Zeitspanne Δt₁ geltenden Satzes von Signalanalyseparametern P₁ analysiert. Dazu wird der Strompuls von dem Analysemodul 30 in einen Spannungspuls umgewandelt, welcher zur Energie des absorbierten Röntgenquants korrespondiert. Dies wird mit Hilfe eines Vorverstärkers PA unter Berücksichtigung der Signalanalyseparameter P₁ durchgeführt. Der erzeugte Spannungspuls wird mit Hilfe von mehreren Komparatoren K₁, K₂, K₃ und jeweils zugeordneten Zählern C₁, C₂, C₃ in einen Satz von Zählraten R₁ übersetzt. Jedem Komparator K₁, K₂, K₃ ist dabei eine gesonderte Energieschwelle mit jeweils einem Energieschwellwert als einer der Signalanalyseparameter P₁ zugeordnet. Auf Basis der ersten Signalanalyseparameter P₁ wird so mit Hilfe der Komparatoren ein erster Satz von Zählraten R₁ erzeugt, der jeweils eine Zählrate Z₁₁, Z₁₂, Z₁₃ für jeden der Komparatoren K₁, K₂, K₃ umfasst, die mit einer Detektionseinheit 10 verbunden sind.
Zu einem zweiten Zeitpunkt t₁ erfolgt die Umschaltung zu zweiten Signalanalyseparametern P₂ bzw. einem zweiten Satz von Signalanalyseparametern, der die zweiten Signalanalyseparameter P₂ nach der Umschaltung erstmals umfasst, die wiederum für eine zweite Zeitspanne Δt₂ gültig sind. Die in dieser Zeitspanne analysierten Röntgenquanten bzw. Detektionssignale werden auf Basis der zweiten Signalanalyseparameter P₂ bewertet. Eine Umschaltung zwischen den ersten Signalanalyseparametern P₁ und den zweiten Signalanalyseparametern P₂ kann mit Hilfe einer Speichereinheit 50 erfolgen, welche gleichzeitig die ersten Signalanalyseparameter P₁ und die zweiten Signalanalyseparameter P₂ speichert. Bei der Umschaltung kann somit schnell aus der Speichereinheit 50, die in diesem Ausführungsbeispiel in dem Signalanalysemodul 30 integriert ist, an entsprechende Recheneinheiten des Signalanalysemoduls 30 bzw. den Vorverstärker und/oder die Komparatoren K₁, K₂, K₃ übermittelt werden, so dass diese auf Basis der zweiten Signalanalyseparameter P₂ arbeiten können. Dabei ist hervorzuheben, dass die Speichereinheit 50 auch weitere Sätze von Signalanalyseparametern P₃, ..., P_N zusätzlich speichern kann, zwischen denen bei Bedarf, wie beschrieben, umgeschaltet werden kann.
Für die zweite Zeitspanne Δt₂ wird so ein zweiter Satz von Zählraten R₂ erzeugt, der wiederum für jeden der einer Detektionseinheit 10 zugeordneten Komparatoren K₁, K₂, K₃ eine Zählrate Z₂₁, Z₂₂, Z₂₃ umfasst. Die ersten und zweiten Signalanalyseparameter P₁, P₂ können beispielsweise vor Beginn einer durchzuführenden Röntgenmessung über eine Konfigurationsschnittstelle 22 des AISCs 20 an die Speichereinheit 50 übermittelt werden.
Die weiteren, jeweils anderen Detektionseinheiten 10 zugeordneten Signalanalysemodule 30' werden, wie lediglich schematisch angedeutet ist, zeitlich koordiniert zu dem Signalanalysemodul 30 ebenfalls mit unterschiedlichen ersten und zweiten Signalanalyseparametern betrieben, d.h. es erfolgt eine zeitlich koordinierte Umschaltung zwischen ersten und zweiten Signalanalyseparametern bei den anderen Signalanalysemodulen 30'. Wie ebenfalls schematisch angedeutet ist, erzeugten die weiteren Signalanalysemodulen 30' in der ersten Zeitspanne Δt₁ unter Nutzung von ersten Signalanalyseparametern einen ersten Satz von Zählraten R₁' und in der zweiten Zeitspanne Δt₂ unter Nutzung von zweiten, zu den ersten Signalanalyseparametern unterschiedlichen Signalanalyseparametern einen ersten Satz von Zählraten R₂', die wiederum jeweils für jeden Komparator der Signalanalyseeinheit 30' eine Zählrate umfasst.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Computertomographiesystem 1 dazu ausgebildet, ein sog. „kV-Switching-Verfahren“ durchzuführen. Dabei wird die Beschleunigungsspannung einer in der Röntgenquelle RS umfassten Elektronenquelle EG zyklisch umgeschaltet, so dass die spektrale Leistungsfähigkeit der Röntgenquelle RS durch Umschaltung zwischen mehreren Röntgenspektren gegenüber dem Betrieb mit einer kontinuierlichen Beschleunigungsspannung drastisch erhöht wird. Dabei wird bei jeder Umschaltung ein Triggersignal T erzeugt.
Ferner ist das Computertomographiesystem 1 auch dazu ausgebildet, ein Verfahren nach dem sog. „Flying Focus Spot“-Konzept anzuwenden. Dabei wird die Position des Röntgenfokus F auf einem rotierenden Tellerrad CW örtlich variiert, wie dies schematisch durch den Pfeil angedeutet ist. Bei jeder Variation wird ebenfalls ein Triggersignal T erzeugt. Bei dieser Variation wird der Abstand des Röntgenfokus zur Oberfläche des Röntgendetektors 100 verändert, so dass verschiedene Einfallswinkel für die erzeugte Röntgenstrahlung XR in Abhängigkeit von der Fokusposition erzeugt werden, um die Ortsauflösung des Detektors zu verbessern. Beide Verfahren verwenden die zyklische Umschaltung von Steuerparametern der Röntgenquelle, wie Fokusposition oder Beschleunigungsspannung. Diese zyklische Umschaltung kann beispielsweise mittels des Triggersignals T mit der Umschaltung von Signalanalyseparametern synchronisiert werden.
Über eine Steuerschnittstelle 25 des ASICs 20 kann das Triggersignal T hierzu beispielsweise an eine Auslöse- bzw. Triggerschnittstelle 45 einer Umschaltsteuereinheit 40 übermittelt werden. Die Umschaltsteuereinheit 40 dazu ausgebildet, die Speichereinheit anzuweisen, erste Signalanalyseparameter P₁ bzw. zweite Signalanalyseparameter P₂ an eine Auswerteeinheit des Signalanalysemoduls 30 zu übermitteln. Eine Umschaltung kann in periodischen bzw. zyklischen Zeitabständen erfolgen oder auch auf Basis des Triggersignals T. Erfindungsgemäß ist die Umschalteinheit jedoch zu einer stochastischen Umschaltung ausgebildet.
Die genaue Abfolge der Schritte eines beispielhaften zyklischen Umschaltens ist beispielsweise in einem Verfahren gemäß 2 im Detail beschrieben. In einem anfänglichen Schritt I werden erste Signalanalyseparameter P₁ und zweite Signalanalyseparameter P₂ in die Speichereinheit eingelesen, so dass diese gleichzeitig in der Speichereinheit gespeichert sind. Dies ermöglicht die Auswahl bzw. Umschaltung zwischen ersten Signalanalyseparametern P₁ und zweiten Signalanalyseparametern P₂. In einem nachfolgenden Schritt II werden die ersten Signalanalyseparameter P₁ verwendet, um ein Detektionssignal für auf die Detektionseinheit auftreffende Röntgenstrahlung XR zu analysieren. Für die auftreffende Röntgenstrahlung XR wird unter Benutzung der ersten Signalanalyseparameter P₁ ein erster Satz von Zählraten R₁ in einer ersten zugeordneten Zeitspanne ermittelt. In einem nachfolgenden Schritt III erfolgt eine Umschaltung zu zweiten Signalanalyseparametern P₂. Für Röntgenstrahlung XR, die auf dieselbe Detektionseinheit trifft, für die der erste Satz von Zählraten R₁ ermittelt wurde, wird nach der Umschaltung unter Nutzung der zweiten Signalanalyseparameter P₂ im Schritt IV ein zweiter Satz von Zählraten R₂ ermittelt. Diese Umschaltung zwischen ersten Signalanalyseparametern P₁ und zweiten Signalanalyseparametern P₂ kann wie erwähnt zyklisch erfolgen. Die Umschaltung zwischen ersten und zweiten Signalanalyseparametern P₁, P₂ kann beispielsweise nach der Erfassung einer ersten Projektion unter einem ersten Projektionswinkel und vor der unmittelbar nachfolgenden Erfassung einer zweiten Projektion unter einem andern, zweiten Projektionswinkel durchgeführt werden. Die Umschaltung erfolgt also zwischen der ersten Framezeit und der zweiten Framezeit.
Eine Wiederholung des Verfahrens beginnend mit Schritt II (nach erneutem Umschalten auf den ersten Satz von Signalanalyseparametern P1) wird dann beginnend bei einem wiederum anderen dritten Projektionswinkel nach einer weiteren Framezeit durchgeführt. Ein erneutes Laden der ersten und zweiten Signalanalyseparameter P₁, P₂ in die Speichereinheit kann also entfallen, da diese immer noch in der Speichereinheit verfügbar sind, so dass nach dem Erzeugen des zweiten Satzes von Zählraten R₂ wieder auf die Detektionseinheit treffende Röntgenstrahlung XR mit ersten Signalanalyseparametern P₁ ausgewertet wird und erneut ein erster Satz von Zählraten R₁ erzeugt wird, jedoch für eine Projektion, die unter einem dritten Projektionswinkel erfasst wird.
In der Wiederholung wird das Verfahren zumindest bis zum Schritt IV fortgesetzt und eine Wiederholung kann solange erfolgen, bis beispielsweise alle Projektionen erfasst wurden, die für die Rekonstruktion der gewünschten Schnittbilder oder des volumetrischen Datensatzes benötigt werden. Die so erzeugten Projektionsmessdaten können im Schritt V dann zur Rekonstruktion von Bilddaten verwendet werden. Alternativ ist auch denkbar, dass im Schritt V beispielsweise mit den so erzeugten Projektionsmessdaten die Kalibration eines Röntgendetektors durchgeführt wird. Beispielsweise kann es sich bei der Röntgenstrahlung um eine definiert vorgegebene Röntgenstrahlung handeln, ohne dass sich ein Untersuchungsobjekt zwischen Röntgenquelle und Detektionseinheit befindet. Somit kann in einem Schritt V basierend auf den Projektionsmessdaten beispielsweise Kalibrationsdaten ermittelt werden, die in einer nachfolgenden Rekonstruktion von Bilddaten verwendet werden. Damit ist für den Fall, dass die ersten und zweiten Signalanalyseparameter P₁, P₂ eine Vielzahl unterschiedlicher Energieschwellen umfassen, eine besonders schnelle Ermittlung der Kalibrationsparameter möglich.
Wie die erste Zeitspanne und die zweite Zeitspanne im Gesamtzeitraum angeordnet sind, der zur Erfassung eines Frames bzw. eines Bildes benötigt wird, wird aus 3 ersichtlich. In 3 sind mehrere Varianten V₁, V₂ dargestellt, wie sich eine erste Zeitspanne Δt₁ und eine zweite Zeitspanne Δt₂ oder auch eine dritte Zeitspanne Δt₃, für die jeweils ein eigener Satz von Zählraten erstellt wird, zeitlich in Bezug auf die Erfassung der einzelnen Projektionen einordnen lassen. In jeder der Zeitspannen kann ein anderer Satz von Signalanalyseparametern wie beschrieben verwendet werden.
3 zeigt dazu ausschnittsweise mehrere Winkelprojektionszeiten Δt_w1, Δt_w2 und Δt_w3, die jeweils einer Framezeit entsprechen. In einer ersten Variante V1 entspricht die erste Zeitspanne Δt₁ einer ersten Winkelprojektionszeit Δt_w1 und die zweite Zeitspanne Δt₂ einer zweiten Winkelprojektionszeit Δt_w2, in der eine zweite Projektion erfasst wird. Die Zeitspannen Δt_w1 und Δt₁ sind jeweils synchronisiert mit der Erfassung einer neuen Projektion unter einem anderen Projektionswinkel, d. h. die Umschaltung zwischen verschiedenen Signalanalyseparametern P₁ und P₂ erfolgt jeweils zeitsynchron mit der Erfassung einer neuen Projektion.
Wie in einer zweiten Variante V2 erkennbar ist, ist die Umschaltung nicht nur auf einen Wechsel zwischen ersten Signalanalyseparametern P₁ und zweiten Signalanalyseparametern P₂ beschränkt. Beispielsweise kann an Stelle der alternierenden Umschaltung gemäß den Varianten V1 oder V2 auch die Umschaltung mit einer darüber hinaus gehenden Anzahl von drei oder mehr Zyklen und drei oder mehr Sätzen von unterschiedlichen Signalanalyseparametern erfolgen.
Die zweite Variante V2 entspricht dabei einer Modifikation der Variante V1. Einer dritten Zeitspanne Δt₃ können dabei dritte Signalanalyseparameter zugeordnet sein, d. h. das Signalanalysemodul arbeitet in dem Zeitraum Δt₃ mit dritten Signalanalyseparametern. Die zweite Variante V2 unterscheidet sich demzufolge von der ersten Variante V1 lediglich dadurch, dass die Anzahl der Zyklen, in denen umgeschaltet wird, nicht auf zwei beschränkt ist, sondern in diesem Fall drei Zyklen verwendet werden.
Um zu vermeiden, dass die bestimmten Signalanalyseparametern P₁, P₂ zugeordneten Zeitspannen Δt₁, Δt₂ in Relation zur Gesamtscandauer der CT Aufnahme zu gering sein könnten, oder alternativ eine drastische Erhöhung der benötigten Gesamtscandauer die Folge sein könnte, kann der Detektor auf die Umschaltung zwischen maximal 16 Zyklen, d.h. maximal 16 verschiedenen Sätzen von Signalanalyseparametern beschränkt werden.
4 zeigt einige mögliche, zur Umschaltung ausgewählte Signalanalyseparameter im Detail. Dabei ist ein von der Signalanalyseeinheit aus einem Ladungspuls erzeugtes Signal in Form eines Spannungspulses zur Detektion eines Röntgenquants gezeigt. Dargestellt ist in der Hochachse die verstärkte Signalspannung, d.h. die Ausgangssignalhöhe, in willkürlichen Einheiten (a. u.), die mit Hilfe einer Integration bzw. Faltung des von der Detektionseinheit erzeugten Strompulses ermittelt wird. Auf der Querachse ist der zeitliche Verlauf (in willkürlichen Einheiten - a. u.) dieses Spannungssignals dargestellt. Die Signalanalyseparameter umfassen beispielsweise die sog. Gain G, welche die maximale Signalhöhe in Bezug auf ein Normsignal festlegt. Ferner können die Signalanalyseparameter die sog. Shaping-Zeit ST umfassen, die in diesem Fall als Halbwertsbreite des Spannungspulses angenommen wird. Darüber hinaus ist auch der sog. Undershoot U, d. h. die Größe des Signalabfalls bzw. der negativen Spannung nach der signaltechnischen Darstellung des Röntgenquants in Form eines Spannungspulses einstellbar, mit dem eine zeitliche Signaltrennung mehrerer Röntgenquanten feststellbar ist. Darüber hinaus umfassen die Signalanalyseparameter auch eine Anzahl N von Energieschwellen, wobei N typischerweise zwischen zwei und acht liegt, denen jeweils ein Energieschwellwert ES1, ES2, ..., ESN zugeordnet ist, für den ein eigener Zählratenwert in dem Satz von Zählraten erzeugt wird.
In 5 sind darüber hinaus weitere mögliche Signalanalyseparameter dargestellt, die in den umgeschalteten ersten und/oder zweiten Signalanalyseparametern umfasst sein können. 5 zeigt einen Röntgendetektor mit matrixartig, aneinander angrenzend angeordneten, benachbarten Detektionseinheiten 10, sog. Pixeln. Bei der Absorption von Röntgenstrahlung kann es aufgrund von Sekundäreffekten wie z. B. Fluoreszenzstrahlung dazu kommen, dass ein Röntgenquant nicht nur Ladungspulse in einer einzelnen Detektionseinheit 10 anregt, sondern auch in mehreren benachbarten Detektionseinheiten 10. Die in einer Detektionseinheit 10 erzeugte Ladung entspricht somit nicht der Röntgenenergie des Röntgenquants. Um diesen Effekt in der Bestimmung der Zählraten zu unterdrücken, kann beispielsweise ein sog. Charge Summing Modus mit Hilfe eines Aktivierungssignals KS aktiviert werden. Dazu werden die Detektionssignale A₁, A₂, A₃, A₄ mehrerer der benachbarten Detektionseinheiten 10 in einer Signalkombinationseinheit 21 zu einem gemeinsamen Signal AC kombiniert. Dieses Signal wird an an ein Signalanalysemodul 30 als Kombinationssignal AC weitergegeben, welches im Normalbetrieb demjenigen Pixel zugeordnet ist, das am meisten zum Chargesumming-Signal in diesem Fall beiträgt. Die anderen Signalanalysemodule 30', die mit der Signalkombinationseinheit 21 verbunden sind, erhalten in diesem Fall kein Signal AC.Exemplarisch wird das Signal AC, in diesem Ausführungsbeispiel an das Signalanalysemodul 30 geleitet. Genauso ist denkbar, dass auf die oben beschriebene Art und Weise jedes andere der Signalanalysemodule 30, 30' zum Empfang des Signals AC durch die Signalkombinationseinheit 21 ausgewählt wird. Eine solche Signalkombinationseinheit 21 wird meist für jeden Kreuzungspunkt mehrerer Pixel vorgesehen. Folglich weist jede Signalanalyseeinheit 30, 30', die einem bestimmten Pixel zugeordnet ist, einen entsprechenden Kombinationseingang auf, dem mehrere Signale, die jeweils an einem Kreuzungspunkt am Rand eines Pixels (jede Ecke) mit Hilfe jeweils einer Signalkombinationseinheit 21 erzeugt werden, zugeführt werden. Die typische Wirkungsweise des ChargeSumming Modus ist beispielsweise in dem Journal IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-54 (2007) 1824: „The Medipix3 Prototype, a Pixel Readout Chip Working in Single Photon Counting Mode With Improved Spectrometric Performance“ von Ballabriga, R., Campbell, M., Heijne, E.H.M., Llopart, X., und Tlustos, L. beschrieben. Die Signalkombinationseinheit 21 kann als einzelne Baueinheit, beispielsweise in dem bezüglich 1 beschriebenen ASIC (1, 20), umfasst sein, jedoch auch innerhalb einer oder mehrerer Detektoreinheiten 10 angeordnet sein. Darüber hinaus ist auch denkbar, dass die Signalkombinationseinheit 21 in dem Signalanalysemodul 30, 30' umfasst ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann als zeitweise verwendeter Signalanalyseparameter somit auch verändert werden, ob der beschriebene Charge Summing Modus an- oder ausgeschaltet ist, also ein Wert des Aktivierungssignals KS.
Bevorzugte Sätze von ersten bzw. zweiten Signalanalyseparametern umfassen beispielsweise Parametersätze, die im Hinblick auf die spektrale Auflösung optimiert sind und andere Parametersätze die im Hinblick auf einen Hochflussfall optimiert sind.
Die Optimierung kann insbesondere im Hinblick auf eine intrinsischen Pulsbreite eines influenzierten Signals an der bzgl. 1 erwähnten, die Röntgenstrahlung detektierenden Elektrode der Detektionseinheit erfolgen. Diese intrinsische Pulsbreite ist typischerweise eine Konstante der Detektionseinheit und durch die Bauweise der Detektionseinheit bzw. Elektroden fest vorgegeben. Meist liegt die intrinsische Pulsbreite im Bereich zwischen 2 ns bis 70 ns.
Ferner kann die Optimierung im Hinblick auf das erwähnte Gain erfolgen, welches die Anzahl von Röntgenphotonen bestimmt, deren kumulierte Detektionssignale gleichzeitig in dem erwähnten Vorverstärker unverzerrt verstärkt werden können. Diese Anzahl ist durch den Dynamikbereich des Verstärkers und eine für diese Anzahl vorgegebene Photonenenergie sowie das Gain G bestimmt. Für die Anzahl n gilt: $n = Max (Dynamikbereich) / G \cdot Photonenenergie .$
Ein im Hinblick auf die spektrale Auflösung optimierter Satz von ersten bzw. zweiten Signalanalyseparametern könnte wie folgt festgelegt sein:

- Lange Shaping-Zeit (Halbwertsbreite) von beispielsweise mehr als zehnmal der intrinsischen Pulsbreite,
- Kein Undershoot (Undershoot = 0V)
- Charge Summing Modus aktiviert,
- Hohes Gain, Bei einem hohen Gain G (Einheit mV/keV) sind ist n weniger oder gleich drei. Die vorgegebene Photonenenergie kann beispielsweise die maximale Energie der ausgesandten Röntgenstrahlung sein, oder auch durch andere Faktoren wie beispielsweise einen gewünschten Kontrast definiert sein. Bezüglich des Dynamikbereichs ist ferner festzuhalten, dass hier lediglich der zur Erfassung eines dynamischen Signals zur Verfügung stehende Dynamikbereich berücksichtigt wird, und beispielsweise in der Detektionseinheit auftretende nahezu konstant verstärkte Leckströme die Grenzen dieses zur Verfügung stehenden Dynamikbereichs bestimmen können.
- Auf Niedrigflusskontrast optimierte Energieschwellen von beispielsweise 25, 30, 60, 80 keV.

Ein im Hinblick auf die Intensitätsbestimmung optimierter Satz von ersten bzw. zweiten Signalanalyseparametern könnte wie folgt festgelegt sein:

- kurze Shaping-Zeit von beispielsweise weniger als drei mal der bezüglich der langen Shaping Zeit erwähnten intrinsischen Pulsbreite,
- ausgeprägter Undershoot von mehr als 5% des Maximalwerts des korrespondierenden erzeugten Detektionspulses (V)
- Charge Summing Modus deaktiviert,
- Geringes Gain von beispielsweise mehr als n = 10 (Vgl. Defintion „hohes Gain“),
- Optimierte Energieschwellen, die für den Pile-Up Fall Energieschwelle umfassen, die größer als die maximale Energie eines von der Röntgenquelle zum Detektionszeitpunkt erzeugten Röntgenquants ist, beispielsweise 25, 60, 80, 160 keV.

Vorzugsweise sind eine oder mehrere Energieschwellen für den Hochflussfall und den Niedrigflussfall identisch. Somit könnte mit Hilfe dieser identischen Energieschwelle die Verformung des Röntgenspektrum aufgrund der Pileup-Ereignisse bestimmt werden.
Bei dem ersten und oder zweiten Satz von Signalanalyseparametern könnte die Energieschwellen hinsichtlich der Erfassung bestimmter Kontraste optimiert sein. Beispielsweise zur Erfassung einer Kontrastinformation für Jod, Konchen, Weichteilgewebe oder eines Multi-Energy-Kontrasts für verschiedene Materialbasen wie H₂O, I, GD, AU etc.
Die Umschaltung zwischen verschiedenen Sätzen von Signalanalyseparametern ermöglicht die zeitliche Umschaltung zwischen verschiedenen Typen von Bildcharakteristiken, d.h. wie erwähnt beispielsweise unterschiedliche Kontrastwiedergaben in den Messdaten. Wie erwähnt kann dabei insbesondere die spektrale Auflösung aber auch die Intensitätsmessung der erfassten Röntgenstrahlung verbessert werden. Somit kann durch optimierte Projektionsmessdaten die Röntgenbildgebung insgesamt verbessert werden.
Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die Merkmale sämtlicher Ausführungsbeispiele oder in Figuren offenbarter Weiterbildungen in beliebiger Kombination verwendet werden können. Es wird abschließend ebenfalls darauf hingewiesen, dass es sich bei dem vorhergehend detailliert beschriebenen Röntgendetektor, dem Bildgebungssystem, dem Verfahren zur Ermittlung von Zählraten sowie dem Verfahren zur Kalibration von Signalanalyseparametern lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann der Röntgendetektor auch als ringförmiger Detektor ausgebildet sein, der einen Messraum eines Bildgebungssystems vollständig in einer Richtung umschließt. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.

Claims

Röntgendetektor (100), mit - einer Detektionseinheit (10), welche ein Detektionssignal für auf die Detektionseinheit (10) auftreffender Röntgenstrahlung (XR) erzeugt, und - einem Signalanalysemodul (30, 30') welches auf Basis des Detektionssignals und vorgegebenen Signalanalyseparametern (P₁, P₂) für Röntgenstrahlung einen Satz von Zählraten (R₁, R₂, R₁', R₂') für auf die Detektionseinheit auftreffende Röntgenstrahlung ermittelt, - einer Umschaltsteuereinheit (40) zur Umschaltung zwischen mindestens ersten Signalanalyseparametern (P₁) und zweiten Signalanalyseparametern (P₂), so dass bei einer vorgegebenen, auf die Detektionseinheit (10) auftreffenden Röntgenstrahlung (XR) auf Basis von ersten Signalanalyseparametern (P₁) für eine erste Zeitspanne (Δt₁) ein erster Satz von Zählraten (R₁, R₁') erzeugt wird und auf Basis eines zu den ersten Signalanalyseparametern (P₁) unterschiedlichen zweiten Signalanalyseparametern (P₂) für eine zweite Zeitspanne (Δt₂) ein zweiter Satz von Zählraten (R₂, R₂') erzeugt wird, wobei die Umschaltsteuereinheit (40) zu einer stochastischen Umschaltung ausgebildet ist.
Röntgendetektor (100) nach Anspruch 1, wobei der Beginn (t₀) der ersten Zeitspanne (Δt₁) und der Beginn (t₁) der zweiten Zeitspanne (Δt₂) zwischen 100 µs und 1 ms zeitlich voneinander beabstandet sind.
Röntgendetektor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Röntgendetektor (100) eine Speichereinheit (50) zur gleichzeitigen Speicherung der ersten Signalanalyseparameter (P₁) und der zweiten Signalanalyseparameter (P₂) aufweist.
Röntgendetektor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Umschalteinheit (40) eine Triggerschnittstelle (45) zum Empfang eines Auslösesignals zur Auslösung der Umschaltung aufweist.
Röntgendetektor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Signalanalyseparameter (P₁, P₂) Energieschwellwerte umfassen.
Röntgenbildgebungssystem (1), insbesondere CT-System, mit einer Röntgenquelle (RS) und einem Röntgendetektor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verfahren zur Ermittlung von Zählraten (R₁, R₁',R₂, R₂') für Röntgenstrahlung (XR) mit einem Röntgendetektor (100), umfassend eine Detektionseinheit (10) zur Erzeugung eines Detektionssignals für auf die Detektionseinheit (10) auftreffende Röntgenstrahlung (XR), wobei - ein Signalanalysemodul (30, 30') einen ersten Satz von Zählraten (R₁, R₁') für auf die Detektionseinheit (10) auftreffende Röntgenstrahlung (XR) auf Basis von ersten Signalanalyseparametern (P₁) erzeugt, - ein Umschalten des Signalanalysemoduls (30, 30') zu zweiten Signalanalyseparametern (P₂) erfolgt, die zu den ersten Signalanalyseparametern (P₁) unterschiedlich sind, - das Signalanalysemodul (30, 30') einen zweiten Satz von Zählraten (R₂, R₂') für auf die Detektionseinheit (10) auftreffende Röntgenstrahlung (XR) auf Basis der zweiten Signalanalyseparameter (P₂) ermittelt, wobei das Umschalten stochastisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Umschaltung synchron zur Umschaltung eines Röntgenspektrums einer Röntgenquelle (RS) erfolgt und/oder synchron zum Umschalten der Fokusposition (F) einer Röntgenquelle (RS).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei die ersten Signalanalyseparameter (P₁) an einen ersten Typ von gewünschter Bildcharakteristik und die zweiten Signalanalyseparameter (P₂) an einen dazu unterschiedlichen zweiten Typ von gewünschter Bildcharakteristik angepasst sind.
Verfahren zur Kalibration eines Röntgendetektors (100), wobei auf Basis von ersten und zweiten Signalanalyseparametern (P₁, P₂) basierend auf einem Verfahren gemäß Anspruch 7 ein erster und zweiter Satz (R₁, R₂) von Zählraten erzeugt wird.