-
Die
Erfindung betrifft eine Röntgeneinrichtung,
umfassend ein Bildaufnahmesystem mit einem Festkörper-Strahlungsdetektor mit
einer Pixelmatrix.
-
Derartige
Röntgeneinrichtungen
sind bekannt und dienen dazu, Strahlungsbilder eines Untersuchungsobjekts,
in der Regel eines Patienten, im Rahmen einer medizinischen Untersuchung
oder Therapie aufzunehmen. Mittels des Bildaufnahmesystems werden
von der das Untersuchungsobjekt durchdringenden Röntgenstrahlung
Bilder erzeugt, die beispielsweise an einem Monitor ausgegeben werden.
Hierzu umfaßt
das Bildaufnahmesystem einen Festkörper-Strahlungsdetektor mit
einer Halbleiterdetektorschicht, welcher eine Szintillatorschicht vorgeschalten
ist, die die einfallende Röntgenstrahlung
in sichtbare Strahlung umwandelt. Diese trifft dann auf die Halbleiterschicht
und generiert dort Ladungen, die von einer nachgeschalteten Ausleseelektronik
ausgelesen werden. Das Bildaufnahmesystem ist im Laufe seines Betriebes
des öfteren
zu kalibrieren, um über
einen längeren
Zeitraum Bilder konstanter Qualität aufnehmen zu können, die
insbesondere im Bedarfsfall auch miteinander vergleichbar sind.
Normalerweise wird das System mehrmals im Jahr kalibriert. Im Rahmen
der Kalibrierung werden unterschiedliche Betriebsmodi seitens der
Steuerungseinrichtung abgearbeitet, wobei zu jedem unterschiedlichen
Betriebsmodus eine Aufnahme unter Belichtung des Detektors mit Röntgenstrahlung,
jedoch ohne Objekt, vorgenommen wird. Der Kalibrierzyklus dauert
relativ lange, im Extremfall bis zu einer halben Stunde oder länger. Weiterhin
muß das
Röntgenpersonal
aus dem Anlagenraum, da zur Kalibrierung wie beschrieben Bedingungen
gegeben sind wie bei einer normalen Röntgenaufnahme.
-
Aus
der Druckschrift
US 4,810,881 ist
eine Röntgenplatte
bekannt, die mit Hilfe mehrerer Module mit getrennter Auslesevorrichtung
eine Rauschreduzierung ermöglicht,
deren Detektor auf einem transparenten Isolierträger lagert. In den Patenten
US 4,945,243 , die sich mit
der Umwandlung von Bildern in elektrische Signale mit Hilfe von
photosensitiven Elementen befasst, und
US,4 980,553 , die einen Strahlungsbilddetektor
aus photosensitiven Elementen betrifft, wird diese Tatsache genutzt,
um hinter den photosensitiven Elementen/dem Detektor einen Diodenarray
anzubringen, mit dessen Licht eine Rücksetzung der photosensitiven
Elemente/dem Detektor möglich
wird. Da dieses Licht allerdings inhomogen ist, kann es nicht zur
Kalibrierung dienen.
-
In
der Druckschrift
DE
35 20 600 A1 wird ein Verfahren zur zerstörungsfreien
Durchstrahlungsprüfung
beschrieben, welches zu helle Bildbereiche durch ein zwischengeschaltetes
teiltransparentes Mittel abdunkelt.
-
Der
Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Röntgeneinrichtung
anzugeben, die eine Kalibrierung des Bildaufnahmesystems auf vereinfachte
Weise zuläßt.
-
Zur
Lösung
dieses Problems ist eine Röntgeneinrichtung
umfassend ein Bildaufnahmesystem mit einem Festkörper-Strahlungsdetektor mit
einer Pixelmatrix vorgesehen, an dessen Rückseite eine Beleuchtungseinrichtung
in Form eines Diodenarrays vorgesehen ist, mittels welchem eine
auf die Pixelmatrix einwirkende Strahlung erzeulbar ist, wobei Mittel
vorgesehen sind, mittels welchen die auf die Pixelmatrix einwirkende,
von dem Diodenarray emittierte oder emittierbare Strahlung homogenisierbar und
eine im wesentlichen gleichmäßige Strahlungsverteilung über die
Pixelmatrix erzielbar ist.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung
wird mit besonderem Vorteil zur Kalibrierung die von einem hinter
der Pixelmatrix angeordneten Diodenarray erzeugte, auf die Pixelmatrix
unter Generation von Ladungsträgern
einwirkende Strahlung genutzt. Normalerweise dient die mit dem Diodenarray erzeugbare
Strahlung als Rücksetzlicht,
welches dann eingeschaltet wird, wenn eine Bildaufnahme durchgeführt wurde,
um die Nachklingeffekte zu beschleunigen und sämtliche Pixel in einen Ausgangszustand
zurückzusetzen.
Zu diesem Zweck spielt die Homogenität des von dem Diodenarray erzeugten Licht,
also die Homogenität
der Strahlungsverteilung bzw. der Strahlungsintensität über die
Pixelmatrix keine besondere Rolle. Es hat sich jedoch herausgestellt,
daß die
vom Diodenarray erzeugte Strahlung beachtlich inhomogen ist, weshalb
zur Ermöglichung einer
Nutzung dieser Strahlung zu Kalibrierzwecken erfindungsgemäß Homogenisierungsmittel
vorgesehen sind, mittels welcher die vom Diodenarray emittierte
Strahlung oder aber die von ihm emittierbare Strahlung homogenisiert
und vergleichmäßigt wird, so
daß auf
die Pixelmatrix von der Rückseite
her eine im wesentlichen gleichmäßig verteilte
Strahlung bzw. eine Strahlung mit über die Pixelmatrix im wesentlichen
konstanter Intensität
auftrifft. Erst der Einsatz der erfindungsgemäßen Homogenisierungsmittel
ermöglicht
es, das vom Diodenarray emittierte Rücksetzlicht auch zu Kalibrierzwecken
zu nutzen. Für
die Praxis bedeutet dies, daß zum
Kalibrieren keine Röntgenstrahlung
erzeugt werden muß,
der gesamte Kalibriervorgang wird wesentlich einfacher und kann viel
schneller vonstatten gehen. Ferner sind auch keinerlei sicherheitstechnische
Aspekte im Rahmen der Kalibrierung zu berücksichtigen.
-
Gemäß einer
zweckmäßigen Weiterbildung des
Erfindungsgedankens kann vorgesehen sein, daß das Mittel eine zwischen
der Pixelmatrix und dem Diodenarray angeordnete Homogenisierungszwischenlage
ist, deren lokale Transparenz für
die vom Diodenarray emittierte Strahlung abhängig von der lokalen Strahlungsverteilung
des Diodenarrays ist. Bei der Homogenisierungszwischenlage kann
es sich um eine Folie wie auch um eine Papierlage handeln. Mit dieser
Zwischenlage wird erreicht, daß die Strahlung
nach Durchgang durch die Zwischenlage überall im wesentlichen gleichmäßig bzw.
die Intensität
an jeder Stelle im wesentlichen die gleiche ist, was durch die unterschiedlichen
Transparenzbereiche der Homogenisierungszwischenlage erreicht wird. Das
heißt,
die Zwischenlage ist in Bereichen, in denen das Diodenarray stärkere Strahlung
bzw. Strahlung höherer
Intensität
emittiert, weniger transparent als in solchen Bereichen, in denen
das Diodenarray schwächere
Strahlung emittiert. Da über
die Fläche des
Diodenarrays eine Vielzahl unterschiedlicher Strahlungsbereiche
gegeben sein können,
hat es sich als zweckmäßig erwiesen,
wenn die Homogenisierungszwischenlage bezüglich des Diodenarrays justiert
angeordnet ist und wenn zweckmäßigerweise Mittel
zum Fixieren der Homogenisierungszwischenlage, insbesondere in Form
von Klemmitteln vorgesehen sind, so daß die diodenabschnittsbezogenen Transparenzbereiche
auch tatsächlich
am jeweiligen Arrayabschnitt zum Liegen kommen. Die Justierung kann
beispielsweise durch Anbringen entsprechender Referenzpunkte oder
dergleichen erfolgen.
-
Neben
der Röntgeneinrichtung
betrifft die Erfindung ferner einen Festkörper-Strahlungsdetektor mit
einer Pixelmatrix und einer Beleuchtungseinrichtung in Form eines
Diodenarrays, mittels welchem eine auf die Pixelmatrix von der Rückseite
her einwirkende Strahlung erzeugbar ist. Dieser Festkörper-Strahlungsdetektor
zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch
aus, daß Mittel
vorgesehen sind, mittels welchen die von dem Diodenarray emittierte Strahlung
homogenisierbar und eine im wesentlichen gleichmäßige Strahlungsverteilung über die
Pixelmatrix erzielbar ist. Weitere erfindungsgemäße vorteilhafte Ausgestaltungen
sind den abhängigen
Unteransprüchen
zu entnehmen.
-
Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erzeugen einer Homogenisierungszwischenlage
für einen
Festkörper-Strahlungsdetektor,
welcher eine Pixelmatrix und eine Beleuchtungseinrichtung in Form
eines Diodenarrays umfaßt,
mittels welchem eine auf die Pixelmatrix von der Rückseite
her einwirkende Strahlung erzeugbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich durch folgende Schritte aus:
Aufnehmen wenigstens
eines Offsetbilds des Festkörper-Strahlungsdetektors,
Aufnehmen
wenigstens eines Strahlungsbilds bei Bestrahlung der Pixelmatrix
mittels des Diodenarrays,
Subtraktion des Tiefpaß-gefilterten
Offsetbilds vom Tiefpaßgefilterten
Strahlungsbilds,
Invertierung des Subtraktionsbilds, und
Aufbringen
des Subtraktionbilds auf eine Zwischenlage.
-
Das
zunächst
aufgenommene Offsetbild, also die Bildinformation, die der Detektor
ohne Auftreffen irgendeiner Strahlung liefert, dient quasi als Referenzbild.
Anschließend
wird das Diodenarray kurzzeitig, in der Regel für wenige μs, eingeschaltet und das von
der auf die Pixelmatrix von der Rückseite her einwirkende Strahlungsbild
aufgenommen. Nach Durchführung
jeweils einer Tiefpaß-Filterung des
Offsetbilds und des Strahlungsbilds, wozu ein normaler Tiefpaßfilter
oder aber ein Median-Filter verwendet werden kann und wodurch von
der Pixelmatrix herrührende
Inhomogenitäten
wie beispielsweise Einbrüche
einzelner Pixel oder kompletter Zeilen oder Spalten herausgefiltert
werden, werden die beiden gefilterten Bilder voneinander subtrahiert. Dieses
Subtraktionsbild wird anschließend
invertiert, das heißt,
dunkle Bereiche werden entsprechend heller und hellere Bereiche
entsprechend dunkler dargestellt. Das hierdurch erhaltene invertierte
Subtraktionsbild wird anschließend
auf die Zwischenlage aufgebracht, wodurch diese in ihrem Transparenzgrad
in Abhängigkeit
der tatsächlichen
Strahlungsverteilung des Diodenarrays variiert bzw. eingestellt wird.
Die Größe der Zwischenlage,
die in Form einer Kunststoffolie oder einer Papierlage vorliegen
kann, entspricht im wesentlichen der Größe der Pixelmatrix, wobei sich
die Zwischenlage neben dem aktiven Bereich der Pixelmatrix auch
in den nicht aktiven Matrixbereich erstrecken sollte. Die Zwischenlage
selbst wird zum Aufbringen des Subtraktionsbilds entsprechend bedruckt.
Zur Ermittlung des Offsetbilds und des Strahlungsbilds, welche anschließend weiterverarbeitet
werden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mehrere Offsetbilder
und/oder mehrere Strahlungsbilder aufgenommen werden, die zur Ermittlung eines
weiterzuverarbeitenden Offsetbilds bzw. Strahlungsbilds gemittelt
werden.
-
Weitere
Vorteilele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im
folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel
sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 eine
Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Röntgeneinrichtung,
-
2 eine
Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Festkörper-Strahlungsdetektor,
-
3 eine
Prinzipskizze eines mit dem Strahlungsdetektor erhaltenen Bildes,
erhalten durch Subtraktion des bei Bestrahlung der Pixelmatrix mit dem
Licht des Diodenarrays erhaltenen Strahlungsbildes und des Offsetbilds
ohne eingebrachter Homogenisierungszwischenlage,
-
4 eine
Prinzipskizze eines mit dem Strahlungsdetektor erhaltenen Bilds
mit eingebrachter Homogenisierungszwischenlage,
-
5 ein
Bild entsprechend dem aus 3 mit eingebrachter
Homogenisierungszwischenlage,
-
6 den
Signalverlauf einer ausgewählten Pixelspalte
ohne und mit eingebrachter Homogenisierungszwischenlage, und
-
7 ein
Diagramm mit den Histogrammen zweier Bilder, die ohne bzw. mit eingebrachter
Homogenisierungszwischenlage aufgenommen wurden.
-
1 zeigt
in Form einer Prinzipskizze eine erfindungsgemäße Röntgeneinrichtung zur Aufnahme
von Strahlungsbildern, welche als medizinische Diagnose- oder Therapie-
und Behandlungsvorrichtung ausgebildet ist. Mittels einer Röntgenstrahlenquelle 1 wird
Röntgenstrahlung
erzeugt, wobei dies über
die Vorrichtungssteuerung 2 gesteuert erfolgt. In der Vorrichtungssteuerung 2 sind
die hierfür
erforderlichen Komponenten wie beispielsweise der Hochspannungsgenerator
etc. beinhaltet oder dieser zugeordnet, was nicht näher dargestellt
und an sich bekannt ist. Die erzeugte Röntgenstrahlung durchstrahlt
einen Patienten 3 und trifft auf einen digitalen Festkörper-Strahlungsdetektor 4,
der, wie bezüglich 2 noch
näher beschrieben
werden wird, eine Pixelmatrix aufweist. Die einzelnen Pixelbildsignale werden
von einem im gezeigten Beispiel in der Vorrichtungssteuerung 2 integrierten
Auslesemittel 5 ausgelesen und an ein Rechenmittel 6 gegeben,
welches zum Erzeugen und Ausgeben des aufgenommenen Bilds ausgebildet
ist. Das Rechenmittel 6 ist mit einem Ausgabemedium 7 in
Form eines Monitors verbunden, auf dem das Bild dargestellt werden kann.
-
2 zeigt
in Form einer Schnittansicht einen Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Festkörper-Strahlungsdetektor.
Der erfindungsgemäße Festkörper-Strahlungsdetektor 8 umfaßt zuoberst eine
Reflektorschicht 9, gefolgt von einer Szintillatorschicht 10 sowie
einer Passivierungsschicht 11. Mittels der Szintillatorschicht 10 wird
einfallende Röntgenstrahlung
(h·ν1)
in Strahlung umgewandelt, die in der nachgeschalteten Pixelmatrix 12 aus
einem geeigneten Halbleitermaterial entsprechende Ladungsträger erzeugt.
Die Pixelmatrix 12 besteht aus einer Vielzahl von Zeilen
und Spalten aus einzelnen Fotodiodenpixeln. Ein Glasträger 13 trennt
die Pixelmatrix 12 von einem Diodenarray 14 bestehend
aus einer Vielzahl einzelner Dioden 15, mittels welchem
Strahlung (h·ν2)
erzeugt werden kann, welches von der Rückseite her auf die Pixelmatrix 12 einwirkt. Über eine
Bleiabschirmung 15 getrennt ist ferner noch eine Ausleseelektronik 16 vorgesehen.
-
Zwischen
den Glasträger 13 und
das Diodenarray 14 ist eine Homogenisierungszwischenlage 16 gebracht.
Bei dieser kann es sich um eine Kunststoffolie handeln, gleichermaßen kann
auch eine Papierlage eingesetzt werden. Da die von dem Diodenarray 14 emittierte
Strahlung nicht über
die gesamte Arrayfläche
konstant bzw. homogen ist, das heißt, auf die Pixelmatrix 12 wirkt
lokal Strahlung unterschiedlicher Intensität ein, ist zur Ermöglichung
einer Kalibrierung des Strahlungsdetektors bzw. des gesamten Bildsystems
die Verwendung der Homogenisierungszwischenlage 16 erforderlich.
Diese weist Bereiche unterschiedlicher Transparenz für die Strahlung
h·ν2 auf,
wo bei die jeweilige lokale Transparenz in Abhängigkeit der lokalen Strahlung
des Diodenarrays 14 eingestellt ist. Das heißt, Bereiche
der Zwischenlage 16, die stärker strahlenden Diodenarraybereichen gegenüberliegen,
sind für
die Strahlung weniger transparent wie solche Zwischenlagenbereiche,
die schwächer
strahlenden Arrayabschnitten gegenüberliegen. Insgesamt erhält man mit
der eingefügten
Homogenisierungszwischenlage 16 eine resultierende, auf
die Pixelmatrix 12 einwirkende Strahlungsverteilung bzw.
Intensitätsverteilung
der Strahlung, die weitgehend über
die Fläche
der Pixelmatrix homogen ist. Das heißt, die Pixelmatrix 12 wird überall im
wesentlichen gleichmäßig bestrahlt.
Diese homogene Strahlung ermöglicht
es, daß die
Kalibrierung des Bildaufnahmesystems unter Verwendung der mittels des
Diodenarrays emittierten Strahlung vonstatten gehen kann. Zu diesem
Zweck ist die Vorrichtungssteuerung 2 bzw. das Rechenmittel 6,
welches im gezeigten Ausführungsbeispiel
den Kalibrierzyklus steuert, entsprechend ausgebildet.
-
Die 3 und 4 zeigen
zwei Prinzipdarstellungen von mittels des Bildaufnahmesystems erhaltenen
Bildern, bei denen die Pixelmatrix 12 lediglich mit dem
Licht des Diodenarrays 14 bestrahlt wurde. 3 zeigt
ein Bild, welches ohne zwischengesetzter Homogenisierungszwischenlage 16 erhalten wurde, 4 zeigt
ein Bild mit eingebrachter Zwischenlage. In dem Bild gemäß 3 können drei
Abschnitte I, II und III unterschieden werden. Durch die unterschiedlich
starke Strichelung wird angegeben, daß der Bereich I der dunkelste,
der Bereich III der hellste ist. Das Bild wurde dadurch erhalten,
daß zunächst ein
Offsetbild ohne zugeschaltetem Diodenarray aufgenommen wurde, anschließend wurde
das Diodenarray für
wenige μs
angeschalten und ein Strahlungsbild aufgenommen, von welchem dann das
Offsetbild abgezogen wurde. Aus 3 wird ersichtlich,
daß eine
inhomogene Beleuchtung der Pixelmatrix 12 stattfand, was
sich in den unterschiedlich dunklen Bereichen I, II, III äußert.
-
4 zeigt
nun eine Prinzipskizze eines Bildes, welches mit einer eingebrachten
Homogenisierungszwischenlage 16 erhalten wurde. Ersichtlich zeigt
das auf die gleiche Weise erhaltene Bild eine im wesentlichen homogene
Helligkeitsverteilung. Das heißt,
die ursprünglich
gegebenen Inhomogenitäten des
Diodenarraylichts wurden durch die eingebrachte Homogenisierungszwischenlage
homogenisiert, die Pixelmatrix 12 wurde mit im wesentlichen
homogenem Licht bestrahlt.
-
5 zeigt
ein Beispiel einer Homogenisierungszwischenlage 16, welche
im Beispielfall der 3 und 4 verwendet
werden kann. Diese weist ebenfalls drei Abschnitte Ia, Ia, IIIa
auf, die jedoch bezüglich
des ursprünglich
erhaltenen Bildes gemäß 3 in
ihrer Transparenz invertiert sind, das heißt, der Bereich Ia ist für die vom
Diodenarray emittierte Strahlung transparenter als der Bereich IIIa,
wie ebenfalls durch die unterschiedliche Strichelung dargestellt
wird. wird diese Homogenisierungszwischenlage 16 zwischen
das Diodenarray und die Pixelmatrix gebracht, wird die in dem Lagenabschnitt
IIIa gegenüberliegenden
Arrayabschnitt emittierte, starke Strahlung deutlich stärker geschwächt als
die schwache Strahlung, die im Arraybereich emittiert wird, welcher
dem Abschnitt Ia gegenüberliegt.
In der Summe ist die Strahlungsverteilung des durch die Homogenisierungszwischenlage 16 hindurchtretenden
Lichts im wesentlichen homogen.
-
6 zeigt
ein Diagramm der Signale einer Spalte der Pixelmatrix, erhalten
ohne zwischengebrachter Homogenisierungszwischenlage (Kurve A) und
mit eingelegter Homogenisierungszwischenlage (Kurve B). Ersichtlich
ist der Signalverlauf der Kurve B wesentlich homogener als der der
Kurve A, das heißt,
die auf die Pixelmatrix auftretende Lichtverteilung, die der Kurve
B zugrundelag, war wesentlich homogener als die der Kurve A.
-
Die
vorteilhafte Wirkung der eingebrachten Homogenisierungszwischenlage
läßt sich
auch den in 7 gezeigten Histo grammen zweier
aufgenommener Bilder entnehmen. Die Kurve C entspricht einem Bild,
welches ohne eingebrachter Homogenisierungszwischenlage aufgenommen
wurde, die Kurve D entspricht einem Bild mit eingebrachter Zwischenlage.
Ersichtlich ist die Kurve C wesentlich breiter und verschmierter
als die Kurve D. Das heißt,
die Signalantwort der Pixel ist wesentlich stärker verrauscht als im Fall
der Kurve C, da hier ein inhomogenes Licht auf die Pixelmatrix traf.
Demgegenüber
ist die Kurve D wesentlich schmalbandiger, das heißt, die Pixelsignale
liegen in einem deutlich engeren Signalbereich, was wiederum auf
eine wesentlich homogenere Strahlungsverteilung der einwirkenden
Lichtstrahlung zurückzuführen ist.