DE19962229B4

DE19962229B4 - Image acquisition system for a medical diagnostic or treatment device

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Publication number: DE19962229B4
Application number: DE1999162229
Authority: DE
Inventors: Clemens Dr. Doubrava; Dieter Gallein; Thomas von der Dr. Haar; Gerhard Kohl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2019-12-23
Also published as: DE19962229A1

Abstract

Bildaufnahmesystem für ein medizinisches Diagnose- oder Behandlungsgerät, insbesondere einen Computertomographen, umfassend einen Festkörperbilddetektor mit mehreren nach Art eines Arrays angeordneten Photodioden, und mehreren Kanälen zum Auslesen von in den Photodioden generierten Ladungen als Analogsignale, und wenigstens einen Analog-Digital-Wandler zum Wandeln eines Analogsignals in ein zur Erzeugung eines ausgebbaren Bilds weiterverarbeitbares Signal, wobei innerhalb eines Bildaufnahmezyklus schnell nacheinander mehrere Einzelbilder aufgenommen und zu jeder Einzelbildaufnahme die Ladungen ausgelesen werden, wobei wenigstens ein dem Festkörperbilddetektor (7) nachgeschaltetes Speichermittel (13) vorgesehen ist, in das die Ladungen jeder Einzelbildaufnahme im Oversamplingbetrieb in mehreren nacheinander abfolgenden Ausleseschritten ausgelesen und abgelegt werden, und wobei wenigstens ein dem Speichermittel (13) nachgeschalteter Multiplexer (15) vorgesehen ist, der das Speichermittel (13) im Multiplexbetrieb ausliest.Image recording system for a medical diagnostic or treatment device, in particular a computer tomograph, comprising a solid-state image detector with a plurality of photodiodes arranged in the manner of an array, and a plurality of channels for reading out charges generated in the photodiodes as analog signals, and at least one analog-to-digital converter for converting one Analog signal into a signal which can be further processed to generate an outputable image, wherein several individual images are taken rapidly in succession within an image acquisition cycle and the charges are read out for each individual image acquisition, at least one storage means (13) being connected downstream of the solid-state image detector (7) and into which the charges are each Single image recording in oversampling mode can be read out and stored in a plurality of successive readout steps, and at least one multiplexer (15) downstream of the storage means (13) is provided, which stores the memory reads the device (13) in multiplex mode.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bildaufnahmesystem für ein medizinisches Diagnose- oder Behandlungsgerät, insbesondere einen Computertomographen, umfassend einen Festkörperbilddetektor mit mehreren nach Art eines Arrays angeordneten Photodioden, und mehreren Kanälen zum Auslesen von in den Photodioden generierten Ladungen als Analogsignale, und wenigstens einen Analog-Digital-Wandler zum Wandeln eines Analogsignals in ein zur Erzeugung eines ausgebbaren Bilds weiterverarbeitbares Signal, wobei innerhalb eines Bildaufnahmezyklus schnell nacheinander mehrere Einzelbilder aufgenommen und zu jeder Einzelbildaufnahme die Ladungen ausgelesen werden.The invention relates to an image recording system for a medical diagnostic or treatment device, in particular a computer tomograph, comprising a solid-state image detector with a plurality of photodiodes arranged in the manner of an array, and multiple channels for reading out charges generated in the photodiodes as analog signals, and at least one analog-to-digital converter for converting an analog signal into a processable to generate an output image Signal, taking one after the other within an image acquisition cycle multiple frames taken and each frame captured the charges are read out.

Ein derartiges Bildaufnahmesystem kommt beispielsweise bei einem Computertomographen zum Einsatz. Bei diesem umfasst das Bildaufnahmesystem einen Festkörperbilddetektor und eine Röntgenstrahlenquelle, die in fester Lagebeziehung zueinander einander gegenüberliegend angeordnet und um eine gemeinsame Achse drehbar gelagert sind. Während der Bildaufnahme umkreisen die Strahlungsquelle und der Festkörperdetektor den längs der Rotationsachse eingeschobenen Patienten mit hoher Geschwindigkeit. Die Umdrehungszeit beträgt bei bekannten Anlagen ca. 1 Sekunde. Während dieser Zeit werden eine Vielzahl separater Einzelbilder nacheinander aufgenommen. Übliche Zahlen sind pro Umdrehung ca. 1.000 Einzelbildaufnahmen. Im Festkörperbilddetektor wird die einfallenden Röntgenstrahlung, die zuvor durch den Patienten hindurchgedrungen ist, mittels einer Szintillatorschrift in Licht gewandelt, welches anschließend auf eine Photodiodenmatrix trifft. Photodiodenseitig werden Ladungen generiert, wobei die Ladungsanzahl abhängig von der Anzahl der einfallenden Röntgen- bzw. Lichtquanten ist. Die Ladungen werden nach erfolgter Integration pro Einzelbildaufnahme ausgelesen und das hieraus resultie rende Analogsignal einem Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) zugeführt, wobei im Hinblick auf die detektorseitig vorgesehene Vielzahl an Kanälen (z.B. 1.000 Kanäle) mehrere Kanäle in einem AD-Wandler zusammengefasst sein können. Seitens des AD-Wandlers werden die Analogsignale in Digitalsignale gewandelt, die anschließend in einem nachgeschalteten Bilderzeugungssystem (Image Reconstruction System), gegebenenfalls noch erfolgter Vorverarbeitung, weiterverarbeitet werden können.Such an imaging system is used for example in a computer tomograph. In this, the image recording system comprises a solid-state image detector and an x-ray source, which are in a fixed positional relationship to each other arranged and rotatably mounted about a common axis. During the Image acquisition encircle the radiation source and the solid-state detector the longitudinal the patient is inserted at high speed along the axis of rotation. The rotation time is in known systems approx. 1 second. During this time, one Large number of separate individual images taken in succession. Usual numbers are approx. 1,000 single images per revolution. In the solid-state image detector the incident X-rays, which has previously penetrated the patient by means of a Scintillator script converted into light, which is then on strikes a photodiode matrix. Charges become on the photodiode side generated, the number of charges depending on the number of incoming X-ray or Is light quanta. The loads are made after integration read out per single image recording and the resultant result Analog signal fed to an analog-digital converter (AD converter), wherein with regard to the multitude of channels (e.g. 1,000 channels) several channels can be summarized in an AD converter. On the part of the AD converter the analog signals are converted into digital signals, which are then converted into a downstream image generation system (Image Reconstruction System), if necessary preprocessing, further processed can be.

Aus der sehr hohen Dynamik des Körpers eines zu untersuchenden Patienten ergeben sich sehr hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des AD-Wandlers. Denn es muss sichergestellt werden, dass er die Körperdynamik auch tatsächlich exakt in die Digitalsignale umsetzen kann. Denn bei mangelhafter Umsetzung würden wichtige Informationen verloren gehen, da die einzelnen Graustufen ansonsten nicht mehr im endgültigen Bild exakt unterschieden werden können und damit feine Gewebestrukturen, die im Bild durch minimale Farbunterschiede erkennbar wären, so nicht mehr aufgelöst werden können. Aus diesen Gründen müssen bei bekannten Systemen AD-Wandler mit einer Dynamik von wenigstens 17 Bit verwendet werden, wobei in der Regel auf leistungsfähigere zurückgegriffen wird, um sicherzustellen, dass diese geforderte Dynamik auf jeden Fall erreicht wird.From the very high dynamics of the body The patients to be examined have very high requirements performance of the AD converter. Because it must be ensured that he the body dynamics actually can convert exactly into digital signals. Because in the case of poor Implementation would important information is lost because the individual grayscale otherwise not in the final Image can be distinguished exactly and thus fine tissue structures, that would be recognizable in the picture by minimal color differences, so no longer resolved can be. For these reasons have to in known systems AD converters with a dynamic range of at least 17 bits, where usually on more powerful ones resorted will make sure that this required dynamic on everyone Case is reached.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass mittels Blenden mitunter nur ein sehr schmaler Detektorstreifen definiert wird, welcher mit Röntgenstrahlung beaufschlagt wird, um auf diese Weise sehr schmale Schnittbilder aufnehmen zu können. Hieraus resultiert eine weitere Dynamiksteigerung von ca. 3 Bit, so dass sich insgesamt eine Anforderung von ca. 20 Bit an die AD-Wandler-Dynamik ergibt. Diesem Problem kann man zwar Verwendung von Mehrzeilendetektoren begegnen. Jedoch bleibt auch bei diesen nach wie vor die Mindestdynamikanforderung von wenigstens 17 Bit.Another problem is that by means of diaphragms sometimes only a very narrow detector strip which is defined with X-rays is applied in this way to very narrow sectional images to be able to record. This results in a further dynamic increase of approx. 3 bits, so that there is a total requirement of approximately 20 bits for the AD converter dynamics results. This problem can be used with multi-line detectors to encounter. However, the minimum dynamic requirement still remains with these of at least 17 bits.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Bildaufnahmesystem zur Akquisition der zur Erstellung des jeweiligen Einzelbildes erforderlichen Daten anzugeben, welches die Verwendung von hinsichtlich der Dynamikeigenschaft leistungsschwächeren AD-Wandlern ermöglicht.The invention is therefore the problem based on an image acquisition system for the acquisition of the creation of the data required to indicate which individual image the use of AD converters that are less powerful in terms of dynamic properties allows.

In der DE 695 05 375 T2 ist ein Bildaufnahmesystem beschrieben, dessen Strahlungswandlerelemente direkt mit einem Analog/Digital-Wandler bzw. einem diesem vorgeschalteten Multiplexer verbunden sind, wobei die Möglichkeit besteht, die Strahlungswandlerelemente im Oversamplingbetrieb auszulesen.In the DE 695 05 375 T2 describes an image recording system, the radiation converter elements of which are connected directly to an analog / digital converter or a multiplexer connected upstream thereof, it being possible to read out the radiation converter elements in oversampling mode.

Gelöst wird dieses Problems durch den Gegenstand des Patentanspruches 1.This problem is solved by the subject of claim 1.

Beim erfindungsgemäßen Bildaufnahmesystem wird vorteilhaft die Integrationszeit der Ladungen und damit des Analogsignals jeder Photodiode, also jedes Pixels des Festkörperdetektors in kleinere Zeitscheiben unterteilt. Die Zeitscheiben bestimmen sich nach der Anzahl der eingestellten Oversamplingrate. Diese kann beliebig gewählt werden, beispielsweise 4-fach oder 10-fach. Die zeitscheibenspezifisch in das wenigstens eine nachgeschaltete Speichermittel abgelegten Signale werden aus diesem mittels des analogen Multiplexers ausgelesen und als serielle Analogdatensignale an den AD-Wandler zum Digitalisieren derselben gegeben. Typische Integrationszeiten betragen bei einem System mit einer beispielhaften Umdrehungszeit von 1 Sekunde und einer Bildaufnahmerate von 1.000 Bildern bei einer 10-fachen Oversamplingrate 0,1 ms. Durch den Oversampling-Multiplex-Betrieb werden die Dynamikanforderungen an den AD-Wandler deutlich erniedrigt, denn die Dynamik innerhalb des in jeder Zeitscheibe aufgenommene „Teilbilds" ist deutlich geringer als die innerhalb des gesamten Einzelbildes. Eine Dynamikerniedrigung um 3 Bit ist auf jeden Fall erreichbar, so dass mit besonderem Vorteil kostengünstige AD-Wandler verwendet werden können, deren Dynamik im Bereich zwischen 14 und 17 Bit liegt. Bei Verwendung von Mehr zeilendetektoren kann auf die einfachen und kostengünstigen 14-Bit-AD-Wandler zurückgegriffen werden. Insgesamt erhält man also eine Reduktion der Dynamik im Signalweg, weshalb analoge elektronische Bausteine mit höherer Taktung aber niedrigerer Dynamik eingesetzt werden können. Entsprechendes gilt für die Kapazitäten, die im Speichermittel und im Multiplexer verwendet werden. Auch diese können kleiner und somit rauschärmer und schneller ausgesucht werden, da pro Zeitscheibe weniger Ladungen gespeichert werden müssen.In the image recording system according to the invention, the integration time of the charges and thus the analog signal of each photodiode, that is to say each pixel of the solid-state detector, is advantageously divided into smaller time slices. The time slices are determined by the number of oversampling rates set. This can be chosen arbitrarily, for example 4-fold or 10-fold. The signals stored in the at least one downstream storage means in a manner specific to the time slice are read out of the latter by means of the analog multiplexer and sent as serial analog data signals to the AD converter for digitizing them. Typical integration times are 0.1 ms in a system with an exemplary rotation time of 1 second and an image acquisition rate of 1,000 images at a 10-fold oversampling rate. Through the oversampling multiplex operation, the dynamics The demands on the AD converter are significantly reduced, because the dynamics within the “partial image” recorded in each time slice is significantly lower than that within the entire individual image. A dynamic reduction of 3 bits can be achieved in any case, so that cost-effective AD- Transducers with a dynamic range between 14 and 17 bits can be used. When using multi-line detectors, the simple and inexpensive 14-bit AD converters can be used. Overall, this results in a reduction in the dynamic range in the signal path, which is why analog The same applies to the capacities used in the storage medium and in the multiplexer, which can also be selected to be smaller and thus less noisy and faster, since fewer charges have to be stored per time slice.

Gemäß einer ersten Erfindungsausgestaltung kann insgesamt lediglich ein Multiplexer vorgesehen sein, in den die gesamten im Speichermittel befindlichen pixelbezogenen und zeitscheibenspezifischen Einzelbilddaten ausgelesen werden.According to a first embodiment of the invention overall, only one multiplexer can be provided, in which the total pixel-related and time-slice-specific in the storage means Single image data can be read out.

Alternativ können auch mehrere Multiplexer vorgesehen sein, wobei jeder Multiplexer einer bestimmten Anzahl an Auslesekanälen, über welche das Speichermittel auslesbar ist, zugeordnet ist. Beispielsweise können pro Multiplexer 100 Kanäle zusammengefasst sein. Der Multiplexer arbeitet bevorzugt mit einer Multiplexfequenz > 500 kHz, insbesondere > 1MHZ.Alternatively, several multiplexers can also be provided be, each multiplexer of a certain number of readout channels over which the Memory means is readable, is assigned. For example, per Multiplexer 100 channels be summarized. The multiplexer preferably works with one Multiplexing frequency> 500 kHz, especially> 1MHZ.

Gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung kann dem oder den Analog-Digital-Wandlern – bei Verwendung mehrerer Multiplexer sind bevorzugt auch mehrere AD-Wandler vorgesehen – eine Einrichtung zum Addieren der seriellen Digitalsignale der jeweiligen Einzelbildaufnahmen nachgeschaltet sein. In diesem digitalen Addierer werden die zeitscheibenbezogenen Signale eines Einzelbildes addiert, so dass alle Signale eines Einzelbildes zusammengefasst werden und zu einem ausgebbaren Bild weiterverarbeitet werden können. Anstelle der Einrichtung zum Addieren der Digitalsignale kann dem oder den Analog-Digital-Wandlern auch direkt eine Einrichtung zur Konstruktion der jeweiligen Einzelbildaufnahmen nachgeschaltet sein, die anhand der seriallisierten einzelbildbezogenen Digitalsignale das jeweilige Einzelbild erzeugt. Die zur Bildrekonstruktion erforderliche Einrichtung (Image Reconstruction System) ist in jedem Fall erforderlich, so dass sie bei Verwendung der Einrichtung zum Addieren der Digitalsignale dieser nachgeschaltet ist.According to a further embodiment of the invention can be used with the analog-to-digital converter (s) - when using multiple multiplexers several AD converters are preferably also provided - one device for adding the serial digital signals of the respective single image recordings downstream. The time slice-related are in this digital adder Signals of a single picture are added together, so that all signals of a single picture be summarized and processed into an outputable image can be. Instead of the device for adding the digital signals, the or the analog-digital converters also directly a device for construction of the respective individual image recordings that are based on of the serialized single-frame-related digital signals Single image generated. The facility required for image reconstruction (Image Reconstruction System) is required in any case so that them when using the device for adding the digital signals this is downstream.

Aufgrund des Oversamplings kann es nun vorkommen, dass innerhalb einer Zeitscheibe ein schwaches Analogsignal ansteht. Um dennoch den Dynamikbereich des AD-Wandlers auch diesen niedrigen Signalen ausnutzen zu können hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der oder jeder Multiplexer zum Verstärken der an den Analog-Digital-Wandler auszugebenden Analogsignale ausgebildet ist, oder wenn eine dem gegebenenfalls jeweiligen Multiplexer nachgeschaltete Verstärkereinrichtung zum Verstärken der vom Multiplexer kommenden Analogsignale vorgesehen ist. Durch diese Verstärkungsmöglichkeit ist es vorteilhaft möglich, beliebige Signale entsprechend dem Full-Scale-Bereich des AD-Wandlers aufzuspreizen und diesen zu nutzen. Die Verstärkung erfolgt bevorzugt mit festen Verstärkungsstufen, die abhängig von der Ist-Signalhöhe gewählt werden können. Dabei ist es auch möglich, mehrere Kanäle immer mit der gleichen Verstärkungsstufe zu betreiben, wie auch eine Einzelkanalverstärkung denkbar ist.Because of oversampling, it can now occur that within a time slice a weak analog signal pending. To the dynamic range of the AD converter, however, this too Being able to use low signals has proven to be advantageous proven if the or each multiplexer to amplify the formed analog signals to be output to the analog-digital converter or if one is connected downstream of the respective multiplexer amplifier means for reinforcement the analog signals coming from the multiplexer is provided. By this reinforcement option it is advantageously possible spread any signals according to the full-scale range of the AD converter and use it. The reinforcement is preferably done with fixed gain levels, which depend on the actual signal level to get voted can. It is also possible multiple channels always with the same gain level to operate, as a single channel amplification is also conceivable.

Weiter kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Oversamplingrate variierbar ist. Auch hier sind die Raten stufenartig variierbar, beispielsweise in jeweils ganzzahligen Schritten. Durch Variation der Oversamplingrate kann ebenfalls eine Verstärkung erreicht werden, da hierdurch die Zeitscheiben bei niedrigen Signalen verlängert werden können, so dass pro Zeitscheibe pixelseitig mehr Ladungen generiert werden und insgesamt höhere Signale anstehen.It can further be provided according to the invention that the oversampling rate is variable. Here are the rates can be varied step-by-step, for example in integer steps. A variation can also be achieved by varying the oversampling rate as this will lengthen the time slices for low signals can, so that more charges are generated per time slice on the pixel side and overall higher Pending signals.

Um das System möglichst dynamisch hinsichtlich der Verstärkung zu gestalten hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn eine Einrichtung zur Ermittlung eines benötigten Verstärkungsfaktors vorgesehen ist. Diese Einrichtung arbeitet quasi als „Verstärkungsvorhersage" und ermittelt anhand zeitlich früher liegender Signale bzw. deren Signalhöhe den für die momentane Signalfolge erforderlichen Verstärkungs faktor bzw. die jeweilige Verstärkungsstufe bzw. die Oversamplingrate. Über diese Einrichtung kann dann der Verstärkerbetrieb des Multiplexers bzw. der Verstärkereinrichtung oder aber der Oversamplingbetrieb gesteuert werden. Eine hierfür verwendbare Einrichtung ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 199 36 362.5 beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.To make the system as dynamic as possible of reinforcement it has proven to be particularly advantageous if a device for determining a required gain factor is provided. This facility works as a kind of "gain prediction" and determined earlier based on time lying signals or their signal level for the current signal sequence required gain factor or the respective amplification level or the oversampling rate. about this device can then operate the amplifier of the multiplexer or the amplifier device or the oversampling mode can be controlled. A usable for this Setup is for example in the German patent application 199 36 362.5, to which express reference is hereby made.

Zur Ermöglichung der Ermittlung des Verstärkungsfaktors bzw. der Oversamplingrate ist es erforderlich, dass die diesbezügliche Einrichtung entsprechende Informationen erhält. Zu diesem Zweck kann die Einrichtung zur Ermittlung des Verstärkungsfaktors oder der Oversamplingrate mit der Addiereinrichtung für die Digitalsignale, einer Bildvorverarbeitungseinrichtung und/oder der Einrichtung zur Rekonstruktion der Einzelbildaufnahmen kommunizieren. Denn seitens dieser Einrichtungen liegen jeweils die weiterverarbeitbaren Digitalsignale vor, die in ihrer Stärke bekannt sind, so dass hierüber die jeweilige Verstärkungsstufe, beispielsweise ein Faktor 2, 3, 4 etc. oder aber die relevante Oversamplingrate ermittelt werden können.To enable the determination of the gain or the oversampling rate, it is necessary that the relevant facility receives corresponding information. For this purpose, the device for determining the gain factor or the oversampling rate with the adder for the digital signals, an image preprocessing device and / or the device for Communicate reconstruction of single images. Because on the part of The digital signals that can be further processed are located in each of these devices before that in their strength are known, so about this the respective amplification level, for example a factor of 2, 3, 4 etc. or the relevant oversampling rate is determined can be.

Neben dem Bildaufnahmesystem selbst betrifft die Erfindung ferner ein medizinisches Diagnose- oder Behandlungsgerät, insbesondere einen Computertomographen, umfassend ein Bildaufnahmesystem der vorbeschriebenen Art.In addition to the image recording system itself, the invention also relates to a medical diagnostic or treatment device, in particular one Computer tomographs, comprising an image recording system of the type described above.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:Other advantages, features and details of Invention result from the exemplary embodiment described below and based on the drawings. Show:

1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen medizinischen Diagnose- oder Behandlungsanlage in Form eines Computertomographen, und 1 a schematic diagram of a medical diagnosis or treatment system according to the invention in the form of a computer tomograph, and

2 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Bildaufnahmesystems. 2 a schematic diagram of the image recording system according to the invention.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes medizinisches Behandlungs- oder Diagnosegerät in Form eines Computertomographen 1, mit einem Gerätegehäuse 2 und einer zentralen, hier gestrichelt angedeuteten Patientenaufnahmeöffnung 3, durch die ein auf einer nicht gezeigten Patientenliege ruhender Patient 4 durch das Gerät hindurchbewegt wird. Der Computertomograph 1 umfasst ein Bildaufnahmesystem 5, wie in 2 dargestellt ist. Dieses Bildaufnahmesystem umfasst zum einen eine in 2 nicht gezeigte Röntgenstrahlenquelle 6 sowie einen Festkörperbilddetektor 7. Beide sind einander gegenüberliegend und bezüglich einander lagestabil angeordnet. Sie sind um die zentrale Achse Z drehbar, wie durch die Pfeile A angedeutet ist. Zur Bildaufnahme umkreisen die Strahlungsquelle 6 und der Festkörperdetektor 7 mit hoher Geschwindigkeit den Patienten 4. Die Umdrehungsdauer beträgt ca. 1 Sekunde, kann aber auch geringer sein, beispielsweise 0,5 Sekunden. Während der Rotation wird von der Strahlungsquelle 6 fächerhaft Röntgenstrahlung 8 emittiert. Diese durchdringt den Patienten 4 und trifft auf den Festkörperbilddetektor 7. Dieser weist eine Vielzahl von Photodioden auf, die arrayartig angeordnet sind. In einer einfachen Ausführung ist lediglich eine Diodenzeile vorgesehen, die aus vielen nebeneinander angeordneten Photodioden besteht. Alternativ dazu ist es auch möglich, mehrere parallele Zeilen mit entsprechend vielen Photodioden zu realisieren. Photodiodenseitig wird aufgrund der einfallenden Röntgenquanten Ladung generiert. Während einer Umdrehung um den Patienten 4 werden sehr viele Einzelbilder in schneller Abfolge nacheinander aufgenommen, beispielsweise 1.000 einzelne Bilder. Zu jedem Einzelbild werden die Ladungen in einem nachfolgend noch beschriebenen Verfahren mittels einer entsprechenden elektronischen Ausleseeinheit 9 des Bildaufnahmesystems ausgelesen und bearbeitet. Mittels einer geeigneten Bildverarbeitungseinheit 10 werden aus diesen vorverarbeiteten Daten entsprechende Bilder erzeugt und rekonstruiert, die an einem Monitor 11 ausgegeben werden. 1 shows an inventive medical treatment or diagnostic device in the form of a computer tomograph 1 , with a device housing 2 and a central patient admission opening, indicated here by dashed lines 3 , through which a patient resting on a patient bed, not shown 4 is moved through the device. The computer tomograph 1 includes an image acquisition system 5 , as in 2 is shown. On the one hand, this image recording system comprises an in 2 X-ray source, not shown 6 and a solid-state image detector 7 , Both are located opposite one another and are stable in relation to one another. They can be rotated about the central axis Z, as indicated by the arrows A. Orbit the radiation source for image acquisition 6 and the solid state detector 7 the patient at high speed 4 , The rotation time is approximately 1 second, but can also be less, for example 0.5 seconds. During the rotation is from the radiation source 6 fan-shaped x-rays 8th emitted. This penetrates the patient 4 and hits the solid-state image detector 7 , This has a large number of photodiodes which are arranged in an array. In a simple embodiment, only one row of diodes is provided, which consists of many photodiodes arranged side by side. Alternatively, it is also possible to implement several parallel lines with a corresponding number of photodiodes. On the photodiode side, charge is generated due to the incident X-ray quanta. During one turn around the patient 4 a large number of individual images are recorded in quick succession, for example 1,000 individual images. The charges are added to each individual image in a method described below using a corresponding electronic readout unit 9 the image acquisition system is read out and edited. Using a suitable image processing unit 10 Corresponding images are generated and reconstructed from this preprocessed data, which on a monitor 11 be issued.

2 zeigt in Form einer detaillierteren Prinzipskizze den Aufbau eines erfindungsgemäßen Bildaufnahmesystems. Dieses umfasst im Wesentlichen den Festkörperbilddetektor 7 sowie – unter Bezugnahme auf 1 – die Komponenten 9, 10 und 11. 2 shows in the form of a more detailed schematic diagram the structure of an image recording system according to the invention. This essentially includes the solid-state image detector 7 and - with reference to 1 - the components 9 . 10 and 11 ,

Gezeigt ist der Festkörperbilddetektor 7 in Form einer Prinzipskizze. Dieser besteht aus einer Vielzahl von Photodioden, die nach Art eines Arrays in n-Zeilen und m-Spalten angeordnet sind. Gezeigt sind drei Zeilen mit jeweils sechs Photodioden 12, also insgesamt sechs Spalten. Es bleibt darauf hinzuweisen, dass natürlich wesentlich mehr Zeilen realisierbar sind, wie auch jede Zeile über wesentlich mehr Spalten bzw. Photodioden verfügt. Denkbar sind beispielsweise sechszehn Zeilen à 1.000 Photodioden.The solid-state image detector is shown 7 in the form of a schematic diagram. This consists of a large number of photodiodes, which are arranged in the manner of an array in n rows and m columns. Three rows are shown, each with six photodiodes 12 , a total of six columns. It should be pointed out that, of course, significantly more rows can be implemented, as each row also has significantly more columns or photodiodes. For example, sixteen rows of 1,000 photodiodes are conceivable.

Dem Festkörperbilddetektor 7 ist eine Speichereinrichtung 13 nachgeschaltet. Bei dieser handelt es sich um einen Sample & Hold-Speicher, in den die in den einzelnen Photodioden 12 aufgrund des Einfalls von Röntgenquanten generierten Ladungen ausgelesen und gespeichert werden. Sämtliche Photodioden 12 einer Zeile sind über einen Kanal 14 mit dem Speichermittel 13 verbunden. Das Auslesen erfolgt über nicht nähergezeigte Operationsverstärker, die zwischengeschaltet sind. Im Speichermittel 13 werden die aus den Photodioden 12 ausgelesenen Signale zeilen- und spaltenbezogen abgelegt.The solid-state image detector 7 is a storage device 13 downstream. This is a sample & hold memory, in which the in the individual photodiodes 12 charges generated due to the incidence of X-ray quanta are read out and stored. All photodiodes 12 a line are across a channel 14 with the storage medium 13 connected. The reading takes place via operational amplifiers, not shown, which are interposed. In the storage medium 13 are those from the photodiodes 12 read signals are stored row and column related.

In das Speichermittel 13 sind die Diodeninformationen unter Verwendung der Operationsverstärker im Oversamplingbetrieb ablegbar. Im Rahmen dieses Oversamplings wird die Zeit, die insgesamt für eine Einzelbildaufnahme zur Verfügung steht, in mehrere von der Oversamplingrate abhängige Zeitscheiben unterteilt. Z.B. beträgt bei einer Bildaufnahmeanrate von 1.000/Umdrehung und einer Umdrehungszeit von 1 Sekunde die Zeit pro Einzelbildaufnahme 1 ms. Beträgt die Oversamplingrate beispielsweise „10", so wird die 1 ms in zehn Zeitscheiben à 0,1 ms aufgeteilt und innerhalb jeder Zeitscheibe die bis dato in den Photodioden generierten Ladungen ausgelesen und im Speichermittel 13 zeitscheibenbezogen abgelegt. Es werden also zu jedem Einzelbild abhängig von der Oversamplingrate Teileinzelbilder in Form der Teilsignale aufgenommen und abgelegt.In the storage medium 13 the diode information can be stored using the operational amplifier in oversampling mode. In the context of this oversampling, the time which is available overall for a single image recording is divided into a plurality of time slices which are dependent on the oversampling rate. For example, with an image acquisition rate of 1,000 / revolution and a rotation time of 1 second, the time per image acquisition is 1 ms. If the oversampling rate is, for example, "10", the 1 ms is divided into ten time slices of 0.1 ms each and within each time slice the charges generated up to now in the photodiodes are read out and in the storage medium 13 filed according to time slices. Depending on the oversampling rate, partial individual images are thus recorded and stored in the form of the partial signals for each individual image.

Dem Speichermittel 13 ist ein Multiplexer 15 nachgeschaltet. Dieser ist mit dem Speichermittel 13 über n × m Auslesekanäle 23 verbunden. Aus dem Speichermittel 13 werden alle Speicherplätze einer Zeitscheibe gemeinsam in den Multiplexer ausgelesen. Dort erfolgt das Multiplexen, d.h., es werden die ausgelesenen Analogsignale in serielle Signale umgesetzt. Vom Multiplexer 15 werden die seriellen Analogsignale an den Analog-Digital-Wandler 16 gegeben, der die Analogsignale in Digitalsignale wandelt. Der im gezeigten Beispiel eingesetzte Analog-Digital-Wandler 16 kann eine Auflösung bzw. Bit-Breite von 14 Bit besitzen. Ein solcher Wandler besitzt im Hinblick auf das erfindungsgemäß vorgenommene Oversampling sowie den Einsatz eines Mehrzeilendetektors eine hinreichende Dynamik. Die Anforderungen an den AD-Wandler sind folglich aufgrund des Oversamplings nicht mehr so hoch wie im Stand der Technik, weshalb kostengünstigere elektronische Bausteine verwendet werden können. Dies gilt auch betreffend die Kapazitäten des Speichermittels und des Multiplexers, die kleiner und somit rauschärmer und schneller ausgesucht werden können, da weniger Ladung pro Speicherschritt aufgrund des Oversamplings abgespeichert werden müssen.The storage medium 13 is a multiplexer 15 downstream. This is with the storage medium 13 over n × m readout channels 23 connected. From the storage medium 13 all memory locations of a time slice are read out together in the multiplexer. Multiplexing takes place there, ie the read analog signals are converted into serial signals. From the multiplexer 15 the serial analog signals to the analog-to-digital converter 16 given that converts the analog signals into digital signals. The analog-to-digital converter used in the example shown 16 can have a resolution or bit width of 14 bits. With regard to the oversampling carried out according to the invention and the use of a multi-line detector, such a converter has sufficient dynamics. As a result of the oversampling, the requirements for the AD converter are no longer as high as in State of the art, which is why cheaper electronic components can be used. This also applies to the capacities of the storage medium and the multiplexer, which can be selected to be smaller and thus less noisy and faster, since less charge has to be stored per storage step due to the oversampling.

Dem Analog-Digital-Wandler 16 ist eine Einrichtung zum digitalen Addieren der einzelbildbezogenen, zeitscheibenspezifischen Digitalsignale nachgeordnet. In dieser Einrichtung werden also die Digitalsignale der Zeitscheiben, die zu einem Einzelbild gehören, aufsummiert, so dass sämtliche Einzelbilddaten wieder zusammengeführt sind. In einer nachgeschalteten Einrichtung zur Bildvorverarbeitung 18 werden diese Daten dann vorverarbeitet und von dieser an eine Einrichtung 19 zur Bildrekonstruktion (Image Reconstruction System) gegeben, in welcher die ausgebbaren Einzelbilder des Unter suchungspatienten rekonstruiert werden, die dann an einem Monitor 11 ausgegeben werden.The analog-digital converter 16 is a device for digitally adding the frame-related, time slice-specific digital signals. In this device, the digital signals of the time slices that belong to a single image are summed up, so that all the individual image data are brought together again. In a downstream device for image preprocessing 18 this data is then preprocessed and from there to a facility 19 given for image reconstruction (Image Reconstruction System), in which the outputable individual images of the examination patient are reconstructed, which are then displayed on a monitor 11 be issued.

Gezeigt ist ferner eine Einrichtung 20 zur Ermittlung eines Verstärkungsfaktors für die dem Analog-Digital-Wandler 16 zuzuführenden Analogsignale sowie zur Ermittlung einer Oversamplingrate. Hierzu erhält die Einrichtung 20 Informationen von der Einrichtung zum Addieren der digitalen Signale 17, der Vorverarbeitungseinrichtung 18 und/oder der Einrichtung zur Bildrekonstruktion 19. Eine Verstärkung dient zur Ausnutzung des Dynamikbereichs des Analog-Digital-Wandlers 16, wenn die aufgenommenen Analogsignale sehr niedrig sind und sich der Dynamikbereich, der sogenannte Full-Scale-Bereich des Wandlers 16 besser ausnutzen lässt. Zu diesem Zweck werden im Rahmen der Ermittlung des Verstärkungsfaktors bzw. der optimierten Oversamplingrate die Signale zeitlich früherer Einzelbildaufnahmen begutachtet und ausgewertet, wobei der zeitliche Abstand zwischen der Auslesung, die zur Ermittlung des Verstärkungsfaktors oder der Oversamplingrate dient, und derjenigen, die verstärkt werden soll oder deren Oversampling variiert werden soll, möglichst klein sein soll. Die Verstärkung bzw. Änderung der Oversamplingrate erfolgt stufenweise. Eine in diesem Zusammenhang verwendbare Einrichtung ist in der deutschen Patentanmeldung 199 36 362.5 beschrieben, auf welche ausdrücklich Bezug genommen wird.A facility is also shown 20 to determine a gain factor for the analog-to-digital converter 16 Analog signals to be supplied and for determining an oversampling rate. For this, the facility receives 20 Information from the device for adding the digital signals 17 , the preprocessing device 18 and / or the device for image reconstruction 19 , A gain serves to utilize the dynamic range of the analog-digital converter 16 when the recorded analog signals are very low and the dynamic range, the so-called full-scale range of the converter 16 better exploited. For this purpose, as part of the determination of the amplification factor or the optimized oversampling rate, the signals of earlier individual image recordings are examined and evaluated, the time interval between the readout, which is used to determine the amplification factor or the oversampling rate, and that which is to be amplified or whose oversampling should be varied, should be as small as possible. The oversampling rate is amplified or changed in stages. A device that can be used in this context is in the German patent application 199 36 362.5, to which express reference is made.

Was die Verstärkung der Analogsignale angeht, so kann diese einerseits direkt im Multiplexer 15 erfolgen, d.h., dieser besitzt eine entsprechende integrierte Verstärkereinrichtung. Alternativ kann auch eine separate Verstärkereinrichtung 21 vorgesehen sein, die mit der Einrichtung 20 kommuniziert und welche über die Einrichtung 20 gesteuert wird.As far as the amplification of the analog signals is concerned, this can be done directly in the multiplexer 15 take place, ie, this has a corresponding integrated amplifier device. Alternatively, a separate amplifier device can also be used 21 be provided with the facility 20 communicates and what about the facility 20 is controlled.

Zur Änderung der Oversamplingrate ist eine den Oversamplingbetrieb steuernde Einrichtung 22 vorgesehen, die ebenfalls mit der Einrichtung 20 kommuniziert und welche über diese gesteuert wird. Sind beispielsweise seitens der Einrichtung 20 sehr niedrige zeitlich frühere Signale erkannt worden, so kann eine niedrigere Oversamplingrate, beispielsweise anstelle eines 10-fachen Oversamplings nun ein 4-faches Oversampling, eingestellt werden, was dazu führt, dass die Integrationszeit pro Zeitscheibe (die natürlich stets gleich groß sind) länger wird, so dass sich mehr Ladungen ansammeln können, was letztlich zu einer Verstärkung und Verbesserung der Dynamik führt.A device that controls the oversampling operation is used to change the oversampling rate 22 also provided with the facility 20 communicates and which is controlled via this. For example, on the part of the institution 20 If very low signals were detected in earlier times, a lower oversampling rate, for example a 4-fold oversampling instead of a 10-fold oversampling, can be set, which means that the integration time per time slice (which are of course always the same size) becomes longer , so that more charges can accumulate, which ultimately leads to an increase and improvement of the dynamics.

Abschließend bleibt darauf hinzuweisen, dass entweder ein gemeinsames Speichermittel 13 für alle Festkörperdetektorzeilen und -spalten vorgesehen ist, oder dass mehrere separate Speichermittel vorgesehen sind, innerhalb welchen jeweils eine bestimmte Anzahl an Detektorzeilen zusammengefasst ist. Entsprechend ist zu jedem verwendeten Speichermittel 13 ein eigener Multiplexer 15 vorgesehen. Speichermittel und Multiplexer sind bevorzugt in einem gemeinsamen Silizium-Bauteil realisiert.In conclusion, it should be pointed out that either a common storage medium 13 is provided for all solid-state detector rows and columns, or that several separate storage means are provided, within each of which a certain number of detector rows are combined. Corresponding to each storage medium used 13 its own multiplexer 15 intended. Storage means and multiplexers are preferably implemented in a common silicon component.

Anstelle der Einrichtung 17 zum Addieren der digitalen Signale kann auch direkt die Vorverarbeitungseinrichtung 18 bzw. die Einrichtung zur Rekonstruktion der Einzelbildaufnahme dem Analog-Digital-Wandler 16 nachgeschaltet sein.Instead of the facility 17 the preprocessing device can also directly add the digital signals 18 or the device for the reconstruction of the single image recording the analog-digital converter 16 downstream.

Claims

Image recording system for a medical diagnostic or treatment device, in particular a computer tomograph, comprising a solid-state image detector with a plurality of photodiodes arranged in the manner of an array, and a plurality of channels for reading out charges generated in the photodiodes as analog signals, and at least one analog-to-digital converter for converting one Analog signal into a signal that can be further processed to generate an outputable image, with several individual images being taken rapidly in succession within an image acquisition cycle and the charges being read out for each individual image acquisition, at least one of the solid-state image detector ( 7 ) downstream storage medium ( 13 ) is provided, in which the charges of each single image recording are read out and stored in several successive readout steps in oversampling mode, and at least one of the storage means ( 13 ) downstream multiplexer ( 15 ) is provided, which the storage means ( 13 ) reads in multiplex mode.

Image recording system according to claim 1, characterized in that a plurality of multiplexers ( 15 ) are provided, each multiplexer ( 15 ) a certain number of readout channels ( 14 ), via which the storage medium ( 13 ) can be read out, is assigned.

Image recording system according to claim 1 or 2, characterized in that a multiplexer ( 15 ) is provided with a multiplex frequency> 500 kHz, in particular> 1 MHz.

Image recording system according to one of the preceding claims, characterized in that the analog-digital converter ( 16 ) An institution ( 17 ) for adding the digital signals of the respective single image recording.

Image recording system according to one of the preceding claims, characterized in that the analog-digital converter ( 16 ), or, if applicable, the facility ( 17 ) a device for adding the digital signals ( 19 ) is connected downstream for the reconstruction of the respective single image recording.

Image recording system according to one of the preceding claims, characterized in that the or each multiplexer ( 15 ) to amplify the to the analog-digital converter ( 16 ) analog signals to be output, or that one of the respective multiplexer ( 15 ) downstream amplifier device ( 21 ) to amplify the multiplexer ( 15 ) coming analog signals is provided.

Image recording system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the oversampling rate is variable.

Image recording system according to claim 7 or 8, characterized in that a device ( 20 ) is provided for determining a required amplification factor or the oversampling rate.

Image recording system according to claim 8, characterized in that the device for determining the gain factor or the oversampling rate with the device ( 17 ) for adding the digital signals, an image preprocessing device ( 18 ) and / or the facility ( 19 ) communicated for the reconstruction of the single image recording.

Medical diagnostic or treatment device, in particular a computer tomograph, comprising an image recording system according to one of claims 1 to 9th