DE3531448A1

DE3531448A1 - Roentgen-bilderfassungsgeraet

Info

Publication number: DE3531448A1
Application number: DE19853531448
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Tochigi Iinuma; Masayuki Ootawara Tochigi Nishiki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-09-03
Filing date: 1985-09-03
Publication date: 1986-03-13
Also published as: US4689487A; DE3531448C2

Description

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Die Erfindung betrifft ein Radiographie- oder Röntgen-Bilderfassungsgerät, um einen Patienten zwecks Erfassung eines Röntgenbilds von ihm bei der Strahlungsdiagnose oder -untersuchung einer Strahlung auszusetzen.

Fig. 1 veranschaulicht ein bisheriges Röntgen-Bilderfassungsgerät zur Erfassung (detects) eines Röntgenbilds unter Verwendung eines Bildverstärkers und einer Abbildungsröhre. Mittels einer Röntgenröhre 4 wird ein Patient 2 nach Maßgabe eines Betriebssignals von einer Röntgensteuereinheit 12 mit Röntgenstrahlung bestrahlt. Die durch den Patienten übertragene Röntgen-Strahlung wird auf einen Bildverstärker 6 geworfen, der ein Übertragungsröntgenbild erfaßt oder abgreift, dieses Röntgenbild in ein optisches Bild umwandelt und letzteres zu einer Abbildungsröhre 10, z.B. einem Vidicon, über ein optisches System 8 überträgt. Die Abbildungsröhre 10 wandelt das optische Bild in ein analoges Fernseh- oder Videosignal (elektrisches Zeitreihensignal) um, das durch einen A/D-Wandler 18 in ein Digitalsignal umgesetzt wird. Letzteres wird dann einem Bildspeicher 16 zugeführt. Der Speicher 16 bewirkt eine Zwischenspeicherung des digitalen Videosignals, und er liefert die Speicherdaten zu einer Bildverarbeitungseinheit 14, sooft eine vorbestimmte Datenmenge in ihm abgespeichert ist. Die Einheit 14 führt eine digitale Bildverarbeitung, wie digitale Subtraktion, aus. Das von der Einheit 14 erzeugte Digitalsignal wird durch einen D/A-Wandler 2 0 in ein Analogsignal umgesetzt und dann einem Fernseh-Monitor 22 zugeführt, um auf diesem wiedergegeben zu werden.

Das bisherige Röntgen-Bilderfassungsgerät unter Verwendung des Bildverstärkers und der Abbildungsröhre ist jedoch mit den folgenden Mängeln behaftet:

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1. Da der Bildverstärker eine Vakuumröhre mit eingebauter Elektronenlinse umfaßt, ist es aufgrund seines Aufbaus schwierig, das Erfassungs- oder Meß-Gesichtsfeld (Bildwinkel) zu erweitern. Beispielsweise besitzt ein maximales Meß-Gesichtsfeld des Bildverstärkers eine Größe von 30 cm (12 Zoll), und seine Form ist auf eine Kreisform beschränkt.

2. Da der Bildverstärker eine Vakuumröhre mit konvexer oder konkaver Oberfläche umfaßt, tritt im Ausgangsbild eine kissenförmige Verzeichnung auf. Selbst wenn ein Objekt eines gleichmäßigen Absorptionsvermögens (absorbency) abgebildet wird, ist die Dichteverteilung eines Ausgangsbilds nicht gleichmäßig, und in einem Umfangsbereich des Bilds tritt eine sog. Bildabschattung auf.

3. Da die Abbildungsröhre einen schmalen Dynamikbereich aufweist, kann sie nicht für sowohl Durchleuchtung als auch Radiographie eingesetzt werden. Aufgrund ihres engen Dynamikbereichs besitzt die Abbildungsröhre zudem einen kleinen Rauschabstand (Signal/Rauschen-Verhältnis).
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Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines kompakt gebauten, leichten Radiographie- oder Röntgen-Bilderfassungsgeräts eines weiten Dynamikbereichs und eines weiten Gesichtsfelds (Bildwinkels), bei dem ein Ausgangsbild keine Verzeichnung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist ein Röntgen-Bild-

erfassungsgerät zur Erfassung (detects) eines zweidimensionalen Bilds der durch einen Patienten übertragenen Strahlung, umfassend eine Strahlung/Licht-

wandlereinheit zum Umwandeln der Strahlung in Licht und zur Erzeugung eines optischen Bilds, wenn sie mit einem Radiographie- oder Röntgenbild bestrahlt wird, eine Lichtdetektoreinheit mit einem Halbleiter zum Umwandeln von Licht in ein elektrisches Signal, in welcher das optische Bild mit praktisch derselben Vergrößerung aufgestrahlt wird und das optische Bild als zweidimensionales Bilddatensignal ausgelesen wird, und eine Bildverarbeitungsexnheit zur Wiedergabe eines Bilds nach Maßgabe des von der Lichtdetektoreinheit gelieferten Bilddatensignals.

Im Vergleich zu einem bisherigen Gerät unter Verwendung eines Bildverstärkers und einer Abbildungsröhre kann das erfindungsgemäße Gerät ein weites Gesichtsfeld oder einen großen Bildwinkel aufweisen und zudem kompakt und leicht gebaut sein. Erfindungsgemäß kann eine Bildverzeichnung verhindert und der Dynamikbereich (Aussteuerbereich) von 60 dB (beim bisherigen Gerät) auf 80 dB erweitert werden. Wenn zudem als Lichtdetektoreinheit eine Photozelle verwendet wird, ein Kondensator parallel zur Photozelle angeordnet ist und der Kondensator mittels eines Schalters mit der Photozell.e verbindbar und von ihr trennbar ist, kann die Röntgen-Bilderfassung sowohl in einem Röntgen-Durchleuchtungsmodus als auch in einem Röntgen-Radiographiemodus mit einer Dosis entsprechend dem 100-fachen derjenigen im Röntgen-Durchleuchtungsmodus durchgeführt werden. Wenn ein Lichtverstärker variabler Verstärkung zwischen der Strahlung/Lichtwandlereinheit und der Lichtdetektoreinheit angeordnet ist, kann die Röntgenerfassung sowohl im Röntgen-Durchleuchtungsals auch im -Radiographiemodus erfolgen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bisherigen Röntgen-Bilderfassungsgeräts,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines (Röntgen-Bilder-

fassungs-)Geräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische perspektivische Dar- IQ stellung eines Lichtdetektors beim Gerät

nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch den Lichtdetektor,
Fig. 5 ein Schaltbild des Lichtdetektors,

Fig. 6 ein Schaltbild einer Bildverarbeitungseinheit,

Fig. 7 ein Schaltbild eines Lichtdetektors bei

einem Gerät gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 ein Schaltbild einer Abwandlung des Lichtdetektors nach Fig. 7,

Fig. 9 eine Darstellung eines Lichtverstärkers bei einem Gerät gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 10 eine Darstellung einer Abwandlung des Licht-

yerstärkers nach Fig. 9.

Fig. 1 ist eingangs bereits erläutert worden.

Fig. 2 veranschaulicht ein Röntgen-Bilderfassungsgerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei den

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Teilen von Fig. 1 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet sind. Mittels einer Röntgenröhre 4 wird ein Patient 2 nach Maßgabe eines Betriebssignals von einer Röntgensteuereinheit 12 einer Röntgenstrahlung ausgesetzt. Unter der Röntgenröhre 4 ist eine Liege 24 aus einem für Röntgenstrahlung durchlässigen Werkstoff angeordnet. An der Unterseite der Liege 24 befindet sich ein rechteckiges Leuchtstoffelement 30 eines weiten Gesichtsfelds oder Bildwinkels mit einer Größe von 40 χ 40 cm. Unter dem Element 30 ist, mit ersterem in Berührung stehend, ein Lichtleitelement 32 angeordnet, unter dem wiederum, mit ihm in Berührung stehend, ein Halbleiter-Lichtdetektor 34 vorgesehen ist. Ein auf das Element 30 praktisch innerhalb seines gesamten Gesichtsfelds aufgestrahltes Röntgenbild wird über das Element 32 dem Lichtdetektor 34 eingegeben und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Lichtdetektor 34 erzeugt ein Licht-Erfassungs- oder -Meßsignal (detection signal) entsprechend einer Dosis der übertragenen oder durchgelassenen Röntgenstrahlung in bezug auf die jeweiligen Meßpositionen des zweidimensionalen Gesichtsfelds auf Zeitreihenbasis. Das Licht-Erfassungs- oder -Meßsignal wird durch einen A/D-Wandler 18 in ein Digitalsignal umgesetzt und dann einem Bildspeicher 16 eingespeist. Letzterer bewirkt eine Zwischenspeicherung des digitalen Fernseh- oder Videosignals, und sooft eine vorbestimmte Datenmenge in ihm (ab)gespeichert ist, liefert er die Speicherdaten zu einer Bildverarbeitungseinheit 14, durch welche die Daten einer digitalen Bildverarbeitung, etwa einer digitalen Subtraktion, unterworfen werden. Das Ausgangssignal der Einheit 14 wird durch einen D/A-Wandler 20 in ein Analogsignal umgewandelt und zu einem Fernseh-Monitor 22 geliefert, um auf diesem wiedergegeben zu werden.

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Das Leuchtstoffelement 30 kann in der Weise gebildet werden, daß ein sog. sensitivierter oder monokristalliner Szintillator (z.B. CsI:Tl), durch Ankleben eines Leuchtstoffpulvers mit Hilfe eines Klebmittels als Bindemittel erhalten, in einer Säulenform angeordnet wird.

Als Lichtleitelement 32 kann ein dünnes, plattenförmiges (Lichtleit-)Faserbündel benutzt werden, wobei das Lichtleitfaserbündel in einer Richtung senkrecht zu seiner Längsrichtung geschnitten (sliced) ist. Als Lichtleitelement 32 kann (auch) eine Stablinsenanordnung, in welcher sog. SELFOC-Linsen bzw. selbstfokussierende Linsen gebündelt sind, verwendet werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß das Leuchtstoffelement 30 ohne Zwischenfügung des Elements 32 unmittelbar mit dem Detektor 34 in Berührung stehen kann. Wenn jedoch das Element 30 und der Detektor 34 auf das EIement 32 als Basis oder Träger aufgetragen sind, kann eine Änderung der Dichteverteilung aufgrund einer Änderung der Umgebungsbedingungen verhindert werden, wodurch die Stabilität gegenüber einer Temperaturänderung verbessert wird. Es ist nicht wünschenswert, diese Elemente miteinander zu verkleben. Bei einer Temperaturänderung ändert sich in diesem Fall nämlich die Lichtdurchlässigkeit in den Klebmittelschichten infolge unterschiedlicher Wärmedehnungskoeffizienten dieser Elemente, was in einer mangelhaften Meß- oder Erfassungsgenauigkeit resultiert.

Im folgenden ist der Lichtdetektor 34 anhand der Fig. 3 bis 5 im einzelnen erläutert. Der Lichtdetektor 34 besitzt ein Gesichtsfeld oder einen Bildwinkel von 40 χ 40 cm, wobei ein isolierender Träger 38 eine rechteckige Form größerer Abmessungen als z.B. 40 χ 40 cm aufweist. Auf dem Träger 38 ist eine Gesamtzahl

von 4.000.000 jeweils 0,2 χ 0,2 mm großer Bildzellen

(pixels) C₁^₁, e_lf2' ^ei,3' ' ^el,1999' ^el,2000'

^e2,l' ^e2,2' ^e2,3^/···" ^e2,1999' ^e2,2000' ' ^e2000,l

^e2000,2 ' ^e2000,3' '^e2000,1999 ^{Und e}2000,2000 ^zwei"

dimensional in 2.000 Zeilen χ 2.000 Spalten angeordnet. In jeder Bildzelle e sind eine Photozelle 40 und ein MOS-Schalter 44 vorgesehen. Obgleich gemäß Fig. 3 die Photozelle 40 und der Schalter 44 als in derselben Ebene angeordnet dargestellt sind, werden sie in der Praxis unter Anwendung eines Dünnschicht-Transistors (TFT) 44a o.dgl. gestapelt bzw. übereinander angeordnet, um die Lichtempfangsoberfläche der Photozelle, wie in Fig. 4 dargestellt, möglichst groß zu gestalten. Da auf diese Weise der Abstand zwischen zwei benachbarten Zellen verkürzt und die Lichtempfangsoberfläche vergrößert werden können, wird die Lichtempfindlichkeit verbessert.

Jede Photozelle ist aus einem Halbleiter gebildet. Im Fall eines großen Gesichtsfelds (field of view) von ζ.Β* 40 χ 40 cm bei der dargestellten Ausführungsform ist es schwierig, eine solche Photozelle aus einem monokristallinen Werkstoff herzustellen. Aus die seat-Grand wird für die Ausbildung der Photozelle ein polykristallines oder amorphes Material verwendet. Als Photozellenmaterial kann beispielsweise amorphes Silizium verwendet werden. Bei Verwendung eines Halbleiters als Photozelle wird zwischen deren Elektroden ein Kondensator gebildet. Der Lichtdetektor wird daher so ausgestaltet, daß gemäß Fig. 5 (jeweils) ein Kondensator 42 zu jeder Photozelle 40 parallelgeschaltet ist.

In jeder der Bildzellen e, , , e, ₀, e, ,,....,

1,1 1,^ J-(J

^el 1999 ^{und e} 1 2000 ^^{n der ersten Ze}ü^e sind jeweils eine Vorspannungs-Stromquelle 48, die Parallelschal-

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tung aus der Photozelle 40 und dem Kondensator sowie die Source-Elektrode des MOS-Schalters 44 in Reihe geschaltet. Die Drain-Elektrode jedes MOS-Schalters 44 ist mit der Source-Elektrode eines MOS-Schalters 46 verbunden. Die Gate-Elektroden der 2.000 Schalter 44 sind an entsprechende Kanäle eines Spalten-Schieberegisters 52 angeschlossen.

Die Drain-Elektrode des Schalters 46 ist über einen Verstärker 54 mit einer Ausgangsklemme verbunden. Die Gate-Elektrode des Schalters 46 ist an den ersten Kanal eines Zeilen-Schieberegisters 50 angeschlossen.

In jeder der Bildzellen (pixels) e₂ , , e„ „, e_ .,,..., ^e2 1999 ^un<^ ^e 2 2000 ^^{er zwe}i^ten Zeile sind die Gate-Elektroden der 2.000 MOS-Schalter 44 mit entsprechenden Kanälen des Schieberegisters 52 verbunden, während ihre Drain-Elektroden an den zweiten Kanal des Schieberegisters 50 angeschlossen sind. Die Bildzellen in den anderen Zeilen besitzen dieselbe Anordnung, wie sie vorstehend beschrieben ist.

Nachstehend ist die Arbeitsweise des Röntgen-Bilderfassungsgeräts mit der erläuterten Anordnung näher beschrieben. Wenn die Röntgenröhre 4 Röntgenstrahlung emittiert, durchdringt diese den Patienten 2 und fällt auf das Leuchtstoffelement 30. Letztere wandelt das Röntgenbild in ein optisches Bild um, das durch das Lichtleitelement 32 mit demselben Vergroßerungsmaßstab zum Lichtdetektor 34 geleitet wird. In jeder Bildzelle e wird bei geschlossenem MOS-Schalter 44 die Vorspannung an den Kondensator 42 angelegt. Der Kondensator 42 wird dabei auf die zwischen seinen Klemmen oder Anschlüssen liegende Spannung aufgeladen. (Dies bedeutet, daß der MOS-Schalter 44 auf Massepotential gehalten wird.) Daraufhin öffnet der MOS-Schalter 44.

Wenn anschließend die Photozelle 40 mit Licht in einer Menge entsprechend der Dosis der Röntgenstrahlung beaufschlagt wird, verlagern sich Ladungsträger, deren Z'-.hl dieser Lichtmenge entspricht, in den Kondensator .2. Dabei wird ein Teil der im Kondensator 42 gesammelten Ladung entladen. Nach der Beaufschlagung mit Licht speichert daher der Kondensator 42 die elektrische Ladung, welche die Differenz zwischen seiner Zwischenklemmen-Spannung (inter-terminal voltage) und der Spannung entsprechend der Menge des einfallenden Lichts darstellt. Die dem MOS-Schalter 44 benachbarte Seite dieses Kondensators wird demzufolge nun auf einem Potential gehalten, das niedriger ist als das Massepotential des MOS-Schalters 44. Nach der Bestrahlung mit Licht werden demzufolge im Kondensator 42 Ladungen gespeichert, die um eine Größe entsprechend der Lichtmenge verkleinert sind. Die Schieberegister 50 und 52 bewirken das sequentielle Schließen der Schalter 44 und 46, so daß die von der externen elektrischen Quelle oder Stromquelle über den Verstärker 54 gelieferte elektrische Ladung im Kondensator 42 gespeichert wird. Sodann wird diese elektrische Ladung, d.h. das Ausgangssignal jeder BiIdzelle, durch eine nicht dargestellte Meß- oder Detektorvorrichtung erfaßt.

Im Lichtdetektor 34 aktiviert, mit anderen Worten, das Schieberegister 50 die an die Bildzellen e, ,,...,

J- / J-

e, 2000 ^ⁿ ^^{er ersten} Zeile angeschlossenen Schalter 46 in der Weise, daß diese Bildzellen mit dem Verstärker 54 verbunden werden. Sodann tastet das Schieberegister 52 jede Bildzelle (Photozelle 40) der ersten Zeile ab, und es liefert sequentiell elektrische Ladungen von der äußeren oder externen Stromquelle über den Verstärker 54 zu den Bildzellen e.^ ^,
...., e, οπαπ· Diese elektrischen Ladungen werden

JL /UUU

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durch den Verstärker 54 verstärkt und als Zeitreihensignale erzeugt oder geliefert. Das Schieberegister 50 wird (daraufhin) auf den zweiten Kanal umgeschaltet, um die Bildzellen der zweiten Zeile mit dem Verstärker 54 zu verbinden. Hierauf tastet das Schieberegister 52 die Photozellen der zweiten Zeile ab, und es liefert sequentiell die elektrischen Ladungen über den Verstärker 54. Das Umschalten durch die Schieberegister 50 und 52 wird wiederholt, um damit Signale aus allen Bildzellen auszulesen.

Diese elektrischen Signale werden durch den Verstärker 54 verstärkt und dann durch den A/D-Wandler 18 in Digitalsignale umgewandelt. Anschließend werden die Digitalsignale in Zeitreihenform (time serial manner) zum Speicher 16 übertragen und in diesem gespeichert.

Wenn der Speicher 16 eine vorbestimmte Datenmenge speichert, liefert er die Speicherdaten zur Bildverarbeitungseinheit 14, welche dann entsprechende Verarbeitungen, wie Filtern, Mittelwertbildung und digitale Subtraktion, ausführt. Fig. 6 veranschaulicht in Blockschaltbildform ein Beispiel für die Bildverarbeitungseinheit 14. Die Daten vom Speicher 16 werden durch einen Wähler (SEL) 56 in Maskenbilddaten und Kontrastbilddaten getrennt. Die Maskenbilddaten werden in einem Pufferspeicher 58 abgespeichert, während die Kontrastbilddaten in einem Pufferspeicher 60 abgespeichert werden. Diese Daten werden durch eine Subtrahierstufe 62 einer Subtraktion zur Bildung eines Kontrastbilds unterworfen. Die resultierenden Daten werden durch eine Bildverbesserungs- oder -verstärkungsschaltung (IEC) 64 einer Verarbeitung, wie Raumfilterung, unterworfen. Hierauf werden die Bilddaten dem D/A-Wandler 2 0 eingespeist. Diese Operationen werden durch eine nicht dargestellte Systemsteuereinheit synchronisiert.

Die durch den D/A-Wandler 20 in ein Analogsignal umgesetzten Bilddaten werden zum Fernseh-Monitor 22 übertragen und auf dessen Bildschirm wiedergegeben.
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Da beim Gerät mit dem beschriebenen Aufbau ein Bild mit derselben Vergrößerung wie derjenigen eines durch den Patienten hindurch übertragenen Röntgenbilds auf den Lichtdetektor aufgestrahlt wird, kann im Vergleich zum bisherigen Gerät unter Verwendung des Bildverstärkers und der Abbildungsröhre ein weites Gesichtsfeld erzielt werden, wobei die Anordnung insgesamt einen kompakten Aufbau erhält. Da keine Vakuumröhre verwendet wird, kann keine Bildverzeichnung auftreten, während ein weiter Dynamikbereich erzielbar ist.

Im folgenden ist eine andere Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Dabei sind zwei Röntgen-Bilderfassungsbetriebsarten vorgesehen, nämlich ein Durchleuchtungsmodus, in welchem der Patient mit einer kleinen Röntgenstrahlungsdosis bestrahlt wird, um das Röntgenbild in Form von Bewegungsbildern zu betrachten, und ein Radiographiemodus, in welchem der Patient mit einer großen Röntgenstrahlendosis bestrahlt wird, um auf einem Röntgenfilm ein Bild zu erzeugen. Dies bedeutet, daß die Röntgenstrahlungsdosis im Durchleuchtungsmodus klein und im Abbildungsmodus groß ist. Aus diesem Grund ist die auf den Lichtdetektor auftreffende Lichtmenge in diesen Betriebsarten jeweils verschieden. Bei der zweiten Ausführungsform kann eine Röntgenbilderfassung in beiden Betriebsarten erfolgen.

Fig. 7 veranschaulicht einen Teil eines Schaltbilds eines Lichtdetektors 7 0 gemäß der zweiten Ausführungsform. Abgesehen vom Lichtdetektor entspricht die Anordnung dieser zweiten Ausführungsform im wesentlichen derjenigen der ersten Ausführungsform. In Fig. 7 sind

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der Einfachheit halber Bildzellen in eindimensionaler Weise mit 128 Kanälen angeordnet. Ersichtlicherweise können jedoch die Bildzellen, wie bei der ersten Ausführungsform, zweidimensional in Form von 2.000 χ 2.000 Kanälen angeordnet sein.

Die Anoden von Photozellen 74 (Pd, bis Pd₁₂₈) sind an die Minusklemme einer Stromquelle 48 angeschlossen. Kondensatoren 76 (Cd , bis Cd₁₂₈ ) sind zu den Photozellen Pd₁ bis P^₁₂₈ parallelgeschaltet. Weiterhin sind zusätzliche Kondensatoren 78 (Ce₁ bis Ce₁₂₈) mit größerer Kapazität als derjenigen der Kondensatoren Cd₁ bis Cd₁₂₈ über Schalter 80 (Sc-, bis Sc₁₂₈ ) zu den Kondensatoren Cd₁ bis Cd₁₂₈ parallelgeschaltet. Die mit den Kondensatoren Ce, bis Ce₃₂₈ in Reihe geschalteten Schalter Sc, bis Sc₁₂₈ werden in Abhängigkeit von einem von einer Steuereinheit 12 gelieferten Steuersignal CK₃ geöffnet und geschlossen. Im Durchleuchtungsmodus mit kleiner Röntgenstrahlungsdosis sind die Schalter Sc₁ bis Sc₁₂₈ offen. Im Radiographie- oder Abbildungsmodus mit großer Rontgenstrahlendosis sind die Schalter Sc, bis Sc-,-« geschlossen, um die Kapazität der zu den Photozellen Pd, bis Pd₁₂₈ parallelgeschalteten Kondensatoren zu erhöhen. Wenn auf diese Weise die Kondensatoren Ce, bis Ce₁₂₈ angeschlossen sind, wird die Kapazität erhöht. Im Fall einer großen Röntgenstrahlungsdosis werden oder sind daher die Ladungen an den Kondensatoren nicht ge-

QQ sättigt. Wenn andererseits bei kleiner Röntgenstrahlungsdosis die Schalter Sc₁ bis Sc₁₂₈ offen sind, kann der Rauschabstand (Signal/Rauschen-Verhältnis) keine Verschlechterung erfahren. Eine Kapazität Cd der Kondensatoren Cd₁ bis Cd-^g ist für die Röntgenstrah-

gc lung im Durchleuchtungsmodus geeignet. Wenn beispielsweise die für Röntgenstrahlung im Abbildungsmodus geeignete Kapazität der Kondensatoren mit C_Q bezeichnet

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wird, läßt sich eine Kapazität C der Kondensatoren Ce, bis Ce₁J₈ als effektive Kapazität, einschließlich der Start- oder Anfangs-Kapazität der Schalter, durch folgende Beziehung ausdrücken:

^Ce ^{= C}0 " ^C d
Die Kathoden der Photozellen Pd, sind mit Eingängen von Vorverstärkern A, bis A,~₈ verbunden und an Schalter Sd, bis Sd₁₂Q ^an ^^er Photozellenseite angeschlos- YQ sen. Wenn die Schalter Sd, bis Sd,~o geschlossen sind, werden in den Kondensatoren Ladungen von der Stromquelle 48 aufgeladen oder gespeichert. Die Vorverstärker A, bis A,₂g nehmen Potentiale von den Kathoden der Photozellen Pd, bis Pd,₂g bei hoher Impedanz ab ,c und liefern diese nach Verstärkung mit niedriger Impedanz. Die Ausgänge der Vorverstärker A, bis Α,~₈
sind ausgangsseitig mit Schaltern 86 (Sa, bis Sa^o)
verbunden. Ein Schieberegister F steuert das Öffnen und Schließen der Schalter Sd, bis Sd,₂„ sowie Sa, bis «β Sa ,~„ in Abhängigkeit von einem Steuersignal CK, von der Steuereinheit 12. Unter der Steuerung des Schieberegisters F wird ein den gesammelten Ladungen entsprechendes Signal in Zeitreihenweise auf einer gemeinsamen oder Sammel-Signalleitung geliefert.

Nachstehend ist die Arbeitsweise der zweiten Ausführungsform beschrieben. Im Durchleuchtungsmodus bleiben die Schalter Sc, bis Sc,_2g im Offenzustand. Die Kondensatoren Cd, bis Cd₁₂₈ empfangen Ladungen von

_or. der Stromquelle 48 und werden auf eine Klemmenspannung oder Endspannung (terminal voltage) aufgeladen. Die Röntgenröhre 4 emittiert kontinuierlich Röntgenstrahlung eines Röhrenstroms von mehreren mA zu einem Patienten. Die durch den Patienten gedämpfte und ihn

__c durchdringende Röntgenstrahlung wird durch ein Leuchtstoffelement 30 in Licht umgewandelt. Das umgewandelte Licht fällt auf die Photozellen Pd₁ bis Pd₁₂₈ und erzeugt Ladungen entsprechend der Lichtintensität. Die

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Ladungen fließen in die Kondensatoren Cd, bis Cd,«ο löschen die darin gesammelten Ladungen. Mit anderen Worten: die Ladungen werden proportional zur einfallenden Röntgenstrahlungsintensität verringert. Im Durchleuchtungsmodus werden die Schalter Sa, bis Sa,-« durch das Schieberegister F synchron und sequentiell geschlossen. Wenn der Schalter Sa, geschlossen ist, wird ein Strom, entsprechend den durch die Röntgenstrahlung gelöschten Ladungen, von der Stromquelle 48 zum Kondensator Cd, geliefert. Der Strom wird durch eine Ausgangsklemme OUT erfaßt oder abgegriffen und zu einem A/D-Wandler 7 geliefert. Während der Schalter Sa, geschlossen ist, wird der Kondensator Cd, auf einen Anfangszustand aufgeladen. Sodann schließt der Schalter Sa₂, und die Dosis der auf die Photozelle Pd- auftreffenden Röntgenstrahlung wird erfaßt. Auf diese Weise werden während der Röntgenstrahlungsemission die Dosen der auf die Photozellen Pd, bis Pd, -_R auftreffenden Röntgenstrahlen sequentiell und synchron erfaßt.

Im Radiographiemodus sind alle Schalter Sc, bis Sc,„₈ geschlossen. Auf dieselbe Weise wie im Durchleuchtungsmodus werden Ladungen von der Stromquelle 48 zu den Kondensatoren Cd, bis Cd,₂g ^un<^ außerdem zu den Kondensatoren Ce, bis Ce,„η geliefert, um damit die Kondensatoren auf die Klemmen- oder Endspannung aufzuladen. Die Röntgenröhre 4 beaufschlagt den Patienten 2 mit Röntgenstrahlungsimpulsen eines hohen Röhrenstroms von mehreren 100 mA. Die durch den Patienten 2 hindurchtretende Röntgenstrahlung wird durch die Photozellen Pd, bis Pd₁₂S ^auf dieselbe Weise wie im Durchleuchtungsmodus in Ströme umgewandelt. Diese Ströme löschen die in den Kondensatoren Cd, bis Cd,-g und Ce, bis Ce,,,,, gesammelten Ladungen. Im Gegensatz zum Durchleuchtungsmodus werden die Schalter Sa, bis

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Sa ₁₂g sequentiell einmal für je einen Röntgenstrahlungsimpuls geschlossen. Wenn die Schalter Sa, bis Sa,-Q geschlossen sind, kann auf dieselbe Weise wie im Durchleuchtungsmodus das Ausgangssignal entsprechend der Röntgenstrahlungsintensität an der Ausgangsklemme OUT abgenommen werden.

Die Schließperiode der Schalter Sa, bis Sa, ~q niuß lang genug sein, um die Kondensatoren auf einen Anfangszustand aufzuladen. Im Durchleuchtungsmodus, in welchem die Kapazität der Kondensatoren klein ist und eine große Ladungsmenge nicht gesammelt oder gespeichert werden kann, kann daher die Schließperiode der Schalter kürzer sein als im Abbildungsmodus.

Nachstehend ist eine Abwandlung des Lichtdetektors anhand des Schaltbilds von Fig. 8 beschrieben. Der Unterschied zwischen dem Lichtdetektor 70 gemäß Fig. 7 und einem Lichtdetektor 72 gemäß Fig. 8 besteht darin, daß anstelle der Schalter Sc, bis Sc₁₀₀ Dioden und

1 Izo

Zener-Dioden zum automatischen Umschalten der Kapazitäten verwendet werden. Dioden 88 (D, bis D,_2g) und Zener-Dioden 90 (Z, bis Z,_?„ ) sind zueinander parallelgeschaltet. An die Parallelschaltungen aus den Dioden 88 und den Zener-Dioden 90 sind Kondensatoren Ce, bis Ce,-« in Reihe angeschlossen. Diese Reihenschaltungen sind zu Kondensatoren 76 (Cd, bis Cd,₂g )
parallelgeschaltet. Die Kondensatoren Cd, bis Cd,₂g

sind ihrerseits zu Photozellen Pd, bis Pd,₂g parallelgeschaltet. Die Ausleseoperation in einem Sammel- oder Speichermodus (accumulation mode) gemäß Fig. 8 findet wie folgt statt: Die Schalter Sd, bis Sd,-g sowie Sa,
bis Sa₁₂Q werden vorübergehend oder kurzzeitig geschlossen, um die Kondensatoren Cd₁ bis Cd _12g aufzuladen. Anschließend öffnen diese Schalter. Für diesen Fall sei angenommen, daß die Stromquelle 48 eine Spannung von 20 V liefert, die Klemmen- oder Endspannung

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der Kondensatoren Cd^ bis Cd^-o ²O V beträgt und diejenige der Kondensatoren Ce, bis Ce₁₂₈ 19,3 (V) aufgrund eines Spannungsabfalls (0,7 V) der Dioden D, bis ^Di28 ^beträgt. Die durch die einfallende Röntgenstrahlung zu löschenden Ladungen sind mit 20 V in den Kondensatoren Cd, bis Cd₁₂Q gespeichert. Es sei angenommen, daß eine Zener-Spannung der Zener-Dioden Z, bis ^Z128 9l^ei-^{cn 12 v} ist? d^a die Zener-Dioden Z₁ bis
erst aktiviert bzw. freigegeben werden, wenn die Spannung der Kondensatoren Cd-, bis Cd₁₂₈ auf 7,3 V verringert ist, wird die Spannung der Kondensatoren Ce,
bis Ce₁₂₈ nicht verringert. Wenn jedoch die Spannung der Kondensatoren Cd, bis Cd, ~~ auf 7,3 V verringert ist, wird die Klemmen- oder Endspannung der Zener-Dioden höher als die Zener-Spannung, und die Zener-Dioden werden daher aktiviert bzw. durchgeschaltet (enabled). Demzufolge fließen Ströme von den Kondensatoren Ce-, bis Ce₁₂₈ zu den jeweiligen Kondensatoren Cd₁ bis Cd₁₂₈, und die Spannung der Kondensatoren Ce, bis Ce₁^o nimmt ab. Wenn auf diese Weise bei dieser Ausführungsform die zu löschenden Ladungen erhöht werden, werden die Kondensatoren Ce, bis Ce,~_Q automatisch eingesetzt. Mit anderen Worten: wenn die Dioden D, bis D,„₈ sowie die Zener-Dioden Z, bis Z

verwendet werden, können die Kapazitäten automatisch umgeschaltet werden.

Wenn bei der zweiten Ausführungsform mindestens zwei Kondensatoren (von denen der eine ein Elektrodenkondensator der Photozelle selbst ist) zur Photozelle parallelgeschaltet sind, um eine Sammel- oder Speicherkapazität entsprechend der Röntgenstrahlungsdosis zu ändern, kann ein Strahlungsdetektor eines weiten Dynamikbereichs entsprechend einem weiten Dosisbereich realisiert werden.

te

Im folgenden ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Diese Ausführungsform bezieht sich ebenfalls auf ein Röntgen-Bilderfassungsgerät, mit dem auf dieselbe Weise wie bei der zweiten Ausführungsform sowohl der Durchleuchtungs- als auch der Abbildungsmodus durchführbar ist. Bei dieser Ausführungsform wird ein Lichtverstärker eines variablen Verstärkungsgrads verwendet. Im Durchleuchtungsmodus mit kleiner Dosis wird der Verstärkungsgrad (gain) auf einen hohen Wert geregelt, während er im Abbildungsmodus mit großer Dosis auf einen kleinen Wert eingestellt wird, um die auf den Lichtdetektor auftreffende Lichtmenge auf dessen Dynamikbereich einzu-

Ig stellen. Fig. 9 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher ein Parallelplatten-Bildverstärker 91 vorgesehen ist. Dabei ist ein Leuchtstoff element 92 in einer Vakuumkammer 94 angeordnet. Ein Lichtdetektor 34, 70 oder 72, für erste oder zweite Ausführungsform dargestellt, ist unter der Unterseite der Vakuumkammer 94 angeordnet.

Ein durch einen Patienten übertragenes Röntgenbild passiert eine Glasfläche der Vakuumkammer 94 und wird nc auf eine Strahlungsfläche des Leuchtstoffelements 92 aufgestrahlt. Letzteres wandelt das aufgestrahlte Röntgenbild in ein optisches Bild entsprechend seiner Intensität um. Das an einer Ausgangsfläche des Elements 92 erzeugte optische Bild wird durch eine photons elektrische Fläche 96, die mit der Ausgangsfläche des Elements 92 in Berührung angeordnet ist, in ein elektronisches Bild umgewandelt. Eine Stromquelle 98 legt eine hohe Gleichspannung zwischen die Fläche 96 und eine Ausgangs-Leuchtstofflache 100 an, um dazwischen

_o_ ein elektrisches Feld zu erzeugen. Das durch die ob

Fläche 96 umgewandelte elektronische Bild wird durch das elektrische Feld beschleunigt und auf die Fläche 100 geworfen (bombarded). Aufgrund dieses Bombardements

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wird das verstärkte Leuchtstoffbild an der Fläche 100 erzeugt. Da bei der dritten Ausführungsform keine Elektronenlinse zum Konvergieren des optischen Bilds verwendet zu werden braucht, kann ein Verstärker (d.h. der Bildverstärker 91) dünn ausgebildet sein. Die Intensität des Ausgangs-Leuchtstoffbilds kann durch Änderung der von der Stromquelle 98 her angelegten Spannung geregelt werden.
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Nachstehend ist anhand der Schnittdarstellung von Fig. 10 eine Abwandlung beschrieben, bei welcher eine Mehrkanalplatte (MCP) 104 als Lichtverstärker verwendet wird.

Ein durch einen Patienten hindurch übertragenes Röntgenbild wird durch das Element 92 in Licht umgewandelt. Das Licht wird durch die mit der Ausgangsfläche des Elements 92 in Berührung stehende Fläche 96 in ein elektronisches Bild umgesetzt. Die Stromquelle 98 legt eine Gleichspannung zwischen die Flächen 96 und 100 an. Das elektronische Bild wird durch die mit der Ausgangsseite der Fläche 96 in Berührung stehende Mehrkanalplatte 104 elektronenvervielfacht und auf die Fläche 100 geworfen. Sodann wird das Bild als verstärktes Leuchtstoffbild erzeugt oder geliefert. Der Verstärkungsfaktor der Mehrkanalplatte 104 kann durch Änderung der von der Stromquelle 98 her angelegten Gleichspannung geregelt werden.

Da bei obigen Ausführungsformen dem Lichtdetektor ein Lichtverstärker mit variablem Verstärkungsgrad vorgeschaltet ist, können auch dann, wenn der Dynamikbereich des Lichtdetektors auf 80 dB begrenzt ist, sowohl der Radiographiemodus mit großer Dosis als auch der Durchleuchtungsmodus mit kleiner Dosis mittels eines einzigen Geräts ausgeführt werden. Im Radiographiemodus wird nämlich der Verstärkungsfaktor klein

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eingestellt, während er im Durchleuchtungsmodus groß eingestellt wird, so daß der Lichtdetektor stets innerhalb seines Dynamikbereichs betrieben werden kann.

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Claims

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Patentansprüche

l) Röntgen-Bilderfassungsgerät zur Erfassung eines durch einen Patienten hindurch übertragenen zweidimensionalen Strahlungsbilds, umfassend
eine Strahlung/Lichtwandlereinheit (30) zur Umwandlung der Strahlung in Licht und zur Erzeugung eines optischen Bilds bei Bestrahlung mit einem radiographischen oder Röntgenbild,

eine Lichtdetektoreinheit (34) zum Umwandeln des Lichts in ein elektrisches Signal und
eine Bildverarbeitungseinheit (14) zum Wiedergeben eines Bilds nach Maßgabe eines von der Lichtdetektoreinheit gelieferten Bilddatensignals,
dadurch gekennzeichnet, daß

die Lichtdetektoreinheit (34) einen Halbleiter aufweist, der mit dem optischen Bild mit im wesentliehen derselben Vergrößerung bestrahlt wird und das optische Bild als zweidimensionales Bilddatensignal ausliest.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdetektoreinheit (34) m χ η Bildzellen

(pixels) (e-, , , ..., e ) aufweist, die auf einem i,x m,η

isolierenden Träger (38) in einer Matrixform mit m Zeilen χ η Spalten angeordnet sind.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bildzelle ein photoelektrisches Wandlerelement (40) zur Umwandlung von Licht in ein elektrisches Signal aufweist und daß die Lichtdetektoreinheit (34) Auslesemittel (44, 46, 50, 52) zum sequentiellen Auslesen von Ausgangssignalen von den photoelektrischen Wandlerelementen (40) aufweist.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslesemittel η χ m Spaltenschalter (44), die mit den photoelektrischen Wandlerelementen (40) verbunden sind, m Zeilenschalter (46), die mit den Spaltenschaltern (44) in entsprechenden Zeilen verbunden sind, ein Spalten-Schieberegister (52) mit η Kanälen, die an die Spaltenschalter (44) in entsprechenden Spalten angeschlossen sind, und ein Zeilen-Schieberegister (50) mit m Kanälen umfaßt, die mit den Zeilenschaltern (46) verbunden sind, und daß die Ausgangssignale der photoelektrischen Wandlerelemente (40) durch Abtastung (mittels) der Spalten- und Zeilen-Schieberegister (50, 52) sequentiell auslesbar sind.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Wandlerelemente Photozellen (40) sind, die Zeilen- und Spaltenschalter (44,

46) MOSFETs sind und die Photozellen und MOSFETs unter Verwendung von Dünnschicht-Transistoren gestapelt bzw. einander überlagert (stacked) sind.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. jede Photozelle eine Parallelschaltung aus einem Photozellenabschnitt (40) zur Erfassung von Licht und einem Elektrodenkondensator (42) umfaßt.
7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdetektoreinheit eine Stromquelle (48) zur Anlegung einer Vorspannung an die Photozelle aufweist, eine Klemmen- oder Endspannung (terminal voltage) entsprechend der Vorspannung im Elektrodenkondensator (42) speicherbar ist und ein Teil der Ladungen des Elektrodenkondensators durch Ladungsträger löschbar ist, die durch Lichtbestrah-

lung des Photozellenabschnitts erzeugt werden, um im Elektrodenkondensator Ladungen entsprechend einer Lichtmenge zu sammeln oder zu speichern. 5
8. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdetektoreinheit einen zur Parallelschaltung aus dem Photozellenabschnitt (74) und dem Elektrodenkondensator (76) parallelgeschalteten zusätzlichen Kondensator (78) und Verbindungsmittel (80) zum Umschalten der Verbindung zwischen der Parallelschaltung und dem zusätzlichen Kondensator aufweist.
9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsmittel die Parallelschaltung (74, 76) und den zusätzlichen Kondensator (78) in einem Radiographiemodus mit großer (Strahlungs-)Dosis verbindet und den zusätzlichen Kondensator (78) iⁿ einem Durchleuchtungsmodus mit kleiner Dosis von der Parallelschaltung trennt.
10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsmittel ein Schalter (80) ist.
11. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsmittel eine Parallelschaltung aus einer Diode (88) und einer Zener-Diode (90) umfaßt, und daß dann, wenn eine Klemmen- oder Endspannung (terminal voltage) der Zener-Diode unter eine Zener-Spannung verringert ist, der zusätzliche Kondensator (78) zur Parallelschaltung aus dem Photozellenabschnitt (74) und dem Elektrodenkondensator (76) parallelgeschaltet ist.
12. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

weiterhin zwischen der Strahlung/Lichtwandlereinheit (30) und der Lichtdetektoreinheit (34) ein

Lichtverstärker (91, 104) zum Verstärken einer Lichtmenge des optischen Bilds von der Strahlung/-Lichtwandlereinheit bei im wesentlichen derselben Vergrößerung angeordnet ist.
13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtverstärker ein Parallelplatten-Bildverstärker (91) ist.
14. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtverstärker eine Mehrkanalplatte (104) ist.
15. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtverstärker (91, 104) seinen Verstärkungsgrad (gain) bei kleiner (Strahlungs-)Dosis verkleinert und bei großer Dosis vergrößert, so daß die auf die Lichtdetektoreinheit auftreffende Lichtmenge innerhalb eines zweckmäßigen Bereichs einstellbar ist.
16. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozelle (40) aus einem Element der Gruppe aus amorphem Silizium und polykristallinem Silizium geformt ist.
17. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Strahlung/Lichtwandlereinheit

(30) und der Lichtdetektoreinheit (34) weiterhin ein Lichtleitelement (32), um das optische Bild von der Strahlung/Lichtwandlereinheit zur Lichtdetektoreinheit zu leiten, angeordnet ist.
18. Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtleitelement (32) ein plattenförmiges Lichtleitfaserbündel ist, das in der Weise hergestellt ist, daß eine Vielzahl von Lichtleitfasern

gebündelt sind und das Bündel in einer Richtung senkrecht zu seiner Längsrichtung geschnitten oder geschlitzt (sliced) ist. 5
19. Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtleitelement (32) eine durch Bündeln von sog. SELFOC-Linsen oder selbstfokussierenden Linsen erhaltene Stablinsenanordnung ist. 10