DE3602501A1

DE3602501A1 - X-ray image intensifier

Info

Publication number: DE3602501A1
Application number: DE19863602501
Authority: DE
Inventors: Joerg Dipl Ing Haendle; Gerhard Dipl Phys Kuehn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-01-28
Filing date: 1986-01-28
Publication date: 1987-07-30

Abstract

The invention relates to an X-ray image intensifier (5) having a vacuum vessel, an X-ray sensitive input fluorescent screen (4) which is located at the end, having a photocathode (37) and having an output screen (7) which consists of at least one semiconductor wafer which has a substrate (18) into which operating electrodes (19, 20) are diffused on the side pointing towards the input side of the X-ray image intensifier (5). Conductive gate electrodes (21), which are insulated from the substrate (18), are deposited using thin-film technology on to the substrate (18) in the region of the operating electrodes (19, 20). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgenbildverstärker mit einem Vakuumgefäß, einem an der Stirnseite befindlichen röntgenstrahlenempfindlichen Eingangsleuchtschirm, mit einer Fotokathode und mit einem Ausgangsschirm. Derarti ge Röntgenbildverstärker dienen zur Umwandlung von Rönt genstrahlenbilder in optische Röntgenbilder, die bei spielsweise von einer Fernsehkamera abgetastet als Fern sehbilder auf dem Monitor dargestellt werden können.The invention relates to an X-ray image intensifier a vacuum vessel, one on the front x-ray sensitive entrance screen, with a photo cathode and with an exit screen. Derarti X-ray image intensifiers are used to convert X-rays gene ray images in optical x-ray images, which at for example, scanned by a television camera as a remote visual images can be displayed on the monitor.

Es ist allgemein bekannt, zur Aufbereitung von Röntgen bildern für deren Betrachtung elektronische Mittel zu verwenden. Üblicherweise wird an einem Röntgenbildver stärker, der eine Umwandlung des Röntgenstrahlenbildes in ein sichtbares Bild bewirkt, eine Fernsehaufnahme röhre mittels einer optischen Vorrichtung angekoppelt. Die dem Ausgangsbild des Röntgenbildverstärkers entspre chenden elektrischen Fernsehsignale werden verstärkt und auf einem Monitor wiedergegeben. Hierbei erfolgen mehre re Umwandlungen des Röntgenstrahlenbildes in sichtbares Licht, Elektronen und elektrische Signale, wobei jede Umwandlung einen Qualitätsverlust bedeutet. Ein derar tiger Röntgenbildverstärker ist in dem Buch "Das Rönt genfernsehen" von A. Gebauer et al, erschienen 1974 im Georg Thieme Verlag, Stuttgart, auf den Seiten 54 bis 56, beschrieben.It is generally known for X-ray processing electronic means for viewing them use. Usually on an X-ray image ver stronger, which is a conversion of the x-ray image into a visible image, a television recording tube coupled by means of an optical device. That corresponds to the output image of the X-ray image intensifier appropriate electrical television signals are amplified and displayed on a monitor. There are several re conversions of the x-ray image into visible Light, electrons and electrical signals, each Conversion means a loss of quality. A derar x-ray image intensifier is described in the book "Das Röntgen genfernsehen "by A. Gebauer et al, published in 1974 in Georg Thieme Verlag, Stuttgart, on pages 54 to 56.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen Röntgen bildverstärker der eingangs genannten Art zu schaffen, der es ermöglicht, ohne weitere Umwandlungsprozesse, beispielsweise in sichtbares Licht, direkt ein Video signal des Röntgenstrahlenbildes zu erhalten. The invention is based on the task of an x-ray to create image intensifiers of the type mentioned at the beginning, which makes it possible, without further conversion processes, for example in visible light, directly a video Obtain signal of the X-ray image.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ausgangsschirm aus wenigstens einer Halbleiterscheibe besteht, die ein Substrat aufweist, in das auf der zur Eingangsseite des Röntgenbildverstärkers ausgerichteten Seite Arbeitselektroden eindiffundiert sind, und daß auf das Substrat im Bereich der Arbeitselektroden leitende, gegenüber dem Substrat isolierte Gateelektroden in Dünn schichttechnik aufgetragen sind. Dadurch wird zum einen die hohe Verstärkung des Bildverstärkers ausgenutzt, während zum anderen ohne beispielsweise die Auflösung verschlechternde Optik das Videosignal direkt erhalten wird, d. h. ohne zwischengeschaltete Umwandlung in ein optisches Bild.The object is achieved in that the Output screen from at least one semiconductor wafer exists, which has a substrate in which on the Aligned input side of the X-ray image intensifier Side working electrodes are diffused, and that on conducting the substrate in the area of the working electrodes, gate electrodes insulated from the substrate in thin layer technology are applied. For one thing exploited the high gain of the image intensifier, while on the other without, for example, the resolution deteriorating optics get the video signal directly will, d. H. without intermediate conversion to one optical image.

Der Kontrast des Bildverstärkers wird weiterhin erhöht, wenn vor den Gateelektroden ein Gitter angeordnet ist, das über eine Spannungsversorgung mit dem Substrat ver bunden ist, so daß emittierte Sekundärelektroden aufge fangen werden können.The contrast of the image intensifier is further increased, if a grid is arranged in front of the gate electrodes, the ver via a voltage supply to the substrate is bound, so that emitted secondary electrodes can be caught.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on a in the drawing tion illustrated embodiment explained in more detail. Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Röntgendiagnostik einrichtung mit einem Röntgenbildverstärker nach der Erfindung, und Fig. 1 is a block diagram of an X-ray diagnostic device with an X-ray image intensifier according to the invention, and

Fig. 2 einen schematischen Aufbau eines Halbleiter elementes des Röntgenbildverstärkers gemäß Fig. 1 und sein prinzipielles Anschluß schaltbild. Fig. 2 shows a schematic structure of a semiconductor element of the X-ray image intensifier according to FIG. 1 and its basic connection circuit diagram.

In Fig. 1 ist eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Hochspannungsgenerator 1 dargestellt, der eine Röntgenröhre 2 speist, in derem Strahlengang sich ein Patient 3 befindet, der auf dem Eingangsleuchtschirm 4 eines Röntgenbildverstärkers 5 ein Strahlenbild erzeugt. Die aus dem Eingangsleuchtschirm 4 austretenden Elektro nen werden durch die Elektroden einer Elektronenoptik 6 auf dem Ausgangsschirm 7 des Röntgenbildverstärkers 5 fo kussiert. Spannungsquellen 8 bis 10 versorgen den Rönt genbildverstärker 5 mit den erforderlichen Beschleuni gungs- und Ablenkspannungen.In Fig. 1, an X-ray diagnostic device is shown with a high-voltage generator 1 which feeds an X-ray tube 2, a patient 3 located in whose beam path which generates on the input phosphor screen 4 of an X-ray image intensifier 5, a radiation image. The emerging from the input screen 4 are electric NEN fo kussiert by the electrodes of an electron optical system 6 on the exit screen 7 of the X-ray image intensifier. 5 Voltage sources 8 to 10 supply the X-ray image intensifier 5 with the required acceleration and deflection voltages.

An den Ausgang des Ausgangsschirmes 7 des Röntgenbildver stärkers 4 ist eine übliche Fernsehkette mit einem Video verstärker 11 angeschlossen, der mit einem Analog-Digi tal-Wandler (A/D-Wandler 12) verbunden ist, in dem die analogen Videosignale digitalisiert und in einen digita len Bildspeicher 13 eingelesen werden. Der Ausgang des Bildspeichers 13 ist mit einer Verarbeitungsschaltung 14 verbunden, deren einer Ausgang auf den Bildspeicher 13 zurückgeführt wird und deren anderer Ausgang mit einem Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler 15) verbunden ist. Dessen analoges Ausgangssignal wird einem Monitor 16 zu geführt, auf dem das Fernsehbild dargestellt wird. Ein Taktgenerator 17 ist mit dem Ausgangsschirm 7 des Rönt genbildverstärkers 5, mit dem Bildspeicher 13 und der Verarbeitungsschaltung 14 verbunden und steuert die zeit lichen Abläufe der Signalverarbeitung und die Synchroni sation der Fernsehkette.At the output of the output screen 7 of the Röntgenbildver amplifier 4 , a conventional television chain with a video amplifier 11 is connected, which is connected to an analog-Digi tal converter (A / D converter 12 ) in which the analog video signals are digitized and in one digita len image memory 13 are read. The output of the image memory 13 is connected to a processing circuit 14 , one output of which is fed back to the image memory 13 and the other output of which is connected to a digital-to-analog converter (D / A converter 15 ). Its analog output signal is fed to a monitor 16 on which the television picture is displayed. A clock generator 17 is connected to the output screen 7 of the X-ray image intensifier 5 , to the image memory 13 and the processing circuit 14 and controls the temporal processes of signal processing and the synchronization of the television chain.

Die Arbeitsweise des Röntgenbildverstärkers 5 wird anhand eines in der Fig. 2 dargestellten Halbleiterelementes näher erläutert. Der Röntgenbildverstärker 5 ist geschnit ten und abgebrochen dargestellt. Der Ausgangsschirm 7, der aus einer Silizium-Halbleiterscheibe besteht, weist ein Substrat 18 eines Leitungstyps auf. In das Substrat 18 sind die Arbeitselektroden, eine Drainzone 19 und eine Sourcezone 20 eindiffundiert, die vom entgegengesetzten Leitungstyp sind. Über dem den Kanal des FET′s bildenden Zwischenraum zwischen der Drainzone 19 und der Sourcezone 20 liegt eine leitende Gateelektrode 21. Sie wurde bei spielsweise in Dünnschichttechnik durch Bedampfen des Substrats 18 mit Metallen mit dielektrischer Deckschicht 22 erzeugt, so daß die Gateelektrode 21 gegenüber dem Substrat 18 isoliert ist.The mode of operation of the X-ray image intensifier 5 is explained in more detail with reference to a semiconductor element shown in FIG. 2. The X-ray image intensifier 5 is shown and shown broken. The output screen 7 , which consists of a silicon semiconductor wafer, has a substrate 18 of a conductivity type. The working electrodes, a drain zone 19 and a source zone 20 , which are of the opposite conductivity type, are diffused into the substrate 18 . A conductive gate electrode 21 is located above the gap between the drain zone 19 and the source zone 20 forming the channel of the FET. It was generated for example in thin-film technology by evaporating the substrate 18 with metals with a dielectric cover layer 22 , so that the gate electrode 21 is insulated from the substrate 18 .

Die Gateelektrode 21 ist mit der Kathode einer Schutz diode 23, deren Anode auf Masse gelegt ist, und der Anode einer Schutzdiode 24 verbunden, deren Kathode an der Sourcezone 20 angeschlossen ist. An die Sourcezone 20 ist die veränderbare Spannungsquelle 10 angeschlossen, die aus einem Umschalter 25, einer ersten einstellbaren Span nungsquelle 26 zum Lesen und einer zweiten einstellbaren Spannungsquelle 27 zum Löschen der Information auf der Gateelektrode 21 besteht.The gate electrode 21 is connected to the cathode of a protective diode 23 , the anode of which is connected to ground, and the anode of a protective diode 24 , the cathode of which is connected to the source zone 20 . To the source zone 20 , the variable voltage source 10 is connected, which consists of a switch 25 , a first adjustable voltage source 26 for reading and a second adjustable voltage source 27 for deleting the information on the gate electrode 21 .

Die Drainzone 19 ist über einen von einem Vertikal-Schie beregister 28 gesteuerten Feldeffekttransistor 29 und über einen von einem Horizontal-Schieberegister 30 ge steuerten Feldeffekttransistor 31 mit dem Videoverstärker 11 verbunden. Der Taktgenerator 17 liefert die Taktimpul se für die Schieberegister 28 und 30.The drain zone 19 is connected via a field shift transistor 29 controlled by a vertical shift register 28 and via a field shift transistor 31 controlled by a horizontal shift register 30 ge with the video amplifier 11 . The clock generator 17 provides the clock pulses for the shift registers 28 and 30 .

Das dargestellte Halbleiterelement des Ausgangsschirmes 7 des Röntgenbildverstärkers 5 befindet sich in der zweiten Zeile der ersten Spalte einer FET-Matrix. Mit einem wei teren Ausgang des Vertikal-Schieberegisters 28 ist die Drainelektrode eines Feldeffekttransistors 32 verbunden, dessen Drainelektrode an der Sourceelektrode des Feldef fekttransistors 31 angeschlossen ist. Dieser Feldeffekt transistor 32 schaltet das nicht dargestellte Halblei terelement in der ersten Spalte und ersten Zeile der Ma trix auf den Videoverstärker 11 durch. Weitere gestri chelt dargestellte Ausgänge des Vertikal-Schieberegisters 28 sind für die Ansteuerung der den restlichen Halblei terelementen vorgeschalteten, nicht dargestellten, Feld effekttransistoren vorgesehen. The semiconductor element shown of the output screen 7 of the X-ray image intensifier 5 is located in the second line of the first column of an FET matrix. With a white direct output of the vertical shift register 28 , the drain electrode of a field effect transistor 32 is connected, the drain electrode of which is connected to the source electrode of the field effect transistor 31 . This field effect transistor 32 switches the semiconductor element, not shown, in the first column and first line of the matrix to the video amplifier 11 . More dashed lines shown outputs of the vertical shift register 28 are provided for the control of the elements upstream of the remaining semiconductor elements, not shown, field effect transistors.

Der zweite Ausgang des Horizontal-Schieberegisters 30 ist mit der Gateelektrode eines Feldeffekttransistors 33 ver bunden, dessen Drainelektrode am Eingang des Videover stärkers 11 angeschlossen ist. Der Feldeffekttransistor 33 liegt in Reihe mit einem Feldeffektortransistor 34, dessen Gateelektrode an dem mit dem Feldeffekttransistor 29 verbundenen Ausgang des Vertikal-Schieberegisters 28 und dessen Sourceelektrode ebenfalls an einem nicht dar gestellten Halbleiterelement angeschlossen ist, das in der zweiten Zeile und zweiten Spalte liegt. Die weiteren Ausgänge des Horizontal-Schieberegisters 30, die gestri chelt angedeutet sind, sind für die Ansteuerung der den Spalten der Matrix zugeordneten Feldeffekttransistoren vorgesehen.The second output of the horizontal shift register 30 is connected to the gate electrode of a field effect transistor 33 , the drain electrode of which is connected to the input of the video amplifier 11 . The field-effect transistor 33 is in series with a field-effect transistor 34 , the gate electrode of which is connected to the output of the vertical shift register 28 connected to the field-effect transistor 29 and the source electrode of which is also connected to a semiconductor element (not shown) which is in the second row and second column. The other outputs of the horizontal shift register 30 , which are indicated by dashed lines, are provided for driving the field effect transistors assigned to the columns of the matrix.

Mit Ausnahme des Ausgangsschirmes 7 weist der Röntgen bildverstärker 5 einen bekannten Aufbau auf. Sein Ein gangsschirm besteht aus einer Trägerschicht 35 aus Alu minium. Auf diese Trägerschicht 35 ist in Richtung auf den Ausgangsschirm 7 der Röntgenleuchtschirm 36, bei spielsweise bestehend aus Cäsium-Jodid, aufgetragen, dem die Fotokathode 37 (beispielsweise aus Cs₃Sb) folgt. Die Fotokathode 37 ist mit dem Minuspotential der Gleichspan nungsquelle 8 verbunden, die beispielsweise eine Spannung von 25 kV aufweisen kann. Der Innenraum des Röntgenbild verstärkers 5 ist evakuiert. An den in Fig. 1 darge stellten Elektroden der Elektronenoptik 6 liegen gegen über der Fotokathode in bekannter Weise niedrigere nega tive Spannungen an.With the exception of the output screen 7 , the X-ray image intensifier 5 has a known structure. Its an input screen consists of a carrier layer 35 made of aluminum. On this carrier layer 35 in the direction of the exit screen 7 the X-ray screen 36 , for example consisting of cesium iodide, is applied, which is followed by the photocathode 37 (for example from Cs ₃ Sb). The photocathode 37 is connected to the negative potential of the direct voltage source 8 , which may have a voltage of 25 kV, for example. The interior of the X-ray image intensifier 5 is evacuated. At the Darge in Fig. 1 electrodes of the electron optics 6 are compared to the photocathode in a known manner lower nega tive voltages.

Die einfallenden Röntgenstrahlen erzeugen in dem Röntgen leuchtschirm 36 des Röntgenbildverstärkers 5 ein sicht bares Bild, das ein Austreten von Elektronen in der Foto kathode 37 bewirkt. Durch den großen Potentialunterschied der Fotokathode 37 gegenüber dem Ausgangsschirm 7 werden diese Elektronen auf den Ausgangsschirm 7 hin beschleu nigt. Diese Elektronen werden durch die Elektroden der Elektronenoptik 6 auf den Ausgangsschirm 7 fokussiert. Diese freien Elektronen werden von der Gateelektrode 21, die über die Schutzdiode 23 auf Masse liegt, angesaugt, so daß sie ein negativeres Potential annimmt. Nach er folgter Belichtung können die Informationen, die in den Potentialunterschieden stecken, sofort ausgelesen werden, indem die Halbleiterelemente an den Videoverstärker 11 alternierend angeschaltet werden. Zum Lesen des Ladungs bildes wird durch den Umschalter 25 die Spannungsquelle 26, die beispielsweise eine Spannung von 5 V aufweisen kann, mit der Sourcezone 19 verbunden. Zum Löschen des Ladungsbildes wird durch den Umschalter 25 auf die Span nungsquelle 27 umgeschaltet, die beispielsweise eine Spannung von 10 V aufweist. Anschließend wird der Um schalter wieder in die gezeichnete Stellung gebracht, so daß das Halbleiterelement auf die nächste Belichtung vorbereitet ist.The incident X-rays generate a visible image in the X-ray screen 36 of the X-ray image intensifier 5 , which causes electrons to escape in the photo cathode 37 . Due to the large potential difference between the photocathode 37 with respect to the output screen 7, these electrons are back nigt ACCEL on the output screen. 7 These electrons are focused on the output screen 7 by the electrodes of the electron optics 6 . These free electrons are sucked in by the gate electrode 21 , which is connected to ground via the protective diode 23 , so that it assumes a more negative potential. After exposure, the information contained in the potential differences can be read out immediately by switching the semiconductor elements on the video amplifier 11 alternately. To read the charge image, the voltage source 26 , which may have a voltage of 5 V, for example, is connected to the source zone 19 by the changeover switch 25 . To delete the charge pattern is switched by the switch 25 to the voltage source 27 , which has a voltage of 10 V, for example. Then the switch is brought back to the position shown, so that the semiconductor element is prepared for the next exposure.

Das Ausgangssignal des Ausgangsschirmes 7 wird durch den Videoverstärker 11 verstärkt in den Bildspeicher 12 ein gelesen. Das in den Gateelektroden 21 gespeicherte La dungsbild braucht nicht nach jedem Auslesevorgang ge löscht werden, sondern kann mehrfach abgetastet werden, um niedrige Ausgangssignale, hervorgerufen durch geringe Dosiswerte, ausgleichen zu können. Die Ausgangssignale werden in dem Bildspeicher 13 über mehrere Abtastperioden summiert, so daß sich das Rauschen der elektrischen Bau elemente reduziert. Nach erfolgter Summation kann das ge speicherte Bild ausgelesen werden.The output signal of the output screen 7 is amplified by the video amplifier 11 in the image memory 12 a read. The charge image stored in the gate electrodes 21 does not need to be erased after each readout process, but can be sampled several times in order to be able to compensate for low output signals caused by low dose values. The output signals are summed in the image memory 13 over several sampling periods, so that the noise of the electrical construction elements is reduced. After the summation has been completed, the stored image can be read out.

In der Verarbeitungsschaltung 14 wird das dem Bild ent sprechende digitale Videosignal aufbereitet. So können Störstellen, beispielsweise fehlende Bildelemente, die von deffekten Halbleiterelementen auf der Halbleiter scheibe hervorgerufen werden, durch Interpolation der Information benachbarter Bildelemente eliminiert werden. Durch eine in der Verarbeitungsschaltung 14 gespeicherte Leeraufnahme (ohne Aufnahmeobjekt), die von den im Bild speicher 13 gespeicherten Aufnahmen subtrahiert wird, können Empfindlichkeitsunterschiede oder Untergrundstruk turen kompensiert werden, so daß der Röntgenbildverstär ker 5 geeicht werden kann.In the processing circuit 14 , the image corresponding digital video signal is processed. Thus, imperfections, for example missing picture elements, which are caused by defective semiconductor elements on the semiconductor wafer, can be eliminated by interpolating the information from neighboring picture elements. By a stored in the processing circuit 14 empty image (without a recording object), which is subtracted from the images stored in the image memory 13 , sensitivity differences or underground structures can be compensated so that the X-ray image intensifier 5 can be calibrated.

Vor den Gateelektroden 21 kann, wie in Fig. 2 darge stellt, ein Gitter 38 angeordnet sein, das über eine Spannungsquelle 39 mit dem Substrat 18 verbunden ist, so daß die emittierten Sekundärelektronen aufgefangen wer den. Dadurch wird eine der Sekundärelektronenemission entsprechende zusätzliche Verstärkung erreicht, die von der Sekundärelektronenemission des gewählten Oberflächen materials der Gateelektrode abhängig ist und eine nach folgende weitgehende rauschfreie Verstärkung erlaubt.In front of the gate electrodes 21 , as shown in FIG. 2, a grid 38 can be arranged, which is connected to the substrate 18 via a voltage source 39 , so that the secondary electrons emitted are collected. As a result, an additional gain corresponding to the secondary electron emission is achieved, which is dependent on the secondary electron emission of the selected surface material of the gate electrode and allows subsequent largely noise-free amplification.

Anstelle des üblichen Röntgenbildverstärkers mit verklei nernder Elektronenoptik läßt sich die Erfindung auch bei einem Flachbildverstärker mit einer 1 : 1-Abbildung ver wenden.Instead of the usual X-ray image intensifier with zoom nerdern electron optics, the invention can also be a flat screen amplifier with a 1: 1 mapping ver turn.

Claims

1. X-ray image intensifier ( 5 ) with a vacuum vessel, an X-ray sensitive input luminescent screen ( 4 ) located on the end face, with a photo-cathode ( 37 ) and with an output screen ( 7 ), characterized in that the output screen ( 7 ) consists of at least one semiconductor wafer be, which has a substrate ( 18 ), in which on the input side of the X-ray image intensifier ( 5 ) aligned working electrodes ( 19 , 20 ) are diff, and that on the substrate ( 18 ) in the region of the working electrodes ( 19 , 20th ) conductive, against the substrate ( 18 ) insulated gate electrodes ( 21 ) are applied in thin layer technology.

2. X-ray image intensifier according to claim 1, characterized in that a grid ( 38 ) is arranged in front of the gate electrodes ( 21 ) and is connected to the substrate ( 18 ) via a voltage supply ( 39 ).