DE4420833C2 - Echtzeit-Röntgenfernsehbildsystem mit einem CCD-Festkörperbildsensor - Google Patents

Description

CCD-Sensoren sind in der Auslesegeschwindigkeit beschränkt. Die Ursache liegt im Frequenzgang des Ausgangsverstärkers auf dem Chip oder in der limitierten Verschiebungsgeschwindigkeit der Ladungen in den Registern des CCD-Sensors.

Um höhere Auslesegeschwindigkeiten zu realisieren, baut man CCD-Sensoren, die zwei oder vier Ausgänge haben, über die das Bild simultan ausgelesen wird.

Problematisch dabei ist, daß die separaten Ausgangsverstärker leicht voneinander abweichende Kennlinien (Linearitätsfehler) haben, so daß sichtbar ist, wo die Trennung des Bildes im CCD-Sensor liegt. Dies ist ein unerwünschter Effekt, der bei diagnostischen Röntgenbildern stark ins Gewicht fällt, weil die Anforderungen an die Amplitudenauflösung, z. B. in der digitalen Radiographie, sehr hoch sind.

Wenn digitalisiert wird, kommt erschwerend hinzu, daß Ana­ log/Digital-Wandler zusätzliche Linearitätsfehler und Lang­ zeitdrift sowohl im Gleichspannungsniveau als auch in der Verstärkung aufweisen. Diese Fehler und zusätzliche Einflüsse von Analogverstärkern, die dem Sensor vorgeschaltet sind, führen ebenfalls zu Gleichlauffehlern zwischen den Kanälen.

Besonders unangenehm können die Fehler werden, wenn eine Ver­ steilerung der Amplitudenkennlinie, z. B. Logarithmierung für digitale Subtraktionsangiographie, erforderlich ist.

Wegen der geschilderten Probleme und da digitale Korrekturen noch erhebliche Bearbeitungszeiten erfordern, war es bisher problematisch, CCD-Sensoren mit mehr als einem Ausgang für bildqualitätsempfindliche Anwendungen beim hochauflösenden Röntgenfernsehen im Echtzeit-Modus zu verwenden. Vielmehr mußte - soweit möglich - eine Betriebsart gewählt werden, bei der nur ein Ausgang verwendet wird. Dadurch reduziert sich jedoch die maximale Bildfrequenz, was die Anwendung derarti­ ger Sensoren, z. B. in der Kardiologie, beschränkt.

In DE 32 36 147 A1 ist eine Röntgenfernseheinrichtung be­ schrieben, bei der eine Leeraufnahme ohne Röntgenstrahlung durch Beleuchtung der Fotokathode des Röntgenbildverstärkers hergestellt wird, die vom Röntgenbild subtrahiert wird, wo­ durch Störstrukturen kompensiert werden. Eine Korrektur des Röntgenbilds selbst während seiner Anfertigung erfolgt nicht. In US 4,509,077 ist ein elektrooptisches Bildaufnahmesystem beschrieben, bei dem eine Selbstdiagnose der Wirkung des Fo­ tosensors erfolgt und Fehler angezeigt werden. Für Röntgen­ aufnahmen ist dieses System nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Echtzeit-Rönt­ genfernsehbildsystem der eingangs genannten Art so auszubil­ den, daß bei einer hohen Auslesegeschwindigkeit eine gute Bildqualität erzielt wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs. Bei der Erfindung können Regelkreise vorgesehen sein, die sowohl die Bildaufnehmer als auch die nachgeschaltete Signalverarbeitung (Verstärker, Kennlinien­ veränderung, Klemmung) einschließen. Zur Erfassung der Gleichlauffehler soll eine gleichmäßige Vorbelichtung verwen­ det werden. Diese wird vorteilhaft durch Lichtquellen (z. B. Leuchtdioden) vor dem Objektiv der Fernsehkamera realisiert. Das Prinzip der Erfindung liegt darin, daß man Abweichungen des Bildsignals von Gleichmäßigkeit innerhalb eines Bildbe­ reiches (Dominante) erfaßt und mit geeigneten Stellgliedern eliminiert. Die Dominante liegt vorteilhaft in der Bildmitte.

Dabei sind Fehler von drei verschiedenen, voneinander unab­ hängigen Kategorien zu beseitigen:

• 1. Gleichspannungsfehler oder LSB-Fehler (Least Significant Bit, das Bit mit dem geringsten Gewicht): Dies sind Ampli­ tudenabweichungen des dunkelsten Bereiches des Bildes z. B. Dunkelstrom-Ungleichmäßigkeiten).
• 2. Unterschiede der mittleren linearen Verstärkung in beiden Kanälen, d. h. Unterschiede in den hellsten Bildpartien.
• 3. Unterschiede in der Linearität.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Hier ist nur eine digital arbeitende Version beschrieben, analoge Ausführungen sind ebenfalls möglich. Eine Lichtquelle 1 beleuchtet in Pausenzeiten der Röntgenanlage (keine Durch­ leuchtung und kein Aufnahmebetrieb, signalisiert von der Röntgenanlage 12) über das Objektiv 2 den CCD-Sensor 3. Der CCD-Sensor 3 wird vom Fernsehsystem 11 angesteuert. Der CCD- Sensor 3 hat zwei Ausgänge A und B, deren on-Chip-Videover­ stärker und analoge Signalvorverarbeitung einschließlich dou­ ble correlated sampling, d. h. doppelt korrellierte Abtastung, sowie gegebenenfalls weitere Vorverstärkung im Bauelement 4 zusammengefaßt sind. Block 5 enthält Maßnahmen zur Kennlinienveränderung, z. B. Logarithmierer für digitale Subtrak­ tionsangiographie. Im Block 6 erfolgt eine getastete Klemmung des Videosignals vor einem weiteren Verstärker 7 und dem Ana­ log/Digital-Wandler 8. Der Digitalspeicher 9 dient zur Spei­ cherung des gesamten Bildes. Die Bauelemente 4 bis 9 sind dem Ausgang A des CCD-Sensors 3 zugeordnet.

Im weiteren Signalweg des Ausgangs B sollen die notwendigen Korrekturen zur Erzielung des Gleichlaufes durchgeführt wer­ den. Dazu gehören die Vorverstärkerstufe 14 (entspricht Bau­ element 4 des Kanals A), die Kennlinienveränderung 15 (ent­ spricht Block 5 im Kanal A), das Stellglied 16 (entspricht Block 6 im Kanal A), der Vorverstärker 17 und der A/D-Wandler 18 (entsprechend 7 und 8 im Kanal A). Der Digitalspeicher 9 ist beiden Kanälen zugeordnet. Der Kanal B enthält zusätzlich das Stellglied 19, welches die Linearität der Kanäle anpaßt. Die Mittel zur Erzielung der Linearisierung bestehen aus zumindest einer steuerbaren Kennlinienverkrümmung. Den Bausteinen 16, 18 und 19 sind die Bausteine 20, 21 bzw. 22 zugeordnet, welche die Speicherung und D/A-Wandlung der zum Kennlinienangleich erforderlichen Daten (Baustein 20: An­ gleich im Bildschwarzen; Baustein 21: Linearitätsangleich, Spannungswert des Kennlinienknickes, Ausprägung des Knickes; Baustein 22: Angleich im Bildweißen) übernehmen. Im Kompara­ tor 23 werden die Digitalsignale der beiden Kanäle vergli­ chen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn in der Steuerung 13 eine Dominante erzeugt wird, die eine Torschaltung 24 ansteuert und bestimmt, welche Signale hier verglichen werden. Das Er­ gebnis des Vergleichs wird in den Bausteinen 20, 21 und 22 zwischengespeichert, digital-analog gewandelt und den als Stellgliedern ausgebildeten Bausteinen 16, 18 und 19 zuge­ führt. Angenommen wird ein CCD-Sensor in Interline-Transfer- Architektur mit zwei horizontalen Ausleseregistern. Es fallen simultan die Videosignale einer geraden und der benachbarten ungeraden Zeile eines Vollbildes an.
Abgleichschritte:

• 1. Angleich der beiden Ausgänge für Dunkelstrom. Die Licht­ quelle 1 ist abgeschaltet. Die Dunkelstrom-Bildsignale werden im Komparator 23 subtrahiert und das innerhalb der gewählten Dominante anfallende Meßergebnis in der Spei­ cherschaltung 20 zwischengespeichert und dem Stellglied 16 zugeführt. Der neu eingestellte Amplitudenwert für den Dunkelstrom des Kanals B wird bei der folgenden Abtastung wirksam und wiederum mit dem Dunkelstrom des Kanals A ver­ glichen. Der Vorgang wiederholt sich so lange, bis der De­ tektor 28 für die Größe des Regelhubs der Steuerung 13 signalisiert, daß der Unterschied zwischen beiden Kanälen genügend klein geworden ist.
• 2. Abgleich für Bildweiß
  Analog zur Einstellung des Dunkelstromverhaltens erfolgt die Einstellung auf gleichen Amplitudenwert im Bildweißen. Hierzu wird die Lichtquelle 1 so betrieben, daß eine Aus­ steuerung des CCD-Sensors 3 bis kurz vor Einsatz des Bloo­ mings erfolgt. Die Schritte zur Erzielung des Gleichlaufs erfolgen analog wie bei 1. Stellglied ist jedoch z. B. die Amplitudenparametrierung des A-/D-Wandlers 18. Dies ist ein Eingang des A/D-Wandlers 18, mit dem der Wandlungsbereich (Spannungshub) festgelegt wird.
• 3. Linearitätsabweichungen
  Die Lichtquelle 1 wird so betrieben, daß eine von Bild zu Bild mit von Null bis zur Intensität wie bei 2., z. B. in 5%-Schritten steigende Helligkeit, resultiert. Die Schal­ tung 29 stellt fest, wo die Differenz zwischen den Kanälen am größten ist. Hier wird mit dem Stellglied 19 die Linearität der Kanäle angepaßt. Das Stellglied 19 kann z. B. aus Einzelhalbleitern (bipolare Transistoren oder Feldeffekttransistoren, evtl. Dioden-Widerstandskombina­ tionen) oder ICs die Kennlinienveränderung bewirken.
• 4. Da die Verstellung der Linearität unter Umständen geringe Auswirkungen auf den Kanalgleichlauf im Dunkeln, aber merkliche Auswirkungen auf den Gleichlauf in hellen Bild­ partien haben kann, sorgt eine Steuerung (Baustein 21) da­ für, daß anschließend an eine Kennlinienveränderung die Abgleichschritte wieder bei 1. beginnen und dieser Zyklus erst dann abgebrochen wird, wenn die Differenzen zwischen den Kanälen hinreichend klein sind.

Claims (2)

1. Echtzeit-Röntgenfernsehbildsystem mit einem CCD-Sensor (3) und einer Beleuchtungsvorrichtung (1) zur gleichmäßigen Vor­ belichtung des CCD-Sensors (3) sowie einer Erfassungsschal­ tung (Kanal B) zur Erfassung der Abweichungen des Bildsignals von einem vorgegebenen Wert, welche eine Stellschaltung (16, 18, 19) zur Eliminierung dieser Abweichungen steuert.

2. Echtzeit-Röntgenfernsehbildsystem nach Anspruch 1, bei dem die Erfassung innerhalb einer Dominante des Bildes erfolgt.