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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Erzeugen eines Bildes
mittels Strahlung, welches eine Strahlungsdetektoreinheit zum Aufnehmen
des Bildes umfasst, die Folgendes enthält:
- – Bilddetektorelemente,
die benachbart zueinander in einer aus Reihen und Spalten bestehenden Matrix
auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind und jeweils ein Bildsensorelement enthalten,
welches empfindlich für
die Bildgebungsstrahlung ist, sowie ein steuerbares Schaltelement,
welches hiermit verbunden ist,
- – wobei
jede Spalte in eine Vielzahl von Gruppen von Bilddetektorelementen
unterteilt ist,
- – ein
Leseleiter für
jede Gruppe von Bilddetektoren vorgesehen ist, der über das
zugehörige
steuerbare Schaltelement mit einem Bildsensorelement der Gruppe
von Bildsensorelementen verbunden werden kann, die zu der betreffenden Spalte
gehören,
- – Lesetreiber
zum Ansteuern der Schaltelemente, um eine elektrische Variable aus
den Bilddetektorelementen auszulesen,
- – wobei
jeder Lesetreiber einen Ausgang hat, der mit einem zugehörigen Steuerleiter
verbunden ist, welcher mit einer betreffenden Steuerelektrode eines
steuerbaren Schaltelements einer Reihe von Bilddetektorelementen
verbunden ist.
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Eine
Vorrichtung zum Auslesen einer Bildsensormatrix ist aus der US-amerikanischen Patentschrift
5.120.964 bekannt. Die bekannte Vorrichtung kann in einem Gerät zum Erzeugen
eines Bildes mittels Strahlung eingesetzt werden, zum Beispiel in einem
medizinischen Röntgentomographiegerät.
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Im
Allgemeinen sind Geräte
zum Erzeugen eines Bildes mittels Strahlung, zum Beispiel eines Röntgenbildes
für medizinische
Zwecke, mit einer Strahlungsdetektoreinheit zum Aufnehmen des Bildes
ausgestattet. Diese Einheit kann in Form einer Matrix aus strahlungsempfindlichen
Elementen, d.h. den Bilddetektorelementen, ausgeführt sein.
Jedes dieser Bilddetektorelemente besteht aus einem für die Bildgebungsstrahlung
empfindlichen Bildsensorelement und einem hiermit verbundenen steuerbaren Schaltelement
(dem Schalter). In dem Bildsensorelement wird bei Belichtung mit
der Bildgebungsstrahlung eine elektrische Ladung gespeichert, die
proportional zur Strahlendosis, also zur Intensität der Strahlung,
ist. Das Bild erhält
man nun durch Auslesen der einzelnen Bildsensorelemente; dies geschieht,
indem man das Sensorelement über
das zugehörige Schaltelement
mit einem Leseverstärker
verbindet, der dann eine elektrische Spannung ausgibt, die ein Maß für die Strahlungsintensität des betreffenden Sensorelements
ist. Die gesamte Gruppe der Spannungen stellt dann das gewünschte Bild
in Form von Spannungswerten dar.
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Es
ist allgemein bekannt, zum Auslesen der Matrix jeweils eine komplette
Reihe von Bilddetektorelementen anzusteuern und die dabei ausgelesene Ladung
einem jeweils zu einer Spalte derartiger Elemente gehörenden Spaltenleiter
zuzuführen,
der als Leseleiter fungiert, wobei der genannte Spaltenleiter mit
einem zugehörigen
Leseverstärker
verbunden ist. In Vorrichtungen dieser Art besteht jedoch das Problem,
dass Streukapazitäten
das Auslesen beeinträchtigen.
Selbst wenn sich alle Schalter (mit Ausnahme von denen, deren Sensorelement
gerade ausgelesen wird) in dem nicht-leitenden Zustand befinden,
weisen sie noch immer eine Streukapazität auf, ebenso wie der Leseleiter
(der Spaltenleiter) selbst. Hierdurch entsteht ein Rauschen in dem
Auslesesignal und nimmt das Auslesen relativ lange Zeit in Anspruch.
Dies ist insbesondere von Nachteil bei Röntgengeräten, in denen Bilder in schneller
Folge erzeugt werden, z.B. 60 Bilder pro Sekunde.
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Um
dieses Problem zu mildern, wird laut der genannten US-amerikanischen
Patentschrift jede Spalte in eine Anzahl Gruppen von Bilddetektorelementen
aufgeteilt, wobei jeder Gruppe von Bilddetektoren ein eigener, als
Leseleiter fungierender Spaltenleiter, hinzugefügt wird. Dieser Spaltenleiter
wird dann jeweils mit einem Exemplar der zu dieser Spalte gehörenden Gruppe
von Bilddetektorelementen verbunden. Auf diese Weise werden für jede Gruppe
von Bilddetektorelementen also mehrere Spaltenleiter vorgesehen.
Bei einer Leseoperation werden dann die Schalter der Sensorelemente
von einer Reihe über
eine zu dieser Reihe gehörende
Steuerleitung (einen Reihenleiter) in den leitenden Zustand geschaltet.
Die Steuerleitungen werden durch Lesetreiber angesteuert, die somit
zum Ansteuern der Schaltelemente zum Auslesen der Ladung aus dem
Sensorelement dienen. Der Ausgang jedes Lesetreibers ist somit mit
einem zugehörigen
Reihenleiter verbunden, wobei der Reihenleiter mit den Steuerelektroden der
Schalter von einer Reihe von Bilddetektorelementen verbunden ist.
Die Sensorelemente in dieser Reihe werden hierdurch mit dem zugehörigen Spaltenleiter
verbunden, der somit ausschließlich
für diejenige
Gruppe bestimmt ist, die das zu diesem Zeitpunkt aktivierte Sensorelement
enthält.
Die zu einer Spalte gehörenden
Spaltenleiter werden ihrerseits wieder über weitere elektronische Schalter mit
einem gemeinsamen Sammelleiter verbunden. Man erhält auf diese
Weise ein verbessertes Rauschverhalten, weil jeder als Leseleiter
fungierende Spaltenleiter jetzt mit einem vergleichsweise kleinen
Teil der Schalter der Sensorelemente einer Spalte verbunden ist.
Der Sammelleiter ist ebenfalls mit relativ wenigen Schaltern verbunden,
weil hierfür
nur so viele Schalter notwendig sind wie es Spaltenleiter pro Spalte gibt.
Die Verbesserung des Rauschverhaltens einer derartigen Vorrichtung
ist umso größer, je
mehr Sensorelemente eine Spalte enthält. Da bei in der Praxis verwendeten
Vorrichtungen die Anzahl der Sensorelemente in einer Spalte in der
Größenordnung
von tausend liegen kann, wird in derartigen Fällen das Rauschen erheblich
verringert.
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Ein
weiterer Vorteil dieser bekannten Vorrichtung mit einer Vielzahl
von Spaltenleitern pro Spalte besteht darin, dass die Auslesezeit
für die
einzelnen Reihen der Matrix proportional zu der Anzahl der Spaltenleiter
verlängert
werden kann, so dass das Rauschen im Bild weiter verringert wird.
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Ein
Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht jedoch darin, dass
bei einer immer weiteren Steigerung der Anzahl Bilddetektorelemente
pro Spalte und damit der Anzahl Spaltenleiter diese Spaltenleiter
immer mehr Platz in Anspruch nehmen. Dies ist hauptsächlich darauf
zurückzuführen, dass
diese Leiter aufgrund der dann zwischen diesen Leitern entstehenden
Streukapazität
nicht beliebig nahe beieinander angeordnet werden können, so
dass das Rauschen in den Leseverstärkern wieder zu stark zunehmen
würde.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, ein Gerät der beschriebenen Art zu
schaffen, in dem die Leiter in der Matrix der Bilddetektorelemente
weniger Platz in Anspruch nehmen als bei der bekannten Matrixkonstruktion.
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Zu
diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Gerät dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Lesetreiber mit mindestens zwei nicht zu demselben Spaltenleiter
gehörenden
Reihen von Bilddetektorelementen verbunden ist, wobei die Anzahl
der somit mit einem einzelnen Lesetreiber verbundenen Reihen höchstens
der Anzahl Gruppen von Bilddetektorelementen in einer einzelnen
Spalte entspricht.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, einen als Steuerleitung
fungierenden Reihenleiter (also eigentlich den Lesetreiber) gleichzeitig
mehr als eine einzelne Reihe von Bilddetektorelementen bedienen
zu lassen, und zwar maximal so viele Reihen wie es Spaltenleiter
pro Spalte gibt. Dadurch wird außerdem die Anzahl Lesetreiber proportional
verringert. Da die Geschwindigkeit des Auslesens bei einer derartigen
Strahlungsdetektoreinheit erheblich höher sein kann als bei einer
herkömmlichen
Detektor einheit, eignet sich das erfindungsgemäße Gerät insbesondere zum Auslesen mit
hohen Rahmengeschwindigkeiten, wie sie beispielsweise bei der Fluoroskopie
oder bei zweidimensionalen Detektoren für die Computertomographie oder
die Strahlentherapie benötigt
werden.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung werden die Lesetreiber mit mindestens zwei Reihen von
Bilddetektorelementen verbunden, indem mit jedem Lesetreiber nur
ein einzelner Steuerleiter verbunden wird, welcher mit den genannten
mindestens zwei Reihen von Bilddetektorelementen verbunden ist.
Hierdurch wird der auf der Detektoroberfläche zur Verfügung stehende
Platz optimal genutzt. Der eine Steuerleiter verläuft dabei
zwischen zwei Reihen von Bilddetektorelementen und ist im Bereich
jedes Detektorelements mit kurzen Abzweigungen zu beiden Seiten
hin versehen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Anzahl der mit einem einzelnen Lesetreiber
verbundenen Reihen von Bilddetektorelementen gleich zwei. Dadurch
reicht es aus, extrem kurze Abzweigungen von dem Steuerleiter zu
den Bilddetektorelementen zu verwenden, weil diese Abzweigungen
nur den Abstand vom Steuerleiter zu den beiden benachbarten Reihen
von Detektorelementen überbrücken müssen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden ausführlich unter
Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben, in denen übereinstimmende
Elemente mit übereinstimmenden
Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines für die
Erfindung relevanten Teils eines Röntgenbildgebungsgeräts;
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2 schematisch
einen Teil einer Strahlungsdetektoreinheit mit einigen erfindungsgemäßen Bilddetektorelementen;
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3a schematisch
eine herkömmliche Kreissegmentanordnung
von Bilddetektorelementen;
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3b schematisch
eine erfindungsgemäße zweidimensionale
Anordnung von Bilddetektorelementen als Ersatz für die in 3a dargestellte Kreissegmentanordnung.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines für die Erfindung relevanten
Teils eines Röntgenbildgebungsgeräts. Die
Figur betrifft ein an sich bekanntes Computertomographiegerät, in dem
der zu untersuchende Patient 2 mit einem fächerförmigen Röntgenstrahlenbündel 4 bestrahlt
wird. Dieses Strahlenbündel
wird mit Hilfe einer Röntgenröh re 6 erzeugt
und mit einer Anordnung 8 von Bilddetektorelementen detektiert,
die die Form eines Kreissegments hat. Die Röntgenröhre 6 und die Detektoranordnung 8 drehen
sich auf einer Kreisbahn 10 um den Patienten, ohne dass
sich dabei ihre Position zueinander ändert. Das aus der Röntgenröhre, der
Detektoranordnung und dem Röntgenstrahlenbündel bestehende
System ist zweimal dargestellt, wobei das System in der einen Position
relativ zu der anderen Position gedreht wurde. Während der Belichtung zum Erzielen
eines tomographischen Bildes ist das genannte System stationär. Nach
der Belichtung nimmt das System eine neue Position ein, die in Bezug
auf die vorhergehende Position etwas gedreht ist. Nach dem Durchlaufen
des gesamten Kreises 10 wurden genügend Informationen gesammelt,
um ein Bild der bestrahlten Schicht 12 des Körpers des
Patienten zu rekonstruieren. Wenn eine Vielzahl von Schichten abgebildet
werden soll, wird der Tisch 18 mit dem Patienten in die
Richtung des Pfeils 14 oder 16 relativ zu dem
System der Röntgenröhre und
der Detektoranordnung verschoben, und anschließend wird der Kreis 10 erneut
durchlaufen, um ein nächstes
Bild zu erzeugen.
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Bei
diesem bekannten tomographischen Bildgebungsverfahren wird eine
Anordnung 8 von Bilddetektorelementen in Form einer eindimensionalen
Reihe von Detektorelementen verwendet, Eine derartige Anordnung
(siehe 3a) besteht zum Beispiel aus
1000 Detektorelementen 24, wobei die Elemente mit einen
Abstand 20 von 1,5 mm angeordnet sind und eine Höhe 22 von
20 mm haben. Die Anordnung hat in diesem Zahlenbeispiel also eine
Länge von
1,5 m (1000 × 1,5
mm). Bei einer Distanz zwischen der Röntgenröhre 6 und der Detektoranordnung 8 von
1,2 m hat der Kreis 10 also einen Umfang von 3,77 m; bei
dem gegebenen Zahlenbeispiel wird dieser Kreis dann in ca. 2500
Bildpunkte mit einer Breite von 1,5 mm unterteilt. Die neue Position,
die das System nach jeder Belichtung relativ zu der vorhergehenden
Position einnimmt, ist in diesem Fall um den Abstand eines Detektorelements
weitergedreht. Alle einzelnen Elemente werden parallel gelesen, und
bei einer Auslesezeit von 3 ms dauert es infolgedessen 7,5 s (2500 × 3 ms),
bis ein vollständiger Kreis
ausgelesen ist. Wenn ein großes
Objekt abgebildet wird, müssen
Bilder von einer Anzahl von Schichten mit einer Breite von 1,5 mm
gemacht werden und anschließend
mit Hilfe eines Computers rekonstruiert werden.
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2 zeigt
schematisch einen Teil einer erfindungsgemäßen Strahlungsdetektoreinheit
mit einigen Bilddetektorelementen. Der Klarheit halber sind in dieser
Figur lediglich vier Bilddetektorelemente 30 dargestellt,
obwohl bei einer praktischen Ausführungsform einer zweidimensionalen
Detektoranordnung eine viel größere Anzahl
(zum Bei spiel 32 × 16 Elemente
pro Chip) vorhanden ist. Die Detektorelemente 30 wurden
mittels eines Dünnfilmverfahrens auf
einem gemeinsamen dielektrischen Substrat (zum Beispiel Glas) angeordnet.
Jedes Detektorelement 30 umfasst ein steuerbares Schaltelement 34 (zum
Beispiel in Form eines in Dünnfilmtechnik
ausgeführten
Feldeffekttransistors), das einen zugehörigen Spaltenleiter 36 mit
einem Bildsensorelement in Form einer Parallelschaltung einer Fotodiode 32 und eines
Kondensators 38 verbinden kann. Die Detektorelemente 30 werden
von einer gemeinsamen Versorgungsquelle 40 aus gespeist.
Es ist ferner ein Lesetreiber 42 vorgesehen, der zum Steuern
des Auslesens der Ladung der Detektorelemente 30 dient. Der
Ausgang des Lesetreibers 42 ist mit einem zugehörigen Steuerleiter 44 verbunden,
welcher ebenfalls mit einer betreffenden Steuerelektrode 48 eines Transistors 34 von
einer Reihe von Bilddetektorelementen 30 verbunden ist.
Außerdem
ist eine Reihe von Ausleseverstärkern 46 vorgesehen,
deren Anzahl der Anzahl Spalten von Detektorelementen 30 multipliziert
mit der Anzahl von Spaltenleitern pro Spalte entspricht, also der
Gesamtzahl von Spaltenleitern 36 entspricht.
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Während der
Belichtung des Sensorelements 32, 38 wird der
Kondensator 38 mit einer elektrischen Ladung geladen, die
ein Maß für die auf
das betreffende Sensorelement auftreffende Strahlendosis darstellt.
Wenn die Detektorelemente 30 ausgelesen werden, wird der
Transistor 48 durch den Lesetreiber 42 leitend
geschaltet, so dass die Ladung des Kondensators 38 an den
Spaltenleiter (Leseleiter) 36 weitergegeben wird. Die gesamte
Anordnung kann gelesen werden, indem nacheinander verschiedene Reihen
von Detektorelementen leitend geschaltet werden. Da eine Vielzahl
von Spaltenleitern pro Spalte vorgesehen ist, kann eine Vielzahl
von Detektorelementen gleichzeitig in einer Spalte ausgelesen werden.
Da der Steuerleiter 44 mit Transistoren aus zwei benachbarten
Reihen verbunden ist, wird das Auslesen der beiden Reihen gleichzeitig
durch einen einzelnen Steuerleiter 44 angesteuert. Dabei
können zwei
Bilddetektorelemente, die nicht zu dem gleichen Spaltenleiter gehören (zum
Beispiel das in der Figur mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnete
Element und das direkt darunter befindliche Element) gleichzeitig ausgelesen
werden, weil sonst die Ladung von zwei Detektorelementen gleichzeitig
einem einzelnen Leseverstärker
zugeführt
würde.
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In 3a ist
schematisch eine eindimensionale Anordnung von Bilddetektorelementen
dargestellt, die sich zu einem herkömmlichen Kreissegment biegen
lässt.
Diese Detektorelemente 24 haben eine längliche Form, eine Breite,
die etwas kleiner ist als ihr Abstand 20 von 1,5 mm, und
eine Höhe 22 von 20
mm. 3b zeigt schematisch eine zweidimensionale Anordnung
von Bilddetektorelementen gemäß der Erfindung,
die als Ersatz für
das Kreissegment aus 3a vorgesehen ist. Die in 3b dargestellte
Anordnung besteht aus einer Zusammenstellung von Chips 28,
die jeweils Abmessungen von 48 × 24 mm2 haben und aus 32 × 16 Detektorelementen 30 bestehen,
wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Der Abstand dieser
Detektorelemente beträgt
zum Beispiel 1,5 mm. Auf der Unterseite jedes Chips 28 von
Detektorelementen ist eine Anzahl von Leseverstärkern 46 angeordnet,
im vorliegenden Beispiel 64 Verstärker. Das bedeutet, dass bei
16 Spalten von Detektorelementen vier Spaltenleiter pro Spalte verwendet
werden. Die Ansteuerung des Auslesens der Detektorelemente erfolgt
mit Lesetreibern 42 (in 3b nicht
dargestellt), die neben der Matrixoberfläche des Chips 28 angeordnet
oder auf Wunsch separat vorgesehen werden können.
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Bei
dieser neuen, zweidimensionalen Ausführungsform der Detektoranordnung
ist das belichtende Röntgenstrahlenbündel nicht
mehr fächerförmig, wie
dies bei einer eindimensionalen Anordnung der Fall ist, sondern
kegelförmig.
Wenn die Matrix von Detektorelementen mit nur einem einzelnen Leseleiter
in 3 ms ausgelesen wird, darf die Auslesezeit pro Reihe in diesem
Fall 94 μs
(3/32 ms) betragen. Bei einer Ausführungsform mit vier Leseleitern
pro Spalte und einem einzelnen Steuerleiter für jeweils zwei Reihen darf
sie 375 μs
betragen. Eine derart lange Auslesezeit kann aus zwei Gründen nützlich sein.
Erstens ist die Kapazität
der Photodioden aufgrund ihrer Abmessungen relativ hoch (in der
Größenordnung
von 200 pF), was bei einem leitend geschalteten Transistor mit einem
Widerstand von 0,35 MΩ eine
RC-Zeit von 70 μs
ergibt. Ein vollständiges Auslesen
des Detektorelementes (5 RC-Zeiten) ist also innerhalb von 300 μs möglich. Zweitens
hängt das
elektronische Rauschen der Leseverstärker von der Auslesezeit ab.
Ein rauscharmes Auslesen erfordert eine ausreichend lange Auslesezeit,
so dass eine lange Auslesezeit auch in dieser Hinsicht von Vorteil
sein kann.
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Die
Matrix der Detektorelemente besteht aus Chips mit jeweils 64 Lesekanälen, die
die Daten aus den 16 Spalten lesen. Die 32 Reihen werden mit nur 16
Steuerleitern ausgelesen, so dass der Platzbedarf für diese
Leiter und die sie ansteuernden Lesetreiber durch die Erfindung
minimiert wird.