FI121724B - CCD-sensorijärjestely ja menetelmä panoraama- ja/tai kalloröntgenkuvausta varten - Google Patents

Description

CCD-sensorijärjestelyja menetelmä panoraama-ja/tai kallo-röntgenkuvausta varten

Keksinnön ala

Keksintö liittyy CCD-sensorijärjestelyyn patenttivaatimuksen 1 joh-5 danto-osan mukaisesti. Keksintö liittyy lisäksi menetelmään CCD-sensorin dynamiikan laajentamiseksi panoraama- ja/tai kalloröntgenkuvausta varten patenttivaatimuksen 13 johdanto-osan mukaisesti.

Keksinnön tausta CCD-laite (Charge Coupled Device) voidaan määritellä puolijohde-10 laitteeksi, jossa sähköisten varausten liikkeestä johtuen varausten säilyttäminen ja kerääminen on mahdollista. Näitä varaussiirtolaitteita käytetään dynaamisissa, muuttuvissa muistielementeissä, joille on tyypillistä korkea informaa-tiotiheys. Röntgenkuvantamiseen tarkoitetuissa CCD-sensoreissa kuvanmuodostukseen käytettyjä, fyysisiin pikseleihin muodostuneita varauksia voidaan 15 yhdistää, binnata. Kun binnataan CCD-sensorissa, muodostuu virtuaalisesti suurempia kuvapikseleitä. Kuitenkin tietyissä tilanteissa näiden yhdistettyjen pikseleiden varauksen käsittely voi olla ongelmallista. Varsinkin suuremmilla signaalitasoilla kuva-alueelta tuleva signaali voi olla niin suurta, että valitulla binnauksella varauksia ei voida yhdistää CCD-sensorin sisällä ilman lähtö-20 vahvistimen saturaation vaaraa. Tämä voidaan osittain ottaa huomioon suunnittelemalla lukurekisteri ja lähtövahvistimen varauskaivo, joiden varauskapasi-teetit ovat pikseleiden varauskapasiteettia suurempi. Kuitenkin, jos lähtövahvistimen varauskaivoa suurennetaan liikaa, siihen muodostuva jännite pienenee, jolloin myös tuotettava signaali pienenee.

25 Nykyään digitaalikuvantamisen resoluutio eli erottelukyky lähentelee jo tiimipohjaisten järjestelmien tasoa ja voi joissakin tapauksissa jopa ylittää sen. On kuitenkin tunnettua, että CCD-sensoreiden dynamiikka-alue, maksi-misignaalin suhde tyhjäkäyntikohinaan, perusherkkyyteen, on pienempi kuin perinteisten filmipohjaisten järjestelmien dynamiikka-alue. Herkkyydellä voi-30 daan tässä yhteydessä tarkoittaa erottelukykyä pohjakohinan sisällä eli sitä minkä kokoinen signaali voidaan erottaa kohinasta.

Tyypillisen CCD-laitteen, joka toimii MPP-moodissa ja joka ei ole jäähdytetty, dynamiikka-alue on noin 10.000:1 ... 20.000:1. Dynamiikka-alueen luku kuvaa saturaatiojännitteen suhdetta rms-kohinaan. Mikäli tämä dynamiik-35 ka-alue käytetään tehokkaasti hyväksi, harmaatasoja saadaan käyttöön yhtä 2 monta kuin mitä käytetty A/D-muunnos mahdollistaa. Esimerkiksi 14-bitin tapauksessa harmaatasoja on käytettävissä 16.384 kpl kokonaisuudessaan.

Nämä lukuarvot eivät kuitenkaan ole keskenään vertailukelpoisia verrattaessa filmi- ja digitaalipohjaisia järjestelmiä keskenään. Vaikka filmijär-5 jestelmässä käytettäisiin hyväksi vain pieni osa kokonaisdynamiikasta, on käytettävissä käytännössä hyvin suuri määrä harmaatasoja. Mikäli tarkastellaan esimerkiksi yhtä tuhannesosaa (1:1000) filmin dynamiikasta, voidaan osoittaa että tämä alue jakaantuu yli 16 erilliseen tasoon.

CCD-perusteiset sensorit eivät myöskään anna anteeksi ylivalotus-10 tilanteissa kuten tiimipohjaiset järjestelmät, joissa resiprookkilaki (filmin asteittainen saturoituminen, s-käyrä) aiheuttaa pehmeän saturaation ja tämän mukana ’’kompression” eli dynamiikan laajennuksen. Voidaan siis ajatella, että kyseessä on sisäänrakennettu epälineaarisuus, jota voidaan myös mieltää eräänlaiseksi gamma-korjaukseksi itse filmissä. Digitaalisissa antureissa syn-15 tyy heti näkyvä raja, artefakta, kun dynamiikan maksimi savutetaan.

CCD-sensorin perässä oleva signaalivahvistin ja A/D-muunnin (A/D, Analog-to-Digital) pyritään mitoittamaan siten, että koko CCD-sensorin tuottama dynamiikka-alue voidaan käyttää hyväksi. Kuten edellä mainittiin, nykyisillä CCD-sensoreilla voidaan aikaansaada jopa yli 20000:1 dynamiikka-alue. Ihan-20 teellinen tilanne on silloin, kun A/D-muuntimen kvantisointiaskel on hieman alle CCD-sensorin oman kohinatason. Tämä tarkoittaisi kuitenkin sitä, että kuvan digitoimiseksi pitäisi käyttää yli 14-bitin nopeaa A/D-muunnosta.

Toisin sanoin yhteen pikseliin tullut ja siihen mahtuva varaus voi olla niin suuri, ettei sitä voida binnaustilanteessa käsitellä lukurekisterissä ja/tai lä h-25 tövahvistimen varauskaivossa ilman saturaation vaaraa. Varsinkin suuremmissa binnauksissa, esim. 3x3 ja 4x4 (horisontaalisuunta x vertikaalisuunta, montako kertaa luetaan kuva-alueelta lähtörekisteriin ja lähtörekisteristä ulosluku-kaivoon), tämä muodostuu ongelmaksi. Kuva-alueelle muodostunut kuva ei ole saturoitunut ja se on täysin käyttökelpoinen, mutta sitä ei voi lukea ulos ilman 30 saturaatiota kyseisellä binnauksella.

Sekä cephalostaattikäytössä (Ceph) että panoraamakuvassa (Pan) leukojen alapuolella on alueita, jotka vastaanottavat suoraa säteilyä ilman välissä olevaan säteilyä vaimentavaa kudosta. Mm. näissä tilanteissa saturaation vaara on ilmeinen, mikäli järjestelmä on muuten viritetty ottamaan vastaan op-35 timaalisesti signaali, joka tulee kohteen läpi. Tämä tekee esimerkiksi pehmyt- rk ' i 3 osien kuvantamisen mahdottomaksi ja saturaatioalueilla menetetään kaikki kuva-informaatio.

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on siten kehittää menetelmä ja menetelmän 5 toteuttava laitteisto siten, että yllä mainitut ongelmat saadaan ratkaistua. Keksinnön tavoite saavutetaan menetelmällä ja järjestelmällä, joille on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksintö perustuu siihen, että käytetään ainakin kahta eri kapasitee- 10 tin varauskaivoa ja sensorin ulosluvun aikana dynaamisesti valitaan käytettävä uloslukukaivo.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja järjestelmän etuna on se, että CCD-sensorin dynamiikka-aluetta voidaan laajentaa ja siten estää sensorin tai osan siitä joutuminen saturaatioon.

15 Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää erään edullisen suoritusmuodon mukaista laitetta dynamiikan kasvattamiseksi; 20 Kuvio 2 esittää kuvadatan rakennetta;

Kuvio 3 esittää esimerkinomaisesti erästä menetelmää kuvauksen suorittamiseksi ja kuvauksen aikaista FPGA-laitteen AGC-toiminnan ohjauslo-giikkaa;

Kuvio 4 esittää taulukkoa, jossa on näytetty käytetyn CCD-sensorin 25 tyypilliset varauksenkäsittelykapasiteetit;

Kuvio 5 kuvaa esimerkinomaista varauskapasiteettijakautumaa kaikissa elektronivarauksen siirtoon kykenevissä yksiköissä; ja

Kuvio 6 kuvaa neljän siru CCD-sensoria ja sen ohjauslohkoja.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus 30 Keksintöä ja sen edullisia suoritusmuotoja kuvataan seuraavassa

viitaten esimerkinomaisesti tyypilliseen CCD-sensoriin (valmistaja esimerkiksi Atmel, Thomson) ja varauskapasiteettispesifikaatioihin, jotka on optimoitu ot- I

tamalla huomioon myös automaattinen vahvistuksensäätötoiminto (AGC, Automatic Gain Control). Sensorilla voi olla esimerkiksi seuraavia ominaisuuksia: *< ? ':1 4 1) Erillisen, yhden pikselin (koko: 33 pm x 33 pm) satu-raatiovaraus: 600.000 elektronia.

2) Lukurekisterin saturaatiovaraus: ’ 5 1.800.000 elektronia.

3) Lähtövahvistimen A saturaatiovaraus: 2.400.000 elektronia.

4) Lähtövahvistimen B saturaatiovaraus: 4.800.000 elektronia.

10

Kun käytetään kyseistä sensoria horisontaalisuunnassa (TDI-suunta, Time Delay Integration), 3x3 binnaukselia mahtuu 3 peräkkäisen pikselin 100%:n signaali lukurekisteriin (3x600K=1800K, K=Kilo=1000). 4x4 binnaukselia voidaan summata 4 horisontaalista pikseliä, jotka ovat 75% täynnä 15 (1800K/4/600*100) ilman ylivuotoa. Ylivuodolla voidaan tarkoittaa sitä, että esimerkiksi elektroniseen komponenttiin, kuten kapasitanssiin, ei mahdu enää lisää varauksia. Ylivuodossa kuva-alueella ylimääräinen elektronien varaus voi liikkua horisontaaliseen suuntaan ja ylivuodossa lähtörekisterissä vertikaa-lisuuntaan.

20 Vertikaalisessa suunnassa (uloslukusuunta) tilanne on seuraava.

2x2 binnaukselia voidaan yhteen lähtöön A summata 2 kpl pikseleitä, joilla on 50% varausta, ja toiseen lähtöön B 3 kpl pikseleitä, joilla on 100%:n varaus ilman ylivuotoa. 3x3 binnaukselia voidaan lähtöön A summata 3 kpl pikseleitä, joilla on 44% varauksesta, ja lähtöön B 3 kpl pikseleitä, joilla on 88% varauk-25 sesta ilman ylivuotoa. 4x4 binnaukselia voidaan summata lähtöön A 4 kpl 25% varauksen pikseleitä ja lähtöön B 4 kpl 50% varauksen pikseleitä ilman ylivuotoa.

Tästä nähdään, että edes vähemmän herkempi lähtö B ei kykene käsittelemään kuva-alueelta tulevaa signaalia saturoitumatta, jos signaali ylit-30 tää 25% fyysisen pikselin varauskapasiteetista, kun käytetään lähtöä A. Keksinnön ja sen edullisten suoritusmuotojen avulla tämä tilanne voidaan korjata.

Kuvio 1 esittää erään edullisen suoritusmuodon mukaista CCD-sensoria herkkyyden ja siten dynamiikan laajentamiseksi, kasvattamiseksi. Siinä viitenumero 1-1 kuvaa koko CCD-sensorimoduulia, detektoria. Detektorin 35 varauksia vastaanottavia pikseleitä käsittävää aktiivista aluetta kuvataan viite- Ά: 5 numerolla 1-2. Kyseisenä kuvan muodostavana pintana voi olla minkä tahansa muotoinen, olennaisesti tasainen rakenne.

Esimerkiksi kaksiulotteisen CCD-sensorin kuvainformaatio voidaan lukea ulos ainakin yhdellä reunalla sijaitsevan lukurekisterin 1-4 avulla, joka 5 rekisteri liittyy toiminnallisesti mainittuun aktiiviseen alueeseen Tähän rekisteriin voidaan ladata kerrallaan esimerkiksi yksi pikselisarake. Pikselisarakkeen pikselit voivat olla yhdistettyjä keskenään eli binnattuja. Sensori käsittää myös välineet varausten siirtämiseksi lukurekisterin 1-4 lähtöön 1-4a, 1-4b, jonka jälkeen rekisteri voidaan lukea esimerkiksi sarjamuotoisesti siirtämällä varausta 10 pikseli kerrallaan, binnattuna tai ilman binnausta, lähtövahvistimen varaus-kaivoon 1-6, 1-8, josta se voidaan syöttää edelleen ulos 1-10, 1-12 CCD-sensorista 1-1.

Varauksia voidaan siis siirtää sopivin järjestelyin rekisterissä haluttuun suuntaan, pienemmän kapasiteetin lähtökaivon suuntaan tai suuremman 15 kapasiteetin lähtökaivon suuntaan. Se kumpaa lähtökaivoa kuvauksen aikana käytetään, voidaan optimoidaan dynaamisesti kuvauksen aikana, jolloin esimerkiksi elektroniikka, valintaohjelma tai niiden yhdistelmä valitsee sensorin ulostulon perusteella käytettävän lähtökaivon ja/tai binnauksen suuruuden.

Lähtövahvistimen varauskaivo 1-6, 1-8 voi sijaita jommassakum-20 massa päässä rekisteriä 1-4 tai vaihtoehtoisesti kaksi tai useampia kaivoja ja/tai vahvistimia voi sijaita rekisterin toisessa päässä tai rekisterin molemmissa päissä voi olla ainakin yksi kaivo. Keksinnön ja sen erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti lukurekisterin kummassakin päässä on siihen toiminnallisesti liittyvä ainakin yksi varauskaivo, uloslukukaivo 1-6,1-8 ja vahvistin.

25 Kaivoon voi olla liittyneenä toiminnallisesti vahvistin ja/tai puskuri ja/tai puskurivahvistin.

Kyseiset kaksinkertaiset vahvistimet voidaan suunnitella erilaisiin käyttöihin. Esimerkiksi toinen vahvistin voidaan optimoida ns. slow-scan moodia varten, jolloin kohina voidaan optimoida mahdollisimman pieneksi nopeu-30 den kustannuksella. Toinen vahvistin voidaan optimoida ns. high-speed moodia varten, jolloin lukunopeus voidaan optimoida mahdollisimman nopeaksi, mutta kohinan kustannuksella.

Kuitenkin molemmilla perinteisillä vahvistimilla lähtövahvistimien va-rauskaivoilla on ollut sama kapasiteetti. Keksinnön ja sen edullisten suoritus-35 muotojen mukaisesti tuotetaan siis ainakin kaksi ulostulokaivoa, joilla on eri ; kapasiteetit. Kapasiteettien tulee edullisesti poiketa toisistaan oleellisesti esi- s 6 merkiksi siten, että suuremman lähtökaivon kapasiteetti on noin kaksi kertaa pienemmän lähtökaivon kapasiteetti. Myös muita suhdelukuja voidaan käyttää. Mikäli kaivoja on useampi kuin kaksi voi ainakin kahden kaivon kapasiteetit poiketa toisistaan.

5 Keksintö ja sen edulliset suoritusmuodot perustuvat siis siihen, että käytetään ainakin kahta eri kapasiteetin varauskaivoa ja sensorin ulosluvun aikana voidaan valita dynaamisesti käytettävä uloslukukaivo. Valinta voidaan tehdä signaalista riippuen, signaalitiedon, esimerkiksi kuvasignaalin perusteella.

10 Tällöin saavutetaan se etu verrattuna tilanteeseen, jossa käytetään vain yhtä ulostulovahvistinta tai toisaalta käytettäessä kahta ulostulovahvistin-ta, joilla on samat kapasiteetit, että CCD-sensorin sisäisten siirto- ja ulosluku-kaivojen (ei kuva-alueen) saturaatio voidaan estää. Lisäksi keksinnön ja sen edullisten suoritusmuotojen avulla voidaan estää A/D-muuntimen yliohjaus. 15 Molemmat tilanteet ovat hyvin todennäköisiä, kun suoritetaan pikseleiden varausten yhdistämistä eli binnausta suuremmilla kuin 2x2 pikseleillä.

Kuvio 2 esittää erään kuvadatan rakennetta. Kuviossa alimmat 14 databittiä (AD0-AD13: Kuvio 6: 6-51, 6-53, 6-55, 6-57) voivat tulla pikseleiden FPGA-laitteen (Kuvio 6: 6-40) (FPGA, Field Programmable Gate Array) kuva-20 datan käsittelymoduulin 16-bittisenä summaimesta (Kuvio 6: 6-41, 6-42, 6-43, 6-44) ja rekisteristä (6-45, 6-46, 6-47, 6-48), joka voi pitää välisummat tallessa. Tämä summain voidaan nollata ennen kunkin pikselin näytteistystä, ja saatu 14-bittinen A/D-muuntimen tulos voidaan lisätä tähän summaimeen kerran. Summaan voidaan lisätä myös arvo +1, jotta tulos olisi aina suurempi kuin 0. 25 Tämä on tulos on 14-bittinen ja ylimmät 2 bittiä (ADDO ja ADD1) ovat nollia.

Eräässä tapauksessa tähän summaimeen summataan neljän peräkkäisen A/D-muuntimen arvo, jolloin tulos lähenee 16-bittistä maksimia. Mikäli huomioidaan vielä se tosiseikka, että jokaisessa CCD-sensorin sirussa voi olla kaksi lähtöä (Lähtö A ja lähtö B, joista toinen voi antaa kaksinkertaisen sig-30 naalin samalla säteilyllä), voidaan todeta, että järjestelmän kokonaisdynamiik-ka on 17-bittiä eli 131 072 harmaatasoa (16384 x 4 x 2).

Yksi CCD-sensori (Kuvio 6: 6-20) voi koostua yhdestä tai useammasta, esimerkiksi neljästä (Kuvio 6: 6-21, 6-22, 6-23, 6-24) toistensa perään saumattomasti liitetystä sirusta. Kullekin sirulle voidaan tuoda oma kellosignaa-35 linsa. Ceph-toiminnassa on käytössä kaksi identtistä CCD-sensoria. Kussakin sirussa on kaksi lähtöä (Kuvio 6: 6-25 ... 6-32). Toinen voi olla herkempi ns.

7 high sensitivity eli A-Iähtö ja toinen voi olla vähemmän herkempi ns. high capacity eli B-lähtö. Siten yhdessä CCD-sensorissa voi olla yhteensä 8 digitoitavaa lähtöä, joista samanaikaisesti käytetään esimerkiksi vain neljää lähtöä.

Käytännössä AB-lähtöjen kapasiteettisuhde on hyvin tarkkaan ΛΑ eli B-lähdön 5 signaali on puolet samalla säteilymäärällä A-lähdön signaalista.

Mikäli käytetään useampaa kuin yhtä sirua, voi kukin eri siru käsitellä tiettyä osaa potilaasta ja/tai toimia eri moodissa ja kutakin sirua voidaan ohjata yksilöllisesti tai erikseen.

Käytössä oleva lähtö voidaan valita (Kytkimet 6-33 ... 6-36 kuviossa 10 6) esimerkiksi manuaalisesti ohjausrekisterin kautta. Vaihtoehtoisesti AGC-toiminto tai jokin testitoiminto voi päättää lähdöstä. Kaikki 8 lähtöä voidaan digitoida A/D-muuntimilla, joita voi olla esimerkiksi kolme kappaletta. Kussakin A/D-muuntimessa voi olla 3-tuloinen multiplekseri eli valitsin, joten digitoitavien kanavien kokonaislukumäärä on tällöin 9. Ylimääräinen kymmenes kanava on 15 testikäytössä, jolla voidaan mitata elektroniikan ja A/D-muunnoksen kohinaa. ,

Kuviossa 6 on esitetty tilanne, jossa lähtökaivojen 6-25 ... 6-32 jälkeinen valintaelementti 6-33 ... 6-36 ohjaa toisen kaivoista yhdelle A/D-muuntimelle 6-37. Vaihtoehtoisesti molempien kaivojen ulostuloille voidaan tehdä A/D-muunnos ja vasta sitten valita valintaelementillä kumman kaivon di-20 gitoitua signaalia käytetään. Valintaelementti voi olla myös A/D-muuntimen osa ja se voi olla esimerkiksi analoginen tai digitaalinen kytkin. Kuviossa 6 on esitetty myös erästä mahdollisuutta 6-100 kellosignaalien ja/tai ohjaussignaalien tuomiseksi FPGA-elementiltä 6-40 CCD-sensoriin 6-20.

AGC-toiminnolla tarkoittaa automaattista tason tai vahvistuksen 25 säätöä. Sillä ei kuitenkaan tarkoiteta AD-muuntimien sisällä olevien ohjelmallisesti muutettavien PGA-vahvistimien (Programmable Gate Array) vahvistusta, joiden vahvistusta voidaan säätää esimerkiksi välillä 1 ... 6. Tätä vahvistusta voidaan säätää erikseen kullekin CCD-sirulle, ja säätöä käytetään lähinnä pe-rusherkkyyden optimointiin kuvantamisolosuhteiden mukaisesti (Pan/Ceph).

30 AGC-menetelmää voidaan hyödyntää kamerassa esimerkiksi seu- < raavilla kahdella tavalla. Kunkin CCD-sensorin jompaa kumpaa lähtövahvistin-ta A tai B voidaan käyttää soveltuvin osin. Koska B-vahvistimen signaalinkäsittely kapasiteetti on noin kaksinkertainen A-vahvistimeen nähden, saadaan virtuaalisesti yksi bitti lisää AD-muunnokseen. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää 35 myös CCD-sensorin ulkopuolella tapahtuvaa binnausta. Tämä on kuitenkin mahdollista vain lukurekisterin suuntaan tapahtuvalla binnauksella.

8

Mikäli suurilla binnauksilla, esimerkiksi binnaus 4x4, B-lähtövah-vistin on saturoitumassa, on mahdollista siirtyä pienempään binnaukseen CCD-sensorin sisällä, esimerkiksi binnaukseen 4x2. Tällöin pikseliarvot voidaan näytteistää kahdesti A/D-muuntimella, ja summaus voidaan suorittaa 5 esimerkiksi FPGA-laitteen sisällä aritmetiikkayksikössä. Elektroniikan aiheuttamien offsettien monikertainen summaus voidaan kompensoida tietokoneen ohjelmistoilla. Tämä ulkopuolinen summaus voi jopa olla muodossa binnaus 4x1 ja 4 summausta.

Binnauksen pienentämisessä voidaan esimerkiksi neljän varauksen 10 summauksen asemesta yhdistää lähtökaivoon vain 2 pikseliä, digitoida pikselit, ottaa seuraavat kaksi pikseliä, digitoida pikselit ja vasta sitten summata digitoidut tulokset digitaalisesti.

Edellä mainitulla tavalla saadaan kokonaisdynamiikkaa kasvatettua 17-bittiseksi, joista biteistä 14 bittiä saadaan AD-muunnoksesta, 1 bitti A- tai B-15 vahvistimen lähdöstä ja 2 bittiä ulkopuolisesta summauksesta, joka voidaan tehdä siis 4 kertaa.

Kuviossa 3 kuvataan esimerkinomaisesti erästä menetelmää kuvauksen suorittamiseksi ja kuvauksen aikaista FPGA-laitteen automaattisen vah-vistuksensäädön (AGC) ohjauslogiikkaa. Kuvaus käynnistyy normaalisti valitul-20 la alkuarvolla, default-binnauksella. Alussa voidaan käyttää kunkin CCD-sensorin sirun lähtöä A. Koska kunkin sirun lukurekisteriä voidaan ohjata yksilöllisesti, voidaan sirukohtaisesti valita, kumpaan suuntaan varausta siirretään. Varausta voidaan siis siirtää joko A-lähdön (1-8: kuvio 1) suuntaan tai B-lähdön (1-6: kuvio 1) suuntaan.

25 FPGA-laitteen logiikka voi monitoroida koko ajan erikseen kunkin si run A/D-muunnoksen signaalia. Vaiheessa 3-2 luetaan uusi pystyrivi CCD-sensorilta muistiin. Vaiheessa 3-4 voidaan tarkastaa, tuottiko edes yksi tällä hetkellä käytössä oleva CCD-sensorin A/D-muunnettu lähtö (Kuvio 6: 6-50, 6-52, 6-54, 6-56) esimerkiksi yli 75% signaalin A/D-muuntimesta. (Informaatio 30 signaalin koosta voi siirtyä päättelylohkoon ja esimerkiksi tilakoneeseen: Kuvio 6: 6-50, 6-52, 6-54, 6-56) Mikäli siis signaali tai osa siitä ylittää tietyn ennalta määritellyn arvon, esimerkiksi % A/D-muuntimen alueesta, voidaan siirtyä käyttämään epäherkempää lähtöä, lähtöä B, niissä siruissa, joissa tämä ehto täyttyy. Mikäli kaikki lähdöt ovat alle ensimmäisen raja-arvon, voidaan tarkastaa 35 vaiheessa 3-6 tuottivatko kaikki tällä hetkellä käytössä olevat CCD-sensorin lähdöt alle toisen ennalta määritellyn raja-arvon, alle esimerkiksi 25% signaalin 9 A/D-muuntimesta. Mikäli kaikki lähdöt ovat alle toisen raja-arvon, voidaan tarkastaa vaiheessa 3-8 onko pienin rekisterisuuntainen CCD-sensorin ulkopuolinen binnaus jo saavutettu. Mikäli pienintä ulkopuolista binnausta ei ole saavutettu, voidaan siirtyä vaiheeseen 3-10, jossa seuraavalla pystyrivillä voidaan 5 siirtyä askelta pienempään ulkopuoliseen binnaukseen. Mikäli taas pienin ulkopuolinen binnaus on jo saavutettu, voidaan vaiheessa 3-12 seuraavalla pystyrivillä siirtyä arvon alittavilla CCD-sensorin B-lähdöillä käyttämään A-lähtöä.

Eli jos signaali vastaavasti alittaa esimerkiksi kokonaisuudessaan tietyn ennalta määritellyn toisen arvon, esimerkiksi V* A/D-muuntimen alueesta, niin voi-10 daan siirtyä käyttämään herkempää lähtöä, lähtöä A, niissä siruissa, joissa tämä ehto täytyy.

Mikäli vaiheessa 3-4 ainakin yksi lähtö ylittää 75% signaalin A/D-muuntimesta, voidaan siirtyä vaiheeseen 3-14. Siinä voidaan tarkastella onko joku yli 75% signaalin tuottaneista lähdöistä jo B-lähtö. Mikäli näin ei ole, voi-15 daan siirtyä ylittävillä sensorin A-lähdöillä käyttämään B-lähtöä seuraavalla pystyrivillä vaiheessa 3-16.

Mikäli signaali edelleen ylittää V* A/D-muuntimen alueesta yhdes-säkin CCD-sensorin sirun A/D-muuntimessa, vaikka ollaan siirrytty käyttämään lähtöä B eli jossa digitoidaan B-lähtöä, voidaan vaiheessa 3-18 tarkastella, on-20 ko maksimi rekisterisuuntainen ulkopuolinen binnaus jo saavutettu. Mikäli ulkopuolista rekisterisuuntaista maksimibinnausta ei ole vielä saavutettu, voidaan vaiheessa 3-20 siirtyä käyttämään seuraavalla pystyrivillä askelta suu- : rempaa CCD-sensorin ulkopuolista rekisterisuuntaista aritmeettista binnausta esimerkiksi kaikilla siruilla. Binnausta voidaan muuttaa tarvittaessa asteittain 25 4x4 ... 1x4-tasolle ja takaisin 4x4-tasolle. Tämä binnauksen pienentäminen ei näy ulospäin kuvadatassa, koska sensorin sisällä tapahtuvan binnauksen li- ; saksi suoritetaan binnaus myös AD-muunnoksen jälkeen eli voidaan suorittaa useampi A/D-muunnos per pikseli. Tulos on silti sama, kun tämä otetaan huomioon pimeävirran kompensoinnissa. Pimeävirralla voidaan tarkoittaa piin 30 epäideaalisuuksista johtuvaa vuotovirta, jolloin pikseleihin vuotaa elektroneja, josta syystä syntyy pohjasignaali. Signaali voi kaksinkertaistua lämpötilan aina noustessa noin +7 astetta C. Pimeävirta ei ole tasainen vaan voi vaikuttaa eri pikseleihin eri tavalla.

FPGA-laitteen rakenne ja ajoitus voidaan optimoida myös tätä omi-35 naisuutta silmällä pitäen. Vaiheessa 3-22 voidaan palauttaa A-lähtö käyttöön kaikilla CCD-sensoreilla, joiden taso B-lähdössä on alle toisen raja-arvon, esi- 10 merkiksi alle 25%. Mikäli rekisterisuuntainen ulkopuolinen maksimibinnaus on jo saavutettu, voidaan vaiheesta 3-18 siirtyä vaiheeseen 3-24. Samoin vaiheiden 3-10, 3-12, 3-16 ja 3-22 jälkeen voidaan siirtyä vaiheeseen 3-24, jossa odotetaan seuraavan pystyrivin digitointia.

5 Mikäli AGC-toiminne on siis aktivoitu, automaattisen vahvistuk- sensäädön automatiikassa kamerapää voi päätellä itsenäisesti binnauksesta ja käytettävistä A/B-lähdöistä määriteltyjen ehtojen mukaisesti. FPGA-laitteen logiikkaan voidaan rakentaa hystereesi, joka estää hyppimisen lähdöltä toiselle.

Kuvadata, joka tuotetaan, voidaan merkitä kamerapäällä, jotta tietokoneen oh-10 jelmisto voi vastaavasti tehdä tarvittavat toimenpiteet kuvadatan käsittelyssä riippumatta esimerkiksi siitä, miten varsinaiset virtuaalipikselit on tuotettu.

Kun käytetään keksinnön ja sen edullisten suoritusmuotojen mukaisesti vähintään kahta eri lähtökaivoa, joilla on eri kapasiteetit, voidaan kuvion 3 päättelykaavio esittää seuraavassa muodossa. Kun käytetään pienemmän ka-15 pasiteetin lähtökaivoa, tarkastetaan ylittääkö signaali tai osa siitä ensimmäisen ennalta määritellyn arvon, esimerkiksi arvon 75%. Mikäli näin on, siirrytään käyttämään suuremman kapasiteetin lähtökaivoa. Kun taas käytetään suuremman kapasiteetin lähtökaivoa, tarkastetaan alittaako signaali tai osa siitä toisen ennalta määritellyn arvon, esimerkiksi arvon 25%. Mikäli näin on, siirry-20 tään käyttämään pienemmän kapasiteetin lähtökaivoa.

Päättelykaaviota on myös mahdollista jatkaa siten, että lähtökaivoja on useampia kuin kaksi. Tällöin voidaan siirtyä käyttämään pienemmän lähtö-kaivon asemesta suurempaa lähtökaivoa ja edelleen seuraavaa lähtökaivoa, esimerkiksi vielä suurempaa lähtökaivoa. Vastaavasti voidaan siirtyä käyttä-25 mään suuremman lähtökaivon asemesta pienempää lähtökaivoa ja edelleen seuraavaa lähtökaivoa, esimerkiksi vielä pienempää lähtökaivoa.

Kuten yllä kuvattiin, käynnistyksessä voidaan lähteä liikkeelle ennalta määrätyllä tavalla kaikilla CCD-sensorin siruilla. Lähtötilanne voi olla kiinteä ja aina sama: A-lähtö kaikilla CCD-sensoreilla, normaali valittu CCD-sensori-30 pikselibinnaus, ei CCD-sensorin ulkopuolista binnausta. Näin ollen kuvaus voi alkaa aina maksimiherkkyydestä valitulla pikselikoolla. CCD-sensorin ulkopuolinen, summaamalla tehtävä maksimibinnaus on myös rajattavissa erikseen, mikäli ei haluta että AGC-toiminto siirtyy automaattisesti pienimpään mahdolliseen herkkyyteen. On myös huomioitava, että signaalin ENABLE aktivoiduttua 35 esimerkiksi sisäisesti, FPGA-laite suorittaa kalibrointisekvenssin, jossa sekä A- että B-suuntia voidaan lukea vuorotellen oikeinpäin tai väärinpäin. Tämän ka- j i 'i 11 libroinnin aikana AGC-toiminto voi olla automaattisesti poistettuna (disable) ja se voi aloittaa toimintansa sen ollessa valittuna vasta kalibrointisekvenssin jälkeen.

Kuten edellä kuvattiin, siirryttäessä automaattisesti vähemmän her-5 kempään suuntaan seuraavalla sarakkeella voidaan siirtyä käyttämään, jos se on sallittua, CCD-sensorin sirun B-lähtöä. Tätä voidaan käyttää, mikäli A-lähtöä käytettäessä esimerkiksi n kappaletta pikselin AD-muunnosta ylittää 75% tason. Tämä tarkastelu voidaan tehdä kaikille neljän tai kahdeksan kappaleen siruille yksilöllisesti. Luku n on valittavissa välillä 1 ... 16. Oletuksena 10 voidaan pitää lukua 1. Todellinen käytettävä luku riippuu siitä, montako liian suurta signaalia tuottavaa defektiä riviä on enimmillään yhdessä ja samassa sirussa.

Mikäli on mahdollista tai sallittua, seuraavan sarakkeen kohdalla voidaan siirtyä käyttämään pienempää, koko sensorin sisäistä rekisterisuun-15 täistä binnausta, jos yhdenkään CCD-sensorin sirun B-lähdön AD-muun-noksista 1 ... 16 kappaletta ylittää edelleen 75%. Samalla voi tapahtua mahdolliset sirukohtaiset muutokset lähdöstä B lähtöön A. Tällöin mahdolliset her-kistykset voidaan sallia. Muutoksessa lähdöstä A lähtöön B epäherkistykset voidaan estää. Tässä tilanteessa samanaikaiset AB-epäherkistykset voidaan 20 estää, mikäli samalla siirrytään ulkopuolisen binnaukseen. Muussa tapauksessa näiden lähtöjen signaali voi laskea yhteen neljänteenosaan puolen asemesta.

Siirryttäessä automaattisesti herkempään suuntaan seuraavalla sarakkeella voidaan siirtyä käyttämään suurempaa CCD-sensorin sisäistä rekis-25 terisuuntaista binnausta, mikäli suurinta mahdollista binnausta ei jo käytetä, jos kaikkien B-lähtöä käyttävien sirujen AD-muunnoksista maksimissaan m kappaletta ylittää 25%. Luku m on valittavissa välillä 1... 16 ja oletusarvona voidaan pitää arvoa 1. Todellinen käytettävä luku voi riippua esimerkiksi siitä, montako liian suurta signaalia tuottavaa defektiä, saturoitunutta riviä on enimmillään yh-30 dessä ja samassa CCD-sirussa.

Tällöin mahdollisesti tapahtuvissa sirukohtaisissa muutoksissa lähdöstä B lähtöön A herkistykset voidaan estää ja muutoksissa lähdöstä A lähtöön B epäherkistykset voidaan sallia. Tässä tilanteessa samanaikaiset AB-herkistykset voidaan estää automaattisesti, jos samalla siirrytään pienempään 35 ulkopuolisen binnaukseen. Muussa tapauksessa näiden lähtöjen signaali nousisi 4-kertaiseksi tuplauksen asemesta.

12

Jos minkä tahansa sirun AD-muunnos B-lähtöä digitoitaessa ei ylitä 25%, niin seuraavalla sarakkeella voidaan siirtyä käyttämään sirun A-lähtöä.

Vastaavasti voidaan toimia käytettäessä Ceph-menetelmää CCD-sensorin päässä, jossa on kaksi CCD-sensoripakettia. CCD-sensorin (Dl-5 MAX2) FPGA-laite kykenee ohjaamaan erikseen yhteensä kahdeksan erillisen sirun rekisterin lukusuuntaa sekä yhteisesti kaikkien sirujen vertikaalibinnausta.

Vertikaalibinnauksen järjestäminen eri kokoiseksi eri CCD-sensorin siruille on myös mahdollista, vaikkakin se monimutkaistaa sekä tarvittavaa hardwares että softwares.

10 Muutettaessa edellä mainitulla tavalla vahvistusta voi myös signaa lissa oleva järjestelmäkohina ja röntgenkvanttien kohina olla eri suuri eri lähdöillä (lähtö A / lähtö B) ja/tai A/D-binnauksella. Kohina voi pienentyä, kun bin-nataan A/D-muunninta käyttäen. Tämä voidaan tarvittaessa ottaa huomioon ohjelmistossa, jossa voidaan summata kohinaa keinotekoisesti niihin alueisiin, 15 joissa se on binnaustavasta johtuen pienempää.

Pimeävirtaa voidaan vähentää joistakin pikseleistä useampaan kertaan binnaustavasta riippuen. Tämä voidaan suorittaa esimerkiksi matemaattisesti ja ohjelmallisesti. Tarvittaessa sekä A-lähdölie että B-lähdölle voidaan suorittaa pimeävirtakalibrointi ja vahvistuksen kalibrointi. FPGA-laite mahdollis-20 taa molempien lähtöjen signaalien mittauksen.

On kuitenkin huomioitava, että pienillä binnauksilla (2x2 tai 1x1) automaattisen vahvistuksen säädön toiminnosta ei ole hyötyä.

Kuvio 4 esittää taulukkoa, jossa on näytetty käytetyn erään CCD-sensorin tyypilliset varauksenkäsittelykapasiteetit. Kuviossa sarake 4-2 kuvaa 25 kapasiteettia ja sarake 4-4 kuvaa elektronien määrää. Taulukosta voidaan nähdä, että kun yhden pikselin (33um x 33um) kapasiteetti on 1 miljoona elektronia, niin lukurekisterin kapasiteetti on 3 miljoonaan elektronia, lähtövah-vistimen A kapasiteetti on 2,4 miljoonaan elektronia ja lähtövahvistimen B kapasiteetti 4,8 miljoonaan elektronia. Taatut minimikapasiteetit ovat noin 20% 30 matalammalla tasolla.

Kuvio 5 kuvaa esimerkinomaista varauskapasiteettijakautumaa elektroni varauksen siirtoon kykenevissä yksiköissä. Lohko 5-2 esittää neljän kuva-alueen pikselin tyypillistä saturaatiota, joka on noin 1 miljoona varausta, minimissään 800000 varausta. Jokaisen pikselin saturaatioarvo on noin 0,8 ... 35 1Me.

13

Kuva-alueen jokainen pikseli voidaan yhdistää summausrekisterin pikseliin. Lohko 5-4 kuvaa neljän summausrekisterin pikselin tyypillistä satu-raatioarvoa, noin 3 miljoonaa varausta sekä arvoa minimissään, noin 2,4 miljoonaa varausta. Jokaisen pikselin saturaatioarvo on siis noin 2,4 ... 3 miljöö-5 naa varausta. ;

Summausrekisterin jokainen pikseli voidaan puolestaan yhdistää lu-kurekisteriin. Lohko 5-6 kuvaa neljän uloslukurekisterin tyypillistä saturaatio- ja minimiarvoa, 3 miljoonaa varausta ja 2,4 miljoonaa varausta vastaavasti. Lohko 5-8 kuvaa lähtökaivon B tyypillistä saturaatiota, noin 4,8 miljoonaa varausta 10 ja minimiarvoa, noin 4 miljoonaa varausta vastaavasti. Lähtökaivon B ulostulosignaali 5-9 on tyypillisesti noin 3 volttia, minimissään noin 2 volttia. Lohko 2-10 puolestaan kuvaa lähtökaivon A tyypillistä saturaatiota, noin 2,4 miljoona varausta, joka varausmäärä on minimissään noin 2 miljoonaa varausta. Lähtö-kaivon A ulostulosignaali 2-11 on tyypillisesti noin 3 volttia, minimissään noin 2 15 volttia. Kuviossa 2 perusherkkyys on noin 60 mV / mR binnauksella 3x3. Pikse- . ;j

Iin koko on noin 99 mikrometriä.

Kuvion 5 esimerkistä voidaan johtaa tilanne horisontaalisuuntaan.

Tällöin 4x4 binnauksella voidaan binnata 4 horisontaalista pikseliä kuva-alueelta, jotka kuva-alueet ovat noin 75% täynnä (3000000/4=750000), ilman 20 että tapahtuu ylivuotoa lukurekisterissä. 3x3 ja tätä pienemmillä binnauksilla voidaan binnata vapaasti kuva-alueen pikseleitä lukurekisteriin ilman sen ylivuotoa.

On kuitenkin huomattava, että lähtökaivot on suunniteltava riittävän pieniksi, jotta CCD-laitteen herkkyyttä ei menetettäisi. Tällöin lähtöjännite 5-9, < 25 5-11 on sopiva AD-muunnokselle, jotta se on sekä häiriöetäisyydeltään että resoluutioltaan riittävä. Tästä voi seurata rajoituksia, vaikka käytetään kahta eri kapasiteetin lähtökaivoa.

Vertikaalisessa suunnassa, uloslukusuunnassa, 4x4 binnauksen tapauksessa signaalin kokonaistaso on noin 4x4x1 Me = 16 Me (miljoonaa 30 elektronia). Tämä on noin 6,6 kertaa enemmän kuin A-lähtökaivon kapasiteetti, ja noin 3,3 kertaa yli B-lähtökaivon kapasiteetin. Tällöin tällä binnauksella suurin keskimääräinen käsiteltävä varaus esimerkiksi 33 μηι:η koko pikselin kapasiteettia kohti ennen lähtökaivon saturaatiota on noin 15% siitä arvosta, joka saadaan A-lähtöä käytettäessä ja noin 30% siitä arvosta, joka saadaan B-35 lähtöä käytettäessä.

5 14 ' Ί Käytettäessä 3x3 binnausta signaalin kokonaistaso on noin 3 x 3 x 1 Me = 9 Me. Tämä on noin 3,75 kertaa enemmän kuin A-lähtökaivon kapasiteetti ja noin 1,875 kertaa suurempi kuin B-lähtökaivon kapasiteetti. Tällöin 3 x 3 binnauksella suurin keskimääräinen käsiteltävä varaus esimerkiksi 33 pm:n 5 koko pikselin kapasiteettia kohti ennen lähtökaivon saturaatiota on noin 26,6% A-lähtöä käytettäessä ja noin 13,3% B-lähtöä käytettäessä.

Käytettäessä 2x2 binnausta signaalin kokonaistaso on noin 2 x 2 x 1 Me = 4 Me. Tämä on noin 1,66 kertaa enemmän kuin A-Iähtökaivon kapasiteetti. Tämä 4 Me:n kapasiteetti mahtuu kuitenkin kokonaisuudessaan B-10 lähtökaivoon. Tämän takia tällä binnauksella suurin keskimääräinen käsiteltävä varaus esimerkiksi 33 pm:n koko pikselin kapasiteettia kohti ennen lähtökaivon saturaatiota on noin 60% A-lähtöä käytettäessä, mutta noin 100% B-lähtöä käytettäessä.

Mikäli binnausta ei tehdä, signaalin kokonaistaso on noin 1Me eli 15 sama kuin pikselin taso. Tällöin sekä sisäiset rekisterit että lähtökaivot voivat käsitellä signaalia ilman saturaatiovaaraa.

Kuviosta 5 voidaan nähdä, että vähemmän herkempi B-lähtö ei kykene käsittelemään saturoitumatta kuva-alueelta tulevaa signaalia 4x4 binnauksella, jos tämä ylittää noin 30% fyysisen pikselin varauksenvarastointi-20 kyvystä. Tämä ongelma voidaan kuitenkin ratkaista keksinnön ja sen edullisten suoritusmuotojen avulla.

Keksinnön ja sen edullisten suoritusmuotojen tarkoituksena on siis laajentaa CCD-sensorin dynamiikkaa ulkopuolisin keinoin mahdollisimman - suureksi. Keksinnön ja sen edullisten suoritusmuotojen mukaisesti vahvistimet 25 voidaan optimoida kohinan ja nopeuden suhteen esimerkiksi röntgenkuvan reaaliaikaiseen TDI-uloslukuun, kun varauskaivojen kapasiteetit on erisuuria.

Näin menetellen voidaan CCD-sensorin käsittelemää dynamiikka-aluetta esimerkiksi kaksinkertaistaa tai nelinkertaistaa, kun käytetään suurempia binna-uksia, esimerkiksi yli 2x2 binnausta.

30 Lisäksi järjestelyssä molempien lähtövahvistimien signaalit voidaan digitoida joko samanaikaisesti tai vuorotellen. Se, kumpaa lähtövahvistimen signaalia käytetään, riippuu itse signaalista. Sopivalla järjestelyllä voidaan CCD-sensorissa, joka voi koostua useammasta CCD-sensorisirusta, käsitellä kunkin CCD-sensorisirun signaalia erikseen ja myös päättää erikseen kumpaa 35 vahvistinta käytetään kussakin sirussa. Tämä päätös voidaan tehdä sarake sarakkeelta ja siten seurata dynaamisesti signaalitasoa ja maksimoida se koko 15 kuva-alueella. Kyseinen automaattinen rekisterin lukusuunnan ja siten vahvistimen valinta voidaan tehdä esimerkiksi itsenäisesti, ohjaavan FPGA-laitteen avulla. Tieto siitä, kumpaa vahvistinta on käytetty, voidaan välittää kuvadatassa erikseen rivi riviltä sekä myös CCD-kohtaisesti, jotta kalibrointiohjelma osaa 5 ottaa tämän huomioon kuvadataa käsiteltäessä. Kuvadataa voidaan siirtää 16-bittiä/pikseli, vaikka kyseessä on 14-bittinen muunnos.

Mikäli käytetään esimerkiksi 14-bittistä A/D-muunnosta, voidaan se helposti nostaa virtuaalisesti 15-bittiseksi (dynamiikan kahdennus, mikäli lähtö-vahvistimien kaivojen kapasiteettisuhde on 2:1) edelleen samaa A/D-muun-10 nosta käyttäen.

CCD-sensorikamerassa voidaan siis valita käytetäänkö lähtöä A vai lähtöä B. Tämä valinta voidaan tehdä esimerkiksi manuaalisesti tai AGC-laitteen avulla automaattisesti sirukohtaisesti, esimerkiksi kaikilla kahdeksalla sirulla, chipillä. Sekä rekisterisuuntainen binnaus että horisontaalisuuntainen 15 binnaus ovat kuitenkin aina samat kaikille siruille. Mikäli näin ei menetellä, tuotettaisiin tietokoneelle kuvadataa, jossa kaikki pikselit eivät olisi samankokoisia. Vaikka kameran kamerapää siirtyy käyttämään CCD-sensorin sisäisesti pienempää binnausta, niin virtuaalipikselit säilyvät saman kokoisina. Puuttuva sensorin sisällä tapahtuva binnaus voidaan korvata näkymättömästi AD-20 binnauksella.

Binnaus on siis kaikille siruille yhteinen, kun taas A/B-suunta voidaan valita yksilöllisesti manuaalisesti tai automaattisesti AGC-laitteen avustuksella kullekin sirulle erikseen. On myös mahdollista eriyttää AD-binnaus si-rukohtaiseksi.

25 Eräässä edullisessa suoritusmuodossa osa siruista voi siirtyä takai sin käyttämään herkempää A-lähtöä, kun taas muut sirut voivat tuottaa niin suurta signaalia, että tarvitaan sekä B-lähtöä että CCD-laitteen ulkopuolista binnausta. Toisin sanoin, jos yksikin sirun B-lähtö antaa liikaa signaalia siten, että täytyy siirtyä pienempään sisäiseen binnaukseen, muut sirut voivat va-30 päästi siirtyä takaisin A-suuntaan, mikäli signaali laskee niissä liian pieneksi. Ohjauslogiikka A/B-lähdöille eli yhteensä esimerkiksi 8 sirulle, voi olla erillinen, mutta FPGA-laitteen sisällä voi olla yhteinen binnauslogiikka.

CCD-sensorin A/D-muuntimen dynamiikkaa (DIMAX2 laitteessa 14-bittinen A/D-muunnin = 16384 erillistasoa) voidaan siis laajentaa keksinnön ja 35 sen edullisten suoritusmuotojen mukaisesti esimerkiksi 8-kertaiseksi (17-bitti-seksi = 131072 erillistasoa). Tämä laajennus tapahtuu CCD-sensorin (Dl- 16 "\ MAX2) päässä automaattisesti ja kuvasignaalista riippuen. Dynamiikkaa voidaan kasvattaa kaksinkertaiseksi, kun siirrytään käyttämään suuremman kapasiteetin lähtökaivoa pienemmän lähtökaivon asemesta. Dynamiikkaa voidaan edelleen kasvattaa nelinkertaisesti, kun siirrytään käyttämään 4x4 binna-5 uksen asemesta 4x2 binnausta ja tämän jälkeen 4x1 binnausta. Kaiken kaikkiaan tällä tavoin dynamiikkaa voidaan siten kasvattaa edellä mainittu määrä eli kahdeksankertaistaa se.

Sensori pystyy lähettämään kuvadatan aidosti 17-bittisenä tietokoneelle. Lisäksi on huomioitava, että kuvadataa voidaan kompressoida tietoko-10 neella 12-bittiseksi (tulevaisuudessa 16-bittiseksi) heti kun kuvauksen minimi- ; ja maksimi-intensiteetit ovat tiedossa. Riippumatta tästä on edullista kuvata itse kohde maksimidynamiikalla. Gamma-korjaus voidaan suorittaa samanaikaisesti, kun kuvadata muutetaan 12-bittiseksi, jotta lopullisessa kuvassa voidaan säilyttää mahdollisimman suuri dynamiikka.

15 Pikselin binnaus voidaan suorittaa myös vuorotellen käyttäen bin nausta, jossa kaksi pikseliä binnataan CCD-sensorin rekisterisuunnassa ja näytteistetään ja tämän jälkeen digitoidaan vielä yksi pikseli binnaamatta ja tämän tulos lisätään edelliseen binnattuun pikseliin. Kyseistä binnaustapaa voidaan käyttää, mikäli valittu alkuperäinen binnaus rekisterisuuntaan on noin 20 kolminkertainen ja mikäli joudutaan siirtymään vähemmän herkempään suuntaan AGC-laitteen ollessa aktivoituna.

Kyseisen kolminkertaisen binnauksen aikana voi syntyä symmet-riavirhettä, kun siirrytään ulkopuoliseen summausbinnaukseen, mikäli summataan ensin 2 CCD-sensorin sisällä binnattua pikseliä ja tämän jälkeen vielä yksi 25 erillinen CCD-laite. Kuitenkin myös tämä tilanne voidaan ottaa huomioon ohjelmallisesti.

AGC-toiminto on riippuvainen vain rekisterisuuntaisesta binnaukses-ta. Horisontaalisuunnan, TDI-suunnan binnauksella ei ole merkitystä. Horison-taalisuunnan binnaus voi olla eri kuin vertikaalisuunnan. Tällöin kuitenkin tuote-30 tut pikselit eivät tällöin ole tasasivuisen neliön kokoisia.

Keksinnön ja sen edullisten suoritusmuotojen avulla voidaan myös huolehtia siitä, että CCD-sensorissa on erilliset lähdöt ainakin kahdelle eri kapasiteetille.

Keksinnön ja sen edullisten suoritusmuotojen mukainen järjestely 35 voidaan integroida yhdelle CCD-sirulle käyttäen yhtä tai useampaa mikropiiriä. .!

On myös mahdollista integroida laitteen CCD-etuasteisiin tämän lisäksi vielä 17 esimerkiksi PGA-vahvistimet. Näiden vahvistimien vahvistus on säädettävissä esimerkiksi välillä x1 ... x6 64-portaisesti (nykyään x1).

Käyttämällä keksintöä ja sen edullisia suoritusmuotoja ja säätämällä vahvistus sopivaksi signaalitasoon nähden (Ceph/Pan) voidaan saada aikaan [ 5 optimitulos sekä kohinan että dynamiikan suhteen. Koska signaalitaso varsin- - kin Ceph-kuvissa on erittäin pieni, lisävahvistuksella voidaan pienentää myöhempiä kuvakäsittelyn artefaktoja ja järjestelmän kohinaa. Lisäksi keksinnön ja sen edullisten suoritusmuotojen mukainen laite estää edelleenkin saturaation.

Myös esimerkiksi samassa kallokuvauksessa on mahdollista saada pehmeät 10 osat, kudokset, mukaan kuvaan esimerkiksi ohjelmallisesti (Soft-tissue-suodatin).

Keksinnön ja sen edullisten suoritusmuotojen mukainen CCD-sensori tuottaa hyvin suurella dynamiikalla olevaa 16-bittistä kuvadataa, pikse-leitä, jota kuvadatan rakennetta kuvataan esimerkinomaisesti kuviossa 2. Yh-15 den pikselin harmaatason esittämiseen tarvitaan siten 2 tavua. Datavirrassa ensimmäisenä esiintyvässä tavussa on alemmat 8-bittiä (AD0-AD7) ja seuraa-vassa esiintyvässä tavussa ylimmät 8-bittiä (AD8-ADD1). A/D-muunnos on itsessään 14-bittinen. Tämä A/D-muunnoksen bittimäärä on perusteltavissa siten, että järjestelmän oma kohina on hyvin pientä.

20 Keksinnön ja sen edullisten suoritusmuotojen mukainen CCD- sensori ratkaisee siten rajallisen dynamiikka-alueen ja yliohjaustilanteesta tapahtuvan hitaan toipumisen ongelmat. Käyttämällä 14-bitttistä muunnosta ja pitämällä järjestelmän kohina pienenä päästään ihannetilanteeseen, jossa yksi A/D-muuntimen askel vastaa CCD-sensorin lähtövahvistimen omaa kohina-25 tasoa. Lopullisen kuvan signaalikohinasuhteen määrää röntgensäteilyn kvant-tikohina. Normaalikuvaustilanteessa kaksi ylintä bittiä (ADD1 ja ADDO) 16-bittisestä pikselin arvosta voivat olla nollia.

Poikkeuksia on kuitenkin kaksi tilannetta. Keksinnön ja sen edullisen suoritusmuotojen mukainen automaattisen vahvistuksensäädön toiminta on 30 saattanut siirtää suurella säteilymäärällä CCD-sensorin pikselien binnauksen sellaiseen muotoon, jossa rekisterisuuntainen binnaus tehdään binnaamalla harvempia pikseleitä yhteen. Jotta tilanne säilyisi samana, voidaan peräkkäisten pikseleiden näytteistettyjä arvoja summata FPGA-laitteen sisällä. Täten x4 binnaus voi esimerkiksi muuttua muotoon x2 + x2 tai pahimmassa tapaukses-35 sa muotoon x1 + x1 + x1 + x1. Tällöin 16-bittisen pikselin lukuarvo lähenee arvoa OxFFD, kun neljä 14-bittistä lukuarvoa summataan yhteen. AGC-laite voi 18 kuitenkin hoitaa kaiken tämän itsenäisesti. Tässä summaustilanteessa voidaan signaalista vähentää summauskertoja vastaava määrä pimeävirran offsettia.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus-5 muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdel- j la patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (24)

1. CCD-sensorijärjestely (1-1) panoraama- ja/tai kalloröntgenkuva-usta varten, joka käsittää CCD-sensorin, joka käsittää - detektorin (1-2), jossa on varauksia vastaanottavia pikse- 5 leitä käsittävä aktiivinen alue; - lukurekisterin (1-4), joka liittyy toiminnallisesti mainittuun aktiiviseen alueeseen; - välineet varausten siirtämiseksi aktiiviselta alueelta luku-rekisteriin (1-4); 10. välineet varausten siirtämiseksi lukurekisterin (1-4) läh töön (1-4a, 1-4b); - ainakin kaksi, ensimmäisen ja toisen uloslukukaivoa (1-6, 1-8), jotka liittyvät toiminnallisesti lukurekisteriin (1-4); sekä 15. välineet varausten siirtämiseksi lukurekisterin (1-4) läh döstä (1-4a, 1 -4b) uloslukukaivoon (1-6,1-8), tunnettu siitä, että mainitulla ainakin kahdella uloslukukaivolla (1-6, 1-8) on erisuuruiset kapasiteetit ja että sensoriin tai sensorin kanssa toiminnalliseen yhteyteen on järjestetty välineet kyseisten ulostettujen varauksi- 20 en aikaansaaman signaalin mittaamiseksi ja valintavälineet ainakin osittain mainitun mitatun signaalin perusteella sen päättämiseksi, vaihdetaanko käytettävää uloslukukaivoa (1-6, 1-8) sensorilta ulostettavan kuvan ulosluvun aikana.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sensorijärjestely, tunnettu 25 siitä, että se lisäksi käsittää uloslukukaivojen (1-6, 1-8) kanssa toiminnalliseen yhteyteen järjestetyt valintavälineet, jotka on sovitettu valitsemaan minkä ulos-lukukaivon (1-6,1-8) kautta CCD-sensorilta (1-1) tuleva signaali luetaan.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen sensorijärjestely, tunnettu siitä, että se käsittää välineet A/D-muunnoksen suorittamiseksi valitulle senso- 30 rin ulostulosignaalille.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sensorijärjestely, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää uloslukukaivojen (1-6, 1-8) kanssa toiminnalliseen yhteyteen järjestetyt A/D-muuntimet, jotka on sovitettu muuntamaan ainakin yhden uloslukukaivon signaali.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen sensorijärjestely, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää valintavälineet, jotka on sovitettu A/D-muunnoksen jälkeen valitsemaan minkä uloslukukaivon (1-6, 1-8) kautta CCD-sensorilta (1-1) tuleva signaali luetaan.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sensorijärjestely, tunnettu siitä, että sensoriin tai sensorin kanssa toiminnalliseen yhteyteen 5 on järjestetty välineet, jotka on sovitettu tarkastamaan (3-4) ylittääkö ainakin osa valitusta signaalista ennalta määritellyn ensimmäisen raja-arvon ja mikäli ylittää antamaan signaalin siitä, että siirrytään (3-16) käyttämään seuraavan pystyrivin lukemisessa suuremman kapasiteetin uloslukukaivoa (1-6, 1-8) pienemmän kapasiteetin uloslukukaivon (1-6, 1-8) asemesta.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sensorijärjestely, tunnettu siitä, että sensoriin tai sensorin kanssa toiminnalliseen yhteyteen on järjestetty välineet, jotka on sovitettu tarkastamaan (3-4) alittaako ainakin osa valitusta signaalista ennalta määritellyn toisen raja-arvon ja mikäli alittaa antamaan signaalin siitä, että siirrytään (3-16) käyttämään seuraavan pystyri-15 vin lukemisessa pienemmän kapasiteetin uloslukukaivoa (1-6,1-8) suuremman kapasiteetin uloslukukaivon (1-6, 1-8) asemesta.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-7 mukainen sensorijärjestely, tunnettu siitä, että uloslukukaivo (1-6,1-8) on vahvistin.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-8 mukainen sensorijärjes-20 tely, tunnettu siitä, että uloslukukaivot (1-6, 1-8) sijaitsevat lukurekisterin (1-4) kummassakin päässä tai toisessa päässä.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-9 mukainen sensorijärjestely, tunnettu siitä, että toisen uloslukukaivon (1-6) kapasiteetti on noin kaksi kertaa ensimmäisen uloslukukaivon (1-8) suuruinen.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-10 mukainen sensorijär jestely, tunnettu siitä, että detektorin (1-2) ja lukurekisterin (1-4) väliin, niiden kanssa toiminnalliseen yhteyteen on järjestetty rekisteri varausten summaamiseksi ennen niiden siirtämistä lukurekisteriin (1-4).

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-11 mukainen sensorijär-30 jestely, tunnettu siitä, että se edelleen käsittää välineet pikseleiden varausten käsittelemiseksi ennen niiden siirtämistä lukurekisteriin (1-4).

13. Menetelmä panoraama- ja/tai kalloröntgenkuvausta varten järjestetyn CCD-sensorin (1-1) dynamiikan laajentamiseksi, tunnettu siitä, että järjestetään CCD-sensorin (1-1) lukurekisterin (1-4) kanssa toiminnalliseen 35 yhteyteen ainakin kaksi, ensimmäinen ja toinen, uloslukukaivoa (1-6,1-8), joilla on erisuuruiset kapasiteetit ja joka menetelmä käsittää vaiheet: - vastaanotetaan varauksia pikseleitä käsittävällä aktiivisella alueella; - luetaan (3-2) aktiivisen alueen pikseleiden ensimmäisen pystyrivin varaukset aktiiviselta alueelta uloslukurekisteriin 5 (1-4); - siirretään varaukset uloslukurekisterin (1-4) lähtöön (1-4a, 1 -4b); - siirretään varaukset uloslukurekisterin (1-4) lähdöstä (1-4a, 1-4b) uloslukukaivoon (1-6,1-8); 10. mitataan sensorilta ulostulevaa varauksien aikaansaamaa signaalia; ja - päätetään ainakin osittain mainitun mitatun signaalin perusteella vaihdetaanko käytettävää uloslukukaivoa (1-6,1- 8. sensorin seuraavan pystyrivin ulosluvun aikana.

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu sii tä, että valitaan minkä uloslukukaivon (1-6,1-8) kautta CCD-sensorilta (1-1) tuleva signaali luetaan ja suoritetaan valitulle sensorin ulostulosignaalille A/D-muunnos.

15. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu sii- 20 tä, että suoritetaan A/D-muunnos ainakin yhden uloslukukaivon signaalille ja valitaan A/D-muunnoksen jälkeen minkä uloslukukaivon (1-6,1-8) kautta CCD-sensorilta (1-1) tuleva signaali luetaan.

16. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 13-15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tarkastetaan (3-4) ylittääkö ainakin osa valitusta 25 signaalista ennalta määritellyn ensimmäisen raja-arvon ja mikäli ylittää siirrytään (3-16) käyttämään seuraavan pystyrivin lukemisessa suuremman kapasiteetin uloslukukaivoa (1-6, 1-8) pienemmän kapasiteetin uloslukukaivon (1-6, 1-8) asemesta.

17. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 13-16 mukainen menetel- 30 mä, tunnettu siitä, että tarkastetaan (3-4) alittaako ainakin osa valitusta signaalista ennalta määritellyn ensimmäisen raja-arvon ja mikäli alittaa siirrytään (3-16) käyttämään seuraavan pystyrivin lukemisessa pienemmän kapasiteetin uloslukukaivoa (1-6, 1-8) suuremman kapasiteetin uloslukukaivon (1-6, 1-8) asemesta.

18. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 13-17 mukainen menetel mä, tunnettu siitä, että uloslukukaivo (1-6, 1-8) on vahvistin.

19. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 13-18 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että uloslukukaivot (1-6, 1-8) sijaitsevat lukurekisterin (1-4) kummassakin päässä tai lukurekisterin toisessa päässä.

20. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 16-19 mukainen menetel-5 mä, tunnettu siitä, että ensimmäinen ennalta määritelty raja-arvo on 75%.

21. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 16-20 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toinen ennalta määritelty raja-arvo on 25%.

22. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 13-21 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan sensorilta ulosluetun signaalin signaalita- 10 soa, ja mikäli signaalitaso ylittää ennalta määritellyn raja-arvon, säädetään varausten uloslukua sensorilta siten, että pienennetään ennen uloslukukaivossa olevien varausten uloslukua uloslukukaivoon siirrettävien pikseleiden lukumäärää ja mikäli signaalitaso alittaa ennalta määritellyn raja-arvon, säädetään informaation uloslukua siten, että kasvatetaan ennen uloslukukaivossa olevien 15 varausten uloslukua uloslukukaivoon siirrettävien pikseleiden lukumäärää.

23. Patenttivaatimuksen 22 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään ennalta määritelty raja-arvo uloslukukaivon saturaatiotason funktiona.

24. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 13-23 mukainen menetel-20 mä, tunnettu siitä, että ulosluetun signaalin signaalitason mittaamiseksi käytetään anturia, joka käsittää ainakin kaksi eri kapasiteetin uloslukukaivoa, ja mikäli alemman kapasiteetin lähtökaivo saturoituu mittauksen aikana siirrytään käyttämään suuremman kapasiteetin uloslukukaivoa.