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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gewinnen einer auf Rontgenstrahlen bezogenen Spektrumsinformation zu Bildpunkten in einem Rasterbild.
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Röntgenbilder, die gerastert vorliegen, entstehen dadurch, dass Röntgenstrahlendetektoren eingesetzt werden, die eine Mehrzahl von Bildpunktelementen haben. Jedes Bildpunktelement dient zur Gewinnung einer entsprechenden Information, die dem zugehorigen Bildpunkt in einem Rasterbild zugeordnet wird.
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Bisher gewinnt man eine einzige Information, nämlich einen Grauwert, der ein Maß für die Schwächung von Rontgenstrahlen, wie sie von einer Röntgenstrahlenquelle ausgehen, durch ein zwischen Röntgenstrahlenquelle und dem jeweiligen Bildpunktelement des Rontgenstrahlendetektors befindliches Objekt ist.
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Ein verbreiteter Röntgenstrahlendetektor umfasst Fotodioden, auf denen ein Szintillatormaterial angeordnet ist. Eine Szintillatorschicht wandelt Rontgenquanten in Lichtquanten um, und zwar jedes Rontgenquant in eine Mehrzahl von Lichtquanten, wobei die Gesamtenergie der Lichtquanten mit der Energie der Röntgenquanten skaliert. Die Fotodioden erfassen die Gesamtenergie aller auf ihnen auftreffenden Lichtquanten. Ein entsprechender Messwert steigt Lichtquant fur Lichtquant immer mehr an. Man erhält somit fur jedes Bildpunktelement die Summe (das Integral) über die Lichtquantenenergien und damit der Rontgenquantenenergien als Messwert.
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Ein von Rontgenstrahlen durchdrungender Körper schwacht Rontgenquanten unterschiedlicher Energien nun in unterschiedlichem Maße. Da eine Rontgenstrahlenquelle üblicherweise ein breitbandiges Spektrum aufweist, wäre eine Information dar- uber wunschenswert, wie einzelne Frequenzbander aus dem Spektrum geschwacht werden. Steht diese Information zur Verfugung, lassen sich Bereichen in dem durchleuchteten Körper Materialien zuordnen, z. B. kann festgestellt werden, ob ein Bereich aus Knochenmaterial oder Metall besteht, es kann zwischen unterschiedlichen Metallen unterschieden werden etc.
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Zur Erkennung unterschiedlicher Materialien verwendet man bisher in Durchleuchtungsanlagen, wie sie beispielsweise bei der Kontrolle in Flughafen eingesetzt werden, mehrere Bilder, die mit unterschiedlichen Röntgenstrahlenspektren aufgenommen werden.
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Ein Entwicklungstrend geht nun dahin, Rontgenstrahlendetektoren bereits so zu bauen, dass sie eine Energieauflösung aufweisen. Bisherige Konzepte hierfür basieren auf Wandlern, die Rontgenstrahlen unmittelbar in Elektronen wandeln. Solche Wandler, z. B. auf der Grundlage von Cadmiumtellurid (CdTe), sind schwer herstellbar, können nur kleinflächig bereitgestellt werden, und eine aufwendige Kachelung („Tiling”) erscheint erforderlich.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Gewinnen einer auf Röntgenstrahlen bezogenen Spektrumsinformation zu Bildpunkten in einem Rasterbild bereitzustellen, das mit vergleichbar geringem Aufwand umsetzbar ist und dennoch eine zufriedenstellende Spektrumsinformation bereitstellt.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten gemaß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemaß wird ein Rontgenstrahlendetektor bereitgestellt, der eine Mehrzahl von Bildpunktelementen aufweist, denen jeweils ein Bildpunkt in dem Rasterbild entspricht, wobei jedes Bildpunktelement eine Fotodiode zum Erfassen von Lichtquanten aufweist, und wobei über den Fotodioden Szintillatormaterial angeordnet ist, das Rontgenquanten in Lichtquanten für die Fotodioden wandelt (zum Wandeln ausgelegt ist). Man verwendet somit einen Rontgenstrahlendetektor klassischen Typs. Bei der Erfindung wird dann eine Auslesefrequenz festgelegt. Diese soll aufgrund der Bauweise des Rontgenstrahlendetektors verwirklichbar sein. Mit der Auslesefrequenz werden die Bildpunktelemente ausgelesen und zurückgesetzt, wobei jedes Auslesen und Zurucksetzen einer Bildpunktaufnahme entspricht. Ferner wird bei der Erfindung auch eine einer Röntgenstrahlenquelle zugeordnete Dosis pro Bildaufnahme festgelegt. Das Festlegen der Auslegefrequenz und der Dosis erfolgt abgestimmt, also passend zueinander, derart, dass bei einer Bildaufnahme mit der festgelegten Dosis und bei der festgelegten Auslegefrequenz nur höchstens ein vorbestimmter Anteil der Bildpunktelemente Lichtquanten empfängt. Insbesondere geringe Dosen, wie bei der Fluoroskopie ublich, und hohe Auslesefrequenzen, wie sie mit Hochgeschwindigkeits-Röntgenflachdetektoren auf der Basis von CMOS verwirklichbar sind, lassen sich miteinander kombinieren, um diese Bedingung zu erfüllen. Im Rahmen der Erfindung wird nun eine Mehrzahl von Malen die Röntgenstrahlenquelle derart betrieben, dass sie die festgelegte Dosis abgibt und es erfolgt ein Auslesen der Bildpunktelemente mit der Auslesefrequenz. Zu jedem Bildpunktelement, das Lichtquanten empfangt, wird die Gesamtenergie der Lichtquanten dann nach einer vorbestimmten Vorschrift erfasst. Daraus wird dann unmittelbar die Energie eines Röntgenquants zu einem jeweiligen Bildpunktelement abgeleitet, und die so gewonnenen Informationen zur Energie von Röntgenquanten, die den Bildpunktelementen zugeordnet sind, werden zusammengefasst. Das Rasterbild umfasst somit eine mehrdimensionale Information, d. h. jedem Bildpunkt ist eine Information zu einem Spektrum zugeordnet, d. h. zu einer Mehrzahl von Energien ein Schwachungskoeffizient.
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Das erfindungsgemäße Verfahren geht somit davon ab, Direktwandler wie Cadmiumtellurid zu verwenden. Es beruht somit vielmehr auf der Erkenntnis, dass herkommliche Hochgeschwindigkeits-Röntgenflachdetektoren in Verbindung mit herkommlichen Rontgenstrahlenquellen bereits das Verfahren ermoglichen, und dass bei der erwarteten Zunahme in der Auslesefrequenz bzw. -geschwindigkeit in den kommenden Jahren immer präzisere Messungen möglich werden.
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Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung beinhaltet die vorbestimmte Vorschrift, nach der aus der Gesamtenergie von Lichtquanten die Energie eines Rontgenquants zu einem jeweiligen Bildpunktelement abgeleitet wird, dass aus einer Gruppe von benachbarten Bildpunktelementen, die bei einem aus der Mehrzahl von Malen Lichtquanten empfangen, jeweils einem ausgewahlten Bildpunktelement (insbesondere einem (bzw. demjenigen) mit der höchsten Gesamtenergie der empfangenen Lichtquanten, oder auch einem zentralen Bildpunktelement, das von den anderen Bildpunktelementen umgeben ist) die Energie eines Rontgenquants zugeordnet wird, welches der Gesamtheit der von der Gruppe empfangenen Lichtquantenenergie entspricht. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass durch die Dicke des Szintillators bedingt die von einem Röntgenquant erzeugten Lichtquanten nicht alle auf derselben Fotodiode auftreffen, sondern auf einander benachbarten Fotodioden.
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Der vorbestimmte Anteil liegt bevorzugt zwischen 1/250 und 1/15, insbesondere zwischen 1/100 und 1/20. Auf diese Weise lassen sich bei jedem Auslesevorgang (bei jeder Bildaufnahme) einzelne Röntgenquanten in ihrer durch die Lichtquanten entstehenden Spur eindeutig identifizieren. Sonst konnte es dazu kommen, dass durch zwei verschiedene Rontgenquanten Lichtquanten entstehen, die auf derselben Fotodiode auftreffen, sodass dann eine Zuordnung nicht mehr ausreichend gut möglich ware.
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Durchschnittszahlen für die Auslesefrequenz, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren gut funktioniert, sind 5000 Hz oder mehr bei einer Dosis von 200 nGray, wie sie bei der Fluoroskopie auftreten.
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Auslesefrequenzen von mindestens 5000 Hz sind für Rontgenflachdetektoren mit kleinerer Fläche schon realisiert, und eine Mehrzahl solcher Module lasst sich im Rahmen eines modularen Aufbaus zusammenfassen, wozu im Fachgebiet schon Konzepte existieren, bei denen mehrere Waferschichten übereinanderliegen.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der
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1 in perspektivischer Ansicht einen Rontgenflachdetektor veranschaulicht, wie er zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzbar ist, und
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2 die bei einer einzelnen Bildaufnahme bei hoher Auslesefrequenz und niedriger Rontgenstrahlendosis gewonnen Grauwerte veranschaulicht, wie sie Grundlage zur Zuordnung von Rontgenquantenenergien sind.
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Ein im Ganzen mit 10 bezeichneter Rontgenstrahlendetektor umfasst einen Trager 12, auf dem Fotodioden 14 mit zugehoriger Elektronik 16 (inklusive eines Schalters) angeordnet sind. Über den Fotodioden 14 befindet sich eine Szintillatorschicht 18. Rontgenquanten hv treffen auf der Szintillatorschicht 18 auf, und diese wandelt die Röntgenquanten jeweils in Lichtquanten, deren Gesamtenergie zur Energie der Röntgenquanten ist. Diese Lichtquanten treffen auf den Fotodioden 14 auf, und ein entsprechendes Messsignal steigt in an sich bekannter Weise mit der Energie der aufgetroffenen Lichtquanten. In einem bestimmten Auslesetakt wird dann das Messsignal ausgelesen und jeweils auf Null zurückgesetzt, symbolisiert ist dies in der Figur durch den Pfeil 20 an den elektronischen Ausleselementen 22. Hier ist davon ausgegangen, dass ein Rontgenstrahlendetektor 10 in der in 1 gezeigten Art an sich bekannt ist. Verwendet werden soll ein Rontgenstrahlendetektor 10, der eine besonders hohe Auslesefrequenz ermöglicht, von mindestens 5000 Hz, bevorzugt bis zu 10000 Hz oder mehr. Vorliegend geht es um eine neuartige Betriebsweise: die Dosis der Rontgenstrahlung wird besonders gering gewählt, die Auslesefrequenz aber besonders hoch gewahlt. Dann lässt sich bei einem Auslesevorgang ein Rontgenbild nach Art des in 2 gezeigten Röntgenbildes 24 realisieren. Hier sind nur auf lediglich 1/15 der einzelnen Fotodioden 14 Lichtquanten aufgetroffen.
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Eine entsprechende Bedingung lasst sich zur Auslesefrequenz und Dosis bestimmen. Man geht dabei beispielsweise von 30 Lichtquanten pro Quadratmillimeter der Detektorflache und pro nGray Dosis aus. Bei einer Große der Fotodioden 14 von 150 μm mal 150 μm entspricht dies ca. einem Quant pro Bildpunktelement und pro nGray. Sollen in einem Auslesezyklus nun signifikant weniger Bildpunktelemente, beispielsweise lediglich 1/100 der Gesamtzahl, betroffen sein, als der Rontgenstrahlendetektor Bildpunktelemente hat, muss der Zahlenwert der Frequenz der Kehrwert dieses Anteils multipliziert mit dem Zahlenwert fur die Dosis in nGray sein, man erhält also bei einem Anteil von 1/100 einen Faktor 100 auf die Dosis, bei einer Dosis für die Fluoroskopie von 100 nGray benotigt man also eine Auslesefrequenz von 10000 Hz bei einer Bildpunktelementgroße von 150 μm und 30 Rontgenquanten pro Quadratmillimeter und nGray.
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Eine solche Auslesefrequenz ist moglich; will man den Rontgenstrahlendetektor 10 großflachig bauen, muss man ihn gegebenenfalls modular aufbauen und fur die Elektronik eine gesonderte Waferschicht vorsehen.
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Wenn man nun bei einem Auslesevorgang ein Röntgenbild nach Art des Röntgenbildes 24 erhalt, so lassen sich einzelne Rontgenquanten an ihrer Spur erkennen, so beispielsweise im Rontgenbild 24 drei Rontgenquanten anhand der Gruppen 26, 28 und 30, wobei jede Gruppe einer Mehrzahl von Bildpunkten entspricht, denen von Null verschiedene Grauwerte zugeordnet sind. Jedem Rontgenquant lasst sich somit ein Wert fur die Röntgenquantenenergie zuordnen: Kennt man die Gesamtenergie der Lichtquanten in einer Gruppe, so lasst sich diese Rontgenquantenenergie unmittelbar ableiten. Beispielsweise sind bei der Gruppe 28 die Grauwerte viel hoher als bei der Gruppe 30, so dass die Energie des zur Gruppe 28 zugehörigen Rontgenquantes viel großer ist als bei der Gruppe 30. Diese Energie lasst sich quantifizieren und beispielsweise dem mittleren Bildpunkt 281 oder 301 zuordnen.
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Wiederholt man nun das Aufnehmen von Bildern nach Art des Rontgenbildes 24 eine hohe Anzahl von Malen, beispielsweise 10000 Mal, dann erhält man Informationen über eine sehr hohe Anzahl von Röntgenquanten, und zwar bezuglich jedes Bildpunktelementes, jeder Fotodiode 14. Kennt man nun das Spektrum einer Rontgenstrahlenquelle, die die Röntgenstrahlen abgibt, die rontgenquantenweise auf dem Fotodetektor 10 auftrifft, dann lasst sich zu jedem Bildpunkt eine Spektrumsinformation angeben. Beispielsweise kann der Energiebereich in eine Mehrzahl von Intervallen eingeteilt werden und zu jedem Intervall und Bildpunkt angegeben werden, wie viele Röntgenquanten mit einer Energie aus besagtem Intervall diesem Bildpunkt zugeordnet sind. Dadurch lasst sich eine bildpunktweise Schwachungsinformation über ein gesamtes Spektrum sammeln und jedem Bildpunkt ein bestimmtes Material zuordnen. Verwendet man den Röntgenstrahlendetektor 10 mit einer Rontgenstrahlenquelle somit zur Abbildung eines Bildobjektes unter Verwendung des hier beschriebenen Verfahrens, dann lassen sich einzelnen Bereichen des Bildobjektes, die einzelnen Bildpunkten des Rasterbildes mit der Spektrumsinformation entsprechen, Materialien zuordnen. Beispielsweise lässt sich ein aus einer Mehrzahl von Metallen bestehender Gegenstand dahingehend analysieren, welche Metalle an welcher Stelle angeordnet sind. Bei einem biologischen Objekt lassen sich beispielsweise unterschiedliche Gewebearten unterscheiden.
