DE102012215563A1

DE102012215563A1 - Dosismessvorrichtung

Info

Publication number: DE102012215563A1
Application number: DE201210215563
Authority: DE
Inventors: Oliver Schmidt; Reiner Franz Schulz; Dan Taroata; Sandro Francesco Tedde
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2014-03-06
Also published as: WO2014033112A3; WO2014033112A2

Abstract

Die Erfindung schafft eine Messvorrichtung zur Messung einer Strahlungsdosis einer bei einem Patienten applizierten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Röntgenstrahlung, mit einem Dosismessfeld. Dieses Dosismessfeld weist eine Vielzahl vorzugsweise matrixförmig verschalteter Pixel auf, die zumindest zu einer relevanten, an den bestrahlten Patienten angepassten Messfläche zusammenschaltbar sind. Die Messfläche wird bei der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung durch eine Ausleseschaltung in Echtzeit ausgelesen. Dabei ist es möglich, noch während des Messvorganges die Strahlungsquelle zur Vermeidung einer Überdosis bei dem Patienten zu regeln. Die erfindungsgemäße Dosismessvorrichtung kann bei beliebigen elektromagnetischen Strahlen, insbesondere bei hochenergetischen elektromagnetischen Strahlen, beispielsweise Gamma- oder Röntgenstrahlen, eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Dosismessvorrichtung sowohl für Diagnosegeräte als auch für Therapiegeräte, insbesondere Strahlungstherapiegeräte, eingesetzt werden.

Description

Bei vielen Anwendungen ist es notwendig, die Dosis, bzw. Dosisleistung einer elektromagnetischen Strahlung zu messen, um sicherzustellen, dass eine vorgewählte optimale Dosis appliziert wird.
In herkömmlichen Röntgengeräten, wird eine Belichtungsautomatik AEC (Automatic Exposure Control) verwendet, die eine an eine Röntgenröhre angelegte Hochspannung während der Bildaufnahme derart steuert, dass ein vor der Bildaufnahme festgelegtes Bildqualitätsniveau bei minimaler Strahlungsdosis erreicht wird.
Bei Diagnosegeräten ist gefordert, dass eine vordefinierte Bildqualität der Bildaufnahme mit einer möglichst niedrigen Strahlungsdosis erzielt wird. Die Belichtungsautomatik bzw. Dosismesskammer AEC kann beispielsweise in einer Platte unterhalb eines Patiententisches vorgesehen sein, auf dem ein Patient liegt, welcher mit einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere einer hochenergetischen elektromagnetischen Strahlung, wie beispielsweise Röntgenstrahlen, bestrahlt wird. Die Belichtungsautomatik bzw. die Dosismesskammer AEC wird eingesetzt, um im Rahmen einer automatischen Dosisregelung die auftreffende Dosisleistung zu messen, wobei beim Erreichen einer vorgegebenen Solldosis eine Strahlungsquelle automatisch abgeschaltet werden kann.
Herkömmliche AEC-Dosismesskammern weisen drei oder mehr Dosismessfelder auf, welche individuell verkabelt sind. In einer Ausleseelektronik können dabei gewünschte Messfelder ausgewählt werden. Anschließend wird die Summe der von den ausgewählten Dosismessfeldern abgegebenen Photoströme aufsummiert und die Strahlungsquelle beim Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes abgeschaltet. In konventionellen AEC-Dosismesskammern sind die Dosismessfelder nicht an die Geometrie des bestrahlten Patienten angepasst, so dass auch eine Abschaltung der Bestrahlung zur Optimierung der Dosis für den Patienten nicht individuell erfolgen kann. Daher wurde beispielsweise in der US 2011024972 eine Dosismesskammer vorgeschlagen, welche pixeliert ist und dadurch flexibel an die Geometrie eines Patienten angepasst werden kann. Dies geschieht hierbei durch Zusammenschalten mehrerer Pixel zu einer relevanten, so genannten dominanten Region bzw. Dominanten.
Bei herkömmlichen pixelierten digitalen Halbleiterdetektoren zur Bildaufnahme kommt eine Matrixauslesung der Pixel zum Einsatz. Hierbei wird vor der Bildaufnahme eine Photodiode eines Pixels in Sperrrichtung aufgeladen. Bei der Bestrahlung bzw. Aufnahme wird die Kapazität der Photodiode entladen. Nach erfolgter Aufnahme wird durch sequenzielles Öffnen eines Auswahltransistors jedes Pixel des matrixförmigen Dosismessfeldes individuell geladen und der dabei auftretende Aufladestrom gemessen. Der gemessene Aufladestrom ist proportional zur Intensität der auf die Photodiode des Pixels aufgetroffenen Strahlung. Die Spalten des Dosismessfeldes werden nach der Beleuchtung bzw. Bestrahlung sequenziell ausgelesen, so dass keine echtzeitfähige Auslesung stattfindet.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dosismessvorrichtung zum Messen einer Strahlungsdosis zu schaffen, bei der die Messung der Strahlungsdosis in Echtzeit erfolgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Dosismessvorrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft demnach eine Dosismessvorrichtung zur Messung einer Strahlungsdosis einer zur Bestrahlung eines Patienten verwendeten elektromagnetischen Strahlung mit einem Dosismessfeld, das Pixel aufweist, die zu wenigstens einer relevanten, an den bestrahlten Patienten angepassten Messfläche zusammenschaltbar sind, die durch eine Ausleseschaltung in Echtzeit auslesbar ist.
Die erfindungsgemäße Dosismessvorrichtung bietet den Vorteil, dass die Messfelder, welche zur Dosisregelung verwendet werden auf den jeweiligen Patienten eingestellt werden können und dass die Strahlungsdosis in Echtzeit gemessen werden kann Auf diese Weise kann patientenindividuell sichergestellt werden, dass die jeweils optimale vorgewählte Dosis appliziert wird.
In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung weist jedes Pixel des Dosismessfeldes mindestens eine in Sperrrichtung betriebene strahlungsempfindliche Photodiode zur Erfassung der elektromagnetischen Strahlung auf.
In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung weist die Ausleseschaltung für jedes Pixel des Dosismessfeldes zur Selektion des jeweiligen Pixels für eine relevante Messfläche Auswahltransistoren auf.
In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung sind die Auswahltransistoren eines Pixels über Auswahlleitungen zum Auslesen eines von der strahlungsempfindlichen Photodiode des selektierten Pixels gelieferten Photostromes ansteuerbar.
Dabei entspricht der ausgelesene Photostrom der Dosisleistung der auf die Photodiode des jeweiligen Pixels auftreffenden elektromagnetischen Strahlung.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung sind die Pixel des Dosismessfeldes ausgangsseitig an einen Transimpedanzverstärker der Ausleseschaltung angeschlossen, welcher den von den selektierten Pixeln der mindestens einen relevanten Messfläche abgegebenen Gesamt-Photostrom in eine dazu proportionale Photospannung umwandelt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung weist die Ausleseschaltung ein Tiefpassfilter auf, das die von dem Transimpedanzverstärker erzeugte Photospannung, die von den selektierten Pixeln der mindestens einen relevanten Messfläche erzeugt wird, tiefpassfiltert.
Bei weiteren möglichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung weist die Ausleseschaltung einen Analog/Digital-Wandler auf, der die von dem Tiefpassfilter abgegebene gefilterte Photospannung der relevanten Messfläche in einen digitalen Spannungswert umwandelt, welcher der von den selektierten Pixeln der relevanten Messfläche gelieferten Dosisleistung entspricht.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung wird der von dem Analog/Digital-Wandler der Ausleseschaltung abgegebene digitale Spannungswert einer Schaltung zur Dunkelstromkompensation zugeführt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung wird der kompensierte Spannungswert, welcher der von den selektierten Pixeln der mindestens einen relevanten Messfläche gelieferten Dosisleistung entspricht, durch einen Spannungsintegrator zu einer Spannung aufintegriert, welcher der durch die selektierten Pixel der relevanten Messfläche erfassten Strahlungsdosis der auf die Messfläche auftreffenden elektromagnetischen Strahlung entspricht.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung werden die von den selektierten Pixeln der relevanten Messflächen erfassten und aufsummierten Strahlungsdosen durch einen Komparator mit einem Strahlungsdosis-Schwellenwert verglichen, wobei der Komparator bei Überschreiten des Strahlungsdosis-Schwellenwertes einen Generator einer Strahlungsquelle zum Schutz des bestrahlten Patienten vor einer durch die elektromagnetische Strahlung hervorgerufenen Überdosis automatisch regelt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung sind die Pixel des Dosisfeldes matrixförmig angeordnet, wobei jedes Pixel zwei Auswahltransistoren zur Selektion des jeweiligen Pixels aufweist, die an eine Reihenauswahlleitung und an eine Spaltenauswahlleitung angeschlossen sind.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung weist jedes Pixel des Dosismessfeldes jeweils einen Reset-Transistor zur Initialisierung des jeweiligen Pixels für die nächste Aufnahme auf.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung weist jedes Pixel des Dosismessfeldes einen Verstärkertransistor zur lokalen Signalverstärkung des von der Photodiode des Pixels gelieferten Photostromes auf.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung weist jedes Pixel des Dosismessfeldes einen Reihenauswahlkondensator, einen Spaltenauswahlkondensator und einen Pixeltransistor zum Auslesen des von der Photodiode des jeweiligen Pixels gelieferten Photostromes auf, wobei der Pixeltransistor durchgeschaltet ist, sofern die beiden Auswahltransistoren des jeweiligen Pixels durchgeschaltet sind.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung handelt es sich bei der Strahlungsquelle um eine Röntgenstrahlungsquelle.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung sind die an den bestrahlten Patienten angepassten relevanten Messflächen des Dosismessfeldes programmierbar.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung werden die programmierbaren relevanten Messflächen des Dosisfeldes automatisch auf Basis von Patientendaten des bestrahlten Patienten und/oder auf Basis von Krankheitsdaten einer zu untersuchenden Krankheit des bestrahlten Patienten generiert.
Die Erfindung schafft ferner ein Diagnosegerät mit einer Dosismessvorrichtung zur Messung einer Strahlungsdosis einer zur Bestrahlung eines Patienten verwendeten elektromagnetischen Strahlung, mit einem Dosismessfeld, das Pixel aufweist, die zur wenigstens einer relevanten, an den bestrahlten Patienten angepassten Messfläche zusammenschaltbar sind, wobei die Messfläche durch eine Ausleseschaltung der Dosismessvorrichtung in Echtzeit auslesbar ist.
Die Erfindung schafft ferner ein Strahlungstherapiegerät mit einer Dosismessvorrichtung zur Messung einer Strahlungsdosis einer zur Strahlung eines Patienten verwendeten elektromagnetischen Bestrahlung mit einem Dosismessfeld, das Pixel aufweist, die zu wenigstens einer relevanten, an den bestrahlten Patienten angepassten Messfläche zusammenschaltbar sind, wobei die Messfläche durch eine Ausleseschaltung der Dosismessvorrichtung in Echtzeit auslesbar ist.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung mit einer darin integrierten Ausleseschaltung;
2 die matrixförmige Verschaltung von Pixeln bei der in 1 dargestellten Ausführungsvariante;
3 ein Diagramm zur Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung mit einer darin integrierten Ausleseschaltung;
4 die matrixförmige Verschaltung von Pixeln bei der in 3 dargestellten Ausführungsvariante;
5 ein Schaltdiagramm zur Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung mit einer darin integrierten Ausleseschaltung;
6 die matrixförmige Anordnung von Pixeln bei der in 5 dargestellten Ausführungsvariante;
7, 8, 9 beispielhafte Pixelgeometrien von Messflächen, die bei den ersten beiden in den 1, 3 dargestellten Ausführungsvarianten der erfindungemäßen Dosismessvorrichtung realisierbar sind;
10, 11, 12 beispielhafte Pixelgeometrien von relevanten Messflächen, die bei der in 5 dargestellten Ausführungsvariante der Dosismessvorrichtung realisierbar sind;
13, 14 Implementierungsbeispiele für Pixel innerhalb eines Dosismessfeldes der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung;
15, 16 weitere Implementierungsbeispiele für Pixel innerhalb eines Dosismessfeldes der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung.
1 zeigt ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung einer ersten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung 1. Die Dosismessvorrichtung 1 dient zum Messen einer Strahlungsdosis der für die Bestrahlung eines Patienten verwendeten elektromagnetischen Strahlung mit einem Dosismessfeld 2. Dieses Dosismessfeld 2 kann eine Vielzahl von Pixeln 3 aufweisen, die bei einer möglichen Ausführungsvariante matrixförmig angeordnet sind. Die Pixel 3 des Dosismessfeldes 2 sind dabei zu mindestens eine relevanten, an den bestrahlten Patienten angepassten Messfläche zusammenschaltbar. Die Pixel 3 der Messfläche werden bei der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung 1 durch eine Ausleseschaltung 4 in Echtzeit ausgelesen. Das Pixel 3 des Dosismessfeldes 2 weist, wie in 1 dargestellt, eine in Sperrrichtung betriebene, strahlungsempfindliche Photodiode PD auf, die zur Erfassung der elektromagnetischen Strahlung vorgesehen ist. Das Pixel 3 des Dosismessfeldes 2 weist zur Selektion des jeweiligen Pixels 3 für eine relevante Messfläche Auswahltransistoren auf.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das dargestellte Pixel 3 einen ersten Auswahltransistor T1 und einen zweiten Auswahltransistor T2 auf. Bei den Auswahltransistoren T1, T2 kann es sich beispielsweise um Feldeffekttransistoren oder Bipolartransistoren handeln. Die Auswahltransistoren eines Pixels 3 sind über Auswahlleitungen zum Auslesen eines von der strahlungsempfindlichen Photodiode PD des selektierten Pixels 3 gelieferten Photostromes ansteuerbar. Der ausgelesen Photostrom entspricht der Leistung der auf die Photodiode PD des jeweiligen Pixels 3 auftreffenden elektromagnetischen Strahlung. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Pixel 3 des Dosismessfeldes 2 matrixförmig angeordnet, wobei jedes Pixel 3 zwei Auswahltransistoren T1, T2 zur Selektion des jeweiligen Pixels 3 aufweist. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Auswahltransistor T1 an eine Spaltenauswahlleitung SC (Select Column) und der andere Auswahltransistor T2 an eine Reihenauswahlleitung SR (Select Row) angeschlossen. Die Steuerung der Auswahltransistoren T1, T2 erfolgt durch eine nicht dargestellte programmierbare Auswahlschaltung zur Auswahl von Pixeln 3 innerhalb des Dosismessfeldes 2.
Wie in 1 dargestellt, ist das Pixel 3 des Dosismessfeldes 2 ausgangsseitig an einem Transimpedanzverstärker 5 der Ausleseschaltung 4 angeschlossen. Der Transimpedanzverstärker 5 wandelt vorzugsweise den von den selektierten Pixeln 3 der mindestens einen relevanten Messfläche abgegebenen summierten Gesamt-Photostrom in eine dazu proportionale Photospannung I_PD um. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Transimpedanzverstärker 5 einen Operationsverstärker OP auf, dessen Ausgang über einen Rückkoppelwiderstand R1 an den inventierenden Eingang des Operationsverstärkers OP rückgekoppelt ist. Am Ausgang des Operationsverstärkers OP liegt eine zu dem Gesamt-Photostrom proportionale Photospannung U_PD an. Diese Spannung wird an ein Tiefpassfilter 6 der Ausleseschaltung 4 angelegt. Das Tiefpassfilter 6 führt eine Tiefpassfilterung der von dem Transimpedanzverstärker 5 abgegebenen Photospannung U_pp durch. Der Analog/Digital-Wandler 7 der Ausleseschaltung 4 wandelt die von dem Tiefpassfilter 6 abgegebene tiefpassgefilterte Photospannung in einen digitalen Spannungswert um, welcher der von den selektierten Pixeln 3 der relevanten Messflächen gelieferten Dosisleistung entspricht.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform wird der von dem Analog/Digitalwandler 7 abgegebene Spannungswert einer Schaltung 8 zur Dunkelstromkompensation zugeführt. Wenn keine elektromagnetische Strahlung, insbesondere Röntgenstrahlung, auf die Photodioden PD treffen, wird ein Dunkelstrom der aktivierten Photodioden gemessen. Wenn ein Bediener die Strahlungsquelle aktiviert, wird der gemessene Dunkelstrom genullt bzw. von dem gemessenen Signal subtrahiert.
Wie in 1 zu sehen, ist die Kompensations-Schaltung 8 ausgangsseitig an einen Integrator 9 angeschlossen. Der von der Kompensationsschaltung 8 gelieferte Spannungswert, welcher der von den selektierten Pixeln 3 der mindestens einen relevanten Messfläche gelieferten Dosisleistung entspricht, wird durch den Spannungsintegrator 9 zu einem Wert aufintegriert. Der aufintegrierte Wert entspricht der durch die selektierten Pixel 3 der relevanten Messfläche erfassten Strahlungsdosis der auf die Messfläche auftreffenden elektromagnetischen Strahlung. Die von den selektierten Pixeln der relevanten Messflächen erfassten und aufsummierten Strahlungsdosen werden durch einen nachgeschalteten Komparator 10 mit einem einstellbaren Strahlungsdosis-Schwellenwert verglichen. Bei Überschreiten des Strahlungsdosis-Schwellenwertes durch den Komparator 10 wird automatisch ein Generator 11 entsprechend geregelt, um eine Überdosis bei dem bestrahlten Patienten zu verhindern. Der Generator 11 kann beispielsweise eine Generatorspannung für eine Strahlungsquelle 12 liefern.
Bei der Strahlungsquelle 12 kann es sich beispielsweise um eine Röntgenstrahlungsquelle eines Röntgen-Diagnosegerätes handeln. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsvariante ist jedes Pixel 3 durch zwei Auswahltransistoren T1, T2 über Spaltenauswahlleitungen SC und Auswahlleitungen SR aktivierbar bzw. detektierbar.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der in 1 dargestellten Ausführungsvariante, bei dem vier Pixel 3 zu einer 2×2-Matrix geschaltet sind. Wie in 2 dargestellt, sind die vier Pixel 3-11, 3-12, 3-21, 3-22 über die Spaltenauswahlleitungen SC1, SC2 und Reihenauswahlleitungen SR1, SR2 zu einer 2×2-Matrix-Messfläche aktivierbar bzw. selektierbar. Diese Pixel 3 besitzen jeweils zwei Auswahltransistoren T1, T2 und eine lichtempfindliche bzw. strahlungsempfindliche Diode PD. Jedes Pixel 3 wird mit einer Betriebsspannung V_TOP betrieben. Diese Betriebsspannung kann für alle Pixel 3 identisch sein und über eine gemeinsame Spannungsversorgung implementiert werden.
In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden vor der Bildaufnahme die Reihen- und Spaltenauswahlleitungen SR, SC der Pixel 3 auf logisch hoch gesetzt, d.h. die Auswahltransistoren T1, T2 werden geöffnet, so dass Strom welcher von einer Photodiode PD generiert wird, von dem aktivierten Pixel 3 abfließen kann.
In dem in 2 dargestelltem Ausführungsbeispiel sind nur Messflächen realisierbar, die in Richtung der Spalten gleiche Positionen und Ausdehnungen aufweisen. Diese Pixelgeometrien sind beispielsweise in den 7, 8, 9 dargestellt. Die in den 7–9 dargestellten dunklen Flächen stellen aktivierte Pixel 3 des Dosismessfeldes 2 dar. Die aktivierten Pixel 3 bilden zusammen eine relevante Messfläche MF. Beispielsweise weist das Dosismessfeld 2 in 7 zwei relevante bzw. dominante Messflächen MF-A, MF-B mit jeweils 3 × 4 Pixeln auf. Bei 8 weist das Dosismessfeld 2 eine dominante bzw. relevante Fläche MF mit 8 × 8 selektierten Pixeln 3 auf. In 9 ist im Zentrum des Dosismessfeldes 2 ebenfalls eine einzige dominante bzw. relevante Messfläche MF vorhanden, die durch Zusammenschalten von 4 × 4 aktivierten Pixeln 3 entsteht.
Die Größe und Lage der verschiedenen relevanten Messflächen MF wird vorzugsweise an die Geometrie des zu bestrahlenden Patienten angepasst. Weiterhin können die Lage und Größe der Messflächen MF an ein Krankheitsbild bzw. einer zu untersuchenden Krankheit des Patienten angepasst sein. Die Größe und Lage der mindestens einen relevanten Messfläche sind vorzugsweise durch einen Nutzer programmierbar und werden auf Basis von Patienten- bzw. Krankheitsdaten automatisch für den jeweils zu untersuchenden Patienten generiert. Die Zeilen und Spalten der nicht aktivierten Pixel werden auf logisch niedrig gesetzt, d.h. die Auswahltransistoren der nicht selektierten Pixel sind geschlossen, so dass aus den nicht aktivierten Pixeln kein Strom abfließen kann.
Bei dem in den 1, 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es möglich, Messflächen MF mit verschiedenen Abmessungen zu selektieren. Es ist möglich mehrere Messflächen mit variablen Dimensionen bereitzustellen, die sich bei den gleichen Reihen der Matrix befinden.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung 1. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsvariante dargestellt.
In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist jedes Pixel 3 des Dosismessfeldes 2 neben dem Spaltenauswahltransistor T1 und dem Reihenauswahltransistor T2 zusätzlich einen Reset-Transistor T3 sowie einen Verstärkungstransistor T4 auf. Der Reset-Transistor T3 ermöglicht eine Initialisierung des jeweiligen Pixels 3 vor der nächsten Bildaufnahme bzw. Bestrahlung. Darüber hinaus weist das Pixel 3 einen Verstärkungstransistor T4 zur lokalen Signalverstärkung des von der Photodiode PD des Pixels 3 gelieferten Photostromes auf.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit vier Pixeln 3-11, 3-22, 3-21, 3-22, die in einer 2×2-Matrix geschaltet sind. Jedes Pixel 3 weist eine Photodiode PD auf, sowie Transistoren T1, T2, T3, T4. Dabei handelt es sich um einen Spaltenauswahltransistor T1, einen Reihenauswahltransistor T2, einen Reset-Transistor T3 zur Initialisierung bzw. zum Rücksetzen des jeweiligen Pixels 3 und um einen Verstärkertransistor T4 zur lokalen Signalverstärkung des von einer Photodiode PD abgegebenen Stromes. Darüber hinaus verfügt jede Spalte der Detektormatrix über eine Spaltenauswahlleitung SC und eine Datenausleseleitung D. Jede Zeile der Detektormatrix verfügt über eine Reihenauswahlleitung SR und eine Reset-Leitung R. Jeder Pixel 3 der Matrix wird mit einer konstanten Betriebsspannung V_TOP und mit einer Spannung zur Versorgung des Signalverstärkungstransistors T4 versorgt. Die Versorgungspannung kann für alle Pixel 3 identisch sein und über eine gemeinsame Spannungsversorgung realisiert werden. Es ist zumindest eine Versorgung vorgesehen, welche auf logisch hoch oder logisch niedrig gesetzt werden kann (Beispiel: VR = –3V entsprechend low und VR = 15 V entsprechend high).
Um eine Zeile bzw. Reihe der Detektormatrix bzw. des Dosismessfeldes 2 zu aktivieren, wird dabei folgendermaßen vorgegangen. Zunächst sind die Leitungen SC, SR und D logisch niedrig, wobei V_TOP > VR, so dass der Transistor T4 in Sättigung betrieben werden kann. Falls die Reset-Leitung R auf logisch hoch gezogen wird, wird der Reset-Transistor T3 geöffnet. Sobald die Reihenauswahlleitung SR logisch hoch gezogen wird, öffnet sich der eine Reihenauswahltransistor T2 und die Kapazität der Photodiode PD wird geladen, wobei die anliegende Spannung dem Differenzbetrag zwischen der Versorgungsspannung V_TOP und der Spannung VR entspricht (Beispiel V_TOP = 25 V, VR = 20 V, Spannungsabfall an der Photodiode PD = 5 V). Ist die Reset-Leitung R logisch niedrig, wird der Reset-Transistor T3 geschlossen, und die Kapazität der Photodiode PD des Pixels 3 bleibt geladen. An dieser Stelle wird die gesamte Zeile bzw. Reihe aktiviert. Um Ausschnitte der Zeile zu selektieren, kann durch Setzen auf logisch hoch bzw. logisch niedrig der Spalten-Auswahlleitungen SC1, SC2 die jeweiligen Spaltenauswahltransistoren T1 der Pixel 3 geöffnet werden.
Um eine Zeile bzw. Reihe des Dosismessfeldes 2 zu deaktivieren, geht man wie folgt vor:
In einer Ausgangssituation, bei denen die Leitungen SC, SR, D auf logisch niedrig liegen, wird durch Anlegen einer logisch hohen Spannung an die Reset-Leitung R der Reset-Transistor T3 geöffnet. Ist der Verstärkungstransistor T4 geschlossen, und bleibt der Reihenauswahltransistor T2 geschlossen und sorgt dies dafür, dass die Photodiode PD nicht durch eine Überspannung zerstört wird (Beispiel: VR = –3 V, V_TOP = 25 V, d.h. –28 V fallen an dem Transistor T2 ab). Wie bei der ersten Ausführungsvariante können bei der in den 3, 4 dargestellten zweiten Ausführungsvariante relevante Messflächen MF realisiert werden, die in Richtung der Spalten die gleiche Position und Ausdehnung besitzen, wie in den , 8, 9 beispielhaft dargestellt ist.
5 zeigt ein Schaltbilddiagramm zur Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung 1. In der in 5 dargestellten Ausführungsvariante verfügt jedes Pixel 3 des Dosismessfeldes 2 über drei Transistoren T1, T2, T3 und Kondensatoren C1, C2. Das Pixel 3 weist neben dem Spaltenauswahltransistor T1 und dem Reihenauswahltransistor T2 zusätzlich einen Pixeltransistor T5 auf, der zum Auslesen des von der Photodiode PD des Pixels 3 gelieferten Photostromes vorgesehen ist. Der Pixeltransistor T5 ist durchgeschaltet, sofern die beiden Auswahltransistoren T1, T2 des jeweiligen Pixels 3 durchgeschaltet sind. Der von dem durchgeschalteten Pixeltransistor T5 geleitete Photostrom wird an den Transimpedanzverstärker 5 der Ausleseschaltung 4 abgegeben, wie in 5 dargestellt. Die in 5 dargestellte Ausführungsvariante hat den wesentlichen Vorteil, dass beliebige Pixelkombinationen, d.h. Messflächen mit beliebiger Form für die Bildaufnahme selektiert werden können.
6 zeigt eine mögliche Verschaltung von vier Pixeln 3 bei der in 5 dargestellten dritten Ausführungsvariante. Jede Spalte der Detektormatrix bzw. des Dosismessfeldes 2 verfügt über eine Spalten-Auswahlleitung SC und eine Datenausleseleitung D. Jede Zeile bzw. Reihe der Detektormatrix verfügt über eine Reihenauswahlleitung SR und eine Aktivierungsleitung AL. Vor der Bildaufnahme wird sequenziell jedes Pixel 3 des Dosismessfeldes 2 individuell aus- oder eingeschaltet, indem die jeweiligen Auswahltransistoren T1 und T2 geöffnet werden. Wenn beide Auswahltransistoren T1, T2 geöffnet sind, wird der zugehörige Pixeltransistor T5 des Pixels geöffnet. Falls der Pixeltransistor T5 geöffnet ist, wird der in der Photodiode PD des Pixels 3 generierte Strom über die Ausleseleitung D, an der alle Pixel einer Spalte angeschlossen sind, dem Operationsverstärker OP des Transimpedanzverstärkers 5 zugeführt. Die Ausleseleitungen D jeder Spalte werden auf einen gemeinsamen Operationsverstärker OP geführt, so dass ein Summensignal aller aktivierten Photodioden PD generiert wird.
Bei einer möglichen Ausführungsform weist jede Ausleseleitung D einen individuellen Operationsverstärker OP auf. Auf diese Weise können Felder bzw. Messflächen MF, welche in Reihenrichtung nicht überlappen, voneinander getrennt integriert werden. Wie man beispielsweise aus den 10, 11 erkennen kann, können Messflächen voneinander getrennt gemessen werden, um sie beispielsweise in ein Verhältnis zueinander zu setzen. Beispielsweise ist es bei den in 12 dargestellten Messflächen nicht möglich, dass sich mehrere Messflächen über die gleiche Spalte erstrecken.
In einer möglichen Ausführungsform verfügt jedes Pixel 3 zusätzlich über einen Transistor T4 zur aktiven Verstärkung des Signals. Dabei kann der Verstärkungsfaktor des Transistors T4 oder des zugehörigen Operationsverstärkers OP in Abhängigkeit der Anzahl der beitragenden Pixel 3 eingestellt werden. Sind wenig Pixel 3 vorhanden, die einen entsprechend geringen Strom liefern, wird die Verstärkung entsprechend hoch eingestellt. Sind umgekehrt viele Pixel 3 vorhanden, die entsprechend viel Strom liefern, kann die Verstärkung niedrig eingestellt werden.
Bei den dargestellten Varianten der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung 1 wird der dosisproportionale Strom I durch einen Operationsverstärker OP verstärkt und in eine Spannung umgewandelt. Dieses Spannungssignal wird anschließend durch ein Tiefpassfilter 6 gefiltert. Der Analog/Digital-Wandler 7 wandelt das tiefpassgefilterte Signal in einen Wert um, für den anschließend eine Offset-Kompensierung mit Hilfe einer Kompensationsschaltung 8 durchgeführt wird. Dieser kompensierte Wert wird durch einen Integrator 9 integriert, und an einen geschalteten Komparator 10 eines Spannungsgenerators 11 angelegt. Bei Überschreiten eines Schwellenwertes kann eine Strahlungsquelle 12 abgeschaltet werden.
Bei der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung 1 können Kapazitäten in einem Pixel 3 vorgesehen werden, welche es erlauben, die Aktivität eines Pixels 3 vor einer Aufnahme zu programmieren. Es ist möglich, Summenströme aller selektierten Pixel 3 in Echtzeit auszulesen und dieses ausgelesene Signal zur Regelung bzw. Abschaltung einer Strahlungsquelle zu nutzen. Die in der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung 1 verwendete Ausleseschaltung 4 erlaubt es die Kapazitäten selektiv zu beladen und zu entladen. Damit ist es möglich beliebige an den jeweiligen Patienten angepasste Pixelkonfiguration von Messflächen MF bzw. dominante Flächen zu programmieren. Bei einer möglichen Ausführungsform werden die programmierbaren relevanten Messflächen MF des Dosismessfeldes 2 automatisch auf Basis von Patientendaten des bestrahlten Patienten generiert. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform werden die programmierbaren relevanten Messflächen MF schematisch auf Basis von Krankheitsdaten einer zu untersuchenden Krankheit des bestrahlten Patienten generiert.
Bei der in 6 dargestellten Ausführungsvariante kann zur Desaktivierung aller Pixel 3 wie folgt vorgegangen werden, wobei die Transistoren T offen sind, wenn an ihrem Gate ein logisch hohes Signal anliegt, und geschlossen sind, wenn an ihrem Gate ein logisch niedriges Signal anliegt. Liegt an der Spaltenauswahlleitung SC eine hohe Spannung an, ist der Spalten-Auswahltransistor T1 des Pixels 3 geöffnet. Wird an die Reihenauswahlleitung SR eine hohe Spannung angelegt, ist der Reihenauswahltransistor T2 geöffnet und die Kapazität C1 wird aufgeladen und weist dann ebenfalls einen hohen logischen Spannungswert auf. Anschließend wird die Aktivierungsleitung AL logisch niedrig gelegt, die Spannung an dem Kondensator C2 des Pixels 3 ist niedrig und der Pixelauswahltransistor T5 ist geschlossen. Ist die Reihenauswahlleitung SR niedrig gelegt, wird der Transistor T2 geschlossen und die Spannung an dem Kondensator C2 und an dem Kondensator C1 ist niedrig. Ist die Spaltenauswahlleitung SC niedrig gelegt, ist der Spaltenauswahl-Transistor T1 offen und die Spannung an dem Kondensator C1 bleibt niedrig.
Um ein Pixel 3 des Dosismessfeldes 2 zu aktivieren, kann wie folgt vorgegangen werden.
Ist die Spaltenauswahlleitung SC logisch hoch gelegt, wird der Transistor T1 geöffnet. Ist die Reihenauswahlleitung SR logisch hoch, wird der Transistor T2 geöffnet und die Spannung am Kondensator C1 ist hoch. Ist die Aktivitätsleitung AL logisch hoch, wird der Pixel-Transistor T5 geöffnet, und die Spannung an dem Kondensator C2 ist hoch. Wird anschließend die Reihenauswahlleitung SR logisch niedrig gelegt, wird der Transistor T2 geschlossen, wobei die Spannung an dem Kondensator C1 logisch niedrig und die Spannung an dem Kondensator C2 logisch hoch bleibt. In diesem Falle bleibt der Pixel-Selektionstransistor T5 geöffnet. Wird die Spaltenauswahlleitung SC auf logisch niedrig gezogen, wird anschließend der Transistor T1 des Pixels 3 geschlossen und die Spannung am Kondensator C1 bleibt niedrig. Anschließend wird die Aktivitätsleitung AL ebenfalls auf einen logisch niedrigen Signalpegel gezogen. In einem weiteren Schritt kann das nächste Pixel 3 des Dosismessfeldes 2 aktiviert werden.
Die Spaltenauswahlleitungen SC und die Reihenauswahlleitungen SR sind vorzugsweise sequenziell für jede Zahlen/Spalten-Kombination individuell schaltbar, beispielsweise mittels eines Multiplexers. Die Aktivierungsleitung AL kann für alle Zeilen bzw. Reihen geschlossen sein, da nur dasjenige Pixel 3 aktiviert wird, da sowohl die Spalten-Auswahlleitung SC als auch die Reihenauswahlleitung SR gleichzeitig logisch hoch sind. Die Datenausleseleitung D kann individuell für jede Spalte der Matrix ausgelesen werden oder als Summensignal ausgewertet werden.
In einer möglichen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung 1 weist das Dosismessfeld 2 10×10 Pixel 3 auf, die eine Dimensionierung von beispielsweise 43 × 43 cm haben.
Die Ausleseschaltung 4, insbesondere die Auslesetransistoren, können in einer möglichen Ausführungsvariante auf Basis von amorphem Silizium, Indium-Gallium-Zinkoxidpolymeren realisiert werden. Alternativ kann man die individuellen Schaltungen für jedes Pixel 3 auf kristallinem Silizium aufbauen und mittels eines Bestückungsautomaten auf einem Substrat platzieren. In einer möglichen Ausführungsvariante werden flexible Substrate eingesetzt, wobei die erfindungsgemäße Dosismessvorrichtung 1 bei dieser Ausführungsvariante besonders robust und leicht ist. In verschiedenen Pixel 3 eingesetzte Photodioden PD können unterschiedlich aufgebaut sein. 13, 14 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele für Pixel 3 eines Dosismessfeldes 2, bei der Strahlung von oben auf eine Mehrschichtanordnung trifft.
In dem in 13 dargestellten Ausführungsbeispiel sind mehrere Schichten vorgesehen, die eine Einkapselungsschicht E, einen Szintillator SC, ein transparentes Substrat TS, eine transparente High-Work-Function-Elektrode T-HWFE, eine Hole Conductor HCIL, eine BHJ-Schicht, eine Low Working Function Electrode LWFE sowie eine weitere Einkapselungsschicht E aufweist.
Bei der Einkapselungsschicht E kann es sich beispielsweise um eine transparente Schicht handeln, beispielsweise eine Glasschicht oder dergleichen. Der Szintillator SC wandelt die auftreffende Strahlung, beispielsweise hochenergetische Röntgenstrahlung, in sichtbares Licht um. Bei der in 13 dargestellten Ausführungsvariante handelt es sich um ein Dosispixel in einem so genannten Button Detecting Dosimeter. Demgegenüber handelt es sich bei der in 14 dargestellten Ausführungsvariante um eine Anordnung für ein Top Detecting Dosimeter. Hierbei sind die beiden Work-Function-Elektroden WFE ausgetauscht, über der LWFE liegt eine transparente Einkapselungsschicht TE. Die HWFE liegt auf einem Substrat S.
15, 16 zeigen weitere Implementierungsbeispiele für Dosismesspixel 3 innerhalb des Dosismessfeldes 2 der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung 1. Die Dosismesspixel 3 weisen integrierte Quantenpunkte oder Szintillatoren auf. 15 zeigt schematisch ein Botton-Detecting-Dosimeter mit eingebetteten Quantenpunkten (Quantum Dots), die sich in der BHJ-Schicht befinden. Diese Quantenpunkte können beispielsweise durch Nanopartikel gebildet werden. 16 ist ein Top/Botton-Dosimeter-Pixel mit eingebetteten Szintillator-Nanopartikeln in der BHJ-Schicht.
13–16 zeigen beispielhafte Ausführungsbeispiele für Photodioden, die in einem Pixel 3 eines Dosismessfeldes 2 der erfindungsgemäßen Dosismessvorrichtung 1 eingesetzt werden können, je nach Anwendungsfall. Die Dosismessvorrichtung 1, wie sie in den verschiedenen Ausführungsvarianten dargestellt ist, lässt sich beispielsweise in einem Diagnosegerät einsetzen, beispielsweise in einem Röntgen-Diagnosegerät.
Darüber hinaus lässt sich die erfindungsgemäße Dosismessvorrichtung 1 auch in einem Strahlungstherapiegerät einsetzen, bei dem insbesondere Tumore von erkrankten Patienten bestrahlt werden. Die Positionen der Messflächen MF kann dabei automatisch in Abhängigkeit von der Art und der Lage des erkrankten Organs positioniert bzw. generiert werden. Die Dosismessvorrichtung 1 eignet sich zur Messung einer Strahlungsdosis einer beliebigen elektromagnetischen Strahlung, insbesondere einer hochenergetischen elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Röntgen- oder Gammastrahlen.
In einer Ausführungsvariante wird die gemessene Strahlungsdosis zur automatischen Regelung eines Spannungsgenerators für eine Strahlungsquelle 12 ausgewertet. Die gemessene Strahlungsdosis kann zusätzlich über ein Display einer Bedienperson angezeigt werden. Das Zusammenschalten der Pixel 3 innerhalb des Dosismessfeldes 2 zu relevanten Messflächen MF kann automatisch auf der Basis von Patienten- und/oder Krankheitsdaten erfolgen. Darüber hinaus ist es möglich, dass eine Bedienperson, insbesondere ein Arzt, eine manuelle Programmierung der Messflächen MF innerhalb des Dosismessfeldes 2 vornimmt.
Das Dosismessfeld 2 kann beispielsweise in einer Platte integriert sein, die unter einen Patienten bei der Bestrahlung gelegt wird. In einer möglichen Ausführungsvariante ist diese Platte drucksensitiv und verfügt über Drucksensoren, um Größe und Form des Patienten zu erfassen. Aus diesen Messdaten lässt sich die Größe und Form des Patienten ermitteln, und in Abhängigkeit davon wird bei dieser Ausführungsvariante eines oder mehrerer Messflächen MF durch Schalten von Pixeln 3 des Dosismessfeldes 2 erzeugt, um die Strahlung, die auf den Patienten trifft, zu überwachen. Die Messflächen MF können durch die Ausleseschaltung 4 während der Aufnahme in Echtzeit ausgelesen werden, so dass die Strahlungsquelle 12 noch während der Bildaufnahme geregelt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2011024972 [0004]

Claims

Dosismessvorrichtung zur Messung einer Strahlungsdosis einer bei einem Patienten applizierten elektromagnetischen Strahlung mit einem Dosismessfeld, das Pixel aufweist, die zu wenigstens einer relevanten, an den bestrahlten Patienten angepassten Messfläche zusammenschaltbar sind.
Dosismessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes Pixel des Dosismessfeldes mindestens eine in Sperrrichtung betriebene strahlungsempfindliche Photodiode zur Erfassung der elektromagnetischen Strahlung aufweist.
Dosismessvorrichtung nach Anspruch 2, wobei jedes Pixel des Dosismessfeldes zur Selektion des jeweiligen Pixels für eine relevante Messfläche Auswahltransistoren aufweist.
Dosismessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Auswahltransistoren eines Pixels über Auswahlleitungen zum Auslesen eines von der strahlungsempfindlichen Photodiode des selektierten Pixels gelieferten Photostromes ansteuerbar sind, wobei der ausgelesene Photostrom der Dosisleistung der auf die Photodiode des jeweiligen Pixels auftretenden elektromagnetischen Strahlung entspricht.
Dosismessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1–4, wobei die Pixel des Dosismessfeldes ausgangsseitig an einen Transimpedanzverstärker angeschlossen sind, welcher den von den selektierten Pixeln der mindestens einen relevanten Messfläche abgegebenen Gesamt-Photostrom in eine dazu proportionale Photospannung umwandelt.
Dosismessvorrichtung nach Anspruch 5, wobei ein Tiefpassfilter vorgesehen ist, das die von dem Transimpedanzverstärker erzeugte Photospannung, die von den selektierten Pixeln der mindestens einen relevanten Messfläche erzeugt wird, tiefpassfiltert.
Dosismessvorrichtung nach Anspruch 6, wobei ein Analogdigitalwandler die von dem Tiefpassfilter abgegebene gefilterte Photospannung der relevanten Messfläche in einen digitalen Spannungswert umwandelt, welcher der von den selektierten Pixeln der relevanten Messfläche gelieferten Dosisleistung entspricht.
Dosismessvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der von dem Analogdigitalwandler abgegebene digitale Spannungswert einer Schaltung zur Dunkelstromkompensation zugeführt wird.
Dosismessvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der kompensierte Spannungswert, welche der von den selektierten Pixeln der mindestens einen relevanten Messfläche gelieferten Dosisleistung entspricht, durch einen Spannungsintegrator zu einer Spannung aufintegriert wird, welcher der durch die selektierten Pixel der relevanten Messfläche erfassten Strahlungsdosis der auf die Messfläche auftreffenden elektromagnetischen Strahlung entspricht.
Dosismessvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die von den selektierten Pixeln der relevanten Messflächen erfassten und aufsummierten Strahlungsdosen durch einen Komparator mit einem Strahlungsdosisschwellenwert verglichen wird, der bei Erreichen des Strahlungsdosisschwellenwertes die Strahlung automatisch abschaltet.
Dosismessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1–10, wobei die Pixel des Dosismessfeldes matrixförmig angeordnet sind und jedes Pixel zwei Auswahltransistoren zur Selektion des jeweiligen Pixels aufweist, die an eine Reihenauswahlleitung und an eine Spaltenauswahlleitung angeschlossen sind.
Dosismessvorrichtung nach Anspruch 11, wobei jedes Pixel des Dosismessfeldes einen Reset-Transistor zur Initialisierung des jeweiligen Pixels aufweist.
Dosismessvorrichtung nach Anspruch 11, wobei jedes Pixel des Dosismessfeldes einen Verstärkertransistor zur lokalen Signalverstärkung des von der Photodiode des Pixels gelieferten Photostromes aufweist.
Dosismessvorrichtung nach Anspruch 11, wobei jedes Pixel des Dosismessfeldes einen Reihenauswahlkondensator, einen Spaltenauswahlkondensator und einen Pixeltransistor zum Auslesen des von der Photodiode des jeweiligen Pixels gelieferten Photostromes aufweist, welcher durchgeschaltet ist, sofern die beiden Auswahltransistoren des jeweiligen Pixels durchgeschaltet sind.
Dosismessvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Strahlungsquelle eine Röntgenstrahlungsquelle ist.
Dosismessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die an bestrahlten Patienten angepassten relevanten Messflächen des Dosismessfeldes programmierbar sind.
Dosismessvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die programmierbaren relevanten Messflächen des Dosismessfeldes automatisch auf Basis von Patientendaten des bestrahlten Patienten und/oder auf Basis von Krankheitsdaten einer zu untersuchenden Krankheit des bestrahlten Patienten generiert werden.
Diagnosegerät mit einer Dosismessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1–17.
Strahlungstherapiegerät mit einer Dosismessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1–17.