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Die Erfindung betrifft einen Bilddetektor, insbesondere für Röntgenstrahlung, umfassend eine regelmäßige Anordnung von Bildpixeln, die mehrere Detektorpixel aufweisen, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Bilddetektors.
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Röntgendetektoren, die beispielsweise zur Untersuchung von Objekten oder Patienten mittels bildgebendem Verfahren eingesetzt werden, sind prinzipiell zum Beispiel aus der
DE 10 2007 058 447 A1 , der
US 2011/0133094 A1 , der
US 8 111 803 B2 , der
WO 2006/044692 A2 oder der
DE 102 19 751 A1 bekannt. Bei den darin beschriebenen Röntgendetektoren ist jeweils eine energieselektive Auflösung vorgesehen.
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Röntgendetektoren sollen häufig einen möglichst hohen Dynamikumfang oder Kontrastumfang aufweisen, da die relevanten Informationen gerade durch die Erfassung von lokalen Intensitätsunterschieden der auf einen Röntgendetektor auftreffenden Röntgenstrahlung gewonnen und somit als Kontrastunterschiede erfasst werden.
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Dabei besteht häufig einerseits die Notwendigkeit, sehr große Intensitätsunterschiede zu erfassen, also beispielsweise Intensitätsunterschiede zwischen Röntgenstrahlung, die sich am zu untersuchenden Objekt bzw. am zu untersuchenden Patienten vorbei in Richtung des Röntgendetektors fortpflanzt, und Röntgenstrahlung, welche durch das zu untersuchende Objekt bzw. den zu untersuchenden Patienten transmittiert, und andererseits sollen sehr feine Intensitätsunterschiede erfasst werden, um ausgehend von diesen Intensitätsunterschieden zwischen verschiedenen Materialien innerhalb des Volumens des zu untersuchenden Objektes oder zwischen verschiedenen Gewebearten im Körper des zu untersuchenden Patienten differenzieren zu können.
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Der Dynamikumfang aktueller Röntgendetektoren genügt jedoch typischerweise nicht, um den gesamten gewünschten Dynamikumfang, gewünschten also den Kontrastwertebereich mit der gewünschten Kontrastauflösung abzubilden. Moderne digitale Röntgendetektoren verfügen stattdessen in der Regel über eine verstellbare Empfindlichkeitseinstellung, mittels derer ein Bediener den zur Verfügung stehenden Dynamikumfang des Detektors an die jeweilige Situation anpassen kann, so dass zumindest der für eine Untersuchung wichtigste Dynamikumfang bei einer Untersuchung eines Objektes bzw. Patienten erfasst wird. Soll dennoch ein größerer Dynamikumfang erfasst werden, werden nacheinander mehrere Aufnahmen vom Objekt bzw. Patienten mit verschiedenen Einstellungen für die Belichtung gemacht, um auf diese Weise mit jeder Aufnahme einen Teilbereich des Dynamikumfangs zu erfassen.
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Da in den meisten Fällen der den Dynamikumfang beschränkende Faktor nicht in den röntgensensitiven Sensorelementen selber, sondern in der nachgeschalteten Ausleseelektronik zu finden ist, gibt es verschiedene Ansätze für die nachträgliche Aufbereitung der Messsignale der röntgensensitiven Sensorelemente, um auf diese Weise den Dynamikumfang zu erweitern oder zumindest den zur Verfügung stehenden Wertebereich günstig vorzugeben.
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Aus der
US 2005/0116173 A1 ist ein Röntgendetektor zu entnehmen, bei dem zwischen einem Szintillator und Bildpixeln ein Filter angeordnet ist, dessen Durchlässigkeit z.B. durch Variation seiner Position veränderbar ist.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Bilddetektor sowie ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Bilddetektors anzugeben.
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Die auf den Detektor bezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Detektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung.
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Der Bilddetektor ist bevorzugt für eine messtechnische Erfassung von Röntgenstrahlung eingerichtet und umfasst eine regelmäßige Anordnung von Bildpixeln, die mehrere Detektorpixel oder Subpixel aufweisen. Hierbei unterscheiden sich zumindest zwei der Detektorpixel eines Bildpixels hinsichtlich ihrer Sensitivität, so dass diese zum Beispiel bei einer identischen Beaufschlagung mit Röntgenstrahlung unterschiedliche Messsignale generieren. Die sich unterscheidenden Detektorpixel eines Bildpixels sind also derart gestaltet, dass mit diesen unterschiedliche Teilbereiche eines vorgesehenen Dynamikumfangs oder Kontrastumfangs messtechnisch erfasst und auf diese Weise abgebildet werden. Hierdurch ist es möglich, mit nur einer Aufnahme oder einer Belichtung einen größeren Dynamikumfang abzubilden, wobei mit zunehmender Anzahl von unterschiedlichen Detektorpixeln pro Bildpixel der erfasste Dynamikumfang, also der erfasste Kontrastbereich und/oder die Kontrastauflösung, steigt. Die Messsignale der Detektorpixel eines Bildpixels werden dabei bevorzugt genutzt, um Bilddaten zu generieren, die beispielsweise an einem Monitor mittels genau eines Bildpunktes dargestellt werden.
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Ein derart gestalteter Röntgendetektor wird bevorzugt im Bereich der bildunterstützten Strahlungstherapie (IGRT: Image Guided Radiotherapy) eingesetzt, da hier einerseits ein sehr großer Dynamikumfang besonders vorteilhaft ist und da andererseits die hier benötigte Auflösung, im Sinne von Bildpunkten pro dargestelltem Bild, für die mittels des bildgebenden Verfahrens generierten Röntgenbilder verhältnismäßig gering ist. Die Anzahl der benötigten Bildpixel pro Fläche ist dementsprechend, beispielsweise im Vergleich zu den Anforderungen bei Computertomographen für die Diagnostik, typischerweise geringer und eine Fertigung von Bildpixeln mit mehreren Detektorpixeln technisch einfacher zu realisieren.
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Weiter wird eine Ausgestaltung des Bilddetektors bevorzugt, bei der die Detektorpixel als sogenannte indirekte Röntgenstrahlungssensoren ausgebildet sind und somit jeweils einen lichtempfindlichen Halbleitersensor und ein Szintillatorvolumen umfassen. Die Szintillatorvolumina sind dabei weiter bevorzugt für eine möglichst hohe Quantenausbeute ausgelegt, so dass möglichst alle Röntgenquanten, die auf ein Szintillatorvolumen treffen, in diesem Licht aus dem Frequenzbereich des sogenannten sichtbaren Lichtes generieren.
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Einer Ausgestaltungsvariante entsprechend wird die unterschiedliche Sensitivität der Detektorpixel dadurch realisiert, dass die lichtempfindlichen Halbleitersensoren unterschiedlich gestaltet sind. Das heißt, dass durch entsprechende Anpassungen in der Prozessführung bei der Herstellung der Halbleitersensoren unterschiedliche Halbleitersensoren für die sich hinsichtlich ihrer Sensitivität unterscheidenden Detektorpixel hergestellt werden, wobei die sich unterscheidenden Halbleitersensoren unterschiedlich auf einfallendes Licht reagieren. Wenn also beispielsweise auf zwei unterschiedliche Halbleitersensoren Licht mit gleicher Frequenz und gleicher Intensität auftrifft, so werden dennoch mittels der entsprechenden Halbleitersensoren unterschiedliche elektrische Signale generiert. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass Halbleitermaterial für die Halbleitersensoren unterschiedlich stark dotiert wird.
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Alternativ oder ergänzend hierzu weist zumindest ein Detektorpixel eines jeden mehrere Detektorpixel aufweisenden Bildpixels zur Manipulation der Sensitivität ein Filterelement, wobei ein solches Filterelement, beispielsweise nach dem Prinzip zweier hintereinander geschalteter Polarisationsfilter, einen vorbestimmten Anteil des sich vom vorgeschalteten Szintillatorvolumen ausgesandten Lichtes herausfiltert, bevor dieses den zugeordneten lichtempfindlichen Halbleitersensor erreicht. Alternativ sind Filterelemente vorgesehen, die als Farbfilter wirken und dementsprechend vorwiegend Licht aus einem bestimmten Frequenzbereich herausfiltern.
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In vorteilhafter Weiterbildung weisen zur Manipulation der Sensitivität mehrere Detektorpixel eines jeden mehrere Detektorpixel aufweisenden Bildpixels ein Filterelement auf, wobei sich zumindest zwei Filterelemente jedes mehrere Detektorpixel aufweisenden Bildpixels unterscheiden. In diesem Fall umfasst also ein entsprechendes Bildpixel mehrere Detektorpixel und die Detektorpixel weisen unterschiedliche Filterelemente auf, die sich insbesondere hinsichtlich des Licht-Absorptionsvermögens unterscheiden.
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Zugunsten eines möglichst geringen Fertigungsaufwandes für entsprechende Bilddetektoren weisen die Bilddetektoren bevorzugt einen strukturierten und insbesondere als Schicht ausgebildeten Farbfilter derart auf, dass Teilbereiche des Farbfilters die Filterelemente bilden. Sind also beispielsweise zwei Detektorpixel pro Bildpixel vorgesehen, die in zwei orthogonale Richtungen aneinandergereiht sind, so weist der Farbfilter eine, zumindest bei quadratischer Gestaltung der Detektorpixel, schachbrettartige Strukturierung auf, wobei zum Beispiel die eine Hälfte dieser Schachbrettstrukturelemente transparent für das vom Szintillator ausgesandte Licht sind, während die anderen Elemente zumindest einen Teil dieses Lichtes herausfiltern.
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Von Vorteil ist des Weiteren eine Ausgestaltung des Bilddetektors, bei der dieser lediglich gleichartig gestaltete Bildpixel aufweist, da hierdurch der technische Aufwand für die Fertigung besonders gering ist. Alternativ ist der Bilddetektor aus unterschiedlich gestalteten Bildpixeln aufgebaut, wobei zum Beispiel in einem Mittenbereich des Bilddetektors Bildpixel mit mehreren Detektorpixeln angeordnet sind, während in einem umliegenden Randbereich des Bilddetektors Bildpixel mit nur einem Detektorpixel positioniert sind. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass sich die unterschiedlichen Bildpixel dadurch unterscheiden, dass die Detektorpixel unterschiedlicher Bildpixel sich hinsichtlich ihrer Sensitivität unterscheiden.
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Die Anzahl der Detektorpixel pro Bildpixel wird zweckmäßigerweise an den jeweiligen Anwendungszweck angepasst, für den der entsprechende Bilddetektor vorgesehen ist. Bevorzugt wird jedoch insbesondere eine Ausgestaltung, bei der jedes Bildpixel aus vier gleich großen Detektorpixeln aufgebaut ist, wobei weiter bevorzugt alle Bildpixel des Bilddetektors gleichartig ausgestaltet sind.
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Darüber hinaus umfasst der Bilddetektor vorteilhafterweise eine Ausleseelektronik, die derart gestaltet ist, dass jedes Detektorpixel eine Ausleseeinheit umfasst, wobei alle Ausleseeinheiten gleichartig aufgebaut sind. Die mit Hilfe der Ausleseeinheiten generierten elektrischen Signale werden dann weiter bevorzugt gleichartig verstärkt, so dass die unterschiedliche Sensitivität von Detektorpixeln gerade nicht durch eine spezielle Gestaltung der Ausleseelektronik und insbesondere nicht durch eine individuell angepasste Signalverstärkung realisiert wird, sondern bevorzugt allein durch eine gezielte Auskoppelung oder Absorption von elektromagnetischer Strahlung während des Prozesses der Messsignalgenerierung mittels der Detektorpixel.
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Die Erweiterung des Dynamikumfanges wird also zunächst einmal allein dadurch erreicht, dass durch eine Umgestaltung der Detektorpixel die mittels der Ausleseeinheiten ausgelesenen Messsignale manipuliert werden und nicht dadurch, dass die ausgelesenen Messsignale geeignet aufbereitet werden. Eine günstige Aufbereitung der Messsignale wird jedoch bevorzugt zusätzlich vorgenommen, wobei hier je nach Anwendungszweck unterschiedlichste Aufbereitungsmöglichkeiten umgesetzt werden. So ist es zum Beispiel vorgesehen, die Signale eines jeden Detektorpixels parallel in verschiedene Verstärkerstufen mit unterschiedlicher Signalverstärkungscharakteristik einzuspeisen, um für unterschiedliche Wertebereiche der Signale jeweils eine besonders günstige Verstärkerstufe bereit zu stellen. Alternativ lassen sich die Signale zum Beispiel für eine Weiterverarbeitung zunächst elektronisch komprimieren, indem diese einer analogen Rechenschaltung zugeführt werden.
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Bevorzugt werden die mittels der Ausleseeinheiten ausgelesenen Messsignale jedoch, alle in gleicher Weise verstärkt, nachfolgend digitalisiert und anschließend einer Auswerteeinheit zugeführt. Die entsprechende Auswerteeinheit stellt dann einem Bediener verschiedene Aufbereitungsalgorithmen zur Auswahl, aus denen der Bediener situationsabhängig einen geeigneten Algorithmus für den jeweiligen Datensatz aus Messsignale auswählt. Die verschiedenen Algorithmen sind dann beispielsweise an die verschiedenen Betriebsmodi einer medizinischen Vorrichtung angepasst, in der der entsprechende Bilddetektor eingesetzt wird. Außerdem erfolgt die Aufbereitung der der Auswerteeinheit zugeführten Messsignale nicht zwingend im Rahmen der Bilddatengenerierung, stattdessen ist auch nachträgliche Aufbereitung der Messsignale jederzeit möglich.
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Weist der Bilddetektor beispielsweise n x m Bildpixel auf und umfasst jedes Bildpixel i Detektorpixel oder Subpixel mit unterschiedlicher Sensitivität, so stehen in der Auswerteeinheit n x m x i Signale pro Aufnahme zur Verfügung, die dann durch geeignete Algorithmen miteinander verknüpft werden. Dabei werden zum Beispiel zunächst i Einzelbilder erstellt, die jeweils aus n x m Bildpunkten aufgebaut sind, die die Signale der Detektorpixel mit gleicher Sensitivität i repräsentieren. Diese Einzelbilder lassen sich dann beispielsweise an einem Monitor darstellen. Für eine Vergleichbarkeit zwischen den Einzelbildern lässt sich zudem ein Korrekturfaktor für jedes Einzelbild vorgeben, mit dessen Hilfe die Signalwerte, auf denen das Einzelbild basiert, beispielsweise multipliziert werden.
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Neben einer separaten Darstellung der Einzelbilder, ist es weiter vorgesehen, die Einzelbilder zu überlagern oder deren Informationen miteinander zu kombinieren. Das finale Bild stellt dann beispielsweise eine Art Collage aus den Einzelbildern dar, wobei die einzelnen Bereiche des finalen Bildes die entsprechenden Bereiche eines oder mehrerer Einzelbilder wiedergeben. Stehen also zum Beispiel zwei Einzelbilder zur Verfügung, so zeigt das finale Bild beispielsweise im Mittenbereich den Mittenbereich des ersten Einzelbildes und im umliegenden Randbereich den Randbereich des anderen Einzelbildes.
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Bei der Auswahl von Messsignalen von Detektorpixeln, die bei der Erstellung des finalen Bildes berücksichtigt werden, werden bevorzugt Schwellwerte oder Signalwertbereiche berücksichtigt. Für Messsignale von Detektorpixeln mit unterschiedlicher Sensitivität werden dabei typischerweise unterschiedliche Schwellwerte oder Signalbereiche vorgegeben, wobei sich die einzelnen Signalbereiche bevorzugt überlappen.
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Neben einer collagenartigen Kombination der Einzelbilder ist es ebenfalls vorgesehen, eine Aufbereitung zur Auswahl zu stellen, bei der quasi die Bildpunkte der Einzelbilder gewichtet miteinander kombiniert werden. Das heißt, dass die Messsignale der Detektorpixel eines Bildpixels zunächst gewichtet, also zum Beispiel mit einem Faktor multipliziert werden, und nachfolgend miteinander verknüpft werden, also zum Beispiel addiert werden, um dann basierend auf dem Summensignal einen Bildpunkt darzustellen.
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Die gestellte Aufgabe, ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Bilddetektors anzugeben, wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Das Verfahren dient zum Betrieb eines Bilddetektors und insbesondere eines Bilddetektors der zuvor beschriebenen Art. Dabei wird zur Bilddatengenerierung ein vorgesehener Dynamikumfang für die Bilddaten in Teilbereiche, welche sich auch überlappen können, aufgeteilt und jeder Teilbereich wird mittels einer regelmäßigen Anordnung von Detektorpixeln messtechnisch erfasst, wobei zur Abbildung des vorgesehenen Dynamikumfangs die Messsignale der Detektorpixel der regelmäßigen Anordnungen miteinander verknüpft werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in einer Schnittdarstellung einen Röntgendetektor,
- 2 in einer Draufsicht eine Schicht des Röntgendetektors und
- 3 in einer vergrößerten Darstellung einen Ausschnitt der Schicht des Röntgendetektors.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der nachfolgend beschriebene Bilddetektor ist als Röntgendetektor 2 zur messtechnischen Erfassung von Röntgenstrahlung ausgebildet, die mittels einer nicht mit dargestellten Röntgenröhre generiert wird und die zur Untersuchung eines zwischen der Röntgenröhre und dem Röntgendetektor 2 positionierten Patienten mittels bildgebendem Verfahren nach an sich bekannter Art und Weise genutzt wird.
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Der Röntgendetektor 2 weist hierbei einen in 1 skizzierten geschichteten Aufbau mit fünf in einer Schichtabfolgerichtung 4 aneinander angrenzenden Schichten sowie eine Auswerteeinheit 6 auf.
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Als oberste Schicht weist der Röntgendetektor 2 einen Streustrahlkollimator 8 (anti scatter grid) auf, der zur Absorption von gestreuter Röntgenstrahlung dient. Die nachfolgende zweite Schicht wird durch einen Szintillator 10, beispielsweise aus Gd2O2S:Tb, gebildet, in welchem die den Streustrahlkollimator 8 passierende ungestreute Röntgenstrahlung Licht im Bereich des sogenannten sichtbaren Spektrums, beispielsweise 550nm, generiert. Je nach Anwendungszweck ist dem Szintillator 10 anstelle des Streustrahlkollimators 8 alternativ eine Metallplatte, insbesondere eine Cu-Platte, als oberste Schicht vorgelagert oder aber es wird auf ein vorgelagerte Funktionseinheit ganz verzichtet.
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Das sich in Schichtabfolgerichtung 4 ausbreitende Licht trifft nachfolgend auf einen strukturierten Farbfilter 12, der die dritte Schicht des Röntgendetektors 2 bildet. Quer zur Schichtabfolgerichtung 4 weist dieser strukturierte Farbfilter 10 in regelmäßiger Anordnung Bereiche auf, die für das Licht aus dem Szintillator 10 transparent sind, während die übrigen Bereiche, die ebenfalls gleichmäßig verteilt und matrixartig angeordnet sind, als Filterelemente 14 einen Teil des Lichtes, welches auf die Filterelemente 14 trifft absorbiert.
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Das den strukturierten Farbfilter 12 passierende Licht trifft nachfolgend auf die aus lichtempfindlichen Halbleitersensoren 16 aufgebauten vierte Schicht auf und wird dort zur Generierung von elektrischen Messsignalen genutzt, die mit Hilfe von Ausleseeinheiten 18 in der fünften Schicht ausgelesen und verstärkt werden.
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Zur Generierung von Bilddaten und schlussendlich zur Generierung von aus Bildpunkten aufgebauten Bildern weist der Röntgendetektor 2 neben einem geschichteten Aufbau in Schichtabfolgerichtung 4 eine matrixartige Anordnung von Bildpixeln, also einen zellartigen Aufbau quer zur Schichtabfolgerichtung 4, auf, wobei diese Bildpixel jeweils in zwei orthogonale Richtungen quer zur Schichtabfolgerichtung 4 aneinandergereiht sind. Die Bildpixel 20 sind dabei quadratisch gestaltet mit einer Kantenlänge von 400 µm und jedes Bildpixel 20 ist aufgebaut aus vier quadratische Detektorpixeln 22 mit einer Kantenlänge von 200pm, die in einer 2 × 2-Anordnung relativ zueinander positioniert sind.
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Jedes Detektorpixel 22 umfasst weiter eine Ausleseeinheit 18, einen Halbleitersensor 16, ein Volumenelement des Farbfilters 12, ein Volumenelement des Szintillators 10 sowie ein Volumenelement des Streustrahlkollimators 8, wobei diese Funktionseinheiten in Schichtabfolgerichtung 4 deckungsgleich übereinander angeordnet sind.
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Die matrixartige Anordnung der Detektorpixel 22 ist in 2 schematisch dargestellt und ein Teilbereich dieser Anordnung ist in 3 vergrößert abgebildet. Die Bildpixel 20 sind hier durch stärkere Linien markiert, während die Detektorpixel 22 durch schwächere Linien gekennzeichnet sind. Der schraffierte Bereich markiert die Position der Filterelemente 14, also der Bereiche des Farbfilters 12, die für das auftreffende Licht nicht transparent sind, sondern einen Teil des Lichtes absorbieren.
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Im Ausführungsbeispiel weist also genau ein Detektorpixel 22 eines jeden Bildpixels 20 ein absorbierendes Filterelement 14 auf, welches das entsprechende Detektorpixel 22 vollständig flächig abdeckt, während die übrigen Detektorpixel 22 des Bildpixels 20 kein absorbierendes Filterelement 14 aufweisen.
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Mit Hilfe eines jeden Detektorpixels 22 wird bei auftreffender Röntgenstrahlung ein Messsignal generiert, welches zusammen mit den übrigen Messsignalen der übrigen Detektorpixel 22 als Teil eines Datenpaketes an die Auswerteeinheit 6 übermittelt wird, wo dieses in einem Speicher hinterlegt wird. Für eine Bilddarstellung werden die Messsignale des Datenpaketes mittels eines in der Auswerteeinheit 6 hinterlegten Algorithmus aufbereitet und schließlich als Bilddatensatz an einem Bildschirm angezeigt.
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Im einfachsten Fall erfolgt die Aufbereitung der Messsignale eines an die Auswerteinheit 6 übermittelten Datensatzes derart, dass in Bereichen des Röntgendetektors 2, in denen Röntgenstrahlung mit einer Intensität oberhalb eines Schwellwertes auftrifft, die Messsignale der Detektorpixel 22 mit Filterelement genutzt werden, um Bildpunkte für ein Bild zu generieren, während in den Bereichen, in denen Röntgenstrahlung mit einer Intensität unterhalb dieses Schwellwertes auftrifft, die Signale der Detektorpixel 22 zur Generierung von Bildpunkten genutzt werden, die kein absorbierendes Filterelement 14 umfassen. Da pro Bildpixel 20 mehr Detektorpixel 22 ohne absorbierendes Filterelement 14 vorgesehen sind, als Detektorpixel 22 mit entsprechendem Filterelement 14, weist das finale Bild in Bereichen mit einer Intensität unterhalb des Schwellwertes eine größere Auflösung, im Sinne von mehr Bildpunkten pro Fläche bei der Darstellung, auf, als in Bereichen mit einer Intensität oberhalb dieses Schwellwertes.
