DE4424905C1

DE4424905C1 - X=ray diagnostic system using CCD image converters

Info

Publication number: DE4424905C1
Application number: DE4424905A
Authority: DE
Inventors: Horst Schreiner; Hartmut Dipl Ing Sklebitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-07-14
Filing date: 1994-07-14
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2014-07-15
Also published as: JPH0852128A

Abstract

The output of the X-ray tube is amplified and directed onto a screen arranged with a matrix of CCD devices (4). The latter connect to an amplifier (5) providing input to an A/D converter (6). This connects to image memories (7, 8), correction units (9, 10), a comparator (11), a gating circuit (12), a summation stage (13), a memory (14), a D/A converter (15), and a monitor (16). The CCD devices are scanned in a double cycle at different levels of intensity. The values are stored and selected on the basis of a comparison made against reference values to reduce noise without affecting picture quality.

Description

In der Röntgentechnik kann die Bilderzeugung in Verbindung mit einer Bildverstärker-Fernsehkette durch einen dem Bild verstärker zugeordneten CCD-Bildwandler erfolgen. Bei CCD- Bildwandlern fällt jedoch das elektrische Rauschen stark ins Gewicht. Dieses Rauschen besteht aus zwei Komponenten. Die erste ist allen Signalwerten gleichmäßig überlagert und stört am meisten bei kleinen Signalwerten, also in dunklen Bildpar tien. Die zweite ist von der Anzahl der abgetasteten Ladungs träger abhängig. Die Rauschamplitude erhöht sich mit der Quadratwurzel der Ladungsträger. Diese Rauschquelle ist in hellen Bildpartien am wirksamsten.In X-ray technology, imaging can be related with an image intensifier television chain through one of the picture CCD image converter assigned to amplifiers. With CCD However, electrical noise is very noticeable to imagers Weight. This noise consists of two components. The the first is evenly superimposed on all signal values and interferes mostly with small signal values, i.e. in dark image par tien. The second is the number of charges sensed carrier dependent. The noise amplitude increases with the Square root of the charge carriers. This source of noise is in brightest areas of the image most effectively.

Es wäre vorteilhaft, wenn man die optische Aussteuerung des Bildwandlers erhöhen könnte, um den Störabstand in dunklen Bildpartien zu erhöhen. Da ein CCD-Bildwandler jedoch eine lineare Kennlinie aufweist, würden dann Bildpartien in weißen Bildbereichen in den Übersteuerungsbereich fallen und dadurch diagnostisch relevante Information verlorengehen.It would be advantageous if the optical modulation of the Imager could increase the signal-to-noise ratio in dark To increase parts of the image. However, since a CCD imager is one has a linear characteristic, image parts would then be in white Image areas fall into the overdrive area and thereby diagnostically relevant information is lost.

In DE 42 17 627 A1 ist eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit einer Bildverstärker-Fernsehkette, welche einen CCD-Wandler enthält, beschrieben, bei der nach jeder Auslesung des CCD- Wandlers nur ein Teil der Ladung entnommen wird, so daß der Rest der Ladung mit den weiteren Ladungen der darauffolgenden Bilder aufintegriert wird. Die Ladungsübertragung nach jedem Röntgenpuls erfolgt in einem Schritt. Dadurch ist ein kosten günstiger Aufbau der Integration auch bei nahezu trägheits losen Aufnahmewandlern erzielt. In DE 30 04 977 C2 ist eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit einer Bildverstärker-Fern sehkette beschrieben, bei der die Speicherung eines Bildes erst nach jeweils einer vorgegebenen Anzahl von Abtastungen des Targets der Fernsehaufnahmeröhre erfolgt. Dadurch wird das die Fernsehaufnahmeröhre übersteuernde, zu helle Bild elektronisch ausgeblendet. Die eigentliche Übertragung der Bildinformation erfolgt auch hier nach jedem Röntgenpuls in einem Schritt. Schließlich ist in DE 42 05 522 A1 eine Rönt gendiagnostikeinrichtung mit einer Bildverstärker-Fernseh kette beschrieben, bei der ein CCD-Bildwandler vorgesehen ist, dessen durch Röntgenbelichtung erzeugte Ladungen in je weils einem Schritt nach einem Röntgenpuls in unterschied liche Speicherbereiche übertragen werden, wobei der Speicher inhalt dann summiert wird. Bei einer Variante wird das Rönt genbild aus drei Teilbildern als Summenbild zusammengestellt, die während der Röntgenbelichtung durch entsprechenden La dungstransfer überlagert werden.DE 42 17 627 A1 includes an X-ray diagnostic device an image intensifier television chain, which has a CCD converter contains, described, in which after each reading of the CCD Only a part of the charge is removed from the converter, so that the Rest of the load with the further loads of the following Images is integrated. The charge transfer after each X-ray pulse occurs in one step. This is a cost Favorable structure of the integration even with almost inertia achieved loose recording converters. DE 30 04 977 C2 is one X-ray diagnostic device with an image intensifier remote sehkette described in which the storage of an image only after a predetermined number of samples of the target of the television recording tube. This will the too bright picture overriding the TV tube electronically hidden. The actual transfer of the Image information is also here after each X-ray pulse one step. Finally, in DE 42 05 522 A1 there is an X-ray Genetic diagnostic device with an image intensifier television chain described in which a CCD imager is provided is, the charges generated by X-ray exposure in each because one step after an X-ray pulse Liche memory areas are transferred, the memory content is then summed up. In one variant, the X-ray gene image composed of three partial images as a total image, which during the X-ray exposure by appropriate La manure transfer can be superimposed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgendiagno stikeinrichtung mit einer Bildverstärker-Fernsehkette und ei nem dem Bildverstärker zugeordneten CCD-Bildwandler so auszu bilden, daß das statistische Rauschen weitgehend eliminiert ist, ohne daß das Verstärkerrauschen in den wenig ausgesteu erten Bildbereichen ins Gewicht fällt, wobei der Dynamikbereich des CCD-Bildwandlers durch Antiblooming- Maßnahmen nicht eingeschränkt ist.The invention has for its object an X-ray diagnosis Stikeinrichtung with an image intensifier television chain and egg nem the CCD image converter assigned to the image intensifier form that largely eliminates statistical noise is without the amplifier noise in the little first image areas is important, with the Dynamic range of the CCD imager through antiblooming Measures is not restricted.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruches 1.According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen.Embodiments of the invention result from the Unteran sayings.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher er läutert. Es zeigen:The invention is based on the drawing he he purifies. Show it:

Fig. 1 und 2 Kurven zur Erläuterung des Erfindungsgedankens, und Fig. 1 and 2 waveforms useful for explaining the inventive concept, and

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Röntgendiagnostikeinrich tung nach der Erfindung. Fig. 3 is a block diagram of an X-ray diagnostic device according to the invention.

In der Fig. 1 zeigt die Kurve a den zeitlichen Verlauf eines Röntgenpulses, die Kurve b den zeitlichen Verlauf des Lichtes am Ausgang des Röntgenbildverstärkers, die Kurven c und d den zeitlichen Verlauf des Ladungstransfers und des Videosignals bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und die Kur ven e, f und g die zeitlichen Verlauf des Ladungstransfers und des Videosignals bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.In Fig. 1, curve a shows the time course of an x-ray pulse, curve b the time course of the light at the output of the x-ray image intensifier, curves c and d the time course of the charge transfer and the video signal in a first embodiment of the invention, and Curve e, f and g show the time course of the charge transfer and the video signal in a second embodiment of the invention.

Das Prinzip der Erfindung liegt darin, nicht nur einen Ab tastvorgang pro Röntgenpuls auszuführen, sondern unterschied liche Anteile der dadurch erzeugten Belichtung des CCD-Bild wandlers in die Ladungstransportregionen zu überführen und nacheinander auszugeben. Das Bild wird in einem digitalen Bildspeicher zu einem verbesserten Bild erhöhter Dynamik zu sammengesetzt. Es wird also die Ladung, die durch die Belich tung des CCD-Bildwandlers mit einem Röntgenpuls hervorgerufen wird, nicht mehr in einem Transfervorgang, sondern in zwei oder mehr Schritten zunächst in die vertikalen Schieberegi ster des CCD-Bildwandlers übertragen. Voraussetzung für das Funktionieren sind Antiblooming-Maßnahmen im CCD-Bildwandler, welche im vorgesehenen Bereich der Dynamikerhöhung sicher ein Überlaufen von Ladungen verhindern. Solche Antiblooming- Maßnahmen sind bekannt. Hierzu werden beispielsweise Ableitdioden verwendet, die jedem Pixel zugeordnet sind und exzessive Ladung vor Erreichung des Blooming-Effektes ableiten. Der gemeinsame Anschluß aller Antiblooming-Dioden ist meist mit dem Substrat des CCD-Bildwandlers verbunden und als separater elektrischer Anschluß aus dem Bildwandler herausgeführt.The principle of the invention is not just an Ab to perform a scanning process per X-ray pulse, but different Liche shares of the exposure of the CCD image generated thereby transformers into the charge transport regions and to output one after the other. The picture is in a digital Image memory to an improved image with increased dynamics composed. So it will be the charge through the Belich device with an X-ray pulse is no longer in one transfer process, but in two or more steps first in the vertical shift register CCD imager. Requirement for that Antiblooming measures in the CCD image converter work, which in the intended area of dynamics increase certainly Prevent cargo overflow. Such antiblooming Measures are known. For this, for example Lead diodes are used, which are assigned to each pixel and excessive charge before reaching the blooming effect deduce. The common connection of all antiblooming diodes is mostly connected to the substrate of the CCD imager and as a separate electrical connection from the image converter led out.

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird der CCD- Bildwandler durch die Impulse gemäß der Kurve c in Fig. 1 zweimal nacheinander nach dem Ende des Röntgenpulses a abge tastet. Der Dynamikbereich des CCD-Bildwandlers ist erwei tert, weil Bildelemente, welche bei der ersten Abtastung übersteuert waren, also durch die Antiblooming-Maßnahmen in ihrem Signalwert reduziert sind, durch den in der Amplitude angepaßten Signalstrom des gleichen Pixels in der zweiten Ab tastung ersetzt werden.According to a first embodiment of the invention, the CCD image sensor is scanned twice in succession after the end of the X-ray pulse a by the pulses according to curve c in FIG. 1. The dynamic range of the CCD imager is expanded because picture elements which were overdriven during the first scan, i.e. reduced in their signal value by the antiblooming measures, are replaced by the amplitude-adjusted signal stream of the same pixel in the second scan .

Der Signalstrom der zweiten Abtastung wird aus dem Nachbild des Röntgenbildverstärkers und ggf. der Trägheit des CCD- Bildwandlers generiert. Da diese Trägheit ebenso bekannt ist die die Länge des Röntgenpulses a, ist das Verhältnis der In tensitäten zwischen der ersten und der zweiten Abtastung be stimmt. Daher kann der Inhalt der zweiten Abtastung entspre chend gewichtet und zur Intensitätserhöhung in den übersteu erten Pixels in einem gespeicherten Bild verwendet werden.The signal stream of the second scan becomes the afterimage of the X-ray image intensifier and possibly the inertia of the CCD Image converter generated. Because this sluggishness is also known which is the length of the x-ray pulse a, is the ratio of the In intensities between the first and second samples Right. Therefore, the content of the second scan may correspond weighted accordingly and to increase the intensity in the oversteer first pixels in a stored image.

Besonders vorteilhaft ist dabei, daß durch die Bildverarbei tungsmaßnahmen keinerlei Störabstandsverschlechterung für die in der ersten Abtastung nicht übersteuerten Pixel erfolgt. Auch ist es ein Vorteil, daß alle applizierten Röntgenquanten zum Bildaufbau beitragen (außer in Blooming-Gebieten), da die zweite Abtastung ihren Informationsgehalt lediglich aus dem Nachbild bezieht.It is particularly advantageous that the image processing measures no deterioration of the signal-to-noise ratio for the pixels not overdriven in the first scan. It is also an advantage that all applied X-ray quanta contribute to the image composition (except in blooming areas) because the second sampling their information content only from the Afterimage relates.

In der Fig. 2 ist dargestellt, wie sich die Kennlinie ent sprechend der Abtastung nach den Kurven c und d zusammen setzt. Die erste Abtastung erfolgt dabei im Bereich I und die zweite Abtastung im Bereich II. Die Erhöhung im Bereich II erfolgt nur für die Pixel, die bei der ersten Abtastung im Blooming waren.In Fig. 2 it is shown how the characteristic curve is composed accordingly to the scanning for the curves c and d. The first scan takes place in area I and the second scan in area II. The increase in area II takes place only for the pixels that were in blooming during the first scan.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsvariante für die Bild verarbeitung. In Fig. 3 ist eine Röntgenröhre 1 dargestellt, deren Röntgenstrahlenbündel 2 auf den Eingangsleuchtschirm eines Röntgenbildverstärkers 3 auftrifft, dessen Ausgangs leuchtschirm einem CCD-Bildwandler 4 zugeordnet ist. Dem CCD- Bildwandler 4 ist ein Verstärker 5, ein A/D-Wandler 6, ein Bildspeicher 7, ein Bildspeicher 8, ein Korrekturglied 9, ein Korrekturglied 10, ein Komparator 11, eine Torschaltung 12, ein Summationsglied 13, ein Bildspeicher 14, ein Digi tal/Analog-Wandler 15 und ein Monitor 16 zugeordnet. Vor dem Korrekturglied 10 liegt ein Speicher 17, der am Eingang 18 ein einem Röntgenpuls entsprechendes Signal erhält. Am Ein gang 19 des Korrekturgliedes 10 liegt ein Signal, das der Trägheit des Röntgenbildverstärkers 2 und des CCD-Bildwand lers 4 entspricht. Fig. 3 shows a possible embodiment for image processing. In Fig. 3, an X-ray tube 1 is shown, the X-ray beam 2 strikes the input screen of an X-ray image intensifier 3 , the output screen is assigned to a CCD image converter 4 . The CCD image converter 4 is an amplifier 5 , an A / D converter 6 , an image memory 7 , an image memory 8 , a correction element 9 , a correction element 10 , a comparator 11 , a gate circuit 12 , a summation element 13 , an image memory 14 , a Digi tal / analog converter 15 and a monitor 16 assigned. A memory 17 is located in front of the correction element 10 and receives a signal corresponding to an X-ray pulse at the input 18 . At a gear 19 of the correction element 10 there is a signal which corresponds to the inertia of the X-ray image intensifier 2 and the CCD image converter 4 .

Das analoge Ausgangssignal des CCD-Bildwandlers 4 durchläuft zunächst den einstellbaren Verstärker 5, wobei bei der ersten Abtastung auf die Verstärkung 1 geschaltet ist, während der Verstärkungsfaktor für die nachfolgende Abtastung auf einen höheren Wert umgeschaltet wird. So kann der Intensitätsunter schied zwischen den beiden Abtastungen, der durch Belich tungszeitvariation und verschiedene Röntgenbildverstärker- bzw. CCD-Bildwandler-Trägheiten bedingt ist, berücksichtigt werden. Die bei den beiden Abtastungen erzeugten, ana log/digital gewandelten Bilder werden in den Bildspeichern 7, 8 abgespeichert. Der Komparator 11 stellt anhand des Si gnalamplitudenwertes fest, ob für den jeweiligen Bildpunkt Blooming-Bedingungen vorgelegen haben. Ist dies der Fall, so wird die im Bildspeicher 8 abgelegte Information, die mit dem als Look-Up-Tabelle ausgebildeten Korrekturglied 9 die für das gewünschte Gamma erforderlichen Amplitudenwerte erhält, über die vom Komparator 11 gesteuerte Torschaltung 12 auf die Summationsstufe 13 geschaltet, wo die Signalamplitudener höhung pixelweise durchgeführt wird, bevor die Informationen im Bildspeicher 14 abgelegt werden.The analog output signal of the CCD imager 4 first passes through the adjustable amplifier 5 , the gain 1 being switched during the first scan, while the gain factor being switched to a higher value for the subsequent scan. Thus, the difference in intensity between the two scans, which is caused by exposure time variation and different X-ray image intensifier or CCD image inertia, can be taken into account. The ana log / digitally converted images generated in the two scans are stored in the image memories 7 , 8 . The comparator 11 uses the signal amplitude value to determine whether blooming conditions have existed for the respective pixel. If this is the case, the information stored in the image memory 8 , which receives the amplitude values required for the desired gamma with the correction element 9 designed as a look-up table, is switched to the summation stage 13 via the gate circuit 12 controlled by the comparator 11 , where the signal amplitude increase is carried out pixel by pixel before the information is stored in the image memory 14 .

Es kann auch vorteilhaft sein, den Kennlinienverlauf im unte ren Teil so zu verändern, daß sich kein scharfer Kennlinien knick zu dem aufgesetzten Teil der hellsten Bildpartien er gibt.It can also be advantageous to plot the characteristic curve below ren part to be changed so that there are no sharp characteristics kink to the patch of the brightest parts of the picture gives.

Die zweite Abtastung (Hilfsabtastung) kann auch, wie durch die Kurven e, f, g dargestellt, direkt nach dem Beginn eines Röntgenpulses a stattfinden. Wenn man den Ladungstransfer impuls hinreichend kurz nach Aufnahmebeginn plaziert, ist we gen der Trägheit des Ausgangsschirmes des Röntgenbildverstär kers 3 mit keiner signifikanten Störabstandsverschlechterung der Hauptabtastung zu rechnen. Die während der Hilfsabtastung applizierten Röntgenquanten wirken noch während der Hauptab tastung nach und können so zum Bildaufbau beitragen. Das ge mäß Kurve f gewonnene erste Videosignal kann analog zu der Lösung gemäß den Kurven c und d die zweite Abtastung erset zen. Die Kurventeile h entsprechen demgemäß einander und sind der zweiten Abtastung zugeordnet. Zusätzlich kann in diesem Fall das bezüglich dem Amplitudenwert aufgelöste Signal der Vorabtastung zur Belichtungssteuerung verwendet werden. Dabei können auch beliebige Bildflächen oder Histogramme zur Be lichtungssteuerung eingesetzt werden. Eine besonders vorteil hafte Konfiguration entsteht dann, wenn die Lösungen gemäß den Kurven c, d und e, f, g kombiniert werden und sowohl das Videosignal gemäß der Kurve f als auch die zweite Abtastung gemäß der Kurve d aquiriert wird. Durch die Mittelung beider Bilder läßt sich der Störabstand der zweiten Abtastung (Hilfsabtastung) wesentlich verbessern.The second scanning (auxiliary scanning) can also take place directly after the start of an X-ray pulse a, as represented by the curves e, f, g. If the charge transfer pulse is placed sufficiently shortly after the start of recording, due to the inertia of the output screen of the X-ray image intensifier 3 , no significant deterioration in the signal-to-noise ratio of the main scanning can be expected. The X-ray quanta applied during the auxiliary scanning still have an effect during the main scanning and can thus contribute to the image structure. The first video signal obtained according to curve f can replace the second sampling analogously to the solution according to curves c and d. The curve parts h accordingly correspond to one another and are assigned to the second scan. In addition, in this case the signal of the presampling, which is resolved with respect to the amplitude value, can be used for exposure control. Any image areas or histograms can also be used for lighting control. A particularly advantageous configuration arises when the solutions according to curves c, d and e, f, g are combined and both the video signal according to curve f and the second sampling according to curve d are acquired. By averaging both images, the signal-to-noise ratio of the second scan (auxiliary scan) can be significantly improved.

Claims

1. Röntgendiagnostikeinrichtung mit einer Bildverstärker-Fern sehkette (3, 4) und einem dem Bildverstärker (3) zugeord neten CCD-Bildwandler (4) mit einer Schaltung (Fig. 3) zur Übertragung der Pixel-Ladung, welche so ausgebildet ist, daß die durch einen Röntgenpuls erzeugte Pixel-Ladung durch Ab tastung des Bildwandlers (4) in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten in die vertikalen Schieberegister des Bildwandlers (4) übertragen wird, wobei Bildelemente, welche bei der ersten Abtastung übersteuert waren, durch den in der Amplitude angepaßten Signalstrom des gleichen Pixels in der zweiten Abtastung ersetzt werden. 1. X-ray diagnostic device with an image intensifier television chain ( 3 , 4 ) and one of the image intensifier ( 3 ) assigned CCD image converter ( 4 ) with a circuit ( Fig. 3) for transmitting the pixel charge, which is designed such that the pixel charge generated by an X-ray pulse is transmitted by scanning the image converter ( 4 ) in several successive steps into the vertical shift registers of the image converter ( 4 ), picture elements which were overdriven in the first scan by the amplitude-adjusted signal current of the same pixel in the second scan.

2. CCD-Bildwandler nach Anspruch 1, bei dem der Signalstrom für die auf die erste Abtastung folgende zweite Abtastung aus dem Nachbild des Röntgenbildverstärkers (3) generiert wird.2. CCD image converter according to claim 1, in which the signal current for the second scan following the first scan is generated from the afterimage of the X-ray image intensifier ( 3 ).

3. CCD-Bildwandler nach Anspruch 2, bei dem auch die Trägheit des Bildwandlers (4) zur Generierung des Signalstroms benutzt wird.3. CCD image converter according to claim 2, wherein the inertia of the image converter ( 4 ) is used to generate the signal current.

4. CCD-Bildwandler nach Anspruch 1, bei dem alle Abtastungen unmittelbar nach Beginn eines Röntgenpulses (a) erfolgen.4. The CCD imager of claim 1, wherein all scans immediately after the start of an X-ray pulse (a).

5. CCD-Bildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das bei einer Abtastung gewonnene Signal zur Belichtungs steuerung dient.5. CCD image converter according to one of claims 1 to 3, in which the exposure signal obtained in one scan control serves.