DE4426451A1 - Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Festkörperbildwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Hochspannungsgenerator für eine Röntgenröhre zur Erzeu­ gung eines Röntgenstrahlenbündels, einem in dem Röntgenstrah­ lenbündel angeordneten Detektor zur Erfassung der Röntgen­ dosis, einem daran angeschlossenen Meßwandler zur Steuerung des Hochspannungsgenerators und einem Bildwandler.

In der DE-C-21 35 205 ist eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Belichtungsautomaten beschrieben, bei dem während der Röntgenbestrahlung ein Maß für die auflaufende Röntgen­ dosis gewonnen wird. Damit kann die laufende Strahlung nach Erreichen eines Vorgabewertes abgeschaltet werden.

Bei derartigen Röntgendiagnostikeinrichtungen mit einem Rönt­ genbildverstärker als Bildwandler ist es bekannt, eine luft­ gefüllte Ionisationskammer als Zusatzbauelement vor dem Rönt­ genbildverstärker anzuordnen. Der geringe Strom zwischen zwei unter Spannung stehenden Elektrodenplatten ist der Dosislei­ stung der einfallenden ionisierenden Strahlung direkt propor­ tional. Durch Aufintegration wird die Dosis bestimmt. Für Durchleuchtungsdosen ist jedoch die Meßgenauigkeit zu gering.

Bei einem Röntgenbildwandler, beispielsweise einem aSi:H- Röntgenbilddetektor, steht die Bildinformation erst einige Zeit nach Ende des Röntgenpulses zur Verfügung, weil der Bilddetektor grundsätzlich im Speichermodus betrieben wird. Damit ist eine Dosismessung nicht während des aktuellen Rönt­ genpulses, sondern erst einige Zeit nach dessen Ende möglich.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Röntgendiagno­ stikeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine einfache, schnelle und sichere Erfassung der Röntgendo­ sis ohne Zusatzbauelemente ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Festkörperbildwandler eine Halbleiterschicht mit in einer Matrix angeordneten, lichtempfindlichen Pixelelementen und eine darauf aufgetragene elektrisch nichtleitende Schicht aufweist, auf der eine Elektrodenschicht als Detektor auf­ gebracht ist, die mit den Pixelelementen einen Kondensator bilden, dem durch Belichtung Ladung zugeführt wird, und mit dem Meßwandler zur Erfassung dieser der Röntgendosis entspre­ chenden Ladung verbunden ist.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Festkörper­ bildwandler einen aSi:H-Detektor aufweist. Je nach Anordnung der Elektroden kann die elektrisch nicht leitende Schicht aus einem Szintillatormaterial oder aus Glas bestehen.

Eine Variation der erfaßten Fläche ist möglich, wenn die Elektrodenschicht aus mehreren Einzelelektroden besteht, die jeweils mehrere Pixelelemente übergreifen. Es läßt sich eine beliebige Dominantenfläche auswählen, wenn Schalter vorgese­ hen sind, durch die die Einzelelektroden mit einem Meßver­ stärker des Meßwandlers verbindbar sind. In vorteilhafter Weise kann die Elektrodenschicht aus Kupfer oder einem Leichtmetall bestehen. Eine einfache Anschaltung und Auswahl von Dominanten ergibt sich, wenn die Einzelelektroden die Form der gewünschten, möglichen Dominaten aufweisen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Meßwandler den La­ dungs-Verschiebestrom erfaßt und aufintegriert.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Röntgendiagnostikeinrich­ tung,

Fig. 2 und 3 Aufbau der erfindungsgemäßen Röntgenbildwandler,

Fig. 4 Anordnung der Einzelelektroden auf dem Röntgen­ bildwandler und

Fig. 5 bis 7 Schaltungsanordnungen zur Meßwerterfassung der Ladung von erfindungsgemäßen Röntgenbildwand­ lern.

In der Fig. 1 ist eine bekannte Röntgendiagnostikeinrichtung mit einer Röntgenröhre 1 dargestellt, die von einem Hochspan­ nungsgenerator 2 betrieben wird. Die Röntgenröhre 1 sendet ein Röntgenstrahlenbündel 3 aus, das einen Patienten 4 durch­ dringt und auf einen Röntgenbildwandler 5 entsprechend der Transparenz des Patienten 4 geschwächt als Röntgenstrahlen­ bild fällt. Der Röntgenbildwandler 5 ist mit einer Wieder­ gabevorrichtung verbunden, die aus einer Verarbeitungsschal­ tung 6 und einem daran angeschlossenen Monitor 7 zur Wieder­ gabe des Röntgenstrahlenbildes bestehen kann. Die Verarbei­ tungsschaltung 6 kann in bekannter Weise eine Rechenschal­ tung, Filterschaltungen, Bildspeicher und Wandler aufweisen, die nicht dargestellt sind.

An dem Röntgenbildwandler 5 ist ein Meßwandler 8 angeschlos­ sen, der mit dem Hochspannungsgenerator 2 zur Steuerung der Röntgendosis verbunden ist.

In der Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Röntgenbildwand­ ler 5 dargestellt. Er weist eine Halbleiterschicht 9 auf, auf die die Szintillatorschicht 10 aufgetragen ist. Die Halblei­ terschicht 9 ist mit einem Anschluß 11 versehen. Auf der Szintillatorschicht 10 ist anstelle oder unterhalb einer nicht dargestellten nach unten isolierten Aluminiumschicht eine Elektrodenschicht 12 angeordnet, die der Halbleiter­ schicht 9 gegenüberliegt. Der Anschluß 11 und die Elektroden­ schicht 12 dienen als Detektor für die Röntgenstrahlung. Bei diesem Röntgenbildwandler ist die Elektrodenschicht 12 ober­ halb der Halbleiterschicht 9 angeordnet.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Röntgenbildwandlers 5 dargestellt, bei der sich die Elektrodenschicht 12 unterhalb der Halbleiterschicht 9 befin­ det. Auf einem Glassubstrat 13 ist die Halbleiterschicht 9 aufgebracht, wobei die empfindlichen Elektroden der Photo­ dioden der einzelnen Pixelelemente auf dem Glassubstrat 13 liegen. Auf der Rückseite des Glassubstrates 13, der der Halbleiterschicht 9 entgegengesetzten Seite, ist eine optisch transparente Elektrodenschicht 12 aufgetragen. Auf der Halb­ leiterschicht 9 befindet sich der Anschluß 11, der von der Szintillatorschicht 10 abgedeckt ist. Die zwischen Halblei­ terschicht 9 und Glassubstrat 13 entstehende Ladung kann über den Anschluß 11 und die Elektrodenschicht 12 erfaßt werden. Die grundsätzliche Idee der Dosismessung kann also auch hier angewendet werden.

Die Elektrodenschicht 12 ist auf eine elektrisch nichtlei­ tende Schicht aufgetragen und der sogenannten "heißen" Elek­ trode zugewandt. Somit ergibt sich je nach Pixelaufbau die Anordnung der Elektrodenschicht 12 entweder auf dem Substrat 13 oder der Szintillatorschicht 10.

Die Halbleiterschicht 9 kann aus mit Wasserstoff dotiertem amorphem Silizium (aSi:H) bestehen. Sie besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Bildpunkten bzw. Pixelelementen, die Photodioden aufweisen können.

Während des Röntgenpulses ändert sich die Ladung der Photo­ dioden der Pixelelemente sehr schnell. Zur Erfassung der makroskopischen Änderungen in einer größeren Fläche, die die Fläche mehrerer Photodioden aufweist, kann durch kapazitive Kopplung eine Messung der empfangenen Strahlung über diese Fläche erreicht werden.

Dies wird durch die in Fig. 4 dargestellte Lösung erreicht. Auf der über der Halbleiterschicht 9 mit m_*m Pixelelementen 14 angeordneten Szintillatorschicht 10 ist die Elektroden­ schicht 12, bestehend aus n_*n Einzelelektroden 15, aufge­ bracht, wobei die Einzelelektroden 15 mehrere Pixelelementen 14 bedecken. Der Randbereich kann wie dargestellt frei blei­ ben, da in diesem Bereich keine relevante Bestrahlung vor­ liegt, die erfaßt werden müßte. In der Fig. 4 sind der ein­ fachheit halber lediglich 9 Einzelelektroden 15 dargestellt, die jeweils 9 Pixelelemente 14 übergreifen. Die wirkliche Anzahl sowohl der gesamten Anzahl der Pixelelemente 14 und der Einzelelektroden 15 als auch die Zahl der von den Einzel­ elektroden 15 überdeckten Pixelelemente 14 ist wesentlich größer.

Diese Einzelelektroden 15 decken eine Fläche von beispiels­ weise 2×2 cm ab. Sie weisen eine Schichtkapazität zu den empfindlichen Elektroden der Photodioden auf. Während des Röntgenpulses fällt die Spannung an der aktiven Elektrode linear auf die Nulladung der Photodiode in Abhängigkeit von der Helligkeit des von der Szintillatorschicht 10 abgestrahl­ ten Lichtes ab. Dieser Spannungsabfall ändert sich mit der Ladung der Sensorkapazität und kann an der Elektrodenschicht 12 in verschiedener Weise gemessen werden.

Die dünne Elektrodenschicht 12, die aus Kupfer oder Leicht­ metall bestehen kann, weist nur eine geringe Absorption auf, die zwar keine Dosisänderungen bewirkt, aber evtl. als Muster in dem Röntgenbild sichtbar sein könnte. Nach einer Verstär­ kungskorrektur sind die Abbildungen der Konturen der Einzel­ elektroden 15 beseitigt. Um Störungen zu vermeiden, sollte die Messung auf das Röntgenfenster beschränkt bleiben.

Um den gewünschten Dominantenbereich zu erhalten, können meh­ rere Einzelelektroden zusammengeschaltet werden. Diese Zusam­ menschaltung kann, wie noch beschrieben wird, vor oder nach der Ladungsmessung erreicht werden.

In der Fig. 5 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung der Messung wiedergegeben. Die Photodioden der Pixelelemente 14 weisen eine Pixelkapazität 16 auf, die mit Schichtkapazitäten 17 der Einzelelektroden 15 in Reihe geschaltet sind. Die an­ gewandte Dosis kann durch einen Widerstand 18 detektiert wer­ den, der den Ladungsstrom der Schichtkapazität 17 in eine Spannung umwandelt, die von einem Verstärker 19 erfaßt wird. Der Widerstand 18 ist einseitig auf Masse 20 gelegt. An dem Ausgang des Verstärkers 19 kann gegenüber Masse 20 die der Röntgendosis entsprechende Meßspannung abgegriffen werden, aus deren Anstieg ein Signal zur Steuerung des Hochspannungs­ generators 2 abgeleitet wird.

Die Diodenspannung kann auch mit einem Ladungsverstärker ge­ messen werden, wie dies anhand der Fig. 6 erläutert wird. Der Ladungstransfer durch die Schichtkapazität 17 wird in einen Spannungsabfall über einen Kondensator 22 umgewandelt, der eine kapazitive Rückkopplung eines Operationsverstärkers 21 bewirkt. Ein Schalter 23 dient zum eventuell erforderli­ chen Zurücksetzen des Kondensators 22 und erlaubt die Messung innerhalb eines Röntgenfensters. Dieses Meßverfahren weist zwei Vorteile auf. Die geringe Kopplung zwischen den Bild­ punkten, die durch die Sensorelektroden herbeigeführt wird, wird durch die Klemmung auf Masse 20 mittels des Operations­ verstärker 21 weiterhin reduziert. Die Kapazität einer mög­ lichen oberhalb der Elektrodenschicht 12 angeordneten geer­ deten Schicht reduziert nicht die Empfindlichkeit des Detek­ tors.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, daß alle Photodioden des Detektors während des Röntgenpulses von eini­ gen Millisekunden bis Sekunden Dauer von einer Ladespannung von beispielsweise 2 V je nach Dosis mehr oder weniger voll­ ständig entladen werden. Da eine der Elektroden dieser Dioden auf virtuellem Massepotential liegt, wird das Potential der jeweils anderen, der sogenannten "heißen" Elektrode mitgezo­ gen. Stellt man einem Teil oder allen Dioden mit sich verän­ derndem Potential eine isolierte Sensorelektrode als Konden­ satorplatte gegenüber, so kann anhand der Ladungsverschiebung die Potentialveränderung der Photodioden an der Sensorelek­ trode abgegriffen werden. Die Spannungsänderung an den Photo­ dioden ist somit ein direktes Maß für die applizierte Rönt­ gendosis. Die Information kann als Spannungsänderung an den Sensorplatten abgegriffen werden. Dann muß die Kapazität der Sensorplatte gegen die Dioden zusammen mit dem Eingangswi­ derstand der Abgreifelektronik einen Hochpaß bilden, der die niedrigsten Frequenzkomponenten des Zeitsignals noch passie­ ren läßt.

Mit einer sehr hoch liegenden Eckfrequenz des obengenannten Hochpasses kann man auch die Ladungsverschiebung als Strom im Eingangswiderstand messen und enthält ein Maß für die Dosis­ leistung, so daß anschließend nur noch zu integrieren ist. Gemessen wird nur während des Röntgenimpulses.

Die Sensorelektrode kann in relativ großem Abstand von den Diodenelektroden z. B. auf dem Szintillator (0,4 mm dick) liegen, so daß durch die Einzelelektroden 15 keine merkliche Verkopplung der Pixelelemente 14 untereinander entsteht.

Die Elektrodenschicht 12 kann vielfältig untergliedert sein, so daß durch unterschiedliche Anwahl von Teilflächen durch Schalter Meßfelder, sogenannte Dominanten, aproximiert wer­ den. Die elektrischen Feldlinien greifen nur relativ wenig seitlich aus, wenn die Elektrodenfläche groß gegenüber dem Plattenabstand - Szintillatordicke 0,4 mm - ist. Die Zulei­ tungen müssen entweder bei nur einer Metallisierungsebene z. T. zwischen den Teilelektroden laufen oder können unabhän­ gig davon verlegt werden, wenn 2 Ebenen zur Verfügung stehen.

In Fig. 7 ist eine Schaltungsanordnung gemäß dem vorherge­ henden Meßverfahren dargestellt, bei der mehrere Meßfelder einzeln oder in Kombination wahlweise erfaßt werden können. Die unter den Einzelelektroden 15 der Fig. 4 liegenden Pixelelemente 14 weisen Pixelkapazitäten 24 bis 26 auf. Der Einfachheit halber sind die Einzelkapazitäten der einzelnen, unter einer Einzelelektroden 15 liegenden Pixelelemente 14 jeweils zu einer Pixelkapazität 24, 25 oder 26 zusammen­ gefaßt.

Diese Pixelkapazitäten 24 bis 26 sind mit den Schichtkapazi­ täten 27 bis 29 in Reihe geschaltet. Zur Vereinfachung sind in Fig. 7 nur drei Zweige entsprechend drei Einzelelektroden 15 wiedergegeben. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Aufbau jedoch müßten neun entsprechende Zweige vorgesehen sein.

Über Wahlschalter 30 bis 32 lassen sich die jeweils gewünsch­ ten erforderlichen Einzelelektroden 15 auswählen und dem Ope­ rationsverstärker 21 aufschalten, so daß eine beliebige Domi­ nante ausgewählt werden kann. So kann beispielsweise im Falle des in Fig. 4 dargestellten Aufbaus die mittlere Einzelelek­ trode 15, die mittlere Zeile oder Spalte der Einzelelektroden 15, ein Kreuz, gebildet aus den mittleren Zeilen und Spalten der Einzelelektroden 15, oder eine der Diagonalen zusammen­ gefaßt oder auch sämtliche Einzelelektroden 15 abgefragt wer­ den. Die Form der Einzelelektroden kann beliebig sein und ist nicht an ein Rechteck oder Quadrat gebunden.

Durch diesen erfindungsgemäßen Aufbau und diese Meßanordnung erhält man eine Röntgendiagnostik mit einem Röntgenbildwand­ ler, bei dem kein Dosisverlust durch zusätzliche, vor dem Röntgenbildwandler angeordnete Bauelemente entsteht und eine einfache und schnelle Erfassung der Röntgendosis erfolgen kann, so daß zu beliebigen vorgegebenen Dosiswerten der Hochspannungsgenerator 2 sicher abgeschaltet werden kann.

Claims (10)

1. Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Hochspannungs­ generator (2) für eine Röntgenröhre (1) zur Erzeugung eines Röntgenstrahlenbündels (3), einem in dem Röntgenstrahlenbün­ del (3) angeordneten Detektor (12, 15, 17, 27 bis 29) zur Erfassung der Röntgendosis, einem daran angeschlossenen Meß­ wandler (8) zur Steuerung des Hochspannungsgenerators (2) und einem Festkörperbildwandler (5), der eine Halbleiterschicht (9) mit in einer Matrix angeordneten, lichtempfindlichen Pixelelementen (14) und eine darauf aufgetragene elektrisch nichtleitende Schicht (10, 13) aufweist, auf der eine Elek­ trodenschicht (12) als Detektor aufgebracht ist, die mit den Pixelelementen (14) einen Kondensator (16, 24 bis 26) bilden, dem durch Belichtung Ladung zugeführt wird, und mit dem Meß­ wandler (8) zur Erfassung dieser der Röntgendosis entspre­ chenden Ladung verbunden ist.

2. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Fest­ körperbildwandler (5) einen aSi:H-Detektor aufweist.

3. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch nichtleitende Schicht (10) aus einem Szintillator­ material besteht.

4. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch nichtleitende Schicht (13) aus Glas besteht.

5. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht (12) aus mehreren Einzelelektroden (15) besteht, die jeweils mehrere Pixelelemente (14) über­ greifen.

6. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Schalter (30 bis 31) vorgesehen sind, durch die die Ein­ zelelektroden (15) mit einem Meßverstärker (19, 21) des Meßwandlers (8) verbindbar sind.

7. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht (12) aus Kupfer besteht.

8. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht (12) aus einem Leichtmetall besteht.

9. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelektroden (15) die Form der gewünschten, mög­ lichen Dominaten aufweisen.

10. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (8) den Ladungs-Verschiebestrom erfaßt und aufintegriert.