DE69734641T2

DE69734641T2 - Röntgenabbildungssystem mit einem Bilddetektor

Info

Publication number: DE69734641T2
Application number: DE69734641T
Authority: DE
Inventors: Paul Richard Milwaukee Granfors; Jean-Claude Milwaukee Morvan; Rowland Frederick Hartland Saunders
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2017-12-20
Also published as: EP0849980A1; EP0849980B1; JPH10284289A; US5751783A; DE69734641D1

Description

Das Gebiet der Erfindung betrifft Röntgenbildgebungssysteme und insbesondere eine automatische Belichtungssteuerung für Röntgensysteme.
Automatische Belichtungssteuerung (AEC, Automatic Exposure Control; wird in Röntgenbildgebungsapparaten verwendet, um die Belichtung pro Bild zu steuern. Das Ziel ist es, eine Bildqualität unter Minimierung der Patientenbestrahlung aufrecht zu erhalten. Die AEC erzeugt ein Signal, das zu dem Röntgenstrahlenzufluss zu dem Bildempfänger proportional ist. Dieses Signal wird dazu verwendet, die gesamte Belichtung für jedes Bild entweder durch Beendigung der Bestrahlung oder durch Anpassung der Röntgenstrahlenflussrate zu regulieren.
Es gibt mehrere Verfahren zur automatischen Belichtungssteuerung, die momentan eingesetzt werden. Siehe bspw. US 5 194 736 , US 5 585 638 und DE 195 25 376 . Eines dieser Verfahren verwendet einen Ionisationskammerdetektor, der zwischen dem Patienten und dem Bildgebungsdetektor angeordnet ist. Der Ionisationskammerdetektor kann mehrere gesonderte Kammern umfassen, wobei in diesem Fall das Belichtungssteuerungssignal von einer beliebigen einzelnen Kammer oder einer Kombination von Kammern herrühren kann. Ein Nachteil dieser Detektorart liegt darin, dass ein Teil der Strahlung, der ansonsten zu dem Signal in dem Bildempfänger einen Beitrag leisten würde, aufgrund der Abschwächung in der Ionisationskammer verloren geht. Derartige Kammern müssen ferner sorgfältig konstruiert sein, so dass eine Variation der Absorption über ihrem Bereich ausreichend klein ist, um Artefakte in dem erfassten Bild auszuschließen.
Bei einem weiteren AEC-Verfahren ist eine Ionisationskammer hinter dem Bildempfänger angeordnet. In dieser Stellung fängt sie nicht Röntgenstrahlen ab, die zur Bilderzeugung verwendet werden, sondern nur die verfügbare Strahlung, so dass die Signalstärke in der Ionisationskammer aufgrund der Abschwächung in dem Bildempfänger und einer zugehörigen Kapselung oder Abschirmung verringert ist. Die Dicke der Ionisationskammer könnte zur Erhöhung ihrer Empfindlichkeit vergrößert werden, wobei dies jedoch das Bildgebungssystem sperriger gestalten würde. Einige AEC-Systeme verwenden anstelle der Ionisationskammer einen Szintillationsschirm, der mit einem Lichtsensor gekoppelt ist.
Ein weiteres AEC-Verfahren, das im Zusammenhang mit Bildverstärker basierten Systemen eingesetzt wird, fängt einen Teil des Lichts von dem Bildgatter an dem Ausgang des Bildverstärkers auf und erfasst das Helligkeitsniveau mit einem Fotosensor. Ein Nachteil dieses AEC-Verfahrens liegt darin, dass die Lichtauffangvorrichtung in dem Bildweg angeordnet ist. Dies kann in einigen Bilderzeugungssituationen zu einer Störung des Bildes durch die Auffangvorrichtung führen.
Röntgenbildgebungssysteme, die einen Großflächen-Festkörper-Röntgendetektor, beispielsweise einen Detektor, der in der US-Patentschrift Nr. 4 996 413 mit dem Titel „Apparatus and Method for Reading Data from an Image Detector" beschrieben ist, verwenden, können das in Bildverstärkersystemen eingesetzte AEC-Verfahren nicht verwenden. Anders als bei einem Bildverstärkersystem liegt kein verkleinertes Lichtbild vor, von dem Licht in geeigneter Weise erfasst werden kann. Ferner ist ein Konstruktionsziel bei der Verwendung von Großflächen-Festkörper-Detektoren, die Größe der Detektorpackung zu verringern. Dies macht die Verwendung einer vor oder hinter dem Bilddetektor angeordneten Ionisationskammer weniger wünschenswert.
Gemäß der Erfindung ist ein Röntgensystem geschaffen, das aufweist: ein Großflächen-Festkörper-Bildfotodetektorarray; ein Fotosensorarray, das hinter dem Bildfotodetektorarray angeordnet und derart positioniert ist, um Photonen zu erfassen, die durch das Fotodetektorarray hindurchtreten; eine Einrichtung zur Zusammenführung oder Kombination von Strömen, die durch Fotosensoren in dem Fotosensorarray erzeugt werden; einen Integrator, der mit der Kombinationseinrichtung (60) verbunden ist, um ein AEC-Signal zu liefern; und eine Belichtungssteuerungseinrichtung (34), die derart angeschlossen ist, um das AEC-Signal entgegenzunehmen und dasselbe zur Steuerung der Röntgenbelichtung zu verwenden.
Die Einrichtung zur Kombination kann einen Selektor enthalten, der Fotosensorströme auswählt, die zusammenzuführen sind.
Der Detektor kann eine Systemsteuerungseinrichtung enthalten, die den Selektor betreibt, um den Bereich zu bestimmen, über dem das AEC-Signal akquiriert werden soll.
Die Einrichtung zur Kombination kann eine Einrichtung enthalten, die dazu dient, das AEC-Signal basierend auf der Anzahl der zusammenzuführenden Fotosensorströme zu skalieren.
Fotosensoren in jeder der mehreren Regionen in dem Fotosensorarray können miteinander derart verbunden sein, dass ihre Ströme gemeinsam aufsummiert werden, um regionale Signale zu bilden.
Die Einrichtung zur Kombination kann einen Selektor enthalten, der zusammenzuführende regionale Signale in Abhängigkeit von einem Auswahlsteuerungssignal auswählt.
Die Erfindung strebt danach, ein AEC-Signal zu liefern, ohne Bildartefakte zu erzeugen oder die Größe der Detektorpackung wesentlich zu steigern. Das Fotosensorarray ist hinter dem Bildempfänger angeordnet und stört somit die Bilderzeugung nicht. Das Fotosensorarray kann unter Verwendung mehrerer unterschiedlicher Technologien hergestellt sein, die zu einer minimalen Erhöhung der Größe der Detektorpackung führen.
Insbesondere strebt die Erfindung danach, ein AEC-Signal von einem Sichtfeld (Field of View) zu liefern, das gezielt eingestellt werden kann. Eine Selektorschaltung führt die Signale von jedem Fotosensor des Arrays zusammen, und das Sichtfeld kann durch die Auswahl, welche Signale in der Kombination enthalten sind, angepasst werden.
Die Erfindung ist nachstehend in größeren Einzelheiten zu Beispielszwecken mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine bildliche Darstellung eines Röntgenbildgebungssystems, der die vorliegende Erfindung verwendet;
2 eine bildliche Darstellung eines weiteren Röntgensystems, das die vorliegende Erfindung verwendet;
3 ein Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform des AEC-Fotosensorarrays gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematisierte Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Fotodiodenarrays, das einen Bestandteil des AEC-Fotosensorarrays nach 3 bildet; und
5 eine modifizierte Ausführungsform des in dem AEC-Fotosensorarray nach 3 verwendeten Fotodiodenarrays.
Indem zunächst auf 1 Bezug genommen wird, enthält eine Röntgenvorrichtung 14 eine Röntgenröhre 15, die bei Speisung durch eine Energieversorgung 16 ein Röntgenstrahlbündel 17 aussendet.
Wie veranschaulicht, ist das Röntgenstrahlbündel in Richtung auf einen Patienten 18 gerichtet, der auf einem für Röntgenstrahlen durchlässigen Tisch 20 liegt. Der Teil des Strahls, der durch den Tisch und den Patienten hindurch übertragen wird, trifft auf eine Röntgendetektoranordnung 22 auf. Die Röntgendetektoranordnung 22 weist einen Szintillator 24 auf, der die Röntgenphotonen in energieärmere Photonen in dem sichtbaren Lichtspektrum wandelt. Angrenzend an den Szintillator 24 ist ein Bildfotodetektorarray 26 vorgesehen, das die Lichtphotonen in ein elektrisches Signal wandelt. Eine Detektorsteuerungseinrichtung 27 enthält eine Elektronik zum Betreiben des Detektorarrays 26, um ein Bild zu akquirieren und das Signal von jedem Fotodetektorelement auszulesen.
Das Ausgangssignal von dem Bildfotodetektorarray 26 wird einem Bildprozessor 28 zugeführt, der eine Schaltung zur Erfassung, Verarbeitung und Verstärkung oder Verbesserung des Röntgenbildgebungssignals beinhaltet. Das verarbeitete Bild wird auf einem Bildmonitor 32 angezeigt und kann in einer Bildspeichervorrichtung 30 abgespeichert werden. Der gesamte Betrieb der Röntgenvorrichtung 14 ist durch eine Systemsteuerungseinrichtung 36 gesteuert, die Befehle von dem Benutzer über ein Bedienerschnittstellenpanel 38 empfängt.
Das Bildfotodetektorarray 26 umfasst Vorrichtungen aus amorphem Silizium auf einem Glassubstrat. Ein Teil des von dem Szintillator 24 herrührenden Lichts wird durch diese Siliziumvorrichtungen und durch die Zwischenräume zwischen diesen übertragen. Außerdem werden einige Röntgenstrahlen sowohl durch den Szintillator 24 als auch das Bildfotodetektorarray 26 übertragen. Ein AEC-Fotosensorarray 23, das auf der Rückseite des Bilddetektorarrays 26 angeordnet ist, erfasst dieses Licht und diese Röntgenstrahlen und erzeugt ein AEC-Signal, das als Ausgangssignal einer Belichtungssteuerungsschaltung 34 zugeführt wird. Der Aufbau und die Betriebsweise dieses AEC-Fotosensorarrays 23 bilden den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Dieses ist nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben.
Das AEC-Fotosensorarray 23 gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform verwendet werden, die in 2 veranschaulicht ist und in der dieses in Zusammenhang mit einem Film-/Schirm-Bildgebungssensor 25 eingesetzt wird. In dieser Ausführungsform umfasst der AEC-Detektor einen Szintillator 24, der mit einem Fotosensorarray 23 gekoppelt ist. Der Szintillator 24 wird dazu verwendet, durch den Film-/ Schirm-Sensor 25 übertragene Röntgenstrahlen zu absorbieren und Lichtphotonen zu erzeugen, die durch die Fotosensoren in dem AEC-Fotosensorarray 23 aufgefangen werden. Die Betriebsweise des AEC-Fotosensorarrays 23 ist die gleiche wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform.
Bezugnehmend nun insbesondere auf 3 ist das AEC-Fotosensorarray 23 in einer bevorzugten Ausführungsform durch ein Fotodiodenarray 50 gebildet. Das Fotodiodenarray 50 ist hinter dem Bildgebungsdetektor angeordnet, von dem die Belichtung für die Zwecke der Belichtungssteuerung überwacht werden soll. Licht, das auf die Oberfläche des Fotodiodenarrays 50 auftrifft, erzeugt Elektronenlochpaare in den Fotodioden, auf die es auftrifft, und dies erzeugt bei einem Anschluss an eine externe Schaltung einen Strom. Das von dem Array 50 erzeugte Signal wird zur automatischen Belichtungssteuerung verwendet.
Die Anordnung der Elemente in dem Array 50 ist derart gestaltet, um eine Aufzeichnung oder Überwachung der Röntgenstrahlintensität für spezifische anatomische Bereiche zu ermöglichen, wie dies durch die gerade durchgeführte bestimmte Untersuchung sowie auch durch die Größe des Sichtfelds (Field of View) erforderlich sein kann. Eine bevorzugte Ausführungsform des Fotodiodenarrays 50 ist in 4 veranschaulicht. Die Fotodioden in dem Array 50 sind in Regionen aufgebaut, die mit 1–16 bezeichnet sind. Die Ausgänge aller Fotodioden in jeder Region sind miteinander verbunden, um ein regionales Signal zu liefern. Eine von 16 Ausgangsleitungen 52 ist an jede Region angeschlossen, um das regionale Signal aus den Fotodioden in der Region herauszuführen. Es sollte aus 4 ersichtlich sein, dass durch eine gezielte Kombination der regionalen Signale auf den sechzehn Leitungen 52 die Größe und Gestalt des Bereiches, von dem die AEC-Signale erfasst oder gesammelt werden, verändert werden kann. Region 1 nimmt einen zentralen, quadratischen Bereich ein, während die verbleibenden Regionen 2–16 es ermöglichen, die Größe und Gestalt dieses Zentralbereiches nach außen zu erweitern. Durch gezielte Kombination oder Zusammenführung der regionalen Signale auf den Leitungen 52 kann somit die Größe und Gestalt des durch das AEC-Fotosensorarray 23 überwachten Bereiches in der für eine spezielle Patientenuntersuchung erforderlichen Weise angepasst werden. Das AEC-Fotodiodenarray 50 nach 4 wird mit einem Bildgebungsdetektor von 20 cm mal 20 cm eingesetzt. Die Größe des Arrays und die. Lage und Gruppierung der Dioden unterscheiden sich für andere Bildgebungsdetektoren. Insbesondere erfordern einige Detektoren, dass die Dioden in getrennte Bereiche, die möglicherweise unterschiedliche Größen und Gestalten aufweisen, gruppiert werden. 5 veranschaulicht ein Beispiel eines derartigen AEC-Fotodiodenarrays 54, der drei getrennte Erfassungsbereiche 55, 56 und 57 enthält. Diese Gruppierung von Dioden ahmt die Geometrie des speziellen AEC-Ionisationskammerdetektors nach, das in Zusammenhang mit Film/Schirm-Bildgebungsdetektoren mit einer Größe von 35 mal 43 cm verwendet wird.
Erneut bezugnehmend auf 3 ist veranschaulicht, dass die Signale auf den Leitungen 52 bei 54 gesondert verstärkt werden. Das Signal von jeder Region ist zu der mit dem Flächeninhalt der Region multiplizierten Belichtung in dieser Region proportional. Wenn es gewünscht ist, dass das Steuerungssignal über den gesamten Steuerungsbereich hinweg eine gleichmäßige Gewichtung aufweist, wird der Verstärkungsfaktor jedes Verstärkers umgekehrt proportional zu dem Flächeninhalt seiner Region eingestellt. Wenn es alternativ gewünscht ist, dass die Gewichtung einiger Teile des Steuerungsbereiches größer sein soll als diejenige anderer Teile, können die Verstärkungsfaktoren in geeigneter Weise eingestellt werden. Die sechzehn verstärkten Signale werden anschließend einem Selektor 56 zugeführt, der ein Auswahlsteuerungssignal 58 entgegennimmt, das anzeigt, welche einzelnen der verstärkten Signale miteinander zu kombinieren sind, um das zusammengesetzte AEC-Signal zu bilden. Der Selektor 56 weist analoge Schalter auf. Das Auswahlsteuerungssignal ist durch das ausgewählte Sichtfeld des Bildes und die Art der Patientenuntersuchung, wie sie durch den Bediener ausgewählt wird, bestimmt und wird durch die Systemsteuerungseinrichtung 36 (1) erzeugt. Die ausgewählten Signale werden einem Summier- und Signalskalierungsverstärker 60 zugeführt, der sie zusammenführt und anschließend das resultierende zusammengesetzte AEC-Signal im umgekehrten Verhältnis zu der Anzahl der ausgewählten Regionen skaliert. Während dieses zusammengesetzte analoge AEC-Signal integriert und dazu verwendet werden kann, die Röntgenstrahlenbelichtung unmittelbar zu steuern, wird das zusammengesetzte AEC-Signal in der bevorzugten Ausführungsform mittels eines Analog/Digital-Wandlers 62 digitalisiert. Das digitalisierte zusammengesetzte AEC-Signal wird, wie bei 64 veranschaulicht, integriert und dazu verwendet, die Belichtung in der vorstehend beschriebenen Weise zu steuern.
Ein mit der Technik vertrauter Fachmann wird ohne weiteres verstehen, dass viele Veränderungen ausgehend von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung möglich sind, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu berühren. Beispielsweise kann die Schaltung nach 3 modifi ziert werden, um die von jeder Region herrührenden analogen Signale vor ihrer Zusammenführung zu digitalisieren. Dies ermöglicht es, die Gewichtungs- und Kombinationsfunktionen in digitaler Weise durchzuführen.

Claims

Röntgensystem mit automatischer Belichtungssteuerung (AEC), das aufweist: ein Großflächen-Festkörper-Bildfotodetektorarray (26); ein Array aus Fotosensoren (23), die hinter dem Bildfotodetektorarray (26) angeordnet und derart positioniert sind, um Photonen zu erfassen, die durch das Fotodetektorarray (26) hindurchtreten; eine Einrichtung (60) zur Kombination von Strömen, die durch Fotosensoren in dem Fotosensorarray (23) erzeugt werden; einen Integrator (64), der mit der Einrichtung (60) zur Kombination von durch Fotosensoren erzeugten Strömen verbunden ist, um ein AEC-Signal zu liefern; und eine Belichtungssteuerungseinrichtung (34), die derart angeschlossen ist, um das AEC-Signal entgegenzunehmen und das AEC-Signal zu verwenden, um eine Röntgenbelichtung zu steuern.
Detektor nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung (60) zur Kombination von durch Fotosensoren erzeugten Strömen einen Selektor (56) enthält, der miteinander zu kombinierende Fotosensorströme auswählt.
Detektor nach Anspruch 2, der eine Systemsteuerungseinrichtung (36) enthält, die den Selektor (56) betreibt, um den Bereich zu bestimmen, über dem das AEC- Signal akquiriert werden soll.
Detektor nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung (60) zur Kombination von durch Fotosensoren erzeugten Strömen eine Einrichtung zur Skalierung des AEC-Signals auf der Grundlage der Anzahl der kombinierten Fotosensorströme enthält.
Detektor nach Anspruch 1, bei dem Fotosensoren in jeder von mehreren Regionen in dem Fotosensorarray (23) miteinander derart verbunden sind, dass ihre Ströme gemeinsam aufsummiert werden, um regionale Signale zu bilden.
Detektor nach Anspruch 5, bei dem die Einrichtung (60) zur Kombination von durch Fotosensoren erzeugten Strömen einen Selektor (56) enthält, der regionale Signale, die miteinander kombiniert werden sollen, in Abhängigkeit von einem Auswahlsteuerungssignal auswählt.