DE10140863A1

DE10140863A1 - CT-Datenaufnehmer

Info

Publication number: DE10140863A1
Application number: DE10140863A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Demharter
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2003-03-13
Also published as: JP2003179493A; US20030053587A1

Abstract

Datenaufnehmer für ein Computertomographie-Gerät mit einem Multiplexer (4) und mit einer Vielzahl von Kanälen, die jeweils einen Strahlungsdetektor zur Umsetzung der Röntgenstrahlung in Licht und dann in einen proportionalen Strom, einen Integrator (6) und einen AD-Wandler umfassen, wobei die Digitalisierung des Stroms über ein integrierendes Digitalisierungsverfahren mittels dual-slope-(zwei-Flanken-) Conversion erfolgt, wobei dem Integrator (6) ein Komparator (7) nachgeschaltet ist, der die Entladezeit der Integratorspannung unter der Wirkung einer definierten Referenzentladespannung bestimmt, und dem Komparator (7) eine Digitalisierungsstufe nachgeschaltet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen CT-Datenaufnehmer (Computertomografie-Datenaufnehmer) mit einem Multiplexer und mit einer Vielzahl von Kanälen, die jeweils einen Strahlungsdetektor zur Umsetzung der Röntgenstrahlung in Licht und dann in einen proportionalen Strom, einen Integrator und einen AD- Wandler umfassen.

Der übliche Aufbau derartiger CT-Datenaufnehmer ist eine analoge Schaltungskette von einem Strahlungsdetektor, inklusive Fotodiode, zur Umsetzung der Strahlung in Licht und dann in einen proportionalen Strom, einen Integrator, der den Fotostrom über die Aufnahmezeit integriert, eine Sample & Hold Schaltung zur Zwischenspeicherung des analogen Wertes, einem Analogmultiplexer zum Aufschalten mehrerer Analogkanäle auf einen AD-Wandler und den AD-Wandler der nach dem sukzessiven Approximationsverfahren arbeitet.

Diese Kette von Analogschaltungen ist aufgrund der hohen Genauigkeitsanforderungen (18 Bit Auflösung) und kleinen Eingangsströmen im Bereich weniger nA sehr störanfällig und schwierig in ein Bauteil zu integrieren. Die Toleranzen der analogen Bauteile, z. B. im Integrator, gehen voll in die Messgenauigkeit ein. Die Anforderungen an die Stabilität der Schaltung sind enorm hoch und Fehler in den einzelnen analogen Schaltungsteilen summieren sich zu einem dann letztendlich doch recht großen Gesamtfehler auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen CT-Datenaufnehmer der eingangs genannte Art so auszugestalten, dass sich bei erhöhter Messgenauigkeit die Anzahl der Kanäle erheblich steigern lässt, wobei aufgrund des limitierten Volumens für elektronische Schaltungen eine möglichst hoch integrierte Schaltung entwickelt werden soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Digitalisierung des Stroms über ein integrierendes Digitalisierungsverfahren mittels Dual-slope- (zwei-Flanken-) Conversion erfolgt, wobei dem Integrator ein Komparator nachgeschaltet ist, der die Entladezeit der Integratorspannung unter der Wirkung einer definierten Referenzentladespannung bestimmt, und dem Komparator eine Digitalisierungsstufe nachgeschaltet ist.

Die Schaltung ist dabei bevorzugt so ausgebildet, dass die Ausgangssignale des Komparators über einen taktfrequenzgesteuerten Zähler digitalisiert und dem als Digital-Multiplexer ausgebildeten Multiplexer zugeführt werden.

Durch die erfindungsgemäße Anwendung des Dual-Slope-Verfahrens, das in anderem Zusammenhang bereits bekannt ist, ergibt sich der große Vorteil, dass die Integrationskonstante τ = R.C nicht in das Digitalisierungsergebnis eingeht. Die Analogschaltung ist in ihrer Komplexität gegenüber den bekannten CT-Datenaufnehmern wesentlich reduziert. Durch Parallelisierung des Dual-Slope-Analogdigtialumsetzers können sehr viele Kanäle parallel in einem Chip aufgenommen werden und die digitalen Werte können dann gespeichert bez. gemultiplext werden. Darüber hinaus vermeidet der erfindungsgemäße CT-Datenaufnehmer das Auftreten hochfrequenter analoger Signale und schließlich ist die ganze Anordnung bei Auflösung in 18 Bits oder mehr durch Zählerbreite/frequenz sehr leicht erweiterbar.

Dabei liegt es schließlich noch im Rahmen der Erfindung, den CT-Datenaufnehmer als Quad-Slop- (vier Flanken) Umsetzer auszubilden, bei dem bereits die Eingangsspannung jeweils vor der Integration auf Null gelegt und im Dual-Slope-Verfahren gemessen wird. Dabei erfasst man die Fehlerspannungen und der Zählerwert wird gespeichert. Daran schließt sich die Messung der Spannung U_e im zwei Flanken Verfahren an. Vom gewonnenen Zählergebnis wird nun der erste Zahlenwert abgezogen, wodurch Fehlerspannungen (z. B. Offset) eliminiert werden können. Der Quad-Slop-Umsetzer führt also für einen Messzyklus jeweils zwei Dual-Slope-Umsetzungen aus.

Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, die Analog- und die Digitalteile, die natürlich auch als getrennte Bauteile ausgebildet sein könnten, in ein gemeinsames ASIC zu integrieren.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen mehrkanaligen CT-Datenaufnehmers und
Fig. 2 eine Wiedergabe eines als Dual-Slope-Analogdigitalumsetzer (ADU) ausgebildeten Kanals des CT-Datenaufnehmers nach Fig. 1.
Erfindungsgemäß soll der Analogteil 1 eines erfindungsgemäßen CT-Datenaufnehmers aus der Integrator-Komparator-Einheit 2, jeweils umfassend einen Integrator und einen nachgeschalteten Komparator, bestehen, während der Zähler des Dual-Slope-Analogdigitalumsetzers 3 und der nachgeschaltete Multiplexer 4 den Digitalteil 5 bilden. Dabei kann der Analogteil 1 und der Digitalteil 5 als getrennte Bauteile aufgebaut sein oder auch in ein einziges ASIC integriert sein. Die Anzahl der Eingangskanäle 2 ist variabel. Die analoge Schaltungskette ist dabei reduziert auf den Strahlungsempfänger zur Umsetzung der Strahlung in Licht und dann in einen proportionalen Strom und einen nachgeschalteten AD-Wandler nach dem integrierenden Zwei-Flanken-Verfahren (Dual-Slope-Verfahren).
Der Strahlungsempfänger umfasst pro Kanal (Pixel) einen Szintillatorkristall und eine Fotodiode.
Der Aufbau eines Kanals des CT-Datenaufnehmers gemäß Fig. 1 ist detaillierter in Fig. 2 beschrieben. Ausgehend von der Eingangsspannung U_e von der Fotodiode eines Diodenarrays der Computertomografieanlage wird über einen Schalter S zunächst der Strom oder Fotostrom mittels des Integrators 6 integriert, wobei der Widerstand R und die Kapazität C die Integrationskonstante bestimmen. Der Ausgangswert des Integrators 6 wird einem Komparator 7 zugeführt, in dem unter Wirkung einer definierten Referenzentladespannung 8 - zu diesem Zweck wird der Schalter S umgeschaltet - die Integratorspannung entladen wird. Dabei ergibt sich der große Vorteil, dass die Entladezeit unabhängig von der Integrationskonstante τ = R.C ist, so dass aus den bei den verschiedenen Kanälen notwendigerweise unterschiedlichen Integrationskonstanten keine Messfehler durch diese systemimmanenten Komponentenunterschiede auftreten können. Die Komparatorspannung wird mit Hilfe eines mittels eines Taktgenerators G taktfrequenzgesteuerten Zählers 9 mit nachgeschaltetem Speicher 10 digitalisiert, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel ein BCD-Ausgang, mit z. B. drei Dekaden, vorgesehen ist, an den sich dann der Digital- Multiplexer 4 anschließt. Man braucht also - ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus - keinen, hochfrequente analoge Signale verarbeitenden, Analogmultiplexer. Der links von der Steuerung 12 abgehende Steuerzweig 13 zum Eingang der Schaltung deutet die Möglichkeit der Erweiterung des Dual-Slope-Analogdigitalumsetzers gemäß Fig. 2 in eitlen Quad-Slope-Analogdigitalumsetzer an, bei dem - wie weiter oben im Einzelnen beschrieben worden ist - Fehlspannungen, z. B. ein Offset der Eingangsspannung U_e, also der Spannung der Fotodiode, ebenfalls kompensiert werden können.

Claims

1. CT-Datenaufnehmer mit einem Multiplexer (4) und mit einer Vielzahl von Kanälen, die jeweils einen Strahlungsdetektor zur Umsetzung der Röntgenstrahlung in Licht und dann in einen proportionalen Strom, einen Integrator (6) und einen AD-Wandler umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalisierung des Stroms über ein integrierendes Digitalisierungsverfahren mittels Dual-slope- (zwei-Flanken-) Conversion erfolgt, wobei dem Integrator (6) ein Komparator (7) nachgeschaltet ist, der die Entladezeit der Integratorspannung unter der Wirkung einer definierten Referenzentladespannung bestimmt, und dem Komparator (7) eine Digitalisierungsstufe nachgeschaltet ist.

2. CT-Datenaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale des Komparators (7) über einen taktfrequenzgesteuerten Zähler (9) digitalisiert und dem als Digital-Multiplexer ausgebildeten Multiplexer (4) zugeführt werden.

3. CT-Datenaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er als Quad-Slope-Umsetzer ausgebildet ist, bei dem die Eingangsspannung jeweils vor der Integration auf 0V gelegt und im Dual-Slope- (zwei Flanken-) Verfahren gemessen wird.

4. CT-Datenaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Analog- und die Digitalteile in ein gemeinsames ASIC integriert sind.