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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslesen eines Flächendetektors,
bei dem nach einer Bildaufnahme eine Vielzahl von Detektorelementen des
Flächendetektors
zu jeweils einem Bildelement zusammengefasst werden.
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Derartige
Verfahren zum Auslesen eines Flächendetektors
sind allgemein bekannt. Im Rahmen der Röntgentechnik werden die Verfahren
zum Auslesen digitaler Flachbilddetektoren verwendet. Insbesondere
sind seit einigen Jahren Flachbilddetektoren für die digitale Röntgenbildgebung
in Entwicklung. Diese Flachbilddetektoren umfassen aktive Auslesematrizen,
die beispielsweise aus amorphem Silizium hergestellt sind. Oberhalb
der aktiven Auslesematrix befindet sich ein Röntgenkonverter, zum Beispiel
aus Cäsiumiodid,
der einfallendes Röntgenlicht
in optisches Licht wandelt. Das optische Licht trifft auf Photodioden
der aktiven Auslesematrix und wird dort in elektrische Ladung gewandelt.
Die elektrische Ladung wird zunächst
in den Photodioden gespeichert und muss dann aus dem Flachbilddetektor
ausgelesen werden.
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Daneben
sind auch Flachbilddetektoren bekannt, die zwar ebenfalls über eine
aktive Auslesematrix aus amorphem Silizium verfügen, die aber einen Konverter
aufweisen, der beim Einfall von Röntgenlicht unmittelbar elektrische
Ladung erzeugt. Derartige Konverter sind zum Beispiel auf der Grundlage von
Selen hergestellt. Die im Konverter erzeugten Ladungen werden dann
auf Elektroden gespeichert und müssen
von dort ausgelesen werden.
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Weitere
Flächendetektoren
sind Bildverstärker-Kamerasysteme,
die auf Fernseh- oder CCD-Kameras beruhen, Speicherfoliensysteme
mit integrierter oder externer Ausleseeinheit, Systeme mit optischer
Ankopplung einer Konverterfolie an eine CCD- Kamera oder einen großflächigen CMOS-Chip oder
Flächendetektoren
mit APS (active pixel sensor).
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Ein
den Flächendetektoren
jeder Bauart gemeinsames Problem sind fehlerbehaftete Detektorelement,
die im Zusammenhang mit Flachbilddetektoren auch als defekte Pixel
bezeichnet werden.
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Dies
sei im Folgenden am Beispiel der Flachbilddetektoren näher erläutert.
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Obwohl
die Flachbilddetektoren in Reinräumen
hoher Qualität
gefertigt werden, kann nicht ausgeschlossen werden, dass bei der
Herstellung der Flachbilddetektoren eine bestimmte Anzahl von defekten
Pixeln entsteht. Um die Ausbeute bei der Fertigung und damit die
Kosten bei der Herstellung in einem vernünftigen Rahmen zu halten, werden
defekte Pixel in einem mit der klinischen Applikation vertretbaren
Umfang akzeptiert.
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Bei
der Aufnahme von Röntgenbildern
liefern die defekten Pixeln einen Signalwert, der nicht dem eines
korrekt funktionierenden, fehlerfreien Pixels entspricht. Zum Beispiel
kann der Signalwert des defekten Pixels unabhängig von der einfallenden Röntgenstrahlung
ein Minimum oder ein Maximum annehmen, was in der zur Darstellung
der Röntgenbilder verwendeten
Grauwertskala einem Schwarzton oder einem Weißton entspricht. Das defekte
Pixel kann aber deutlich stärker
rauschen als die Pixel in seiner Umgebung oder eine erheblich geringere
oder größere Empfindlichkeit
aufweisen.
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Unabhängig von
der Art des Flächendetektors
gilt nun, dass die fehlerbehafteten Detektorelemente üblicherweise
im Rahmen einer Kalibration des Flächendetektors ermittelt werden.
Da die fehlerbehafteten Detektorelemente nach der Kalibration bekannt
sind, lassen sich die Signalwerte der fehlerbehafteten Detektorelemente
mit Hilfe eines Interpolationsverfahrens korrigieren, das sich auf
die Signalwerte der benachbarten, fehlerfreien Detektorelemente
stützt.
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Gelegentlich
aber werden die Flächendetektoren
nicht mit der maximal möglichen
Auflösung ausgelesen.
So kann beispielsweise ein Flächendetektor,
der für
radiographische und fluoroskopische Untersuchungen ausgelegt ist,
sowohl mit der vollen Auflösung
als auch mit einer reduzierten Auflösung ausgelesen werden. Beim
Auslesen mit einer reduzierten Auflösung werden benachbarte Detektorelemente
zusammengefasst, indem die Signalwerte benachbarter Detektorelemente
einfach gemittelt werden. Das einfache Zusammenfassen der Signalwerte benachbarter
Detektorelement wird auch als Binning bezeichnet.
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Ein
Nachteil des so genannten Binnings ist, dass fehlerbehaftete Detektorelemente
das Ergebnis des Binnings verfälschen,
denn der fehlerbehaftete Signalwert des fehlerbehafteten Detektorelements pflanzt
sich in den Signalwert des gebinnten Bildelements fort. Da nun der
Signalwert des gebinnten Bildelements nicht dem wahren Signalwert
entspricht, muss der gesamte Bereich des gebinnten Bildelementes
als fehlerbehaftet angesehen und anschließend korrigiert werden. Die
Korrektur wird üblicherweise
wieder mit einem Interpolationsverfahren durchgeführt. Je
größer aber
der zu interpolierende Bereich des fehlerbehafteten gebinnten Bildelements ist,
desto ungenauer wird das Ergebnis der Interpolation. Dies ist insbesondere
dann der Fall, wenn das abgebildete Objekt lokal starke Signaländerungen
erzeugt. Beispiele hierfür
sind feine Knochenstrukturen von Extremitäten, Katheter, die einen deutlichen
Kontrast zur Umgebung erzeugen und deren Durchmesser im Bereich
von etwa 100 μm
liegen kann, oder auch Implantate, Schrauben oder Drähte, die
an den projizierten Rändern
große
Kontrastsprünge
verursachen. Bei den bekannten Verfahren zum Auslesen der Flächendetektoren
kann es dazu kommen, dass ein Draht oder Katheter, der über eine
fehlerbehaftetes Detektorelement abgebildet wird, im fertigen Bild unterbrochen
erscheint, da für
die Interpolation des fehlerbehafteten gebinnten Bildelements die
Signalwerte von benachbarten gebinnten Bildelemente verwendet werden,
die die Signalwerte eines Hintergrund und nicht die Signalwerte
des Drahtes oder Katheters aufweisen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zum Auslesen eines Flächendetektors anzugeben, bei
dem der Informationsgehalt fehlerbehafteter Detektorelemente wirksam
korrigiert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
gelöst.
In davon abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Bei
dem Verfahren wird der Informationsgehalt von fehlerbehafteten Detektorelementen
zunächst
mit Hilfe des Informationsgehalts benachbarter Detektorelemente
korrigiert und anschließend
der Informationsgehalt einer Vielzahl von Detektorelementen zu jeweils
einem Bildelement zusammengefasst.
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Durch
die Korrektur des Informationsgehalts defekter Detektorelemente
vor einem Zusammenfassen des Informationsgehalts benachbarter Detektorelemente
wird verhindert, dass sich der fehlerbehaftete Informationsgehalt
eines defekten Detektorelements in die Bildelemente fortpflanzt
und dadurch eine großflächige Interpolation
zur Korrektur des Bildelements erforderlich macht.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Informationsgehalt der Detektorelemente zunächst vollständig digitalisiert
und der Informationsgehalt eines fehlerbehafteten Detektorelements durch
ein auf benachbarte fehlerfreie Detektorelemente gestütztes Interpolationsverfahren
korrigiert. Diese Ausführungsform
bietet den Vorteil, dass in die Korrektur des Informationsgehalts
des fehlerbehafteten Detektorelements der Informationsgehalt der
gesamten Umgebung eingeht. Dadurch werden Artefakte im fertigen
Bild wirksam unterdrückt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird der Informationsgehalt eines fehlerbehafteten Detektorelements
korrigiert, indem der Informationsgehalt des fehlerbehafteten Detektorelements
durch den Informationsgehalt eines benachbarten fehlerfreien Detektorelements
ersetzt wird. Eine derartige Korrektur lässt sich auch vornehmen, wenn
der Informationsgehalt durch eine analoge Größe, zum Beispiel eine Ladung
eines Detektorelements dargestellt wird. Außerdem kann die Korrektur sehr
schnell durchgeführt
werden.
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Ferner
ist es möglich,
dass zunächst
der Informationsgehalt benachbarter Detektorelemente in eine Sammelrichtung
zum Erzeugen von Zwischenbildelementen zusammengefasst wird und
dass fehlerbehaftete Zwischenbildelemente im Folgenden korrigiert
werden, bevor benachbarte Zwischenbildelemente zu den Bildelementen
zusammengefasst werden. Eine solche Vorgehensweise bietet sich immer
dann an, wenn in einer ersten Stufe, in der der Informationsgehalt
der Detektorelemente noch in analoger Form vorliegt, bereits aus
konstruktiven Gründen
eine Zusammenfassung benachbarter Detektorelemente erforderlich
oder möglich
ist. Auch in diesem Zusammenhang gilt, dass die Korrektur der Zwischenbildelemente
durch eine Interpolation auf der Grundlage benachbarter Zwischenbildelemente oder
durch ein Ersetzen fehlerbehafteter Zwischenbildelemente durch benachbarte
Zwischenbildelemente vorgenommen werden kann.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnung erläutert
werden. Es zeigen:
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1 den
Aufbau einer Bildaufnahmevorrichtung eines Röntgengeräts, die mit einem Flachbilddetektor
ausgestattet ist;
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2 ein
Blockdiagramm einer zum Auslesen des Flachbilddetektors aus 1 verwendbaren Schaltung;
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3 eine
Darstellung des Ablaufs eines zum Auslesen des Flachbilddetektors
aus 1 verwendbaren Ausleseverfahrens;
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4 eine
Darstellung des Ablaufs eines weiteren zum Auslesen des Flachbilddetektors
aus 1 verwendbaren Ausleseverfahrens;
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5 eine
Darstellung des Ablaufs. eines dritten zum Auslesen des Flachbilddetektors
aus 1 verwendbaren Ausleseverfahrens; und
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6 eine
Darstellung des Ablaufs eines herkömmlichen Ausleseverfahrens.
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1 zeigt
eine Bildaufnahmevorrichtung 1, die Teil eines Röntgengeräts ist,
das eine in 1 nicht dargestellte Röntgenquelle
zum Erzeugen von Röntgenstrahlung 2 umfasst.
Die Röntgenstrahlung 2 trifft
nach dem Durchgang durch ein zu durchleuchtendes Objekt auf einen
Flachbilddetektor 3. Typischerweise weist der Flachbilddetektor 3 Abmessungen
von etwa 30 mal 30 Zentimetern auf. Der Flachbilddetektor 3 umfasst
einen Szintillator 4, der beispielsweise aus CsI hergestellt
ist. Unterhalb des Szintillators 4 befindet sich eine aktive
Auslesematrix 5, die üblicherweise
auf der Basis von amorphem Silizium hergestellt ist. Auf der aktiven
Auslesematrix 5 ist ein Feld von Photodioden 6 ausgebildet.
In den Photodioden 6 wird das jeweils im Szintillator 4 über der
jeweiligen Photodiode 6 erzeugte Licht absorbiert. Bei
der Absorption werden Elektron-Loch-Paare erzeugt, die jeweils zur
Anode und Kathode der jeweiligen Photodiode 6 wandern.
Die auf diese Weise erzeugte Ladungsmenge wird solange in der jeweiligen
Photodiode 6 gespeichert, bis die Photodiode 6 mit
Hilfe eines aktiven Schaltelements 7 ausgelesen wird. Die
aktiven Schaltele mente 7 werden dabei von einer Auswerteeinheit 8 zeilenweise über Adressleitungen 9 aktiviert.
Die in den Photodioden 6 gespeicherte Ladung wird spaltenweise über Datenleitungen 10 ausgelesen.
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Es
sei ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass der Begriff der Auswerteeinheit 8 funktional
zu verstehen ist. Die Auswerteeinheit 8 braucht nicht notwendigerweise
in einem einzelnen Halbleiterbauelement realisiert zu werden. Vielmehr
kann die Auswerteeinheit 8 eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen
auf einer oder mehreren Platinen umfassen. Die Auswerteeinheit 8 kann
auch Funktionsgruppen in verschiedenen Geräten einschließen. Die
Auswerteeinheit 8 hat die Aufgabe, den Flachbilddetektor 3 zu
steuern und zu überwachen.
Ferner kann es Aufgabe der Auswerteeinheit 8 sein, aus
den digitalen Rohdaten ein für
Diagnosezwecke geeignetes digitales Röntgenbild 11 zu erzeugen
und dieses an eine in 1 nicht dargestellte Anzeigeeinheit
auszugeben.
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2 zeigt
ein Blockschaltbild der Auswerteeinheit 8 aus 1.
Die Auswerteeinheit 8 verfügt über einen Multiplexer 12,
der die über
die Datenleitungen 10 aus den Photodioden 6 ausgelesenen
Ladungen verstärkt
und einem Analog-Digital-Wandler 13 zuführt. Der
Analog-Digital-Wandler 13 erzeugt den Ladungen der Photodioden 6 entsprechende
Digitalwerte, die einer Signalverarbeitungseinheit 14 zugeführt werden.
Die Signalverarbeitungseinheit 14 erzeugt dann aus den
digitalen Werten das fertige Röntgenbild 11.
Der Multiplexer 12, der Analog-Digital-Wandler 13 und
die Signalverarbeitungseinheit 14 werden mit Hilfe eines
Steuerung 15 gesteuert, die über die Adressleitungen 9 auch
die Photodioden 6 der aktiven Auslesematrix 5 zeilenweise
adressieren kann.
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Die
Auslesematrix 5 bildet zusammen mit dem Multiplexer 12 den
analogen Teil der Bildaufnahmevorrichtung 1. Die Signalverarbeitungseinheit 14 dagegen
stellt den digitalen Teil der Bildaufnahmevorrichtung 1 dar.
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Die
Photodioden 6 des Flachbilddetektors 3 können nunmehr
auf verschiedene Art und Weise durch die Auswerteeinheit 8 ausgelesen
werden.
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3 zeigt
die einzelnen Verfahrensschritte einer ersten Ausführungsform
des zum Auslesen des Flachbilddetektors 3 verwendbaren
Ausleseverfahrens.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der Flachbilddetektor 3 ein
fehlerbehaftetes Pixel 16, das in fehlerfreie Pixel 17 eingebettet
ist. Die Fehlfunktion des fehlerbehafteten Pixels 16 kann
durch eine Fehlstelle im Szintillator 4, durch einen Fehler
in der Photodiode 6 oder im aktiven Schaltelement 7 sowie
auf sonstigen Fehlern der verwendeten Ausleseelektronik beruhen.
Auch die Art der Fehlfunktion unterliegt keinen Einschränkungen. Das
fehlerbehaftete Pixel 16 kann komplett ausgefallen sein,
nur Maximal- oder
Minimalwerte anzeigen oder durch unverhältnismäßig starkes Rauschen oder eine
geringe Empfindlichkeit gekennzeichnet sein. Abweichend von dem
in 3 dargestellten Fall kann das fehlerbehaftete
Pixel 16 auch neben weiteren fehlerbehafteten Pixeln 16 liegen.
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Die
Pixel 16 und 17 werden nun über den Multiplexer 12 und
den Analog-Digital-Wandler 13 in Digitalwerte 18 umgewandelt,
die von der Signalverarbeitungseinheit 14 verarbeitet werden
können.
Dabei wird der fehlerbehaftete Wert des fehlerbehafteten Pixels 16 mit
Hilfe eines Interpolationsverfahrens berichtigt, das sich auf einen
in 3 gestrichelt eingezeichneten Interpolationsbereich 19 stützt. Anschließend können die
einzelnen Digitalwerte 18 zu Bildpunkten 20 des
fertigen Röntgenbilds
zusammengefasst werden. Im vorliegenden Bild werden jeweils 2 × 2 Digitalwerte 18,
die den Pixeln 16 und 17 zugeordnet sind, zu einem
Bildpunkt 20 zusammengefasst.
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4 veranschaulicht
ein weiteres Ausleseverfahren, bei dem die Korrektur des fehlerbehafteten
Pixels 16 nicht im digitalen Teil der Bildaufnahmevorrichtung 1,
sondern im analogen Teil der Bildaufnahmevorrichtung 1 erfolgt.
Beispielsweise ist es möglich,
den Multiplexer 12 so zu steuern, dass anstelle der Ladung
des fehlerbehafteten Pixels 16 die Ladung eines benachbarten
Pixels 21 an den Analog-Digital-Wandler 13 abgegeben
wird. Bei dieser Ausführungsform
des Ausleseverfahrens kann auf eine aufwändige Interpolation verzichtet
werden. Dafür
ist die Störung
des fertigen Röntgenbilds 11 unter Umständen für den Betrachter
eher wahrnehmbar.
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Bei
einer weiteren in 5 dargestellten Variation des
Ausleseverfahrens wird durch gleichzeitiges Aktivieren zweier Adressleitungen 9 beim
Auslesen der aktiven Auslesematrix 5 durch den Multiplexer 12 analog
gebinnt. Dies führt
nach der Digitalisierung durch den Analog-Digital-Wandler 13 zu
einem Zwischenbild 22 mit fehlerfreien Zwischenbildelementen 23 und
einem fehlerbehafteten Zwischenbildelement 24. Durch eine
in der Signalverarbeitungseinheit 14 durchgeführte Interpolation,
die vorzugsweise auf einen in 5 gestrichelten
Interpolationsbereich 25 gestützt wird, kann dann das fehlerbehaftete
Zwischenbildelement 24 korrigiert werden. Diese Ausführungsform
weist im Vergleich zu den anhand der 3 und 4 beschriebenen
Ausführungsformen
aufgrund des analogen Binnens eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit
auf. Dafür
muss aber eine schlechtere Qualität beim Röntgenbild 11 in Kauf
genommen werden.
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In 6 ist
schließlich
zum Vergleich ein Ausleseverfahren gemäß dem Stand der Technik dargestellt.
Bei herkömmlichen
Ausleseverfahren werden die fehlerbehafteten Pixel 16 und
die fehlerfreien Pixel 17 nach der Digitalisierung zu Zwischenbildelementen 26 eines
Zwischenbilds 27 zusammengefasst. Dadurch entsteht ein
ausgedehntes fehlerbehaftetes Zwischenbildelement 28, das
für ein fertiges
Bild 29 mit Bildelementen 30 mit Hilfe eines Interpolationsverfahrens
korrigiert werden muss, das sich auf einen ausgedehnten Interpolationsbereich 31 stützt. Insbesondere
wenn mehrere fehlerbehaftete Pixel 16 vorhanden sind, kann
es zu großflächigen Bildfehlern
kommen.
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Das
hier beschriebene Verfahren zum Auslesen eines Flächenbilddetektors 3 lässt sich
auch auf Flächendetektoren übertragen,
die nach dem Prinzip einer CCD-Kamera arbeiten. Insbesondere die
anhand der 3 und 4 beschriebenen
Ausleseverfahren können
auch im Zusammenhang mit einer CCD-Kamera angewandt werden. So ist
es möglich, die
Ladungen der einzelnen Bildelemente einer CCD-Kamera zunächst zu
digitalisieren und dann fehlerbehaftete Pixel zu interpolieren.
Genauso ist es möglich,
die Ausgabe der Ladungswerte an den Analog-Digital-Konverter so
zu steuern, dass der Analog-Digital-Konverter anstelle der Ladung
eines fehlerbehafteten Pixels die Ladung eines benachbarten fehlerfreien
Pixels erhält.