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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gain-Kalibrierung eines Röntgenbildaufnahmesystems gemäß dem Patentanspruch 1 und ein Röntgenbildaufnahmesystem gemäß dem Patentanspruch 12.
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In der digitalen Röntgenbildgebung sind zum Beispiel Bildverstärker-Kamerasysteme, die auf Fernseh- oder CCD-Kameras basieren, Speicherfoliensysteme mit integrierter oder externer Ausleseeinheit, Systeme mit optischer Ankopplung einer Konverterfolie an CCD-Kameras oder CMOS-Chips, Selen-basierte Detektoren mit elektrostatischer Auslesung und Festkörperdetektoren mit aktiven Auslesematrizen mit direkter oder indirekter Konversion der Röntgenstrahlung bekannt.
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Insbesondere finden seit einigen Jahren Festkörperdetektoren für die digitale Röntgenbildgebung Anwendung. Ein solcher Detektor basiert auf einer aktiven Auslesematrix z. B. aus amorphem Silizium (a-Si), der eine Röntgenkonverterschicht oder Szintillatorschicht, z. B. aus Cäsiumjodid (CsI), vorgeschichtet ist. Die auftreffende Röntgenstrahlung wird zunächst in der Szintillatorschicht in sichtbares Licht gewandelt. Die aktive Matrix ist in eine Vielzahl von Pixel-Ausleseeinheiten mit Photodioden unterteilt, die dieses Licht wiederum in elektrische Ladung umgewandelt und ortsaufgelöst speichern.
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Bei einem so genannten direktkonvertierenden Festkörperdetektor wird ebenfalls eine aktive Auslesematrix aus aktivem Silizium verwendet. Dieser ist jedoch eine Konverterschicht, z. B. aus Selen, vorgeordnet, in welcher die auftreffende Röntgenstrahlung direkt in elektrische Ladung umgewandelt wird. Diese Ladung wird dann wiederum in einer Pixel-Ausleseeinheit der Auslesematrix gespeichert. Zum technischen Hintergrund eines Festkörperdetektors wird auch auf M. Spahn et al., ”Flachbilddetektoren in der Röntgendiagnostik”, Der Radiologe 43 (2003), Seiten 340 bis 350, verwiesen.
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Der Betrag der in einer Pixel-Ausleseeinheit gespeicherten Ladung bestimmt die Helligkeit eines Bildpunkts des Röntgenbilds. Jede Pixel-Ausleseeinheit der Auslesematrix korrespondiert somit mit einem Bildpunkt des Röntgenbilds.
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Eine für die Bildqualität entscheidende Charakteristik eines Röntgendetektors ist, dass die Detektoreffizienz der einzelnen Pixel-Ausleseeinheiten voneinander mehr oder weniger stark abweicht. Dies äußert sich darin, dass zwei Pixel-Ausleseeinheiten auch dann Bild-Rohwerte mit unterschiedlicher Helligkeit liefern, wenn sie mit der gleichen Lichtintensität bestrahlt werden. Das resultierende, unbearbeitete Röntgen-Rohbild weist aufgrund dieser Helligkeitsfluktuation eine vergleichsweise schlechte Bildqualität auf. Zur Verstärkung der Helligkeitsfluktuation tragen auch ortsabhängige Schwankungen der Stärke der Szintillatorschicht, die Abhängigkeit der Szintillatorschicht von der Strahlenqualität, eine qualitativ unterschiedliche Klebung zwischen Szintillatorschicht und Detektorplatte und Inhomogenitäten des eingestrahlten Röntgenfelds bei. Ein besonders starker Helligkeitsabfall tritt daher üblicherweise in Randbereichen des Röntgendetektors auf.
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Zur Verbesserung der Bildqualität ist es üblich, einen digitalen Röntgendetektor zu kalibrieren. Hierzu wird ein Kalibrierbild bei konstanter Röntgenbeleuchtung aufgenommen, das auch als ”Gain-Bild” bezeichnet wird. Die Helligkeiten der einzelnen Bildpunkte, die Gainwerte, werden mit einem normierten Gain-Helligkeitswert verglichen. Beträgt der gemessene Gainwert mehr als ein definierter oberer Schwellwert (zum Beispiel 200 Prozent) oder weniger als ein definierter unterer Schwellwert (zum Beispiel 25 Prozent) eines über alle Bildpunkte normierten Gainwertes, so werden die entsprechenden Pixel-Ausleseeinheiten als defekt angenommen und entweder für die Röntgenbildgebung gar nicht mehr genutzt oder einer aufwändigen Defekt-Korrektur unterzogen. Das übrige Gain-Bild wird mit den im späteren Normalbetrieb des Röntgendetektors aufgenommenen Röntgenbildern mathematisch verknüpft, zum Beispiel multipliziert, so dass die in beiden Bildern in etwa gleicher Weise vorhandenen Helligkeitsfluktuationen zumindest teilweise kompensiert werden.
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Aufgrund des vor allem in den Randbereichen vorhandenen Helligkeitsabfalls ist also die nutzbare Fläche eines Röntgendetektors geringer als die eigentliche aktive Fläche.
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Die Druckschrift
US 6 381 374 B1 betrifft ein Verfahren zur Identifikation von Defektpixeln, das nach einer Gain-Korrektur durchgeführt wird. Die Druckschrift
DE 103 43 787 A1 beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung eines digitalen Röntgendetektors, bei dem eine Mittelwertbildung erfolgt, bei der durch Defekte verursachte abweichende Helligkeitswerte nicht berücksichtigt werden. Eine Spezifizierung hinsichtlich einer Ursache eines Helligkeitsabfalls erfolgt jedoch nicht. In der Druckschrift
DE 10 2004 017 571 A1 ist offenbart, dass die Überprüfung der anscheinend aus einer Gain-Kalibrierung hervorgehenden Verstärkungsfaktoren zur Identifizierung schlechter Pixel genutzt wird.
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Der Druckschrift
DE 100 19 955 A1 ist eine Verarbeitungseinheit eines Röntgenuntersuchungsgeräts zu entnehmen, die anscheinend unabhängig voneinander eine Gain-Korrektureinheit und eine Korrektureinheit zur Korrektur defekter Pixel beinhaltet. Die Druckschrift
US 6 296 387 B1 ist mit einem Verfahren zur Korrektur von Bilddefekten, insbesondere Defekten eines Matrix-Detektors, befasst, wobei das Verfahren mit der Berechnung von Gain-Werten beginnt und mit der Korrektur von Defekten endet. Die Druckschrift
EP 1 301 031 A1 betrifft ein Verfahren zur Korrektur von Röntgenbildern bzw. zur Korrektur unterschiedlicher Umwandlungscharakteristiken von Bildsensoren, wobei zuerst eine Gain-Korrektur durchgeführt wird und dann in den korrigierten Bildern defekte Pixel, Zeilen und Spalten durch Interpolation überbrückt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren vorzusehen, durch das die nutzbare Fläche eines Röntgendetektors, insbesondere eines Flachbilddetektors, erhöht werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Röntgenbildaufnahmesystem zu schaffen, das einen Röntgendetektor mit einer höheren nutzbaren Fläche als im Stand der Technik aufweist.
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Die Aufgabe wird für ein Verfahren erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Gain-Kalibrierung eines Röntgenbildaufnahmesystems gemäß dem Patentanspruch 1 und für ein Röntgenbildaufnahmesystem gelöst durch ein Röntgenbildaufnahmesystem gemäß dem Patentanspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden von einem Helligkeitsabfall, insbesondere in den Randbereichen der aktiven Matrix, betroffene Pixel-Ausleseeinheiten nicht pauschal als defekt angenommen, sondern es wird die Ursache des Helligkeitsabfalls spezifiziert, so dass davon abhängig eine Gain-Korrektur durchgeführt oder verworfen werden kann. Das bringt den Vorteil, dass durch dieses Vorgehen viele Pixel-Ausleseeinheiten, die im Stand der Technik pauschal für defekt erklärt werden und somit entweder vollständig ungenutzt bleiben oder einer aufwändigen Defektkorrektur unterzogen werden müssen, nach der Spezifizierung der Ursache abhängig davon bildgebend nutzbar gemacht werden können. Dadurch wird die tatsächlich nutzbare Fläche des Röntgendetektors erhöht. Eine Gain-Korrektur ist zum Beispiel im Falle eines von dem Szintillator verursachten Helligkeitsabfalls häufig sinnvoll durchführbar, speziell dann, wenn der Szintillator durch geringeres Nadelwachstum oder durch eine Klebung weniger effektiv aber funktionsfähig ist.
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In vorteilhafter Weise wird nur bei Pixel-Ausleseeinheiten, die im Randbereich der aktiven Matrix und/oder einer Detektorplatte angeordnet sind, ein Helligkeitsabfall ermittelt. Speziell hier ist der Helligkeitsabfall häufig auf eine sich in ihrer Schichtdicke verjüngende Szintillator-Schicht zurückführbar und in einem solchen Fall ist es sinnvoll, den Helligkeitsabfall zu korrigieren. Unter dem Randbereich der aktiven Matrix und/oder einer Detektorplatte (z. B. bei einer gebutteten, d. h. aus mehreren Detektorplatten zusammengeklebten aktiven Matrix) werden zum Beispiel deren äußerste 10 Pixel-Zeilen oder Pixel-Spalten des digitalen Röntgendetektors bezeichnet. Insbesondere bei einer gebutteten aktiven Matrix kann es auch vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren auf die komplette aktive Matrix anzuwenden, um Helligkeitsunterschiede zwischen einzelnen Detektorplatten auszugleichen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung werden mindestens zwei Gain-Bilder mit unterschiedlichen Rücksetzlicht-Intensitäten aufgenommen und gespeichert. Diese Gain-Bilder können zum Beispiel als Grundlage dienen, um einen Helligkeitsabfall unter einen definierten unteren Schwellwert oder einen Helligkeitsanstieg über einen definierten oberen Schwellwert zu ermitteln. Mittels zweier Gain-Bilder mit unterschiedlichen Rücksetzlicht-Intensitäten kann außerdem ein Zusammenhang zwischen den Rücksetzlichtintensitäten und den Helligkeiten der jeweils resultierenden Bildpunkte ermittelt werden. Dieser Zusammenhang kann als Grundlage für eine Spezifizierung verwendet werden.
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Zweckmäßigerweise wird aus wenigstens zwei der mit unterschiedlichen Rücksetzlicht-Intensitäten aufgenommenen Gain-Bilder der Helligkeitsabfall von Pixel-Ausleseeinheiten unter die definierte Schwelle ermittelt. Dadurch wird eine weitere Auswertung wesentlich vereinfacht.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden wenigstens zwei mit unterschiedlichen Rücksetzlicht-Intensitäten aufgenommene Gain-Bilder zur Spezifizierung verwendet. Hierzu können nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die wenigstens zwei Gain-Bilder miteinander verglichen werden. Dadurch kann die Ursache des Helligkeitsabfalls auf einfache Weise bestimmt oder zumindest eingegrenzt werden.
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Zweckmäßigerweise wird für Pixel-Ausleseeinheiten, für die bei verschiedenen Rücksetzlicht-Intensitäten ein Helligkeitsabfall unter die definierte Schwelle ermittelbar ist, der Szintillator als Ursache des Helligkeitsabfalls bestimmt. Sind unabhängig von der Rücksetzlichtintensität die gleichen Bildpunkte hinsichtlich ihrer Helligkeit unterhalb der definierten Schwelle, so kann daraus gefolgert werden, dass der Helligkeitsabfall unabhängig von der Rücksetzlicht-Intensität auftritt.
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Zeigen die Helligkeiten der gleichen Bildpunkte in unterschiedlichen Gain-Bildern außerdem den gleichen Zusammenhang wie die Rücksetzlicht-Intensitäten, so ist eine eingeschränkte Funktionalität des Szintillators, zum Beispiel durch geringeres Nadelwachstum oder Klebebereiche, die Ursache des Helligkeitsabfalls.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird im Falle eines von dem Szintillator verursachten Helligkeitsabfalls bei nachfolgend aus den betroffenen Pixel-Ausleseeinheiten ausgelesenen Bild-Rohwerten eine Gain-Korrektur vorgenommen. Die Gain-Korrektur ist in einem solchen Fall sinnvoll durchführbar, so dass die betroffenen Pixel-Ausleseeinheiten bildgebend genutzt werden können und eine Einschränkung der nutzbaren Fläche des Röntgendetektors nicht notwendig ist.
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Eine besonders vorteilhafte Einsatzmöglichkeit der Erfindung stellt ein Röntgenbildaufnahmesystem mit einem digitalen Röntgendetektor, insbesondere einem Flachdetektor, mit einer aktiven Matrix aus einer Vielzahl von Bild-Rohwerte aufnehmenden Pixel-Ausleseeinheiten, und einer Bildverarbeitungseinheit zur Speicherung, Bearbeitung und Korrektur von Röntgen-Rohwerten dar.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt; es zeigen:
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1 ein perspektivischer Aufriss eines bekannten Flachdetektors mit indirekter Konversion;
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2 eine Draufsicht auf eine aktive Matrix eines Röntgendetektors;
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3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gain-Kalibrierung mit Spezifizierung.
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In 1 ist ein Beispiel für einen bekannten, indirekt konvertierenden Flachdetektor 10 gezeigt, für den das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist. Er umfasst eine flächige aktive Auslesematrix 1 aus amorphem Silizium (aSi), die auf einem flächigen Substrat 15 aus Glas aufgebracht ist. Die Auslesematrix besteht insgesamt aus einer Vielzahl von einzelnen Pixel-Ausleseeinheiten 2 und kann eine oder mehrere zusammengesetzte Detektorplatten aufweisen. Der Auslesematrix 1 ist wiederum eine Szintillatorschicht 12 (oder Konverterschicht), z. B. aus Cäsiumjodid (CsI), vorgelagert. In dieser Szintillatorschicht 12 wird die auftreffende Röntgenstrahlung 14 in sichtbares Licht umgewandelt, welches in Fotodioden 11 der Pixel-Ausleseeinheiten 2 in elektrische Ladung umgewandelt wird.
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Die elektrische Ladung wird wiederum ortsaufgelöst in den Pixel-Ausleseeinheiten 2 gespeichert. Jede Pixel-Ausleseeinheit 2 weist ebenfalls einen Ausleseschalter 13 auf, über den die gespeicherte Ladung ausgelesen werden kann. Dazu wird die aktive Auslesematrix mittels einer Ansteuerelektronik 16 in Richtung des ersten Pfeils 18 angesteuert, die Auslesung erfolgt in Richtung des zweiten Pfeils 19 durch eine Ausleseelektronik 17. Aus den jeweiligen Ladungen werden digitale Roh-Bilddaten durch Verstärkung und Analog-Digital-Wandlung erzeugt. Die Roh-Bilddaten werden im Allgemeinen in einer Korrektureinheit, welche dem Festkörperdetektor zugeordnet ist oder sich in einem Bildsystem befindet, verschiedenen Korrekturverfahren unterzogen, zum Beispiel einer Offset-, einer Gain- und einer Defektkorrektur.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine in Pixel-Ausleseeinheiten 2 unterteilte aktive Auslesematrix 1, wobei beispielhaft in einem Randbereich der aktiven Auslesematrix befindliche Pixel-Ausleseeinheiten 3 mit deutlichem Helligkeitsabfall angedeutet sind. Ein solcher Helligkeitsabfall ist zum Beispiel in der Art, dass diese Pixel-Ausleseeinheiten 3 mit deutlichem Helligkeitsabfall bei einer Standard-Gain-Kalibrierung weniger als 25 Prozent eines über alle Bildpunkte der aktiven Matrix normierten Helligkeitswertes aufweisen. Nach dem Stand der Technik würden die Pixel-Ausleseeinheiten 3 mit deutlichem Helligkeitsabfall in einem solchen Fall für defekt angenommen und es würde sich die für eine Abbildung nutzbare Fläche verkleinern bzw. es wären aufwändige Defekt-Korrekturverfahren notwendig.
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3 zeigt eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Gain-Kalibrierverfahrens für einen Röntgendetektor, bei welchem Verfahren ein erstes Gain-Bild 20 bzw. dessen Bildpunkte bei einer ersten Rücksetzlichtintensität und ein zweites Gain-Bild 21 bzw. dessen Bildpunkte bei einer zweiten Rücksetzlichtintensität aufgenommen und ausgelesen werden. Die ausgelesenen Gainbilder 20; 21 werden an eine Bildverarbeitungseinheit geleitet. Die Bildverarbeitungseinheit kann in den Röntgendetektor integriert sein oder außerhalb dessen angeordnet sein.
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Aus den Bildpunkten der beiden Gain-Bilder 20; 21 wird dann von der Bildverarbeitungseinheit in einem ersten Bildbearbeitungsverfahren 22 jeweils ermittelt, welche Bildpunkte einen Helligkeitsabfall unter eine definierte Schwelle aufweisen. Diese definierte Schwelle kann zum Beispiel 25 Prozent des über alle Bildpunkte der aktiven Matrix normierten Helligkeitswertes betragen. Das erste Bildbearbeitungsverfahren 22 zur Ermittlung des Helligkeitsabfalls kann als bekanntes Verfahren durchgeführt werden.
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Bei einem üblichen Gain-Kalibrierverfahren nach dem Stand der Technik würden alle Pixel-Ausleseeinheiten, deren Helligkeitsabfall unter der definierten Schwelle von zum Beispiel 25 Prozent liegt, als defekt angenommen und würden damit für die Bilderfassung ausfallen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden diese Pixel-Ausleseeinheiten jedoch weiter betrachtet, indem eine Spezifizierung der Ursache des Helligkeitsabfalls vorgenommen wird. Anschließend daran wird abhängig von der Ursache festgelegt, ob eine Korrektur des Helligkeitsabfalls sinnvoll ist oder nicht.
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Nach der Ermittlung des Helligkeitsabfalls können die Bildpunkte des ersten Gain-Bildes 20, die einen Helligkeitsabfall unter die definierte Schwelle aufweisen, und die Bildpunkte des zweiten Gainbildes 21, die einen Helligkeitsabfall unter die definierte Schwelle aufweisen, gespeichert werden. Um eine Spezifizierung 26 der Ursache des Helligkeitsabfalls durchführen zu können, werden anschließend die beiden Gain-Bilder 20; 21 hinsichtlich ihrer Helligkeitswerte bzw. hinsichtlich ihres Helligkeitsabfalls miteinander verglichen. Das erfolgt zum Beispiel wiederum mittels der Bildverarbeitungseinheit in einem zweiten Bildbearbeitungsverfahren 25. Zur Ermittlung der Ursache des Helligkeitsabfalls werden die Helligkeitswerte auch in Relation zu den Rücksetzlicht-Intensitäten gesetzt.
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Beträgt zum Beispiel die zweite Rücksetzlicht-Intensität des zweiten Gainbildes 21 den fünffachen Wert der ersten Rücksetzlichtintensität des ersten Gainbildes 20, so ist bei ungestört funktionierender Detektorplatte auch bei den ausgelesenen Bildpunkten der Pixel-Ausleseeinheiten ein linearer Zusammenhang der Helligkeiten im Verhältnis einfach und fünffach zu erwarten. Ist also bei den Bildpunkten, die unterhalb der Helligkeitsschwelle liegen, ein derartiger, zum Beispiel linearer, Zusammenhang zu beobachten, so liegt die Ursache für den Helligkeitsabfall in einem eingeschränkt funktionierenden Szintillator. Eine derartige Analyse wird für jeden einzelnen bei zumindest einer Rücksetzlicht-Intensität einen Helligkeitsabfalls aufweisenden Bildpunkt durchgeführt; für jeden Bildpunkt erfolgt also eine Spezifizierung 26, durch die die Ursache des Helligkeitsabfalls dem jeweiligen Bildpunkt zugeordnet wird.
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Abhängig von der Ursache des Helligkeitsabfalls wird dann in einem Entscheidungsschritt 27 festgelegt, bei welchen nachfolgend aus den betroffenen Pixel-Ausleseeinheiten ausgelesenen Bild-Rohwerten eine Gain-Korrektur 28 vorgenommen wird. Da im Falle eines eingeschränkt funktionierenden, zum Beispiel auf eine im Randbereich dünner werdende Szintillatorschicht zurückzuführenden, Szintillators eine Gain-Korrektur 28 sinnvoll ist, wird bei szintillatorbedingtem Helligkeitsabfall festgelegt, dass die betroffenen Bildpunkte bei zukünftigen Aufnahmen von Röntgenbildern für eine Gain-Korrektur 28 vorgesehen werden.
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Wird die Detektorplatte als Ursache des Helligkeitsabfalls ermittelt, so kann entschieden werden, dass bei den betroffenen Pixel-Ausleseeinheiten keine Gain-Korrektur 28 der Bildpunkte bei zukünftigen Röntgenaufnahmen erfolgt. Stattdessen kann zum Beispiel ein Defektsetzen 29 der Pixel-Ausleseeinheiten erfolgen und eine Defektkorrektur vorgesehen werden oder es kann eine Korrektur vorgesehen werden, bei der die Rücksetzlicht-Intensität verschiedener Bildpunkte variiert wird.
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Um einen vollständigen Ausfall des Szintillators von einer eingeschränkten Funktion des Szintillators unterscheiden zu können, kann eine zweite untere Schwelle des Helligkeitsabfalls, zum Beispiel 1 Prozent, eingeführt werden. Liegt die Helligkeit der Bildpunkte unterhalb dieser Schwelle, so ist eine sinnvolle Gain-Korrektur unabhängig von der Ursache des Helligkeitsabfalls nicht möglich.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung werden mindestens ein Verfahrensschritt, insbesondere aber alle Verfahrensschritte, der Gain-Kalibrierung der Erfindung selbsttätig und automatisch durchgeführt. Neben einem Vergleich von Gain-Maps können auch die Gain-Bilder bei unterschiedlichen Rücksetzlicht-Intensitäten genutzt werden, um die Ursache des Helligkeitsabfalls zu ermitteln. Außerdem können auch andere Verfahren benutzt werden, um die Ursache zu ermitteln und eine Spezifizierung 26 vorzunehmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei allen Arten von digitalen Röntgendetektoren angewendet werden, die eine Gain-Korrektur durchführen, zum Beispiel bei Flachbilddetektoren oder bei Röntgendetektoren für Computertomographen.
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Die Erfindung lässt sich folgendermaßen kurz zusammenfassen: Zur Erhöhung der nutzbaren Fläche eines Röntgendetektors, insbesondere eines Flachbilddetektors, ist ein Verfahren zur Gain-Kalibrierung eines Röntgenbildaufnahmesystems mit einem eine aktive Matrix aus Pixel-Ausleseeinheiten aufweisenden digitalen Röntgendetektor vorgesehen, wobei Bildpunkte aus den Pixel-Ausleseeinheiten ausgelesen werden, wobei für die ausgelesenen Bildpunkte ein Helligkeitsabfall unter eine definierte Schwelle von einer Bildverarbeitungseinheit ermittelt wird, wobei die einen Helligkeitsabfall unter die definierte Schwelle aufweisenden Pixel-Ausleseeinheiten hinsichtlich einer Ursache des Helligkeitsabfalls spezifiziert werden, und wobei abhängig von der Spezifizierung festgelegt wird, bei welchen nachfolgend aus den betroffenen Pixel-Ausleseeinheiten ausgelesenen Bild-Rohwerten eine Gain-Korrektur vorgenommen wird.