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Die
Erfindung betrifft einen Röntgen-Flachdetektor
und ein Verfahren zum Steuern der von einer Röntgenröhre an einen Röntgen-Flachdetektor bei
der Aufnahme eines Röntgenbildes
abgegeben Bilddosis. Ein Röntgen-Flachdetektor
weist herkömmlicherweise
einen Szintillator auf, der einfallende Röntgenstrahlungen in Licht umwandelt,
und eine lichtwandelnde Schicht mit Detektorelementen, welche das
Licht aus dem Szintillator empfangen (aufnehmen) und Elektronen
zur Erzeugung eines Bilddatenwerts der Detektorelemente abgeben.
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Beim
Vorgänger
des Röntgen-Flachdetektors,
dem Bildverstärker,
war eine Dosismessung während
der Aufnahme eines Bildes möglich,
sodass die Bilddosis für
die Aufnahme eines Bildes gesteuert werden konnte.
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Röntgen-Flachdetektoren
verfügen
bisher selbst nicht über
die Möglichkeit
einer Dosismessung. Im Stand der Technik wird vor dem Röntgen-Flachdetektor
eine Dosis-Messkammer angeordnet. Eine typische solche Kammer weist
drei bis fünf
Messfelder auf und beruht auf Halbleitertechnologie. Ein Nachteil
einer solchen Kammer besteht darin, dass sie unter bestimmten Umständen auf
dem fertigen Röntgenbild
sichtbar sein kann. Um dies zu vermeiden, stellt die
DE 103 13 602 A1 eine auf
einem Folienträger
aufgebrachte Absorptionsstruktur vor, die sehr dünn ist. Auch diese Struktur
wird zwischen der Röntgenröhre und
dem Röntgen-Flachdetektor
angeordnet.
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Es
ist Aufnahme der Erfindung, einen Röntgen-Flachdetektor mit der
Möglichkeit
einer Dosismessung auszustatten, sodass kein gesondertes Dosismessgerät mehr erforderlich
ist.
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Zur
Lösung
der Aufgabe stellt die Erfindung einen Röntgen-Flachdetektor mit den Merkmalen nach
Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 12 bereit.
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Erfindungsgemäß umfasst
der Röntgen-Flachdetektor
somit zumindest ein optisches Element, das einen Anteil des Lichts
aus dem Szintillator anstelle zu den Detektorelementen zu einem
fotoempfindlichen Bauelement leitet, das die durch das optische
Element zu ihm geleitete Lichtmenge misst.
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Mit
anderen Worten wird also das Licht hinter dem Szintillator, aber
vor den Detektoren, abgezweigt. Durch die Anordnung hinter dem Szintillator muss
das Messinstrument nicht Röntgenstrahlung erfassen,
sondern sichtbares Licht.
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Als
optisches Element eignet sich ein faseroptisches Element. Durch
die Verwendung einer Faseroptik ist es möglich, das Licht in eine von
der Richtung, in der es sich ursprünglich bewegt, völlig verschiedene
Richtung abzulenken.
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Das
optische Element kann gemäß einer
alternativen Ausführungsform
unmittelbar auf der lichtwandelnden Schicht angeordnet sein. Die
lichtwandelnde Schicht kann beispielsweise eine Schicht aus amorphem
Silizium sein, in welcher die Detektorelemente ausgebildet sind,
oder eine CMOS-Schicht. In beiden Fällen sind ohnehin Leiterelemente
auf der Oberseite der Schicht vorgesehen, sodass zusätzlich optische
Elemente aufgebracht werden können,
beispielsweise parallel zu den Leiterelementen. Zur Befestigung
des optischen Elements an der lichtwandelnden Schicht kann der Klebstoff
verwendet werden, mithilfe dessen der Szintillator (die Szintillatorschicht)
an der lichtwandelnden Schicht befestigt ist. Das optische Element
kann dann in den Klebstoff eingebettet werden.
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Bei
einer anderen Alternative ist zwischen dem Szintillator und der
lichtwandelnden Schicht eine gesonderte Schicht vorgesehen, die
bevorzugt transparent ist und vorzugsweise aus Kunststoff oder Glas
besteht. Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass besonders viel Platz für das optische Element zur
Verfügung
steht. Beispielsweise kann das optische Element in die transparente
Schicht eingebettet, vorzugsweise eingegossen werden. Es kann auch
vorgesehen sein, dass das optische Element in einer Aussparung in
der Schicht befestigt wird.
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Der
Röntgen-Flachdetektor
definiert eine Detektorfläche.
Die optischen Elemente sollen bei Draufsicht auf die Detektorfläche verteilt
erscheinen und bevorzugt gleichmäßig verteilt
erscheinen. Die optischen Elemente können beispielsweise zumindest
teilweise als Streifen ausgebildet sein. Die Streifen können sich
von einem Ende der Detektorfläche zum
anderen Ende erstrecken. Sie können
auch abknickend gestaltet sein, beispielsweise rechtwinklig abknickend.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
leiten alle optischen Elemente Licht zu einem gemeinsamen fotoempfindlichen
Bauelement. Die Verteilung der optischen Elemente über die
Detektorfläche
hat dann lediglich den Effekt, dass von allen Detektor-Teilbereichen
Signale in das Endsignal eingehen. Alternativ kann auch vorgesehen
sein, dass zumindest zwei optische Elemente Licht zu unterschiedlichen
fotoempfindlichen Bauelementen leiten, was sich dahingehend steigern
lässt,
dass sämtliche
optischen Elemente jeweils Licht zu einem fotoempfindlichen Bauelement
leiten. Es werden somit unterschiedliche Messwerte aufgenommen,
für verschiedene
Teilbereiche des Detektors unabhängig
voneinander. Bei der Auswertung werden dann diese Messwerte in einer
bestimmten Art und weise gewichtet.
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Als
fotoempfindliches Bauelement eignet sich ein Fotozähler. Es
werden damit einzelne Lichtquanten erfassbar.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Steuern der von einer Röntgenröhre an einem
Röntgen-Flachdetektor
bei der Aufnahme eines Röntgenbildes
abgegebenen Bilddosis ist dadurch gekenn zeichnet, dass während der
Aufnahme des Röntgenbildes
für eine
vorbestimmte Zeitdauer (die kleiner als die Bildaufnahmedauer ist)
mithilfe zumindest eines fotoempfindlichen Bauelements des Röntgen-Flachdetektors
ein Messwert betreffend die bis dahin zu dem fotoempfindlichen Bauelement
gelangte Lichtmenge ermittelt wird und eine Auswerteeinheit zugeführt wird,
die in Abhängigkeit
von dem Messwert Steuersignale zur Festlegung der Bildaufnahmedauer
und/oder Steuersignale zur Änderung
einer Betriebsspannung der Röntgenröhre während der
Bildaufnahme erzeugt.
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Der
erfindungsgemäße Röntgen-Flachdetektor
ermöglicht
es somit, während
einer Bildaufnahme bereits die aktuelle Dosis zu messen, was bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren
zum Steuern der Leistungsabgabe durch die Röntgenröhren eingesetzt wird.
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Bei
Verwendung eines Röntgen-Flachdetektors
mit einer Mehrzahl von fotoempfindlichen Bauelementen wird mithilfe
jedes fotoempfindlichen Bauelements je ein Messwert gewonnen, und
die Steuersignale werden von der Auswerteeinheit in Abhängigkeit
von allen Messwerten erzeugt. Bevorzugt sind hierbei verschiedene
Modi an der Auswerteeinheit einstellbar, die unterschiedlichen Gewichtungen
der unterschiedlichen Messwerte bei der Erzeugung der Steuersignale
entsprechen. Diese bevorzugte Ausführungsform geht mit einer geeigneten
Verteilung der optischen Elemente über die Detektorfläche einher.
Die verschiedenen Modi an der Auswerteeinheit entsprechen dann verschiedenen
Bildmodi. Wird beispielsweise ein Schädel abgebildet, so sind die
optischen Elemente im Zentrum der Detektorfläche anders zu gewichten als
diejenigen am Rand, weil im Zentrum weniger Röntgenstrahlung (auf Grund der Absorption
durch den Schädel)
ankommt. Entsprechend anders muss die Gewichtung sein, wenn beispielsweise
eine Lunge abgebildet wird.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen werden
nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der:
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1 den
Aufbau eines erfindungsgemäßen Röntgen-Flachdetektors im
Querschnitt veranschaulicht,
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2A und 2B Ausführungsformen
bei der Ausgestaltung der optischen Elemente im Querschnitt veranschaulichen,
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3A und 3B Drauf
sichten auf Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Röntgen-Flachdetektors
sind, die die Verteilung der optischen Elemente über die Detektorenebene veranschaulichen,
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4 eine
alternative Ausführungsform
des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Röntgen-Flachdetektors
im Querschnitt veranschaulicht,
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5 eine
Draufsicht auf die Siliziumschicht des Röntgen-Flachdetektors aus 4 mit
optischen Elementen veranschaulicht.
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1 veranschaulicht
den Aufbau eines erfindungsgemäßen Röntgen-Flachdetektors
in einer Querschnittsdarstellung. In bekannter Weise ist in dem
Röntgen-Flachdetektor
eine Trägerplatte
(Supportplate) 10 vorgesehen, welche eine Schicht 12 aus
amorphem Silizium trägt.
In der Schicht aus amorphem Silizium sind die eigentlichen Detektorelemente
in an sich bekannter Weise ausgebildet. Die Detektorelemente wandeln
Licht in elektronische Signale um. Die eintreffende Röntgenstrahlung 14 wird zuvor über eine
Cäsiumiodidschicht 16,
welche als Szintillator fungiert, in solches Licht umgewandelt. Bei
herkömmlichen
Röntgen-Flachdetektoren
ist die Cäsiumiodidschicht
direkt auf der Schicht mit amorphem Silizium aufgebracht. Erfindungsgemäß ist zwischen
die Cäsiumiodidschicht 16 und
die Schicht aus amorphem Silizium 12 eine zusätzliche,
für Licht transparente
Schicht 18 vorgesehen. In der Schicht 18 sind
faseroptische Elemente 20 angeordnet. Die faseroptischen
Elemente 20 erlauben es, einen Teil des Lichts auf dem
Weg von der Cäsiumiodidschicht 16 zur
Schicht aus amorphem Silizium 12 abzuzweigen und zum Rand
des Röntgen- Flachdetektors zu führen. Dort
ist ein Fotozähler 22 angeordnet,
der die zu ihm gelangten Lichtquanten zählt. Durch die Geometrie und
die optischen Eigenschaften der faseroptischen Elemente 20 ist
der Anteil der Lichtquanten im Verhältnis zur Gesamtheit der durch
die Cäsiumiodidschicht 16 erzeugten
Lichtquanten vorbestimmt. Die Anzahl der vom Fotozähler 22 gezählten Lichtquanten
ist daher ein Maß für die in
der Cäsiumiodidschicht 16 erzeugten
Lichtquanten insgesamt und damit für die Dosis der auf der Cäsiumiodidschicht 16 auftreffenden
Röntgenstrahlen 14 (Bilddosis).
Entsprechend wird das Zählsignal
von dem Fotozähler 22 an
den Verstärker 24 zugeführt und
von diesem zu einer Auswerteeinheit 26, welche einen Generator 28 steuert.
Während
der Bildaufnahme, die typischerweise 500 ms bis einige Sekunden
dauert, kann zumindest eine Zählung
vermittels des Fotozählers 22 durchgeführt werden,
beispielsweise in den ersten 50 ms. Das über den Verstärker 24 verstärkte Messsignal
kann dann in der Auswerteeinheit 26 ausgewertet werden.
Die Auswerteeinheit erkennt auf Grund vorgegebener Kriterien, ob
die Bilddosis zu niedrig, genau richtig oder ausreichend ist. Sie
kann während der
laufenden Aufnahme des Bildes dann Steuersignale erzeugen, die die
Bilddosis beeinflussen. Der Generator 28 kann die einer
(nicht gezeigten, die Röntgenstrahlen 14 erzeugenden)
Röntgenröhre zugeführte Speisespannung
kurzfristig ändern.
Auch kann das Röntgenfenster
vergrößert oder
verkleinert werden. Das Röntgenfenster
entspricht der Bildaufnahmedauer, d. h. der Strahldauer der Röntgenröhre.
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Es
gibt verschiedene Ausführungsformen, wie
die Faseroptik in der Schicht 18 angeordnet werden kann. 2A und 2B veranschaulichen
unterschiedliche Ausführungsformen.
Beide FIG stellen die Schicht 18' bzw. 18'' aus
der Sicht des Fotozählers 22 dar.
Bei der Ausführungsform
gemäß 2A bilden
die Lichtleitfasern 20' eine
Dreiecksform. An der Oberseite 30 der Dreiecksform, welche
zur Cäsiumiodidschicht 16 hinweist,
ist die Anordnung lichtdurchlässig.
An den beiden anderen Schenkeln des Dreiecks, welche in Richtung
der Schicht aus amorphem Silizium 12 weisen, ist eine reflektierende
Um mantelung 32 vorgesehen. Licht, das somit die Oberseite 30 erreicht,
durchdringt die Faseroptik 20' bis hin zu den reflektierenden
Ummantelungen 32 und wird dann auf Grund der optischen
Gesetze umgeleitet, in Richtung zum Fotozähler 22. Die Ausführungsform
gemäß 2A ist
insbesondere dann geeignet, wenn die Schicht 18' aus Kunststoff
hergestellt wird. Die faseroptischen Elemente 20' werden dann
in die Kunststoffschicht 18' eingegossen
und sind so direkt in die Schicht eingebettet.
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Eine
alternative Ausführungsform
veranschaulicht 2B. Diese ist insbesondere für den Fall
gedacht, dass die Schicht 18'' aus Glas besteht. In
dem Glas sind Aussparungen (Schächte) 34 vorgesehen.
Die Schachtbreiten liegen im Bereich von 50 μm oder weniger. In die Schächte werden
faseroptische Elemente 20'' eingebracht.
Sie werden in den Schächten
entweder mithilfe eines lichtdurchlässigen Klebstoffs (nicht gezeigt)
befestigt, oder in die Schächte
eingebracht, welche dann nachfolgend mit einem transparenten Füllmaterial
aufgefüllt
und so verschlossen werden. Bei der Ausführungsform aus 2B hat
die Anordnung aus faseroptischen Elementen 20' bevorzugt einen
rechteckigen Querschnitt.
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Da
die von den faseroptischen Elementen 20 erfasste Lichtmenge
repräsentativ
für die
Bilddosis sein soll, sollten sich die faseroptischen Elemente 20 über den
gesamten Bereich des Röntgen-Flachdetektors
erstrecken. Die 3A und 3B veranschaulichen
Draufsichten verschiedener Ausführungsformen
der Ausgestaltung der faseroptischen Elemente. Man sieht in den 3A und 3B quasi
von oben auf die Detektorflächen,
durch die Szintillatorschicht 16 hindurch.
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3A zeigt,
dass eine Vielzahl von faseroptischen Elementen 36 streifenförmig in
gleichmäßigem Abstand über die
Fläche
verteilt parallel zu den Rändern 38 des
rechteckigen Röntgen-Flachdetektors
verlaufen. Alle streifenförmigen
faseroptischen Elemente 36 führen zu einem einzigen Fotozähler 22'. Durch die
gleichmäßige Verteilung
der faseroptischen E lemente 36 über die Fläche ist gewährleistet, dass die gemessene
Lichtmenge für
die Gesamtbilddosis repräsentativ
ist.
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Von
der gleichmäßigen Verteilung
wird bei der Ausführungsform
gemäß 3B abgegangen. Hierbei
sind lediglich in der Mitte der Fläche drei geradlinige Streifen 36' vorgesehen.
Neben den äußeren Streifen 36' befindet sich
ein Streifen 38, der einmal rechtwinklig nach rechts, dann
zweimal rechtwinklig nach links und dann wieder einmal rechtwinklig
nach rechts abknickt. Weiter außerhalb
befinden sich dann L-förmige
Streifen 40. Es sind zwei Fotozähler 22'' vorgesehen,
zu beiden Seiten des Röntgen-Flachdetektors.
Die Verteilung der Streifen 36', 38 und 40 trägt der Tatsache
Rechnung, dass in Röntgenbildern
die abgebildeten Strukturen in der Regel zentriert dargestellt werden,
sodass es im Zentrum zu mehr Absorption kommt. Die zentralen Bereiche
(Streifen 36')
empfangen daher stärker
absorbiertes Röntgenlicht
als die äußeren Bereiche
(Streifen 38 bzw. 40), wobei die faseroptischen
Elemente eine der Menge an Röntgenlicht
proportionale Menge an Lichtquanten zu den Fotozählern 22' senden. Durch
die Form der Streifen 36', 38,40 wird
dieser Effekt ausgeglichen. Bei einer nicht in der 3B veranschaulichten
Abwandlung können
bei gleich bleibender Streifenstruktur auch mehr als die beiden
Fotozähler 22' eingesetzt
werden, beispielsweise kann jeder Fotozähler 22' in drei Teilfotozähler geteilt
werden, nämlich
einen für
die äußeren Streifen 40,
einen für
die Streifen 36' und 38 und
einen für
die weiteren Streifen 40. In der Auswerteeinheit 26 können dann die
Signale verschieden gewichtet werden. Die Gewichtung kann von einer
Moduseinstellung an der Auswerteeinheit 26 abhängig sein.
So kann beispielsweise bei der Abbildung eines Schädels ein Schwerpunkt
auf die den Streifen 36' und 38 zuzuordnenden
Fotozähler
gelegt werden, während
der Randbereich mit den Streifen 40 bei der Steuerung vernachlässigt wird,
weil dort die Bereiche sind, die in der Abbildung nicht von Interesse
sind.
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4 veranschaulicht
einen alternativen Aufbau eines Röntgen-Flachdetektors gemäß der Erfindung
im Querschnitt. Bei diesem alternativen Aufbau befindet sich in
herkömmlicher
Weise die Schicht 12 aus amorphem Silizium auf dem Träger 10,
und die Cäsiumiodidschicht 16 befindet
sich direkt oberhalb der Schicht aus amorphem Silizium. Auch hier sollen
die faseroptischen Elemente im Strahlengang von der Schicht 16 zur
Schicht 12 angeordnet sein. Dies geschieht vorliegend dadurch,
dass sie unmittelbar auf die Schicht aus amorphem Silizium aufgebracht
werden, sodass sie im Querschnitt gemäß 4 als solche
gar nicht zu erkennen sind. Sie können beispielsweise in den
Klebstoff eingebracht sein, der die Cäsiumiodidschicht 16 mit
der Schicht aus amorphem Silizium 12 verbindet. Auf der
Schicht aus amorphem Silizium befinden sich üblicherweise Zuleitungen zu
den einzelnen Detektorelementen, die regelmäßig angeordnet sind. Die Zuleitungen
bilden beispielsweise ein Wabenmuster, wie es in 5 veranschaulicht
ist, wobei die einzelnen Zuleitungen, welche sichtbar sind, mit
der Bezugszahl 42 bezeichnet sind. Die Zuleitungen 42 erstrecken
sich grundsätzlich
sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung. Sichtbar
sind in 5 lediglich die Zuleitungen 42 in
vertikaler Richtung. Auf den Zuleitungen 42 in horizontaler
Richtung aufgebracht befinden sich nämlich faseroptische Elemente 44.
Die faseroptischen Elemente 44 müssen nicht notwendigerweise direkt
auf den Zuleitungen aufgebracht sein, sondern können auch unmittelbar neben
diesen angeordnet sein. Üblicherweise
gibt es hierbei Randbereiche, an denen ausreichend Platz zur Verfügung steht.
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Zwar
ist es auch hier möglich,
einen Fotozähler
am seitlichen Rand des Röntgen-Flachdetektors
anzuordnen. Bevorzugt ist hier der Fotozähler 22 unterhalb
des Trägers 10 angeordnet.
Während
bei der Ausführungsform
gemäß 1 unterhalb
des Trägers 10 ein
Rücksetzlicht 46,
ein Array aus Leuchtdioden angeordnet sein kann, welche Rücksetzlicht
bereitstellen, ist bei der Ausführungsform gemäß 4 unterhalb
der Supportplate 10 der Fotozähler 22 angeordnet.
Zwar können
die Signale auch seitlich an der Supportplate 10 zum Fotozähler 22 gelangen.
Bevorzugt ist die Supportplate 10 jedoch ebenfalls transparent,
und die faseroptischen Elemente 44 sind so ge formt, dass
sie das Licht an den Detektorelementen in der Schicht aus amorphem
Silizium 12 vorbei über
die Supportplate 10 zu dem Fotozähler 22 leiten.
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Der übrige Aufbau
mit Verstärker 24,
Auswerteeinheit 26 und Generator 28 ist mit dem
Aufbau aus 1 identisch.
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Während die
Ausführungsform
gemäß 1 ein
ganz anderes Herstellungsverfahren erfordert, weil die zusätzliche
Schicht 18 vorgesehen werden muss, erlaubt es die Ausführungsform
gemäß 4, die üblichen
Produktionsschritte bei der Herstellung eines Röntgen-Flachdetektors durchzuführen, wobei lediglich
nach dem Aufbringen der Schicht 12 auf den Träger 10 das
Aufbringen der faseroptischen Elemente 44 eingeschoben
werden muss. Am Ende der herkömmlichen
Produktionsfolge muss dann noch der Fotozähler 22 unter der
Supportplate 10 angebracht werden.