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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für
eine bildgebende radiologische Anlage mit einer Mehrzahl von Bild-Sensorelementen, welche
auftreffende radiologische Strahlung in elektrische Signale umwandeln,
und einer Anzahl von Streustrahlungs-Sensorelementen. Darüber
hinaus betrifft die Erfindung eine bildgebende radiologische Anlage
mit einer solchen Sensoranordnung. Weiterhin betrifft die Erfindung
ein bildgebendes Verfahren, bei dem radiologische Strahlung von
einer Strahlungsquelle durch den Körper oder aus dem Körper eines
Untersuchungsobjekts auf eine derartige Sensoranordnung abgestrahlt
wird.
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Radiologische
Verfahren finden heute ein breites Anwendungsfeld, das von der Röntgendetektion
von Inhalten eines unbelebten Untersuchungsgegenstandes bis hin
zum modernen Computertomographen (CT) oder artverwandten medizintechnischbildgebenden
Verfahren reicht. In all diesen Verfahren gelangt von einer Strahlungsquelle
eine radiologische Strahlung auf eine Sensoranordnung, welche die
Strahlung misst, so dass aus den Messwerten ein Abbild generiert
werden kann, das Aufschluss über den Zustand von Patienten
oder – zum Beispiel bei einer Material- oder Gepäckkontrolle – den
Zustand und/oder den Inhalt von unbelebten Gegenständen
geben soll.
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Ein
entscheidender Störeinfluss ist hierbei, dass nicht nur
die direkt von der Strahlungsquelle durch den Körper des
Untersuchungsobjekts eintreffende Strahlung, im Folgenden als „Direktstrahlung" bezeichnet,
gemessen wird, sondern auch Streustrahlung. Als Streustrahlung wird
jene Strahlung verstanden, die nicht auf direktem Wege von der Strahlungsquelle
zur Sensoranordnung gelangt, sondern von dieser geraden Linie abgelenkt
wird. Diese Streustrahlung trifft ggf. trotz dieser Ablenkung von der
direkten Bahn ebenfalls auf der Sensoran ordnung auf und kann damit
das Abbild verfälschen, gelangen doch Signale aus einem
anderen Körperbereich als dem an einer bestimmten Sensorstelle
abzubildenden an eben dieser Sensorstelle in das Bild. Die Folge
ist ein geringerer Bildkontrast der Abbildung. Die Streustrahlung
kann sogar einen gleich großen oder gar höheren
Anteil an der eintreffenden Strahlung haben als die Direktstrahlung.
Dieses Problem tritt speziell dann auf, wenn das Untersuchungsobjekt
ein größerer Körper ist, beispielsweise der
Körper einer beleibteren Untersuchungsperson, da hier viel
Direktstrahlung vom Körper absorbiert wird und gleichzeitig
eine höhere Streuung auftritt. In praxi bedeutet dies,
dass die Strahlungsdosis erhöht werden muss, um einen ausreichenden
Kontrast zu gewährleisten. Im Sinne der Sicherheit und
Gesundheit von Patienten und/oder Untersuchenden ist eine solche
Dosiserhöhung jedoch nicht erwünscht. Nochmals
verschärft wird dieses Problem bei der Verwendung von CTs,
welche simultan mehrere Röntgenquellen verwenden, die in
einer so genannten Gantry auf einer kreisförmigen Umlaufbahn
angeordnet sind und jeweils auf eine Sensoreinheit oder einen Sensorbereich
auf der gegenüberliegende Seite gerichtet sind. Hier entsteht
zusätzliche Streustrahlung dadurch, dass Strahlung, die
von einer ersten Röntgenquelle für eine erste
Sensoranordnung bzw. einen ersten Sensorbereich vorgesehen ist,
stattdessen auf eine zweite Sensoranordnung bzw. einen zweiten Sensorbereich
auftrifft.
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Bisher
wurde im Wesentlichen die Streustrahlung eliminiert, indem über
der Sensoranordnung in Richtung der Direktstrahlung ein Streustrahlungsraster
aus hoch strahlungsabsorbierenden Lamellen bzw. einem entsprechenden
Lamellen-Gitter angeordnet wurde. Als Material für die
Lamellen kann z. B. Blei eingesetzt werden. Dadurch kann die Streustrahlung,
die in einem anderen Winkel auf die Sensoranordnung trifft, teilweise
abgefangen werden. Dieses Raster filtert zwar einen großen
Teil der Streustrahlung ab, jedoch bei weitem nicht die gesamte, da
die Lamellen des Rasters eine maximale Dicke von 50 bis 100 μm
nicht überschreiten dürfen und da der Streustrahlungs-Einfallwinkel
aufgrund der maximal möglichen Höhe (10 bis 50
mm) nicht beliebig klein gehalten werden kann. Dies bedeutet in
der Praxis, dass auch mit Streustrahlungsraster ein Rest von ca.
15% der Streustrahlung ungefiltert auf der Sensoranordnung auftrifft.
Zudem sind derartige Streustrahlungsraster kostspielig und aufwändig
in der Herstellung. Dies gilt speziell bei größeren
Sensoranordnungen in CTs, da die Streustrahlraster stabil genug
sein müssen, um die hohen Zentrifugalkräfte abzufangen,
die in modernen CTs aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit
auftreten. An ihre technischen Grenzen gelangen solche Raster spätestens
dann, wenn die Strahlungsquelle zur Auflösungsverbesserung
mit einem springenden Brennfleck (flying focal spot) betrieben wird,
da man dann Gefahr läuft, dass auch Direktstrahlung durch
das Raster mit gefiltert wird. Eine dynamische Refokussierung des
Rasters ist bei den hohen Rotationsgeschwindigkeiten kaum möglich.
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Weitere
Lösungsansätze für das Problem der Streustrahlung
basieren auf der kalkulatorischen Extraktion von Streustrahlungseffekten
von den Rohdaten. In einem ersten bekannten Verfahren wird hierzu
ein Vor-Scan durchgeführt, in dem das Verhältnis
aus Streustrahlung und Direktstrahlung ermittelt wird. Hierzu werden
bei der sogenannten „Beam-Stop-Methode" Teilbereiche einer
Sensoranordnung temporär von Direktstrahlung abgeschirmt, um
Streustrahlung und Direktstrahlung getrennt voneinander zu messen.
Im eigentlichen bildgebenden Durchlauf werden diese Daten dazu verwendet,
die Streustrahlungseffekte aus den Rohdaten herauszurechnen. Bei
dieser Methode sind Untersuchungsobjekt und untersuchende Person
jedoch zusätzlichen Strahlungsrisiken ausgesetzt. Zudem
ist die Durchführung der Gesamt-Untersuchung deutlich komplizierter,
langwieriger und damit kostspieliger.
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Gemäß einem
zweiten Ansatz wird die Streustrahlung mit Hilfe von Sensoren am
Rande der Sensoranordnung gemessen und die entsprechend ermittelte
Streustrahlungsrate aus dem Gesamtbild herausgerechnet. Eine Variante
hierzu wird in der
JP 2000
070254 beschrieben. Diese Methode ist jedoch für
größere Sensoranordnungen nicht gut geeignet, da
die Verteilung der Streustrahlung über eine größere
Fläche bzw. Länge stark variieren kann.
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Ein
dritter Ansatz wird in der
WO 2006/018779 A2 vorgeschlagen. Dort wird
die Streustrahlung mit Hilfe des Streustrahlungsrasters gemessen,
indem im Raster selbst eine entsprechende Sensorik integriert ist,
die die Menge der Streustrahlung misst und somit ein akkurates Bild
des lokalen Einfalls von Streustrahlung gibt. Der Nachteil an diesem
Aufbau liegt darin begründet, dass der (wie oben beschrieben
ohnehin aufwändige) Aufbau des Streustrahlungsrasters zusätzlich
verkompliziert und verteuert wird. Zudem müssten entsprechende
Sensoranordnungen an derartige Streustrahlungsraster eigens angepasst
werden, so dass neue Herstellungsmethoden und neue Sensorik-Aufbauten
vonnöten wären.
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Zuletzt
sind noch Software-basierte Korrekturmöglichkeiten zu nennen,
die jedoch sehr rechenintensiv sind und zudem die resultierende
Bildschärfe verringern.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes bildgebendes
Verfahren zur Messung radiologischer Strahlung ebenso wie eine verbesserte
Sensoranordnung und eine verbesserte bildgebende radiologische Anlage
bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung gemäß Anspruch
1 sowie eine bildgebende radiologische Anlage gemäß Anspruch
16 und ein bildgebendes Verfahren gemäß Anspruch
23 gelöst.
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Gemäß der
Erfindung weist eine Sensoranordnung für eine bildgebende
radiologische Anlage eine Mehrzahl von Bild-Sensorelementen auf,
welche auftreffende radiologische Strahlung in elektrische Signale
umwandeln, sowie eine Anzahl von Streustrahlungs-Sensorelementen,
welche im Wesentlichen von radiologischer Direktstrahlung abgeschirmt
sind. Diese Abschirmung erfolgt permanent, beispielsweise durch
eine Be schichtung der Oberfläche der Streustrahlungs-Sensorelemente
mit einem die in der radiologischen Anlage verwendete Strahlung
möglichst stark absorbierenden Material. In der Regel ist
auch mit üblichen Abschirmungsmaterialien wie Blei in üblichen
Stärken keine ganz vollständige Abschirmung möglich.
Der Begriff „im Wesentlichen abgeschirmt" ist hierbei daher
so zu verstehen, dass möglichst viel, zumindest aber 75%
der Direktstrahlung herausgefiltert wird. Der Vorteil einer solchen permanenten
Anordnung von Streustrahlungs-Sensorelementen ist gegenüber
der „Beam-Stop-Methode" darin zu sehen, dass ohne Verfahrensverzögerung
jederzeit ein Streustrahlungs-Messergebnis der Streustrahlungs-Sensorelemente
generiert werden kann. Ein weiterer möglicher Vorzug dieses
Verfahrens ist die einfache Handhabbarkeit des Systems bei gleichzeitig
deutlich erhöhter Bildqualität.
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Eine
erfindungsgemäße bildgebende radiologische Anlage
weist eine Sensoranordnung wie eben beschrieben auf. Dabei kann
es sich zum Beispiel um eine Röntgen-Anlage handeln, bei
der ein unbelebtes Objekt auf einem Förderband durchleuchtet
und auf bestimmte darin enthaltene Gegenstände (wie Sprengstoff
in einem Koffer bei der Gepäckkontrolle) hin untersucht
wird. Vorteilhaft daran wäre beispielsweise, dass die hohe
Messgenauigkeit der Sensoranordnung auch bei relativ einfachen Röntgen-Scanverfahren
zu einer deutlichen Verbesserung der Bildqualität und damit
der Detektionsmöglichkeiten führt. Auf der anderen
Seite des Anwendungsspektrums stehen „einfache" Röntgenapparate im
medizintechnischen Bereich, CTs, aber auch nuklearmedizintechnische
Geräte für PET (Positronen-Emissions-Tomographie)
bzw. SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography), bei denen Radionuklide
aus einem Körper eines Untersuchungsobjekts – hier
eines Lebewesens – auf die Sensoranordnung strahlen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen bildgebenden Verfahren
wird radiologische Strahlung von einer Strahlungsquelle durch den
Körper oder aus dem Körper eines Untersuchungsobjekts
auf eine Sensoranordnung abgestrahlt und von einer Sensoranordnung erfasst,
welche eine Mehrzahl von Bild-Sensorelementen aufweist, die die
auftreffende radiologische Strahlung in elektrische Signale umwandeln, wobei
eine Sensoranordnung mit einer Anzahl von Streustrahlungs-Sensorelementen
verwendet wird, die im Wesentlichen von radiologischer Direktstrahlung
abgeschirmt sind. Beispielsweise wird als Strahlungsquelle eine
stationär aufgebaute Röntgeneinrichtung verwendet,
die Röntgenstrahlung zur Durchleuchtung des Körpers
eines Lebewesens abgibt, welche auf der gegenüberliegenden
Seite von einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
detektiert wird. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, ein derartiges
Verfahren in einem CT mit einer rotierenden Gantry mit einer oder
mehreren Röntgenquellen anzuwenden, bei dem eine Vielzahl
von Schnittaufnahmen generiert werden können, da hier die
Komplexität des CT-Systems nicht zusätzlich durch
die Sensorik erhöht wird.
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Weitere
besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen
sowie der nachfolgenden Beschreibung. Dabei kann das erfindungsgemäße
Verfahren auch entsprechend den abhängigen Ansprüchen
zur Sensoranordnung und zur bildgebenden radiologischen Anlage weitergebildet sein
und auch jeweils umgekehrt.
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Vorzugsweise
sind die Streustrahlungs-Sensorelemente der Sensoranordnung in einer
Detektorfläche zwischen den Bild-Sensorelementen angeordnet.
Beispielsweise können sie quasi zwischen Bild-Sensorelementen
eingebettet werden. Besonders bevorzugt wird eine Vielzahl von Streustrahlungs-Sensorelementen
eingesetzt. Diese können vorzugsweise in konstanten Abständen
voneinander in der Detektoroberfläche angeordnet sein,
beispielsweise nach jeweils zehn Bild-Sensorelementen. Ein möglicher
Vorteil daraus kann darin bestehen, dass für einen relativ
eng begrenzten definierten Bereich je ein Streustrahlungs-Messwert
vorliegt, aufgrund dessen für diesen ganzen Bereich die
Rohdaten der Messung kalkulatorisch bereinigt werden können.
Alternativ könnte in einem Extremfall auch an einer definierten
Position ein einzelnes Streustrahlungs-Sensorelement für
die gesamte Sensoranordnung verwendet werden, welches dann vorzugsweise
an einer Stelle angeordnet ist, die repräsentative Rückschlüsse
auf die Streustrahlung auf der gesamten Detektorfläche
zulässt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Sensoranordnung
ist die der Direktstrahlung zugewandte Oberfläche der Streustrahlungs-Sensorelemente
jeweils so abgeschirmt, dass mehr als 90%, vorzugsweise mehr als
98%, der radiologischen Direktstrahlung absorbiert wird. Diese starke
Filterung kann dadurch erreicht werden, dass hoch absorbierendes
Material auf die Oberfläche der Streustrahlungs-Sensorelemente
direkt aufgebracht, etwa aufgedampft, wird. Dadurch wird unter anderem erreicht,
dass ein sehr akkurater Messwert für die Streustrahlung
erreicht wird. Alternativ kann eine Maskierung mit Hilfe eines aufgelegten
und fixierten Material-Gitters erfolgen.
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Vorteilhafterweise
werden in einer Direktstrahlungsrichtung vor den Streustrahlungs-Sensorelementen
Lamellen eines Streustrahlungsrasters angebracht, welche die Streustrahlungs-Sensorelemente
abschirmen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Filtern der
Streustrahlung mit der Abschirmung der Direktstrahlung im Bereich
der Streustrahlungs-Sensorelemente kombiniert werden kann. Dabei
kann ein wie oben beschriebenes herkömmliches Streustrahlungsraster
eingesetzt werden. Mit einem solchen Aufbau kann die erfindungsgemäße
Sensoranordnung besonders günstig hergestellt werden, da
lediglich die Detektor-Strukturen entsprechend dem Streustrahlungsraster
angepasst sein müssen, weil die Streustrahlungs-Sensorelemente
prinzipiell denselben Aufbau wie Bild-Sensorelemente haben, nur
eben durch das Streustrahlungsraster oberseitig abgeschirmt werden.
Statt eines herkömmlichen Streustrahlungsrasters kann auch
eine dickere Ausführung von eigens für diese Anordnung
konzipierten Lamellen oder Gitterstrukturen verwendet werden, die
auf die Oberflächengeometrie der Streustrahlungs-Sensorelemente
abgestimmt sind.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Variante dieser Ausführungsform weisen
die Lamellen bzw. das Lamellen-Gitter eine Höhe von maximal
ca. 10 mm, vorzugsweise maximal ca. 8 mm, auf. Damit kann vor allem
erreicht werden, dass Zentrifugalkräfte durch die Rotation
in einem CT nicht zu hoch werden und dadurch der Herstellungsaufwand
und die Kosten für das Streustrahlungsraster niedrig gehalten
werden. Weiterhin müssen die Lamellen nicht absolut exakt
in Richtung des Fokuspunkts der Strahlungsquelle hin ausgerichtet
werden, was speziell bei Anwendungen mit einer Röntgenquelle
mit variablem Brennfleck einen zusätzlichen Vorteil bieten
kann.
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Eine
erste alternative Ausführung betrifft eine Sensoranordnung,
bei der die Bild-Sensorelemente und Streustrahlungs-Sensorelemente
so ausgebildet sind, dass sie radiologische Strahlung direkt in
elektrische Signale umwandeln. Hierbei wird ein Halbleitermaterial,
beispielsweise CdZnTe, verwendet, das radiologische Strahlung, in
diesem Falle Röntgenstrahlen, direkt in elektrische Ladungsträger
umwandelt. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass
die Strahlung ohne Umwandlung in andere Energieträger direkt
in Ladung und damit in elektrische Signale gewandelt wird. Statt
CdZnTe können auch andere Halbleitermaterialien zur Anwendung
kommen, beispielsweise zur Umwandlung anderer radiologischer Strahlen
wie Gammastrahlen.
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Vorzugsweise
weist bei dieser alternativen Ausführungsform die Sensoranordnung
eine Frontelektrode, eine Konverterschicht und eine Rückelektrodenstruktur
auf. Die Bild-Sensorelemente und die Streustrahlungs-Sensorelemente
sind dabei durch voneinander elektrisch isolierend abgetrennte Rückelektrodenelemente
der Rückelektrodenstruktur ausgebildet. Diese Ausbildung
der Rückelektrodenstruktur mit einzelnen abgetrennten Rückelektrodenelementen
kann erfolgen, indem vollflächige Leiterschichten durch Ätzen
in voneinander elektrisch isolierte Bereiche aufgeteilt werden.
Dies ist unter anderem eine einfache und bewährte Herstellungsweise. Es
kann jedoch auch eine entsprechende Rückelektrodenstruktur
direkt auf die Rückseite der Sensoranordnung aufgebracht,
z. B. unter Einsatz einer Maske aufgedampft werden.
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Bei
einer zweiten alternativen Ausführungsführungsform
sind die Bild-Sensorelemente und Streustrahlungs-Sensorelemente
so ausgebildet, dass sie radiologische Strahlung indirekt in elektrische
Signale umwandeln. Hierzu kann ein Szintillator-Material wie CsI
oder Gd2O2S verwendet
werden, welches zunächst die eintreffende radiologische Strahlung
in Lichtphotonen umwandelt, welche wiederum durch Fotodioden in
elektrische Signale umgewandelt werden. Dieser Aufbau hat unter
anderem den Vorteil, dass er in bestehenden, entsprechend arbeitenden
Geräten als Nachrüst-Satz eingesetzt werden kann.
Eine indirekte Konversion kann jedoch auch mit Hilfe anderer Wandlungssysteme
und neuer Szintillator-Materialien bzw. alternativer Signal-Träger
durchgeführt werden.
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Bei
dieser zweiten Alternative sind die Bild-Sensorelemente und die
Streustrahlungs-Sensorelemente bevorzugt als voneinander durch lichtreflektierende
Materialien getrennte Einheiten ausgebildet. Die einzelnen Einheiten
können durch Schnitte voneinander getrennt werden und es
kann zum Beispiel zur Trennung Aluminiumfolie oder geeignete Vergussmasse,
wie z. B. ein TiO2 Film, in die Schnitte eingebracht
werden. Dabei liegt ein Vorteil dieses Aufbaus in der einfachen
Herstellung der Elemente als ein Ganzes, welches nach Wunsch im
Nachhinein konfektioniert werden kann. Möglich ist jedoch
auch eine Herstellung einzelner Einheiten, zwischen welche beim
Zusammenfügen ein entsprechendes Material verbaut wird.
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Bevorzugt
sind die Sensorelemente, das heißt sowohl die Bild-Sensorelemente
als auch die Streustrahlungs-Sensorelemente, in einer Zeile oder in
einer Matrix angeordnet. Vorteilhaft daran ist unter anderem, dass
damit eine Abbildung eines Scan-Bereichs Pixel für Pixel
wie in der digitalen Verarbeitung üblich erfolgen kann.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
jedem Bild-Sensorelement zumindest ein Streustrahlungs-Sensorelement zugeordnet.
Dies kann bei Anordnung in einer Zeile bedeuten, dass alternierend
je ein Bild-Sensorelement und ein Streustrahlungs-Sensorelement
aufeinander folgen. Der Vorteil dieser Anordnung und Zuordnung liegt
zum Beispiel darin, dass eine hohe Messgenauigkeit für
jeden einzelnen kleinen Messbereich gewährleistet ist.
Bei Anordnung in einer Matrix können Bild-Sensorelemente
und Streustrahlungs-Sensorelemente schachbrettartig angeordnet sein
oder – wie weiter unten beschrieben – die Streustrahlungs-Sensorelemente
geometrische Figuren „über Eck" aufweisen.
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Gemäß einer
ersten möglichen alternativen Ausformung bildet ein Streustrahlungs-Sensorelement
eine Grenze zwischen zwei Bild-Sensorelementen. Dies kann dadurch
erreicht werden, dass in einer Zeile Bild- und Streustrahlungs-Sensorelemente
mit gleicher Breite verteilt sind, wodurch zum Beispiel praktisch
die gesamte Oberfläche der Sensoranordnung entweder durch
Bild- oder durch Streustrahlungs-Sensorelementen abgedeckt ist.
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Gemäß einer
zweiten möglichen alternativen Ausformung ist ein Streustrahlungs-Sensorelement an
zwei aneinander grenzenden Kanten eines Bild-Sensorelements angeordnet.
Hier wäre die Geometrie zum Beispiel so zu gestalten, dass
das Streustrahlungs-Sensorelement über ein Eck des Bild-Sensorelements
geführt wird. Vorteilhaft an dieser Anordnung kann vor
allem sein, dass die Messgenauigkeit für Streustrahlung
nochmals potenziell erhöht ist, da sie in zwei Dimensionen
des Bild-Sensorelements gemessen wird. Es kann auch ein geteiltes
Streustrahlungs-Sensorelement, welches messtechnisch als eine Einheit
fungiert, jedoch geometrisch in sich geteilt ist, an zwei aneinander
grenzenden Kanten eines Bild-Sensorelements angeordnet sein.
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Vorzugsweise
nimmt ein Streustrahlungs-Sensorelement eine kleinere Fläche
ein als ein zugeordnetes Bild-Sensorelement. Vorteilhaft ist beispielsweise
eine Ausführung, bei der ein Streustrahlungs-Sensorelement
in etwa die Dicke einer Lamelle eines herkömmlichen Streustrahlungsrasters
(ca. 50–100 μm) aufweist. Der Vorteil daran kann
zum Beispiels sein, dass die Messung der Direktstrahlung über
die Bild-Sensorelemente den größeren Bereich zugewiesen
bekommt, so dass sich ein exakteres Abbild der Durchleuchtung des
Untersuchungsobjekts ergibt. Alternativ sind auch je nach Anwendungsbereich
geringere Größenunterschiede denkbar.
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Eine
erfindungsgemäße bildgebende radiologische Anlage
weist bevorzugter Weise eine Mess- und Auswertungsvorrichtung für
Messsignale auf, mit einer Schnittstelle zur Aufnahme von Messsignalen aus
den Streustrahlungs-Sensorelementen und den Bild-Sensorelementen,
wobei die Mess- und Auswertungsvorrichtung so ausgebildet ist, dass
eine gewichtete Differenz zwischen den Messwerten eines Bild-Sensorelements
und eines zugeordneten Streustrahlungs-Sensorelements gebildet wird.
Im Folgenden soll diese Ausführungsform als „Auswertung
mit gewichteter Differenz" bezeichnet werden. Eine gewichtete Differenz
wird beispielsweise durch Subtrahieren eines mit einem Korrekturfaktor
multiplizierten Messwerts des Streustrahlungs-Sensorelements vom
Messwert des Bild-Sensorelements gebildet. Mit Hilfe des Korrekturfaktors
kann zum Beispiel der Einfluss der Direktstrahlung, die trotz Abschirmung
in ein Streustrahlungs-Sensorelement eindringt, herausgerechnet
werden. Alternativ oder zusätzlich können auch
die Messwerte der Bild-Sensorelemente mit einem Korrekturfaktor
multipliziert werden. Mittels eines Korrekturfaktors wird vorzugsweise
auch von der Fläche des Bild-Sensorelements auf die Gesamtfläche
aus Bild-Sensorelement und zugeordnetem Streustrahlungs-Sensorelement
hochgerechnet. Verallgemeinert gesprochen sollen durch die Gewichtung
vorzugsweise die Flächenverteilungen des Bild- und des
zugeordneten Streustrahlungs-Sensorelements als auch die Durchlässigkeit
des Streustrahlungs-Sensorelements für Direktstrahlung
berücksichtigt werden. Dies kann durch einen gemeinsamen
Faktor oder durch getrennte Faktoren, zum Beispiel für
das Bild-Sensorelement und für das Streustrahlungs-Sensorelement,
erfolgen. Das Resultat dieser gesichteten Differenz stellt den streustrahlungsfreien
Bild-Messwert der Rohdaten dar.
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Gemäß einer
ersten Variante der radiologischen Anlage weist die Mess- und Auswertungsvorrichtung
für jedes Bild-Sensorelement und für jedes Streustrahlungs-Sensorelement
eine Integratoreinrichtung zur Kumulierung von jeweils von den Bild-Sensorelementen
und den Streustrahlungs-Sensorelementen in einem vorgegebenen Intervall
detektierten Ereignissen auf. Dies kann zum Beispiel mit Hilfe eines
Kondensators erfolgen, der elektrische Ladungsträger über
einen bestimmten Zeitraum sammelt, von wo aus sie ggf. getaktet
an eine Auswertungsvorrichtung weitergeleitet werden. Vorteilhaft
daran ist, dass mit Hilfe einer einfachen Wechsel- bzw. Signalumschaltung
oder einem Multiplexer abwechselnd die kumulierten Signale des Bild-Sensorelements
und des Streustrahlungs-Sensorelements in die Auswertungsvorrichtung
eingespeist werden können. Andere Integrator- und/oder
Signalverarbeitungsschaltungen sind jedoch ebenfalls möglich.
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Gemäß einer
ersten speziellen Ausführungsform dieser ersten Variante
weist die Mess- und Auswertungsvorrichtung für jedes Bild-Sensorelement und
jedes Streustrahlungs-Sensorelement eine separate Integratoreinrichtung
auf, wobei ein Vorteil dieser Schaltung darin zu sehen ist, dass
die Messwerte der beiden Sensorelemente ggf. auch getrennt voneinander
zu Kontroll- und Kalibrierungszwecken ausgewertet werden können.
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Dagegen
weist die Mess- und Auswertungsvorrichtung in einer zweiten speziellen
Ausführungsform für je ein Bild-Sensorelement
und ein diesem zugeordnetes Streustrahlungs-Sensorelement eine gemeinsame
Integratoreinrichtung auf, welche so ausgebildet ist, dass die von
den Streustrahlungs-Sensorelementen und den Bild-Sensorelementen
detektierten Ereignisse mit unterschiedlichem Vorzeichen kumuliert
werden. Dies be deutet beispielsweise, dass gezählte Ereignisse
aus dem Bild-Sensorelement als positiv gezählte Ladungsträger
kumuliert werden, von denen die Ereignisse aus dem Streustrahlungs-Sensorelement
subtrahiert werden bzw. umgekehrt. Vorteilhaft an dieser speziellen
Ausführungsform ist vor allem, aber nicht ausschließlich,
dass Schaltungs-Bauteile eingespart werden können und direkt
ein Mess-Ergebnis an die Auswertungsvorrichtung weitergeleitet werden
kann. Die analogen Messwerte solcher „integrierenden" Detektoren
werden dann vorzugsweise in einem Analog/Digital-Wandler zur weiteren
Verarbeitung digitalisiert.
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Eine
weitere Variante der radiologischen Anlage ist dadurch gekennzeichnet,
dass jedem Streustrahlungs-Sensorelement und jedem Bild-Sensorelement
jeweils eine Impulswandlungseinheit zugeordnet ist, welche für
jedes von dem betreffenden Sensorelement detektierte Ereignis einen
Zählimpuls ausgibt. So können die Messimpulse
beispielsweise mit Hilfe eines Pulsumformers und eines nachgeschalteten
Filters so aufbereitet werden, dass bei Überschreitung
eines definierten Schwellenwerts ein Zählimpuls generiert
wird. Die Schaltungen sollen dabei so eingestellt sein, dass jedes
auf das Sensorelement auftreffende Strahlungselement, beispielsweise
jedes Röntgen-Photon, als einzelnes Ereignis gezählt
wird. Derartige Schaltungen für so genannte „zählende"
Strahlungsdetektoren sind beispielsweise in den Projekten „MPEC"
der Universität Bonn oder „Medipix" von CERN et
al. entwickelt worden. Beschreibungen hierzu finden sich in der
US 4,255,659 und der
US 7,138,635 . Ein Vorteil
dieser Schaltung mit Zählimpulsen besteht unter anderem
darin, dass Störeinflüsse im System durch die
Filterung ausgeschaltet werden können und die Messdaten
bereits digital zur Weiterverarbeitung vorliegen.
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Eine
einfache, erste Form dieser Variante mit Generierung eines Zählimpulses
besteht darin, dass die Zählimpulse direkt an eine digitale
Auswertungsvorrichtung weitergeleitet und dort weiterverarbeitet werden.
Ein Vorzug daran ist zum Beispiel die Möglichkeit der Kontrolle
und Kalibrierung jeder einzelnen Zähl-Schaltungseinheit
(bestehend aus Bild- oder Streustrahlungs-Sensorelement und einer
Impulswandlungseinheit).
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Eine
zweite Form dieser Variante besteht darin, dass die Impulswandlungseinheiten
und/oder eine nachgeordnete Pulszähleinrichtung so ausgebildet
sind, dass die von den Streustrahlungs-Sensorelementen und den Bild-Sensorelementen
gezählten Ereignisse mit unterschiedlichem Vorzeichen gezählt werden.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zwei Impulswandlungseinheiten
gegengleich miteinander verschaltet werden, so dass Impulse aus dem
Bild-Sensorelement als positiv gezählte Impulse gezählt
werden, während die Impulse aus dem Streustrahlungs-Sensorelement
als negativ gezählte Impulse gerechnet werden bzw. umgekehrt.
Alternativ kann auch bei gleichzeitigen Impulsen aus dem Bild-Sensorelement
und aus der Streustrahlungs-Sensorelement automatisch eine Weiterleitung eines
Impulses an die Auswertungsvorrichtung unterdrückt werden.
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In
allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen können
die entsprechenden Schaltungselemente bereits zusammen mit der Sensoranordnung in
einer Detektoreinheit integriert sein.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten
Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher
erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche
Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
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1 den
schematisierten Prinzipaufbau eines CT mit Darstellung von Direkt-
und Streustrahlung,
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2 in
Schnittdarstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform,
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3 in
Schnittdarstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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4 in
perspektivischer Schnittdarstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform
mit Lamellen als Streustrahlungsraster,
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5 in
perspektivischer Schnittdarstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform
mit gitterartigen Lamellen als Streustrahlungsraster,
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6 eine
erfindungsgemäße Sensoranordnung in Draufsicht
mit einer ersten Anordnungsgeometrie von Bild- und Streustrahlungs-Sensorelementen,
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7 eine
erfindungsgemäße Sensoranordnung in Draufsicht
mit einer zweiten Anordnungsgeometrie von Bild- und Streustrahlungs-Sensorelementen,
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8 eine
schematische Schaltungsdarstellung von Bild- und Streustrahlungssensorelementen sowie
einer Mess- und Auswertungsvorrichtung gemäß einer
ersten Variante,
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9 eine
schematische Schaltungsdarstellung von Bild- und Streustrahlungssensorelementen sowie
einer Mess- und Auswertungsvorrichtung gemäß einer
zweiten Variante,
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10 eine
schematische Schaltungsdarstellung von Bild- und Streustrahlungssensorelementen
sowie einer Mess- und Auswertungsvorrichtung gemäß einer
dritten Variante,
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11 eine
schematische Schaltungsdarstellung von Bild- und Streustrahlungssensorelementen
sowie einer Mess- und Auswertungsvorrichtung gemäß einer
vierten Variante,
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12 eine
schematische Schaltungsdarstellung von Bild- und Streustrahlungssensorelementen
sowie einer Mess- und Auswertungsvorrichtung gemäß einer
fünften Variante.
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In 1 ist
eine bildgebende radiologische Anlage 2, hier in Form eines
CT, dargestellt. Auf der Kreisbahn einer Gantry sind gegenüberliegend
eine Sensoranordnung 1 und eine Strahlungsquelle 9 (hier
eine Röntgenquelle) angeordnet, zwischen denen der Körper
eines Untersuchungsobjekts 10 liegt. Direktstrahlung 3 gelangt
in gerader Linie direkt von der Röntgenquelle 9 durch
den Körper des Untersuchungsobjekts 10 zur Sensoranordnung 1.
Dagegen wird Streustrahlung 4 im Körper des Untersuchungsobjekts 10 abgelenkt
und gelangt somit nicht in gerader Linie von der Röntgenquelle 9 zur
Sensoranordnung 1. Es ist zu erkennen, dass der Einfallwinkel
der Direktstrahlung 3 klar von dem der Streustrahlung 4 zu
unterscheiden ist: Während die Direktstrahlung 3 näherungsweise
immer in einem definierten, feststehenden Winkel auf der Sensoranordnung 1 auftrifft, welcher
von der geometrischen Anordnung und dem Aufbau von Röntgenquelle 9 und
Sensoranordnung 1 abhängt, ist der Einfallwinkel
der Streustrahlung 4 variabel.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform. Sie teilt sich auf in Bild-Sensorelemente 5 und
Streustrahlungs-Sensorelemente 6, welche hier alternierend
nebeneinander angeordnet sind. Gebildet werden die Bild- bzw. Streustrahlungs-Sensorelemente 5, 6 durch
Teilung der Rückelektrodenstruktur 34 in Rückelektrodenelemente 12 der
Bild-Sensorelemente 5 und Rückelektrodenelemente 13 der
Streustrahlungs-Sensorelemente 6. Zwischen der röntgenstrahlungsdurchlässigen
Frontelektrode 32 der Sensoranordnung und der Rückelektrodenstruktur 34 ist eine
Konverterschicht 35 aus einem Halbleitermaterial angeordnet,
welches die eintreffende Bild- und Streustrahlung 3 und 4 direkt
in elektrische Signale 11 umwandelt, die über
die Rückelektroden 12 und 13 abgeführt
werden. Durch Anlegen einer Spannung zwischen der Frontelektrode 32 und
den Rückelektroden 12, 13 bilden sich
elektrische Felder aus (siehe Feldlinien F1 und
F2), die dafür sorgen, dass Ladungsträger,
die in bestimmten Segmenten oberhalb eines Rückelektrodenelements 12, 13 entstehen,
zum betreffenden Rückelektrodenelement 12, 13 gelangen
und dort gezählt werden. Die Konverterschicht 35 erstreckt
sich also durchgehend über alle Sensorelemente 5, 6 und
die Sensorelemente 5, 6 werden nur durch die Rückelektrodenelemente 12, 13 der
Rückelektrodenstruktur 34 definiert. Auf der Oberfläche
der Streustrahlungs-Sensorelemente 6 sind Lamellen 7 eines
Streustrahlungsrasters angeordnet. Sie fangen die in einem bestimmten
Abweichungs-Winkelbereich einfallende Streustrahlung 4 ab
und dienen zugleich der Abschirmung der Streustrahlungs-Sensorelemente 6.
Direktstrahlung 3 trifft hier senkrecht auf und ist damit
klar unterscheidbar von der Streustrahlung 4, die in unterschiedlichen Winkeln
auftrifft. äherungsweise ist daher davon auszugehen, dass
Direktstrahlung 3 nur im Bereich der Bild-Sensorelemente 5 gemessen
wird. Dagegen kann einfallende Streustrahlung 4 zwar auch
ein Signal im Bereich der Bild-Sensorelemente 5 bewirken, jedoch
wird häufig auch simultan ein Signal im Bereich der Streustrahlungs-Sensorelemente 6 erzeugt.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 gemäß einer
zweiten Ausführungsform. Die Bild- bzw. Streustrahlungs-Sensorelemente 5 und 6 bestehen
hier jeweils aus einer Konverterschicht aus Szintillator-Material,
durch welches die eintreffende Direkt- und Streustrahlung 3 und 4 in Licht-Photonen
umgewandelt und danach durch Fotodioden 24 und 25 in
elektrische Signale weiterverarbeitet werden. Im Unterschied zu 2 sind
hier die Bild- bzw. Streustrahlungs-Sensorelemente 5 und 6 durch
Trennwände aus lichtreflektierender Material 16,
welche in die Konverterschicht eingebracht sind, wie separate Kammern
voneinander getrennt. Für die radiologische Strahlung,
zum Beispiel für Röntgenphotonen oder Gamma-Quanten,
sind die Trennwände jedoch weitgehend durchlässig,
so dass schräg auftreffende radiologische Strahlung von
den Streustrahlungs-Sensorelementen detektiert werden kann. Der
Unterschied dieser Ausführungsform der Erfindung besteht
daher im Wesentlichen in der Konversionsmethode der Strahlung in
elektrische Signale, welche hier im Gegensatz zur Ausführungsform
in 2 nicht direkt, sondern indirekt erfolgt.
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4 zeigt
eine Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform
in perspektivischer Darstellung. Im Vergleich zu 2 ist
erkennbar, dass die Lamellen 7 des Streustrahlungsrasters
von der Oberfläche der Sensoranordnung 1 näherungsweise senkrecht,
d. h. in Richtung der eintreffenden Direktstrahlung 3 abstehen.
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Dagegen
ist in 5 als Streustrahlungsraster ein Gitter 8 als
solche Lamellen auf der Sensoranordnung 1 angebracht. Hierdurch
kann Streustrahlung sowohl in X- als auch in Z-Richtung vorgefiltert werden.
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In 6 ist
eine Sensoranordnung 1 in Draufsicht mit einer ersten Anordnungsgeometrie von
Bild- und Streustrahlungs-Sensorelementen 5 und 6 dargestellt.
Bild-Sensorelemente 5 und Streustrahlungs-Sensorelemente 6 sind
einander hier jeweils zugeordnet und wechseln einander alternierend
in der Reihenfolge von unten nach oben ab. Es ist weiterhin zu erkennen,
dass die Streustrahlungs-Sensorelemente 6 jeweils deutlich
kleiner sind als die Bild-Sensorelemente 5 und dass alle
Bild- bzw. alle Streustrahlungssensorelemente 5 bzw. 6 immer
die gleiche Größe haben.
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Dies
gilt auch für die in 7 dargestellte zweite
Anordnungsgeometrie von Bild- und Streustrahlungs-Sensorelementen 5 und 6.
Hier grenzen die Streustrahlungs-Sensorelemente 6 jedoch
an zwei aneinandergrenzende Kanten der Bild-Sensorelemente 5 an
und sind somit nicht rechteckig, sondern „über
Eck" angeordnet. Eine solche Geometrie bietet sich im Speziellen
in Kombination mit einem Gitter als Streustrahlungs-Raster an. Alle
Bild-Sensorelemente 5 sind hier jeweils durch Streustrahlungs-Sensorelemente 6 vollständig
voneinander separiert.
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8 zeigt
schematisch eine Schaltung einer an einem Sensorpaar, bestehend
aus einem Bild- und einem Streustrahlungssensorelement 5, 6 angeschlossenen
Mess- und Auswertungsvorrichtung gemäß einer ersten
Variante. Hierbei detektieren das Bild-Sensorelement 5 und
das Streustrahlungs-Sensorelement 6 Direktstrahlung 3 bzw.
Streustrahlung 4. Die dabei generierten elektrischen Ladungsträger werden
jeweils in einer Schaltungsanordnung aus einem Integrator 19a, 19b mit
einem parallel geschalteten Kondensator 17a, 17b gesammelt,
bis durch Betätigen eines Umschalters 20, welcher
z. B. in Form eines Multiplexers realisiert sein kann, eine Weiterleitung
der jeweiligen kumulierten Ladungsträger über
einen Analog-Digital-Wandler 21 an eine Auswertungsvorrichtung 22 erfolgt.
Zur Rücksetzung der Integratoren 19a, 19b bzw.
der Kondensatoren 17a, 17b ist je ein Rückstellelement 18a, 18b vorgesehen,
das je einen Transistor 30a, 30b schaltet, der den
Kondensator 17a bzw. 17b kurzschließt.
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Im
digitalen Schaltungsbereich kann dann eine gewichtete Differenz
gebildet werden, um für das Sensorpaar 5, 6 ein
bereinigtes Messsignal zu erhalten. Durch diese Schaltung wird analoge
Information in Form von Ladungsträgern kumuliert und getaktet über
den Wechselschalter weitergegeben, digital gewandelt und verarbeitet.
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In
der schematischen Schaltungsdarstellung in 9 hingegen
erfolgt die Integration der Signale bzw. Ladungsträger
des Bild-Sensorelements 5 und des zugehörigen
Streustrahlungs-Sensorelements 6 mit einer gemeinsamen
Schaltungsanordnung mit einem Integrator 19c und einem
parallel geschalteten Kondensator 17c. Dabei werden die
Signale des Streustrahlungs-Sensorelements 6 in einem invertierenden
Verstärker 31 mit einem einstellbaren Verstärkungsfaktor
verstärkt. Im Integrator 19c werden somit die
Ladungsträger aus dem Bild-Sensorelement 5 als
Ladungseinheiten gesammelt und die Ladungsträger aus dem
Streustrahlungs-Sensorelement 6 aufgrund der invertierten
Verstärkung automatisch abgezogen. Durch den Verstärkungsfaktor kann
die Differenzbildung nach Wunsch gewichtet werden. Die Weiterverarbeitung
erfolgt wiederum über einen Analog-Digital-Wandler 21 und
eine Auswertungsvorrichtung 22.
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In
beiden bisher gezeigten Schaltungen erfolgte die Integration analog,
d. h. es werden Ladungseinheiten analog gesammelt und die so erzeugten
analogen Messwerte in digitale Signale gewandelt.
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Vorrichtungen
mit so genannten zählenden Detektoren, welche für
jedes detektierte Ereignis einen digitalen Zählpuls liefern,
zeigen die 10 bis 12.
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In 10 weist
die Mess- und Auswertungsvorrichtung 23 je einen Pulsformer 26a bzw. 26b auf, die
einem Bild- bzw. einem Streustrahlungs-Sensorelement 5 bzw. 6 zugeordnet
sind. Von diesen Pulsformern 26a und 26b werden
digitale Signale an eine digitale Auswertungsvorrichtung 22 weitergeleitet. Die
Einspeisung der Informationen erfolgt separat, so dass die Informationsverarbeitung
der Pulssignale rein in der digitalen Auswertungsvorrichtung 22 geschieht.
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Dagegen
ist in 11 eine Mess- und Auswertungsvorrichtung
dargestellt, bei der in den Pulsformern 26a und 26b' die
digitalen Signale so generiert und dann an eine digitale Pulszähleinrichtung 27 (einen
Auf/Ab-Zähler) weitergegeben werden, dass Ereignisse, die
von dem Bild-Sensorelement 5 detektiert werden, beispielsweise
als positive Einheit gezählt werden, während Ereignisse,
die aus dem Streustrahlungs-Sensorelement 5 detektiert
werden, als negative Einheit gezählt werden. Das Zählergebnis
wird dann nach einem vorgebbaren Zählzeitraum als digitaler
Zählerstand (welcher einer integrierten streustrahlungsbereinigten
detektierten Dosis in dem entsprechenden Zählzeitraum entspricht)
an die Auswertungsvorrichtung 22 weitergeleitet.
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In 12 schließlich
wird eine ähnliche Zählung mittels eines logischen
AND-Gatters 29 erreicht. Das von einem am Streustrahlungs-Sensorelement 6 angeschlossenen
Pulsformer 26b kommende Signal wird dabei zunächst
in einem Invertierer 28 invertiert und dem Eingang eines
AND-Gatters 29 zugeführt. Dem anderen Eingang
des AND-Gatters 29 wird das Ausgangssig nal des Pulsformers 26a des
Bild-Sensorelements 5 zugeführt. Das Ausgangssignal,
das heißt die digitalen Pulse, des AND-Gatters 29 werden einem
Zähler 33 zugeführt, der dann zum Beispiel
die Zählimpulse über einen bestimmten Zeitraum
addieren kann und als Messwert für das Sensorpaar (Bild-Sensorelement 5 und
Streustrahlungs-Sensorelement 6) einen digitalen Zählstand
(welcher wieder der integrierten detektierten streustrahlungsbereinigten
Dosis entspricht) an eine Auswertungsvorrichtung 22 weiterleitet.
Somit werden nur Pulse aus dem Bild-Sensorelement 5 weitergeleitet,
bei denen nicht zugleich eine Information aus dem Streustrahlungs-Sensorelement 6 auftritt.
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Es
ist klar, dass insbesondere in den 8 bis 12 der
Aufbau der Schaltungen jeweils nur sehr grob schematisch dargestellt
ist und zur Realisierung eine Vielzahl weiterer Komponenten wie
zum Beispiel Verstärker u. v. m. erforderlich sind. Weiterhin
sind verschiedenste Kombinationen der vorbeschriebenen Varianten
möglich.
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Wie
ausgeführt, kann die vorliegende Erfindung in einem breiten
Anwendungsbereich Verwendung finden. Dies reicht von der Untersuchung
von Gegenständen bis zur medizinischen Diagnostik von Lebewesen.
Sie kann bei herkömmlichen Röntgenapparaturen
mit flach (plan) ausgebildeten ebenen Sensoranordnungen verwendet
werden, bei stationären und Multiplex-CTs, bei denen die
Sensoranordnungen in einer gekrümmten Oberfläche
angeordnet Signale aus einer oder mehreren Röntgenquellen auswerten,
ebenso wie bei Gammadetektoren oder PET/SPECT-Apparaturen.
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Es
wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass
es sich bei dem vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren
sowie bei dem dargestellten Computertomographiesystem lediglich
um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in
verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den
Bereich der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2000070254 [0006]
- - WO 2006/018779 A2 [0007]
- - US 4255659 [0032]
- - US 7138635 [0032]