Beschreibung
Einrichtung zum Verstärken eines von einem Strahlendetektor ausgehenden Signals
Solche Einrichtungen finden beispielsweise bei Computertomographen Verwendung. Hierbei werden die bei einer Strahlenabtastung eines Untersuchungsobjektes von einem Strahlenempfänger ableitbaren elektrischen analogen Signale durch einen Floating Point Verstärker verstärkt und einem Analog/Digital- Wandler zugeführt, dessen Ausgangssignale einer Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt werden, welche aus diesen Signalen Signale zur bildlichen Darstellung an einer Anzeigeeinrichtung erstellt. Da die analogen Signale in Abhängigkeit von der Strahlenabsorption des Untersuchungsobjektes stark variieren können, ist eine Einstellung der Verstärkung des Verstärkers erforderlich. Dem Verstärker ist daher ein Komparator zugeordnet, dem ebenfalls das analoge Signal zugeführt wird und der in Abhängigkeit von diesem Signal ein Ausgangssignal erzeugt, über welches die Verstärkung des Verstärkers analog eingestellt wird. Über das somit aktuell am Strahlendetektor ableitbare analoge Signal wird folglich direkt die Verstärkung des Verstärkers eingestellt. Solche Kom- paratoren sind empfindliche Analogbauteile, die zudem in ihrer Arbeitsfrequenz stark begrenzt sind. Außerdem kommt es bei bekannten Einrichtungen der beschriebenen Art häufig zu Übersteuerungen des Verstärkers, so dass die auf Basis der Ausgangssignale des Verstärkers gewonnene Bilder Artefakte enthalten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zum Verstärken eines von einem Strahlendetektor ausgehenden Signals so auszuführen, dass diese ohne diese analogen Bauteile auskommt, eine schnelle Signalverarbeitung erlaubt und die Ge- winnung artefaktarmer Bilder gestattet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteil der Erfindung ist, dass die Verstärkung eines aktuel- len Signals in Abhängigkeit von der Signalhöhe eines vorherigen Signals eingestellt wird. Es kann somit auf die empfindlichen Analogbauteile verzichtet werden. Die Vermeidung von analogen Bauteilen ermöglicht zugleich eine schnelle Signalverarbeitung. Außerdem ist die Gefahr von Übersteuerun- gen des Verstärkers aufgrund des Umstandes, dass die Verstärkung in Abhängigkeit von der Signalhöhe eines vorherigen Signals eingestellt wird, gegenüber dem Stand der Technik verringert, so dass auf Basis der Ausgangsignale des Verstärkers artefaktärmere Bilder gewonnen werden können.
Es ist vorteilhaft, wenn die Verstärkung in Abhängigkeit eines Erwartungsbereiches für das aktuelle Signal eingestellt wird, da der Erwartungsbereich erheblich geringer ist als der gesamte mögliche Verstärkungsbereich und somit eine optimale Verstärkung für das aktuelle Signal auf einfache Weise eingestellt werden kann.
In Verbindung hiermit ist es vorteilhaft, wenn die Verstärkung des aktuellen Signals in Abhängigkeit von der Signalhöhe zumindest zweier vorheriger Signale, insbesondere in Abhängigkeit vom Mittelwert zweier vorheriger Signale, eingestellt wird. Die Verstärkungseinstellung wird somit unempfindlicher gegenüber fehlerhaften oder gestörten Signalen. In Verbindung hiermit ist es auch vorteilhaft, wenn eine Wich- tung der beiden Signale erfolgt, die beispielsweise vom Abstand der Detektorelemente, von denen diese Signale abgeleitet werden, zu dem Detektorelement abhängt, dessen aktuelles Signal verstärkt werden soll.
Vorzugsweise kann hierbei beispielsweise auch das Signal eines Detektorelementes zum Einstellen der Verstärkung eines anderen Detektorelementes herangezogen werden.
Um eine höhere Störsicherheit zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn das vorherige Signal digitalisiert wird und aufgrund des digitalisierten Signals die Verstärkung einge- stellt wird. Auch somit kann auf analoge Bauelemente verzichtet werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen.
Gemäß der Zeichnung weist eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Verstärken eines von einem Strahlendetektor d ausgehenden Signals einen Verstärker 1 auf, dem zumindest ein Signal ei- nes Strahlendetektors d zugeführt wird. Bei dem Strahlendetektor d handelt es sich beispielsweise um ein Detektorelement einer Zeilen- oder flächenförmigen Detektoranordnung. Insbesondere handelt es sich bei dem Strahlendetektor d, wie in der Figur dargestellt, um eines der Detektorelemente eines an sich bekannten ein- oder mehrdimensionalen Detektorarrays D eines Computertomographen. Dabei bildet jedes Detektorelement d einen sogenannten Kanal des Detektorarrays D, wobei jedem der Detektorelemente des Detektorarrays D eine erfindungsgemäße Einrichtung nachgeschaltet sein kann.
Das Signal des Strahlendetektors d hängt bekanntermaßen von der Strahlenabsorption des Untersuchungsbereiches und damit von der auf den Strahlendetektor d auftreffenden Strahlenintensität ab. Dieses analoge Signal wird im Verstärker 1 ent- sprechend eines eingestellten Verstärkungsfaktors Vx verstärkt und einem nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler 2 zugeführt. Der Verstärker 1 kann verschiedene vorbestimmte Verstärkungsfaktoren Vx haben, denen jeweils ein Verstärkungsunterbereich Vb zugeordnet ist.
Das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 2 wird als digitales Signal einer nachgeschalteten Signalverarbeitungsein-
richtung, beispielsweise einem Bildrechner C zugeführt. Dieser berechnet aufgrund aller Signale der Strahlendetektoren d des Detektorarrays D in an sich bekannter Weise beispielsweise ein Durchstrahlungsschattenbild oder ein Schnittbild des Untersuchungsbereiches, welches an einer mit dem Bildrechner C verbundenen Anzeigeeinrichtung, z.B. einem Monitor M, zur Anzeige gebracht werden kann.
Das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 2 wird aber auch einem Rechner 3 zugeführt, der aufgrund dieses digitalen Signals den Verstärkungsfaktor Vx für ein nächstes, beispielsweise das nächste vom Strahlendetektor d auslesbares/auslesbare Signal berechnet und den somit berechneten Verstärkungsfaktor Vx am Verstärker 1 einstellt.
Zur Einstellung des Verstärkungsfaktors Vx für das aktuelle Signal wird folglich ein vorheriges Signal, beispielsweise das unmittelbar vorherige Signal herangezogen. Die erfindungsgemäße Einrichtung benötigt somit keine empfindlichen Analogbauteile, die zudem in ihrer Arbeitsfrequenz stark begrenzt sind. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist aufgrund der digitalen Ausgestaltung schneller und für die Signalverarbeitung von Signalen von Detektorarrays mit einer Vielzahl an Kanälen besonders geeignet. Außerdem ist die Gefahr von Übersteuerungen des Verstärkers aufgrund des Umstandes, dass die Verstärkung in Abhängigkeit von der Signalhöhe eines vorherigen Signals eingestellt wird, verringert, so dass der Bildrechner C auf Basis der Ausgangsignale des Verstärkers 1 bzw. der Verstärker 1 artefaktärmere Bilder gewinnen kann.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass sich das Messsignal eines Kanals und damit des entsprechenden Strahlendetektors d des Detektorarrays D von einer ersten Auslesung zu einer zweiten nur um einen endlichen Faktor verändert. Es hat sich gezeigt, dass ein Faktor f=3 einen großen Bereich der bei der Strahlenabtastung zu erwartenden Signale abdecken kann, um zu guten Signalergebnissen zu gelangen. Es ist bei-
spielsweise so, dass das aktuelle Signal bei einer nächsten Auslesung des jeweiligen Kanals und damit des entsprechenden Strahlendetektors d des Detektorarrays D minimal nur ein Drittel so groß ist wie das vorherige Signal und nicht größer als das Dreifache des vorherigen Signals. Zur Steuerung der Verstärkung wird demnach nicht mehr das Signal Sr selbst, sondern beispielsweise das Signal Sr-ι der letzten Signalauslesung verwendet.
Aufgrund der Signalhöhe lässt sich ein Erwartungsbereich für das aktuelle Signal Sr berechnen. Dieser Erwartungsbereich liegt zwischen l/f-Sr-ι und f'Sr_ι. Liegt das im Extremfall zu erwartende aktuelle Signal hinsichtlich der Signalhöhe nicht mehr im Verstärkungsunterbereich Vb der augenblicklich ge- wählten Verstärkung mit dem Verstärkungsfaktor Vx, so wird über den Rechner 3 ein entsprechender Verstärkungsfaktor Vx am Verstärker 1 eingestellt, der den vollen Erwartungsbereich abdeckt. Jeder Verstärkungsunterbereich Vb des Verstärkers 1 deckt beispielsweise zumindest den Verstärkungsbereich f-f ab, wobei f der Unsicherheits-Faktor der Verstärkungsvorhersage ist. Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn sich die Verstärkungsunterbereiche Vb nicht einander anschließen, sondern sich in einem bestimmten Bereich überlappen.
Es lässt sich somit beispielsweise eine Verstärkungsschaltung aufbauen, die eine Gesamtdynamik von 18 bit hat und bei der der verwendete Analog/Digital-Wandler jedoch nur eine Dynamik von 12 bit aufweist. Realisiert wird diese Ausgestaltung da- durch, dass der gesamte Verstärkungsbereich in drei Verstärkungsunterbereiche Vbι bis Vb3 aufgeteilt wird, wobei der Umfang jedes Verstärkungsunterbereiches Vb so gewählt ist, dass er höchstens den Eingangs-Signalbereich des Analog/Digital- Wandlers umfasst. Es erfolgt dann jeweils eine 12 bit- Wandlung des Signals und zusätzlich wird zum digitalisierten Signal noch der verwendete Verstärkungsfaktor Vx als Information mitgeliefert. Da sich die digitalisierten Signale
dann nicht unterscheiden, d.h., es ist nicht klar, welche Signalhohe das digitale Signal darstellt, ist die Kenntnis des verwendeten Verstärkungsfaktors Vx notwendig, um aufgrund dieses Verstärkungsfaktors Vx in Verbindung mit dem digitalen Signal auf die tatsachliche Signalhohe zu schließen.
Nachfolgend wird eine praktikable Aufteilung der Verstarkungsunterbereiche Vb angegeben. FS (Füll Size) soll das maximale Signal am Eingang des Verstärkers 1 sein. Ein erster Verstarkungsunterbereich Vbi kann dann Signale umfassen, de- ren Signalhohe zwischen FS und FS " 2~12 liegt. Ein zweiter
Verstarkungsunterbereich Vb2 kann dann Signale umfassen, deren Signalhohe zwischen FS ' 2~3 und FS ' 2"15 liegt. Ein dritter Verstarkungsunterbereich Vb3 kann dann Signale umfassen, deren Signalhohe zwischen FS ' 2~6 und FS " 2~18 liegt. Dem Verstarkungsunterbereich Vbι kann hierbei eine Verstärkung von 1, dem Verstarkungsunterbereich Vb2 eine Verstärkung von 8 und dem Verstarkungsunterbereich Vb3 eine Verstärkung von 64 angeordnet sein. Jeder Verstarkungsunterbereich Vb umfasst eine Dynamik von 4 096 (12 bit), wobei der Dynamikumfang der Abschnitte, in denen sich die Verstarkungsunterbereiche Vbl, Vb2, Vb3 überlappen, bei 29 = 512 liegt. Somit ist gewahrleistet, dass auch bei einem großen Unsicherheits-Faktor f immer ein Verstarkungsunterbereich Vb gewählt werden kann, der den ganzen Erwartungsbereich des Signals Sr ab- deckt. Je kleiner der Unsicherheits-Faktor f ist, um so kleiner kann der Uberlappungsbereich U der Verstarkungsunterbereiche Vb sein, was dazu benutzt werden kann, einen Verstarker 1 mit nur zwei Verstarkungsunterbereichen Vb zu realisieren. Zum Beispiel können nur die Verstarkungsunterbereiche Vbi und Vb3 herangezogen werden, womit sich ein Uberlappungsbereich U mit einer Dynamik von 64 ergibt.
Die Erfindung umfasst auch Varianten hinsichtlich des Faktors f, der Verstarkungsunterbereiche Vb und der Uberlappbereiche U, wobei sich die genannten Angaben jedoch als gunstig erwiesen haben.
Gemäß einer Variante der Erfindung können zur Einstellung des aktuellen Verstärkungsfaktors Vx für ein aktuell auszulesendes Signal nicht nur das vorherige Signal, sondern auch weitere vorherige Signale (Sr - xx; x = l...n) oder ein Signal, welches durch Bildung eines Mittelwertes von vorherigen Signalen oder einer Wichtung der vorherigen Signale erhalten wurde, Grundlage für die Einstellung des Verstärkungsfaktors Vx sein.
Wie erwähnt kann jedem der Strahlendetektoren des Detektorarrays D eine erfindungsgemaße Einrichtung nachgeschaltet sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit auf Basis des Signals eine Strahlendetektors d auch die Einstellung des Verstärkungsfaktors Vx einiger dem jeweiligen Strahlendetek- tor d benachbarter Strahlendetektoren vorzunehmen, so dass bezuglich dieser Strahlendetektoren die Speicher 4 und 5 sowie der Rechner 3 entfallen können. Dabei können die Signale desjenigen Strahlendetektors d, der zur Einstellung des Verstärkungsfaktors Vx benachbarter Strahlendetektoren herange- zogen wird, gewichtet werden, beispielsweise in Abhängigkeit vom Abstand des maßgeblichen Strahlendetektors d zum des jeweiligen benachbarten Strahlendetektor.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist dem Rechner 3, der auch als Logik ausgeführt sein kann, ein Speicher 4 zum Speichern des vorherigen Signals oder der vorherigen Signale zugeordnet. In einem, dem Rechner 3 alternativ nachgeschalteten weiteren Speicher 5 können die Verstarkungsunterbereiche Vb und die Uberlappbereiche U in Form einer Look up Tabelle ge- speichert sein, wobei das nach entsprechender Zufuhrung eines Signals des Rechners 3 auftretende Ausgangssignal des Speichers 3 den Verstärkungsfaktor Vx am Verstarker 1 einstellt.