DE102011076781B4

DE102011076781B4 - Verfahren zur Korrektur einer Zählratendrift bei einem quantenzählenden Detektor, Röntgen-System mit quantenzählendem Detektor und Schaltungsanordnung für einen quantenzählenden Detektor

Info

Publication number: DE102011076781B4
Application number: DE102011076781.9A
Authority: DE
Inventors: Steffen Kappler
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2031-06-01
Also published as: CN102809756A; US9075153B2; CN102809756B; DE102011076781A1; US20120305757A1

Abstract

Verfahren zur Korrektur einer Zählratendrift bei einem Detektor für ionisierende Strahlung mit einer Vielzahl an flächig angeordneten quantenzählenden Detektorelementen (D) , wobei jedes Detektorelement (D) eine Kombination von mindestens zwei Zählern (Z, Z, Z) mit signifikant unterschiedlichen Energieschwellen (S1, S2, S3) aufweist, die zur Bestimmung einer einfallenden Strahlungsdosis kombiniert ausgewertet werden, und auf der Basis zuvor bestimmter funktionaler Abhängigkeiten von Zählraten untereinander und unter Verwendung mindestens eines der Zähler (Z, Z, Z) je Detektorelement als Referenz die Zählraten der jeweils anderen Zähler mit unterschiedlicher Energieschwelle korrigiert werden dadurch gekennzeichnet, dass die funktionalen Abhängigkeiten der Zählraten der einzelnen Zähler (Z, Z, Z) jedes Detektorelementes (D) unter Durchstrahlung des identischen oder bezüglich seiner Absorptionseigenschaften äquivalenten Materials unterschiedlicher Dicke, das auch bei einer späteren Röntgen-Untersuchung im zu untersuchenden Messobjekt (7) zumindest näherungsweise vorliegt, gemessen und die Zählraten der Detektorelemente je Energieschwelle schwächungsabhängig korrigiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur einer Zählratendrift bei einem Detektor eines Röntgen-Systems, insbesondere eines CT-Systems, mit quantenzählenden Detektorelementen, wobei jedes Detektorelement eine Kombination von mindestens zwei Zählern mit signifikant unterschiedlichen Energieschwellen aufweist, die zur Bestimmung einer einfallenden Strahlungsdosis kombiniert ausgewertet werden. Außerdem betrifft die Erfindung auch ein Röntgen-System mit einem quantenzählenden Detektor und eine Schaltungsanordnung für einen quantenzählenden Detektor.
Röntgen-Systeme, insbesondere CT-Systeme mit quantenzählenden Detektoren, und Verfahren zur Auswertung der von den Detektoren stammenden Detektorimpulse sind allgemein bekannt. In jüngster Zeit werden zur Verwendung in CT-Systemen neben den bisher verwendeten konventionellen Detektortypen mit integrierenden Detektorelementen solche quantenzählenden Detektoren vorgeschlagen, da sie als eine mögliche Lösung zur Reduzierung der Patientendosis und zur energieauflösenden Messung in Single-Source-CT-Systemen gelten. Bei diesen quantenzählenden Detektoren führen die hohen Röntgenphotonen-Flüsse in klinischen CT-Scannern zum Aufbau von Raumladungen in den typischer Weise verwendeten CdTe- / CdZnTe-Detektormaterialien, was zu einer erheblichen Zählratendrift führen kann. Diese Zählratendrift erschwert eine genaue Dosisbestimmung und führt allgemein zu Bildfehlern und bei CT-Systemen besonders ausgeprägt zu Artefakten in den aus Absorptionsdaten erstellten tomographischen Aufnahmen.
Aus der Druckschrift WO 2008 / 146 218 A2 ist eine Vorrichtung eine Einheit zur Bestimmung eines Skalierungsfaktors bekannt, welche einen Zählerstand-Skalierungsfaktor basierend auf dem gemessenen Zählerstand von der Anzahl detektierter Photonen für eine Energieschwelle und einem geschätzten tatsächlichen Zählerstand von der Anzahl an detektierten Photonen bestimmt. Die Photonen umfassen polyenergetische Photonen, welche von einem strahlungssensitiven Detektor detektiert werden. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Einheit zur Anwendung des Zählerstand-Skalierungsfaktors, um die gemessene Anzahl von detektierten Photonen für verschiedene Energieschwellen zu skalieren.
Aus der Druckschrift US 7 208 739 B1 ist ein Verfahren zur Korrektur von zumindest einem aus Pile-up-Effekten oder Ladungsteilungs-Effekten in einem photonenzählenden Multizellen-Detektor bekannt, welches die Bestimmung eines Korrekturkoeffizienten basierend auf einer Zählrate eines gesamten Spektrums und die Anwendung der bestimmten Korrektur auf die aufgenommen Anzahl in einem Energiefenster, welches von Interesse ist.
Aus der Druckschrift DE 10 2006 006 411 A1 sind Anordnungen von zählenden Detektoreinheiten und Verfahren zum Betrieb derselben bekannt, die es gestatten, Dosismessgrößen oder Energieinformationen wie Energiespektrum oder maximale Teilchenenergie bei Einfall von Strahlung aus Photonen oder geladenen Teilchen zu bestimmen. Eine Anordnung aus mehreren zählenden Detektoreinheiten gestattet die Bestimmung von Dosismessgrößen in einem Messbereich hinsichtlich der Teilchenflussdichte. Durch die flächenhafte Ausgestaltung der Anordnung bei kleiner aktiver Fläche der einzelnen Detektoreinheiten kann eine hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitig hoher oberer Messbereichsgrenze bezüglich des Teilchenflusses erreicht werden. Ferner sind auch Einstellungsstrategien zur zeitlichen oder räumlichen Variation der Diskriminatorschwellen und Verfahren zur Bestimmung von Energieinformationen oder Dosismessgrößen aus den Zählerständen bekannt.
Aus der Druckschrift DE 103 57 187 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines zählenden Strahlungsdetektors, insbesondere eines zählenden Röntgendetektors, mit verbesserter Linearität bekannt, bei dem jedes Detektorelement des zählenden Strahlungsdetektors während des Betriebs Zählimpulse mit Zählraten in Abhängigkeit von einer Anzahl von pro Zeiteinheit auftreffenden Strahlungsquanten liefert, wobei die von jedem Detektorelement oder von Teilabschnitten des Detektorelementes gelieferten Zählraten über einen funktionalen Zusammenhang in tatsächliche Zählraten umgerechnet werden oder mit von der Höhe der Zählraten abhängigen Korrekturfaktoren multipliziert werden. Die Korrekturfaktoren werden für das jeweilige Detektorelement oder die Teilabschnitte hiervon vorab bestimmt und korrigieren eine aufgrund einer Totzeit des Detektorelementes entstehende Abweichung der Zählraten von der tatsächlichen Anzahl der pro Zeiteinheit auftreffenden Strahlungsquanten. Mit dem Verfahren lässt sich die Linearität zählender Strahlungsdetektoren insbesondere bei hohen Strahlungsintensitäten verbessern, so dass auch die Linearitätsbedingung bei Röntgen-CT-Anlagen erfüllt wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Korrektur der Zählratendrift in quantenzählenden Detektoren und ein verbessertes Röntgen-System mit einem quanten-zählenden Detektor zu finden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Gemäß dem typischen Aufbau von quantenzählenden Detektoren werden zur Signalmessung an einem Detektormaterial mindestens zwei unterschiedliche Energieschwellen gesetzt, die ein Äquivalent zur einfallenden Energie eines Teilchens in das Detektormaterial aufweisen, wobei das Überschreiten dieser Schwellen jeweils gezählt wird. Der Erfinder hat nun beobachtet, dass sich eine erstaunliche Konstanz der Verhältnisse von Zählraten signifikant unterschiedlicher Energieschwellen - zum Beispiel 20 keV und 60 keV beziehungsweise 20 keV, 35 keV und 60 keV für die Messung eines Scans mit einem 120 kVp-Spektrum - zueinander besteht. Dies ist der Fall für die meisten polychromatischen Röntgenspektren, wie sie typischerweise in der Röntgendiagnostik verwendet werden, in Kombination mit den dort gängigen Detektor-Pixelgrößen. In der nachfolgend dargestellten Methode soll gezeigt werden, wie sich diese Eigenschaft zur Eliminierung von Zählratendrift einsetzen lässt und damit eine Verbesserung der Bildqualität, allerdings um den Preis stark reduzierter spektraler Empfindlichkeit, erreichen lässt. Die konstanten Faktoren, die die Verhältnisse zwischen den Zählraten der Zähler zu unterschiedlichen Schwellwerten beschreiben, lassen sich wie folgt berechnen.
Die Zählrate gemessen durch den Zähler i ist gegeben durch: $I_{i} = A_{i} \cdot I \cdot (1 - d_{i}),$
wobei I_i die auf ein Detektorelement abgegebene Strahlungsintensität ist, A_i die Effizienz des Detektors in Kombination mit dem Zähler i und d_i die Zählratendrift des Zählers i.
Im Falle, dass die Driftwerte d_i linear miteinander verbunden sind, können diese wie folgt umgeschrieben werden: $I_{i} = A_{i} \cdot I \cdot (1 - f_{i} \cdot d) .$
Eine Änderung der linearen Absorptionsskala in eine logarithmische Absorptionsskala, genauer Schwächungsskala, ergibt: $L_{i} = L - ln (A_{i}) - ln (1 - f_{i} \cdot d) .$
Durch die Definition von a_i:= - ln(A_i) und Verwendung der Näherung ln(1 + x) ≈ x erhält man $L_{i} = L + a_{i} + f_{i} \cdot d .$
Diese Gleichungen ermöglichen den Zugriff auf die Messung der Zählratendrift in jedem Zählerpaar (i, j) der gemessenen Datensätze $d = d_{i j} : = \frac{(L_{j} - a_{j}) - (L_{i} - a_{i})}{f_{j} - f_{i}},$
wobei die genaue Kenntnis der Parameter a_i und f_i vorausgesetzt wird.
Die gemessenen Driftwerte können nun verwendet werden, um die Messdaten zu korrigieren und den Wert L zu extrahieren. Wir nutzen die mit dem Zähler k gemessenen Daten und die von den Zählern i und j extrahierte Drift: $L = L_{k, i j} : = L_{k} - a_{k} - f_{k} \cdot d_{i j} .$
Im Fall k ≡ i oder k ≡ j kann dieselbe Beziehung ausgedrückt werden mit $\begin{array}{l} L = L_{i j} : = \frac{f_{j}}{f_{j} - f_{i}} \cdot (L_{i} - a_{i}) - \frac{f_{i}}{f_{j} - f_{i}} (L_{j} - a_{j}) \\ = w_{i j} \cdot (L_{i} - a_{i}) + (1 - w_{i j}) \cdot (L_{j} - a_{j}) \end{array}$
$w_{i j} : = \frac{f_{j}}{f_{j} - f_{i}}$
was einer gewichteten Addition von jedem Paar (i, j) der gemessenen Datensätze auf einer logarithmischen Skala entspricht. Das Mischungsgewicht w_ij ist dabei gegeben durch die Zählraten-Drift-Verhältnisse f_i und f_j. Hierbei ist zu beachten, dass a_i und f_i von der Form des Pulsspektrums abhängen, das vom CdTe-Detektor geliefert wird. Die Driftverhältnisse unterliegen also gewissen Schwankungen beim Wechsel des Röntgenspektrums, des Absorbermaterials und dessen Dicke aufgrund der stattfindenden Strahlaufhärtung. Der Puls Pile-Up bei hohem Röntgenphotonenfluss wirkt sich ebenfalls auf diese Parameter aus.
Das oben beschriebene Verfahren erfordert eine genaue Kalibrierung der Parameter a_i und f_i. Beide Parameter sind empfindlich auf die Form des Pulsspektrums und deshalb abhängig von den folgenden Gegebenheiten:

- Pulscharakteristik des Detektors, abhängig von Detektormaterial, Geometrie, Bias-Spannung und Signal-Shaping-Charakteristik;
- Spektrum der einfallenden Strahlung, abhängig von Röhrenspannung (kV), Filterung und Strahlaufhärtung;
- Puls Pile-up, abhängig von Röhrenstrom (mA) und Schwächung durch das gescannte Material;
- Schwellwert der verwendeten Zähler.

Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise für eine gegebene Kombination von Röhrenspannung und Röhrenstrom beschrieben.
Aufgrund der Ungenauigkeit der tatsächlichen Zählerschwelle und/oder der Variation der effektiven Pulsdauer muss eine Kalibrierung auf einer Kanal-für-Kanal-Basis ausgeführt werden. Hierzu betrachten wir einen quantenzählenden Detektor mit N≥2 Zählern, vorzugsweise N=2 oder N=3 bei signifikant unterschiedlichen Schwellenwerten. Der Zähler mit der niedrigsten Energieschwelle sei i=1 mit den definitions-gemäßen Werten a₁=0 und f₁=1. Dabei werden die Messungen wiederholt für unterschiedliche Schwächungswerte S = 0...Ŝ ausgeführt.
Im Rahmen der medizinischen Bildgebung ist es sinnvoll, eine solche Dicke d von Wasser oder wasser-äquivalenten Materialien zu verwenden, dass sich eine realistische Strahlaufhärtung ergibt. Dies kann durch die Verwendung eines Balkenphantoms mit verschiedenen Dicken geschehen. Es gilt: $S (d) = μ_{H_{2} O} \cdot d$
Zu einer gegebenen kV/mA - Kombination wird also jeder Balken des Phantoms, darunter auch der Fall d=0, abgetastet. Es ist dabei wichtig, dass der Detektor eine signifikante Veränderung der Zählratendrift zeigt, möglicherweise kann dies auch durch Modifikation der Bias-Spannung während der Kalibrierung herbeigeführt werden. Dieser Scan kann im Bereich von wenigen bis zu mehreren Sekunden liegen, abhängig von der Quantenstatistik, die zur Durchführung der unten beschriebenen Schritte notwendig ist.
Die Zählraten-Daten I_i aus diesen Scans werden gemäß den nachfolgenden Gleichungen verarbeitet: $\begin{matrix} D_{i} (S) : = - ln I_{i} (S) - ln {\bar{I}}_{1} (0) - S \\ \equiv a_{i} (S) + d_{i} (S) = a_{i} (S) + f_{i} (S) d_{1} (S), \end{matrix}$
wobei I ₁(0) den Durchschnitt von I₁ über die Zeit ohne Schwächung (S = 0) darstellt. Dies entspricht einer sogenannten Flatfield-Korrektur. Mit Hilfe der Berechnung einer Linearen Regression in einem mit diesen Daten erstellten Streudiagramm D_i gegen D₁ ergeben sich die Parameter a_i(S) und f_i(S), wobei a_i(S) den Ordinatenwert am Schnittpunkt der Regressionsgeraden mit der Ordinate und f_i(S) die Steigung der Regressionsgeraden repräsentieren. Es ergibt sich somit die Beziehung $D_{i} (S) = a_{i} (S) + f_{i} (S) \cdot D_{1} (S) .$
Im nachfolgenden Schritt können die Parameter a_i(S) und f_i(S) modelliert werden, z.B. durch polynomiale Regression, um kontinuierliche Schwächungswerte S abzudecken. Diese Werte können zur Berechnung und Korrektur der Zählratendrift verwendet werden, wie es mit den Gleichungen (5) bis (9) beschrieben ist.
Hierbei ist zu beachten, dass die Daten I_i oder L_i im ersten Bearbeitungsschritt einer Flatfield-Korrektur zu I ₁(0) unterzogen werden sollten. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass das oben beschriebene Verfahren inhärent eine Strahlaufhärtungs- und Sättigungskorrektur der Zählrate enthält.
Diese hier vorgestellte Methode benutzt also die Konstanz der Verhältnisse der Zählraten-Driftwerte von Zählern mit signifikant unterschiedlichen Schwellenwerten zur Korrektur der Zählratendrift. Diese Korrektur kann auf der Ebene der Projektionsdaten angewendet werden und ermöglicht schnelle und einfache Verarbeitungsschritte sowohl im Rahmen eines Spiralscans als auch eines sequentiellen Scans. Im Gegensatz zu anderen Algorithmen zur Ringartefaktentfernung, beeinflusst diese Methode weder die Bildschärfe noch entfernt sie Niederkontrastobjekte.
Die oben beschrieben Methode setzt mindestens N=2 Zähler bei signifikant unterschiedlichen Schwellenwerten zur Korrektur von (N²-N)/2 Datensätzen voraus. Grundsätzlich werden dabei alle Datensätze aus N Zählern bezüglich der Zählratendrift korrigiert. Allerdings ist diese Korrektur nur präzise, wenn das während des Scans absorbierende Material mit dem zur Kalibrierung verwendeten Material identisch oder zumindest ähnlich ist. Sie ist allerdings fehleranfällig für andere Materialien, was zu einer stark eingeschränkten Multi-Energie-Fähigkeit führt. Allerdings ist es möglich entsprechend der Formeln (7)-(9) eine Anzahl von (N²-N)/2 materialgebundenen Datensätzen zur Verfügung zu stellen, welche frei von Zählratendrift in Bezug auf das jeweilige Referenzmaterial sind. Diese materialgebundenen Datensätze beinhalten eine spektrale Empfindlichkeit und modifizierte Rauschcharakteristik. Kontraste aus anderen Stoffen als Wasser werden entsprechend der Gleichung C_ij = w_ij · C_i + (1 - w_ij) · C_j erscheinen.
Im Falle von jod-basierten Kontrastmitteln ergibt sich bei der Bildgebung ein vorteilhafter Zufall: Das Mischgewicht für die beiden gewünschten Zähler um 20-30 keV und 60-70 keV ist nahe zum Mischgewicht, das für die Maximierung des Wasser-Jod Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses CNR erforderlich ist. So findet man zum Beispiel für die Faktoren f₁₂≈8 und w₁₂≈1,14. Solche Bildkontrastwerte sind ähnlich den gemessenen Werten mit 20 keV-Zählern, wobei das Bildrauschen leicht erhöht sein wird.
Die vorgestellte Methode könnte den Einsatz von CdTe- beziehungsweise CdZnTe-Sensormaterialien mit sub-optimalen Drifteigenschaften in klinischen CT-Scannern ermöglichen und gute Bildgebungseigenschaften zum Preis von stark reduzierter spektraler Empfindlichkeit ermöglichen. Allerdings kann dieses Defizit durch die Verwendung eines Dual-kVp-Verfahrens, z.B. in einem Dual-Source-CT Scanner, ausgeglichen werden.
Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass es grundsätzlich ausreichend ist, die konstanten Zählratenverhältnisse, also die oben genannten Faktoren f_xy, zwischen den Zählern x und y mit unterschiedlicher Energieschwelle nicht empirisch exakt zu ermitteln, sondern auch diese Verhältnisse grob zu schätzen. Die dann verbleibenden Bildartefakte können mit bekannten Algorithmen, z.B. Ring-Entfernungs-Algorithmen im Falle der CT, bearbeitet werden.
Entsprechend diesen Erkenntnissen schlägt der Erfinder ein Verfahren zur Korrektur einer Zählratendrift bei einem Detektor für ionisierende Strahlung mit einer Vielzahl an flächig angeordneten quantenzählenden Detektorelementen vor, wobei jedes Detektorelement eine Kombination von mindestens zwei Zählern mit signifikant unterschiedlichen Energieschwellen aufweist, die zur Bestimmung einer einfallenden Strahlungsdosis kombiniert ausgewertet werden. Erfindungsgemäß wird dabei die Zählrate auf der Basis zuvor bestimmter funktionaler Abhängigkeiten von Zählraten untereinander und unter Verwendung mindestens eines der Zähler je Detektorelement als Referenz die Zählraten der jeweils anderen Zähler mit unterschiedlicher Energieschwelle korrigiert.
Zur Vorbereitung von Scans bestimmter Materialien werden erfindungsgemäß die funktionalen Abhängigkeiten der Zählraten der einzelnen Zähler jedes Detektorelementes unter Durchstrahlung des identischen oder bezüglich seiner Absorptionseigenschaften äquivalenten gleichen Materials unterschiedlicher Dicke gemessen, das auch bei einer späteren Röntgen-Untersuchung im zu untersuchenden Messobjekt vorliegt.
Weiterhin können zur Bestimmung der funktionalen Abhängigkeiten der Zählratendrift der Detektorelemente des Detektors die Koeffizienten einer linearen Regression zwischen mindestens zwei Zählern bestimmt werden und diese zur Korrektur der Zählrate mindestens eines der Zählers verwendet werden.
Alternativ zur Betrachtung rein linearer Abhängigkeiten können auch zur Bestimmung der funktionalen Abhängigkeiten der Zählratendrift der Detektorelemente des Detektors die Koeffizienten einer Polynomregression zwischen mindestens zwei Zählern bestimmt werden und damit die Zählrate mindestens eines Zählers korrigiert werden.
Schließlich ist es besonders günstig, wenn die gemessenen Zählraten I_i und/oder deren logarithmiertes Äquivalent L_i vor deren Verwendung einer Normalisierung, insbesondere einer sogenannten Flatfield-Korrektur, unterzogen werden.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren schlägt der Erfinder auch ein Röntgen-System, insbesondere ein CT-System, mit einem Detektor mit quantenzählenden Detektorelementen vor, wobei jedem Detektorelement eine Kombination von mindestens zwei Zählern mit signifikant unterschiedlichen Energieschwellen zugeordnet sind, und einer Steuer- und Recheneinheit, welcher einen Programmspeicher aufweist, in dem Computerprogramme gespeichert sind, die im Betrieb das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: CT-System; 2: erste Strahlenquelle; 3: erster Detektor; 4: zweite Strahlenquelle; 5: zweiter Detektor; 6: Gantrygehäuse; 7: Patient; 8: Patientenliege; 9: Systemachse; 10: Rechenstation; D: Detektor; D_n,m: Detektorelemente; I₁,I₂, I₃: Impulsraten/Zählraten; L/K: Logik- und Korrektureinheit; L_korr: Impulsrate; Prg₁-Prg_n: Computerprogramme; S1,S2,S3: Schwellwert; Z_S1,Z_S2,Z_S3: Zähler.
Es zeigen im Einzelnen:

1: Schematische Darstellung einer Detektorelektronik eines Detektorelementes mit zwei Zählern;
2: Schematische Darstellung einer Detektorelektronik eines Detektorelementes mit drei Zählern;
3: CT-System mit quantenzählendem Detektor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnittes eines Detektors D mit der rudimentär dargestellten Detektorelektronik eines quantenzählenden Detektorelementes D_n,m. In der Detektorelektronik der Detektorelemente werden die elektrischen Signale aus dem Detektorelement D_n,m parallel zwei Zählern Z_S1 und Z_S2 zugeführt, wobei die Zähler entsprechend ihrem Index mit unterschiedlichen Schwellwerten S1 und S2, zum Beispiel 20 keV und 60 keV, eingestellt sind, so dass jeweils nur elektrische Signale gezählt werden, die einem in das Detektorelement einfallenden Gammaquant von mindestens 20 keV beziehungsweise mindestens 60 keV entsprechen. Von den Zählern Z_S1 und Z_S2 werden die gezählten Impulsraten I₁ und I₂ an eine Logik- und Korrektureinheit L/K übermittelt, in der die erfindungsgemäße Driftkorrektur der gemessenen Zählraten aufgrund der gefundenen Beziehung zwischen den Zählraten I₁ und I₂ korrigiert und als korrigierte logarithmierte Impulsrate L_korr(1-2) ausgegeben.
Eine Variante eines erfindungsgemäßen Detektors mit drei Zählern je Detektorelement ist in der 2 dargestellt. Dies zeigt wieder eine schematische Darstellung eines Ausschnittes eines Detektors D mit der rudimentär dargestellten Detektorelektronik eines quantenzählenden Detektorelementes D_n,m. In der Detektorelektronik der Detektorelemente werden die elektrischen Signale aus dem Detektorelement D_n,m parallel drei Zählern Z_S1 bis Z_S3 zugeführt, wobei die Zähler entsprechend ihrem Index mit unterschiedlichen Schwellwerten S1 bis S3, zum Beispiel 20 keV, 35 keV und 60 keV, eingestellt sind, so dass je Zähler nur elektrische Signale gezählt werden, die dem Energieäquivalent eines in das Detektorelement einfallenden Gammaquants von mindestens 20 keV, 35 keV beziehungsweise mindestens 60 keV entsprechen. Von den Zählern Z_S1 bis Z_S3 werden die gezählten Impulsraten I₁ bis I₃ an eine Logik- und Korrektureinheit L/K übermittelt, in der die erfindungsgemäße Driftkorrektur der gemessenen Impulsraten I₁ bis I₃ jeweils aufgrund der gefundenen Beziehung zwischen den Impulsraten I₁ mit I₂, I₁ mit I₃ und I₂ mit I₃ korrigiert und als korrigierte logarithmierte Impulsrate L_korr(1-2) , L_korr(1-3) und L_korr(2-3) ausgegeben. Alternativ kann auch eine einzige korrigierte logarithmierte Impulsrate ausgegeben werden, bei der ein einziger korrigierter Rechenwert, zum Beispiel ein Mittelwert, aus den korrigierten Einzelwerten bestimmt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Verbindung mit beliebigen Detektoren mit zählenden Detektorelementen eingesetzt werden. Lediglich beispielhaft wird hier in der 3 ein Computertomographie-System 1 mit erfindungsgemäß ausgestalteten Detektoren dargestellt. Dieses CT-System 1 weist ein Gantrygehäuse 6 auf, in dem sich eine Gantry mit einer Strahlungsquelle 2 befindet, die zusammen mit einem gegenüberliegenden Detektor 3 um eine Systemachse 9 rotiert. Optional kann mindestens eine zweite Strahlungsquelle 4 und ein gegenüberliegender Detektor 5 auf der Gantry angeordnet werden. Zur Abtastung wird zum Beispiel ein Patient 7 auf einer Patientenliege 8 durch das Messfeld geschoben, während die Strahlungsquellen 2, 4 und Detektoren 3, 5 auf der Gantry um die Systemachse 9 rotieren.
Die vom Detektor 3 und/oder 5 detektierten Signale können direkt in einer erfindungsgemäß ausgestalteten beziehungsweise eingestellten Detektorelektronik oder einer entsprechend ausgestalteten beziehungsweise programmierten zentralen Rechenstation 10 verarbeitet werden. Dort können auch Computerprogramme Prg₁-Prg_n hinterlegt sein, welche im Betrieb unter anderem das erfindungsgemäße Verfahren durchführen.
Es wird darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nicht auf tomographische Anwendungen beschränkt ist, sondern mit jedem teilchen- oder photonendetektierenden Detektor mit zählenden Detektorelementen anwendbar ist.
Insgesamt wird also mit der Erfindung ein Verfahren, eine Schaltungsanordnung und ein Röntgen-System, insbesondere ein CT-System, vorgestellt, wobei zur Korrektur der Zählratendrift eines Detektors für ionisierende Strahlung mit quantenzählenden Detektorelementen, die eine Kombination von mindestens zwei Zählern mit signifikant unterschiedlichen Energieschwellen aufweisen, und auf der Basis zuvor bestimmter funktionaler Abhängigkeiten von Zählraten untereinander und unter Verwendung mindestens eines der Zähler je Detektorelement als Referenz die Zählraten der jeweils anderen Zähler mit unterschiedlicher Energieschwelle korrigiert werden.

Claims

Verfahren zur Korrektur einer Zählratendrift bei einem Detektor für ionisierende Strahlung mit einer Vielzahl an flächig angeordneten quantenzählenden Detektorelementen (D_n,m) , wobei jedes Detektorelement (D_n,m) eine Kombination von mindestens zwei Zählern (Z_S1, Z_S2, Z_S3) mit signifikant unterschiedlichen Energieschwellen (S1, S2, S3) aufweist, die zur Bestimmung einer einfallenden Strahlungsdosis kombiniert ausgewertet werden, und auf der Basis zuvor bestimmter funktionaler Abhängigkeiten von Zählraten untereinander und unter Verwendung mindestens eines der Zähler (Z_S1, Z_S2, Z_S3) je Detektorelement als Referenz die Zählraten der jeweils anderen Zähler mit unterschiedlicher Energieschwelle korrigiert werden dadurch gekennzeichnet, dass die funktionalen Abhängigkeiten der Zählraten der einzelnen Zähler (Z_S1, Z_S2, Z_S3) jedes Detektorelementes (D_n,m) unter Durchstrahlung des identischen oder bezüglich seiner Absorptionseigenschaften äquivalenten Materials unterschiedlicher Dicke, das auch bei einer späteren Röntgen-Untersuchung im zu untersuchenden Messobjekt (7) zumindest näherungsweise vorliegt, gemessen und die Zählraten der Detektorelemente je Energieschwelle schwächungsabhängig korrigiert werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der funktionalen Abhängigkeiten der Zählratendrift der Detektorelemente (D_n,m) des Detektors (D) die Koeffizienten einer linearen Regression zwischen mindestens zwei Zählern (Z_S1, Z_S2, Z_S3) bestimmt werden und damit die Zählrate mindestens eines Zählers (Z_S1, Z_S2, Z_S3) korrigiert wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der funktionalen Abhängigkeiten der Zählratendrift der Detektorelemente (D_n,m) des Detektors die Koeffizienten einer Polynomregression zwischen mindestens zwei Zählern (Z_S1, Z_S2, Z_S3) bestimmt werden und damit die Zählrate mindestens eines Zählers (Z_S1, Z_S2, Z_S3) korrigiert wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Zählraten (I_i) und/oder deren logarithmiertes Äquivalent vor deren Verwendung einer Normalisierung unterzogen werden.
Verfahren gemäß den voranstehenden Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Normalisierung eine Flatfield-Korrektur verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass es für einen Röntgendetektor verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es für einen CT-Detektor verwendet wird.
Röntgen-System, insbesondere CT-System (1), mit einem Detektor (3, 5) mit quantenzählenden Detektorelementen (D_n,m), wobei jedem Detektorelement (D_n,m) eine Kombination von mindestens zwei Zählern (Z_S1, Z_S2, Z_S3) mit signifikant unterschiedlichen Energieschwellen (S1, S2, S3) zugeordnet sind, und einer Steuer- und Recheneinheit (10), welcher einen Programmspeicher aufweist, in dem Computerprogramme (Prg₁-Prg_n) gespeichert sind, die im Betrieb das Verfahren gemäß einem der voranstehenden Verfahrensansprüche ausführt.
Schaltungsanordnung für quantenzählende Detektorelemente (D_n,m), derart ausgeführt, dass das Verfahren gemäß einem der Verfahrensansprüche 1 bis 7 im Betrieb ausgeführt wird.