DE4300828C1 - Fernsehaufnahmeeinrichtung mit Halbleiter-Bildwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fernsehaufnahmeeinrichtung zur Erstellung von Röntgenbildern mit einer Röntgenbildverstär­ ker-Fernsehkette, die einen Halbleiter-Bildwandler auf­ weist. Bei durch eine derartige Röntgendiagnostikeinrich­ tung erstellten Röntgenbildern sind wegen der exponentiel­ len Absorption hohe Intensitätsunterschiede vorhanden, d. h. die Dynamik des Röntgenstrahlenbildes ist sehr hoch.

Bei Halbleiter-Bildwandlern, insbesondere CCD-Sensoren, ist das Verstärkerrauschen allen Signalwerten gleichmäßig über­ lagert, so daß es daher am meisten bei kleinen Signalwer­ ten, also in den dunklen Bildpartien, störend wirkt. Zur Anhebung dieser dunklen Bildpartien läßt sich die optische Aussteuerung der Halbleiter-Bildwandler zwar erhöhen, je­ doch würden die hellen Bildpartien wegen der linearen Kenn­ linie des Halbleiter-Bildwandlers in den Übersteuerungsbe­ reich fallen, so daß wichtige Informationen unterdrückt werden. Durch die Überstrahlung im Röntgenbild jedoch wer­ den benachbarte dunkle Bildbereiche beeinträchtigt.

Die Einschränkung des Aussteuerungsbereichs bei CCD-Wand­ lern ist dadurch gegeben, daß beim Überschreiten einer be­ stimmten Ladungsmenge pro Bildelement im CCD-Wandler keine Sperrwirkung für die Ladungsträger gegenüber den Nachbar­ elementen mehr gegeben ist und die Ladung daher überfließt (Blooming). Dieses bereits in der US 3,863,065 unter der Abhandlung des Standes der Technik als nachteilig beschrie­ bene Blooming kann so stark sein, daß je nach verwendetem CCD-Prinzip große Bildpartien unbrauchbar werden. Moderne CCD-Sensoren weisen daher sog. Anti-Blooming-Vorrichtungen auf. Diese bestehen, wie beispielsweise in obengenannter US 3,863,065 beschrieben ist, aus Ableitdioden, die jedem Bildelement zugeordnet sind und exzessive Ladungen vor Er­ reichen des Blooming-Effektes ableiten. Der gemeinsame An­ schluß aller Anti-Blooming-Dioden kann z. B. mit dem Substrat verbunden sein oder als separater elektrischer An­ schluß zur Verfügung stehen. Dadurch wird zwar eine elek­ trische "Überstrahlung" verhindert, die Bildstellen sind jedoch weiterhin zu hell und enthalten keine Informationen. Eine Abdunklung sowohl mechanisch als auch elektrisch führt zu einem schlechteren Signal/Rausch-Abstand. Eine Steuerung der Empfindlichkeit mit einem der DE 39 22 451 A1 zu entneh­ menden Verschluß oder einer Shutterfunktion eines Halblei­ ter-Bildwandlers führt weiterhin zum Verlust von Röntgen­ quanten, da nur in einem Teil der Belichtungszeit eine In­ tegration von Ladungen durch Erfassung von Licht erfolgt.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Fernsehaufnah­ meeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die Röntgenbilder mit einer großen Dynamik in der Bildhellig­ keit ohne Einbuße in der Quantenstatistik erstellt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Detektor für die Überstrahlung des Bildwandlers vorgesehen ist, der derart ausgebildet ist, daß bei Überstrahlung we­ nigstens zwei unterschiedlich helle Röntgenbilder durch den Halbleiter-Bildwandler erfaßt werden, von denen das eine gegenüber dem anderen derart abgeschwächt belichtet ist, daß keine Überstrahlung erfolgt, und daß Bildsignale aus den Röntgenbildern in einer Mischstufe einander überlagert werden. Dadurch wird erreicht, daß auf der Wiedergabevor­ richtung ein Röntgenbild mit hoher Dynamik dargestellt wird, wobei die dunklen Bildbereiche aus dem überstrahlten Bild und die hellen Bildbereiche aus dem in seiner Hellig­ keit reduzierten Bild zusammengesetzt werden.

Eine Fernsehkamera mit einem mit einer Steuerschaltung für die Shutterfunktion versehenen Halbleiter-Bildwandler läßt sich vorteilhaft in Durchleuchtung betreiben, wenn der De­ tektor mit der Steuerschaltung verbunden ist und deren Shutterfunktion derart steuert, daß Röntgenbilder mit un­ terschiedlich langen Integrationszeiten erstellt werden, wobei bei jedem n-ten Röntgenbild, beispielsweise bei jedem 10-ten Röntgenbild, die Shutterfunktion ausgelöst und das n-te Röntgenbild in einem Bildspeicher eingelesen werden kann.

Als Alternative kann der Detektor derart ausgebildet sein, daß zwei aufeinanderfolgende Röntgenbilder mit unterschied­ licher Strahlungsintensität erstellt werden, wobei entweder die Strahlenhärte oder die Bestrahlungsdauer unterschied­ lich ist.

Eine optimale Erfassung ohne Zwischenspeicherung kann er­ folgen, wenn als Halbleiter-Bildwandler zwei CCD-Sensoren verwendet werden, denen über einem Lichtverteiler die Rönt­ genbilder gemeinsam zugeführt werden, wobei die den CCD- Sensoren zugeführten Lichtmengen derart unterschiedlich sind, daß der weniger belichtete CCD-Sensor keine übersteu­ erten Bildbereiche aufweist.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Detektor eine Schwellwertschaltung aufweist, die die überbelichteten Be­ reiche im normalen Röntgenbild erkennt und diese Bildberei­ che durch die entsprechenden Bereiche der abgeschwächten Röntgenbilder ersetzt. Es ist von Vorteil, wenn die Misch­ stufe eine Schaltung aufweist, die eine additive oder eine farbige Überlagerung der beiden unterschiedlichen Aufnahmen bewirkt, wobei bei der farbigen Darstellung den übersteuer­ ten Bildbereichen eine andere Farbe zugeordnet ist als den nicht übersteuerten Bildbereichen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Röntgendiagnostikeinrichtung gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Fernsehkette,

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion der erfin­ dungsgemäßen Fernsehkette,

Fig. 4 eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Fernsehkette,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verarbeitungsschaltung und

Fig. 6 das Videosignal des einen Halbleiter-Bildwandlers gemäß Fig. 5.

In Fig. 1 ist eine Röntgenröhre 1 dargestellt, die von einem Hochspannungsgenerator 2 betrieben wird und ein Strahlen­ bündel aussendet, das einen Patienten 3 durchdringt und auf den Eingangsleuchtschirm eines Röntgenbildverstärkers 4 ein Strahlenbild wirft. Der Röntgenbildverstärker 4 setzt das Strahlenbild in ein sichtbares Bild auf dem Ausgangsleucht­ schirm um. An den Röntgenbildverstärker 4 ist eine Optik 5 gekoppelt. Durch diese Optik 5 wird das Ausgangsbild des Röntgenbildverstärkers 4 auf eine Fernsehkamera 6 geworfen, die beispielsweise einen Halbleiter-Bildwandler, z. B. einen CCD-Sensor, aufweisen kann. Das Ausgangssignal der Fernseh­ kamera 6 wird in einem Videoverstärker 7 verstärkt und auf einem Monitor 8 wiedergegeben.

In der Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Fernsehkamera 6 dar­ gestellt, die mit einem Halbleiter-Bildwandler 9 versehen ist. Dieser Halbleiter-Bildwandler 9 weist matrixförmig an­ geordnete Pixel 10 auf, die zur bildpunktweisen Erfassung des Röntgenstrahlenbildes dienen. Durch eine Ausleseschal­ tung, gebildet aus Schieberegistern 11 und 12, werden die einzelnen Pixel 10 abgetastet, deren Ausgangssignale über den Videoverstärker 7 einem Analog/Digital-Wandler (A/D- Wandler 13) zugeführt werden. Das digitale Ausgangssignal des A/D-Wandlers 13 wird, wie noch beschrieben wird, in ei­ ner Verarbeitungsschaltung 14 beeinflußt, durch einen Digi­ tal/Analog-Wandler (D/A-Wandler 15) in ein analoges Signal umgewandelt und auf dem Monitor 8 wiedergegeben.

Die Ausleseschaltung 11 und 12 tastet die einzelnen Pixel 10 ab und führt das Ausgangssignal der Verarbeitungsschal­ tung 14 als Detektor für die Überstrahlung des Röntgenbil­ des zu. Den Eingang der Verarbeitungsschaltung 14 bildet eine Schwellwertstufe 16, die mit einem Speicher 17 zur Er­ fassung und Abspeicherung von Adressen der überstrahlten Bildbereiche verbunden ist. Das digitale Ausgangssignal wird weiterhin zwei Torschaltungen 18 und 19 zugeführt, wo­ bei der Steuereingang der ersten Torschaltung 18 direkt mit dem Speicher 17 und der Steuereingang der zweiten Torschal­ tung 19 über einen Steuergenerator 20 mit dem Speicher 17 für die Adressen der überstrahlten Bildbereiche verbunden ist. Der Steuergenerator 20 ist weiterhin mit dem Taktein­ gang eines Bildspeichers 21 zur Umschaltung in den Schreib/Lesebetrieb verbunden, dessen Eingang das Ausgangs­ signal der ersten Torschaltung 18 zugeführt wird. An dem Bildspeicher 21 und der zweiten Torschaltung 19 ist eine Additionsstufe 22 angeschlossen, die als Mischstufe wirkt. Die Additionsstufe 22 ist mit einer Filterschaltung 23 zur örtlichen und zeitlichen Filterung verbunden. Der Ausgang der Filterschaltung 23 bildet den Ausgang der Verarbei­ tungsschaltung 14 und ist mit dem D/A-Wandler 15 zur Wie­ dergabe des Videosignals auf dem Monitor 8 verbunden. An dem Steuergenerator 20 ist weiterhin eine Steuerschaltung 24 für die Shutterfunktion des Halbleiter-Bildwandlers 9 angeschlossen.

Tritt in dem der Verarbeitungsschaltung 14 zugeführten Vi­ deosignal eines Röntgenbildes eine Überstrahlung auf, d. h., ein oder mehrere Pixel 10 enthalten eine Ladung, deren Vi­ deosignal größer ist als ein durch die Schwellwertstufe 16 erkannter Schwellwert, so werden die Adressen der Bild­ punkte und damit die Lage dieser überstrahlten Bildberei­ che, gesteuert durch die Schwellwertstufe 16, in dem Spei­ cher 17 abgespeichert. Bei Auftreten der Überstrahlung wird, gesteuert durch den Steuergenerator 20, die Steuer­ schaltung 24 für die Shutterfunktion derart beeinflußt, daß ein Röntgenbild erzeugt wird, bei dem keiner der Bildpunkte überstrahlt ist. Das derartige Röntgenbild wird in den Bildspeicher 21 eingelesen.

Die aktuellen Röntgenbilder mit den überstrahlten Bildbe­ reichen werden über die Torschaltung 19 geführt, wobei die Amplitudenwerte der überstrahlten Bildpunkte, deren Bild­ punktadressen im Speicher 17 abgelegt sind, unterdrückt werden. Diese Bereiche werden jedoch mittels der Torschal­ tung 18 ausgewählt, wenn in den Bildspeicher 21 die Bild­ punkte der überstrahlten Bereiche mit reduzierter Hellig­ keit eingelesen werden. Somit sind in dem Bildspeicher 21 lediglich die Bereiche abgespeichert, die im normalen Bild übersteuert sind und ersetzt werden sollen. Dies erfolgt über die Additionsstufe 22, in der die Videosignale der nicht überstrahlten Bildbereiche der aktuellen Röntgenbil­ der von der Torschaltung 19 und die Videosignale der über­ strahlten Bildbereiche des gespeicherten Röntgenbildes mit­ einander gemischt werden.

Die Kennlinie einer derartigen Fernsehaufnahmeeinrichtung ist in Fig. 3 wiedergegeben. Im unteren, dunklen Bildbereich ist die Kennlinie linear bis zu einer Schwelle S. Ab dort werden alle helleren Bildpunkte unterdrückt, während die fehlenden Bildpunkte durch die gespeicherten, mit geringer Helligkeit aufgenommenen Bildpunkte ersetzt werden. Dies kennzeichnet der zweite Teil der Kennlinie, der parallel nach unten versetzt wiederum linear ansteigt.

Während der Durchleuchtung erkennt die Verarbeitungsschal­ tung als Detektor 14 das Auftreten einer Übersteuerung des Halbleiter-Bildwandlers 9. Durch den Steuergenerator 20 wird nun das Videosignal jeden n-ten Röntgenbildes, beispiels­ weise jedes 10-ten Röntgenbildes, in dem Bildspeicher 21 abgespeichert und in der Additionsstufe 22 mit dem Videosi­ gnal der übrigen neun Röntgenbilder überlagert.

Die Torschaltung 18 kann jedoch auch entfallen, so daß der gesamte Speicherinhalt zum aktuellen Fernsehbild beiträgt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist dieser Beitrag jedoch ge­ ring, so daß er kaum ins Gewicht fällt, da das Signal ent­ sprechend klein ist.

Für die Röntgenaufnahmetechnik können zwei Aufnahmen mit unterschiedlicher Intensität der Strahlung oder unter­ schiedlicher Belichtungszeit bei gleicher Intensität er­ stellt werden. Die erste Belichtung mit hoher Intensität weist Überstrahlungen bei sehr transparentem Objektfeldbe­ reich auf. Die zweite Belichtung in kürzestem Zeitabstand danach wird mit geringer Intensität ohne Überstrahlung des Halbleiter-Bildwandlers 9 erstellt. Die Pixel mit Über­ strahlung werden wiederum durch den Detektor, der Schwell­ wertstufe 16 mit Speicher 17 und Torschaltungen 18 und 19 erkannt und durch die Werte der Pixel 10 der zweiten Be­ lichtung ersetzt. Der Steuergenerator 20 wird dabei zur Steuerung entweder der Strahlenhärte oder der Belichtungs­ dauer mit dem Hochspannungsgenerator 2 verbunden.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungs­ gemäßen Fernsehkette dargestellt, bei der zwei Halbleiter- Bildwandler 25 und 26 durch eine Dreifachoptik 27 mit einem Lichtverteiler 28, beispielsweise einem teildurchlässigen Spiegel, mit dem Ausgangsleuchtschirm 36 des Röntgenbild­ verstärkers 4 gekoppelt ist. Zwei Halbleiter-Bildwandler 25 und 26 sind mit der Verarbeitungsschaltung 14 verbunden. Der erste Halbleiter-Bildwandler 25 ist über einen ersten A/D-Wandler 30 an der Schwellwertstufe 16 und der ersten Torschaltung 18 angeschlossen, während der zweite Halblei­ ter-Bildwandler 26 über einen zweiten A/D-Wandler 31 mit der zweiten Torschaltung 19 verbunden ist. Mit den beiden Torschaltungen 18 und 19 kann entweder die Additionsstufe 22 zur Schwarz-Weiß-Überlagerung der beiden Röntgenbilder oder, wie dargestellt, eine Schaltung 29 zur farbigen Mi­ schung verbunden sein. Dabei kann beispielsweise das Aus­ gangssignal der ersten Torschaltung 18 in ein rotes Bild und das Ausgangssignal der zweiten Torschaltung 19 in ein blaues Bild umgesetzt werden. Die Schaltung 29 ist wiederum über die Filterschaltung 23 und dem D/A-Wandler 15 mit dem Monitor 8 verbunden, der in diesem Falle ein Farbmonitor sein muß. Durch die farbliche Unterscheidung lassen sich eindeutig die beiden unterschiedlichen Dynamikbereiche er­ kennen.

Durch die Verwendung von zwei Halbleiter-Bildwandlern 25 und 26, beispielsweise CCD-Sensoren, werden über den Licht­ verteiler 28 beide gleichzeitig belichtet, wobei die den CCD-Wandlern zugeführten Lichtmengen stark unterschiedlich, beispielsweise im Verhältnis von 1 : 10, sind. Der schwächer belichtete zweite Halbleiter-Bildwandler 26 weist dabei keine übersteuerten Bildbereiche auf. Durch die Schwell­ wertstufe 16 wird wiederum die Lage der übersteuerten Pixel 10 erkannt und in dem Speicher 17 abgelegt, der die beiden Torschaltungen 18 und 19 derart steuert, daß der zweiten Torschaltung 19 das invertierte Signal zugeführt wird, so daß jeweils nur eine der beiden Torschaltungen 18 und 19 leitend ist.

Bei einigen Typen von Halbleiter-Bildwandlern ist es mög­ lich, das Ausgangssignal über die Lichtintensität zu steu­ ern. Bei kontinuierlicher Durchleuchtung werden damit ab­ wechselnd längere und kürzere Integrationszeiten verwendet, wobei sich dabei alternierend hohe Signale mit guter Aus­ steuerung in den dunklen Bildbereichen und niedrige Signale ohne Übersteuerung ergeben. Diese Bilder können einfach ad­ diert werden, wenn das niedrige Signal zuvor auf gleiche Pegelwerte wie das hohe Signal eingestellt wird. Durch die nachfolgende Addition ergeben sich keine Störabstandsver­ luste. Eine derartige Verarbeitungsschaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Die Ausgangssignale des Halbleiter-Bildwand­ lers 9, der gesteuert durch den Steuergenerator 20 alter­ nierend mit zwei unterschiedlichen Integrationszeiten be­ trieben wird, werden über eine Schaltstufe 32 abwechselnd zwei Bildspeichern 33 und 34 zugeführt. Der erste Bildspei­ cher 33 ist direkt und der zweite Bildspeicher 34 über ei­ nen Verstärker 35 mit der Additionsstufe 22 verbunden. Das Videosignal des Halbleiter-Bildwandlers 9 ist in Fig. 6 dar­ gestellt, wobei B1 die Amplitude A des Videosignales des übersteuerten und B2 die Amplitude A des Videosignales des schwächer belichteten Röntgenbildes wiedergeben. Durch die entsprechende Verstärkung des Videosignales B2 in dem Ver­ stärker 35 und die darauffolgende Überlagerung in der Addi­ tionsstufe 22 wird ein Bildsignal zusammengesetzt, das so­ wohl die übersteuerten Bildbereiche als auch die dunkleren Bildbereich in ihrer vollen Dynamik auf dem Monitor 8 wie­ dergibt.

Claims (9)

1. Fernsehaufnahmeeinrichtung zur Erstellung von Röntgen­ bildern mit einer Röntgenbildverstärker-Fernsehkette (4 bis 35), die einen Halbleiter-Bildwandler (9, 25, 26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor (14) vorgesehen ist, der eine Überstrahlung des Halbleiter-Bildwandlers (9, 25, 26) erkennt und derart ausgebildet ist, daß bei Überstrahlung wenigstens zwei un­ terschiedlich helle Röntgenbilder durch den Halbleiter- Bildwandler (9, 25, 26) erfaßt werden, von denen das eine gegenüber dem anderen derart abgeschwächt belichtet ist, daß keine Überstrahlung erfolgt, und daß Bildsignale aus den Röntgenbildern in einer Mischstufe (22, 31) einander überlagert werden.

2. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Halbleiter-Bildwandler (9, 25, 26) mit einer Steuer­ schaltung (24) für die Shutterfunktion versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (14) mit der Steuerschaltung (24) verbunden ist und deren Shutterfunktion derart steuert, daß Röntgenbilder mit unterschiedlich langen Integrationszeiten erstellt werden.

3. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß bei jedem n-ten Röntgenbild die Shutterfunktion ausgelöst und das n-te Röntgenbild in einem Bildspeicher (21, 33, 34) eingelesen wird.

4. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß bei jedem 10-ten Röntgenbild die Shutterfunktion ausgelöst wird.

5. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Detektor (14) derart ausgebildet ist, daß zwei aufeinander­ folgende Röntgenbilder mit unterschiedlicher Strahlungsin­ tensität erstellt werden.

6. Röntgendiagnostikeinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß als Halbleiter-Bildwandler (9, 25, 26) zwei CCD-Sensoren (25, 26) verwendet werden, denen über einem Lichtverteiler (28) die Röntgenbilder zugeführt werden, wobei die den CCD-Sen­ soren (25, 26) zugeführten Lichtmengen derart unterschied­ lich sind, daß der weniger belichtete CCD-Sensor (25, 26) keine übersteuerten Bildbereiche aufweist.

7. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (14) eine Schwellwertschaltung (16 bis 19) aufweist, die die überbelichteten Bereiche im normalen Röntgenbild erkennt und diese Bildbereiche durch die entsprechenden Bereiche der abgeschwächten Röntgenbilder ersetzt.

8. Röntgendiagnostikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstufe eine Schaltung (22) aufweist, die eine additive Überlagerung der beiden unterschiedlichen Aufnahmen bewirkt.

9. Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem Farbmonitor (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstufe eine Schaltung (31) aufweist, die eine farbige Überlagerung der beiden unterschiedlichen Aufnahmen bewirkt, wobei den über­ steuerten Bildbereichen eine andere Farbe zugeordnet ist als den nicht übersteuerten Bildbereichen.