DE3312264A1 - Vorrichtung zur aufnahme von roentgenbildern - Google Patents
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 83 P 3 1 O 9 DE
Vorrichtung zur Aufnahme von Röntgenbildern
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme von Röntgenbildern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1. Solche Vorrichtungen sind etwa aus der US-PS 30 69 551 bekannt.
Die bekannten, als Bildverstärker mit Bildaufnahme- und
-Wiedergabeeinrichtung ausgestatteten Vorrichtungen hatten den Zweck der Schaffung einer verbesserten elektrischen
Anlage für das Hervorrufen verstärkt sichtba-. rer Bildwiedergabe eines Bildes, welches durch eine
Strahlenquelle gebildet bzw. hervorgerufen wird. Ein solcher Bildverstärker sollte aus einer Bildaufnähmeeinrichtung
bestehen, die eine dem Bild entsprechende elektrische Impulsfolge abgeben kann, sowie aus einer
diese Impulse in ein Bild umwandelnden Bildwiedergabeeinrichtung. Letztere entspricht weitgehend den heute
üblichen Fernsehwiedergabevorrichtungen.
Die Aufnahmeeinrichtung sollte dabei aus zwei flächenhaft
ausgedehnten strahlendurchlässigen Elektroden be-.stehen und in unmittelbarem Kontakt mit ihnen zwei
Festkörperschichten in untereinander engem flächenhaftem
Kontakt, von denen die eine Schicht aus .,einer fotoleitfähigen Substanz besteht, während die zweite
Schicht aus einer elektrisch isolierenden Substanz besteht, welche in bekannter Weise fähig ist, elektrische
Ladungen zu speichern, und bei der die Fotoleitschicht sowohl von Strahlen des zu verstärkenden Bildes als
auch von den Strahlen einer die ganze Bildfläche nach
Kn 2 Kof - 28.03.1983
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if
-*-
VPA 83P3I0 90E
vorgeschriebenem Raster optisch abtastenden Lichtquelle getroffen wird. Derartige Vorrichtungen haben sich aber
nicht durchsetzen können, weil die Ladungsspeicherung an einer Grenzfläche bis heute schwierig ist, wenn sie
mit der notwendigen Homogenität und Reproduzierbarkeit arbeiten soll. Außerdem ist der Bedarf an Abtastzeit
hoch, so daß mit der bekannten Anordnung Aufnahmen von bewegten Organen kaum erzielbar sind.
In neuerer Zeit erschienen Vorschläge, nach denen als
Speicherelemente Schichten verwendet werden sollen, die aus phosphoreszierenden Stoffen bestehen. Es sollten
also Leuchtstoffe verwendet werden, die bei Bestrahlung mit energiereichen Strahlen in Abhängigkeit von der
Intensität dieser Strahlen angeregt und zur Speicherung dieser Anregung geeignet sind. Derartige Anordnungen
sind z.B. in den US-PS 38 59 527 und 39 75 637 beschrieben. Beide Methoden beruhen darauf, den Effekt
der lichtstimulierten Lumineszenz auszunutzen, d.h.
das Röntgenlicht über einen Leuchtschirm zunächst in sichtbares Licht umzuwandeln. Das helligkeitsmodulierte
Bild wird dann in Form angeregter Elektronenzustände in Haftstellen (trapping) in einem nachgeschalteten
oder dem gleichen Phosphor gespeichert. Das optischelektrische Auslesen erfolgt anschließend durch örtliches
Abtasten des Phosphors mit einem Lichtfleck über den Effekt des lichtstimulierten oder thermisch
stimulierten "Ausleuchtens". Das dabei emittierte Licht wird von einem optoelektrischen Detektor in
elektrische Signale umgewandelt, die in der beim Fernsehen üblichen Weise sichtbar gemacht werden können.
Dabei ist es aber nachteilig, daß, abgesehen von sonstigen Verlusten, der Speichereffekt selbst nur einen
Wirkungsgrad von höchstens 10 % erreicht.
- 9 - VPA 83 P 3 1 O 9
Die in einem Rastersystem vorzunehmende Abtastung der
gesamten Fläche des Aufnahmemediums mittels eines Lichtpunktes erfordert aber einen freien Platz vor
der Phosphorschicht. Dadurch muß der optoelektrische
Detektor oder eine vorgeschaltete lichtsammelnde Optik in großem Abstand von der lichtemittierenden Fläche
des Phosphors entfernt angeordnet sein. So wird nur ein kleiner Teil der beim Abtasten ausgelösten
Lichtintensität vom optoelektrischen Detektor erfaßt.
Dies führt zusätzlich zu einem unerwünscht kleinen Signal-Rauschverhältnis und zu geringer Dynamik.
Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, bei einer Vorrichtung zur Aufnahme von Röntgenbildern nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 Vorkehrungen zu treffen, bei geringerem Zeitaufwand pro Bild erhöhte Quantenausbeute
bei vergrößertem Signal-Rausch-Verhältnis und erhöhter Dynamik zu erzielen. Nach der Erfindung
wird dies durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegebenen Maßnahmen erreicht. Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstände der Unteransprüche.
Basierend auf der bisher hauptsächlich in der medizi-
- nisehen Röntgenaufnahmetechnik üblichen Film-Folie-Kombination
soll statt des.lichtempfindlichen Films ein elektrische Ladungsbilder erzeugendes und speicherndes
fotoleitendes Medium in direktem Kontakt mit dem Leuchtschirm (Verstärkerfolie) benutzt werden. Das
ladungsspeichernde fotoleitende Medium soll durch einen
(oder mehrere) seriell abtastenden Lichtstrahl(en)
fotoelektrisch ausgelesen werden. Es bietet somit die Grundlage für einen großflächigen Sensor für eine
digitale Röntgenkamera. Die Speicherung erfolgt hier
?R in einem Halbleiter in Form von Ladungsträgern, die
- # - VPA 83 P 3 1 0 9 DE
in energetisch tiefen Haftstellen eingefangen sind. Diese Haftstellen können durch Oberflächenzustände
oder Volumenzustände in Halbleitern oder Isolatoren gebildet werden.
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Da hier bei der Aufnahme das Licht elektrisch und nicht in verzögernden Phosphoren gespeichert wird,
kann der große Wirkungsgrad des Leuchtschirms ungeschmälert zur Anregung des optoelektrischen Detektors
verwendet werden. Dies ist bei Verwendung einer Selten-Erd-Verstärkerfolie, etwa einer solchen
mit Lanthanoxibromid-Leuchtstoff, ein Wert in der Größenordnung von 20 % und bei Bariumfluorchlorid
(BaFCl-)Folie ein solcher von 10 %. Der Hauptvorteil der Erfindung besteht in der praktisch vollständigen
Erfassung des von der Leuchtschicht der Verstärkerfolie emittierten Lichts durch den Fotoleiter,
der sich in unmittelbarem Kontakt mit der lichtemittierenden Fläche befindet. Der Vorteil zum
Fotofilm besteht außer im Austausch der empfindlichen Schicht darin, daß hier keine Einschränkung der Dynamik
durch einen vom Film bekannten Grauschleier auftritt, daß kein naßchemischer Entwicklungsprozeß notwendig
ist und daß man silberhalogenidfrei arbeiten kann.
Bei in der Röntgenaufnahmetechnik verwendeten Halbleiterschichten,
z.B. solchen aus Selen, etwa in der Xeroradiografie, hat sich die Benutzung von Verstärker
folien nicht eingeführt. Dies beruht offenbar darauf, daß sich Verstärkerfolien als nicht ausreichend spannungsfest
für die bei der Xeroradiografie üblichen Spannungen von einigen tausend Volt erwiesen haben.
Demgemäß wurde hier erfindungsgemäß die Leuchtschicht bei speichernden· Röntgenbildwandlern mit lichtelek-
- ψ - VPA 83 P 3 1.0 9DE
trisch auslesbaren Halbleiterschichten so angeordnet, daß die Leuchtschicht feldfrei bleibt, d.h. außerhalb
des durch Elektroden begrenzten Raumes. Beim Fotofilm wurden die Verstärkerfolien hauptsächlich nur dazu
verwendet, die Röntgenstrahlen in leichter absorbierbares Licht umzuwandeln, um eine wesentliche Abkürzung
der Belichtungszeit zu erreichen.
Bei der Wandlung der Röntgenstrahlenintensität in Lichtintensität gewährleistet der Leuchtschirm (Verstärkerfolie)
eine Dynamik von mindestens 60 dB, d.h. mindestens 1000 Graufstufen; in der Regel werden jedoch
bis zu 100 dB erreicht. Die fotoleitende Schicht registriert das vom Luminophor, d.h. der Leuchtschicht
der Verstärkerfolie, ausgehende Licht, indem an den Stellen der Belichtung in Abhängigkeit
von ihrer Intensität bei eingeprägter Vorspannung eine elektrische Ladung fließt, die bis in die speichernde
Zwischenschicht gelangt. Dort wird sie festgehalten. Das so entstehende Ladungsmuster entspricht
somit in seiner örtlichen Verteilung dem Muster der Intensität des wiederzugebenden Röntgenbildes. Es
bleibt bei abgeschalteter Spannungsversorgung gespeichert. Die Abschaltung ist notwendig, weil sonst
der nachfließende Dunkelstr.om den Kontrast verschlechtern
würde.
In einem weiteren Schritt kann durch Abtastung mit einem Lichtstrahl, einem sogenannten Lichtfleck-Scanning,
über die lokal leitende Fotoleiterschicht in einem außen geschlossenen Stromkreis Punkt für Punkt
erfaßt werden, z.B. durch einen ladungsempfindlichen Verstärker.
Zur Erniedrigung von Streukapazitäten und Dunkelstrom kann es günstig sein, auch die Fläche des Sensors in
- VPA B3P3iQ9QE
geeigneter Weise zu unterteilen. Eine solche Unterteilung kann z.B. erhalten werden, indem man eine streifen
förmige Kontaktierung der abzurasternden Fläche einführt,
in welcher die einzelnen Streifen elektrisch voneinander getrennt sind. Bei der Unterteilung ist
es wichtig, daß parasitäre Kapazitäten der Probe kleiner sind als die effektive Kapazität des Ladungsverstärkers.
Die Anordnung erlaubt auch die Erfassung schnell wechselnder Röntgenbilder, wenn als Fotoleiter ein Material
verwendet wird, das eine entsprechend schnelle Anstiegsund Abfallzeit des Fotostromes aufweist. Solche Materialien
sind z.B. amorphes Selen, das in der Regel 0,1 bis 5 % Zusatzstoffe, wie Arsen (As) oder Tellur (Te)
enthält, oder amorphes wasserstoffhaltiges Silizium. An einige /um dicke Schichten aus diesen Fotoleitern
wurden Transitzeiten der Ladungsträger von weniger als 1/us Dauer gemessen. Dies bedeutet, daß z.B. ein
20^ 25 x 25 cm großes Bild in weniger als 1 Sekunde ausgelesen
werden kann, wenn man sich auf eine Auflösung von 2 Linienpaaren pro mm beschränkt.
Beim Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hat es
sich als zweckmäßig erwiesen, amorphes Arsentrisulfid bzw. -triselenid (As9S, bzw. As9Se,) als Material der
speichernden Zwischenschicht zu verwenden. Bei Ausgestaltung der Anordnung mit Halbleitern der obengenannten
Art haben sich etwa 1/um starke Schichten aus vorgenannten Halbleitermaterialien als günstig erwiesen.
Die Schichtenkombination kann dann an ihren beiden Außenseiten jeweils mit einer 10 bis 100 mn starken
Schicht aus Indium-Zinn-Oxid oder Gold als Elektrode versehen werden.
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Bei den zu verwendenden Leuchtschichten sollte der Leuchtstoff so ausgewählt werden, daß er optimal auf
den Halbleiter der Aufnahmeanordnung einwirken kann. Bei Verwendung von Selen als Halbleiter haben sich
Gadoliniumoxisulfide (GdOS) und Bariumfluorchlorid (BaFCl) als Leuchtstoffe für die zu verwendenden Verstärkerfolien
als besonders günstig erwiesen. Die Dicke der Leuchtschicht sollte in einer Größenordnung
von ^100/um liegen. Zu berücksichtigen ist dabei aber,
daß die Lichtausbeute von der Dicke der Schicht abhängt, daß aber mit zunehmeder Dicke auch ein unscharferes
Bild zu erwarten ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden
nachfolgend anhand der in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
In der Figur ist schematisch ein Übersichtsschaubild einer erfindungsgemäß ausgestalteten Aufnahmeeinrichtung
gezeichnet.
In der Figur ist mit 1 eine Röntgenstrahlenquelle bezeichnet,
von der aus ein Strahlenbündel 2 einen Patienten 3 durchstrahlt. Das so erzeugte Durchstrahlungsbild
gelangt auf eine erfindungsgemäße Aufnahmeanordnung
4. Diese Anordnung 4 besteht etwa aus einer Platte aus 1 mm starkem Aluminium (Al) als durchsichtigem
Träger und Elektrode 5, einer darauf aufgetragenen Röntgenhalbleiterschicht 6, einer auf dieser
liegenden, speichernden Zwischenschicht 7, einer Fotoleiterschicht
8 und einer Elektrode 9.
Die beiden Elektroden 5 und 9 liegen über Leitungen 10 und 10' sowie einen Schalter 11 mit den Schaltmöglichkeiten
11a und 11b an einer Spannungsquelle 12 zur Erzeugung
einer Feldstärke in der Größenordnung von
AO
\ -J = m ipiliiii
10 bis 10 Volt an. Äußeräitn sinä äie~ Leltuäg'eti 10 und
10' mit einem Widerstand 13 verbunden und einem Verstär ker 14. Letzterer liegt über einen Analog-Digital-Wandler
15 an einem Verarbeitungsgerät 16 für die Bildsignale, die andererseits mit einer Abtastvorrichtung
in Verbindung stehen, von welcher ein feiner Lichtstrahl 18 durch die Elektrode 9 hindurch, die Fqtoleiterschicht
8 der Aufnahmeanordnung 4 abtastend, ausgeht.
Das Gerät 16 enthält einen Prozessor 19, in welchen das
Signal vom Analog-Digital-Wandler 15 gelangt. Durch den
Prozessor wird ein Steuersignal über eine Leitung 20" der Abtastvorrichtung 17 zur Steuerung der Abtastbewegung
des Strahls 18 zugeführt. Außerdem wird das Signal über einen Anschluß 21 zu einem Speicher 22
geleitet, von welchem das Bildsignal über eine Leitung 23 einem Rechner 24 zugeführt werden kann. Schließlich
gelangt das Signal über eine Leitung ,25 zu einem.
Fernsehmonitor 26, wo es auf einem Bildschirm 27 sichtbar gemacht werden kann.
An der Außenseite der Elektrode 5 liegt eine an sich bekannte Verstärkerfolie (VF) 30 an. Sie besteht ,aus
einem Röntgenstrahlen durchlassenden Träger 31 aus Aluminium oder Kunststoff und einer Leuchtschicht 32
aus aktivierten Gadoliniumoxisulfiden (GdOS), Bariumfluorchloriden'
(BaFCl) oder Cäsiumjodid (CsJ).
Die Aufnahme eines Röntgenbildes kann etwa in folgenden Schritten erfolgen:
1. Schritt: 100 V an den Elektroden 5 und 9 und Belichtung mittels des Strahlenbündels 2
und des Lichtes aus der VF 30
- # - VPA 83 P 3 1 O 9 DE
2. Schritt: Kurzzeitiger Kurzschluß in Stellung des Schalters 11 auf 11b zur Entladung der
Elektroden 5 und 9
3. Schritt: Speicherung der Anordnung im Dunkeln
(λ/ 1 Stunde) mit offenen Elektroden 5
und 9 bis
4. Schritt: Anschluß der Elektroden 5 und 9 an den Ver . stärker 14 und Abtasten mit feinem Lichtstrahl
18 zum Auslesen.
Nach Passieren des Wandlers 15 und an sich bekannte Verarbeitung im Gerät 16 kann aus den Auslesesignalen auf
dem Bildschirm 27 des Monitors 26 das Durchleuchtungsbild
des Patienten 3 erscheinen. Die im Gerät 16 angedeutete Bildbearbeitungs- und Fernseheinrichtung kann
in an sich bekannter Weise,wie etwa in "Röntgenpraxis"
6 (1981), Seiten 239 bis 246 beschrieben, in digitaler Röntgentechnik ausgebildet sein, so daß zusätzlich Veränderungen
von Helligkeit, Kontrast etc. des Röntgenbildes möglich werden.
7 Patentansprüche
1 Figur
1 Figur
Al
- Leerseite -
Claims (1)
- / VPA 83P310 9DEPatentansprücheη). Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtung, bei der sich zwischen zwei flächenhaft ausgedehnten, strahlendurchlässigen Elektroden und in unmittelbarem Kontakt mit ihnen zwei Festkörperschichten befinden und daß die freien Flächen dieser beiden Schichten an einer Ladungsspeicherschicht liegen, wobei die erste eine Fotoleitschicht ist, die mit den Bildstrahlen,und die zweite eine Fotoleitschicht, die mit einem in einem Abtastraster bewegten optischen Strahl beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Fotoleitschicht ein Leuchtstoff zugeordnet ist, der die Bildstrahlen in Licht umsetzt, das bevorzugt in dieser Schicht absorbiert wird.2. Aufnahmeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Leuchtstoff in einer separaten Schicht angeordnet ist.3. Aufnahmeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht sich an"der Außenseite der Elektrode.befindet,die der Fotoleiterschicht anliegt, und daß diese Elektrode für dieses Licht durchlässig ist.•4. Aufnahme einrichtung-· nach Anspruch 1 zur Wandlung von Röntgenbildern in elektrische Signale mit einer zwischen Elektroden liegenden, mehrschichtigen Fotoleiter-Halbleiterstruktur, die zwei fotoleitende Schichten enthält, zwischen der sich eine Ladungsträger-Haft schicht befindet, daß während der Aufnahme eine geeignete elektrische Spannung an den Elektroden anliegt, um Ladungsträger in der Haftschicht zu sammeln,VPA 83 P 3 1 0 9 OEdaß Mittel zur Abtastung durch einen Lichtstrahl desjenigen Fotoleiters vorgesehen sind, der der Röntgenaufnahmeseite gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotoleiterschicht auf der Aufnahmeseite ein Leuchtstoff zugeordnet ist, der Röntgenstrahlen in Licht umsetzt, das bevorzugt in dieser Schicht absorbiert wird.5. Aufnahmeeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder beide Fotoleiter Selen (Se) enthalten und der Leuchtstoff SeI-ten-Erd-Leuchtstoffe.6. Aufnahmeeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstoff Lanthanoxibromid (LaOBr), Bariumfluorchlorid (BaFCl) oder Cäsiumjodid (CsJ) ist.7. Aufnahmeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Fotoleiter^ aus einer 0,1 bis 30/um dicken Schicht aus amorphem, mit stabilisierenden Zusätzen, etwa 0,1 bis 5 % Arsen (As) und/oder Tellur (Te), versehenem Selen oder wasserstoff haltigem amorphem Silizium besteht.
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