DE69627966T2

DE69627966T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Aufnahme von Röntgenstrahlen-Bildern

Info

Publication number: DE69627966T2
Application number: DE69627966T
Authority: DE
Inventors: Alaa A. Concord Sayed; Daniel P. Mountain View Laxson
Original assignee: Loral Fairchild Corp; Lockheed Martin Fairchild Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1996-11-21
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2016-11-22
Also published as: US5693948A; EP1337107A3; US5773832A; EP0776149A1; EP1337107A2; CA2188193A1; DE69627966D1; JPH09197051A; EP0776149B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Bilderzeugungsvorrichtungen und insbesondere aber nicht ausschließlich auf Röntgenbildsensoren, die eine Auslesevorrichtung einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD = charge-coupled-device) verwenden.
Die Verwendung von Photodetektoren als Sensoren von fluoreszierender Strahlung, die durch ein auf Röntgen ansprechendes Material emittiert werden, sind in der Technik bekannt. Beispielsweise beschreibt das U.S.-Patent Nr. 4,996,413 mit dem Titel „Apparatus and Method For Reading Data From an Image Detector" von McDaniel u. a. ein n × m-Array aus Photodetektoren (einen Nicht-CCD-, MOS-Typ-Bilderzeuger). Bildinformationen werden durch sequentielles Auswählen von Gruppen von Zeilen ausgelesen, beginnend mit einer Zeile in der Nähe der Mitte des Arrays und dann durch sequentielles Auswählen anderer Gruppen von Zeilen an alternativen Seiten der Arraymitte. Bei diesem System soll ein Bildprozessor 28 ein Helligkeitssteuerungssignal erzeugen, das in eine Belichtungssteuerungsschaltung 34 gespeist wird, um eine Röntgenröhrenleistungsversorgung 16 und dadurch die Röntgenbelichtung zu regeln (Spalte 3, Zeile 24-27).
Die Verwendung einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD) zum Aufzeichnen von Licht, das von einem Phosphorbildschirm ansprechend auf Röntgenstrahlen emittiert wird, ist ebenfalls in der Technik bekannt. Beispielsweise in dem U.S.-Patent Nr. 5,142,557 mit dem Titel „CCD And Phosphor Screen Digital Radiology Apparatus And Method For High Resolution" 20, das ein gekühltes CCD-Array und einen MIN-R-Phosphorbildschirm 4 aufweist. 5 dieses Patents zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Faseroptikreduktor 45 zwi schen dem Phosphorbildschirm 4 und der CCD-Kamera 20 plaziert ist. 6 zeigt ein paralleles CCD-Array 61 und ein serielles CCD-Register 62. Während einer Belichtung werden Takte zu dem parallelen Array 61 gestoppt, während das serielle Register 62 getaktet und zu dem Monitor der akkumulierten Lichtbelichtung ausgelesen wird. Ein Computer 65 erzeugt ein Signal zum Beenden der Röntgendosis sobald eine bestimmte minimal akzeptable Schwellendosierung empfangen wurde (Spalte 9, Zeile 16 bis Spalte 10, Zeile 37). Ein extern erzeugtes Signal ist erforderlich, um anzuzeigen, daß die Belichtung begonnen hat (Spalte 9, Zeile 67 bis Spalte 10, Zeile 1).
Die Dunkelstromdichte herkömmlicher CCDs bei Raumtemperatur hat bislang erfordert, daß das CCD-Array während der Verwendung gekühlt wird, wie bei dem vorangehenden Patent von Toker u. a. Wenn es jedoch mit den verjüngten Faserbündeln verwendet wird, erhöht sogar ein thermoelektrisch (TE) gekühltes CCD-Array mit durchschnittlich niedrigem Profil die vertikale Abmessung der Sensoranordnung um einen beträchtlichen Betrag. Ein anderes Problem, das den TE-Kühlern zugeordnet ist ist, daß dieselben dazu neigen, daß eine große Wärmelast vorliegt, die von der hinteren Oberfläche der CCD-Brennebenenanordnung entfernt werden muß. Als solches kompliziert die Anforderung, auch das CCD-Array zu kühlen, um den Dunkelstrom zu reduzieren, die Verwendung von CCDs mit herkömmlichen Röntgenmaschinen.
In dem U.S.-Patent Nr. 5,331,166 mit dem Titel „Dental X-ray Imaging Detecting Device With an Automatic Exposure Function" von Yamamoto u. a. ist eine medizinische Röntgenbilderfassungsvorrichtung beschrieben, die ein Röntgenintensitätserfassungselement umfaßt, das in einem Gehäuse benachbart zu einem Röntgenbildsensor angeordnet ist. Der Bildsensor umfaßt ferner eine CCD-Vorrichtung, die an einem Keramiksubstrat angeordnet ist, und Glasfaserbündel, die zwischen der CCD und einem fluoreszierenden Röntgenelement angeordnet sind.
Im allgemeinen sind diese und andere herkömmliche Röntgenbilderfassungssysteme sowohl in ihrer Funktionalität als auch Programmierbarkeit eingeschränkt.
Zum Beispiel die Sättigungsspannung von CCD-Vorrichtungen kann zwischen 200 mV bis 300 mV variieren. Wenn die CCD-Unterstützungselektronik für einen Betrieb bei einer Sättigungsspannung optimiert ist (z. B. 300 mV), dann kann eine 200 mV-Vorrichtung nur zwei Drittel des dynamischen Bereichs einer 300 mV-Vorrichtung liefern. Es kann somit erforderlich sein, entweder den reduzierten dynamischen Bereich zu akzeptieren oder die 200 mV-Vorrichtung abzulehnen und dieselbe durch eine Vorrichtung zu ersetzen, die einen höheren dynamischen Bereich aufweist. Die erste Alternative führt jedoch zu einer Reduzierung bei der Bilderzeugungssystemkapazität, während die zweite Alternative zu erhöhten Kosten führt.
Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes Röntgenbildsensorverfahren. Die Erfindung kann die Verwendung eines ungekühlten oder nur wenig gekühlten CCD-Arrays ermöglichen, wobei das Sensorsystem eine Anzahl von fortschrittlichen Funktionen liefert, die folgendes umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind: eine entfernte Diagnosefähigkeit, eine variable Bildauflösung, eine Echtzeit-Belichtungssteuerung, eine automatische Röntgenerfassung, einen Niedrigleistungs-„Schlaf"-Modus und eine automatische entfernte Optimierung der Bildqualität.
Die Erfindung kann die Bereitstellung eines CCD-basierten Röntgenbildsensorsystems ermöglichen, das eine Anzahl von fortschrittlichen Funktionen aufweist, die folgende umfassen, jedoch nicht auf dieselben beschränkt sind: eine entfernte Diagnosefähigkeit, eine variable Bildauflösung, eine Echtzeit-Belichtungssteuerung, eine automatische Röntgenerfassung, einen Niedrigleistungs-„Schlaf"-Modus und eine au tomatische Optimierung der Bildqualität mit geschlossenem Regelkreis.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Röntgensystems geschaffen, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Festkörper-Röntgenbild-Sensorsystems innerhalb einer Umhüllung, wobei das Sensorsystem einen CCD-basierten Strahlungsdetektor aufweist, der aus einer Mehrzahl von Linien aus auf Strahlung ansprechenden Pixeln aufgebaut ist, wobei das Sensorsystem elektrisch mit einer Steuerung gekoppelt ist und ein Auftreten eines Starts einer Röntgenbelichtung durch folgende Schritte erfaßt: Takten des CCD-basierten Strahlungsdetektors zum Auslesen eines Dunkelsignals in einem Zeile-für-Zeile-Format, den Schritt des Taktens, der einen Schritt zum Erzeugen von mehr Taktpulsen umfaßt, als Pixel innerhalb einer Zeile zum Überabtasten eines auf Strahlung ansprechenden CCD-Ausleseregisters mit den zusätzlichen Taktpulsen vorhanden sind, Summieren von Ladungspaketen, die aus dem Ausleseregister ausgegeben werden, ansprechend auf die zusätzlichen Taktpulse, und Überwachen der summierten Ladungspakete, um eine Erhöhung einer Größe in den summierten Ladungspaketen zu erfassen, wobei die Erhöhung der Größe ein Auftreten eines Starts einer Röntgenbelichtung anzeigt.
Ein CCD-Chip zum Implementieren des Verfahrens der Erfindung kann serielle Ausleseregister sowohl an der Oberseite als auch der Unterseite eines Pixelarrays aufweisen, und eine Teststruktur wird elektrisch durch einen Teststrukturgenerator in eines der horizontalen seriellen Register injiziert, z. B. durch einen Rücksetz-Drain-Knoten (VRD-Knoten) eines Ausgangsverstärkers. Die resultierenden Ladungspakete werden in und durch das CCD-Array und aus und durch ein anderes horizontales serielles Register getaktet. Die Ausgangsladungspakete werden dann durch einen zugeordneten ADC 42 digitalisiert und an eine externe Steuerung ausgegeben, für eine Bewertung des CCD-Verhaltens.
Es kann eine automatische Belichtung verwendet werden, die ebenfalls als Vorabtastung oder Niedrigdosis-Vorschautechnik bezeichnet wird. Diese Technik verwendet die Einstufungsfähigkeit des CCD-Chips und umfaßt das Anwenden einer niedrigen Dosis von Röntgenstrahlen und dann das Summieren einer vorbestimmten Anzahl von resultierenden Niedrigpegel-Ladungspaketen aus einer ausgewählten Mehrzahl von CCD-Pixeln. Aus der Größe der Ladung, die aus der Summierung erhalten wird, wird eine Steuerung aktiviert, um eine maximale Röntgendosis zu bestimmen, die erforderlich ist, um ein angemessenes Bild zu erhalten. Diese Technik verhindert vorteilhafterweise daß ein Patient einer normalen Dosis von Röntgenstrahlen ausgesetzt wird, ein Bestimmen, daß die Dosis unangemessen war, und dann das Aussetzen des Patienten einer anderen, möglicherweise höheren Dosis.
Eine Echtzeit-Belichtungssteuerung oder -Verfolgungsfunktion kann verwendet werden. Bei diesem Betriebsmodus werden die photoempfindlichen horizontalen seriellen Register periodisch während der Belichtung getaktet, um einen Betrag eines Signals zu bestimmen, das in die seriellen Register kommt. Basierend auf den Ausgangssignalen sagt die Steuerung vorher, wann die optimale Belichtungszeit erreicht ist, und der Röntgenmaschine wird dann signalisiert, zu dieser Zeit abzuschalten.
Eine Variable-Auflösung-Funktion kann bereitgestellt sein, bei der CCD-Bildsensor einen breiten Bereich von auswählbaren effektiven Pixelgrößen und Aspektverhältnissen aufweist.
Eine automatische Röntgenerfassung kann bereitgestellt sein. Beim Arbeiten in diesem Modus und während des Wartens auf den Beginn einer Belichtung können die vertikalen CCD-Takte ausgeführt werden, um kontinuierlich ein Dunkelstromsignal auszugeben. Durch gemeinsames Ausführen der horizontalen Registertakte und durch Überwachen der Ausgabe der horizontalen Schieberegister wird eine plötzliche Erhöhung des Signalpegels, die aus dem Beginn der Belichtung resultiert, erfaßbar und kann mit dem Start der Belichtung korreliert werden. Die vertikalen Takte können dann sofort gestoppt werden, um eine Ladung während der Belichtung zu akkumulieren, ohne eine beträchtliche Bildverschlechterung zu erfahren. Dabei können die horizontalen Takte fortgesetzt werden, zum Ausführen der Echtzeitbelichtungssteuerung, auf die oben Bezug genommen wurde, und/oder zum Erfassen einer Abwesenheit von Röntgenstrahlen an dem Ende der Belichtung. Die automatische Röntgenerfassungsfunktion wird vorzugsweise erreicht durch Einstufen der Ladung, die aus Nach-Abtasttaktzyklen aus den horizontalen Schieberegistern resultiert, um ein Signal zu erhalten, das groß genug ist, um den Anfang der Belichtung genau zu erfassen.
Der CCD-Chip und die zugeordnete Elektronik können in einem Niedrigleistungs- oder im Ruhezustand-Standbymodus betrieben werden. Dies minimiert das Dunkelsignal und daher das Grundrauschen für eine gegebene Auslesezeit. Der CCD-Chip und die zugeordnete Elektronik werden dann aus dem Niedrigleistungs-Ruhemodus herausgebracht, nach einer Erfassung einer Aktivität, die eine Vorstufe zu einer Röntgenbelichtung ist. Der Dunkelstrom wird dann vor dem Beginn der Belichtung ausgeströmt. In dem Niedrigleistungsmodus kann der CCD-Chip bei einer niedrigeren Taktrate abgetastet werden oder überhaupt nicht abgetastet werden.
Eine automatische Optimierung der Bildqualität kann bereitgestellt sein und kann auf eine Weise im geschlossenen Regelkreis erreicht werden, durch Eingeben von Daten, die Taktarbeitszyklen, Taktpegel und Gleichvorspannungspotentiale spezifizieren, und durch Erfassen einer Ausgabe des CCD-Sensorsystems ansprechend auf die spezifizierten Parameter. Basierend auf der Ausgabe des CCD-Chips wird eine gegebene Kombination aus Taktvorspannung und Arbeitszyklen und ferner Gleichvorspannungspotentialen wird die Steuerung (die entweder lokal oder entfernt positioniert sein kann) aktiviert, um optimale Einstellungen für solche Parameter zu bestimmen, wie z. B.: (a) niedrigstes Dunkelsignal (optimale MPP (Mehrstiftphase)), (b) beste vertikale Übertragungseffizienz, (c) beste horizontale Übertragungseffizienz etc. Diese Einstellungen können für eine nachfolgende Verwendung gespeichert werden und dann auf das CCD-Sensorsystem von einer entfernten Position heruntergeladen werden.
Damit die Erfindung und ihre verschiedenen anderen bevorzugten Merkmale einfacher verständlich sind, werden bestimmte Ausführungsbeispiele derselben nur beispielhaft Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Aufrißansicht ist, die eine herkömmliche Röntgenfilmkassette in einer geöffneten Position zeigt,
2 eine Aufrißansicht ist, die eine elektronische Röntgenkassette darstellt, die gemäß dieser Erfindung in einer geöffneten Position aufgebaut ist,
3 eine Querschnittansicht der elektronischen Röntgenkassette aus 2 in einer geschlossenen Position ist, wenn dieselbe innerhalb einer Röntgenmaschine installiert ist,
4 ein Blockdiagramm eines Röntgensystems ist, das gemäß dieser Erfindung aufgebaut ist,
5 ein schematisches Diagramm eines CCD-Sensorchips ist, der für eine Verwendung beim Praktizieren dieser Erfindung geeignet ist,
6 ein Graph ist, der CCD-Quanteneffizienz über Wellenlänge zeichnet,
7 eine nicht maßstabsgetreue Querschnittansicht des CCD-Sensorchips aus 5 ist,
8A–8D jeweils ein Ausgabeformat darstellen, das der CCD-Sensorchip aus 5 bereitstellen kann,
9 ein Logikflußdiagramm ist, das die Operation der elektronischen Röntgenkassette gemäß einem Aspekt dieser Erfindung darstellt,
10 ein Blockdiagramm einer elektronischen Röntgenkassettenschaltungsanordnung zum Erzeugen von Taktvorspannungspotentialen gemäß dieser Erfindung ist, und
11 ein Blockdiagramm einer elektronischen Röntgenkassettenschaltungsanordnung zum Erzeugen von variabel verzögerten Taktsignalverläufen gemäß dieser Erfindung ist.
1 ist eine Aufrißansicht einer herkömmlichen Röntgenfilmkassette 1 eines Typs, der für eine Mammographie verwendet wird. Die Kassette 1 weist eine schwenkbare obere Abdeckung 2 und einen unteren Abschnitt 3 auf. Die obere Abdeckung 2 umfaßt einen Bildschirm 4, der auf Röntgenstrahlen zum Umwandeln von zumindest einem Abschnitt derselben in Licht ansprechend ist, üblicherweise ultraviolettes oder sichtbares Licht, das dann einen photographischen Film 5 sensibilisiert. Herkömmliche Bildschirme 4 verwenden ein Phosphor, wie z. B. CaWO₄, einen Breitbandemitter in der UV-Blau-Region des Spektrums, obwohl bestimmte aktivierte Seitenerdphosphorstoffe ermöglichen, daß die Röntgendosis um zumindest einen Faktor von vier reduziert wird.
Während der Verwendung ist die obere Abdeckung 2 geschlossen und ein Objekt, das geröntgt werden soll, ist zwischen der äußeren Oberfläche der oberen Abdeckung und einer Röntgenstrahlenquelle positioniert. Diese Röntgenstrahlen, die nicht innerhalb des Objekts absorbiert werden, passieren durch die obere Abdeckung und treffen auf den Bildschirm 4 auf. Der Bildschirm 4 wandelt (idealerweise) alle der auftreffenden Röntgenstrahlen in Licht um, das dann den Film 5 belichtet. Die Kassette 1, wenn dieselbe geschlossen ist, weist die ungefähren Abmessungen von 26,7 × 19,6 × 1,5 cm (10,5 × 7,7 × 0,6 Zoll) auf.
Diese Erfindung schafft einen fortschrittlichen CCD-basierten Röntgenbildsensor, der eine Mehrzahl von extern gesteuerten Funktionen aufweist und der ferner in der Lage ist, innerhalb der Abmessungen der herkömmlichen Kassette 1 enthalten zu sein.
Es wird nun Bezug auf 2 genommen, zum Zeigen einer Aufrißansicht eines Ausführungsbeispiels einer Niedrigprofil-Elektronikkassette 10, die die Elektronikschaltungsanordnung und Funktionen gemäß dieser Erfindung umfaßt. Die Kassette 10 ist an einer geöffneten Position gezeigt, wobei eine schwenkbare obere Abdeckung von einer unteren Abdeckung 14 getrennt ist. Die obere Abdeckung 12 weist eine Innenoberfläche 16 auf und ist im wesentlichen für Röntgenstrahlen transparent, die Energien aufweisen, die für herkömmliche Diagnosezwecke verwendet werden, wie z. B. jene, die bei Mammographieanwendungen verwendet werden. Ein geeignetes Material für zumindest die obere Abdeckung 12 ist ein Kohlefaser-basiertes Material. Bei diesem Ausführungsbeispiel schließt die untere Abdeckung 14 eine Schaltungsplatine 21 ein, die eine Bildschirm/Faseroptik/CCD-Anordnung (SFOCCD-Anordnung) 18 unterstützt. Dies wird als ein Ausführungsbeispiel eines kleinen Bereichs betrachtet, und der obere, röntgenempfindliche Oberflächenbereich der SFOCCD-Anordnung 18 weist lineare Abmessungen von ungefähr 6 cm × 6 cm auf. Die Schaltungsplatine 21 weist ferner befestigt auf derselben eine Mehrzahl von SFOCCD-Anordnungs-Stützschaltungen 20 und einen Schalentypverbinder 22 vom Standard D auf, die schnittstellenmäßig mit einem Ende eines Schnittstellenkabels 24 verbunden sind. Ein zweites En de des Kabels 24 ist mit einem Computer gekoppelt (nicht gezeigt in 2), wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird.
3 stellt eine Querschnittansicht der elektronischen Kassette 10 entnommen entlang der Schnittlinie 3-3 aus 2 dar, und mit der oberen Abdeckung 12 geschlossen und der Kassette 10 installiert innerhalb einer Röntgenmaschine, die einen Röntgengenerator 30 aufweist, der einen Röntgenstrahl 32 liefert. Ein Objekt, das geröntgt werden soll, in diesem Fall eine Brust, ist über einer oberen Oberfläche 12a der oberen Abdeckung 12 positioniert. Die Brust wird gegen oder über die obere Abdeckung 12a gemäß herkömmlicher Praxis zusammengedrückt und ist derart positioniert, daß dieselbe zwischen dem Strahl 32 und der oberen Oberfläche der SFOCCD-Anordnung 18 liegt.
Die SFOCCD-Anordnung 18 ist aus einem Großbereich-CCD-Sensorchip 18a aufgebaut, über dem eine Faseroptik-Frontplatte 18b verbunden ist, mit dem darüber ein röntgenempfindlicher Bildschirm 18c verbunden ist oder an den ein röntgenempfindliches Material angebracht ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die SFOCCD-Anordnung 18 einen aktiven Bereich auf, der durch Seiten von ungefähr 60 mm × 60 mm begrenzt ist. Der CCD-Sensorchip 18a liefert intern ein 4000 × 4000-Array aus 15 × 15 μm Pixeln, die auf dem Chip durch Pixeleinstufungsoperationen kombiniert werden können, um z. B. ein effektives 2000 × 2000-Array aus 30 × 30 μm-Pixel oder ein effektives 1000 × 1000-Array aus 60 × 60 μm-Pixel zu liefern. Der CCD-Sensorchip 18a ist in der Lage zu einem Betrieb in dem MPP-Niedrigdunkelstrommodus und verwendet einen Dreiphasentakt, der nominal zwischen ungefähr –10 V und +5 V übergeht. Die Takterzeugungs- und Vorspannungs-Aspekte dieser Erfindung werden nachfolgend detaillierter beschrieben.
Bezug nehmend nun ferner auf 5 wird bei einem momentan bevorzugten Ausführungsbeispiel der CCD-Sensorchip 18a elektrisch in Quadranten unterteilt. Jeder Quadrant weist ein zugeordnetes horizontales Schieberegister 40a und einen Niedrigrauschverstärker 40b zum Auslesen der photoinduzierten Ladung aus dem CCD-Sensorchip 18a auf, die aus der Umwandlung von Röntgenstrahlen in sichtbares Licht auf dem Bildschirm 18c resultiert. Die Schieberegister 40a werden durch Dreiphasen-Horizontaltakte (H1–H3) gesteuert. Die Verwendung von mehreren Ausgangsverstärkern 40b ermöglicht, daß die Ladung mit hoher Geschwindigkeit ausgelesen wird, wodurch die Auswirkung von Dunkelströmen reduziert wird, die nach der Röntgenbelichtung erzeugt werden (wobei darauf hingewiesen wird, daß der CCD-Sensorchip 18a nicht auf kryogene Temperaturen gekühlt werden kann, aber statt dessen bei Umgebungstemperatur oder etwas unter Umgebungstemperatur betrieben werden kann). Die Ausgaben des Verstärkers 40b werden in zugeordnete ADCs 42 eingegeben. Jeder der ADCs 42 liefert eine 12-Bit-Digitaldarstellung der Spannung, die der akkumulierten Ladung innerhalb von individuellen CCD-Pixeln entspricht. Die Ausgaben der ADCs 42 werden zu einer geeigneten Schnittstellenvorrichtung geliefert, in diesem Fall einer VDU-Schnittstellenvorrichtung 44, die die ADC-Signale über den Verbinder 22 und das Kabel 24 zu dem externen Datenprozessor ausgibt.
8A–8D stellen eine Mehrzahl von möglichen Ausgangskonfigurationen für den CCD-Chip 18a dar. In 8A sind die zwei oberen Horizontalregister 40a in ein einzelnes Horizontalregister 40a' kombiniert, das ein einzelnes Ausgangssignal zu einem einzelnen Verstärker 40b liefert. Während der Operation werden alle Ladungspakete vertikal hin zu dem einzelnen horizontalen Register 40a' verschoben, wie durch die Pfeile angezeigt ist, die innerhalb des, Chips 18a gezeigt sind. In 8B sind die zwei oberen horizontalen Register 40a in das einzelne horizontale Register 40a' kombiniert, während die zwei unteren horizontalen Register in ein einzelnes horizontales Register 40a'' kombiniert sind.
Beide horizontalen Register 40' und 40a'' weisen einen zugeordneten Ausgangsverstärker 40b auf. Während der Operation werden alle Ladungspakete in der oberen Hälfte des Chips vertikal hin zu dem horizontalen Register 40a' verschoben, während alle Ladungspakete in der unteren Hälfte des Chips vertikal hin zu dem horizontalen Register 40a'' verschoben werden. 8C ist identisch zu dem Ausführungsbeispiel von 5. Es kann darauf hingewiesen werden, daß während der Operation alle Ladungspakete in jedem Quadranten des Chips vertikal hin zu ihren jeweiligen horizontalen Registern 40a verschoben werden. 8D stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem nur drei Viertel der CCD-Pixel verwendet werden, genauer gesagt alle der oberen zwei Quadranten und die Hälfte von jedem der unteren zwei Quadranten. Die Auslesetechnik ist ähnlich zu der, die für 8A dargestellt ist, während die Ausgangssignale der unteren horizontalen Register 40a an Stromsenken gebunden sind.
Die verschiedenen Ausführungsbeispiele, die in 8A-8C gezeigt sind, können jeweils während der Operation ausgewählt werden, durch Steuern der Taktsignale und somit Konfigurieren des CCD-Chips 18a nach Bedarf.
Bezug nehmend nun ferner auf die Querschnittansicht (nicht maßstabsgetreu) aus 7 ist der CCD-Sensorchip 18a mit einem röntgenempfindlichen Szintillatorbildschirm 18c über die Faseroptikfrontplatte 18b gekoppelt, die ebenfalls eine Röntgendämpfung liefert, wodurch eine direkte Röntgenerregung in dem CCD-Sensorchip 18a minimiert wird. Eine direkte Erregung des CCD-Sensorchips 18a wird vorzugsweise dadurch verhindert, daß dies die Bildqualität verschlechtert und ferner die Nutzlebensdauer des CCD-Sensorchips verringern kann. Der Sensorchip 18a ist an einem Anfangsblock 18d befestigt, der I/O-Stifte 18e auf eine herkömmliche Weise bereitstellt. Die Dicke (Th) der CCD-Anordnung 18 (wobei die Stifte 18e ignoriert werden) ist ungefähr 8 mm, wodurch eine Niedrigprofileinheit bereitgestellt wird, die geeignet zum Einschluß innerhalb einer Standardgrößen-Röntgenfilmkassette ist.
Die Faseroptikfrontplatte 18b ist vorzugsweise auf einer Vorspannung geschnitten (z. B. 6°–7°), so daß der Betrag der Röntgenstrahlung minimiert wird, die durch das weniger dämpfende Matrixglas 19b passieren kann, das die Faseroptik 19a umgibt. Die Faseroptikfrontplatte 18b weist ferner eine Außenmauerabsorption (EMA = extra-mural absorption) auf, d. h. eine optische Dämpfung in dem Matrixglas, um die Schleierblendung von der Faseroptik 19a zu minimieren.
Bezug nehmend nun ferner auf 6 wird eine elektromagnetische Strahlung, die in dem Bildschirm 18c erzeugt wird (üblicherweise Licht, das Wellenlängen in dem blau-grünen Abschnitt des Spektrums aufweist), durch die Faseroptik 19a zu der strahlungsempfindlichen oberen Oberfläche des CCD-Sensorchips 18a geleitet. Die elektromagnetische Strahlung wird durch die CCD-Pixel absorbiert, die wiederum erfaßbare Ladungspakete erzeugen, die nachfolgend durch das oder die horizontalen Register 40a, 40a', 40a'' und den oder die zugeordneten Verstärker 40b ausgelesen werden.
Der Bildschirm 18c kann ein herkömmliches röntgenempfindliches Bildschirmmaterial sein, wie z. B. ein solches, das in der Technik als MIN-R bekannt ist, das von Kodak erhältlich ist. Im allgemeinen ist der Bildschirm 18c vorzugsweise aus einem oder mehreren hocheffizienten Röntgenphosphormaterialien aufgebaut, wie z. B. GdOS : Tb(III), LaOS : Tb(III), LaOBr : Tb(III), LaOBr : Tm(III), und Ba(F, Cl)₂ : Eu(II).
Der Bildschirm 18c, die Faseroptikfrontplatte 18b und der CCD-Sensorchip 18a sind miteinander mit einem herkömmlichen transparenten optischen Zement verbunden, um die SFOCCD-Anordnung 18 zu bilden. Aufgrund der relativ geringen Gesamtdicke der SFOCCD-Anordnung 18 kann die Kassette 10, die die SFOCCD-Anordnung 18 und die Stützelektronik 20 einschließt, die ungefähren Abmessungen von 26,7 × 19,6 × 1,5 cm (10,5 × 7,7 × 0,6 Zoll) aufweisen und ist somit Form- und Einpassungs-kompatibel mit herkömmlichen filmbasierten Kassetten eines Typs, der in 1 dargestellt ist.
4 ist ein Blockdiagramm eines Abschnitts eines Röntgensystems 50 gemäß dieser Erfindung. Obwohl es in dem Kontext eines Röntgensystems dargestellt ist, das für eine Mammographieanwendung verwendet wird, einschließlich Stereotaktiknadel-Kernbiopsy, preoperativer Lokalisierung und Punktansichtmammographieanwendungen, sollte darauf hingewiesen werden, daß das Röntgensystem 50, das die neue Elektronikkassette 10 dieser Erfindung verwendet, in der Lage zu anderen Verwendungen ist, einschließlich industrieller Inspektion, Prozeßsteuerung und einer Vielzahl von medizinischen Röntgenanwendungen.
Eine herkömmliche Röntgenmaschine 52 erzeugt einen Röntgenstrahl 54, der durch ein Objekt, das geröntgt wird, zur der Kassette 10 weitergeleitet wird. Ein Abschnitt dieser Röntgenstrahlen, die nicht innerhalb des Objekts absorbiert werden, wird in dem Bildschirm 18c in Licht umgewandelt, wobei das Licht durch die Vorspannungs-geschnittene Faseroptikfrontplatte 18b geleitet wird und durch den CCD-Sensorchip 18a erfaßt wird. Die CCD-Pixelbilddaten werden ausgelesen und durch das Kabel 24 zu einem Datenprozessor geliefert, wie zum Beispiel einem PC oder einer Arbeitsstation 56. Der PC 56 umfaßt eine Hochauflösungsanzeige 58, eine Tastatur 60 und einen optionalen digitalen Hochleistungs-Bildaufzeichner 62, der für Archivierungs- und Wiederabspiel-Zwecke verwendet wird. Der PC 56 führt vorzugsweise eine geeignete Bildverarbeitungssoftware zum Anzeigen des CCD-erzeugten Bildes aus. Der PC 56 umfaßt ein herkömmliches Rahmenerfassungssystem (FG = frame grabber), das in der Lage ist, Bilder zu erfassen und zu speichern. Programme zum digitalen Verbessern des Bildes werden nach Anforderung durch den Betreiber oder Radiologen bereitgestellt. Bildzoom- und andere Bildmanipulations-Funktionen werden nach Bedarf ebenfalls bereitgestellt.
Gemäß dieser Erfindung wird eine Anzahl von Merkmalen zum Ermöglichen der Operation, des Testens und der entfernten Konfiguration des CCD-Chips 18a bereitgestellt. Diese Funktionen werden bei einem Ausführungsbeispiel durch eine CCD-Steuerungselektronikeinheit (CEU = control electronic unit) 64 initiiert und gesteuert, die in 4 gezeigt ist. Die CEU 64 umfaßt eine Verbindung zu einer Leistungsversorgung 66 und einen Strobedruckknopf 68. Die CEU 64 leitet Leistung von der Leistungsversorgung 66 in die Kassette 10, um den CCD-Chip 18a und die zugeordnete Elektronikschaltungsanordnung 20 mit Leistung zu versorgen.
Alternativ dazu kann die Funktionalität der CCD-CEU 64 in den PC 56 eingelagert sein, und die Kassettenleistung kann von dem PC 56 geliefert werden. Diese verschiedenen Aspekte der Erfindung werden nun detailliert beschrieben.
Bei der medizinischen Röntgenbilderzeugung wäre es wünschenswert, in der Lage zu sein, von einer entfernten Position zu verifizieren, daß der CCD-Chip 18a und die zugeordnete Elektronik 20 ordnungsgemäß funktionieren. Es wäre zum Beispiel wünschenswert, eine mögliche Verschlechterung des CCD-Transportverhaltens und des Verstärkerverhaltens bei längerer Verwendung in der Röntgenumgebung zu überwachen und zu erfassen. Die Lehren dieser Erfindung liefern diese Fähigkeit auf folgende Weise.
Bei dem CCD-Chip 18a, der die seriellen Ausleseregister 40a sowohl an der Oberseite als auch der Unterseite des Arrays aufweist, wird eine Teststruktur elektrisch durch einen Teststrukturerzeuger (TPG = test pattern generator)(siehe 11) in eines der horizontalen seriellen Register 40a durch einen VRD-Knoten von einem der Verstärker initiiert. Die resultierenden Ladungspakete werden in und durch das CCD-Array und aus und durch ein anderes horizontales serielles Register 40a getaktet. Die Ausgangsladungspakete werden dann durch den zugeordneten A/D-Wandler 42 digitali siert und an den CCD-Tester 64 oder den PC 56 für eine Bewertung ausgegeben.
Eine bevorzugte Teststruktur ist üblicherweise ein Entladungsstoß von ausgeglichenen Ladungspaketen in einem größeren Feld von Nulladung. Ein Ladungseinfangen innerhalb des CCD-Arrays wird erfaßt, wenn Ladung aus dem ersten Ladungspaket fehlt, und eine Übertragungsineffizienz wird durch das Vorhandensein von abfallender Ladung am Ende des Entladungsstoßes erfaßt. Dieser Typ von Test wird üblicherweise in dem zweidimensionalen CCD-Array durch die Verwendung einer Entladungsstoßstruktur vom Schachbrettyp durchgeführt.
Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung ist die Verwendung einer automatischen Belichtung, ebenfalls bezeichnet als Vorabtastung oder Niedrigdosis-Vorschautechnik. Diese Technik verwendet die Einstufungsfähigkeit des CCD-Chips 18a und umfaßt das Anwenden einer niedrigen Dosis von Röntgenstrahlen und dann das Summieren einer vorbestimmten Anzahl von resultierenden Niedrigpegel-Ladungspaketen aus einer ausgewählten Mehrzahl von CCD-Pixeln. Eine 16 × 16-Summierung oder eine 100 × 100-Summierung sind beide für eine Verwendung während der Vorabtastung geeignet. Aus der Stärke der Ladung, die aus der Summierung erhalten wird, wird dem PC 56 ermöglicht, eine maximale Röntgendosis zu bestimmen, die erforderlich ist, um ein angemessenes Bild zu erhalten. Dies verhindert, daß ein Patient einer normaler Dosis von Röntgenstrahlen ausgesetzt wird, wobei bestimmt wird, daß die Dosis unangemessen war, und der Patient dann einer anderen möglicherweise höheren Dosis ausgesetzt wird.
Die Röntgendosierung, die für die Vorabtastung erforderlich ist, ist ungefähr 1/(X, Y), wobei X die Anzahl von Pixel ist, die horizontal eingestuft werden, und Y die Anzahl von Pixeln ist, die vertikal innerhalb eines Bereichs von Interesse eingestuft werden.
Ein anderer Aspekt dieser Erfindung ist eine Echtzeit-Belichtungssteuerungs- oder Verfolgungs-Funktion. Bei diesem Betriebsmodus werden die horizontalen seriellen Register 40a periodisch während der Belichtung getaktet, um einen Betrag eines Signals zu bestimmen, das in die seriellen Register eintritt. Basierend auf den Ausgangssignalen sagt der PC 56 vorher, wann die optimale Belichtungszeit erreicht ist, und der Röntgenmaschine 52 wird dann signalisiert, zu dieser Zeit abzuschalten.
Bei dem momentan bevorzugten Ausführungsbeispiel des CCD-Chips 18a weist jede Stufe der seriellen Register 40a ungefähr zweimal den Bereich eines grundlegenden eingestuften 30 × 30 μm Bilderzeugungspixels auf. Ferner sind die seriellen Register 40a ebenfalls dadurch photoempfindlich, daß dieselben nicht durch eine Metallisierung abgedeckt sind, wie bei vielen anderen CCDs. Daher, durch Vornehmen einer horizontalen 8X-Summierung an dem Verstärker 40b wird eine 16X-Erhöhung bei dem Signalpegel erreicht. Dies ermöglicht, daß der PC die Belichtung bis zu sechzehnmal während der erwarteten Belichtungsperiode abtastet, ohne einen Verlust bei dem Signal-zu-Rauschen-Verhältnis (SNR) zu erleiden. Wenn bestimmt wird, daß ein ausreichender Ladungsbetrag während der Belichtung akkumuliert wurde, wird die Röntgenmaschine gesteuert, um die Belichtung zu beenden.
Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung wird als variable Auflösung bezeichnet. Zum Beispiel besteht bei dar medizinischen Röntgenbilderzeugung ein hohes Interesse an Auflösungen, die Pixelgrößen entsprechen, die von 40 Mikrometer bis 100 Mikrometer erreichen, zusätzlich zu einem Interesse an anderen Pixelgrößen. Dadurch ist es vorteilhaft, einen CCD-Bildsensor mit einem breiten Bereich von effektiven Pixelgrößen zur Auswahl bereitzustellen. Bei dem CCD-Chip 18a, der eine Basispixelgröße von 15 × 15 Mikrometern aufweist, programmiert der PC 56 den CCD-Chip 18a, um eine der 30 × 30, 45 × 45, 60 × 60, 75 × 75 μm, etc. Ausgangspixelgrößen bereitzustellen. Vorzugsweise wird die Abweichung der Pixelgröße durch Einstufen in dem CCD-Chip 18a erreicht, da ein verbessertes SNR im Vergleich zum digitalen Kombinieren der Pixel im nachhinein erreicht werden kann. Unter Verwendung dieser Technik kann nach Bedarf eine große Vielzahl von Pixelgrößen (und Aspektverhältnissen oder Geometrien) bereitgestellt werden. Zusätzlich zu der Mehrzahl von beispielhaften Quadratpixelgrößen, die oben Bezug nehmend aufgeführt wurden, kann der CCD-Chip 18a getaktet werden, um ein lineares 4000x1 „Pixel" oder ein 2000x2-Pixel etc. bereitzustellen. Diese Fähigkeit ermöglicht es dem PC 56 ferner, einen abschließenden Betrag einer Röntgendosis mit sehr hoher Genauigkeit zu messen.
Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung ist die automatische Röntgenerfassung. Es wird darauf hingewiesen, daß die oben beschriebene Echtzeitbelichtungsfunktion modifiziert werden kann, um den Anfang der Belichtung zu erfassen. Das heißt, während darauf gewartet wird, daß die Belichtung beginnt, wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird, werden vertikale Takte ausgeführt, um Dunkelstrom kontinuierlich abzuleiten. Ferner, durch Ausführen der horizontalen Registertakte und durch Überwachen der Ausgabe der horizontalen Schieberegister 40a ist es möglich, eine plötzliche Erhöhung des Signalpegels zu erfassen, die aus dem Beginn der Belichtung resultiert (üblicherweise innerhalb von ungefähr einer Millisekunde nach dem Start der Belichtung). Die vertikalen Takte können dann sofort gestoppt werden, um eine Ladung während der Belichtung zu akkumulieren, ohne eine bedeutende Bildverschlechterung zu erfahren. Dabei können die horizontalen Takte fortgesetzt werden, zum Durchführen der Echtzeitbelichtungssteuerung, auf die oben Bezug genommen wurde, und/oder zum Erfassen des Endes der Röntgenbelichtung.
Es sollte darauf hingewiesen werden, daß bei einer typischen Mammographieanwendung der gesamte CCD-Chip 18a wahrscheinlich durch die Brust abgedeckt ist. Als ein Ergebnis ist kein direktes Hochpegel-Röntgensignal an dem CCD-Chip 18a für eine Verwendung beim Erfassen des Starts der Röntgenbestrahlungsperiode verfügbar. Ferner wird darauf hingewiesen, daß das CCD-Ladungssignal für ein 30 × 30-Mikrometerpixel pro Millisekunde nur ungefähr 10 bis 20 Elektronenladungen beträgt, und das zumindest ungefähr ein Signal mit einer Elektronenladung von 1000 erwünscht ist, um eine zuverlässige Entscheidung zum Stoppen der vertikalen Takte für den Start der Integration durchzuführen.
Es wird ferner darauf hingewiesen, daß es für das Hochleistungsziel des Systems wichtig ist, daß vor dem Start der Integration das Dunkelsignal aus dem CCD-Chip 18a im wesentlichen bei der gleichen Rate abgeladen wird wie der der Bildsignalauslesung.
Um diese Ziele zu erreichen, umfaßt ein „Bereit"-Modus der CCD-Taktung folgende Schritte: (a) Abtasten des Dunkelsignals aus den CCD-Chip 18a bei einer normalen Zeilenrate, d. h., bei der normalen Anzahl von Pixelzeilen pro Sekunde und, bei einer Zeitschachtelungstechnik, (b) Bereitstellen einer zusätzlichen Taktung der horizontalen seriellen Register 40a, so daß das Röntgensignal separat von dem Arraydunkelsignal gelesen werden kann. Es ist zum Beispiel üblich, einige „Nachabtastung"-Taktzyklen am Ende jeder Zeilenabtastung zu haben. Gemäß dieser Erfindung und für die Röntgenerfassungsfunktion bestehen bis zu ungefähr 100 Nachabtast-Taktzyklen pro Zeile. Durch Einstufen der Ladung, die aus den Nachabtast-Taktzyklen bei dem Verstärker 40b resultiert, kann ein Signal entwickelt werden, das groß genug ist, um das Ziel des Erhaltens von zumindest ungefähr 1000 Elektronenladungen des Röntgensignals zu erreichen.
Wenn zum Beispiel die normale Anzahl von horizontalen Taktzyklen ungefähr 4096 Arraytakte + 10 Nachabtasttakte = 4096 Takte insgesamt pro Zeile ist, und wenn diese auf 4096 + 100 = 4196 erhöht werden, beträgt die Teilerhöhung nur 2%. Diese Erhöhung ist unbedeutend, entweder im Hinblick auf die erhöhte Schwierigkeit beim Bereitstellen schnellerer Takte oder im Hinblick auf die geringe Erhöhung des Rauschpegels.
Wie vorangehend erwähnt wurde, wird es bevorzugt, den CCD-Chip 18a in einem ungekühlten oder nur leicht gekühlten Modus zu betreiben (wie z. B. durch Verwenden eines Miniaturlüfters zum Bereitstellen eines Kühlungsluftflusses über und um die SFOCCD 18). Um eine unnötige Erwärmung des CCD-Chips 18a vor der Belichtung und der Signalauslesung zu verhindern, ist es wünschenswert, den CCD-Chip 18a und die zugeordnete Elektronik 20 in einem Niedrigleistungs-Standbymodus zu haben. Dies minimiert das Dunkelsignal und daher das Grundrauschen für eine gegebene Auslesezeit.
Es wird nun Bezug auf 9 genommen, zum Zeigen eines momentan bevorzugten Verfahrens, das den Niedrigleistungs-Standbymodus erreicht, auf den oben Bezug genommen wurde. Bei Block A werden der CCD-Chip 18a und die zugeordnete Elektronik 20 in einen Standby- oder Ruhe-Modus plaziert. In diesem Modus werden alle unnötigen Takte in ihrer Frequenz reduziert oder vollständig gestoppt, und falls angemessen, werden die Leistungsversorgungsspannungen reduziert oder abgeschaltet. Das System verbleibt in diesen Zustand, bis bei Block B eine Aktivität erfaßt wird. Die Erfassung der Aktivität kann erreicht werden, durch Bereitstellen eines Druckknopfschalters für den Operator, um anzuzeigen, daß bald eine Belichtung vorgenommen wird. Es liegt ferner innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, den Handhalte-Strobeknopf 68 zu befestigen, der in 4 gezeigt ist, der durch den Operator verwendet wird, um eine Belichtung an einer Schaltbefestigung 68a zu initiieren. Auf diese Weise, wenn der Operator Handhalte-Strobeknopf 68 aus der Befestigung 68a entfernt, wird ein Schalter aktiviert. Die Zustandänderung des Schalters wird durch die CCD-CEU 64 (oder dem PC 56) erfaßt und wird als eine Zustandänderung der Systemaktivität interpretiert (d. h., daß eine Belichtung bald erfolgen wird). Es liegt ferner innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, und Bezug nehmend auch auf
3, einen Proximitäts- oder einen anderen Typ eines Sensors zu verwenden, um zu erfassen, daß die Brust komprimiert wurde, bevor eine Belichtung vorgenommen wurde.
Es sei nun angenommen, daß eine Bestimmung bei Block B durchgeführt wurde, daß eine Aktivität gestartet wurde, das Verfahren zu Block C übergeht, wo der CCD-Chip 18a ausgerüstet wurde und der Dunkelstrom aus den Pixeln abgeleitet wird. Anders ausgedrückt wird der CCD-Chip 18a und die zugeordnete Elektronik 20 aus dem Ruhemodus in einen Vollbetriebszustand gebracht und die vertikalen Takte werden ausgeführt, um den Dunkelstrom zu entfernen. Ein vollständiges Ableiten des Dunkelstroms kann zum Beispiel drei Sekunden dauern. Bei Block D wird eine Bestimmung durchgeführt, ob die Röntgenbelichtung gestartet wurde. Dies kann erreicht werden, wie oben beschrieben wurde, durch Überabtasten der horizontalen Register während der Dunkelstromableitung und dann durch Einstufen der Überabtastauslesungen, um eine Erhöhung der Ladung zu bestimmen, die durch die horizontalen Register 40a ansprechend auf den Röntgenfluß erzeugt wird. Das System wandert schleifenmäßig durch die Blöcke C und D, um kontinuierlich Dunkelstrom abzuleiten und auf den Start der Belichtung zu warten.
Unter der Annahme, daß der Start der Belichtung erfaßt wird, werden bei Block E die vertikalen Takte des CCD-Chips 18a sofort gestoppt, um die Integration der Ladung innerhalb der individuellen Pixel zu initiieren. Die horizontalen Registertakte können weiter ausgeführt werden, um (1) einen Anfang und einen Abschluß der Belichtung zu erfassen, (2) die automatische Belichtungslängenfunktion auszuführen, auf die oben Bezug genommen wurde, und/oder (3) um die Echtzeitbelichtungssteuerungsfunktion auszuführen. Wenn die letztere Funktion ausgeführt wird, dann ist es vielleicht nicht nötig, auch die Erfassung des Abschlusses der Belichtung auszuführen. Falls erwünscht, kann die oben Bezug genommene Vorabtastfunktion ebenfalls durchgeführt werden. Das System bewegt sich schleifenmäßig zwischen den Blöcken E und F bis die Belichtung abgeschlossen ist, wobei die Steuerung zu Block G zum Auslesen der integrierten Ladung weitergegeben wird, die aus der Belichtung resultierte. Die Steuerung wird dann zu Block A weitergegeben, um erneut in den Niedrigleistungs-Ruhemodus einzutreten, bis erneut eine Aktivität erfaßt wird.
Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung ist eine Fähigkeit zum entfernten Durchführen einer automatischen Optimierung einer Bildqualität. Bezug nehmend auf 10 und 11 wird diese Funktion dadurch erreicht, das Taktarbeitszyklen und Ebenen vorliegen, und ferner Gleichvorspannungspotentiale, die durch Digital-zu-Analog-Wandler (DACs) und eine andere Schaltungsanordnung eingestellt werden. Als Ergebnis wird die Fähigkeit zum entfernten Steuern von Vorspannungs- und Takt-Potentialen und -Wellenformen bereitgestellt, und um dann die resultierende Ausgabe des CCD-Chips 18a zu untersuchen, wie vorangehend Bezug nehmend auf die Entfernte-Testbarkeits-Funktion beschrieben wurde. Basierend auf der Ausgabe des CCD-Chips 18a für eine gegebene Kombination aus Takt- und Vorspannungs-Potentialen wird dem PC 56 ermöglicht, optimale Einstellungen für folgende Parameter zu bestimmen: (a) niedrigstes Dunkelsignal (optimale MPP (Mehrfachstiftphase)) (b) beste vertikale Übertragungseffizienz, (c) beste horizontale Übertragungseffizienz, etc. Diesbezüglich sollte darauf hingewiesen werden, daß der PC 56 nicht an derselben Position vorliegen muß wie die Röntgenmaschine 52. Tatsächlich könnte der PC 56 eine beträchtliche Distanz entfernt positioniert sein, derart, daß die Datenverbindungen zwischen dem PC 56 und der Kassette 10 zum Beispiel telephonisch durch eine Modemverbindung übermittelt werden.
Bezug nehmend zuerst auf 10 ist ein Abschnitt der Stützelektronik 20 gemäß diesem Aspekt der Erfindung gezeigt. Ein Schieberegister 72 ist bereitgestellt zum Empfangen eines Datensignals (D) von dem PC 56 über eine lokale Steuerung 78, wie in 11 gezeigt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden insgesamt 32 Vorspannungssignale erzeugt, wobei jedes derselben zum Beispiel eine Auflösung von 12 Bits hat. An den Ausgängen des Schieberegisters 72 wird eine Mehrzahl (z. B. 32) von DACs (DACsl-i) 74 zum Empfangen von 12-Bit-Eingaben angeschlossen. Die analogen Ausgänge der 32 DACs 74 liefern die 32 Vorspannungspotentiale. Bestimmte dieser Vorspannungspotentiale werden zum Einstellen der Hoch- und Niedrig-Abweichungen der erforderlichen Taktsignale verwendet (10 Takte insgesamt, die 20 Taktvorspannungspotentiale erfordern). Eine dieser Taktschaltungen ist als ein Verstärker 76 gezeigt, der ein Signale eines verarbeiteten Takts (PCLK) von einer Verzögerungsbreitensteuerung 82 empfängt, die in 11 gezeigt ist. Zwei Vorspannungspotentiale (z. B. BIAS1 und BIAS2) werden mit den Hoch- und Niedrig-Leistungsschienen des Verstärkers 76 verbunden. Durch steuerbares Anpassen der Größen von BIAS1 und BIAS2 können die Taktabweichungen entsprechend gesteuert werden. Andere Vorspannungspotentiale werden zu dem CCD-Chip 18a und den Verstärkern 40b nach Bedarf geliefert. Beispielsweise ist der VDD-Eingang zu dem Verstärker 40b in 5 mit einer Diode innerhalb des CCD-Chips 18a verbunden. Durch Steuern der Leitung dieser Diode über die Größe des VDD wird ferner die Bildauslesung gesteuert.
In 11 ist die lokale Steuerung 78 verbunden mit dem Bus 24 gezeigt. Die lokale Steuerung 78. gibt das Datensignal (D) an die DACs 74 über das Schieberegister 72 aus und ferner an ein Verzögerungsschieberegister 80. Das Ausgangssignal des Verzögerungsschieberegisters 80 wird zu der oben erwähnten Verzögerungsbreitensteuerung 82 geliefert, zum Spezifizieren der Pultbreiten oder Arbeitszyklen der verarbeiteten Taktsignale (PCLKs). Die Verzögerungsbreitensteuerung empfängt „Roh"-Taktsignale (z. B. 50 MHz) von einer Taktquelle, die entweder innerhalb der Kassette 10 oder extern erzeugt wird und durch das Kabel 24 empfangen wird.
In Betrieb und als Beispiel kann der PC 56 den Dunkelstrom durch Anpassen der Vorspannungspotentiale optimieren, bis ein gewünschter Dunkelstrompegel erreicht wird. Diesbezüglich erhält der PC 56 einen optimalen MPP-Modus durch steuerbares Verringern der verschiedenen Taktsignal-Niedrigschienen während eines kontinuierlichen Überwachens des Dunkelstroms, um den Dunkelstrom auf einen minimalen Wert einzustellen. Es wird darauf hingewiesen, daß diese Aufgabe ermüdend und zeitaufwendig wäre, wenn dieselbe manuell durchgeführt werden würde, und ferner die Aufmerksamkeit eines ausgebildeten Technikers oder Ingenieurs erfordern würde.
Nachdem die optimalen Vorspannungswerte durch den PC 56 bestimmt wurden, können diese Werte gespeichert und später wieder aufgerufen und über das Kabel 24 auf die Optimierungsschaltungsanordnung heruntergeladen werden, die in 10 und 11 gezeigt ist. Wie vorangehend erwähnt wurde, kann der PC 56 entfernt von dem Röntgensystem und der Kassette 10 angeordnet sein. Alternativ können die Daten, die die optimalen Betriebsparameter für das CCD-System darstellen, innerhalb eines nicht flüchtigen Speichers innerhalb der Kassette 1 gespeichert und dann nachfolgend durch die lokale Steuerung 78 wieder aufgerufen werden, zum entsprechenden Einstellen der DACs 74 und/oder der Verzögerungsbreitensteuerung 82.
Basierend auf den vorangehenden sollte darauf hingewiesen werden, daß diese Erfindung eine Fähigkeit mit geschlossenen Regelkreis zum entfernten Testen, Diagnostizieren und/oder Kalibrieren eines CCD-basierten Röntgenbildsensor schafft, wobei eine externe Steuerung aktiviert wird, um das CCD-System steuerbar zu stimulieren, die resultierenden Signale auszulesen und dann die Stimulation zu variieren, um die gewünschte Ausgabe zu erhalten. Zum Beispiel können die Takt-Vorspannungen und -Verzögerungen individuell angepaßt werden, eine Teststruktur kann über den TPG 70 eingebracht werden und das resultierende Ausgangssignal kann analysiert werden, um eine korrekte Einstellung für die große Anzahl von Variablen zu bestimmen (Taktarbeitszyklen, Taktvorspannungen, CCD-Vorspannungen, etc.), die berücksichtigt werden müssen, um die Bildsammelfähigkeit der SFOCCD 18 zu optimieren.
Der Anhang erläutert eine Anzahl von exemplarischen CCD- und Unterstützung-Elektronikbetriebsparametern und ihre üblichen Bereiche. Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung, eine entfernte Programmierbarkeit von einem oder mehreren dieser Betriebsparameter zu liefern. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß die verschiedenen Potentiale in der Praxis durch einen Bereich von zum Beispiel +25 V mit Taktraten von zum Beispiel bis 50 MHz betrieben werden können. Auf diese Weise ist es möglich, Prozeßabweichungen zwischen CCDs zu kompensieren. Ferner und für eine Mehrzahl von CCD-Ausführungsbeispielen ermöglichen die Lehren dieser Erfindung, daß jede dieser CCDs separat angepaßt und optimiert wird.
Zum Beispiel kann ferner eine Versatzkompensation erreicht werden, um die Änderung des Pegels des Ausgangs-Gleichstroms des Videosignals eine Funktion von CCD-Vorrichtung, Temperatur und Zeit unterzubringen. Ein bevorzugtes Verfahren zum Ausführen der Versatzkompensation lautet wie folgt. Zuerst werden die ADC-Takte geändert, zum Abtasten des Rücksetzpegels an beiden Schenkeln des ADC. als nächstes wird der Vorderendenversatz (FEO = front end offset) verändert, um die Versatzlesung aus dem ADC zu minimieren. Die ADC-Takte werden dann verändert, um die Rücksetzungs- und die Referenz-Schelfpotentiale abzutasten. Diese Ablesungen werden dann minimiert, durch erneutes Variieren des Vorderendenversatzes. Schließlich werden die ADC-Takte wieder in einen normalen Betriebmodus gespeichert. Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung können alle diese Funktionen entfernt durch Programmieren der verschiedenen CCD-Unterstützungselektroniken und -Schaltungsanordnungen durchgeführt werden.
Somit, während die Erfindung insbesondere im Hinblick auf momentan bevorzugte Ausführungsbeispiele derselben gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, daß Form- und Detail-Änderungen bei derselben durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel sind die verschiedenen Abmessungen, das Layout, Takte und Takt-Frequenzen, die vorangehend oben erwähnt wurden, nur für eine geeignete CCD-Vorrichtung zum Ausführen dieser Erfindung beispielhaft und sollen nicht als eine Einschränkung auf die Praxis dieser Erfindung betrachtet werden.

Claims

Ein Verfahren zum Betreiben eines Röntgensystems, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Festkörper-Röntgenbild-Sensorsystems innerhalb einer Umhüllung, wobei das Sensorsystem einen CCD-basierten Strahlungsdetektor aufweist, der aus einer Mehrzahl von Zeilen von strahlungsempfindlichen Pixeln aufgebaut ist, wobei das Sensorsystem elektrisch mit einer Steuerung gekoppelt ist und Auftreten eines Starts einer Röntgenbelichtung durch folgenden Schritt erfaßt: Takten des CCD-basierten Strahlungsdetektors, um ein Dunkelsignal in einem Zeile-für-Zeile-Format auszulesen, wobei der Schritt des Taktens einen Schritt des Erzeugens von mehr Taktpulsen, als Pixel innerhalb einer Zeile vorhanden sind, zum Überabtasten eines Strahlungsempfindlichen CCD-Ausleseregisters mit den zusätzlichen Taktpulsen, zum Summieren von Ladungspaketen, die ansprechend auf die zusätzlichen Taktpulse von dem Ausleseregister ausgegeben werden, und zum Überwachen der summierten Ladungspakete, um eine Erhöhung einer Größe in den summierten Ladungspaketen zu erfassen, umfaßt, wobei die Erhöhung der Größe ein Auftreten eines Starts einer Röntgenbestrahlung anzeigt.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt der Taktens einen Schritt des Taktens von vertikalen Registern und zumindest einem horizontalen Ausleseregister des CCD-basierten Strahlungsdetektors aufweist, und ferner einen Schritt des Beendens des Taktens der vertikalen Register umfaßt, wenn das Auftreten des Starts der Röntgenbelichtung angezeigt wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 2, das ferner folgende Schritte aufweist: Fortsetzen des Taktens des zumindest einen horizontalen Registers während der Röntgenbelichtung zum periodischen Auslesen akkumulierter Ladungspakete aus demselben, Summieren von Größen der ausgelesenen Ladungspakete, Vergleichen der summierten Größen mit einer Referenzgröße und Beenden der Röntgenbestrahlung, wenn die summierten Größen gleich oder größer als die Referenzgröße sind.