German Title: Spektrale Computertomographie bei hohen Photonenflüssen

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Abstract

The development of pixelated photon counting semiconductor detectors enables to resolve the spectral composition of the incident photons in X-ray imaging, provided that the detector is operated in the absence of pulse pile-up and sensor polarisation. The purpose of this study is to examine the imaging properties of Medipix2 MXR detectors under high photon fluxes, which do not meet this requirement. At first, it is shown that the critical photon flux, at which the detector’s linearity breaks down, can be shifted towards higher values by increasing the IKrum current in the charge sensitive preamplifier, which corresponds to reducing the pulse shaping time. The negative impact of this procedure on the detector’s spectroscopic performance seems only moderate. Furthermore, the deviation from an ideal linear response is determined as a function of the photon flux. The deviations are used to correct single projections and eventually acquire spectral CT images at high photon fluxes which contain corrected absorption coefficients. Thus, K-edge imaging with the contrast agents iodine and gadolinium can be performed at high photon fluxes. It is shown that the spectroscopic information vanishes for energy ranges, which correspond to energies higher than approximately the mean photon energy of the incident spectrum.

Translation of abstract (German)

Die Entwicklung von pixelierten, photonenzählenden Halbleiterdetektoren ermöglicht, die spektrale Zusammensetzung der eintreffenden Photonen bei der Röntgenbildgebung aufzulösen. Allerdings treten bei erhöhten Photonenflüssen Nebeneffekte wie Puls Pile-up und Sensor-Polarisation stark in Erscheinung und müssen weitestgehend ausgeblendet werden. Um diese notwendigen Voraussetzungen zu realisieren, werden in der vorliegenden Arbeit die Eigenschaften von Medipix2 MXR Detektoren bei hohen Photonenflüssen untersucht. Zunächst wird gezeigt, dass der kritische Photonenfluss, bei dem die Detektorlinearität abbricht, zu höheren Werten hin angehoben werden kann, wenn der Entladestrom IKrum des Vorverstärkers erhöht wird. Dies bedeutet eine Verkürzung der Zeit, in der im Vorverstärker Ladungen in Spannungspulse gewandelt werden. Negative Auswirkungen dieses Verfahrens auf die spektroskopische Leistungsfähigkeit des Detektors erscheinen hier nur geringfügig. Weiterhin wird die Abweichung von der idealen, linearen Reaktion als eine Funktion des Photonenflusses bestimmt. Diese Abweichungen werden verwendet, um einzelne Projektionen zu korrigieren und um schließlich spektrale CT Bilder bei hohen Photonenflüssen aufzunehmen, die berichtigte Absorptionskoeffizienten enthalten. Deswegen kann die K-Kanten-Bildgebung der Kontrastmittel Iod und Gadolinium bei hohen Photonenflüssen durchgeführt werden. Es wird gezeigt, dass die spektroskopische Information verloren geht für Energiefenster, die höheren Energien entsprechen als etwa die mittlere Photonenenergie des einfallenden Spektrums.