CH616582A5 - Device for tomographic scanning using hard radiation. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur tomographischen Abtastung mit harter Strahlung, um von Patienten Querschnittsabbildungen für diagnostische Zwecke zu erhalten.

Es können bei einer Hochleistungs-Computer-Tomographie unterschiedliche Verfahren und Messungsgeometrien zur Anwendung kommen. Bei einem solchen Verfahren wird eine Röntgenstrahlungsquelle und eine zu dieser feststehend angeordnete Detektoreinrichtung verwendet, wobei diese Gesamtapparatur an einem Patienten vorbei verschoben werden kann. Ein auf die Detektoreinrichtung einfallender Fächerstrahl erzeugt in jedem Augenblick der Verschiebung einen Fächer von Messwerten unter verschiedenen Winkeln. Während dieser Verschiebung zeichnet ein jeder Detektor unter einem bestimmten Winkel eine Reihe von parallelen Messwerten auf. Um auch Messwerte unter einer neuen Winkelgruppierung erhalten zu können, wird die aus der Strahlungsquelle und der Detektoreinrichtung bestehende Apparatur verdreht und dann erneut verschoben. Die Vorteile dieses Verfahrens mit zweifacher Bewegung der Apparatur sind: eine hohe Auflösungsmöglichkeit der Momentwerte, da jeder Detektor in rascher Folge und mehrmals abgetastet bzw. abgefragt werden kann, wenn die auf ihn treffenden Abtaststrahlen einen Patienten durchqueren; eine Anpassung des Verstärkungsfaktors ist nicht notwendig, da jeder Abtaststrahl den Patienten vollständig durchdringt; vor und nach jedem Abtasten lässt sich eine regelmässige Eichung durchführen. Die Nachteile dieses Verfahrens sind insbesondere, dass es wegen des Erfordernisses der zwei Verlagerungsarten der Apparatur (Verschieben und Verdrehen) innerhalb der dadurch gesetzten mechanischen Grenzen vergleichsweise langsam arbeitet und dass sein relativ-kleiner Fächerstrahlwinkel eine häufigere Verschiebung erfordert, was zu einem Energieverlust an Röntgenstrahlen führt.

Ein anderes Abtastverfahren verwendet auch eine Fächerstrahlungsquelle und eine Detektoreinrichtung in einer zueinander feststehenden Lage, jedoch wird diese Apparatur um den Patienten herumgedreht, ohne dass eine Verschiebung stattfindet.

Jeder Detektor zeichnet Röntgenstrahlmesswerte auf, die tangential zu einem feststehenden Kreis liegen. Dieses Verfahren, welches nur einen Bewegungsweg ausführt, hat den Vorteil, dass es eine hohe Abtastgeschwindigkeit besitzt, da lediglich eine mechanische Bewegung benötigt wird, und ferner, dass es möglich ist, einen weiten Fächerstrahlwinkel zu verwenden. Jedoch besitzt auch dieses Verfahren Nachteile: Einmal eine niedrige Abtastauflösung wegen der vielen kleinen, dicht nebeneinanderliegenden Detektoren, die für eine genaue Abtastung erforderlich sind, ferner ist es notwendig, eine Verstärkungsanpassung vorzusehen, da nicht jeder Detektor durch den gesamten Patienten hindurch abtasten kann, und schliesslich kann auch keine regelmässige Eichung vorgenommen werden, da eine Eichung nur dann möglich ist, nachdem der Patient den Messbereich verlassen hat, da, wie schon erwähnt, jeder Detektor nicht quer durch den gesamten Patienten hindurch abtasten kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht mithin darin, ein verbessertes computergesteuertes Tomographie-System zu schaffen, welches Abbildungen mit einer hohen Abtastauflösung liefert, keine genaue Anpassung der Verstärkung zwischen den Detektoren erfordert, bei welchem eine regelmässige Eichung der Detektoren erfolgen und eine Hochleistungs-Abtastung von einem fächerförmigen Röntgenstrahl mit einem weiten Strahlungswinkel vorgenommen werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs definierten Art erfindungsgemäss gelöst durch eine Strahlungsquelle für einen Fächerstrahl von harter Strahlung, eine um eine Rotationsachse herum vorgesehene Einrichtung mit aneinander angrenzenden Strahlungs-Detektoren zur Umwandlung von ungleichförmig einfallender Strahlung in ein korrespondierendes Anzeigesignal und eine Einrichtung zur Relativverlagerung der Strahlungsquelle und der Detektoreinrichtung auf einem Winkelweg zur Rotationsachse, um aufeinanderfolgend unterschiedliche Gruppen dieser Detektoreinrichtung zu bestrahlen und dadurch eine Folge von Anzeigesignalen zu erhalten, die eine Darstellung der Strahlungsdurchlässigkeit im zwischen dem von der Strahlungsquelle durchlaufenen Weg und der Detektoreinrichtung liegenden Bereich sein.

An die erfindungsgemässe Einrichtung kann zur erleichterten Datenauswertung eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Zusammenfassung aller Anzeigesignale zu einem Abbildungssignal und eine weitere, auf dieses Abbildungssignal ansprechende Einrichtung angeschlossen sein, welche eine Abbildung der Strahlungsdurchlässigkeit erstellt.

Eine baulich vorteilhafte Anordnung kann ferner dadurch erzielt werden, dass die Detektoreinrichtung die Rotationsachse umschliesst und dass die Strahlungsquelle im Abstand von der Rotationsachse innerhalb der Detektoreinrichtung liegt. Dabei ist es von weiterem funktionalem Vorteil, wenn die Detektoreinrichtung kreisförmig ist und mit ihrem Zentrum auf der Rotationsachse liegt und die Relativverlagerung zwischen der Strahlungsquelle und der Detektoreinrichtung auf einer innerhalb der und konzentrisch zur Detektoreinrichtung vorgesehenen Kreisbahn stattfindet, wobei auch die De2

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tektoreinrichtung stationär bleiben und die Strahlungsquelle die Rotationsachse umkreisen könnte.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand einer Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer rotierenden Röntgenstrahlungsquelle und einer stationären Detektoreinrichtung nach den Merkmalen der Erfindung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Strahlungsmessda-tengeometrie zur Veranschaulichung der Datenbildung an einem Detektor während eines Umlaufs der Röntgenstrahlungsquelle.

Eine in Fig. 1 gezeigte Röntgenstrahlungsquelle 11 ist um eine Rotationsachse 12 drehbar und sendet einen Fächerstrahl 13 von Röntgenstrahlung unter einem Winkel aus, der genügend weit geöffnet ist, um einen zentrisch zur Rotationsachse 12 liegenden Kreisringbereich 14 für einen Patienten zu überstrahlen. Wenn die Röntgenstrahlungsquelle 11 umläuft, bestrahlt der Fächerstrahl 13 eine konzentrische und stationäre kreisförmige Einrichtung 15 mit Szintillationsdetektoren 16. Zu jedem Zeitpunkt überstrahlt der Fächerstrahl 13 gleichzeitig eine zusammengefasste Gruppe nebeneinanderliegender einzelner Detektoren 16, um eine korrespondierende Anzahl von elektrischen Messsignalen erhalten zu können, welche jeweils der Röntgenstrahlungsdurchlässigkeit zwischen der Strahlungsquelle 11 und dem jeweiligen Detektor 16 entsprechen. Eine Signalverarbeitungseinrichtung 17 ist an die Detektoren 16 angeschlossen, um deren Ausgangsmesssignale so zusammenzufassen, dass ein Abbildungssignal erhalten wird, welches der Röntgenstrahlungsdurchlässigkeit eines Querschnitts des innerhalb des Kreisringbereichs 14 befindlichen Patienten, welcher gerade abgetastet wird, entspricht. Eine Abbildungseinrichtung 21 ist mit der Signalverarbeitungsein-richtung 17 verbunden und liefert eine sichtbare Abbildung des abgetasteten Querschnitts in Abhängigkeit vom Abbildungssignal. Das Abtastsystem und der Patient können in Axialrichtung relativ zueinander verlagert werden, um eine Folge von Abbildungen erhalten zu können, die den in Axialrichtung versetzten Querschnitten entsprechen.

In Fig. 2 ist in einer graphischen Darstellung der aufeinanderfolgende Verlauf der Strahlungsrichtungen 22 zwischen der Strahlungsquelle 11 und einem Detektor 16' während eines Umlaufs der Röntgenstrahlungsquelle 11 gezeigt. Der Detektor 16' wird von dem Fächerstrahl 13 während eines Abschnitts des Umlaufs der Röntgenstrahlungsquelle 11 bestrahlt. Sobald sich die Röntgenstrahlungsquelle 11 durch diesen Abschnitt ihres Umlaufs bewegt, empfängt der Detektor 16' eine Strahlung in erster Linie über ein Feld von aufeinanderfolgenden Strahlungsrichtungen 22, da die Strahlungsquelle 11 längs eines Kreisbogens verläuft, der den gesamten Kreisringbereich 14 für den Patienten einschliesst. Für jeden der Detektoren 16 ergibt sich eine entsprechende Aufeinanderfolge während eines vollständigen Umlaufs der Strahlungsquelle 11. Die Signalverarbeitungseinrichtung 17 verbindet die Signale von sämtlichen Detektoren 16, um ein hochwertiges Querschnittsabbildungssignal bzw. queraxiales Tomogramm zu erhalten, wie es von herkömmlichen Verfahren, die eine digitale Computerverarbeitung verwenden, geliefert wird. Die Abbildungseinrichtung 21 zeichnet eine sichtbare Abbildung des Tomogramms auf.

Die vorliegende Einrichtung ist durch eine Anzahl von Merkmalen charakterisiert, welche es gestatten, hochwertige Computer-Tomogramme zu erhalten, ohne dass diese mit den Nachteilen herkömmlicher Systeme behaftet sind. Die hohe Abtastauflösung wird dadurch erhalten, dass jeder Detektor 16 so oftmals abgetastet werden kann, wenn die Strahlungsquelle 11 den Patienten umläuft. Auch ist eine Verstärkungsfeinanpassung nicht notwendig, da jeder Detektor 16 durch den Patienten hindurch die Daten empfängt. Sollte eine Fehlanpassung der Verstärkung vorliegen, würde dies lediglich eine kleine Gleichspannungsstufe in der endgültig aufgezeichneten Abbildung hervorrufen.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal betrifft die Art der Eichung der Detektoren 16, welche während jeder Abtastung vorgenommen werden kann, so dass ein Heraustreten des Patienten aus dem Messbereich für einen Eichvorgang nicht mehr notwendig ist, womit eine regelmässige Eichung ermöglicht wird.

Auch ist es von besonderem Vorteil, dass die Datenzusammenfassung wegen der einzig nötigen mechanischen Bewegung (Verdrehung der Quelle 11) mit hoher Geschwindigkeit stattfinden kann und auch, dass ein weiter Winkel für den Fächerstrahl 13 gewählt werden kann, wodurch ein unnötiger Verlust von Röntgenstrahlung verringert und insgesamt eine effektivere Datenerfassung möglich wird. Die hohe Geschwindigkeit der Datenerfassung ist vor allem deshalb so wünschenswert und bedeutungsvoll, weil dadurch die Atmungsbewegung des Patienten oder andere Körperverlagerungen nicht mehr ins Gewicht fallen.

Bei einem Ausführungsbeispiel der beschriebenen Einrichtung, welche gebaut und erfolgreich zur Erzeugung von Tomogrammen mit einer hohen Auflösung eingesetzt wurde, sind 600 einzelne Detektoren der Einrichtung von einem Röntgenfächerstrahl beaufschlagt worden, der einen Winkel von im wesentlichen 50° zur Rotationsachse und etwa 2 bis 10 mm längs der Achse überspannte. Es wurde eine Röntgenstrahlungsquelle mit einer Energie bis zu 150 kV bei 100 Milliampere eingesetzt, welche einen Umlauf in 5, 10 oder 20 Sekunden vollenden konnte. Ein Date-General-Eclipse-Computer fasste die 600 gemessenen Ausgangssignale, die von Analog-Digital-Konvertern umgesetzt waren, zu digitalen Daten zusammen. Diese Konverter arbeiteten nach dem Verfahren, welches von A. V. Lakshmirarayanan unter dem Titel «Reconstruction from Divergent Ray Date» in Technical Report Nr. 92 vom Januar 1975 des Buffalo Computer Sciences Dept. der State University of New York beschrieben ist.

Das Verdrehen der Strahlungsquelle bei stationär bleibendem Patienten und vorgesehener ringförmiger Detektoreinrichtung stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, und es wäre nach den beschriebenen Grundprinzipien ebenso möglich, die Röntgenstrahlungsquelle stationär zu halten und das zu untersuchende Objekt und die stationären Detektoren gemeinsam zu verdrehen.

Es wurde vorstehend ein neuartiges Tomographie-Abbildungssystem beschrieben, das sich durch ein hohes Auflösungsvermögen, eine Hochleistungsdatenerfassung und andere Merkmale auszeichnet, die in einem computergesteuerten tomographischen System erwünscht sind.

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1 Blatt Zeichnungen

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616 582 PATENTANSPRÜCHE

1. Einrichtung zur tomographischen Abtastung mit harter Strahlung, gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle (11) für einen Fächerstrahl (13) von harter Strahlung, eine um eine Rotationsachse (12) herum vorgesehene Einrichtung

(15) mit aneinander angrenzenden Strahlungs-Detektoren

(16) zur Umwandlung von ungleichförmig einfallender Strahlung in ein korrespondierendes Anzeigesignal und eine Einrichtung zur Relativverlagerung der Strahlungsquelle und der Detektoreinrichtung auf einem Winkelweg zur Rotationsachse, um aufeinanderfolgend unterschiedliche Gruppen dieser Detektoreinrichtung zu bestrahlen und dadurch eine Folge von , Anzeigesignalen zu erhalten, die eine Darstellung der Strahlungsdurchlässigkeit im zwischen dem von der Strahlungsquelle durchlaufenen Weg und der Detektoreinrichtung liegenden Bereich sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Signalverarbeitungseinrichtung (17) zur Zusammenfassung aller Anzeigesignale zu einem Abbildungssignal und eine weitere, auf dieses Abbildungssignal ansprechende Einrichtung (21), welche eine Abbildung der Strahlungsdurchlässigkeit erstellt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung (15) die Rotationsachse (12) umschliesst und dass die Strahlungsquelle (11) im Abstand von der Rotationsachse innerhalb der Detektoreinrichtung liegt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung (15) kreisförmig ist und mit ihrem Zentrum auf der Rotationsachse (12) liegt und dass die Relativverlagerung zwischen der Strahlungsquelle (11) und der Detektoreinrichtung auf einer innerhalb der und konzentrisch zur Detektoreinrichtung vorgesehenen Kreisbahn stattfindet.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung (15) stationär bleibt und die Strahlungsquelle (11) die Rotationsachse (12) umkreist.