CH616582A5 - Device for tomographic scanning using hard radiation. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur tomographischen Abtastung mit harter Strahlung, um von Patienten Querschnittsabbildungen für diagnostische Zwecke zu erhalten. The invention relates to a device for tomographic scanning with hard radiation in order to obtain cross-sectional images of patients for diagnostic purposes.
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. Different methods and measurement geometries can be used in high-performance computed tomography. In the case of such a method, an X-ray radiation source and a detector device arranged fixedly to it are used, it being possible for this entire apparatus to be moved past a patient. A fan beam incident on the detector device generates a fan of measured values at different angles at every instant of the shift. During this shift, each detector records a series of parallel measured values at a certain angle. In order to also be able to obtain measured values under a new angle grouping, the apparatus consisting of the radiation source and the detector device is rotated and then moved again. The advantages of this method with double movement of the apparatus are: a high possibility of resolving the instantaneous values, since each detector can be scanned or queried in rapid succession and several times when the scanning beams hitting it cross a patient; it is not necessary to adjust the amplification factor since each scanning beam penetrates the patient completely; Regular calibration can be carried out before and after each scan. The disadvantages of this method are, in particular, that it works comparatively slowly because of the requirement for the two types of displacement of the apparatus (shifting and twisting) within the mechanical limits set thereby and that its relatively small fan beam angle requires a more frequent shift, which leads to an energy loss of X-rays .
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. Another scanning method also uses a fan radiation source and a detector device in a fixed position relative to one another, but this apparatus is rotated around the patient without a shift taking place.
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. Each detector records X-ray measurements that are tangent to a fixed circle. This method, which carries out only one movement path, has the advantage that it has a high scanning speed, since only mechanical movement is required, and further that it is possible to use a wide fan beam angle. However, this method also has disadvantages: firstly, a low scanning resolution because of the many small, closely spaced detectors that are required for accurate scanning, it is also necessary to provide a gain adjustment, since not every detector can scan through the entire patient, and finally, no regular calibration can be carried out, since calibration is only possible after the patient has left the measuring range, since, as already mentioned, each detector cannot scan across the entire patient.
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. The object of the invention is therefore to provide an improved computer-controlled tomography system which provides images with a high scanning resolution, does not require precise adjustment of the amplification between the detectors, in which the detectors are calibrated regularly and high-performance scanning is carried out by one fan-shaped X-ray beam can be made with a wide beam angle.
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. This object is achieved according to the invention in a device of the type defined at the outset by a radiation source for a fan beam of hard radiation, a device provided around an axis of rotation with adjoining radiation detectors for converting non-uniformly incident radiation into a corresponding display signal and a device for relative displacement of the radiation source and the detector device on an angular path to the axis of rotation in order to irradiate successively different groups of this detector device and thereby to obtain a sequence of display signals which represent the radiation permeability in the area lying between the path traversed by the radiation source and the detector device.
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. A signal processing device for combining all display signals into an imaging signal and a further device which responds to this imaging signal and which maps the radiation transmission can be connected to the device according to the invention for easier data evaluation.
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 A structurally advantageous arrangement can also be achieved in that the detector device encloses the axis of rotation and in that the radiation source lies within the detector device at a distance from the axis of rotation. It is a further functional advantage if the detector device is circular and its center lies on the axis of rotation and the relative displacement between the radiation source and the detector device takes place on a circular path provided within and concentrically to the detector device, the De2
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tektoreinrichtung stationär bleiben und die Strahlungsquelle die Rotationsachse umkreisen könnte. tector device remain stationary and the radiation source could orbit the axis of rotation.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand einer Zeichnung. Es zeigen: Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to a drawing. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer rotierenden Röntgenstrahlungsquelle und einer stationären Detektoreinrichtung nach den Merkmalen der Erfindung und Fig. 1 is a schematic representation of a rotating X-ray source and a stationary detector device according to the features of the invention and
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Strahlungsmessda-tengeometrie zur Veranschaulichung der Datenbildung an einem Detektor während eines Umlaufs der Röntgenstrahlungsquelle. 2 shows a graphical representation of the radiation measurement data geometry to illustrate the data formation on a detector during a revolution of the X-ray radiation source.
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. An X-ray radiation source 11 shown in FIG. 1 can be rotated about an axis of rotation 12 and emits a fan beam 13 of X-ray radiation at an angle which is sufficiently wide to overexpose an annular region 14 which is central to the axis of rotation 12 for a patient. When the X-ray radiation source 11 rotates, the fan beam 13 irradiates a concentric and stationary circular device 15 with scintillation detectors 16. At any time, the fan beam 13 simultaneously outshines a group of adjacent individual detectors 16 in order to be able to obtain a corresponding number of electrical measurement signals, each of which correspond to the X-ray transmission between the radiation source 11 and the respective detector 16. A signal processing device 17 is connected to the detectors 16 in order to combine their output measurement signals in such a way that an imaging signal is obtained which corresponds to the X-ray transmission of a cross-section of the patient located within the annular region 14, which is being scanned. An imaging device 21 is connected to the signal processing device 17 and provides a visible image of the scanned cross section depending on the imaging signal. The scanning system and the patient can be displaced in the axial direction relative to one another in order to be able to obtain a sequence of images which correspond to the cross sections offset in the axial direction.
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. FIG. 2 shows a graphical representation of the successive course of the radiation directions 22 between the radiation source 11 and a detector 16 ′ during one revolution of the X-ray radiation source 11. The detector 16 'is irradiated by the fan beam 13 during a portion of the circulation of the X-ray source 11. As soon as the X-ray radiation source 11 moves through this section of its orbit, the detector 16 ′ receives radiation primarily over a field of successive radiation directions 22, since the radiation source 11 runs along an arc that encompasses the entire circular ring area 14 for the patient. A corresponding sequence results for each of the detectors 16 during a complete revolution of the radiation source 11. The signal processing device 17 connects the signals from all detectors 16 in order to obtain a high-quality cross-sectional imaging signal or transverse axial tomogram, as is the case with conventional methods which use digital computer processing use, is delivered. The imaging device 21 records a visible image of the tomogram.
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. The present device is characterized by a number of features which make it possible to obtain high-quality computer tomograms without these having the disadvantages of conventional systems. The high scanning resolution is obtained in that each detector 16 can be scanned as often as the radiation source 11 rotates around the patient. Also, gain tuning is not necessary because each detector 16 receives the data through the patient. Should there be a mismatch in the gain, this would only result in a small DC voltage step in the final recorded image.
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. Another advantageous feature relates to the type of calibration of the detectors 16, which can be carried out during each scan, so that it is no longer necessary for the patient to emerge from the measuring range for a calibration process, which enables regular calibration.
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. It is also of particular advantage that the data can be summarized at high speed because of the only mechanical movement required (rotation of the source 11) and also that a wide angle can be selected for the fan beam 13, thereby reducing unnecessary loss of X-rays and overall more effective data acquisition is possible. The high speed of data acquisition is particularly desirable and significant because it means that the patient's breathing movement or other body movements are no longer important.
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. In one embodiment of the device described, which has been built and successfully used to generate tomograms with a high resolution, 600 individual detectors of the device have been exposed to an X-ray fan beam which has an angle of essentially 50 ° to the axis of rotation and approximately 2 to 10 mm spanned along the axis. An X-ray source with an energy of up to 150 kV at 100 milliamps was used, which could complete a cycle in 5, 10 or 20 seconds. A Date General Eclipse computer combined the 600 measured output signals, which were converted by analog-digital converters, into digital data. These converters worked according to the method described by A.V. Lakshmirarayanan under the title "Reconstruction from Divergent Ray Date" in Technical Report No. 92 of January 1975 of the Buffalo Computer Sciences Dept. the State University of New York.
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. The rotation of the radiation source in the case of a patient who remains stationary and an annular detector device provided is a preferred embodiment, and it would also be possible, according to the basic principles described, to keep the X-ray radiation source stationary and to rotate the object to be examined and the stationary detectors together.
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. A novel tomography imaging system has been described above which is characterized by high resolution, high performance data acquisition, and other features desired in a computerized tomographic system.
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