DE2117698A1

DE2117698A1 - Verfahren und Einrichtung zur Strahlendiagnostik

Info

Publication number: DE2117698A1
Application number: DE19712117698
Authority: DE
Inventors: Hanns-Immo 8520 Erlangen; Präg Rudolf Dipl.-Phys.Dr. 8521 Marloffstein; Schlichting Heidi Dipl.-Phys. 8520 Erlangen Friel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-04-10
Filing date: 1971-04-10
Publication date: 1972-10-19
Also published as: DE2117698B2; US3790786A

Description

Verfahren und Einrichtung zur Strahlendiagnostik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtung zur Strahlendiagnostik, d.h. zur Bestimmung der Verteilung.in einem Körper vorhandener radioaktiver Isotope durch zeilenweise Abtastung einer, von den davon ausgehenden Strahlen durchsetzten Meßfläche mittels einer Meßsonde, welche die Intensitätsverteilung in eine Folge von Impulsen umsetzt, die über einstellbare Teilstrecken von Bildzeilen hintereinander in einem Integrationszähler aufsummiert werden und bei dem mit den jeweiligen Impulssummen ein Aufzeichnungsorgan zur bildlichen Wiedergabe der Intensitätsverteilung steuerbar ist. Solche Geräte, die auch als Scanner bezeichnet werden, sind insbesondere in der medizinischen Diagnostik in Gebrauch, um etwa auf Papier handhabbare Abbildungen zu erhalten, von radioaktiven Stoffen, die in einen Körper eingebracht wurden und die z.B. so gewählt sind, daß sie durch selektive Anreicherung die krankhafte Veränderung eines Organs anzeigen.

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Um zu sichtbaren Bildern der Verteilung radioaktiver Stoffe in einem Körper zu kommen, sind verschiedene Möglichkeiten gegeben. In der.Regel werden derzeit Abtastgeräte verwendet, die zeilenweise fortlaufend die Signale aufnehmen, diese einem Mittelwertmesser zuführen,, der die ankommende Impulsrate in einen Meßwert umwandelt,.mit welchem z.B. ein Druckwerk oder Photoprinter etc.. zur Erstellung von Bildern angesteuert wird. Dabei erhält man Bilder, deren Schwärzung von der Intensität der Strahlung linear oder nicht linear abhängt, je nachdem, welche Art von Bild angestrebt wird. . ,

Bei einem anderen Verfahren kann der Meßwert durch digitale Untersetzung dem. Druckwerk so weit angepaßt werden, daß dieses ein brauchbares Bild erzeugen kann. Es gibt aber auch die Möglichkeit, die Ansteuergröße so zu erzeugen, daß die vom Detektor gemessene Impulsrate nach Durchlaufen eines sog. Impulshöhenanalysators während einer einstellbaren Zeit, die einer bestimmten Meß- oder Integrationsstrecke entspricht, in einem Zähler gesammelt wird. Am Ende der Integrationsstrecke wird der Inhalt des Zählers über das Druckwerk in eine ihm entsprechende Schwärzung umgesetzt. Bei'diesem Verfahren ist es vorteilhaft, daß die Integrationsstrecke dem Anwendungsfall angepaßt werden kann. Dies bietet die Möglichkeit, statistisch bessere und dadurch den Umständen entsprechend medizinisch besser deutbare Bilder zu erhalten.

Das letztgenannte Verfahren hat gemeinsam mit den analogen Mittelwertmessern den Nachteil, daß bei Verwendung hoher Zeitkonstanten bzw. großer Integrationsstrecken der ausdruckbare Meßwert immer erst nach Ablauf der Zeitkonstanten bzw. nach Durchlaufen der Integrationsstrecke ausgedruckt werden kann. Dies ergibt ein Bild, bei welchem die Verteilung der aus der Meß-

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fläche austretenden radioaktiven Strahlung in Bewegungsrichtung des Meßgerätes (Scanner) um eine Integrationsstrecke verschoben dargestellt wird. Dies ist besonders nachteilig bei der in der Isotopendiagnostik üblichen mäanderförmigen Abtastung, bei welcher sowohl die bei der Hinbewegung als auch die bei der Herbewegung durchlaufene Zeile zur Messung ausgenutzt wird. Dies würde in jeder Zeile zu einer Verschiebung um eine Integrationsstrecke und gegeneinander um eine solche der doppelten Länge führen. Bei bekannten Geräten wurden K^ inahmen ergriffen, um diesen sog. Bildzeilenversatz zu vermeiden. Dabei wurden benutzt: '

1. Wahl so kleiner Integrationsstrecken, daß-der immer auftretende Versatzeffekt wegen geringer Größe nicht störend in Erscheinung tritt. Dies bedingt aber sehr kurze Integrationsstrecken und die Einstellung einer z.B. wegen schlechter Statistik erforderlichen längeren Integrationsstrecke wird verhindert. Dies schließt in den meisten Fällen die Wahl der zur Bildübertragung optimalen Integrationsstrecke aus.

2. Messung der Verteilung nur im Verlauf einer Meßrichtung und Rücklauf ohne Messung. Bei dem so erhaltenen Bild, das nur nach einer Seite gemessen und geschrieben wird, ergibt sich bei jeder Zeile nach Größe und Richtung die gleiche Verschiebung des Bildes, so daß kein Versatzeffekt gesehen werden kann. Dabei wird aber die Meßzeit durch den notwendigen leeren Rücklauf von Meßsonde und Schreibwerk verlängert.

3· Mechanischer Ausgleich des Versatzes durch Verschieben des Drucksystems gegenüber dem Meßsystem. Die Größe der mechanischen Verschiebung muß hierbei jeweils der gewählten Integrationsstrecke angepaßt werden. Dabei kommt man aber zu

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großen elektromechanischen! Aufwand/ weil einerseits für jede Integrationsstrecke um einen anderen Betrag verschoben werden muß und andererseits sich in jeder Zeile die' Richtung der Wiedergabe ändert.

Erfindungsgemäß sind die obengenannten Nachteile bei dem beschriebenen Strahlendiagnostik-Verfahren zugunsten eines versatzfreien Bildes dadurch vermieden,, daß die über die einzelnen Integrationsstrecken erhaltenen Impulssummen jeweils in zugeordneten Adressen einer Speicherzeile abgespeichert werden uild ihre Weitergabe zur Steuerung des Aufzeichnungsorganes erst erfolgt, nachdem die Zeile voll abgetastet ist. De„r Ausdruck jeder Bildzeile erfolgt also jeweils frühestens dann,.wenn die■ Meßsonde bereits die darauf folgende Zeile abtastet. Dadurch steht der Meßwert, der ausgedruckt werden, soll, bei jeder beliebigen Druckzeile bereits am Anfang der Integrationsstrecke zur Verfügung und kann sofort ausgedruckt werden. Trotz mäanderförmiger Meß- und Abtastbewegung wird so ein in»Zeilenrichtung versatzfreies Bild geschrieben. Allerdings entsteht eine Verschiebung des Bildes senkrecht zur Zeilenrichtung, und zwar .um eine Zeile, was jedoch keine Nachteile mit sich bringt, weil dabei die Abbildung selbst ungestört bleibt. Die Integrationsstrecke kann frei

w gewählt werden und die beibehaltene Mäanderabtastung garantiert optimale Ausnutzung der Meßzeit.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß zuerst der jeweils durch Zählen der Einzelimpulse während des Durchlaufens ^; einer Integrationsstrecke an deren Ende erhaltene Meßwert in einem Speicher unter fortlaufender Adresse festgehalten wird. Beim Rücklauf wird bei Durchlaufen der in Zeilenrichtung örtlich gleichen Strecken in der nächsten Zeile ausgeschrieben, und zwar in der Welse, daß der Speicher in Meßrichtung von vorne nach hinten vollgeschrieben und in der nächsten Zeile in der

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Gegenrichtung ausgelesen wird. Lesen und Schreiben können aber in zeitlich sehr kurzem Abstand aufeinanderfolgen, d.h. man kann den einzelnen Bildpunktspeicher beim Beginn der Integration auslesen, so daß er am Ende der Integrationsstrecke für die Einspeicherung des angesammelten Meßwertes bereits wieder zur Verfügung steht.

Mit dem bislang beschriebenen Verfahren ergeben sich Bildpunkte, deren Größe einerseits durch die Zeilenbreite und andererseits durch die Länge der Integrationsstrecke gegeben ist. Bei sehr 'großen Integrationsstrecken erhält man daher recht grobe und meist störende Bildstruktur. Bei den bisher bekannten Verfahren besteht keine Möglichkeit, diesen Nachteil im Rahmen der digitalen Integration zu vermeiden.

Es sind zwar Verfahren bekannt, bei denen ein analoger Mittelwertmesser in mehrere Mittelwertmesser geteilt ist, die jeweils über eine bestimmte Zeit die gemessene Impulsrate aufintegrieren und dann zeitlich nacheinander zur Erhaltung eines Meßwertes ab- gefragt und auf den Meßwert Null zurückgesetzt werden. Die Meßoder Integrationszeit wird hierbei durch RC-Glieder bestimmt und ist unabhängig von der Höhe der Meß- oder Abtastgeschwindigkeit. Bei Änderung der Abtastgeschwindigkeit wird daher die Integrationsstrecke verändert, ohne daß ihre Größe immer bekannt ist. Für den Ausgleich des Versatzes ist es aber wichtig, diese Strecke zu kennen. Bei digitaler Integration kann hingegen die Integrationsstrecke von der Abtastgeschwindigkeit, d.h. der Geschwindigkeit der Meßsonde, unabhängig gemacht werden, weil die Integrationszeit beliebig, so auch in Abhängigkeit der durchlaufenen Meßstrekke, gesteuert werden kann.

Die grobe Struktur, die bei digitaler Integration und großen Integrationsstrecken auftritt, kann in Weiterbildung der Erfin-

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dung dadurch umgegangen werden, daß bei der Messung mehrere Zähler über örtlich versetzte einander überlappende Integrationsstrecken mehrere Meßwerte bilden. Diese können getrennt oder nach Bildung eines Mittelwertes in örtlich zugeordnete Adressen der Speicherzeile eingeschrieben werden. Bei ungerader Anzahl von Zählern kann der Meßwert in vorteilhafter Weise immer der Mitte der Integrationsstrecke zugeordnet werden. Die Zähler können dann in immer wiederkehrender fester Reihenfolge abgefragt werden. Dies bewirkt den Vorteil, daß sich die Steuerung des Programmablaufes wesentlich vereinfacht. Eine Zeile des Bildes besteht dann im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren bei gleicher Wahl der Integrations.strecke aus mehreren Einzelbildpunkten kleinerer Abmessungen. Eine störende Grobstruktur des Bildes kann so auch bei großen Integrationsstrecken vermieden werden, weil die" Bildpunkte näher beieinander liegen. Andererseits können gegenüber den bekannten Verfahren die Integrationsstrecken wesentlich vergrößert werden, was zu dem Ergebnis führt, daß, wenn es die Meßaufgabe erlaubt, sehr gute statistische Glättung unter Vermeidung störender Grobstruktur erreicht werden kann.

Das Verfahren nach der.Erfindung bietet auch Vorteile, wenn zwei, von zwei verschiedenen Detektoren aus gleichen oder verschiedenen Objekten gewonnene Meßwerte mathematisch oder logisch miteinander verknüpft und aufgezeichnet werden sollen. Dies ist auch der Fall, wenn mittels zwei energetisch sich unterschei- ■ denden Isotopen in einem Detektor Meßwerte gewonnen normiert, numerisch voneinander subtrahiert und simultan aufgezeichnet werden. Bei derartigen Verfahren können nämlich die sonst störenden auf dem Versatz beruhenden Unterschie'de der Meßwerte vermieden werden.. Man erhält nur die Verknüpfungs-, z.B. Differenz-Ergebnisse der Meßwerte von übereinstimmenden Orten.

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Die Vorteile und Merkmale der Erfindung sind nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten AusfUnrungsbeispiele eines Diagnostikgerätes mit gleitender digitaler Integration, elektronischem Versatzausgleich und Rechenwerk weiter erläutert.

In der Pig. 1 Ist ein Ubersichtsschaubild eines erfindungsgemäß ausgestatteten Abtastgerätes gezeichnet,

in der Fig. 2 ein Blockschaltbild, aus welchem die Funktion des Gerätes schematisch ersichtlich wird,

in der Fig. 3 das Ein- und Auslesesystem des Speichers und

in der Fig. 4 die Verwendung einender überlappender mehrerer Integrationsstrecken.

In der Fig. 1 ist mit JO der Kasten bezeichnet, der als Grundeinheit des Abtastgerätes anzusehen ist. Dieser Kasten'enthält die nicht gesondert dargestellten und vorbekannten Antriebsein-; richtungen für den Meßkopf Jl, der über einen Balken 3² in abtastende Bewegung entsprechend der Doppelpfeile 33 und 34 versetzt werden kann. Das im Meßkopf_31 mit der dort gelagerten Meßsonde aufgenommene Signal wird bei dem dargestellten Gerät in dem Schreibkopf 35, der mittels des Armes 36 mit dem Balken fest verbunden ist, synchron auf der Schreibfläche 37 wiedergegeben. Der Meßkopf befindet sich oberhalb der Patientenlagerung 3o> die der Höhe nach verstellbar ist und auch der Länge nach in Richtung des Doppelpfeiles 34 verschiebbar ist. Die hauptsächlichen elektronischen Schaltteile sind in dem-Ansatz-Kasten 39 untergebracht, an dessen Oberseite die Einstellknöpfe und Skalen 4l sichtbar sind.

BAD ORiGJNAL

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-fain der Pig. 2 ist der als Meßsonde dienende Szintillationszähler,^, der sich im Meßkopf' ~J>1 befindet, über die Leitung 42 einerseits mit der zu seinem Betrieb nötigen Hochspannungsquelle 44 und andererseits mit dem Verstärker 45 verbunden. Vom Verstärker führt über die Leitung 46 eine Verbindung zum Impulshöhenanalysator 47, der eine Verbindung 4b zum Untersetzer und Integrationszähler 49 aufweist. Dieser weist einerseits eine Verbindung 50 zum Speicher 51 auf und andererseits eine Verbindungsleitung-52 zur Programmsteuerung 53» die über die Leitungen 5^ und 55 sowohl eine Verbindung zum Speicher 51 als aucn eine solche zum Meßwert-Frequenzwandler 56 aufweist. Der Wandler 56 weist außerdem selbst eine Leitung 57 vom Speicher 5I auf und eine Leitung -.58 zur Wiedergabeeinheit, d.h.. zum Schreibund Drucksystem 59, das sich im Schreibkopf.35 befindet. Der Stylus 60 des Systems 59 stellt den eigentlichen Schreiber dar, der in bekannter Weise in Richtung des Doppelpfeiles öl bewegt unter Zwischenlegung eines Farbbandes auf ein Aufzeichnungsblatt schlägt, welches auf der Fläche 37 (^¹Ig. 1) liegt und in der Fig. 2 nicht gesondert dargestellt ist.

Beim Meßyorgang wird die von einem auf der Lagerung 38 angeordneten Patienten aus dem mit dem Kreuz 62 symbolisierten Organ ausgehende Strahlung, die in der Fig. 2 mit einer Wellenlinie gekennzeichnet ist, im Kristall 64 des Zählers 42 in Lichtblitze umgesetzt, die in der Vervielfacherstufe 65 in elektrische Impulse umgewandelt wird. Diese Signale werden im Verstärker 45 verstärkt und im Impulshöhenanalysator 47 ausgewählt entsprechend der von dem eingesetzten Isotop zu erwartenden Größe, um die Wirkung fremder störender Strahlen zu vermeiden. Im Untersetzer und Integrationszähler 49 werden über die in der Programmsteuerung 53 eingestellte Integrationsstrecke, d.h. bestimmte vom Meßkopf 31 zurückgelegte Wegstrecken, erzeugten Impulse, die

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vom Zähler 42 eingefangen werden, aui'summiert und dann in den Adressen der Zeile 6j des Speichers 51, die in der Pig. J mit bis 18 und in der zweiten Zeile mit 19 bis 27 bezeichnet sind, in Richtung des Pfeiles 66 eingespeichert.

Die Auslesung erfolgt dann, wie in der Zeile 6b angedeutet, in Richtung des Pfeiles 69 vom Speicherplatz 2¹J her. Die· Zeile 6ö ist nur zur Erklärung gestrichelt gezeichnet und für die Funktion der Anordnung nicht erforderlich. Gleichzeitig mit dem "Auslesen erfolgt nämlich das erneute Einlesen entsprechend den in der Zeile 67 mit 1' bis 9' angedeuteten Speicherplätzen. Die Aufzeichnung entsprechend der Stellung des Zählers 42 und Wiedergabe entsprechend der Stellung des Drucksystems 59 befindet sich bezüglich der Speicherzeile 67 an der Stelle der gestrichelten Linie, die mit A bezeichnet ist. Man benötigt also für die Aufnahme und Wiedergabe nur die eine Zeile 67.

In der Fig. 4 ist die Abtaststrecke dreigeteilt dargestellt,und zwar in drei übereinanderliegenden Zeilen 71, 72 und 7j>, aie jeweils eine Skala aufweisen, von welcher die zweite um eine, die dritte um eine weitere Drittelteilung der Integrationsstrecke gegeneinander versetzt ist. Es sind drei Unterteilungen 7I bis vorgesehen, weil dann der Meßwert immer der Mitte der jeweiligen Strecke 74 zugeordnet werden kann. Dazu ist erforderlich, daß der Speicher, 76 eine Anzahl von Adressen enthält, welche um den Paktor j5 größer ist als die Zahl der Integrationsstrecken, die sich bei maximaler Zeilenlänge ergibt. Nur dann ist eine ausreichende Anzahl von Speicherplätzen vorhanden, um die Einzeloder Mittelwerte der über die jeweiligen Integrationsstrecken aufgelaufenen Impulssummen nebeneinander einspeichern zu können. Die Aufnahme erfolgt in der Richtung des Pfeiles 75 und es wird in jede Adresse der Speicherzeile ^r(6 jeweils nach Ablauf der

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zugehörigen Integrationsstrecke entweder die in dieser aufgelaufene Impulssumme oder ein Mittelwert aus den bis dahin über alle drei Integrationsstrecken 71* 72/73 aufgelaufenen Impulssummen eingelesen. Die Aufsummierung der Impulse erfolgt in jeweils einem Integrationszähler, d.h. im vorliegenden Fall in drei Zählern, bei denen die Zählung wie beim Zähler 49, Fig. 1, erfolgt. Zur Steuerung der Schreib- und Lesevorgänge ist eine Programmsteuerung (vgl. 5j5> Fig. 1) vorgesehen. In der Speicherzeile 76 wird .so ein fortlaufendes Meßergebnis erhalten, wie in der Fig. 3, in Zeile 67. Die Auslesung erfolgt so, daß die Zeile an die Stelle der nur zur Veranschaulichung gezeichneten Zeile verschoben und so jeder Einspeicherungsplatz jeweils der Mitte der zugehörigen Integrationsstrecke l^x bis 25^X, 2^X bis 26^X oder 2^X bis 27^X zugeordnet ist. .Die Ausleserichtung entspricht dem Pfeil 76. · ■ .

Obwohl es für die Erfindung ausreichend ist, eine Speicherzeile zu verwenden, kann es doch Vorteile bieten, mehrere davon vorzusehen. So kann z.B. nach Speicherung von vier Abtastzeilen eine sog. Ausgleichsreehnung durchgeführt werden, um geglättete Bilder zu erhalten. Dabei wird bekanntlich eine Mittelung über einander benachbarte Bildpunkte aus mehreren aufeinanderfolgenden Bildzeilen durchgeführt. Diese erfolgt in der-Regel etwa über fünf oder neun Elemente, wobei die benutzten Elemente entsprechend bewichtet werden.

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Claims

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Patentansprüche

1.) Strahlendiagnostikverfahren zur Bestimmung.der Verteilung in einem Körper vorhandener radioaktiver Isotope durch zeilenweise Abtastung einer von den davon ausgehenden Strahlen durchsetzten Meßfläche mittels einer Meßsonde, welche die Intensitätsverteilung in eine Folge von Impulsen 'umsetzt, die über einstellbare Teilstrecken von Bildzeilen hintereinander in einem Integrationszähler aufsummiert werden und bei dem mit den jeweiligen Impulssummen ein Aufzeichnungsorgan zur bildlichen Wiedergabe der Intensitätsverteilung steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulssummen jeweils in zugehörigen Adressen einer Speicherzeile abgespeichert werden und ihre Weitergabe zur Steuerung des Aufzeichnungsorganes frühestens' während des Abtastens der nächsten Bildzeile erfolgt,

2. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Integrations- (49) und der Wiedergabeeinheit (59) ein Speicher (51) angeordnet ist, der. nur eine Speicherzeile (67) umfaßt.

5. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Integrationszähler (49) vorgesehen sind, deren zugeordnete Integrationsstrecken (74) einander überlappen.

Ά. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Integrationszähler ungerade ist.

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5. Gerät nach Anspruch j5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Speicheradressen durch die Anzahl der vorgesehenen Zähler teilbar ist.

6. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einspeicherung ein Mittelwert aus den jeweiligen Meßwerten der Integrationszähler benutzt wird.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einspeicherung das arithmetische bzw. geometrische Mittel benutzt ist.

8. Gerät nach einem der Anspruch 2 bis ¹J, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, insbesondere vier Speieherzeilen vorgesehen sind.

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