DE2426343A1

DE2426343A1 - Vorrichtung zur untersuchung von objekten mittels durchdringender strahlung

Info

Publication number: DE2426343A1
Application number: DE19742426343
Authority: DE
Inventors: Godfrey Newbold Hounsfield
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1973-06-01
Filing date: 1974-05-29
Publication date: 1974-12-12
Also published as: DE2462564A1; US3940625A; DE2426343C2; JPS558790A; JPS5923205B2; JPS5028894A; JPS5436837B2; DE2462564B2; GB1475492A

Description

ElKENBERG & BRÜMMERSTEDT

PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

EMI LIMITED . 100/441

Vorrichtung zur Untersuchung von Objekten mittels durchdringender Strahlung

Die Erfindung "betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung von Objekten mittels durchdringender Strahlung, beispielsweise mittels Röntgenstrahlung.

In der GB-PS 1 283 915 ist eine Torrichtung zur Untersuchung eines ebenen Abschnittes oder einer Scheibe eines Körpers mit durchdringender Strahlung beschrieben, mit dem ein Abbild der Absorption oder Durchlässigkeit der kleinen Elemente der Scheibe rekonstruiert werden kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen der in der genannten Patentschrift beschriebenen

409850/0956

Vorrichtung ist es erforderlich, daß die Röntgenstrahlung ein sektorförmiges PeId "bildet. In diesen Pail ist eine Gruppe von Detektoren vorgesehen, die die Strahlung ermittelt, die auf schmalen Wegen von der Strahlungsquelle zu den Detektoren gelangt· Die Strahlungsquelle und die Detektoren sind ferner um eine zur Ebene des !Feldes senkrechte Achse drehbar, so daß von jedem Detektor für mehrere verschiedene ¥inkellagen der entsprechenden Strahlen jeweils ein Ausgangesignal gewonnen werdm kann. Jeder Detektor liefert somit eine Angabe über die Durchlässigkeit des Körpers für die Strahlung entlang einer Anzahl von Strahlen. Die Bildrekonstruktion wird dann unter Verwendung dieser Ausgangesignale durchgeführt.

Wenn die Röntgenstrahlung in Porm eines sektorförmigen Feldes vorhanden ist, sollte die Strahlenquelle eine hohe Ausgangsleistung haben, so daß die Detektoren jeweils in einem verhältnismäßig kurzen Zeitintervall einen Eingang feststellen können, aus dem sie die Ausgangssignale erzeugen. TJm diese hohe Strahlungsleistung zu erzielen, kann eine Coolidgeröhre mit drehbarer Anode verwendet ^werden. Bei einer solchen Röhre hat die drehbare Anode einen schrägen Rand, von dem die Röntgenstrahlung mittels eines von der Kathode ausgesandten Elektronenstroms erzeugt wird. Das benötigte Strahlungsfeld kann durch Bündelung der Röntgenstrahlung erzeugt werden, und es gibt eine Reihe von für die Bündelung der Strahlung geeigneten Richtungen, während andere Richtungen wegen der Nähe der Kathode für die Bündelung ungeeignet sind. Schwierigkeiten ergeben sich jedoch dadurch, daß bei Bündelung von Röntgenstrahlen zu einem Feld die Wahrscheinlichkeit der Verteilung nicht grundsätzlich gleich

409850/09 56

istj und auch mit der Drehung der Anode schwanken kann, wohingegen eine genaue Bildrekonstruktion erfordert, daß die Strahlungsdichte jedes - Strahls "bekannt sein sollte·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeiten zu vermindern. Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß Mittel zur Erzeugung der Strahlung und deren Aussendung in zahlreiche.'. Richtungen und Mittel zur Bündelung der Strahlung zu einem ebenen PeId vorgesehen sind, daß Detektormittel zur Überwachung der Intensität der Strahlung an verschiedenen Stellen entlang der Breite des Feldes sowie Mittel zur Ableitung von Ausgangssignalen, die einMaß für die Durchlässigkeit der Strahlung entlang mehrerer, in Längsrichtung des Feldes verlaufender Strahlen sind, vorgesehen sind, und daß Mittel zur Modifizierung der Ausgangssignale in Abhängigkeit der von den Detektormitteln abgeleiteten Signale vorgesehen sind.

Vorzugsweise bestehen die Mittel zur Erzeugung der Strahlung aus einer Röhre mit drehbarer Anode, die an ihrem Umfang einen schrägen Rand aufweist, von dem im Betrieb der Röhre Strahlung ausgesendet wird, und die Mittel zur Bündelung sind vorzugsweise so .angeordnet; und ausgebildet, daß ein Strahlungsfeld erzeugt wird, das oder dessen mittlere Achse tangential oder nahezug tangential zu der Randfläche verläuft.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

409850/0956

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Untersuchung eines Körpers mittels durchdringender Strahlung,

Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Coolidgeröhre mit rotierender Anode, die als RÖntgenstrahlungsquelle in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung verwendbar ist,

Fig. 3 eine Vorderansicht der rotierenden Anode mit einer wahrscheinlichen Verteilungsfunktion der Röntgenstrahlung,

Fig. 4 eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 2, wobei die Richtung der von der rotierenden Anode ausgesendeten Röntgenstrahlung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gebündelt wird und

Fig. 5 eine andere und "bevorzugte Richtung, in

der die Strahlung gemäß der Erfindung gebündelt wird.

Die in Figur 1 schematisch dargestellte Vorrichtung dient zur Untersuchung ebener Abschnitte des menschlichen Körpers mittels Röntgenstrahlung, wobei aus der Absorption oder

409850/0956

Durchlässigkeit der elementaren Bereiche des Abschnittes für die Röntgenstrahlung ein Bild rekonstruiert werden kann. Die Torrichtung besteht aus einem Teil 1 mit einer Ausnehmung, in die der zu untersuchende Seil des Körpers eines Patienten eingeführt und örtlich festgelegt werden kann. Das Teil 1 ist. ortsfest im Bezug auf den nicht dargestellten Rahmen der Yorrichtμng. Ein Stuhl oder ein Tisch für den Patienten ist ortsfest im Bezug auf den Rahmen vorgesehen. An einem Abtastring 3» der um das Teil 1 drehbar ist, befindet sich eine Röntgenstrahlenquelle 2, wobei ein Elektromotor 4 einen Rand 5 am Umfang des Ringkörpers 3 antreibt und dafür sorgt, daß der Ringkörper während der Untersuchung des Patienten mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben' wird. Die Röntgenstrahlungsquelle 2 ist mit einem Kollimator 6 versehen, der die Strahlung der Quelle 2 in ein dünnes ebenes, sektorförmiges EeId 7 bündelt, dessen winkelmäßige Ausdehnung ausreicht, um die Ausnehmung, im Teil 1 zu erfassen.. Das EeId ist dünn in der Ausdehnung senkrecht zur Papierebene, so daß nur ein dünner Abschnitt oder eine : Scheibe des Patienten von dem Röntgenstrahlenfeld durchdrungen wird. Eine Gruppe von Detektoren 8, von denen jeder einen eige- ^; nen Kollimator 9 aufweist, dient zum Empfang der Strahlung, nach dem diese die Ausnehmung im Teil 1 durchquert hat, wobei die Kollimatoren 9 bewirken, daß jeder Detektor nur die Strahlung eines in Längsrichtung des Feldes verlaufenden schmalen Strahls empfängt. Die einzelnen Detektoren liefern daher Ausgangssignale, die die Durchlässigkeit der Strahlung auf mehreren, seitlich '; einen Abstand voneinander aufweisenden Strahlenwegen darstellen. Da der Ringkörper 3 sich dreht, werden von den einzelnen Detektoren 8 fortlaufend Ausgangssignale erzeugt, so daß zahlreiche : Gruppen von Signalen geliefert werden, die den verschiedenen Winkelstellungen des Ringkörpers 3 entsprechen. Diese Signale

409850/095 6 j

werden über eine Kompensationsschaltung 10 einer Bildrekonstruktionsschaltung 11 zugeführt, in der ein Bild erzeugt wird, das die unterschiedliche Durchlässigkeit oder Absorption der untersuchten Scheibe darstellt. Die Rekonstruktionsschaltung 11 kann beliebig ausgebildet sein, beispielsweise wie die in der GB-PS 1 283 915 beschriebene Schaltung, so daß die Arbeitsweise dieser Schaltung nicht näher erläutert zu werden braucht. In der genannten Patentschrift ist ein iteratives Rekonstruktionsverfahren beschrieben, es können jedoch auch ein Konvolutionsver- . fahren oder andere logische Prozesse angewendet werden.

Die Genauigkeit der Rekonstruktion hängt in starkem Maß von der Genauigkeit der Messung der Absorption ab, die ein jeweils auf einen Detektor 8 auftreffendef Strahl erfährt. Daher ist ein genaues Wissen der Intensität eines jeden Strahls an dem Punkt erforderlich, wo er aus der Quelle 2 austritt. Bei dem großflächigen, von einer Coolidgeröhre mit rotierender. Anode erzeugten Strahlungsfeld 7 kann die Verteilung der Strahlungsdichte beträchtlich innerhalb des Feldes schwanken. Um diesen Machteil zu vermeiden, sind mehrere Detektoren 12, (in der Zeichnung sind drei Detektoren dargestellt) unmittelbar vor der Öffnung des Kollimators 6 so angeordnet, daß neben einer Hauptfläche des Feldes 7 Strahlung auf sie trifft. Die Detektoren 12 sind über der Breite des Feldes verteilt.und überwachen die Intensität der Strahlung.

Die von den Detektoren 12 abgeleiteten Überwachungssignale werden einer Rechenschaltung 13 zugeführt, die für jeden Strahl des Feldes, der von den Kollimatoren 9 bestimmt

409850/0956

ist., einen Korrekturfaktor ableiten· Unter der Annahme, daß die Intensitätsverteilung der Strahlung einem parabolischen ■ Gesetz; folgt, sind drei Detektoren 12 dargestellt, da in diesem Falle drei Detektoren ausreichen, um das Gesetz zu erfüllen. Die Zahl der Detektoren kann jedoch je nach Genauigkeitsan- ^; forderungen variiert werden. Die in der Schaltung 13 abgelei- ^: teten Korrekturfaktoren werden der Kompensationsschaltung 10 : zugeführt, um die Ausgangesignale der verschiedenen Detektoren 8 in der erwünschten Weise zu korrigieren. Die Schaltung 10 ist als getrennte Schaltung dargestellt, jedoch kann sie auch in der Bildrekonstruktionsschaltung 11 enthalten sein.

Die Strahlungsquelle Λ ist eine Cooligderöhre mit rotierender Anode, die die für eine genaue Bildrekonstruktion erforderliche Intensität der Strahlung jedes Strahles gewähr- " leistet. Gemäß Figur 2 "besteht die Röhre aus einem hoch evakuierten Kolben 20, beispielsweise aus Pyrexglas, einer Kathode 21 und einer in dem Kolben gelagerten drehbaren Anode 22. An die Kathode und an die Anode Bind eine He'izspannungsquelle 18 und eine Betriebsspannungsquelle 19 angeschlossen. Ein Wassermantel ' 23 dient als Wärmeableitung für die Anode 22. Die Anode 22 besitzt am Umfang einen schrägen Rand 28, der eine abgewinkelte Zielfläche für einen Elektronenstrahl 24 bildet, der gemäß einem Merkmal der Erfindung auf den Rand in Form eines radial-' . verlaufenden Schlitzes 25 (siehe Figur 3) auftrifft. Als Folge ; des Bombardements der Zielfläche durch den Elektronenstrahl 24 wird Röntgenstrahlung in nahezu allen Richtungen von der Zielfläche entsprechend einer Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion ausgesendet, die durch die gestrichelte Umrandung 26 in _; Figur 3 dargestellt ist. Diese Funktion gilt für eine Ebene, die tangential zum Rand 28 am Schlitz 25 liegt. Bisher war es

'409 8 50/09 5 6

üblich, die Röhre 1 mit einer nicht dargestellten Bleiumhüllung zu umgeben, die mit einem Fenster und einem daran befestigten Kollimator versehen wurde, wobei das Fenster so angeordnet wurde, daß es Strahlung empfangen konnte, die in Richtung des Pfeiles 27 in Figur 3 ausgesendet wurde, d.h. in der Richtung, in der die Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion 26 ihren maximalen ¥ert annimmt. Es ist aber ersichtlich, daß der Viert der Punktion 27 an beiden Seiten des Maximumwertes rasch abfällt, so daß es notwendig ist, die Größe des Fensters so zu begrenzen, daß es nur einen dünnen Strahl durchläßt, damit die Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion über den Querschnittsabmessungen des Strahls annähernd konstant gehalten wird.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung werden das Fenster und der Kollimator 6 aber so angeordnet, daß sie Röntgenstrahlung empfangen, die im Querschnitt etwa rechteckförmig und in der Ebene etwa sektorförmig ist, um so das Feld zu bilden. Die Mittellinie des Feldes 7 liegt rechtwinklig zur Mittellinie des Elektronenstrahls 24. In anderen Worten erstreckt sich das Feld 7 etwa tangential zur Zielfläche 28 der Anode, während der Elektronenstrahl 24 radial dazu verläuft. Da die Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion 26 über der Breite des Feldes 7 einen breiten Minimumwert besitzt, tritt nur eine begrenzte Schwankung der Wahrscheinlichkeit über der Breite des Feldes auf, obwohl dieses im Vergleich zu der entsprechenden Abmessung des Elektronenstrahls 24 eine erhebliche Größe aufweist.

Die Schwankung der Funktion 26 über der Breite des Feldes 7 wird, wie schon erwähnt wurde, durch die Strahlungsdetektoren 12 überwacht, die in einer Reihe über der Breite in der erwähn-

409850/0956

ten Bleiumhüllung angeordnet sind und in einer Ebene liegen, die etwas von der oberen oder unteren Ebene des Fensters in der Umhüllung versetzt ist, so daß die Detektoren 12 den Durchlaß der Strahlung durch das Fenster nicht beeinträchtigen.

Die Detektoren 12 empfangen daher die Strahlung neben der oberen oder unteren Hauptfläche des Feldes. Schwankungen bei der Aussendung der Strahlung über der Breite des Feldes 7 können dadurch kompensiert werden.

Wenn die Anode 22 rotiert, ist es möglich, daß verschiedene Seile unterschiedliche Emissionseigenschaften aufweisen, und daher ist es von Torteil, wenn man eine genaue Korrelation der Emissionseigenschaften bei der Drehung der Anode 22 erhält. Dies läßt sich erreichen, wenn man von den Detektoren 12 und von der nicht dargestellten Antriebsschaltung zur Drehung der Anode 22 abgeleitete Signale verwendet. Um einen Bezugspunkt für jede Umdrehung der Anode zu erhalten,wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung das Auftreffen des Elektronenstrahls auf die Zielfläche der Anode 22 so eingestellt, daß der Schlitz.25 (Fig. 3) sich über den Innendurchmesser der Zielfläche hinaus um einen leil 25a (Fig. 4) erstreckt. Ein Punkt 29 aus fluoreszierendem Material ist unmittelbar innerhalb des Innenumfangs der Zielfläche angeordnet, so daß der Teil 25a des Elektronenstrahls einmal pro Umdrehung der Anode 22 auf ihn trifft, ihn dadurch zum Fluoreszieren bringt und ein Iiichtausgangssignal erzeugt, das mit einem nicht dargestellten Fotodetektor erfaßt werden kann.

Die bevorzugte Ausführungsform des Kollimators ist jedoch in Figur 5 dargestellt. In diesem Falle ist der Kolli-

409850/0 956

mator, der nicht dargesta.lt ist, da seine Konstruktion klar ist, so angeordnet, daß er ein Strahlungsfeld 7 auswählt, das etwa senkrecht zum Schlitz 25 verläuft, d.h. zum schmalen Streifen auf der Anode,'auf den der Elektronenstrahl 24 auftrifft. Bei dieser Anordnung "bestimmt der Schlitz 25 die Dicke der zu untersuchenden Scheibe. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß eine gleichmäßigere Verteilung der Strahlungsdichte in der Ausdehnung der Dicke des Feldes erreicht wird und ebenfalls die Gleichmäßigkeit der Verteilung über der Breite des Feldes verbessert wird ·

Wenn die Röntgenstrahlung von der Anode so abgeleitet wird, daß eine nennenswerte Winkelspreitzung in einer Ebene senkrecht zur aussendenden Oberfläche entsteht wie im Fall des Feldes 7 in Figur 5, neigt der Strahl zu einer Schwankung der Härte in Abhängigkeit von dem Winkel, unter dem die Strahlen von der Oberfläche der Anode austreten. Im Beispiel von Figur wird xäiese Schwankung durch einen absorbierenden Keil 30 kompensiert, der eine Absorption in Abhängigkeit vom Winkel bewirkt. -Der Keil ist so geformt, daß sichergestellt wird, das die Härte der Röntgenstrahlung unabhängig vom Winkel ist, so daß sie nahezu gleichmäßige Absorptionseigenschaften in Bezug auf den untersuchten Körper aufweist.

- Patentansprüche -

409850/0956

Claims

Patentansprüche

^r1.!Vorrichtung zur Untersuchung von Objekten mittels durchdringender Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (2) zur Erzeugung der Strahlung und deren Aussendung in zahlreiche. Richtungen und Mittel (6) zur Bündelung der Strahlung zu einem , ebenen Feld (7) vorgesehen sind, dass Detektormittel (12) zur Überwachung der Intensität der Strahlung an verschiedenen Stellen entlang der Breite des Feldes (7) sowie Mittel (8) zur Ableitung von Ausgangssignalen, die ein· Maß für die Durchlässigkeit der Strahlung entlang mehrerer, in Längsrichtung des 3?eldes verlaufender Strahlen sind, vorgesehen sind, und dass Mittel (10) zur Modifizierung der Ausgangssignale in Abhängigkeit der von den Detektormitteln (12) abgeleiteten Signale vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (2) zur Erzeugung der Strahlung aus einer Röhre mit drehbarer Anode (22) bestehen, daß die Anode an ihrem Umfang einen schrägen Rand (28) aufweist, von dem im Betrieb der Röhre Strahlung ausgesendet wird, und dass die Mittel zur Bündelung so angeordnet und ausgebildet sind, dass ein Strahlungsfeld erzeugt wird,.das oder dessen mittlere Achse tangential oder nahezu tangential zu der Randfläche (28) verläuft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung von einem etwa radialen Streifen (25) der Randfläche ausgesendet wird und die Ebene des Feldes (7) senkrecht zu dem Streifen verläuft und die Länge des Streifens die Dicke der untersuchten Scheibe des Objekts bestimmt.

409850/0956
4. "Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die überwachenden Detektormittel (12) so angeordnet sind, daß die Strahlung neben einer der Hauptflächen des Feldes (7) auf sie trifft.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet« daß Mittel zur Überwachung der WinkeTbewegung der Anode (22) derart vorgesehen sind, daß eine Kompensation von Intensitätsschwankungen im Bezug auf die Winkerbewegung durchführbar ist,
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (30) zur Kompensation der Härte der Strahlung über der Breite des Peldes (7) vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das PeId (7) sektorförmig ausgebildet ist.

^Bs/bk 4.0985.0/09

Leerseite