DE2458225A1

DE2458225A1 - Roentgen-schichtgeraet zur herstellung von transversal-schichtbildern

Info

Publication number: DE2458225A1
Application number: DE19742458225
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Phys Linke; Ernstpeter Ruehrnschopf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-12-09
Filing date: 1974-12-09
Publication date: 1976-06-16
Also published as: FR2294456B1; GB1521084A; FR2294456A1; BE836321A

Description

Röntgen-Schichtgerät zur Herstellung von Transversal-Schichtbildern

Die Erfindung betrifft ein Röntgen-Schichtgerät zur Herstellung von Transversal-Schichtbildern eines Aufnahmeobjektes, bestehend aus einer Röntgenstrahlmeßanordnung mit einer Röntgenstrahlenquelle, die ein das Aufnahmeobjekt durchdringendes Röntgenstrahlenbündel erzeugt, dessen Querschnittsausdehnung senkrecht zur Schichtebene gleich der Schichtstärke ist, mit einem Strahlungsempfänger, der die Strahlungsintensität der Röntgenstrahlung vor ihrem Eintritt in das Objekt als Bezugswert und einem weiteren Strahlungsempfänger, der die Strahlungsintensität hinter dem Objekt durch Abtastung des projizierten Strahlenbündels in aufeinanderfolgenden äquidistanten Punkten als Schwächungswerte ermittelt, aus einem Vergleichsglied, das aus beiden Werten die Meßgröße bildet sowie aus einer Antriebsvorrichtung für die Meßanordnung, bestehend aus einem Drehgestell zur Erzeugung von Drehbewegungen der Röntgenstrahlenmeßanordnung um kleine äquidistante Winkelbeträge um eine etwa mit der symmetrischen Lärgoachse des Aufnahmeobjektes deckungsgleiche Drehachse in wecnselnder Folge mit je einer Abtastung und schließlich aua einem Meßwertumformer für die Transformation der Meßwerte in ein Schichtbild.

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Ein solches Röntgen-Schichtgerät ist aus der Deutschen Patentschrift 6 93 374 bekannt. Das dort beschriebene Schichtbildverfahren macht von der Erkenntnis Gebrauch, daß die Gesamtheit der aus dem zu schichtenden Körper austretenden Strahlen, die den Körper in Richtung der Querschnittsebene von unendlich vielen Seiten durchdringen, das Schichtbild des Querschnitts determinieren. Dabei wird eine Röntgenstrahlenmeßanordnung verwendet, bei der eine Röntgenröhre ein schmales Röntgenstrahlenbündel , beispielsweise in Form eines Fächers erzeugt, der den aufzunehmenden Körper in der Schichtebene durchstrahlt und ein in Strahlenrichtung hinter dem Körper angeordneter Strahlenempfänger die dort vorkommenden Strahlenintensitäten registriert. Dabei ist die Röntgenstrahlenmeßanordnung relativ zum Körper um eine etwa durch die symmetrische Mitte des Körpers verlaufende Drehachse schwenkbar. In wechselnder Folge mit je einer Registrierung wird eine Schwenkbewegung um einen bestimmten kleinen Winkel vorgenommen, bis ein Schwenkbereich von insgesamt 180 erreicht ist. Die dabei aus den verschiedenen Projektionsrichtungen registrierten Intensitätswerte werden dann in einem optischen Umformungsprozeß in ein Schichtbild umgewandelt.

Der Nachteil dieser Anordnung besteht vor allem darin, daß die Röntgenstrahlung insbesondere durch die etwa zylindrische Form der meisten Aufnahmeobjekte in der Mitte stärker geschwächt wird als in den peripheren Bereichen. Aber auch durch größere Dichteunterschiede innerhalb des Objekts wird die Strahlung sehr unterschiedlich geschwächt. Um die aufgrund der zylindrischen Form verursachten Schwächungsunterschiede zwischen mittleren und peripberen Bereichen auszugleichen, ist es bei einem Schichtgerät der eingangs genannten Art aus der DOS 1 941 433 bereits bekannt, das aufzunehmende Objekt in einen quaderförmigen gewebeäquivalenten Formkörper einzubetten. Abgesehen davon, daß die Lagerung des Objekts, insbesondere wenn es sich um einen menschlichen Körper handelt, unbequem und zeitraubend ist, bedeutet die Anordnung eines solchen Formkörpers aber auch einen erhöhten technischen Aufwand und bringt trotzdem keine voll befriedigenden Ergebnisse. Durch die im Inneren des Körpers vor-

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handenen Dichteunterschiede wird die Strahlung nach wie vor, über den-gesamten Körperquerschnitt betrachtet, sehr unterschiedlich geschwächt. Bei Anwendung eines polychromatischen Röntgenstrahlenspektrums (Bremsstrahlung), wie es bei medizinischen Röntgendiagnostikeinrichtüngen in der Regel verwendet wird, ergibt sich daraus eine Änderung der spektralen Zusammensetzung der Strahlung in Abhängigkeit von der Schwächung. Als Folge davon ist der gemittelte lineare Schwächungskoeffizient nicht mehr eindeutig zu definieren. Dies kann vor allem bei komplizierteren Strukturen zu Artefakten führen, die eine Bildauswertung sehr erschweren bis unmöglich machen. Mindestens werden aber die lokalen Schwächungskoeffizienten quantitativ nicht mehr richtig wiedergegeben.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, die durch die unterschiedliche spektrale Zusammensetzung polychromatischer Strahlung nach dem Durchtritt durch einen Inhomogenen" Körper unterschiedlicher Dicke hervorgerufenen Schwankungen bei der Darstellung lokaler Dichteunterschiede zu kompensieren. Dazu wird erfindungsgemäß_Λvorgeschlagen, eine Funktionsstufe vorzusehen, die aus dem Logarithmus des als Quotient der in Strahlrichtung vor dem Aufnahmeobjekt vorhandenen Strahlenintensität I Und der hinter dem Aufnahmeobjekt vorhandenen Strahlenintensität I definierten Meßwertes y einen Korrekturfaktor C nach der Näherungsfunktion

Π + y .. (y-y-j) · (A_Q+A₁y) für 0^ySy₁ bzw. U + Cy-Y₁) . (B₀ ⁺B₁- · y + B₂. y²) für T₁^ _y^io

mit von einem wählbaren.normierten Strahlenspektrum abhängigen Zahlenwerten von y₁ ; A_Q; -A₁; B_Q; B₁ und B- bildet, die beispielsweise bei einer Röhrenspannung von 100 kV und einer Normierung sspektr all inie bei 5 ^ kev y₁ = 4,45; A_Q = -0,035; A₁ = 0,0039; B₀ =-0,04; B₁ =-0,0126 und B₂ =0,00075 betragen, und den Korrekturfaktor C einer Multiplikationsstufe für die multiplikative Beeinflussung des Meßsignals zuzuführen. Dem liegt

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der Gedanke zugrunde, daß immer dann, wenn die Strahlung durch eine "Verdiekung oder auch lokale Verdichtungen des zu durchstrahlenden Körpers hindurchtritt, eine Aufhärtung stattfindet, die dazu führt, daß der Körper eine geringere Strahlenabsorption verursacht als bei einem unveränderten Spektrum. Die Folge davon ist, daß in jenen Bereichen größerer Schichtdicke oder Dichte hinter dem Patienten eine relativ zu hohe Dosis vorhanden ist. Dies heißt, und darauf beruht die erfinderische Idee, daß, je stärker die Strahlung absolut geschwächt wird, eine um so. massivere Spektrumsveränderung stattgefunden hat. Je größer aber der Unterschied zwischen dem Austritts- und dem EingangsSpektrum ist, umso größer ist die durch die spektrale Verschiebung hervorgerufene relative Dosisveränderung. Der Erfindung liegt also die Erkenntnis zugrunde, daß es möglich ist, in Abhängigkeit von der hinter dem Patienten auftretenden Strahlenintensität eine Korrektur des Meßwertes nach dem beschriebenen funktionellen Zusammenhang vorzunehmen.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Röntgen-

Schichtgerätes der eingangs genannten Art mit einer Prinzipschaltung für die Meßwertkorrektur,

Fig. 2 den Kurvenverlauf der Korrekturfunktion und

Fig. 3 eine Variante der Prinzipdarstellung nach Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist eine Röntgenröhre 1 über ein mechanisches Verbindungsglied 2 mit einem Strahlungsempfänger 3 zu einer Röntgenstrahlenmeßanordnung verbunden.- Die Röntgenröhre 1 erzeugt ein schmales Strahlenbündel 4, das ein Aufnahmeobjekt 5 durchdringt und vom Strahlungsempfänger 3 gemessen wird. Die Meß-

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anordnung 1, 2, 3 wird zur Aufnahme eines Schichtbildes quer zum Zentralstrahl des Strahleribündels 4 auf Gleitschienen 6 in einer Abtastbewegung in Schichtrichtung über das Aufnahmeobjekt 5 geführt. Nach Beendigung dieser Abtastung wird die Meßanordnung 1, 2, 3 um einen Drehpunkt 7, der sich etwa im Zentrum des Objekts 5 befindet, um einen jeweils konstanten Betrag von bis zu einigen Winkelgraden gedreht. Danach erfolgt eine weitere Abtastung usw., bis die Drehbewegung eine Winkelgröße von insgesamt 180° erreicht hat.

Die Auswertung der im Laufe dieser Abtastbewegung vom Strahlungsempfänger 3 mit Hilfe einer Verstärkeranordnung 8 erzeugten elektrischen Werte geschieht mit Hilfe eines Meßwert-. Umformers 9. Um die Verteilung der linearen Strahlungs-Schwächungskoeffizienten in der durchstrahlten ebenen Schicht rekonstruieren zu können, ist es noch erforderlich, zwischen der vor der Einstrahlung vorhandenen Strahlenintensität I und der in Strahlrichtung hinter dem Objekt 5 auftretenden Strahlungsintensitäten I einen Quotienten zu bilden. Dazu ist ein weiterer Strahlungsempfänger 10 vorhanden, der mit Hilfe einer Verstärkerschaltung 11 die gemessene Eingangsstrahlungsintensität ebenfalls in entsprechende elektrische Werte umsetzt und dem Meßwertumformer 9 zuführt, der aus den beiden Signalen die Quotienten als digitale Meßwerte bildet. Diese werden dann mit mathematischen Mitteln, wie sie etwa in "Journal of Applied Physics" Volume 34, Nr. 9, Seite 2722 ff und Volume 35, Nr. 10, Seite 2908 ff von A. M. Cormaok unter dem Titel "Representation of a Function·by its Line Intervals, with some Radiological Applications" beschrieben worden ist, zu einem Schichtbild verarbeitet, das beispielsweise auf einem Fernsehmonitor 12 dargestellt werden kann.

Als Voraussetzung für die dort angegebene Berechnungsmethode ist angenommen, daß die eingestrahlte Röntgenstrahlung monochromatisch sei. Im praktischen Betrieb ist eine solche Strahlung indessen schwer zu realisieren und man ist bestrebt, mit

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einem polychromatischen Spektrum (Bremsstrahlenspektrum) arbeiten zu können, das einer handelsüblichen Röntgenröhre entnommen werden kann. Die Anwendung eines solchen Bremsstrahlenspektrums hat jedoch zur Folge, daß sich die spektrale Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Strahlenschwächung ändert. Das Spektrum wird im Faille starker Schwächung gegenüber seiner ursprünglichen Zusammensetzung aufgehärtet. Eine härtere Strahlung hat aber eine größere Durchdringungsfähigkeit als eine weiche Strahlung, so daß von der räumlichen Dichteverteilung abhängige Meßfehler auftreten, die zu Fehlern bei der Bilddarstellung führen. Dabei kann es sich um Verwischungen vorhandener Strukturen aber auch um totale Verfälschungen oder Irreführungen durch Artefakte handeln.

In Fig. 2 ist in Gestalt einer Kurve der Korrekturfaktor C in Abhängigkeit vom logarithmierten Meßwert y - log. j— in Bezug zu dem auf 1,0 normierten Sollwert, der einer monochrometrisehen Strahlung von 51 keV entspricht, dargestellt. Diese Kurve bezieht sich auf das Energiespektrum der einer normalen Röntgenröhre bei einer Spannung von 100 kV entnommenen Strahlung.

Um die gewünschte Korrektur zu erreichen_?werden nun gemäß Fig. 1 die von den Strahlungsempfängern 3, 8 und 10, 11 erzeugten Signale I bzw. I in einer Schaltungsanordnung 13 logarithmiert, subtrahiert und einer Funktionsstufe 14 zugeführt, die aufgrund der in Fig. 2 dargestellten Kurve nach der Näherungsfunktion

) für O^ Y^y₁ bzw.

· y²) ^für y-i-y^·¹⁰

für jeden ankommenden Wert y = log. I_Q/I einen Korrekturwert C in Form eines Faktors errechnet, der einer im Signalweg des Signals I angeordneten Multiplikationsstufe .15 zugeleitet wird, welche das Signal I in der gewünschten Weise korrigiert. Wegen

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ΐ + y . Cy-Y₁) ·

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der Quotientenbildung kann diese Korrektur auch im Signalweg des Signals I vorgenommen werden, dann aber in reziproker Form 1_ anstelle von C.
C

Es ist, wie in Fig. 3 dargestellt, natürlich auch möglich, anstelle der in Fig. Λ gewählten Korrekturschaltung zunächst von den beiden Signalen 1 und I mit Hilfe einer Schaltungsanordnung 16 den" Meßwert als logarithmierten Quotienten von I und. I zu bilden und dem Meßwertumformer' 17 zuzuführen. Diesem Meßwertumformer ist eine Funktionsstufe 18 zugeordnet, der die unkorrigierten logarithmierten Meßwerte zugeführt sind und die aufgrund einer Korrekturfunktion, die durch mathematischeUmfοrmungen aus der in Fig. 2 dargestellten gewonnen werden kann, entsprechende Korrekturfaktoren C'. ermittelt und dem Meßwertumformer 17 zur Korrektur der Meßwerte zuführt.

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Claims

Patentanspruch ^:

Röntgen-Schichtgerät zur Herstellung von Transversal-Schichtbildern eines Aufnahmeobjektes, bestehend aus einer Röntgenstrahlenmeßanordnung mit einer Röntgenstrahlenquelle, die ein das Aufnahmeobjekt durchdringendes Röntgenstrahlenbündel erzeugt, dessen Querschnittsausdehnung senkrecht zur Schichtebene gleich der Schichtstärke ist, mit einem Strahlungsempfänger, der die Strahlungsintensität der Röntgenstrahlung vor ihrem Eintritt in das Objekt als Bezugswert und einem weiteren Strahlungsempfänger, der die Strahlungsintensität hinter dem Objekt durch Abtastung des projizierten Strahlenbündels in aufeinanderfolgenden äquidistanten Punkten als Schwächungswerte ermittelt, aus einem Vergleichsglied, das aus beiden Werten die Meßgröße bildet, sowie aus einer Antriebsvorrichtung für die Meßanordnung, bestehend aus einem Drehgestell zur Erzeugung von Drehbewegungen der Röntgenstrahlenmeßanordnung um kleine äquidistante Winkelbeträge um eine etwa mit der symmetrischen Längsachse des Aufnahmeobjektes deckungsgleiche Drehachse in wechselnder Folge mit jρ einer Abtastung und schließlich aus einem Meßwertumformer für die Transformation der Meßwerte in ein Schichtbild, dadurch gekennzeichnet , daß eine Funktionsstufe (14,18) aus dem Logarithmus des als Quotient der in Strahlrichtung vor dem Aufnahmeobjekt (5) vorhandenen Strahlenintensität I und der hinter dem Aufnahmeobjekt (5) vorhandenen Strahlenintensität I definierten Meßwertes y einen Korrekturfaktor C nach den Näherungsfunktionen

(1 + y . 1 ₊ (y-3

y) für 0-έ y^y₁ bzw. y+B_£.y²) für y^ y^iO

mit von einem wählbaren, normierten Strahlenspektrum abhängigen Zahlenwerten von V₁; A_q; A₁; B₀; B₁ und B₂ bildet, die beispielsweise bei einer Röhrenspannung von 100 kV und einer Normierungs-

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spektrallinie bei 51 keV γ_Λ = 4,45; A_Q = -0,035; A₁ = 0,0039; B₀ = -0,04; B₁ = -0,0126 und B₂ = 0,00075 betragen, und der Korrekturfaktor C einer MuItiplikationsstufe (15, 17) für die multiplikative Beeinflussung des Meßv/ertes zugeführt ist.

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