DE2503978B2

DE2503978B2 - Vorrichtung zur Untersuchung eines Körpers mit durchdringender Strahlung

Info

Publication number: DE2503978B2
Application number: DE2503978A
Authority: DE
Inventors: Christopher Archibald Gordon Osterley Lemay (Ver. Koenigreich)
Original assignee: EMI Ltd HAYES (VER KOENIGREICH)
Current assignee: EMI Ltd HAYES (VER KOENIGREICH)
Priority date: 1974-01-31
Filing date: 1975-01-29
Publication date: 1980-05-08
Also published as: GB1493593A; US4071760A; NL7501209A; NL183336B; FR2260252A1; DE2503978A1; JPS5441398B2; JPS50124687A; NL183336C; FR2260252B1; DE2503978C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Körpers mit durchdringender Strahlung, insbesondere Röntgen- oder Gammastrahlung, die im Abstand voneinander eine Strahlenquelle und eine wenigstens einen Detektor enthaltende Meßanordnung für die Strahlung der Strahlenquelle sowie eine Aufnahmevorrichtung zur Plazierung des zu untersuchenden Körpers in dem Zwischenraum zwischen der Strahlenquelle und der Detektoranordnung aufweist, und die Antriebs- und Führungsmittel für laterale und/oder orbitale Abtastbewegungen der Strahlenquelle und der Meßanordnung enthält, die so ausgebildet sind, daß die Meßanordnung zahlreiche Strahlenbündel mißt, die entlang unterschiedlich orientierter Wege den zu untersuchenden Querschnittsbereich des Körpers durchlaufen, und die eine einen Rechner und einen Matrixspeicher enthaltende Auswertschaltung aufweist, der die Detektor-Ausgangssignale, die die Schwächung der Strahlen auf dem Wege durch den Körper darstellen, zugeführt werden, wobei die Auswertschaltung eine Rekonstruktion der Absorptionsverteilung der Strahlung in dem untersuchten Querschnittsbereich herstellt.

Eine solche Vorrichtung ist in der DE-OS 19 41 433 beschrieben. Dort wird Strahlung von einer äußeren Quelle in Form eines dünnen Strahls durch einen Teil des Körpers geleitet. Der Strahl wird einer Abtastbewegung unterworfen, so daß er der Reihe nach eine große Anzahl unterschiedlicher Positionen einnimmt, und ein Detektor stellt das Maß der Absorption des Strahls in jeder dieser Positionen fest, nachdem der Strahl den Körper durchlaufen hat. Damit der Strahl diese verschiedenen Positionen einnehmen kann, werden die Strahlenquelle und der Detektor in einer Ebene hin- und herbewegt und ferner um eine zu dieser Ebene senkrechte Achse gedreht. Die Positionen liegen somit in einer durch den Körper verlaufenden Ebene, über der

die Verteilung der Absorpiionskoeffizienten für die verwendete Strahlung durch Verarbeitung der vom Detektor abgeleiteten Strahlabsorptionsdaten gewonnen wird. Die Verarbeitung erfolgt so, daß die schließlich angezeigte Verteilung der Absorption das ι Ergebnis eines linearen Superpositionsprozesses in Verbindung mit sukzessiven Annäherungen ist.

Die bekannte Anordnung hat sich als sehr erfolgreich bei der Herstellung von Querschnittsdafstellunjen von Teilen des lebenden Körpers, beispielsweise des Kopfes, in erwiesen.

In der DE-OS 24 27 418 ist ein Gerät beschrieben, mit dem die Ableitung der Absorptionsdatensignale verhältnismäßig rasch durchführbar ist. Bei dieser Anordnung werden die Signale dadurch gewonnen, daß ein von i-> einer Quelle ausgehendes, sektorförmiges Feld von Röntgenstrahlen durch den Körper in der zu untersuchenden Ebene geschickt und auf der anderen Seite des Körpers eine Reihe von Detektoren vorgesehen wird, um die entlang einer Reihe von Strahlenwegen innerhalb des Sirahlenfeldes übertragene Strahlung zu messen. Das sektorförmige Strahlenfeld erstreckt sich über einen so großen Winkel, daß der gesamte interessierende Bereich in der Ebene des Körpers erfaßt wird, so daß eine vollständige Abtastung allein durch r> eine Umlaufbewegung der Quelle und der Detektoren um den Körper bewirkt werden kann. Bei Verwendung einer solchen Anordnung ist es wichtig, daß die Absorptionsdatensignale keine Unterschiede infolge unterschiedlicher Empfindlichkeit der einzelnen Detek- jo toren besitzen.

In der Praxis ergibt sich jedoch das Problem, daß solche Unterschiede in beträchtlichem Maße trotz der verhältnismäßig kurzen Zeit, die für die Abtastung benötigt wird, auftreten können. Ein weiteres, sich π ebenfalls in der Praxis ergebendes Problem besteht darin, daß einzelne Detektoren zu einer Drift ihrer Empfindlichkeit während des Zeitraums neigen, in dem die Untersuchung durchgeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrinde, Fehler in w der Rekonstruktion der Absorptionsverteilung infolge unterschiedlicher oder sich ändernder Empfindlichkeiten von Detektoren zu vermindern oder zu beseitigen.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Antriebs- und Führungsmittel so 4·; ausgelegt sind, daß ein von der Strahlenquelle zu einem Detektor verlaufendes Strahlenbündel den Querschnittsbereich des Körpers auf demselben Weg zu verschiedenen Zeiten während der orbitalen Bewegung durchquert, daß die während der verschiedenen Zeiten ^r>n gewonnenen Absorptionsmessungen Speicher- und Auswahlschaltungen zugeführt werden, daß eine Vergleichsschaltung zum Vergleich dieser Messungen und eine Schaltung zur Erzeugung eines Fehlersignals bei Feststellung eines Driftunterschiedes in der Empfind- v, lichkeit des Detektors in dem Zeitraum zwischen dem Durchlauf des Strahlenbündels durch den Weg vorhanden sind, und daß eine Schaltung vorhanden ist, um die Fehlersignale den Absorptionsmessungen zwecks Fehlerkorrektur zuzuführen. W)

Vorzugsweise sind die Antriebs- und Führungsmittel so ausgelegt, daß jeder Detektor durch den Querschnittsbereich geschickte Strahlung während der Orbitalen Bewegung entlang jedes Weges wenigstens dreimal empfängt, so daß die Fehlersignale eine t>^r> Driftkorrektur nach einem parabolischen Gesetz ermöglichen.

Eine alternative Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besreht darin, daß eine so ausgelegte Umschalt- und Verschiebevorrichtung vorhanden ist, daß ein Detektorpaar relativ zur Strahlenquelle um einen solchen Betrag verschiebbar ist, daß einer der Detektoren die entlang einem Weg durch den Querschnittsbereich verlaufende Strahlung und der andere Detektor die durch denselben Weg verlaufende Strahlung nach der Verschiebung empfängt, daß Empfindlichkeits-VergleichsschaJtungen vorhanden sind, um die Messungen des Detektorpaares für denselben Weg zu vergleichen und die festgestellten Empfindlichkeitsunterschiede zu speichern, und daß eine Schaltung vorhanden ist, um die festgestellten Unterschiede der Empfindlichkeiten den Absorptionsmessungen zwecks Fehlerkorrektur zuzuführen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen bedeutet

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht eines Gerätes, in dem die Erfindung verwirklicht ist,

F i g. 2 Einzelheiten eines Teils der in F i g. 1 dargestellten Anordnung mit einem Blockschaltbild für die Verarbeitung der Absorptionsdaten,

F i g. 3(a) —(f) schematische Darstellungen zur Veranschaulichung der für die Korrektur der Daten verwendeten Mittel und

Fig.4 ein Schaltbild zur Veranschaulichung der Wirkungsweise eines Digitalrechners, der in der Schaltung von F i g. 2 enthalten ist.

In Fig. 1 liegt ein Patient ! auf einer aus den beiden Teilen 2 und 3 bestehenden Auflage, und sein Körper ist einer Untersuchung durch die als gestrichelte Linie 4 angedeutete Röntgenstrahlung ausgesetzt. Die Strahlung wird von einer Quelle 5 erzeugt und erstreckt sich fächerförmig in einer Ebene, die im rechten Winkel zur Papierebene verläuft. Die Auflage für den Patienten ist so lang bemessen, daß jeder gewünschte Abschnitt des Körpers in die Ebene der Röntgenstrahlung gebracht werden kann.

Im Bereich der untersuchenden Strahlung ist der Körper des Patienten von einem flüssigen Medium umgeben, das z. B. aus Wasser besteht und einen Absorptionskoeffizienten für die Strahlung besitzt, der etwa gleich dem Absorptionskoeffizienten des Körpergewebes ist. Die in F i g. 1 dargestellte Flüssigkeit 6 befindet sich in einer Umhüllung oder einem Beutel 7. Die Umhüllung ist innerhalb eines ringförmigen Körpers 8 angeordnet, der aus Metall, beispielsweise aus Duraluminium besteht. Der ringförmige Körper 8 wird von in der Zeichnung nicht dargestellten Haltemitteln getragen. Der Teil 2 der Auflage ist an einem Pfosten 9 des Hauptrahmens 94 des Gerätes befestigt, während der Teil 3 der Auflage an seinem vom ringförmigen Körper 8 abgekehrten Ende auf einem Lager 10 ruht, das an einem Achskörper 11 angebracht ist, um dessen Achse eine orbitale Bewegung der Röntgenstrahlenquelle 5 stattfindet. Der in dem Gerät lagernde Körper des Patienten wird von einem Rahmen 13 umgeben, der zylindrisch ausgebildet ist, und dessen Längsachse mit der Achse des Achskörpers 11 zusammenfällt. Das eine Ende des Rahmens 13 ist geschlossen und rru't einem Lager 14 versehen, das seinerseits auf dem Achskörper 11 gelagert ist. Am anderen Ende ist der Rahmen 13 offen, so daß dort der Patient eingeführt werden kann, und an diesem Ende ist der Rahmen 13 auf Rollen 15 gelagert, die ihrerseits in ortsfesten Lagern gelagert sind. Diese Rollen sind so angeordnet, daß der Rahmen 13 frei um seine Achse rotieren kann, die mit der Achse zusammenfällt, um die

die orbitale Bewegung der Röntgenstrahlenquelle 5 stattfindet. Die Quelle 5 ist auf dem Rahmen 13 mittels eines Lagers 16 gelagert. Unmittelbar gegenüber der Quelle 5 ist mittels eines Lagers 17 auf dem Rahmen 13 ein Detektorsystem 18 gelagert, um die Strahlungsab- ί sorptionsdaten des Körpers des Patienten in der von der Quelle 5 überstrichenen Ebene festzustellen. Das Detektorsytem 18 erstreckt sich über die ganze Öffnungsbreite des von der Quelle 5 ausgesendeten Strahlenfächers. In Fig.2 ist die Öffnungsbreite des Fächers, innerhalb der das Detektorsystem 18 angeordnet ist, schematisch dargestellt. Die Lagerungen für das Detektorsytem erlauben eine begrenzte Winkelbewegung des Systems in bezug auf den Rahmen 13, was noch nachfolgend näher erläutert wird. ι >

Der Achskörper 11 ist in einer Stütze 19 gelagert, und neben der Stütze 19 befindet sich ein den Achskörper 11 umgebender Spulenkörper 20. Der Spulenkörper 20 ist an der Stütze 19 befestigt, und um ihn sind Leitungen 21 und 22 gewickelt, über die die Absorptionsdaten vom Detektorsystem 18 zur Datenverarbeitungseinheit und die Versorgungsenergie für die Röntgenstrahlenquelle 5 geschickt wird. Über die Leitungen 21 und 22 wird ebenfalls die Stromversorgung für Elektromagnete geleitet, die die obenerwähnten Winkelbewegungen des Detektorsystems 18 erzeugen. Bei der Umlaufbewegung der Röntgenstrahlenquelle und des Detektorsystems wickeln sich die Leitungen auf den Spulenkörper 20 auf oder von diesem ab. Sie werden dem Spulenkörper über Führungen 23 und 24 zugeführt, die s'i am Rahmen 13 angebracht sind. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel führt der Rahmen 13 bei jedem Untersuchungszyklus, der in wenigen Sekunden abläuft, drei Umdrehungen aus. Die Leitungen 21 und 22 wickeln sich dabei auf den Spulenkörper auf oder von diesem ab π und kehren am Ende der Untersuchung in ihre Ausgangslage zurück. Am Spulenkörper sind die Leitungen befestigt. Sie verlaufen von dort zu ihren entsprechenden Anschlußeinheiten, nämlich zu der erwähnten Datenverarbeitungseinheit und zu einer Stromversorgungseinheit.

Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß das Detektorsystem aus einer Reihe von individuellen Detektoren I81 ... 18*... 18„ besteht, von denen jeder die entlang einem schmalen, fingerartigen Strahlenweg 29|... 29„+i ·;■> übertragene Strahlung mißt, wobei die Grenzen 29 des Strahlensektors durch der Strahlenquelle 5 zugeordnete Kollimatoren bestimmt werden.

Die Detektoren I81... 18„ bestehen in bekannter Weise aus einem Kristall, der szintilliert, wenn auf ihn ein Röntgenquant oder eine andere hochenergetische Strahlung auftrifft, und aus einem Photovervielfacher, um die Lichtszintillation in einen elektrischen Stromimpuls umzusetzen, wobei die umgesetzten Impulse dann die Ausgangssignale der einzelnen Detektoren darstellen. Es können aber auch andere Arten von Detektoren verwendet werden. Jeder Szintillator ist mit einem Kollimator versehen, so daß auf ihn jeweils nur die vom zugehörigen Strahlenweg stammende Strahlung treffen kann. Der Aufbau des Gerätes ist in F i g. 1 nur ω schematisch dargestellt und entspricht im wesentlichen dem Aufbau, wie er in der DE-OS 24 27 418 beschrieben ist

Die umlaufende Bewegung des Rahmens 13 und damit der Röntgenstrahlenquelle 5 und des Detektorsystems 18 wird durch einen Elektromotor 30 bewirkt, der auf dem Hauptrahmen 9A gelagert ist und den Rahmen 13 über Zahnräder 31 und 32 antreibt wobei das Zahnrad 32 am Rahmen 13 befestigt ist. Der Motor treibt ferner einen Schaltmechanismus 33 an, der — wie noch weiter unten näher erläutert wird - die Stromversorgung für die Elektromagnete steuert, die die Winkelbewegung der Quelle 5 und des Detektorsystems 18 bewirken. Der Schaltmechanismus 33 steuert ferner andere Versorgungsrichtungen. F i g. 2 zeigt die Anordnung der Elektromagnete für das System. Dieses besteht aus zwei Spulen 35 und 36, die einen am Detektorsystem 18 angebrachten Anker betätigen. Die Spulen 35 und 36 sind in Reihe mit einem im Schaltmechanismus 33 angeordneten Umschalter 38 geschaltet. Das als Einheit ausgebildete Detektorsystem 18 ist in Führungen 39 gelagert und am Rahmen 13 befestigt, wobei die Führung eine begrenzte abet genaue Winkelbewegung des Systems 18 erlaubt. Wenn der den Spulen 35 und 36 zugeführte Strom in einei bestimmten Richtung verläuft, wird das System 18 in einer seiner Grenzlagen in den Führungen 39 gehalter und bei Umkehr der Stromrichtung wird das System If in seine andere Grenzlage bewegt und dort gehalten Der Schaltmechanismus 33 ist so angeordnet, daß er der Schalter 38 nach der ersten und der zweiten der dre Umdrehungen, die einen Untersuchungszyklus bilden betätigt. Die Bewegung des Detektorsystems ist sehi klein, und sie entspricht nur dem Winkelabstanc zwischen benachbarten Detektoren I81... Ie_n. '

Durch Betätigung des Umschalters 18 müssen die Detektoren I81... 18„ die entlang der Strahlenwege 292... 29_n+1 während der ersten und dritten Umdrehung eines Untersuchungszyklus empfangene Strahlung unc die entlang der Strahlenwege 29i... 29„ während dei zweiten Umdrehung des Untersuchungszyklus empfan gene Strahlung messen.

Die im Verlauf der orbitalen Bewegung vorr Detektorsystem 18 erzeugten Ausgangssignale weider Verstärkern 231 zugeführt. Die Ausgangsströme dei Verstärker werden jeweils in Miller-Integratoren 23i über aufeinanderfolgende kurze Zeitintervalle inte griert, und die Ausgänge dieser Integratoren werder jeweils durch Umsetzer 233 von analoger Form ir digitale Form umgesetzt und dann dem Digitalrechnei 234 zugeführt, dessen Wirkungsweise anhand vor F i g. 4 erläutert wird. Gegebenenfalls kann die Verstär kung der Verstärker 231 gemeinsam so gesteuer werden, daß in der Emissionsintensität der Röntgen strahlungsquelle auftretende Schwankungen kompen siert werden.

Die Ausgänge des Digitalrechners sind korrigiert« Strahldatensignale, die jeweils die Durchlässigkeit dei Strahlung entlang einem der Strahlenwege 19|... 19*.. 19„ während eines Zeitintervalls darstellen, das ausrei chend kurz ist, um unbeschadet von der Umlaufbewe gung der Quelle 5 und dem Detektorsystem 18 al; Durchlässigkeit entlang dem stationären Strahlenwe; bei einer bestimmten Winkellage angesehen werden zi können. Die Strahlenweg-Datensignale werden einen Strahldatenspeicher 239 zugeführt und von dort übe einen Adressenwähler 251 einer Bildrekonstruktions schaltung 252, die vom Digitalrechner 234 Gebraucl macht Die Bildrekonstruktion wird hier nicht nähe beschrieben. Sie kann auf verschiedene Weise erfolger vorzugsweise jedoch wie sie in der DE-OS 24 20 501 beschrieben ist Für die Zwecke der vorliegendei Erfindung genügt die Angabe, daß der Adressenwähle 251 vom Speicher 239 Daten in Gruppen abzieht dii Ausgangssignalen entsprechen, die von parallele! Gruppen von Strahlenwegen abgeleitet werden, wöbe

jede Gruppe in der Schaltung 252 verarbeitet wird. Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß die Strahlenwege 29,... 29*... 29„+i in keinem Zeitpunkt (d.h. bei keiner Winkellage des Fächers 29) parallel verlaufen. Die Integrationsintervalle der Integratoren 232 sind jedoch so auf die Umlaufbewegung der Quelle 5 und der Detektoren 18 bezogen, daß während aufeinanderfolgender Integrationsintervalle von den aufeinanderfolgenden Detektoren 18i ... 18„ abgeleitete Strahlenweg-Datensignale die Durchlässigkeit entlang paralleler Gruppen von Strahlenwegen darstellen. Bei Kenntnis der Ordnung der Speicherung im Speicher 239 können ohne Schwierigkeiten Gruppen von Ausgangssignalen ausgewählt werden, die Gruppen von parallelen Strahlenwegen entsprechen. Wenn die Operationen für die Bildrekonstrukticn vollzogen sind, wird das Bild auf einem Anzeigesystem 134 dargestellt, beispielsweise mittels einer Kathodenstrahlröhre oder eines Druckers, und das Bild kann zusätzlich oder als Alternative auf einem Magnetband gespeichert werden.

Die Verstärkungen der Verstärker 231 sind so eingestellt, daß sie Unterschiede in der Empfindlichkeit der Strahlungsdetektoren kompensieren. Diese Kompensation ist insbesondere wichtig, wenn eine hohe Genauigkeit der Bildrekonstruktion gefordert wird, beispielsweise eine Genauigkeit von 1 Promille. Unterschiede der Empfindlichkeit machen sich in der Rekonstruktion als feines, ringförmiges Muster bemerkbar. In der Praxis hat sich gezeigt, daß eine vorgegebene Einstellung der Verstärkung nicht genügt, um die Unterschiede der Empfindlichkeiten zu kompensieren. Die Erfindung befaßt sich mit einer wirksamen Kompensation dieser Unterschiede, die vorhanden sein oder bei der Untersuchung entstehen können.

Es kann angenommen werden, daß Fehler in der Empfindlichkeit der Detektoren 18 zwei Komponenten haben, wobei die eine Komponente von der Lage de«: Detektors (das ist ein Unterschied in der Empfindlichkeit des Detektors zu einem benachbarten Detektor) und die andere von der Zeit (das ist die Drift der Empfindlichkeit eines Detektors während der für einen Untersuchungszyklus benötigten Zeit) abhängt. F i g. 3(a) bis 3(f) zeigen, wie diese beiden Fehlerkomponenten annähernd für jeden Detektor berechnet und zur Korrektur der Ausgangsdatensignale bei der Bildrekonstruktion verwendet werden können. In diesen Figuren ist der Bereich, in dem der zu untersuchende Körper angeordnet sein muß. mit 13' bezeichnet. Die Figuren zeigen die Strahlenwege, auf denen die Strahlung auf zwei Detektoren 18* und 18*+1 zu unterschiedlichen Zeiten während drei vollständiger Umläufe eines Untersuchungszyklus auftrifft. F i g. 3(d) zeigt etwa die Mitte der zweiten Umdrehung zu einem Zeitpunkt, bei dem aufgrund der Verschiebung des Detektorsystems 18 mittels der Elektromagneten 35 und 36 die Detektoren it und k+1 im Vergleich zu ihrer Lage zu anderen Zeitpunkten versetzt sind. Der Versatz entspricht einem Versatz der Umlaufachse von O bis O'. Es wird angenommen, daß eine Umdrehung aus 361 Schlitten besteht, nämlich von 0° bis 360° einschließlich, wobei eine Umlaufbewegung von 1° während jedes Integrationsintervalls der Integratoren 232 erfolgt Das Intervall kann jedoch auch kleiner sein. Die bei der orbitalen Bewegung für jede Umdrehung benötigte Zeit ist mit T bezeichnet, und zur Vereinfachung der mathematischen Rechnung ist die in Fig.3(d) dargestellte Zeit als f = 0 angenommen. Die in den anderen Figuren 3(a), 3(b), 3(c), 3(e) und 3(f) dargestellten Zeiten sind jeweils neben den Figuren angegeben. Die während der ersten und dritten Umdrehung abgeleiteten Absorptionsdaten dienen zur Bildrekonstruktion unter Verwendung bereits beschriebener Techniken.
) In allen Teilen der Fig.3 ist angenommen, daß die nicht dargestellte Strahlungsquelle in der Figurenebene vertikal über oder unter der Umlaufachse O liegt. In F i g. 3(a) stellt der Weg ρ eine bestimmte Spur eines den Körper durchlaufenden Strahles dar, der auf den k-len

κι Detektor 18* des Detektorsystems 18 auftrifft. Der Detektor k+\ ist der nächstfolgende Detektor, und auf diesen Detektor fallende Strahlung durchquert den Körper auf dem Weg q. Fig.3(c) zeigt eine identische Situation bei der Vollendung einer Umdrehung der

ι·Ί Abtastvorrichtung, jedoch können infolge eines Driftens der Empfindlichkeiten der Detektoren die von den beiden Detektoren abgeleiteten Absorptionsdaten nun unterschiedlich sein.

F i g. 3(b) zeigt die Lage der beiden Detektoren nach gerade einer halben Umdrehung der Abtastvorrichtung, und p' und q' bezeichnen die Wege, auf denen die Strahlung durch den Körper auf die beiden Detektoren A- und k+ 1 in der Lage, die sie nun einnehmen, trifft. Die Wege liegen in antisymmetrischer Beziehung zu den j Wegen ρ und q.

Die Wege p' und ς'sind auch in Fig.3(d) gezeigt, aber nun trifft aufgrund einer Verschiebung des Detektorsystems der Strahlenweg p' anstelle des Strahlenwegs q'auf den Detektor k+ 1. Dieser Wechsel

in der beiden Detektoren in bezug auf den Weg p' ermöglicht einen Vergleich der Empfindlichkeiten der beiden Detektoren. Es ist natürlich notwendig, das Maß der Drift der Detektorempfindlichkeit im Intervall zwischen der Zeit f = —Tin Fig.3(b) und der Zeit t = 0 in F i g. 3(d) in Betracht zu ziehen. F i g. 3(e) und 3(f) beziehen sich auf den Beginn und das Ende der dritten Umdrehung des Untersuchungszyklus. Diese Figuren sind ähnlich wie F i g. 3(a) und 3(c), jedoch sind hier die auf die Detektoren k und k+1 auftreffenden Strahlenwege mit r und s bezeichnet, um der geringen Differenz des Startwinkels, welche aus dem Versatz des Starts um 1° bei jeder Umdrehung resultiert, bei der dritten Umdrehung gegenüber der ersten Umdrehung Rechnung zu tragen.

Zum besseren Verständnis des Korrekturverfahrens sei angenommen, daß S^t) dis Signal darstellt, das vom Α-ten Detektor zu einer beliebigen Zeit t während des Abtastvorganges abgeleitet wird. Dieses Signal ist proportional dem Maß der Absorption f(t), die die

so Strahlung auf dem Weg zum Detektor zur Zeit t erleidet, und es ist auch proportional der Drift Dk(t) der Empfindlichkeit des Detektors zur Zeit L Somit kann man schreiben

A_kDk(t)((t).

Ak kann als Empfindlichkeitskonstante des Detektors

k bezeichnet werden. Eine gleiche Feststellung kann auch für den Jt+l-ten Detektor getroffen werden. Die Ausgänge des Detektors k in Fig.3(b) und des Detektors k+1 in F i g. 3(d) sind dann

A₊₁(O)

= A_kDk(- T)fo

wobei /o der tatsächliche Wert der Absorption auf dem Weg p' in Fi g. 3(b) und ebenso auf dem Weg p' in F i g. 3(d) ist Zur Vereinfachung kann der Driftfaktor für

10

einen Detektor zur Zeit I = 0 als 1 angenommen diese Situationen gilt jeweils werden, und es folgt dann, daß

log S_{11 + 1}(O) - log S₄I-T) = log -ψ- -

Das Verhältnis

A n-i _ .

⁼ ^AkD"(~ 2 ^T)^f' ~ 2 ^T) ^{= A}>^D

kann dann bestimmt werden und kann weiterhin auch für jedes Detektorpaar bestimmt werden, wenn die Größe der Drift Dtf— 7?bestimmt werden kann. Daher können die relativen Empfindlichkeiten der verschiedenen Detektoren annähernd kompensiert werden, vorausgesetzt, daß K und D(t) in jedem Falle bestimmt werden können.
Um die zur Abschätzung von D(t) benötigte wobei /ι das Absorptionsmaß auf dem Weg ρ ist. Betrachtet man die entsprechenden Situationen gemäß F i g. 3(e) und 3(f), dann gilt

wobei 6 das Maß der Absorption auf dem Weg r ist. Aus

id i

Information zu gewinnen, werden zunächst die Situatio- :n den ersten Gleichungen der beiden Gleichungspaare nen entsprechend den F i g. 3(a) und 3(c) betrachtet. Für folgt, daß

io_gs₄(- It)-log S₄ (- yr) = logD^- It)-logd»(- ~t)

und aus den zweiten Gleichungen

log S₄ (y τ) - log S₄ (I τ) = log D₄ (I τ) - log D₄ ( ί τ) .

Diese Ergebnisse lassen sich kompakter darstellen, ausdrücken lassen als

wenn A_k\ zur Kennzeichnung der Steigung einer dem ^ | S=A \oe D

k-ten Detektor über die Umdrehung (-^T), (-\τ) ^h log S_k = A& log D_k.

zugeordneten Funktion eingeführt wird, und ebenso Aa J > Unter der Annahme, daß die Drift klein ist und daß sich

-u^ α- 11 λ u /It 3ti joujc u- der Logarithmus parabolisch ändert, kann man schrei-

uoerdie Umdrehung (^T, ^T/so daß sich die Ergebnisse ^{6 F}

ben

log D_k(i) = ( I₄₁ log S₄ + I₄₂ log S₄) t + — I₄₁₂ log S₄ · f².

worin 4*12 die von den Steigungen A_k\ und A& erster Ordnung abgeleitete Steigung zweiter Ordnung bedeutet. Somit ist die Drift D^f^für alle Zeiten ί während des Untersuchungszyklus in Form der vier Signalausgänge

bestimmt. Alle Signalausgänge aller Detektoren können bezüglich der Drift korrigiert werden, und wenn man die Drift insbesondere für die Zeit t = — T kennt, können die relativen Empfindlichkeiten der Detektoren zugelassen werden. Somit können die zeitlichen Schwankungen der Detektorempfindiichkeit bei den Bildrekonstruktionsdaten kompensiert werden.

Die Ausgänge von den Integratoren 232 (Fig.2) werden Analog/Digital-Umsetzern 233 zugeführt, von denen in F i g. 4 eine Einheit 233* dargestellt ist In diese Einheit wird der Ausgang vom Detektor k eingespeist und anschließend wird das Signal über eine Logarithmier-Schaltung 242 und andere nachfolgend noch erläuterte Schaltelemente einem Datenspeicher 239 zugeführt, in dem die Fehler der ursprünglich gespeicherten Strahldatensignale, die von den unterschiedlichen Detektorenempfindlichkeiten herrühren, korrigiert werden müssen. Nach Korrektur werden die Daten vom Speicher in gewünschter Reihenfolge vom Adressenwähler 251 (Fig.2) ausgewählt Die Zeitgeberschaltung 236 des Rechners, eine Routen-Wählerschaltung 24I₄ und die Logarithmier-Schaltung 242 werden in bekannter Weise vom Rechnerprogramm gesteuert.

Um die Art der Rechneroperationen zn verdeutlichen, wird die Beziehung zwischen einem korrigierten und einem nicht korrigierten, im Speicher 239 gehaltenen Datensignal wie folgt ausgedrückt:

55

log f(t) = log Sk(t)- log A_k - log

In dieser Gleichung ist f(t) das wahre Maß der Absorption der Strahlung auf dem Weg durch den Körper, die zur Zeit t auf den Detektor k auftrifft Der tatsächlich vom Detektor gemessene Wert ist Srft). Dieser Wert wird zunächst in seiner logarithmischen Form im Datenspeicher 239 gespeichert und die Korrektur wird durchgeführt indem vom nicht korrigierten Strahldatensignal die Korrekturen log/4* und log Di^y subtrahiert werden.

Nach dem oben Gesagten ergibt sich, daß für die Korrektur der ursprünglich im Speicher 239 gespeicher-

ten Signale Detektorausgangssignale zu den folgenden Zeiten benötigt werden:

3 _

Der Einfachheit halber werden die Ausgänge des Ar-ten Detektors zu diesen Zeiten

- y7, -7, - \- 7, \ 7 und \-T

bezeichnet:

^Sk(~ 1^T)⁼ ^v°"

S_ki-T) = x_u,
^Sk(~ l

Addierschaltung 254* und dann subtraktiv zugehörigen Adressen im Datenspeicher 239 zugeführt. Die zugehörigen Werte von t werden der Syntheseschaltung 253* über eine Leitung 245t mitgeteilt. Auf diese Weise werden die im Speicher 239 befindlichen, vom Detektor k herrührenden Datensignale für alle Werte des bei der Bildrekonstruktion verwandten Parameters t korrigiert. Die gleiche Verarbeitung erfolgt in gleichen Schaltungsanordnungen für alle Detektorkanäle, so daß die gesamten Daten im Speicher 239 im Hinblick auf Driftfehler der Detektoren korrigiert werden.

Bei dem Verfahren zur Kompensation von lageabhängigen Fehlern der Speicherdaten, d. h. ungleichen Detektorempfindlichkeiten gilt zunächst

und der Ausgang des Detektors Ar+ 1 zur Zeit i + 0 wird bezeichnet als

SiJ(O) = X₃*-.

Diese Werte, die am Ausgang des Analog/Digital- w Umsetzers 233* erscheinen, werden von der Routen-Wahlschaitung 241*, die von der Zeitsteuerschaltung 236 gesteuert wird, zur jt-ten Adresse von entsprechenden Speichern 25O₀, 250,, 25O₂, 25O₃,25O₄,25O₆ geschickt. In diesen Speichern ist eine Adresse, die jeweils allen 4-> Detektorkanälen, für die der k-le Kanal typisch ist, entspricht. Die in Frage stehenden Werte mit Ausnahme von Xu,- stellen ebenfalls Bildrekonstruktionsdaten dar und werden ebenfalls im Datenspeicher 239 gespeichert. Nachdem die Signale sich in den Speichern 25O₀, 250], -,» 25O₂, 25O₃, 25O₄, 25O₆ befinden, zieht eine Wahlschaltung 251* die Werte xo*. X₂*, X₄* und X₆* nacheinander unter Steuerung der Zeitgeberschaltung 236 heraus, und diese Werte werden dann nacheinander der Logarithmier-Schaltung 242 zugeführt Sie kommen aus der Schaltung 242 in logarithmischer Form und werden der Differenzschaltung 252* zugeführt, die die obenerwähnten Steigungen erster und zweiter Ordnung bildet, und diese Steigungswerte zur Driftfunktions-Syntheseschaltung 253* überführt Diese Schaltung erzeugt aus diesen t>o Werten und Werten des Zeitparameters t Werte der logarithmischen Driftfunktion log Dk(t) entsprechend der Annahme, daß diese Funktion sich, wie schon oben erwähnt, parabolisch mit f ändert Die bei der Erzeugung der Werte der Funktion verwendeten Werte (,5 von t sind die Werte, die zu der Erzeugungszeit der dem Speicher 239 zugeführten Datensignale gehören. Entsprechende Werte der Funktion log Dk(t) werden einer 'A₁ ,

^Ak-1

JO

und als Folge davon, falls

ergibt sich daß

(, Γ

log A_k = Σ 1°S '·>■ + Og Λ, .

Γ'

Die Kompensation der ungleichen Detektorempfindlichkeiten schließt die zugehörige Subtraktion der differierenden Werte von log A* ein, die für unterschiedliche Werte von k von den im Speicher 239 gespeicherten Daten abweichen. Da der Wert log Ai für alle Korrekturen gemeinsam ist, bleibt dieser Wert unberücksichtigt, denn er würde nur eine einheitliche Komponente in die Bildrekonstruktion einführen. Wenn daher auf den Wert von log Ak nachfolgend bezug genommen wird, so hat er die Bedeutung

k Γ

Σ ¹^ κ

Aus den früheren Erörterungen des Problems ist ersichtlich, daß der Wert von log λ* durch die Gleichung gegeben ist

log.v_u· -

= log/_t - logD,.(-7).

worin, wie schon früher festgestellt wurde
k'= k+\

Die von der Zeitgeberschaltung 236 gesteuerte Auswahlschaltung 255* wählt der Reihe nach den im Speicher 25O₃ gespeicherten Wert X₃* und den im Speicher 25Oi gespeicherten Wert x\ * aus und führt diese der Logarithmier-Schaltung 242 und dann einer Empfindlichkeitsvergleichsschalrung 256* zu. Diese Schaltung verwendet die zugeführten Werte zusammen mit dem von der Driftfunktions-Syntheseschaltung 253* und durch die Zeitsteuerschaltung 236 der Schaltung 256* zugeführten Wert von log Dk{— T) um den Wert von log Xk gemäß der obigen Gleichung künstlich herzustellen. Der künstlich hergestellte Wert von log λ* wird der yV-ten Adresse des Empfindlichkeitsspeichers 257 zugeführt, der allmählich die Werte von log A* für alle Werte von Jt empfängt und speichert Alle Werte

von log At werden durch entsprechende Schaltungen der angegebenen Art synthetisch hergestellt.

Um den Wert von log Ak zu erzeugen, zieht die Addierschaltung 258* vom Speicher 257 alle gespeicherten Werte für log /._r für Werte von ν im Bereich !, 2,3,... jt — 1 mittels der Zeitsteuerschaltung 236 über einen Leiter 245'* ab und summiert sie zur Erzeugung des erforderlichen Wertes von log At. Dieser Wert wird der Addierschaltung 254* und dann subtraktiv den zugehörigen Adressen im Speicher 239A zugeführt. Bei Verwendung gleicher Verfahren für alle Werte von k erfolgt eine Kompensation der ungleichen Empfindlichkeiten der Detektoren für die in allen Adressen des Datenspeichers 239 gespeicherten Daten.

In F i g. 4 sind die Komponenten und Schaltkreise nur schematisch dargestellt, da sie zu einem entsprechend programmierten Digitalrechner bekannter Bauart gehören.

Die bei der beschriebenen Datensignalkorrektur verwendeten Detektorwerte stellen zwar nur Werte einer Detektorposition dar, jedoch können diese Werte Durchschnittswerte von einer Gruppe von Positionen sein. Auf diese Weise können statistische Fehler von begrenzten Photonenstößen beträchtlich reduziert werden.

Ferner brauchen die bei der Korrektur verwendeten Detektorwerte nicht zu den angegebenen Zeiten gewonnen zu werden, vorausgesetzt, daß die Zeitsteuerung der Schaltung entsprechend ist. Kürzere Abtastungen und andere Zeilprogramme können verwendet werden, wenn die Gesamtzeit der Abtastung vermindert werden soll.

Während des zweiten Umlaufs des Untersuchungszyklus werden Signale von den Detektoren 18 nur zur Zeit f = 0 abgeleitet. Während des Restes der Umdrehung können die Röntgenstrahlen unterbrochen werden, um die Strahlungsdosis für den Patienten zu vermindern. Statt dessen können jedoch auch Datensignale während des zweiten Umlaufes erzeugt und zur Bildrekonstruktion verwendet werden.

Es sei bemerkt, daß die Korrektur von in der Zeit variablen Fehlern der Detektorenempfindlichkeit da durch erzielt wird, daß von dem jeweiligen Detektor zu aufeinanderfolgenden Zeiten Ausgangssignale abgeleitet werden, wenn die Strahlung auf den Detektor auf demselben Strahlenweg durch den zu untersuchende: Körper auftrifft Diese Ausgangssignale werden zu Erzeugung einer Funktion verwendet, die die Form de Drift der Empfindlichkeit darstellt, und diskrete Werti ^r> dieser Funktion, die für entsprechende Augenblick« ausgewählt werden, dienen zur Korrektur der in dei entsprechenden Augenblicken erzeugten Ausgangssi gnale. In Abhängigkeit von der Zahl der zur Erzeugunj der Driftfunktion verwendeten Ausgangssignale kam

κι die Funktion linear, parabolisch, kubisch oder sogar vor höherer Ordnung sein. In der Praxis gibt jedoch ein« parabolische Funktion eine ausreichende Korrektur Dieser Aspekt der Erfindung kann bei jeder Zahl voi Detektoren angewendet werden, da eine individuelle Driftfunktion für jeden Detektor erzeugt wird. Eim Anwendung ist auch möglich, wenn nur ein Detektor ir jeder untersuchten Ebene verwendet wird, beispielswei se wie bei dem in der DE-OS 19 41 433 beschriebener Anordnung.

2(i Die positionsabhängige Korrektur beruht dageger auf dem Empfang von Strahlung auf demselben Weg durch bestimmte Detektorpaare (die in der Praxis nichi durch benachbarte Detektoren gebildet sein müssen eines Detektorsystems, wobei ein Weg für jedes Paa:

vorgesehen ist Insoweit ist die Erfindung nur anwend bar, wenn zahlreiche Detektoren verwendet werden Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird da; gewünschte Ergebnis dadurch erreicht, daß Strahlung zweimal durch den Körper von weitgehend identischer Richtungen geschickt und die vom Körper austretendf Strahlung das erste Mal von den Detektoren in einei bestimmten Lage in bezug auf den Körper und da; zweite Mal von denselben Detektoren in einei demgegenüber versetzten Lage zum Körper abgetastei

r> wird. Die gleiche Wirkung kann natürlich auch erreich! werden, wenn der Körper in bezug auf die Detektorer verlagert wird, oder durch eine Kombination diesel Bewegungen. Ferner kann der »Blick« durch der Körper mit den gegenüber ihrer Position, die sie bei dei

4(i normalen Abtastung einnehmen, versetzten Detektorer entweder vor oder nach der Abtastbewegung und nichi wie beschrieben an einer mittleren Stelle erfolgen Vorzugsweise werden jedoch die relativen Empfindlichkeiten der Detektoren an einer mittlei _n Stelle de« j Abtastprozesses geprüft.

Hier/u 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Untersuchung eines Körpers mit durchdringender Strahlung, insbesondere Röntgen- oder Gammastrahlung, die im Abstand voneinander eine Strahlenquelle und eine wenigstens einen Detektor enthaltende Meßanordnung für die Strahlung der Strahlenquelle sowie eine Aufnahmevorrichtung zur Plazierung des zu untersuchenden Körpers in dem Zwischenraum zwischen der Strahlenquelle und der Detektoranordnung aufweist, und die Antriebs- und Führungsmittel- für laterale und/oder orbitale Abtastbewegungen der Strahlenquelle und der Meßanordnung enthält, die so ausgebildet sind, daß die Meßanordnung zahlreiche Strahlenbündel mißt, die entlang unterschiedlich orientkrter Wege den zu untersuchenden Querschnittsbereich des Körpers durchlaufen, und die eine einen Rechner und einen Matrixspeicher enthaltende Auswertschaltung aufweist, der die Detektor-Ausgangssignale, die die Schwächung der Strahlen auf dem Wege durch den Körper darstellen, zugeführt werden, wobei die Auswertschaltung eine Rekonstruktion der Absorptionsverteilung der r> Strahlung in dem untersuchten Querschnittsbereich herstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebs- und Führungsmittel (30, 31, 32) so ausgelegt sind, daß ein von der Strahlenquelle (5) zu einem Detektor (18*) verlaufendes Strahlenbündel jo den Querschnittsbereich des Körpers auf demselben Weg zu verschiedenen Zeiten während der orbitalen Bewegung durchquert, daß die während der verschiedenen Zeiten gewonnenen Absorptionsmessungen Speicher- und Auswahlschaltungen (250,251) r> zugeführt werden, daß eine Vergleichsschaltung (252) zum Vergleich dieser Messungen und eine Schaltung (253) zur Erzeugung eines Fehlersignals bei Feststellung eines Driftunterschiedes in der Empfindlichkeit des Detektors (18*) in dem Zeitraum zwischen dem Durchlauf des Strahlenbündels durch den Weg vorhanden sind, und daß eine Schaltung (254) vorhanden ist, um die Fehlersignale den Absorptionsmessungen zwecks Fehlerkorrektur zuzuführen. 4^r>

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebs- und Führungsmittel (30, 31, 32) so ausgelegt sind, daß jeder Detektor durch den Querschnittsbereich geschickte Strahlung während der orbitalen Bewegung entlang jedes Weges w wenigstens dreimal empfängt, so daß die Fehlersignale eine Driftkorrektur nach einem parabolischen Gesetz ermöglichen.

3. Vorrichtung zur Untersuchung eines Körpers mittels durchdringender Strahlung, insbesondere v> Röntgen- oder Gamma-Strahlung, die im Abstand voneinander eine Strahlenquelle und eine wenigstens einen Detektor enthaltende Meßanordnung für die Strahlung der Strahlenquelle sowie eine Aufnahmevorrichtung zur Plazierung des zu unter- t>o suchenden Körpers in dem Zwischenraum zwischen der Strahlenquelle und der Detektoranordnung aufweist, und die Antriebs- und Führungsmittel für laterale und/oder orbitale Abtastbewegungen der Strahlenquelle und der Meßanordnung enthält, die ti^r> so ausgebildet sind, daß die Meßanordnung zahlreiche Strahlenbündel mißt, die entlang unterschiedlich orientierter Wege den zu untersuchenden Querschnittsbereich des Körpers durchlaufen, und die eine einen Rechner und einen Matrixspeicher enthaltende Auswertschaltung aufweist, der die Detektorausgangssignale, die die Schwächung der Strahlen auf dem Wege durch den Körper darstellen, zugeführt werden, wobei die Auswertschaltung eine Rekonstruktion der Absorptionsverteilung der Strahlung in dem untersuchten Querschnittsbereich herstellt, dadurch gekennzeichnet, daß eine so ausgelegte Umschalt- und Verschiebevorrichtung (35—38) vorhanden ist, daß ein Detektorpaar (18*, 18*+1) relativ zur Strahlenquelle (5) um einen solchen Betrag verschiebbar ist, daß einer der Detektoren (18*) die entlang einem Weg durch den Querschnittsbereich verlaufende Strahlung und der andere Detektor (18*+1) die durch denselben Weg verlaufende Strahlung nach der Verschiebung empfängt, daß Empfindlichkeits-Vergleichsschaltungen (256) vorhanden sind, um die Messungen des Detektorpaares für denselben Weg zu vergleichen und die festgestellten Empfindlichkeitsunterschiede zu speichern, und daß eine Schaltung (254) vorhanden ist, um die festgestellten Unterschiede der Empfindlichkeiten den Absorptionsmessungen zwecks Fehlerkorrektur zuzuführen.