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"Vorri chtung zur Erzeugung von Schichtaufnahmen"
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von
Schichtaufnahmen geJnäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
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Eine derartige Vorrichtung ist aus der DT-OS 23 18 656 bekannt.
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Bei der bekannten Vorrichtung werden die zeitlich nacheinanker aufgenommenen
Einzelaufnahmen auf den einzelnen Spuren eines NagnetpIatten-V#deo-Bildspeichers
mit beweglichem Schreib/Lesekopf au=!gezeichnet. Die Erzeugung des Schichtbildes
findet
anschließend auf der Speicherschicht einer Ladungs-Bildspeicherröhre statt. Dazu
werden die den Einzelaufnahmen zugeordneten Abtast- bzw. Videosignale nacheinander
aus dem Plattenspeicher abgerufen und zur Steuerung der flächenhaften Ladungsverteilung
aeuf der Speicherschicht verwendet. Das auf diese Weise erzeugte Uberlagerungsbild
stellt eine Schichtaufnahme des Objektes in einer Ebene dar, deren Lage durch die
gegenseitige Verschiebung der Einzelaufnahmen auf der Speicherschicht der Bildspeicherröhre
gegeben ist.
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Diese Schichtaufnahme wird anschließend aus der Bildspeicherröhre
ausgelesen und wieder auf dem Plattenspeicher aufgezeichnet.
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Dieser zeitaufwendige Prozeß muß der gewünschten Anzahl der Schichtbilder
entsprechend oft wiederholt werden. Erst anschließend können diese Bilder als Standbilder
oder als bewegte Bildfolge vom Plattenspeicher auf ein Schichtgerät übertragen werden.
Die Verwendung einer Bildspeicherröhre führt dabei, insbesondere wegen ihres eingeschränkten
Dynamikumfanges, zu Abbildungsfehlern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung
zu schaffen, die es ermöglicht, die Schichtaufnahmen relativ schnell und mit verbesserter
Abbildungsqualität zu erzeugen.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten
Art durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Bei der Erfindung werden also sämtliche Einzelaufnahmen bzw.
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die daraus abgeleiteten Abtastsignale gleichzeitig aus dem Speicher
ausgelesen, wobei die unterschiedlichen Verzögerungen der Abtastsignale die Verschiebung
der Einzelaufnahmen gegeneinander bewirken; die Uberlagerungseinheit braucht daher
keine Speichereigenschaften zu haben und kann aus einer einfachen Addierschaltung
bestehen. Soll aus den Einzelaufnahmen die Schichtaufnahme in einer anderen Ebene
erzeugt
werden, müssen lediglich die Verzögerungszeiten verändert
werden; ein Wechsel der Lage der erzeugten Schichtaufnahmen ist daher so schnell
möglich wie die Verzögerungszeiten der Verzögerungsglieder umgeschaltet werden können.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in Anspruch
2 beschrieben. Die Verzögerungszeit eines als Schieberegister ausgebildeten Verzögerungsgliedes
wird durch seine Taktfrequenz (die der Verzögerungszeit umgekehrt proportional ist)
geändert. Dabei ist also für jedes Verzögerungsglied ein Taktimpulsgenerator vorgesehen,
dessen Frequenz in Abhängigkeit von der Lage der scharf darzustellenden Schicht
steuerbar ist.
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Besonders einfach wird die Anordnung gemäß der in Anspruch 3 beschriebenen
Weiterbildung der Erfindung, wenn der Röntgenstrahler bzw. die Bildaufnahmeeinrichtung
bei der Anfertigung der Einzelaufnahmen ihre Position linear verändern, d.h. in
einer Ebene die zur Schichtaufnahmeebene senkrecht steht.
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Die Einzelaufnahmen brauchen dann nämlich auch nur linear gegeneinander
verschoben zu werden, was besonders einfach ist, wenn diese Verschiebung in der
Abtastrichtung (Zeilenrichtung) erfolgt.
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Diese Vorrichtung vereinfacht sich gemäß Anspruch 4 noch weiter, wenn
die Positionen, aus denen heraus die Einzelaufnahmen angefertigt werden, voneinander
jeweils den gleichen Abstand haben, so daß auch die Einzelaufnahmen jeweils um die
gleiche Strecke gegeneinander verschoben werden müssen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung und Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Einzelaufnahmen
linear lmd um den gleichen Betrag verschoben werden
Die Zeichnung
zeigt ein Objekt 1, z.B. den Körper eines Patienten, das auf der Tischplatte 2 gelagert
ist und von einem Röntgenstrahler 3 durchstrahlt wird. Das von dem Röntgenstrahler
3 hinter dem Objekt 1 erzeugte Strahlenrelief wird von einem Bildverstärker 4 in
sichtbares Licht umgewandelt, und das Leuchtschirmbild des Bildverstärkers 4 wird
von einer Fernsehkamera 5 abgetastet, deren Abtastsignal (Videosignal) anschließend
gespeichert wird. Wie gestrichelt angedeutet, werden nach jeder Einzelaufnahme der
Röntgenstrahler 3 und der Bildverstärker 4 mit der Furnsehkamera 5 in eine andere
Position verschoben, aus der dann eine weitere Finzelaufnahme angefertigt wird.
Die Bewegung erfolgt dabei um einen (gegebenenfalls idealen) Drehpunkt, der zweckmäßigervieise
in einer das Objekt schneidenden, zur Verschiebungsebene parallelen Ebene liegt.
Werden die Einzelaufnahmen anschließend ohne gegenseitige Verschiebung überlagert
(was der Fall ist, wenn die Verzögerungszeiten aller Verzögerungsglieder einander
gleich sind), ergibt sich eine Schichtaufnahme gerade dieser Ebene.
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Das Videosignal wird über einen Umschalter 6 einem Speicher 7 zugeführt,
der das gleichzeitige Auslesen der darin gespeicherten Abtastsignale gestattet.
Es handelt sich dabei um einen Magnetplattenspeicher, der für jede Spur einen separaten
Schreib/Lesekopf mit zugehörigen Schreib- und Leseverstärkern besitzt (sog. "FestRopf-Platte").
Das Videosignal einer jeden Einzelaufnahme wird über den Umschalter 6 einem dieser
Schreib/ Leseköpfe zugeführt bzw. auf der diesem Kopf zugeordneten Spur auf der
Platte aufgezeichnet. Derartige Magnetplattenspeicher sind bekannt; sie werden z.B.
von der Firma "Process Peripherals Ltd." unter der Bezeichnung "PPL Series 104 Video
Storett vertrieben.
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Nachdem auf diese Weise sämtliche Einzelaufnahmen in ein Videosignal
zerlegt und jeweils einer bestimmten Spur im Magnetplattenspeicher 7 zugeordnet
sind, werden zur Erzeugung einer Schichtaufnahme sämtliche Einzelbilder mittels
der
verschiedenen Leseköpfe gleichzeitig ausgelesen. Vor der Überlagerung
der Einzelaufnahmen müssen diese noch gegeneinander in Bildzeilen- und Spaltenrichtung
um einen Betrag verschoben werden, der von dem Winkel abhängt, unter dem die Einzelaufnahme
angefertigt wurde, sowie von der Lage der Schicht, d.h. ihrem Abstand von der Ebene,
in der der Drehpunkt liegt.
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Dies geschieht dadurch, daß die Einzelaufnahmen im Zeitraster gegeneinander
verschoben werden. Dazu ist jedem (in der Zeichnung nicht näher dargestellten) Lesekopf
des Speichers 7 bzw. jeder Spur, in der ein Bild gespeichert ist, ein Verzögerungsglied
10 zugeordnet, das das aus dem Speicher ausgelesene Abtastsignal jeweils um eine
durch ein Steuerwerk 8 vorgebbare Anzahl von Bildpunkten in Spaltenrichtung sowie
um eine gleichfalls vorgebbare Anzahl von Bildzeilen in Zeilenrichtung verschiebt.
Die Ausgänge aller Verzögerungsglieder 10 sind mit einer entsprechenden Anzahl von
Eingängen einer Überlagerungseinheit 9 verbunden, die die Momentanwerte der unterschiedlich
verzögerten Abtastsignale addiert und somit an ihrem Ausgang ein Signal liefert,
das der Überlagerung der gegeneinander verschobenen Einzelaufnahmen entspricht,
d.h.
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einer Schichtaufnahme mit einer durch die Größe und Richtung der Verschiebungen
bzw. der Verzögerungen definierten Lage.
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Dieses Ausgangssignal kann einem nicht näher dargestellten Wiedergabegerät
zugeführt werden. Da die Abtastsignale nach dem Abtasten einer (oder mehrerer) Spur
sich periodisch wiederholen, kann auf diesem Wiedergabegerät die Schichtaufnahme
beliebig lange wiedergegeben werden.
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Infolge der Verzögerung der Abtastsignale sind die Bild- und Zeilensyiichronisierimpulse
des verzögerten Abtastsignals gegenüber den Bild- und Synchronisierimpulsen des
Widergabegerätes zeitlich versetzt. Das hätte zur Folge, daß z.B.
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der untere Teil einer Einzelaufnahme auf dem oberen Teil des Wiedergabegerätes
abgebildet würde, wenn nicht Mittel vorgesehen wären, die den nach dem das Bildende
markierenden S chronimpuls des Wiedergabegerätes folgenden Teil des Abtastsignals
unterdrücken
würden. Deshalb sollten den Verzögerungsgliedern 10 nicht näher dargestellte Austastschaltungen
nachgeschaltet sein, die den zwischen einander entsprechenden Synchronimpulsen des
Wiedergabegerätes und des verzögerten Abtastsignals liegenden Teil des verzögerten
Abtastsignals unterdrücken.
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Mit besonderem Vorteil werden als Verzögerungsglieder 10 analoge Schieberegister
verwendet (sog. CCD- oder bucketbrigade-Verzögerungsleitungen). Die Verzögerungszeit
ist dabei durch das Produkt aus der Zahl der Registerzellen und der Periodendauer
der Taktimpulse bestimmt.
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Um unterschiedliche Verzögerungszeiten für die Abtastsignale der Einzelaufnahme
zu erhalten, können Schieberegister mit einer unterschiedlichen Anzahl von Registerzellen
benutzt werden, die von einer gemeinsamen Taktfrequenz gesteuert werden. Da die
Größe der Bildverschiebung bei einer Änderung der Lage der scharf abzubildenden
Schicht nach einem geometrischen Ähnlichkeitsgesetz erfolgt, ist es in diesem Fall
möglich, durch Verändern der gemeinsamen Taktfrequenz aller Schieberegister die
Lage der durch das Ausgangssignal der Überlagerungseinheit 9 gebildeten Schichtaufnahme
kontinuierlich und verzögerungsfrei zu variieren. Da dies im Augenblick des Betrachtens
erfolgt, ist es nicht mehr nötig, alle möglicherweise interessierenden Schichtbilder
im voraus zu synthetisieren und abzuspeichern. Allerdings ist die Verwendung von
Schieberegistern mit einer unterschiedlichen Anzahl von Zellen relativ aufwendig,
weil die auf dem Markt befindlichen in integrierter Schaltungstechnik ausgeführten
Schieberegister im allgemeinen eine konstante Anzahl von Zells auSweisen.
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Es können deshalb auch identisch aufgebaute Schieberegister mit der
gleichen Anzahl von Zellen verzfendet werden, die mit Taktimpulsen unterschiedlicher
Frequenz gesteuert werden.
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In diesem Fall muß für jedes Verzögerungsglied 10 im Steuerwerk
ein
gesonderter Taktimpulsgenerator vorhanden sein, dessen Frequenz in Abhängigkeit
von der Lage x der scharf abzubildenden Schicht steuerbar ist. Dazu muß das Steuerwerk
weiter einen Rechner erhalten, der in Abhängigkeit von der Lage x die für die einzelnen
Verzögerungsglieder jeweils erforderlichen Taktfrequenzen errechnet. Ein derartiges
Steuerwerk zu realisieren, bereitet dem Fachmann bei dem derzeitigen Stand der Technik
keine grundsätzlichen Schwierigkeiten, so daß eine detailliertere Beschreibung sich
erübrigt.
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Statt analoger Schieberegister können auch digitale Schieberegister
verwendet werden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, die Abtastsignie der Einzelaufnahmen
schon vor dem Speichern zu digitalisieren und digital zu speichern und auch die
Überlagerung der Abtastsignale digital vorzunehmen, so daß nur ein Analog-Digital-Wandler
(vor dem Umschalter 6) und ein Digital-Analog-Wandler (am Ausgang der Uberlagerungseinheit
9) erforderlich ist.
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Wie bereits erwähnt, hat die Überlagerungseinheit (9) bei der Erfindung
lediglich die Funktion, die Momentanwerte der verzögerten Abtastsignale zu addieren.
Die Überlagerungseinheit 9 kann zu diesem Zweck - bei analog anfallenden Abtastsignalen
-für alle Verzögerungsglieder Additionswiderstände von gleicher Größe enthalten,
deren einer Anschluß - zweckmäßigerweise über einen Entkoppelverstärker - mit dem
Ausgang des zugeordneten Verzögerungsgliedes verbunden ist und deren anderer Anschluß
mit den entsprechenden Anschlüssen aller anderen Widerstände verbunden sind, wobei
der diesen Verbindungspunkt durchfließende Strom, der gegebenenfalls mittels eines
geeignet bemessenen Widerstandes in eine dazu proportionale Spanntzg umgewandelt
werden kann, das Abtastsignal der aus den Einzelaufnahmen erzeugten Schichtaufnahme
darstellt. Liegt das Abtastsignal an den Eingängen der Überlagerungseinheit 9 in
digitaler Form vor, dann kann die Überlagerungseinheit 9 eine aus der Digitaltechnik
bekannte Addierschaltung enthalten.
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Fig. 2 zeigt eine vereinfachfte Ausführung der Erfindung, bei der
davon ausgegangen wird, daß die Schichtaufnahme aus Einzelaufnahmen erzeugt werden
soll, bei deren Anfertigung der Röntgenstrahler linear in einer zur darzustellenden
Ebene senkrechten Ebene verschoben worden ist, wobei der Abstand zwischen den einzelnen
Positionen jeweils gleich ist, so daß auch die erforderlichen Verschiebungen der
Einzelaufnahmen jeweils gleich sind.
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Weiter sei davon ausgegangen, daß die in Fig. 2 dargestellte Anordnung
(in der die in Fig. 1 dsrgestellten,zur Anfertigung und Speicherung der Einzelaufnahmen
erforderlichen Komponenten 1 bis 6 der Einfachheit halber weggelassen sind) im Speicher
7' die Abtastsignale der Einzelaufnahmen in einer solchen Reihenfolge enthält, daß
an dem in der Zeichnung obersten Ausgang des Speichers das Abtastsignal der Einzelaufnahme
ausgelesen werden kann, die die stärkste Verschiebung erfordert, daß an dem darunterliegenden
Ausgang das Abtastsignal für die Einzelaufnahme mit der nächstgrößeren Verschiebung
auslesbar ist usw. Der oberste Ausgang ist mit dem Eingang eines ersten Verzögerungsgliedes
10' verbunden, dessen Ausgang mit dem einen Eingang eines Überlagerungsgliedes 9'
verbunden ist. Am anderen Eingang dieser Überlagerungseinrichtung 9' liegt das Abtastsignal
der Einzelaufnahme mit der zweitgrößten Verschiebung an. Das Summensignal aus dem
verzögerten Abtastsignal des obersten Speicherausganges und des unverzögerten Abtastsignals
des darauffolgenden Speicherausganges, das in der Uberlagerungseinrichtung 9' erzeugt
wird, wird dem Eingang eines weiteren Verzögerungsgliedes 10' zugeführt, dessen
Ausgang wiederum mit dem Eingang einer dem dritten Speicherausgang von oben zugeordneten
weiteren Überlagerungseinrichtung verbunden ist usw. Das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes,
dessen Eingang mit dem Ausgang der Überlagerungseinrichtung verbunden ist, die dem
vorletzten (von oben) Ausgang zugeordnet ist, wird dem Eingang einer letzten Überlagerungseinrichtung
zugeführt, an deren anderem
Eingang das Abtastsignal des letzten
Speicherausganges anliegt. Das Ausgangssignal dieser letzten Überlagerungseinrichtung
wird nicht weiter verzögert. Es stellt das Abtastsignal der Schichtaufnahme dar,
das z*B. einer Wiedergabeeinrichtung, die in der Zeichnung nicht näher dargestellt
ist, zugeführt werden kann.
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Die Verzögerungszeit der Verzögerungsglieder, die als gleich lange
Schieberegister ausgebildet sind, wird durch die gemeinsame vom Steuerwerk 8 gelieferte
Taktfrequenz bestimmt.
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Das Ausgangssignal der leiten Überlagerungseinheit 9' enthält die
Summe aller Abtastsignale, wobei das Abtastsignal aus dem letzten Speicherausgang
unverzögert ist, während das Abtastsignal aus dem ersten Speicherausgang um die
Zeit (n - 1) T verzögert ist, wobei T die Verzögerungszeit eines Verzögerungsgliedes
n die Zahl der Speicherausgänge bzw. der in dem Speicher gespeicherten Einzelaufnahmen
ist. Die anderen Abtastsignale werden um ein ganzzahliges Vielfaches (das zwischen
1 und n - 1 liegen kann) der Zeit T verzögert. Eine Veränderung der Lage der scharf
abzubildenden Schicht erfolgt durch eine Anderung der gemeinsamen Taktfrequenz;
die Taktfrequenz muß dabei um so größer sein, je geringer die erforderliche zeitliche
Verzögerung, d.h. je geringer die erforderliche Verschiebung zwischen den Einzelaufnahmen
ist.
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Da die zeitliche Verzögerung eines aus einem Speicherausgang ausgelesenen
Abtastsignals stets größer ist als die Verzögerung eines Abtastsignals aus einem
darunterliegenden Ausgang, ist es mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung nicht
möglich, die Abtastsignale ohne zeitliche Verzögerung oder gar mit anders gerichteter
Verzögerung (wobei das aus dem untersten Speicherausgang ausgelesene Signal am stärksten
und das aus dem obersten Speicherausgang ausgelesene Abtastsignal am schwächsten
verzögert wird) einander überlagert werden. Es können daher keine Schichtaufnahmen
der Ebene, in der der
Drehpunkt des Systems Röntgenstrahler - Bildverstärker
bei der Anfertigung der Einzelaufnahme liegt oder einer jenseits des Drehpunktes
gelegenen Ebene, angefertigt werden.
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Damit trotzdem Schichtaufnahmen des gesamten Objektes erzeugt werden
können, kann bei einem derartigen Gerät der (gegebenenF falls ideelle) Drehpunkt
des Systems Röntgenstrahler 3 - Bildverstärker 4 in eine Ebene außerhalb des Objektes
1, z.B.
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in die Ebene des Eingangsleuchtschirmes des Bildverstärkers 4, verlegt
werden. Zur Erzeugung einer Schichtaufnahme in beliebiger Lage des Objektes brauchen
die Einzelaufnahmen dann nur noch in einer Richtung verschoben zu werden. Allerdings
werden die Verschiebungen, die erforderlich sind, um eine Schichtaufnahme der am
weitesten von dem Drehpunkt befindlichen Ebene des Objektes herzustellen, relativ
groß, so daß der Bereich, in dem sich die Einzelaufnahmen überlappen und somit zur
Schichtaufnahme beitragen, relativ klein wird im Vergleich zur Größe einer Einzelaufnahme.
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Eine Möglichkeit sämtliche Ebenen des Objektes auch dann in einer
Schichtaufnahme darzustellen, wenn der Drehpunkt sich nicht in einer Ebene außerhalb
des Objektes befindet, besteht darin, die Abtastsignale der Fernsehkamera 5 schon
verzögert in den Magnetplattenspeicher 7 einzuschreiben, wobei allerdings die Verzögerung
für das dem unteren Ausgang zugeordnete Abtastsignal am stärksten und für das dem
oberen Ausgang zugeordnete Abtastsignal am geringsten sein muß. Zu diesem Zweck
können n - 1 in Serie geschaltete Verzögerungsglieder mit dem gleichen Aufbau wie
die Verzögerungsglieder 10' verwendet werden, wobei das Abtastsignal von der Fernsehkamera
5 über den Umschalter6 so eingespeist werden muß, daß das in die dem untersten Speicherausgang
zugeordnete Spur eingeschriebene Abtastsignal sämtliche Verzögerungsglieder durchläuft,
während das dem benachbarten Speicherausgang zugeordnete Signal ein Verzögerungsglied
weniger durchläuft usw. (da das Einschreiben der Abtastsignale in den Speicher und
das Auslesen der Signale aus dem
Speicher nicht gleichzeitig erfolgt,
können dabei auch die Verzögerungsglieder 10' verwendet werden). - Die verzögert
eingelesenen Abtastsignale sind dann auf den einzelnen Spuren des Magnetspeichers
7' gegeneinander versetzt und die dadurch bedingte gegenseitige Verzögerung wird
beim Auslesen wieder durch die Verzögerungsglieder 10' kompensiert, wenn die Taktfrequenz
für die aus Schieberegistern bestehenden Verzögerungsglieder beim Ein- und Auslesen
dieselbe ist. In diesem Fall sind die Einzelaufnahmen gegeneinander nicht verschoben,
so daß die Ebene scharf in der Schichtaufnahme abgebildet ist, in der sich auch
der Drehpunkt des Systems Strahler - Bildverstärker befindet. Ist hingegen die Taktfrequenz
für die Verzögerungsglieder beim Auslesen größer, werden die Einzelaufnahmen gegeneinander
in der einen Richtung verschoben; ist sie kleiner, erfolgt eine Verschiebung in
der Gegenrichtung.
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PATENTANSPRÜCHE: