DE2611532B2 - Radiographisches Gerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein radiographisches Gerät zur Untersuchung einer Querschnittsscheibe des Körpers eines Patienten, mit einer Röntgenstrahlenquelle zur Bestrahlung des Körpers, mit einem fächerförmigen, in der Ebene der Querschnittsscheibe verlaufenden Strahlungsfeld, mit Antriebsmitteln zur Erzeugung einer Bewegung der Strahlungsquelle relativ zum Körper, um das fächerförmige Strahlungsfeld aus mehreren unterschiedlichen Richtungen durch den Körper zu schicken, mit einer aus mehreren Detektoren bestehenden Detektoranordnung zum Empfang der aus dem Körper austretenden Strahlung und zur Erzeugung von Ausgangssignalen, die ein Maß für die Intensität der entlang einzelner Wege innerhalb des fächerförmigen Strahlungsfeldes bei jeder der unterschiedlichen Richtungen empfangenen Strahlung sind, und mit Datenverarbeitungsmitteln für die Ausgangssignale zur Erzeugung einer Darstellung der Absorptionsverteilung in der Querschnittsscheibe.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rekonstruktion einer Darstellung der Absorptionsverteilung in einer ebenen Scheibe des Körpers in bezug auf Röntgenstrahlung ist in der DE-OS 19 41 433 beschrieben. Bei einem in dieser Offenlegungsschrift erläuterten Ausführungsbeispiel fuhrt eine Strahlungsquelle eine Abtastbewegung aus, so daß zahlreiche parallele Strahlenbündel unter zahlreichen verschiedenen Neigungen iii der Ebene des Querschnittes erzeugt werden. Ein Detektor führt eine entsprechende Abtastbewegung aus und liefert ein Maß für die Absorption, die jeder Strahl bei Durchlaufen des Körpers erfährt Die Absorptionsmeßwerte werden dann einer Datenverarbeitung unterzogen, um eine Verteilung der Absorptionskoeffizienten für die ebene Scheibe zu gewinnen. Um die erforderliche Zahl der Strahlen zu erzeugen, werden die Quelle und der Detektor in der Ebene der Scheibe hin- und herbewegt und ferner stufenweise um eine zu dieser Ebene senkrechte Achse gedreht, so daß sie eine Umlaufbewegung um den Körper des Patienten ausführen. Die Datenverarbeitung erfolgt so, daß die schließlich gewonnene Verteilung der Absorptionskoeffizienten das Ergebnis von sukzessiven Annäherungen ist

Das in dieser OS beschriebene Verfahren und Gerät hat sich als erfolgreich für die Untersuchung von Teilen des lebenden Körpers, beispielsweise des Kopfes erwiesen. Die Anordnung zur Durchführung der Abstastbewegung ist jedoch verhältnismäßig langsam, und für bestimmte Teile des Körpers wäre eine schnellere Abtastgeschwindigkeit erwünscht. In der DE-OS 24 27 418 ist ein Verfahren und ein Gerät für den gleichen Zweck beschrieben, bei dem die Strahlenquelle einen Strahlungsfächer in der Ebene der Querschnittsscheibe erzeugt, und bei dem die Detektoranordnung aus mehreren Detektoren besteht, die so angeordnet sind, daß sie die entlang einer Gruppe von Wegen innerhalb des fächerförmigen Strahlungsfeldes übertragene Strahlung messen können. Die Winkelspreizung des Fächers ist so groß bemessen, daß der gesamte interessierende Bereich des Körpers erfaßt wird, so daß die Quelle und die Detektoren lediglich einer Umlaufbewegung unterworfen werden müssen.

Es ist bekannt, daß bei der Herstellung einer fächerförmig gespreizten Strahlung von der Anode der Röntgenröhre Unterschiede hinsichtlich der übertragenen Energie auftreten, d. h. es ergibt sich ein Unterschied in der »Härte« der Strahlen über dem Spreizwinkel des Fächers. Da dies zu Änderungen der Absorption der Röntgenstrahlen führt, können als Folge Fehler in der Darstellung auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gerät der eingangs genannten Art Störungen in der Darstellung infolge der unterschiedlichen Härte der

einzelnen Strahlen innerhalb des fächerförmigen Strahlungsfeldes zu beseitigen.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß Verarbeitungsschaltungen vorgesehen sind, die die von der Detektoranordnung erzeugten Ausgangssignale hinsichtlich der Fehler korrigieren, die von Unterschieden in der Energie der Röntgenstrahlung je nach Winkelposition der Strahlenwege innerhalb des fächerförmigen Strahlungsfeldes herrühren, daß die Verarbeitunjjsschaltungen einen Speicher aufweisen, der vorgegebene Korrekturfaktoren für Wege enthält, die unterschiedliche Winkelpositionen innerhalb des fächerförmigen Strahlungsfeldes aufweisen, daß eine Multiplikationsschaltung zur Multiplikation der Ausgangssignale, die jeweils zu einem Strahlenweg mit einer bestimmten Winkelposition innerhalb des Strahlungsfeldes gehören, mit dem entsprechenden Korrekturraktor für diese Winkelposition vorgesehen ist, und daß die derart korrigierten Ausgangssignale den Datenverarbeitungsmitteln zugeführt werden.

Zur Bestimmung der Korrekturfaktoren dient dabei eine erste Gruppe von Ausgangssignalen, die bei fehlender Bewegung der Quelle und der Detektoren durch Bestrahlung eines homogenen Mediums mit gleicher Absorption wie der Körper anstelle des Körpers gewonnen wird, sowie eine zweite Gruppe von Ausgangssignalen, die bei fehlender Bewegung der Quelle und der Detektoren durch Bestrahlung eines absorbierenden Mediums mit bekanntem Profil anstelle des Körpers gewonnen wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert in den Zeichnungen bedeutet

F i g. 1 ein für die Anwendung der Erfindung typisches radiographisches Gerät,

F i g. 2 die Unterschiede der Härte eines fächerförmigen Strahlungsfeldes bei einer typischen Strahlungsquelle und

F i g. 3 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Zuführung der Korrekturfaktoren.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Gerät befindet sich der im Querschnitt sichtbare Körper 1 eines zu untersuchenden Patienten auf einer ebenfalls im Querschnitt sichtbaren Patientenlagerstatt 2. Zwischen dem Körper 1 und der Patientenlagerstatt 2 ist ein Material 3, das für Strahlung eine ähnliche Absorption wie Körpergewebe aufweist, so angeordnet, daß es einerseits als Auflage für den Patienten und andererseits zum Ausschließen von Luft zwischen dem Körper und der Patientenlagerstatt dient, wobei sich das Material etwas um den Körper herumerstreckt, damit insgesamt ein etwa kreisförmiger Querschnitt für die Strahlung gebildet wird. Das Material 3 kann Wasser sein, das in einem oder mehreren flexiblen Beuteln untergebracht ist oder es kann ein viskoses oder körniges Material verwendet werden. Durch einen Haltegurt 4 wird der Körper 1 fest in der gewünschten Lage gehalten.

Die Patientenlagerstatt 2 und der Körper 1 werden in eine Ausnehmung 5 in einem drehbaren Element 6 eingeführt, wobei eine Einstellvorrichtung vorgesehen ist, um einen ausgewählten Teil des Körpers in der Ausnehmung zu zentrieren. Die Patientenlagerstatt 2 kann an einer oder beiden Seiten des drehbaren Elementes 6 gelagert sein, jedoch ist in F i g. 1 aus Gründen der Übersicht eine Lagerung nur hinter dem drehbaren Element 6 dargestellt Das drehbare Element 6 ist um eine Achse 7 drehbar, die in Längsrichtung des Körpers und senkrecht zur Papierebene verläuft Zu diesem Zweck ist das drehbare Element 6 auf drei Zahnrädern 8a, b, c gelagert, die mit nicht dargestellten Zähnen in Eingriff stehen, die am Umfang des drehbaren Elementes 6 angebracht sind. Die Zahnräder 8 sind im Hauptrahmen 9 des Gerätes gelagert, der beliebig ausgebildet sein kann und so beschaffen ist, daß die erforderliche Drehung stattfinden kann. Ein weiteres Zahnrad 10, das ebenfalls mit den Zähnen am Umfang des drehbaren Elementes 6 in Eingriff sieht, wird von einem Elektromotor 11 angetrieben, der ebenfalls auf dem Hauptrahmen 9 gelagert ist und die erforderliche Drehbewegung erzeugt

Am drehbaren Element 6 ist ferner eine Quelle 12 angeordnet, die Röntgenstrahlen in Form eines fächerförmigen Strahlungsfeldes aussendet, und ferner befindet sich auf dem drehbaren Element eine Detektoranordnung 13 mit zugeordneten Kollimatoren 14. Die Detektoren, von denen bei einer typischen Ausführungsform 200 vorhanden sind, können von beliebiger Art sein und beispielsweise aus Szintillationskristallen mit zugeordneten Fotovervielfachern oder Fotodioden bestehen.

Auch die Quelle kann von beliebiger Art sein, jedoch muß sie so beschaffen sein, daß sie ein fächerförmiges Strahlungsfeld 15 erzeugt, und daß der Lirsprung der Strahlungsquelle eine Abtastbewegung auf der Anode ausführen kann, um die Lage des fächerförmigen Röntgenstrahlungsfeldes verändern zu können. Der in F i g. 1 dargestellte Ursprung der Quelle ist jedoch in bezug auf die Detektoranordnung 13 ortsfest Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Quelle und die Detektoranordnung 13 einen gleichen Abstand von etwa 50 cm von der Achse 7, jedoch können auch hier ggf. Abweichungen vorgesehen werden, vorausgesetzt, daß die Geometrie der Anordnung genau bekannt ist.

Im Betrieb bestrahlt die Quelle 12 den Körper 1 mit dem fächerförmigen Röntgenstrahlungsfeld 15. Die Röntgenstrahlen werden teilweise vom Körper absorbiert, und die Intensität der Strahlen nach der Absorption wird von der Detektoranordnung 13 gemessen. Jeder der Detektoren mißt die Strahlung, die den Körper entlang einem Strahlenweg durchdringt, der durch die Abmessungen des zugeordneten Kollimators 14 bestimmt ist. Die Ausgänge der Detektoren werden jeweils voneinander unabhängigen Verstärkern Ϊ6 zugeführt, wo sie verstärkt werden, und die verstärkten Ausgangssignale werden jeweils Integratoren 17 zugeführt. Der Integrator integriert jeweils das Signal für eine Dauer, die ein vorgegebenes Maß der Drehbewegung darstellt, so daß ein analoges Signal erzeugt wird, das die gesamte Strahlungsmenge darstellt, die in dieser Zeit auf den jeweiligen Detektor auftrifft, und die durch den Körper 1 entlang des von dem Detektor unter Berücksichtigung der Drehbewegung untersuchten Weges geschickt wird. Zur Messung des Drehwinkels des drehbaren Elementes 6 ist eine kreisförmige Stricheinteilung 18 auf dem Zahnrad 10 koaxial zu dessen Achse angebracht. Die Stricheinteilung besteht aus einem lichtdurchlässigen Ring, auf dem radiale Linien eingraviert sind. Durch die Linien kann ein Lichtweg zwischen einer Lichtquelle und einer Fotozelle unterbrochen werden. Die Lichtquelle und die Fotozelle sind in einer auf dem Hauptrahmen gelagerten Einheit 19 untergebracht Wenn das Zahnrad 10 umläuft und das drehbare Element 6 in Drehung versetzt wird, unterbrechen aufeinanderfolgende Linien den Lichtweg, und die Einheit 19 erzeugt Impulse, deren Wiederholungsfrequenz ein Maß für den Fortschritt der Drehbewegung ist. Die Impulse werden den Integrato-

ren 17 zum Einstellen und Rückstellen mit den gewünschten Intervallen zugeführt, wodurch die erwähnten analogen Signale erzeugt werden. Diese Signale werden in Analog/Digital-Umsetzern 20 in digitale Form und in logarilhmischen Umsetzern 21 in logarithmische Form umgesetzt, in der sie dann am Ausgang 22 anstehen.

Die insoweit beschriebene Anordnung entspricht weitgehend der bekannten Anordnung gemäß der DE-OS 24 27 418 bzw. der vorgeschlagenen Anordnung ■ gemäß der DE-OS 25 03 980. Die an den Ausgängen 22 erscheinenden Daten werden einer Verarbeitungsschaltung zugeführt, die in F i g. 1 nicht dargestellt ist, wo in bekannter Weise eine Verarbeitung zur Rekonstruktion der gewünschten Darstellung der Absorptionsvertei- '·'■ lung durchgeführt wird (DE-OS 19 41 433 oder DE-OS 24 20 500).

Wie schon erwähnt wurde, kann ein Röntgenstrahlenfächer innerhalb des überstrichenen Winkelbereiches Unterschiede in seiner Energie aufweisen. Dies ist in :<■ vereinfachter Form in F i g. 2 für eine Röntgenröhre mit ortsfester Anode dargestellt. Eine Elektronenkanone 23 richtet einen Elektronenstrahl 24 auf eine Antikathode oder Anode 25 der dargestellten Form, um das fächerförmige Röntgensttahlungsfeld 15 zu erzeugen. In der Praxis bilden die emittierten Röntgenstrahlen nicht den dargestellten Fächer, sondern sie müssen durch nicht dargestellte Kollimatoren auf einen solchen beschränkt werden. In üblicher Weise bestehen diese aus zwei ebenen Scheiben aus einem Material, das ' Röntgenstrahlen absorbiert, die parallel zu der gewünschten Ebene des Fächers verlaufen und die Röntgenstrahlen darauf begrenzen. Abhängig vom Emissionswinkel der Röntgenstrahlen von der Anodenoberfläche ändert sich die Energie der Röntgenstrahlen im Bereich des Fächers. Bei dem dargestellten Beispiel ist der äußere linke Strahl 26a verhältnismäßig hart und der äußere rechte Strahl 26c in bezug auf den mittleren Strahl 26i> des Strahlungsfeldes 15 verhältnismäßig weich. Gemäß der Erfindung ist eine Schaltung J' vorgesehen, um wenigstens teilweise Unterschiede in der Absorption im Körper 1 infolge leichter Unterschiede der Röntgenstrahlenhärte zu korrigieren.

Einfache lineare Korrekturfaktoren sind zur Korrektur von Unterschieden der Härte der Strahlung ■>'· innerhalb des fächerförmigen Strahlungsfeldes 15 nicht geeignet, da die Beziehung zwischen der Härte der Strahlung und der Absorption in einer bestimmten Weglänge nicht linear ist Die erforderliche Korrektur wird daher durch eine multiplikative Operation bewirkt, >" bei der unterschiedliche Härtebewertungsfaktoren verwendet werden. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß derartige Korrekturfaktoren leicht errechnet werden können, da die das Spektrum der von der Quelle 12 emittierten Strahlung bestimmenden Faktoren "·■'> bekannt sind.

Es ist jedoch auch möglich, durch Messung Faktoren zu gewinnen, die eine für die praktischen Zwecke befriedigende Korrektur bewirken. Derartige Messungen werden unter Verwendung der Ausgangssignale der **> Detektoren ohne Durchführung der Drehbewegung gewonnen, wobei die Integratoren durch einen nicht dargestellten externen Impulsgenerator gesteuert werden. Zunächst werden alle Korrekturen, die in bezug auf die Weglänge oder anderer Faktoren gemacht werden sollen, so durchgeführt, daß die Detektoren etwa gleiche Ausgangssignale bei einem kreisförmigen Phantomkörper mit gleichmäßiger Absorption liefern. Dieser Körper wird dann durch ein nicht dargestelltes gleiches Phantom ersetzt, das einen Stab aus einem Material höherer Absorption, z. B. Aluminium, Kohlenstoff, Bor usw. enthält, der etwa senkrecht zur Mittellinie des fächerförmigen Strahlungsfeldes 15 verläuft, wobei weitere Ausgangssignale von den Detektoren gewonnen werden, die ungleich sind, wenn nennenswerte Unterschiede der Röntgenstrahlenhärte vorliegen. Für jeden Detektor werden nun Korrekturfaktoren errechnet, so daß die mit den entsprechenden Korrekturfaktoren multiplizierten Ausgänge weitgehend gleich sind. Diese Korrekturen sind annähernd richtig und stimmen nur genau für das verwendete Phantom; wenn jedoch das Phantom eine Absorption besitzt, die sehr nahe bei der Absorption des untersuchten Körpers liegt, dann sind die Korrekturen für alle praktischen Zwecke geeignet

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die von einem einzelnen Detektor gemessene Strahlung stets von der Quelle 12 unter dem gleichen Winkel zur Oberfläche der Anode ausgesendet. Bei Anordnungen, bei denen dies nicht zutrifft, sollten jedoch entsprechende Korrekturfaktoren für alle Abtastwinkellagen bestimmt werden, in denen sich die Röntgenstrahlenhärte ändert.

F i g. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung für die Durchführung der gewünschten Korrekturen. Ein digitales Ausgangssignal vom n-ten Detektor ist hierbei mit dem Zusatz η bezeichnet Dieser Ausgang ist der Ausgang 22 eines der in F i g. 1 dargestellten Umsetzer 21. Das Ausgangssignal wird einer Multiplikationsschaltung 27n zugeführt, dort erfolgt eine Multiplikation mit einem Härtebewertungs- oder Korrekturfaktor, der in der beschriebenen Weise abgeleitet und in einem Speicher 28n gespeichert wird. Der Faktor kann vom Speicher 28n beispielsweise in Abhängigkeit von den Impulsen der Einheit 19 oder vom Signal einer zentralen, nicht dargestellten Steuerschaltung ausgelesen werden. Das multiplizierte Signal wird dann zusammen mit den von den anderen Detektoren stammenden Signalen einer Signalverarbeitungsschaltung 29 zur Bildrekonstruktion zugeführt. Alle diese im Verlauf einer Drehbewegung von etwa 180° abgeleiteten Signale werden dann so verarbeitet, daß beispielsweise auf einer Anzeigeeinheit 30 die endgültige Darstellung der Absorptionskoeffizienten erfolgt, die den einzelnen angenommenen Elementen in der Querschnittsscheibe des untersuchten Körpers entsprechen.

Die Erfindung wurde zwar in Verbindung mit einem radiographischen Gerät beschrieben, bei dem die Abtastung durch eine Drehbewegung des fächerförmigen Strahlungsfeldes erfolgt, jedoch bezieht sich die Erfindung auch auf Geräte, deren Strahlungsquelle einen Strahlenfächer mit richtungsabhängigem Strahlenspektrum erzeugt, z.B. auf Geräte, bei denen die Strahlungsquelle und die Detektoren im Verlauf der Untersuchung auch eine laterale Abtastbewegung durchführen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Radiographisches Gerät zur Untersuchung einer Querschnittsscheibe des Körpers eines Patienten, mit einer Röntgenstrahlenquelle zur Bestrahlung des Körpers, mit einem fächerförmigen, in der Ebene der Querschnittsscheibe verlaufenden Strahlungsfeld, mit Antriebsmitteln zur Erzeugung einer Bewegung der Strahlungsquelle relativ zum Körper, um das fächerförmige Strahlungsfeld aus mehreren unterschiedlichen Richtungen durch den Körper zu schicken, mit einer aus mehreren Detektoren bestehenden Detektoranordnung zum Empfang der aus dem Körper austretenden Strahlung und zur Erzeugung von Ausgangssignalen, die ein Maß für die Intensität der entlang einzelner Wege innerhalb des fächerförmigen Strahlungsfeldes bei jeder der unterschiedlichen Richtungen empfangenen Strahlung sind, und mit Datenverarbeitungsmitteln für die Ausgangssignale zur Erzeugung einer Darstellung der Absorptionsverteilung in der Querschnittsscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß Verarbeitungsschaltungen (27/;, 2Sn) vorgesehen sind, die die von der Detektoranordnung (13) erzeugten Ausgangssignale hinsichtlich der Fehler korrigieren, die von Unterschieden in der Energie der Röntgenstrahlung je nach Winkellage der Strahlenwege innerhalb des fächerförmigen Strahlungsfeldes (15) herrühren, daß die Verarbeitungsschaltungen (27n, 2Sn) einen Speicher (2Sn) aufweisen, der vorgegebene Korrekturfaktoren für Wege (26a, b, c...) enthält, die unterschiedliche Winkelpositionen innerhalb des fächerförmigen StrahlungsfeJdes aufweisen, daß eine Multiplikationsschaltung (27a) zur Multiplikation der Ausgangssignale, die jeweils zu einem Strahlenweg mit einer bestimmten Winkelposition innerhalb des Strahlungsfeldes gehören, mit dem entsprechenden Korrekturfaktor für diese Winkelposition vorgesehen ist, und daß die derart korrigierten Ausgangssignale den Datenverarbeitungsmitteln (29) zugeführt werden.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsschaltungen (27n, 2Sn) so ausgelegt sind, daß alle von einem Detektor (13) stammenden Ausgangssignale mit demselben Bewertungsfaktor multipliziert werden.

3. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Bewertungsfaktoren eine erste Gruppe von Ausgangssignalen, die bei fehlender Bewegung der Quelle (12) und der Detektoren (13) durch Bestrahlung eines homogenen Mediums mit gleicher Absorption wie der Körper anstelle des Körpers gewonnen wird, und eine zweite Gruppe von Ausgangssignalen, die bei fehlender Bewegung der Quelle (12) und der Detektoren (13) durch Bestrahlung eines absorbierenden Mediums mit bekanntem Profil anstelle des Körpers gewonnen wird, dient.