DE2657895C2

DE2657895C2 -

Info

Publication number: DE2657895C2
Application number: DE2657895A
Authority: DE
Inventors: John Milan Palo Alto Calif. Us Pavkovich; Craigh Spencer Los Altos Hills Calif. Us Nunan
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-12-21
Publication date: 1990-08-09
Also published as: JPS5279894A; DE2657895A1; US4149247A; GB1577015A; JPS6121048Y2; NL7614230A; FR2336690B1; GB1577016A; FR2336690A1; SE7614458L; IT1203053B; GB1577014A; CA1111573A; JPS56109702U

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Darstellung eines Bereiches eines Untersuchungsobjektes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Anordnung wird in der medizinischen Technik als Computertomograph bezeichnet.

Eine Anordnung dieser Art ist in der Zeitschrift "IEEE Transactions on Nuclear Science", Band NS 21 (1974), Seiten 184 bis 187, beschrieben. Ähnliche Anordnungen ergeben sich aus der DE-AS 19 41 433 und den DE-OS 24 26 343 und 24 27 418. Bei den bekannten Anordnungen ist eine Strahlenquelle vorgesehen, die mechanisch um das zu untersuchende Objekt herumbewegt wird. Dadurch ergibt sich eine relativ lange Zeit für die Aufnahme der Meßdaten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß die Zeit für die Aufnahme der Meßdaten gegenüber dem Stand der Technik reduziert ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebene Ausbildung gelöst.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 teilweise schematisch, teilweise als Blockschaltbild eine Ausführungsform des Systems nach der Erfindung, bei der die Datensammel- Phase kontinuierlich ist;

Fig. 2 teilweise schematisch, teilweise in Form eines Blockschaltbildes eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Datensammelphase diskret ist;

Fig. 3 eine geometrische Darstellung einer bevorzugten Methode für das Daten-Sammeln und -Rekonstruieren im Zusammenhang mit der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Blockschema der exakten Ausführungsform der Erfindung, d. h., wenn die Datenaufnahme kontinuierlich durchgeführt wird. Eine Strahlungsquelle S, eine Objektschicht 50 und ein kontinuierlicher Detektor 60 liegen in der gleichen Quasiebene, die eine endliche, aber kleine Dicke hat, typischerweise im Falle der computerisierten Tomographie einige wenige Millimeter. Die Quelle S und der kontinuierliche Detektor 60 sind ausgefluchtet und sind vorzugsweise so aufgebaut, daß sie einander immer gegenüber sind, beispielsweise sind sie fest auf einen Rahmen 10 montiert, der in einem kreisförmigen Weg um die Objektschicht 50 rotiert. Stattdessen kann das Objekt sich innerhalb einer bewegungslosen Quelle-Detektor-Anordnung drehen. Stattdessen könnte auch ein kontinuierlicher Detektor von 360° bewegungslos montiert sein, während nur die Quelle rotiert. Oder es kann eine Vielzahl von Quellen, jede über einen Teil des Kreises, verwendet werden, oder stattdessen könnte eine kontinuierliche Quelle von 360° benutzt werden, wobei immer nur ein Punkt der Quelle zu einem bestimmten Zeitpunkt erregt wird, und dieser Punkt mit der Zeit den ganzen Bogen von 360° überquert.

Die Drehkraft kann von einem Motor 13 eingeleitet werden, der mit einem Ritzel 12 Energie auf einen Rahmenzahnkranz 11 überträgt. Der kontinuierliche Detektor 60 folgt vorzugsweise der ihm gegenüberliegenden Quelle 10 und ist vorzugsweise bogenförmig. Wenn der Detektor bogenförmig ist, ist seine Geometrie vorzugsweise so gewählt, daß jeder Punkt des Detektors gleichen Abstand von der Quelle S hat.

Die Quelle S kann irgendeine Strahlung ausschicken, beispielsweise einen Elektronenstrahl im Falle der Elektronenmikroskopie, oder Röntgen- oder Gamma-Strahlung zur Untersuchung des menschlichen oder eines anderen Körpers. Wenn eine exakte Datenrekonstruktion erwünscht ist, (vergl. später Gleichung 33), wird die Quelle kontinuierlich über einen vollständigen Umlauf von 360° um den Kreisweg erregt. In anderen Fällen kann die Quelle pulsieren. Bei Röntgenstrahlung ist der Detektor 60 typischerweise ein Szintillator, der aus einem kristallinen Material hergestellt ist, beispielsweise Natriumiodid, puls einem Fotovervielfacher oder einer Fotodiode, oder er kann aus einer Ionisationskammer bestehen, die mit einer Substanz wie Xenon oder einer Mischung von Substanzen wie Xenon und Argon, in der gasförmigen, flüssigen oder festen Phase gefüllt ist, oder er kann aus einem Emulsionsfilm bestehen.

Kollimatoren 30 formen den von der Quelle S ausgehenden Strahl zu einem Fächer, der wenigstens so breit ist wie das Objekt 50. Kollimatoren 31 (parallel zur Zeicheneben in Fig. 1) sind im Abstand nebeneinander angeordnet, um den Fächer zu einem dünnen, quasi-planaren Strahl zu formen, der nicht notwendigerweise gleichförmigeDicke haben muß; wenn beispielsweise eine punktförmige Strahlungsquelle verwendet wird, fächert der Strahl sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung. Detektorkollimatoren 61 dienen dazu, die Effekte der Compton-Streuung von anderen als der abzubildenden Quasiebene zu minimieren. Die Kollimatoren 30, 31 und 61 sind typischerweise aus Blei hergestellt, können jedoch aus irgendeinem Material hergestellt sein, das die Strahlung in unerwünschten Richtungen absorbiert. Im Falle der Röntgenuntersuchung liegt die Dicke des Fächers, die durch die Kollimatoren 31 definiert wird, typischerweise zwischen 1 mm und 15 mm in der Mitte des Objektes. Der Bogen, der vom Fächer ausgeschnitten wird, ist ausreichend groß, um die gesamte Objektschicht zu überdecken.

Ein Kompensator 32, beispielsweise ein Sack, der mit Wasser oder Kunststoff gefüllt ist, kann gewünschtenfalls so angeordnet werden, daß er das Objekt 50 einhüllt, um gewisse Fächerstrahlenintensitäten abzuschwächen und damit den Intensitätsbereich zu reduzieren, über den der Detektor 60 ansprechen muß. Der Kompensator kann fest auf dem Gestell 10 montiert sein, um sich mit diesem zu drehen, oder kann fest mit Bezug auf das Objekt 50 montiert sein.

Wenn die Quelle-Detektor-Anordnung sich innerhalb einer Zeit von etwa 1 bis 15 Sekunden relativ zum Objekt dreht (kontiniuerlich, wen eine exakte Rekonstruktion erwünscht ist), werden Meßwerte für die nicht absorbierte und nicht gestreute Strahlung zeitlich kontinuierlich längs des Detektors 60 abgelesen. Die Datenaufnahme wird vorzugsweise während einer relativen Umdrehung (d. h. 360°) des Systems abgeschlossen. Daten vom Detektor können zunächst geglättet werden, werden auf eine noch zu beschreibende Weise mit anderen Daten konvuliert, können wieder geglättet werden, und werden dann im Rechner 70 gespeichert, der, wenn es sich um einen Analogrechner handelt, einen Analogspeicher aufweisen kann, beispielsweise eine akustische Schwingung oder eine Videoscheibe. Falls der Computer ein Digitalrechner ist, handelt es sich vorzugsweise um einen Hochgeschwindigkeitsrechner. Die Daten werden später mit anderen Daten rückprojiziert, um ein Ausgangsbild 80 zu schaffen, das eine Abbildung des Objektes 50 darstellt.

Das Ausgangsbild wird auf einem Sichtgerät 90, beispielsweise einer Kathodenstrahlröhre, oder einem elektrostatischen Ausgangsterminal abgebildet, das die Dichte des abgebildeten Objektes als Tiefe, Kontur, Schatten oder Farbe zeigen kann. Eine Fotografie oder eine andere Hartkopie des Kathodenstrahlröhrenbildes kann dann genommen werden.

Eine Reihe von zweidimensionalen Bildern können entweder dadurch aufgenommen werden, daß eine Folge von Bildern wie beschrieben aufgenommen wird, oder dadurch, daß eine Anordnung hergestellt wird, die aus einer Vielzahl von Quelle-Detektor-Konfigurationen besteht, die im Abstand nebeneinander montiert sind, d. h., Seite an Seite auf dem Rahmen 10 montiert sind. In jedem Falle kann der Ausgang als ein dreidimensionales Bild abgebildet werden, beispielsweise dadurch, daß jedes Ausgangselement als eine abschattierte oder gefärbte durchscheinende Kugel oder als ein solcher Würfel abgebildet wird. Stattdessen kann eine Reihe von transparenten Lichtpaneelen für eine dreidimensionale Anzeige verwendet werden.

Fig. 2 ist ähnlich Fig. 1, der einzige Unterschied besteht darin, daß der kontinuierliche Detektor 60 durch eine Reihe oder Bank von diskreten Detektoren 65 ersetzt worden ist, und ein Gitter 66 hinzugefügt worden ist. In Fällen, in denen die beiden Figuren identsich sind, gilt die oben in Verbindung mit Fig. 1 gegebene Beschreibung auch gleicherweise für Fig. 2, die die diskrete Ausführungsform der Erfindung darstellt, ein Spezialfall der kontinuierlichen Ausführungsform. Die von Quelle S ausgehende Strahlung kann ein kontinuierlicher Fächer oder ein diskreter Satz bleistiftförmiger Strahlen sein (die beispielsweise durch einen Satz Kollimatoren gebildet sind) mit wenigstens einem Strahl pro Detektor. Die Zahl der diskreten Detektoren 65 beträgt typischerweise 300, obwohl auch andere Werte gewählt werden können.

Die Detektorband ist in der Weise posititioniert, daß der Winkelabstand zwischen Detektorelementen konstant ist. Wenn die Bank beispielsweise bogenförmige Geometrie hat, oder die Bank in einer geraden Linie aufgebaut wird (weil das einfacher zu bauen ist), wobei jedes einzelne Detektorelement mit einer geraden Linie ausgefluchtet ist, die vom Detektorelement zur Quelle führt. Ein Gitter 66 aus einem Element wie Blei kann jedem Detektorelement 65 zugeordnet werden und mit diesem ausgefluchtet werden, um die Effekte der Compton-Streuung zu minimieren, die in der gleichen Quasiebene wie die Objektschicht liegt. Das Gitter ist praktisch notwendig, wenn die verwendete Strahlung Röntgenstrahlung ist. Im kontinuierlichen Fall kann das Gitter wahlweise ebenfalls verwendet werden, d. h., wenn befürchtet wird, daß Compton- Streuung in der gleichen Quasiebene wie die Objektschicht Probleme hervorrufen könnte. In diesem Anwendungsfalle kann das Gitter oszillieren oder sich in anderer Weise kontinuierlich mit Bezug auf den Detektor 60 bewegen, so daß im Ausgangsbild keine Gitterlinien erscheinen.

Die Quelle-Detektoranordnung enthält eine einzige, durchgehende, kreisförmige Quelle, von der zu einem Zeitpunkt jeweils nur ein Punkt erregt ist, von dem die Strahlung ausgeht, wobei dieser Punkt für jede Untersuchung von vollen Kreisweg von 360° durchläuft. Periodisch (typischerweise während 360 zeitlich kurzen Momenten pro Umdrehung, in der Größenordnung von je 2 Millisekunden) wird Strahlung von der Quelle gepulst, werden Absorptionswerte von den Detektoren 65 gemessen, digitalisiert, geglättet und in einen Arbeitsspeicher im Computer 70 eingespeist. In die Maschine sind Steuerungen eingebaut, so daß die Impuldauer und der Bogenwinkel zwischen den Impulsen vom Benutzer schnell justiert werden kann. Das kann auch bei der kontinuierlichen Ausführungsform verwendet werden, wenn eine exakte Datenrekonstruktion nicht erforderlich ist.

Die Daten werden dann verarbeitet, um Absorptionsdichten für eine vorgewählte Vielzahl von Punkten innerhalb des Objektes 50 zu erhalten, und dieser rekonstruierte Salz von Dichten wird als Ausgangsbild 80 abgebildet. Der Rechner kann entweder festverdrahtet sein, festprogrammiert (mikroprogrammiert oder PROM-fused) oder freiprogammiert (oder irgendeine Kombination), um die erforderlichen Funktionen auszuführen, was auch für die kontinuierliche Ausführungsform gilt.

Bei einer Ausführungsform zur Verwendung mit Patienten in der medizinischen Radiologie könnten folgende Geräteparameter verwendet werden:

Röntgenröhrenspannung
120 kV Gleichspannung
Mittlerer Strom	250 mA
Mittlere Leistung	30 kW
Bestrahlungsperiode pro Objektschicht	4 sec
Drehgeschwindigkeit des Rahmens	0,25 U/sec
Anzahl der Röntgenimpulse pro Objektschicht	360
Bestrahlung der Objektoberfläche	8 rad
Impulsstrom	1000 mA
Impulsdauer	2,8 msec
Impulspause	8,3 msec
Abstand Achse-Quelle	80 cm
Abstand Quelle-Detektor	160 cm
Maximale Objektschichtdimension	40 cm
Winkelbreite des Flächerstrahls	29°
Fächerstrahldicke in der Mitte des Objektes	8 mm
Fächerstrahlenintervall in der Mitte des Objektes	1,5 mm
Anzahl der Fächerstrahlen über maximale Objektschicht	267
Nominale Anzahl der Detektorelemente	300
Winkelintervall der Fächerstrahlen	0,109°
Drehungsintervall der Quelle pro Impuls	1°
Intervall zwischen Quellenimpulsen bei Objektperipherie von 40 cm Durchmesser	3,5 mm
Röntgenphotonen pro Impuls pro Detektorelement ohne Objekt	2,2×10⁸
Primäre Photonentransmission durch 40 cm Wasser	1/2000
Röntgenphotonen pro Impuls pro Detektorelement durch Objekt	1,1×10⁵
Quantenstatistische Fluktuation pro Messung	0,33% (quadratischer Mittelwert)
Statistischer Fehler bei insgesamt 360 Messungen durch eine Zelle 1,5×1,5 mm der Objektschicht	0,6% (quadratischer Mittelwert)
Anzahl der Rekonstruktionspunkte im Bild von 40 cm Durchmesser	40 000
Abstand zwischen Rekonstruktionspunkten im Bild von 40 cm Durchmesser	1,8 mm

Wenn die Fächerstrahlen in einen neuen Satz paralleler Strahlen neugeordnet würden, würden Bündel von neuen Strahlen, die sich über aufeinanderfolgende Intervalle von 1 Grad des Fächers erstrecken, in aufeinanderfolgende Quellenwinkelpositionen von 1 Grad Abstand neugeordnet, um pseudoparallele Strahlen zu erhalten. Die zentralen Strahlen dieser neunstrahligen Bündel würden parallel sein, ihr Abstand würde jedoch von 1,5 bis 1,45 mm variieren, ein Fehler von 3%, je nach dem, ob sie von der Mitte oder der Kante des Fächerstrahls kämen, und zwar deshalb, weil die Quelle sich auf einem Kreis bewegt statt auf einer geraden Ebene.

Der Abstand der einzelnen Strahlen des Fächerstrahls zu einzelnen Detektorelementen beträgt 1,5 mm in der Mitte des Objektes. Der Abstand der Zentralachsen aufeinanderfolgender gepulster Fächerstrahlen beträgt 3,5 mm am Umfang einer Objektschicht von 40 cm Durchmesser. Eine bessere Auflösung würde für ein solch relativ großes Objekt erhalten, wenn 720 Pulse in Intervallen von 0,5° der Rahmendrehung verwendet würden, so daß der Abstand der Zentralstrahlen an der Objektperipherie vergleichbar dem Abstand der Strahlen innehalb des Fächers würde, so daß eine gleichförmigere Auflösung in allen Richtungen erhalten würde. Die Impulsdauer würde dann 1,4 msec betragen und die Impulspause 4,1 msec für eine Röntgenbestrahlung pro Objektschicht von 4 Sekunden, so daß die Daten schneller von den Detektorelementen abgezogen werden müßten und die Anzahl der Profil-Konvolutions- und Rückprojektions-Berechnungen verdoppelt würde. Die Wahl von 360 Impulsen in Intervallen von 1° mit einem Detektor von nominal 300 Elementen repräsentiert also eine praktische Wahl für Gegenstände, deren Größe von einigen cm bis 40 cm Durchmesser rangiert.

Claims

1. Anordnung zur Darstellung des Aufbaus eines Bereiches (50), mit einer Strahlenquelle (S), mit der der Bereich (50) von mehreren Richtungen aus mit fächerförmiger Strahlung untersucht wird, die materialabhängig absorbiert wird, so daß die Art der Strahlung nach der Durchdringung des Bereiches (50) Informationen über die Zusammensetzung des Bereiches (50) enthält, mit einem Detektor (60) mit einer Vielzahl von Detektorelementen für diese Strahlung, mit dem diese nach dem Durchdringen des Bereiches (50) detektiert wird, und der daraus erste Ausgangsdaten über die Art der detektierten Strahlung erzeugt, und einem Rekonstruktor (70), der Mittel zur Konvolution und Rückprojektion enthält und der mit dem Detektor (60) verbunden ist und die ersten Ausgangsdaten zu zweiten Ausgangsdaten rekonstruiert, die den von der Strahlung durchdrungenen Bereich (50) repräsentieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchungseinrichtung aus einer einzigen, durchgehenden, kreisförmigen Quelle besteht, von der zu einem Zeitpunkt jeweils nur ein Punkt erregt ist, und dieser Punkt für jede Untersuchung den vollen Kreisweg von 360° durchläuft.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer dreidimensionalen Abbildung eines Objektes (50) mehrere Strahlungsquelle-Detektoreinrichtung-Kombinationen (S, 60) nebeneinander angeordnet sind, wobei die Rekonstruktion und Ausgabe der Information sowie gegebenenfalls die Relativdrehung von allen Kombinationen (S, 60) gleichzeitig erfolgt, so daß die dreidimensionale Abbildung einem Stapel aus mehreren zweidimensionalen Bildern entspricht.