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Vorrichtung zur Erzeugung axialer Tomogramme
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung axialer
Tomogramme, die aus Röntgen-Querschnittsbildern eines Objekts bestehen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein Querschnittsbild eines Objekts
auf irgendeiner lichtempfindlichen Fläche erzeugen, die auf elektromagnetische Strahlung
anspricht, deren Wellenlänge sie zur Durchdringung des Objekts geeignet macht.
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Das Querschnittsbild wird nach einer längeren Belichtung der fotoempfindlichen
Fläche erhalten, während der eine synchronisierte Drehbewegung um parallele Achsen
wenigstens zwei oder drei der folgenden Teile erteilt wird: a) der Strahlungsquelle;
b) dem Objekt, dessen Querschnittsbild gewünscht wird; c) der fotoempfindlichen
Fläche.
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Von besonderem Interesse ist der Fall, daß die Strahlungsquelle eine
Röntgenröhre ist, das Objekt der Schädel eines lebenden Menschen und die fotoempfindliche
Fläche ein Stück eines Röntgenfilms ist. Die richtige Drehbewegung des Schädels
und Films während der Belichtung erzeugt nach Entwicklung ein Filmbild, das einen
Querschnitt des Schädels wiedergibt, wie wenn dieser längs einer Ebene oberhalb
und parallel zu den Ohren aufgeschnitten wäre, so daß der obere Teil abgenommen
und der Inhalt von oben betrachtet werden kann. Zur Klarheit soll noch ein zweites
Bild angegeben werden: Es ist-ähnlich wie beim Durchsägen eines Baumstamms derart,
daß die Wachstumsringe beobachtet werden können. Hier wird natürlich das Querschnittsbild
durch die abbildenden Röntgenstrahlen erhalten, ohne daß tatsächlich gesägt oder
aufgeschnitten werden muß.
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In der bisherigen Röntgentechnologie ist der der vorliegenden Erfindung
am nächsten kommende Stand der Technik eine Vorrichtung zur Erzeugung eines sogenannten
"Laminogramms" oder eines Tomogramms. Bei dieser Vorrichtung ist die Röntgenröhre
und der Film auf gegenüberliegenden Seiten des Objekts angeordnet, wobei die Oberfläche
des Films zur Röntgenröhre hin weist. Während einer längeren Belichtung werden die
Röntgenröhre und der Film gleichzeitig in parallelen Ebenen in entgegengesetzten
Richtungen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten verschoben.
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Die Geschwindigkeiten und Abstände sind so gewählt, daß nur solche
Erscheinungen innerhalb des Objekts, die in einer Ebene liegen, auf dem Film scharf
abgebildet werden. Alle Erscheinungen oberhalb oder unterhalb dieser Ebene werden
während der Belichtung verwischt.
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Kurz gesagt, der Film, der in der Lage ist, in Bezug auf Zeit und
Raum zu integrieren, hat die als utocorrelationll bekannte Computerfunktion bei
der Erzeugung des Tomogramms ausgeführt.
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Das herkömmliche Tomogramm, das von der oben beschriebenen Vorrichtung
erzeugt wird, ergibt dasjenige Bild, das wir als die Maserung in einem Stammabschnitt
nach dem Herauskommen eines Baumes aus der Sägemühle sehen. Im Gegensatz dazu erzeugt
die Erfindung ein Bild, das man beobachtet, wenn man das Ende des gleichen Stammabschnitts
betrachtet. In Übereinstimmung mit der bisherigen Namengebung wird das durch Röntgenstrahlen
erhaltene Stirnbild oder Querschnittsbild ein axiales Tomogramm" genannt. Es gibt
bekannte Vorrichtungen, die computerisierte axiale Tomogramme" unter Verwendung
von Röntgenstrahlen am menschlichen Körper erzeugen. Die bekannten Vorrichtungen
arbeiten auf dem gleichen Grundprinzip zur Erzeugung eines axialen Tomogramms des
Gehirns und können kurz in der folgenden Weise beschrieben werden.
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Ein dünnes Bündel von Röntgenstrahlen wird von einer Röntgenstrahlungsquelle
erzeugt und ein fotoelektrischer Detektor
wird auf gegenüberliegenden
Seiten des Schädels angeordnet, der während einer fünf Minuten langen Belichtung
festgehalten wird. Während der Belichtung tasten die Strahlungsquelle und der Detektor
synchron längs paralleler Wege in einer geradlinigen Verschiebungsbewegung ab. Nach
jedem solchen Abtastweg werden die Strahlungsquelle und der Detektor derart neu
eingestellt, daß das dünne Bündel annähernd um einen Winkel von einem Grad bezüglich
des Rückgrates des Patienten gedreht wird, wonach die Linearbewegung der Strahlungsquelle
und des Detektors zur Ausführung eines weiteren Abtastweges umgekehrt wird. Dieser
Vorgang wird wiederholt, so daß die Kombination von Drehung und Verschiebung etwa
180 Schritte durchführt, um eine Gesamtdrehung von 1800 hervorzurufen. Die gesamte
Abtastzeit dauert etwa fünf Minuten, was auf den großen Massen beruht, die in einer
schrittweisen hin- und hergehenden und winkelförmigen Bewegung bewegt werden. Während
der Belichtung sendet der fotoelektrische Detektor kontinuierlich Signale zu einem
Digitalcomputer, der das elektrische Signal ungefähr 180 mal während jedes Abtastweges
abtastet und das Signal in eine Digitalzahl umwandelt, die auf einer Magnetscheibe
gespeichert wird. Beim Abrufen erzeugt der Computer ein Bild auf einer Kathodenstrahlröhre,
das aus einer Schachbrettmatrix von Bildelementen in der Anordnung 180 x 180 für
eine Gesamtzahl von 32 000 Elementen zusammengesetzt ist. Die Auflösung beim kommerziellen
Fernsehen, das ein Bild mit 525 x 525 Elementen für eine Gesamtzahl von 275 000
Bildelementen erzeugt, ist 8,6-fach so gut. Unter den gleichen Bedingungen kann
ein Röntgenfilm ein Bild erzeugen, das aus mindestens zehn Millionen Bildelementen
zusammengesetzt ist, was etwa dem 300-fachen dessen entspricht, was bei der computerisierten
axialen Tomographie (C.A.T.) erzeugt wird.
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Darüberhinaus sind beide oben beschriebenen Vorrichtungen extrem teuer#.
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Durch die Erfindung soll ein axiales Tomogramm auf einem Film erzeugt
werden, dem die folgenden vergleichenden Daten
zugrundeliegen: Vorrichtung
C.A.T. Erfindung Abtastzeit 5 Minuten 10 Sekunden Bildelemente 32 000 10 000 000
Preis 10 x x Patientenlage liegend sitzend Gesamter Abtastwinkel 1800 3600 Abtastbewegung
hin- und her- nur drehend gehend und drehend Informationsfluß digital kontinuierlich
Obwohl die folgende Beschreibung der Erfindung zum Zweck der Klarheit auf eine Vorrichtung
zur Erzeugung axialer Tomogramme des menschlichen Gehirns mittels Röntgenstrahlen
eingeschränkt ist, wird betont, daß auch andere Teile des Körpers durch eine gleiche
Vorrichtung abgebildet werden können. Es wird ferner betont, daß auch unbelebte
Objekte durch Röntgenstrahlen oder andere Strahlenarten, die das Objekt durchdringen
und auch eine physikalische Änderung an einer Detektor- oder Empfängerfläche bewirken
können, in gleicher Weise abgebildet werden können.
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Die Wellenlängen der Strahlung umfassen Mikrowellenfrequenzen, infrarotes,
sichtbares und ultraviolettes Licht, Elektronen hoher Energie, Röntgenstrahlen und
Gammastrahlen, wobei es bei allen diesen Strahlen möglich ist, daß sie von einer
punktförmigen Strahlungsquelle ausgehen. Die Wahl der Wellenlängen hängt ab von
dem Material, aus dem das Objekt besteht.
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Die Detektorfläche kann ein Film, der direkt von der Strahlung belichtet
wird, eine fluoreszierende Fläche, die den Film indirekt entweder durch Berührung
oder durch Projektion belichtet, ein Bildwandler, der auf die Strahlung anspricht
und durch Elektronenemission ein Bild auf einem Fluoreszenzschirm erzeugt, oder
eine Fläche sein, die elektrisch geladen
und sodann durch die Strahlung
lokal entladen wird, so daß eine Ladungsverteilung gebildet wird.
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Das Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung einer billigen, schnell
arbeitenden Vorrichtung zur Erzeugung von Tomobrammen
Anhand der
Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt: Fig.
1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 2 eine Draufsicht auf
die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung; Fig. 3 eine leicht abgewandelte Ausführungsform
der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung, wobei das Objekt auf einem Stuhl
sitzt; Fig. 4 eine weitere leicht abgewandelte Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten
Vorrichtung, wobei die Verwendung eines gestapelten Films dargestellt ist; Fig.
5 eine weitere Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wobei die Röntgenstrahlungsquelle einen von einer rotierenden Kammer fotografierten
fluoreszierenden Schirm bestrahlt; und Fig. 6 noch eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, wobei das Objekt feststeht und die Röntgenstrahlungsquelle sowie
der Film um das Objekt rotiert.
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In den Figuren sind gleiche Teile durchwegs mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist allgemein mit 10 bezeichnet. Die
Vorr#chtung 10 weist eine punktförmige Röntgenstrahlungsquelle 11 auf, von der Strahlenbündel
durch eine Schlitzöffnung 12 in einer Platte 13 gehen, die für die von der Röntgenstrahlungsquelle
11 ausgehenden Strahlen 14 undurchlässig ist. Ein Objekt 15 wird von den Strahlen
14 durchdrungen und diese belichten einen Film 16, der in einer der Ebene des Schlitzes
12 entsprechenden Ebene angeordnet ist. Zur klareren Darstellung ist ein Objekt
15 (ein menschlicher Schädel) -gezei-gtf das von seinem
Körper
abgetrennt und auf einem Drehteller 17 mit einer vertikalen Achse 18 befestigt ist.
Der Röntgenfilm 16 ist ebenfalls auf einem Drehteller 19 mit einer Achse 20 angebracht,
oberhalb der er sich dreht. Die Achsen 18, 20 der Drehteller 17, 19 verlaufen parallel,
wobei der Film 16 in der gleichen Ebene liegt wie das fächerförmige Strahlenbündel
14. Die Drehteller 17, 19 werden durch nicht gezeigte herkömmliche Einrichtungen
synchron gedreht. Bei herkömmlicher Röntgenbelichtung treffen die Strahlen 14 senkrecht
auf die Filmoberfläche, während erfindungsgemäß die Strahlen im wesentlichen parallel
zur Filmebene einfallen.
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Eine kurzzeitige Belichtung würde etwas hervorrufen, was man als "Radiogramm"
(raygram) bezeichnen könnte und aus langen Schatten besteht, die infolge von unterschiedlichem
Durchdringen der durch verschiedene Teile des Schädels gehenden Strahlen auf den
Film geworfen werden, wie in der Draufsicht gemäß Fig. 2 gezeigt.
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Während einer längeren Belichtung sind die beiden Drehteller so gekoppelt,
daß sie sich synchron über eine volle Umdrehung von 360° drehen, während der Film
ständig ~Radiogramme" aufnimmt. Die sich ergebende zusammengesetzte Belichtung mit
"Radiogrammen" erzeugt das gewünschte axiale Tomogramm, das die Querschnittsansicht
mit großer geometrischer Treue und hohem Auflösungsvermögen wiedergibt, begrenzt
nur durch die Genauigkeit der beteiligten mechanischen Bewegungen. Da nur Drehbewegung
angewendet wird, ermöglicht das Frei sein von Schwingung und totem Gang eine glatte
und genaue Synchronbewegung der zwei Drehteller.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, ist der Schädel-Drehteller tatsächlich ein
geneigter Sessel 17' mit einer Drehachse 18t und einem Gegengewicht 21. Geeignete
Klemmen 22 halten den bequem sitzenden Patienten mit seinem Schädel bezüglich des
Sessels
fest. Die bevorzugten Berührungspunkte zum Anklammern liegen
an der Basis des Schädels und an den Backenknochen, so daß der Kinnbacken zum Gähnen
und Schlucken usw. freibleibt.
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Statt daß sich der Sessel 17' um den Schwerpunkt seines Inhalts dreht,
ist er mit einem Gegengewicht versehen, so daß die Drehung um eine Achse 18' erfolgt,
die nach oben ungefähr durch die Mitte des Schädels verläuft. Jede horizontale Verschiebung
der Drehachse und der Mitte des Sc#hädels erzeugt einfach eine entsprechende Verschiebung
des Tomogramms auf dem Film.
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Da diagnostische Röntgenstrahlen im wesentlichen der Untersuchung
dienen, erfordert das Suchen nach einer Anomalie eine Anzahl von "Schnitten", bevor
der interessierende Querschnitt festgelegt werden kann. In Fig. 4 ist eine leicht
abgeänderte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei ein Filmstapel 16'
auf dem Drehteller 19 angeordnet ist und der ganze Stapel gleichzeitig während einer
einzigen Umdrehung des Films und des Objekts belichtet wird. Die Anzahl von Filmen
und die Trennung zwischen den einzelnen-Schichten bestimmt die aufgezeichnete Anzahl
und den Abstand der "Schnitte" durch den Schädel. Offensichtlich kann die Anzahl
groß und der Abstand klein sein. Da die Filmschichten während der Belichtung in
gegenseitiger Ausrichtung gehalten werden, geben sie alle gleiche geometrische und
maßstäbliche Verhätnise wieder und können nachfolgend in gegenseitiger Ausrichtung
zur Erzielung eines stark verbesserten Kontrastes betrachtet werden.
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Zur Erzielung einer größeren Empfindlichkeit sind die Film-Trenneinrichtungen
Fluoreszenzschirme, wie sie üblicherweise in medizinischen Röntgenlaboratorien bei
indirekter Belichtung des Films benützt werden.
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Eine weitere abgeänderte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig.
5 dargestellt, wobei das fächerförmige Strahlenbündel
auf die Kante
einer fluoreszierenden Oberfläche 260P gerichtet wird, die auf dem Drehteller 19
gehalten wird und gedreht oder festgelegt werden kann, da das fluoreszierende Bild
wieder verschwindet. Der Schirm wird von einer Kamera C beobachtet, die sich synchron
mit dem Schädel dreht. Die Kamera C kann einen Bildverstärker verwenden und sie
kann in ihrer Brennebene- einen herkömmlichen fotografischen Film, einen Polaroidfilm,
eine ladungsspeichernde Fläche oder eine Fernseh-Kameraröhre enthalten.
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Bis hierher ist die Röntgenstrahlungsquelle festgehalten worden, während
sich der Schädel und der Film drehen. Es ist natürlich zu bemerken, daß die Drehachsen
nicht vertikal stehen, sondern nur parallel sein müssen. Auch müssen die Drehgeschwindigkeiten
nicht konstant sein, solange die zwei Drehteller stets synchronisiert sind. Die
Drehgeschwindig keiten können programmiert werden, um die Belichtung zu normen,
wenn Objekte mit langgestrecktem Querschnitt belichtet werden.
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Lediglich die richtige Relativbewegung ist wichtig.
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Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6 gezeigt,
wobei der Schädel 15 feststeht, während die Röntgenstrahlungsquelle und der Film
eine Kreisbahn um die Mitte des Schädels durchlaufen. Ferner muß sich der Film bezüglich
seiner eigenen Stützanordnung derart drehen, daß eine anfänglich durch den Schädel
gehende Mittellinie eine Mittellinie auf dem Film definiert, wobei die zwei Mittellinien
während der ganzen Umdrehung parallel bleiben.
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Obwohl die mechanischen Konsequenzen einer Kreisbewegung von Strahlungsquelle
und Empfänger extrem schwierig werden, wird diese Ausführungsform notwendig, wenn
das Objekt nicht in zweckmäßiger Weise gedreht werden kann, beispielsweise eingebaute
Rohrleitungen, Bauträger und andere mechanisch festgelegte oder unbewegliche Objekte.
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Die Strahlungsquelle kann ein kontinuierlicher oder pulsierender Sender
sein. Wenn er pulsiert, regelt die Frequenz die für eine Umdrehung zur Verfügung
stehende Zeit, um die gewünschte Anzahl von das Tomogramm bildenden Radiogrammen"
zu erzeugen.
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Beispielsweise ergibt eine Impulsgeschwindigkeit von 60 Hz und eine
Abtastzeit von 10 Sekunden für eine Umdrehung ein Tomogramm, das aus 600 Radiogrammen
besteht. Andererseits erzeugt eine kontinuierliche Strahlungsquelle ein Tomogramm,
das aus einer unbegrenzten Anzahl von Radiogrammen besteht, wobei die Bildauflösung
nur vom Auflösungsvermögen der Detektorfläche begrenzt ist.
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