DE2726635A1

DE2726635A1 - Anordnung zur ermittlung der absorption einer strahlung in einem dreidimensionalen untersuchungsbereich

Info

Publication number: DE2726635A1
Application number: DE19772726635
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Kowalski
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1977-06-14
Filing date: 1977-06-14
Publication date: 1978-12-21
Also published as: DE2726635C3; IL54884A; FR2394285B1; ES470703A1; JPS5844377B2; GB2000415A; NL7806329A; AU516373B2; DE2726635B2; BR7803747A; CA1102015A; FR2394285A1; IT1095158B; GB2000415B; IT7824419A0; US4204124A; JPS546491A; IL54884A0; BE868051A; AU3698978A

Description

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PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, 2000 HAMBURG 1, STEINDAMM 94

"Anordnung zur Ermittlung der Absorption einer Strahlung in einem dreidimensionalen Untersuchungsbereich"

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der Absorption einer Strahlung in einem dreidimensionalen Untersuchungsbereich, mit einer die Strahlung wenigstens einer Strahlenquelle erfassenden jenseits des Untersuchungsbereiches angeordneten zweidimensionalen Detektoranordnung, die einen Satz von der örtlichen Intensität dieser Strahlung abhängigen Ausgangssignalen liefert, wobei der Untersuchungsbereich aus einer Vielzahl von in einer ersten Ebene liegenden Positionen der Strahlenquelle durchstrahlt wird und aus den dabei gewonnenen Sätzen von Ausgangssignalen die Absorptionsver-

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teilung in dem Untersuchungsbereich rekonstruiert wird.

Es sind bereits Geräte für die sog. Computer-Tomographie bekannt, bei denen die Absorptionsverteilung in einer (zweidimensionalen Ebene rekonstruiert wird (DT-OS 24 42 809). Dabei wird der Untersuchungsbereich von einer Röntgenstrahlenquelle durchstrahlt, von der ein in Richtung senkrecht zur Untersuchungsebene schmales Strahlenbündel ausgeblendet wird, das den gesamten Untersuchungsbereich durchstrahlt und von einer jenseits des Untersuchungsbereiches in der Untersuchungsebene angeordneten Detektoranordnung erfaßt wird. Das System Röntgenstrahier - Detektoranordnung wird dabei um eine zur Untersuchungsebene senkrechte Achse gedreht und aus den dabei gewonnenen Ausgangssignalen der Detektoranordnung wird die Absorptionsverteilung in der Ebene rekonstruiert.

Mit einem derartigen Gerät kann aber immer nur die Absorptionsverteilung in einer bzw. - wenn eine zweite Detektoranordnung vorgesehen ist - in maximal zwei benachbarten Schichten eines dreidimensionalen Objektes ermittelt werden. Werden mit einem solchen Gerät benachbarte Schichten nacheinander abgetastet, können sich aufgrund von Körperbewegungen Verschiebungen ergeben, so daß die anhand der Detektorausgangssignale rekonstruierten Absorptionsverteilungen nicht aneinander anschließen.

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Die eingangs genannte Anordnung,die in einem Aufsatz von R.E. Sturm et al in "Cardiovascular Imaging and Image Processing, Theory and Practice 1975" Vol. 72, Seiten 103 bis 122 beschrieben ist, ist demgegenüber zur Rekonstruktion der Absorptionsverteilung in einem dreidimensionalen Untersuchungsbereich bestimmt. Sie hat mit der zuvor genannten bekannten Anordnung gemeinsam, daß auch hier der Untersuchungsbereich aus einer Vielzahl von in einer Ebene angeordneten Positionen durchstrahlt wird und daß aus den dabei gewonnenen Sätzen von Ausgangssignalen der Detektoranordnung die Absorptionsverteilung rekonstruiert wird, jedoch wird dabei eine zweidimensionale Detektoranordnung benutzt, die im Gegensatz zu der Detektoranordnung nach der DT-OS 24 42 809 auch die Intensitätsverteilung in Richtung senkrecht zu der Ebene mißt, auf der sich die Positionen befinden, aus denen der Untersuchungsberelch durchstrahlt wird. Bei der bekannten Anordnung nach der DT-OS 24 42 809 erstreckt sich die Detektoranordnung aufgrund der endlichen Abmessungen der dabei verwendeten einzelnen Detektorelemente zwar auch in Richtung senkrecht zu dieser Ebene, jedoch sind die Ausgangssignale hierbei unabhängig von der Intensitäts- bzw. Absorptionsverteilung senkrecht zu dieser Ebene. Diese Detektoranordnungen sind daher nicht gemeint, wenn im nachfolgenden von "zweidimensionaler Detektoranordnung" die Rede ist.

Bei der in dem Aufsatz von R.E. Sturm et al. beschriebenen Anordnung zur Ermittlung der Absorptionsverteilung in einem PHD 77-066 808851/0342 -4-

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dreidimensionalen Untersuchungsbereich ergeben sich Jedoch Schwierigkeiten bei der Rekonstruktion, wenn der Öffnungswinkel des Strahlenbündels in Richtung senkrecht zu der erwähnten Ebene zu groß ist. Außerdem beeinflussen Meßfehler der in der Detektoranordnung enthaltenen Detektorelemente die Rekonstruktion sehr nachhaltig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Ermittlung der Absorptionsverteilung in einem dreidimensionalen Untersuchungsbereich zu schaffen, bei der die Schwierigkeiten bei der Rekonstruktion sowie der Einfluß von Meßfehlern der Detektorelemente auf die Rekonstruktion der Absorptionsverteilung verringert sind.

Ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Detektoranordnung in Richtung senkrecht zur ersten Ebene einerseits von der ersten Ebene und andererseits von einer zweiten, im Abstand von der ersten Ebene liegenden und zu dieser parallelen Ebene begrenzt wird, und daß der Untersuchungsbereich zusätzlich aus einer Vielzahl von in der zweiten Ebene liegenden Positionen durchstrahlt wird.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Träger, der um eine zu den beiden Ebenen senkrechte Rotationsachse drehbar ist und der eine erste Strahlenquelle und ihr gegenüber eine erste Detektoranordnung sowie - in PHD 77-066 008851/0342 -5-

axialer Richtung versetzt - eine zweite Strahlenquelle und eine zweite Detektoranordnung trägt, wobei die beiden Detektoranordnungen in axialer Richtung durch die durch die erste Strahlenquelle verlaufende erste Ebene und durch die dazu parallele durch die zweite Strahlenquelle verlaufende zweite Ebene begrenzt sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die geometrische Konfiguration bei der bekannten Anordnung in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 die geometrische Konfiguration bei der bekannten An ordnung in einer zu der ersten Ebene senkrechten Ebene,

Fig. 3 die geometrische Konfiguration bei der Erfindung in perspektivischer Darstellung,

Fig. A die geometrische Konfiguration bei der Erfindung senkrecht zu den beiden Ebenen,

Fig. 5 die Vorderansicht einer schematisch dargestellten AusfUhrungsform der Erfindung und

Fig. 6 diese Ausführungsform in der Seitenansicht.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Kreisbogen bezeichnet, auf dem sich die Positionen 1a bis 1h befinden, aus denen der Körper bei der Untersuchung durchstrahlt wird. Die Strahlung wird bei der Anordnung nach dem Aufsatz von R.E. Sturm von einer Vielzahl von Strahlerquellen (Röntgenröhren) erzeugt, die

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sich in den Positionen 1a bis 1h befinden, jedoch kann auch eine einzige Strahlenquelle benutzt werden, die nacheinander in die Positionen 1a bis 1h gebracht wird. In der Zeichnung sind der Einfachheit halber nur acht verschiedene Positionen dargestellt, jedoch sind für eine hinreichende räumliche Auflösung wesentlich mehr Positionen erforderlich.

In Fig. 1 ist das in der Position 1c einer nicht näher dargestellten Strahlenquelle ausgeblendete Strahlenbündel mit 4c bezeichnet. Es hat die Form einer Pyramide und die Ebene, in der der Kreisbogen 1 liegt, ist eine Symmetrieebene dieser Pyramide. Das Strahlenbündel wird von einer zweidimensionalen Detektoranordnung 3 erfaßt, die gegenüber der Position 1c angeordnet ist . Sie ist um die Mittelachse des Kreisbogens 1 gekrümmt und erstreckt sich senkrecht zu der den Kreisbogen enthaltenden Ebene. Fig. 2 zeigt die geometrische Konfiguration in einer zum Kreisbogen senkrechten, durch das Zentrum des Untersuchungsbereiches bzw. den Körper 2 verlaufenden Ebene, wobei das in der Position 1c ausgeblendete Strahlenbündel 4c sowie die Detektoranordnung 3 in ausgezogenen Linien und das in der Position 1g ausgeblendete Strahlenbündel 4g und die zugehörige Detektorposition 3¹ gestrichelt dargestellt sind. Deutlich ist zu sehen, daß es Bereiche II gibt, die nur sehr schwach von Strahlen durchsetzt sind und einen Bereich I, der etwa doppelt so dicht mit Strahlen durchsetzt wird. Außen liegende Punkte, wie z.B. der Punkt 5t werden nur in einer Position der Strahlenquelle (N) erfaßt, in diesem Fall in PHD 77-066 009851/0342 '⁷'

der Position 1g, und die anderen in den anderen Positionen ausgeblendeten Strahlenkeulen berühren diesen Punkt nicht. Objektdetails, die hier liegen, können die Rekonstruktion erheblich erschweren, da nur wenig Information über sie gemessen wird. Treten dabei auch noch Meßfehler auf, dann wird die Rekonstruktion nachhaltig verfälscht.

In Fig. 3 und Fig. 4 sind die geometrischen Verhältnisse bei einer Anordnung nach der Erfindung dargestellt. Anstelle eines Kreisbogens sind dabei zwei Kreisbögen 1 und 6 vorgesehen, die in zueinander parallelen Ebenen liegen und gegeneinander senkrecht zu ihren Ebenen versetzt sind, und der Untersuchungsbereich bzw. der Körper 2 wird aus Positionen durchstrahlt, die auf dem Kreisbogen 1 (Positionen 1a bis 1h) sowie auf dem Kreis 6 (Positionen 6a bis 6h)liegen. Die Detektoranordnung hat in Richtung senkrecht zu den durch die beiden Kreisbögen und 6 gebildeten Ebenen solche Abmessungen und ist derart angeordnet, daß sie von den erwähnten Ebenen begrenzt wird. Das Strahlenbündel, das in den verschiedenen Positionen der Strahlenquelle (n) auf den Kreisbögen 1 bzw. 6 emittiert wird, hat dabei zwar auch die Form einer Pyramide mit viereckiger Grundfläche, jedoch ist diese Pyramide zu denen die Kreisbögen 1 und 6 enthaltenen Ebenen bzw. einer dazu parallelen Ebene nicht symmetrisch, wie insbesondere Fig. 4 zeigt. Eine Seite dieser pyramidenförmigen Strahlungskeule fällt dabei mit der den Kreisbogen 1 bzw. den Kreisbogen 6 enthaltenden Ebene zusammen.
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In Fig. 4 sind die Strahlungskeulen dargestellt (ausgezogen bzw. gestrichelt), die sich ergeben, wenn der Körper 2 aus den Positionen 6c und 1g durchstrahlt wird. Diese Positionen sind in bezug auf die durch die beiden Kreisbögen senkrecht hindurchgehenden Mittelachse um 180° gegeneinander verdreht und um den Abstand der beiden Ebenen gegeneinander versetzt. Es ist deutlich zu erkennen, daß eine dicke Scheibe des Objektes weitgehend homogen durchstrahlt wird, und daß jeder Punkt in dem Untersuchungsbereich, der sich als innerhalb der Kreisbögen 1 und 6 koaxial angeordneter Zylinder mit ebenen Abschlußflächen definieren läßt, entweder von der in Position 1g oder Position 6c ausgeblendeten Strahlungskeule erfaßt wird. Für eine Vielzahl von Richtungen (entsprechend der Anzahl von Positionen auf einem Kreisbogen) läßt sich ein derartiges um 180° gegeneinander versetztes und auf den beiden Kreisbögen angeordnetes Paar von Positionen angeben, aus denen sich eine ebensolche Strahlung ergibt wie in Fig. 4 dargestellt.

Durch diese hohomogene Durchstrahlung wird erreicht, daß die Informationsmenge, die Über die Absorption eines Punktes innerhalb des Untersuchungsbereiches erhalten wird, weitgehend unabhängig von der Lage dieses Punktes innerhalb des Untersuchungsbereiches ist. Dies erleichtert die Rekonstruktion wesentlich und außerdem gehen Meßfehler weniger stark bei der Rekonstruktion ein. Ein weiterer Vorteil ist, daß der Untersuchungsbereich ein mathematisch einfach zu definierender

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Raum ist (wie bereits erwähnt ein Zylinder mit ebenen Abschlußflächen), was die Möglichkeit ergibt, daß das Objekt bei der Rekonstruktion durch ein Zylinderkoordinatensystem beschrieben wird.

Es ist an sich nicht erforderlich, daß zu jeder Position auf dem einen Kreisbogen auf dem anderen Kreisbogen eine Position existiert, die genau um 180° in bezug auf die Mittelachse der Kreisbögen gedreht ist. Die Konfiguration nach Fig. 4 ist dann zwar nicht ganz gegeben, da keine direkt gegenüberliegende Position existiert, aber es gibt stets zwei Positionen, die fast einander gegenüber angeordnet sind. Da im allgemeinen stets sehr viele Positionen auf einem Kreisbogen vorhanden sein müssen, ergeben sich daraus keine Verfälschungen.

Es ist auch nicht erforderlich, daß die Positionen über den gesamten Umfang der beiden Kreisbögen verteilt sind, sondern es ist im allgemeinen hinreichend, wenn nur ein Teil eines Kreisbogens, der größer sein muß als ein Halbkreis, mit derartigen Positionen belegt ist, wenn sich dabei nur zu jeder Position auf dem einen Kreisbogen eine dazu komplementäre, d.h. um etwa 180° versetzte Position auf dem anderen Kreisbogen angeben läßt.

Die Durchstrahlung des Objektes 2 aus den verschiedenen Positionen kann grundsätzlich dadurch erfolgen, daß in jeder Position eine Strahlungsquelle angeordnet ist. Dies ergibt

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jedoch einen sehr großen Aufwand. Auf der anderen Seite kann die Durchstrahlung auch mit Hilfe einer einzigen Strahlenquelle erfolgen, die nacheinander z.B. zuerst in die verschiedenen Kreispositionen auf dem Kreisbogen 1 und anschließend in die verschiedenen Positionen auf dem Kreisbogen 6 gebracht wird. Beim übergang vom einen auf den anderen Kreisbogen müßte dann allerdings die Ausblendung so geändert werden, daß sich dann wieder die in Fig. 4 dargestellten Verhältnisse ergeben.

Ein vernünftiger Kompromiß zwischen diesen beiden Möglichkeiten besteht darin, für jeden Kreisbogen eine gesonderte Strahlenquelle vorzusehen und diese gemeinsam um eine Rotationsachse zu bewegen und so die Positionen auf einem Kreisbogen nacheinander zu durchlaufen. Die den Abmessungen der Detektoranordnung angepaßte Ausblendung der Strahlungskeulen kann dabei in allen Positionen jedes der beiden Strahler beibehalten werden. Eine derartige Ausführungsform ist in den Fig. 5 und 6 schematisch dargestellt.

Dabei ist in einem Lagerring 11,der fest mit einem Sockel 12 verbunden ist, ein Trägerring 14 mit Hilfe von Lagern 13 in bekannter Weise um seine Mittelachse 10 drehbar gelagert. Ein erster Röntgenstrahier 15 ist an einer Halterung 22 befestigt, die mit dsm Trägerring 14 verbunden ist. Ihr gegenüber ist eine erste Detektoranordnung 3 angeordnet, die über einer Halterung 23 ebenfalls mit dem Trägerring 14 verbunden ist, so daß

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der Röntgenstrahier 15 zusammen mit der Detektoranordnung 3 um die Rotationsachse drehbar ist.

Ein zweiter Röntgenstrahier ist - um 90° gegenüber dem ersten versetzt - an dem Trägerring über einen Halterungsteil 22' verbunden, der wesentlich langer ist als der den ersten Röntgenstrahier 15 tragende Haiterungsteil 22. Ihm gegenüber ist eine zweite Detektoranordnung 3¹ angeordnet, die über eine Halterung 23' ebenfalls mit dem Trägerring 14 verbunden ist. Die beiden Detektoranordnungen 3 und 3¹ erstrecken sich zwischen den durch die Mittelpunkte (d.h. die Brennflecke) der Röntgenstrahier 15 und 15' verlaufenden, zur Rotationsachse 10 senkrechten Ebenen (Fig. 6). Die Strahlung der Röntgenstrahier 15 und 15' wird durch nicht näher dargestellte Kollimatoren so ausgeblendet, daß sich die Strahlenkegel 21 bzw. 21' ergeben, die die gesamte wirksame Meßfläche der Detektoranordnung 3 bzw. 3' - und nur diese - bestrahlen.

Die beiden Detektoranordnungen enthalten - wie aus dem Aufsatz von R.E. Sturm (Seite 110, insb. Fig. 5) bekannt - je einen ebenen Fluoreszenzschirm 17 bzw. 17¹, hinter denen ein Spiegel 18 bzw. 18' angeordnet ist, der das von der örtlichen Intensität der Strahlung abhängige sichtbare Bild über ein Linsensystem 19 bzw. 19' auf das Target einer Fernsehkamera 20 bzw. 20', z.B. vom Isokontyp, projiziert. Gegebenenfalls kann auch noch ein Bildverstärker im Strahlengang angeordnet werden.

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Die Fernsehkamera 20 bzw. 20' tastet die Leuchtfläche des Fluoreszenzschirms 17 bzw. 17» zeilenweise ab, so daß das an der Signalelektrode 24 bzw. 24* abnehmbare Ausgangssignal die Intensität (und damit auch die Absorption) durch das Objekt 2 als Funktion des Ortes (in zwei zueinander senkrechten Richtungen) wiedergibt.

Anstelle einer derartigen Detektoranordnung kann auch eine Detektoranordnung benutzt werden, die aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Detektorreihen besteht, von denen jede eine große Anzahl von einzelnen Detektorelementen enthält.

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Claims

PHILIPS PATENTVERWALTUNG TMBH 2726635

PATENTANSPRÜCHE;

M. \ Anordnung zur Ermittlung der Absorption einer Strahlung in einem dreidimensionalen Untersuchungsbereich, mit einer die Strahlung wenigstens einer Strahlenquelle erfassenden jenseits des Untersuchungsbereiches angeordneten zweidimensionalen Detektoranordnung, die einen Satz von der örtlichen Intensität dieser Strahlung abhängigen Ausgangssignalen liefert, wobei der Untersuchungsbereich aus einer Vielzahl von in einer ersten Ebene liegenden Positionen der Strahlenquelle durchstrahlt wird und aus den dabei gewonnenen Sätzen von Ausgangssignalen die Absorptionsverteilung rekonstruiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (3 bzw. 3¹) in Richtung senkrecht zur ersten Ebene einerseits von der ersten Ebene und andererseits von einer zweiten, im Abstand von der ersten Ebene liegenden und zu dieser parallelen Ebene begrenzt wird, und daß der Untersuchungsbereich zusätzlich aus einer Vielzahl von in der zweiten Ebene liegenden Positionen (6a...6h) durchstrahlt wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Träger (14), der um eine zu den beiden Ebenen senkrechte Rotationsachse (10) drehbar ist und der eine erste Strahlenquelle (13) und ihr gegenüber eine erste Detektoranordnung (3) sowie - in axialer Richtung versetzt - eine zweite Strahlenquelle (15*) und eine zweite Detektoranordnung (3¹) trägt, wobei die beiden Detektoranordnungen in axialer Richtung durch die durch die erste Strahlenquelle verlaufende erste Ebene und durch die dazu parallele durch die zweite Strahlenquelle verlaufende zweite Ebene begrenzt sind.

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