DE2741874C2

DE2741874C2 - Computer-Tomograph

Info

Publication number: DE2741874C2
Application number: DE2741874A
Authority: DE
Inventors: Colin Charles Langley Slough Berkshire Oliver
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1976-09-23
Filing date: 1977-09-15
Publication date: 1984-10-25
Also published as: JPS5625138B2; NL188618B; US4578801A; US4377867A; GB1589469A; FR2365330B1; FR2365330A1; JPS5341990A; NL7710456A; NL188618C; DE2741874A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Computer-Tomographen zur Untersuchung und Rekonstruktion einer Transversalschicht eines Patienten, mit einer Quelle zur Erzeugung eines Strahlenfächers, mit einer Haltevorrichtung für die Quelle, mit einer Detektoranordnung mit auf die Strahlung ansprechenden Detektoren, mit einer weiteren Haltevorrichtung für die Detektoren, und mit einer Antriebsvorrichtung für eine koaxiale Drehbewegung der Quelle und der Detektoranordnung um die Transversalschicht für deren orbitale Abtastung.

Aus der DE-AS 19 41 433 ist ein Computer-Tomograph bekannt, bei dem eine Röntgenquelle und ein dieser gegenüberliegender Detektor abwechselnd laterale und orbitale Bewegungen in bezug auf die zu untersuchende Transversalschicht auszuführen. Dabei werden Daten erzeugt, die sich auf Gruppen von parallelen Strahlenwegen beziehen, die die Transversalschicht des Patienten der Reihe nach durchqueren. Die anschließende Verarbeitung der erzeugten Daten ist dabei verhältnismäßig einfach, jedoch sind bei einer transversalen und orbitalen Bewegung von Röntgenqueile und Detektoren der Arbeitsgeschwindigkeit des Gerätes Grenzen gesetzt.

In der DE-OS 24 27 418 ist ein Computer-Tomograph beschrieben, bei dem die Erzeugung der Daten ausschließlich durch eine Umlaufbewegung erfolgt, so daß der Arbeitsablauf sanfter erfolgt und die Abtastung mit erhöhter Geschwindigkeit durchführbar ist Die dabei ίο erzeugten Daten beziehen sich jedoch auf Grur. pen von divergierenden Strahlenwegen, so daß sich hierdurch ein erhöhter Aufwand bei der Datenverarbeitung ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Computer-Tomographen der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem allein eine umlaufende Abtastbewegung auf mechanischem Wege durchgeführt wird, die eine sanfte, ausgeglichene und schnelle Abtastung gewährleistet, die aber trotzdem die Erzeugung von Daten ermöglicht, die sich auf parallele Strahlenwege beziehen wie bei der eingangs genannten aufeinanderfolgenden lateralen und orbitalen Abtastbewegung.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Ausdehnung der Detektoranordnung kleiner ist als die Ausdehnung des Strahlenfächers, daß die Haltevorrichtung für die Detektoren getrennt von der Haltevorrichtung für die Quelle drehbar ist, daß die Antriebsvorrich.'ung die beiden Haltevorrichtungen in entgegengesetztem Drehsinn mit solchen Winkelgeschwindigkeiten antreibt, daß der die Detektoranordnung jeweils bestrahlende Teil des Fächers sich lateral über die Transversalschicht bewegt, ohne sich in bezug auf die Transversalschicht zu drehen, und die Quelle und die Detektoranordnung sich mit identischer lateraler Geschwindigkeitskomponente in der Richtung bewegen, die normal zu dem jeweils auf dem mittleren Detektor der Detektoranordnung auftreffenden Strahl in der Ebene der Transversalschicht verläuft.

Die Erfindung nutzt also die Vorteile eines Gerätes mit lateraler und orbitaler Abtastbewegung aus, ohne daß mechanisch eine laterale Abtastbewegung durchgeführt wird.

Vorzugsweise sind zwei Strahlenquellen vorhanden, die einander diametral gegenüberliegend auf der ersten Haltevorrichtung angeordnet sind, wobei die Detektoranordnung drei Gruppen von Detektoren enthält, die symmetrisch um die Drehachse verteilt auf der Detektor-Haltevorrichtung angeordnet sind. Hierdurch wird ein dynamisches Gleichgewicht der Abtastvorrichtung erreicht.

In weiterer Ausgestaltung ist eine steuerbare Blende vorgesehen, die nur eine Bestrahlung der Transversalschicht durch den Teil des Fächers zuläßt, der auf die Detektoren trifft. Hierdurch läßt sich die Strahlendosis. mit der der Patient beaufschlagt wird, reduzieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. In der Zeichnung bedeutet

Fig. 1 eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels des Gerätes und

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des in F i g. I dargestellten Gerätes.

Gemäß F i g. 1 ist ein Hauptrahmen 1 auf dem Fußboden eines Gebäudes befestigt. Dieser Rahmen enthält eine kreisförmige Ausnehmung 2, die an einen ersten Ringkörper 3 angepaßt ist, auf dem zwei gleiche Röntgenröhren 4 und 5 einander diametral gegenüberliegend angebracht sind. Der Ringkörper 3 ist drehbar auf einer

Lagerfläche gelagert, die sich an einem stationären Ringkörper 6 befindet, der auf dem Hauptrahmen 1 gelagert ist

Innerhalb des Ringkörpers ist konzentrisch ein weiterer Ringkörper 7 gelagert auf dem eine Detektoranordnung aus drei Detektorgruppen 8,9 und 10 angebracht ist Jede Gruppe enthält sechsunddreißig Detektoren und nimmt einen Winkel von 12° in bezug auf die Position der Röntgenröhre ein. Der Ringkörper 7 ist drehbar auf einer Lagerfläche gelagert die an einem stationären Ringkörper 11 angebracht ist. der auf dem Hauptrahmen 1 gelagert ist Der kreisförmige Innenumfang 13 des Ringkörpers 11 bildet die äußere Begrenzung für die Position eines Patienten.

In F i g. 1 ist der Querschnitt 14 durch den Körper eines Patienten dargestellt der in Rückenlage auf einer gekrümmten Auflageplatte 15 ruht Die Auflageplatte 15 ist ihrerseits in einer gekrümmten Rille 16 gelagert, die in einem am Hauptrahmen befestigten Tisch 17 angebracht ist Die Auflageplatte 15 kann in der Rille 16 in einer Richtung senkrecht zur Papiertbene bewegt werden, so daß eine gewünschte Transversal?"hicht des Körpers 14 zur Bestrahlung durch die Röntgenröhren 4 und 5 ausgewählt werden kann (DE-OS 26 17 974). Die Röntgenröhren erzeugen ein ebenes, fächerförmiges Strahlungsfeld, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Fächerwinkel von 30° aufweist, wobei die Ebene des Strahlenfächers parallel zur Papierebene verläuft

Zwischen jeder Detektorgruppe und dem Körper sind Gruppen 12g, 12₉,12io von geneigten Kollimatoren vorgesehen, die an den Detektorgruppen befestigt sind. Solche Kollimatoren sind in der DE-OS 27 09 599 vorgeschlagen. Diese Kollimatorenbänke dienen dazu, die Wirkungen der Streustrahlung aus dem Körper 14 zu vermindern, jedoch begrenzen sie nicht die auf die Detektoren fallende Strahlung auf einen schmalen Strahl.

F i g. 1 zeigt, daß der von der Röntgenröhre 4 erzeugte Strahlenfächer 18 in Verbindung mit der Ausbildung des Geräter so bemessen ist, daß die äußeren Strahlen des Fächers 18 tangential zu der kreisförmigen Umfangsfläche 13 verlaufen, die die Position des Patienten begrenzt.

Es wurde schon zuvor erwähnt, daß die Ringkörper 3 und 7 drehbar gelagert sind, und Elektromotoren 3a und Ta treiben über entsprechende Zahn "ader 3b und 7 b, die mit am Umfang der Körper 3 und 7 angebrachten Zähnen in Eingriff stehen, diese beiden Ringkörper in entgegengesetzten Richtungen und mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiter*. an. Bei den im vorliegenden Beispie! verwendeten Abmessungen, bei denen das Verhältnis von Radius des K.eises 13 zu dem der Verbindungen zwischen den Detektorgruppen 8, 9 und 10 und ihren entsprechenden Kollimaiorbänken und zum Radius der Innenfläche des Körpers 3 etwa 2:5:8 beträgt, ist die Winkelgeschwindigkeit des Ringkörpers 7 etwa 50% höher als die Winkelgeschwindigkeit des Körpers 3. Diese Abmessungen und Geschwindigkeiten sind so gewählt, daß bei dem in F i g. 1 dargestellten Beispiel die Röhre 4 die Gruppe 8 bestrahlt, während die beiden Komponenten von links nach rechts über die Position des Patienten streichen (unter der Annahme, daß der Ringkörper 3 im Uhrzeigersinn umläuft) so daß tatsächlich ein 12°-Sektor der Strahlung über die Position des Patienten streicht und dabei zu diesem in der gleichen Winkelorientierung bleibt. Der 12°-Sektor, der jeweils die Detektorgruppe S bestrahlt, wird dabei von verschiedenen Winkelbereiches des 30°-Fächers 18 ausgewählt

Die in F i g. 1 dargestellte Position entspricht dem Mittelpunkt des erwähnten Überstreichens. Der 12°-Sektor 19, der durch die Detektorgruppe 8 definiert wird, befindet sich dabei natürlich in der Mitte des 30°-Sektors 18. Der mittlere Strahl 20 des Sektors ist vertikal und trifft auf einen mittleren Detektor der Gruppe 8 auf.

Bei einer Drehung des Ringkörpers 3 im Uhrzeigersinn und einer entgegengesetzten Bewegung des Ringkörpers 7 wird man feststellen, daß bei einer genauen Beziehung der beiden Bewegungen zueinander der erwähnte mittlere Detektor die Erzeugung von Ausgangssignaien fortsetzt, die sich auf zum Strahl 20 parallele Strahlen beziehen. Ähnliche Überlegungen gelten auch für die anderen Detektoren in der Gruppe 8, so daß tatsächlich 36 innerhalb des 12°-Sektors angeordnete Strahlen über die Position des Patienten streichen, wobei jeder Strahl während des Überstreichens etwa parallel zu seiner Position am Beginn des Überstreichens verbleibt Die von den Detektorer, durch die Strahlen erzeugten Ausgangssignale können in bekannter Weise durch Taktimpulse identifiziert werden, die in Abhängigkeit von den Abtastbewegungen der Ringkörper 3 und 7 erzeugt werden. Die Taktimpulse können von Fotozf.len-Detektoreinheiten und mit diesen zusammenwirkenden Stricheinteilungen erzeugt werden. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der DE-OS 25 32 716 bekannt.

Die Position des Patienten empfängt somit Strahlung über einen Winkel von 30°, während nur jeweils ein 12° -Sektor der Strahlung gemessen wird. Dies kann dadurch abgeschwächt werden, indem gemäß F i g. 1 ein drehbarer Ring 21 vorgesehen wird, der auf einer Halterung 22 angebracht ist, die an dem Ringkörper 3 befestigt ist. Der Ring 21 wird über ein Getriebe in Drehung versetzt, das ein Zahnrad 23 enthält, das ebenfalls auf der Halterung 22 gelagert ist, und das durch nicht dargestellte, im äußeren Umfang des Ringkörpers V angebrachte Zähne angetrieben wird. Der Ring 21 enthält eir°n teilweise dargestellten gelochten Rand 24. der im Weg der Strahlung liegt und außer dem gewünschten 12°-Sektor, der jeweils auf eine Deiektorgruppe ausgerichtet ist, alles andere verdeckt.

Der Ring 21 ist in bezug auf die untersuchte Ebene geneigt, so daß Teile des Randes 24, die der Quelle 4 zugekehrt sind, nicht im Weg der von der Quelle ausgesandten Strahlung liegen. Die Löcher im Rand 24 an der der Quelle abgekehrten Seite wirken als Kollimatoren und bewegen sich zwischen der Quelle und dem Körper synchron mit den Bewegungen der Quelle und der Detektoren, so daß stets nur Strahlung durchgelassen wird, die auf Detektoren fällt. Das Zahnrad 23 bewirkt, daß üer King 21 entgegen dem Uhrzeigersinn umläuft, d. h.

im gleichen Sinn wie der die Detektoren tragende Ringkörper 7. Eine gleiche, nicht in Einzelheiten oargestellte Anordnung 25 ist natürlich für die Röntgenröhre 5 vorgesehen.
Gegebenenfalls können die Ringe 21 die Röntgenröhren 4 und 5 umgeben, so daß dann die Notwendigkeit für die Neigung der Ringe entfällt.

Eine andere mögliche Anordnung bestehi darin. 12° auswählende Kollimatoren auf einem Ring anzuordnen, der konzentrisch zu den Ringkörpern 3 und 7 ist und mit einer geeigneten Geschwindigkeit in bezug auf die Röntgenröhren und Detektoren gedreht wird, um in gewünschter Weise die auf die Position des Patienten auftreffende Strahlung auf die Strahlung zu begrenzen, die

eine brauchbare Information liefen. In diesem Falle sind natürlich die Teile 21 bis 25 nicht erforderlich.

Es sei bemerkt, daß in der in F i g. 1 dargestellten Position die Röhre 5 unwirksam ist, denn anderenfalls würde sie nur die Rückseite der Detektorgruppe 8 be- ί strahlen. Wenn jedoch die Abtastbewegungen fortschreiten, bewegt sich die Detektorgruppe 8 aus dem Weg der Bestrahlung von der Röhre 5 fort, und die Gruppe 9 gelangt in eine Position, in der sie Strahlung von der Röhre 5 empfängt, nachdem diese durch die Position des Patienten gelaufen ist. Dann streicht erneut Strahlung über den Körper, wobei die Strahlung jetzt von der Röhre 5 ausgeht und von der Detektorgruppe 9 gemessen wird. Irgendwann während dieses zweiten Überstreichens bewegt sich die Detektorgruppe 9 in den von der Röhre 4 ausgesendeten Strahlungsweg, und diese Röhre wird dann abgeschaltet. Das nächste Überstreichen wird durch Zusammenwirkung der Röntgenröhre» 4 mit Af*r Hrittf»n Vlf*tf*\ttr\rori\r\np IO i>r7pitot unH ...... - ..... --.^ ........ ..........ς,, .f.,-. . . .. _.._σ. ....

das folgende Überstreichen durch das Zusammenwirken der Röntgenröhre 5 mit der Detektorgruppe 8 usw. Es wurde entdeckt, daß nach zwei Umdrehungen des Ringkörpers 3 um die Position des Patienten der Körper entlang von 540 Gruppen paralleler Wege durch die Position des Patienten bestrahlt werden kann, wobei die Wege in Intervallen von Vj" um die Position des Patienten verteilt sind, wobei darüber hinaus jeder Weg zweimal bestrahlt wird.

Die diesen Wegen entsprechenden Ausgangssignale erlauben bei entsprechender Verarbeitung die Ermittlung des Absorptions- (oder Durchlässigkeits-)Koeffizienten an jeder von zahlreichen über der Querschnittsscheibe des Körpers 14 verteilten Stellen. Die Datenverarbeitung kann auf bekannte Weise durchgesteuert werden (DE-AS 19 41 433 oder DE-OS 24 20 500).

Das Zeitdiagramm in F i g. 2 zeigt, wie die verschiedenen Wege mit dem zuvor beschriebenen Gerät bestrahlt werden. Die Winkel stellen Winkelpositionen der beiden Röntgenröhren 4 und 5 dar, wobei die Röntgenröhre 4 in Fi g. 1 die 0°-Position einnimmt Die ausgezogenen Linien deuten an, daß die Röhre 4 wirksam ist, während die gestrichelten Linien die Wirksamkeit der Röhre 5 darstellen. Die Zwischenräume stellen natürlich die Drehung dar, die ausgeführt wird, während die jeweiligen Röhren unwirksam sind.

Die die Linien umgebenden Kästen stellen in bezug auf die Position des Patienten die Winkelanordnung der tatsächlichen Gruppe der von den jeweiligen Detektorgruppen zu gegebenen Zeiten festgestellten Wege dar. Es ist ersichtlich, daß die Röntgenröhren 4 und 5 genau in Antiphase zueirander ein- und ausgeschaltet werden müssen, und dies ist eine vorteilhafte Anordnung, weil hierdurch die Belastung der zur Versorgung der Röhren dienenden Hochspannungsquelle stabilisiert wird.

Es hat sich herausgestellt, und dies ist aus F i g. 2 ersichtlich, daß jede Röhre während einer Drehung des Ringkörpers 3 um 30° aktiv ist und dann während einer Drehung von 18° inaktiv ist usw, wobei die Röhren wie zuvor erwähnt genau in Antiphase zueinander mit Energie versorgt werden, obwohl wegen des ungleichen Verhältnisses von Aktivität zu Inaktivität bei der Bewegung durch den eingeschalteten und nicht-eingeschalteten Zustand Überlappungsperioden auftreten, in denen beide Röhren eingeschaltet sind. Somit ist in bezug auf F i g. 1 die Röhre 4 in ihrer 0° -Ausgangsposition eingeschaltet und bleibt eingeschaltet, bis sie über einen Winkel von 15° gedreht worden ist Die Röhre 5 ist andererseits in ihrer 180°-Position nicht eingeschaltet, jedoch wird sie eingeschaltet, wenn sie die 189"-Position einnimmt, d. h. nachdem sich der Ringkörper 3 um 9° gedreht hat und verbleibt so bis zur 219°-Position, wo sich der Ringkörper 3 um 39° aus der Ausgangsposition gedreht hat und wo die Röhre erneut abgeschaltet wird. Die Röhrt 4 wird, nachdem sie nach der 15"-Drehung abgeschaltet worden ist, erneut eingeschaltet, wenn sie die 33^D-Position einnimmt. Dieses Verfahren setzt sich während des gesamten Abtasivorganges fort.

Wie oben erwähnt wurde, sollen die Kollimatoren in den Banken 12 die Wirkungen der Streuung der Strahlung durch den Körper 14 verhindern, so daß die von den Detektoren erzeugten Ausgangssignale sich auf die Strahlung beziehen, die entlang linearer Wege durch die Position des Patienten verläuft. Die Kollimatoren können ggfs. entfallen, oder sie könnten durch eine andere Anordnung ersetzt werden, die in der Lage ist, die relative Winkelbewegung zu berücksichtigen, die zwischen Wf»n OnMlon und A&n D«»tpl·trtrcrrunnpn auftritt währpnH . ... ^ ....... ......... .~........_c. —f,,-... ......... .......

die erwähnten Überstreichungen bewirkt werden (d. h. während der Perioden, in denen die Röhren eingeschaltet sind).

Wenn es statt dessen erwünscht ist, Kollimatoren zu verwenden, die in radialer Richtung länger sind als die Kollimatoren in der Bank 12, können die Röhren 4, 5 und/oder die Detektorgruppen 8 bis 10 so angeordnet werden, daß sie eine Verstellbewegung ausführen, um die relaf'Ve Winkelbewegung zu eliminieren. Wenn eine solche Bewegung den Röntgenröhren mitgeteilt wird, ergibt sich der Vorteil, daß sie nur einen 12°-Fächer anstelle des bei der Anordnung gemäß F i g. 1 erforderlichen 30°-Fächers erzeugen müssen. Hierdurch wird die Strahlungsdosis verringert, der der Patient ausgesetzt ist.

Die Erfindung wurde zwar in Verbindung mit einer Ausführungsform erörtert, bei der zwei Röntgenröhren und drei Detektorgruppen verwendet werden, jedoch ist die Erfindung nicht auf eine solche Anordnung beschränkt. Beispielsweise können drei Röhren in Verbindung mit drei oder vier Detektorgruppen verwendet werden. Ferner könnten die Detektorgruppen auf dem Ringkörper 3 und die Röntgenröhren auf dem Ringkörper 7 angeordnet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Computer-Tomograph zur Untersuchung und Rekonstruktion einer Transversalschicht eines Patienten, mit einer Quelle zur Erzeugung eines Strahlenfächers, mit einer Haltevorrichtung für die Quelle, mit einer Detektoranordnung mit auf die Strahlung ansprechenden Detektoren, mit einer weiteren Haltevorrichtung für die Detektoren, und mit einer Antriebsvorrichtung für eine koaxiale Drehbewegung der Quelle und der Detektoranordnung um die Transversalschicht für deren orbitale Abtastung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der Detektoranordnung (8,9,10) kleiner ist als die Ausdehnung des Strahlenfächers (19), daß die Haltevorrichtung (7) für die Detektoren (8, 9, 10) getrennt von der Haltevorrichtung (3) für die Quelle (4) drehbar ist, daß die Antriebsvorrichtung die beiden Haltevorrichtungen in entgegengesetztem Drehsinn, mit solchen Winkelgeschwindigkeiten antreibt, daß dzr die Detektoranordnung (8, 9, 10) jeweils bestrahlende Teil des Fächers sich lateral über die Transversalschicht bewegt, ohne sich in bezug auf die Transversalschicht zu drehen, und die Quelle und die Detektoranordnung sich mit identischer lateraler Geschwindigkeitskomponente in der Richtung bewegen, die normal zu Jem jeweils auf dem mittleren Detektor der Detektoranordnung auftreffenden Strahl in der Ebene der Transversalschicht verläuft.

2. Computer-Tomograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Strahlenquellen (4, 5) vorhanden sind, dir einander diametral gegenüberliegend auf der ers-'en Haltevorrichtung (3, 6) angeordnet sind, und daß die ietektoranordnung drei Gruppen (8 bis 10) von Detektoren enthält, die symmetrisch um die Drehachse verteilt auf der Detektor-Haltevorrichtung (7) angeordnet sind.

3. Computer-Tomograph nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine steuerbare Blende (21 bis 24) vorgesehen ist, die nur eine Bestrahlung der Transversalschicht (14) durch den Teil des Fächers zuläßt, der auf die Detektoren (8,9,10) trifft.