DE2750651C2

DE2750651C2 - Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Größe analoger Eingangssignale

Info

Publication number: DE2750651C2
Application number: DE2750651A
Authority: DE
Inventors: Richard Graham Uxbridge Gillard; Godfrey Newbold Newark Nottinghamshire Hounsfield
Original assignee: EMI LTD HAYES GB
Current assignee: EMI LTD HAYES GB
Priority date: 1976-11-12
Filing date: 1977-11-10
Publication date: 1984-04-12
Also published as: FR2370959B1; FR2370959A1; NL7712477A; JPS5368068A; US4160954A; DE2750651A1; GB1587123A

Description

a) die Verbindung der Eingangsklemme (1) mit der Integrationsvorrichtung (16) für eine vorgegebene Zeitperiode (P) hergestellt wird,

b) anschließend die Klemme von der Integrationsvorrichtung (6) getrennt und die Verbindung des ersten Abflußweges (13) mit der Integrationsvorrichtung solange hergestellt wird, bis das Auslösesignal unterbrochen wird,

c) die Verbindung des zweiten Abflußweges (14) mit der Integrationsvorrichtung (6) eine vorgegebene Zeit (Δ ') nach der Verbindung des ersten Abflußweges (13) mit diesem hergestellt wird, sofern das Auslösesignal vorher nicht j5 unterbrochen worden ist, wobei der Abfluß von der Integrationsvorrichtung (6) nach der Verbindung des zweiten Abflußweges mit der Integrationsvorrichtung schneller als vor der Verbindung erfolgt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Abflußgeschwindigkeit von der Integrationsvorrichtung (6) nach und vor der Verbindung des zweiten Abflußweges (14) mit der Integrationsvorrichtung etwa 1:11 beträgt.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Größe analoger Eingangssignale wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben. Sie bezieht sich insbesondere auf eine auf dem Gebiet der Computertomographie anwendbare Schaltung.

Bei der Computertomographie wird Röntgenstrahlung durch eine Querschnittsscheibe eines zu untersuchenden Körpers entlang zahlreicher lineare"· Strahlenwege geschickt, und die Absorption, die die Strahlung bo beim Durchqueren entlang dieser Wege erfährt, wird gemessen. Die gemessenen Absorptionswerte werden dann einer Datenverarbeitung unterworfen, um eine Darstellung der Absorptions- (oder Durchlässigkeit*-) Koeffizienten in bezug auf die verwendete Strahlung an t,^r, jedem von zahlreichen über der Querschnittsscheibc verteilten Orten /u erzeugen. Ein Gerät zur Durchführung solcher tomographischer Untersuchungen ist in der DE-OS 19 41 433 beschrieben.

Die Absorption entlang jedes Weges wird dadurch bestimmt, daß die Strahlung nach Durchlaufen des Körpers entlang dieses Weges gemessen und von der Strahlungsmenge subtrahiert wird, die auf diesem Wege in den Körper hineingeschickt wird. Die Messung der austretenden Strahlung erfolgt dabei vorzugsweise mittels einer oder mehrerer Kombinationen eines die Röntgenstrahlung in Licht umsetzenden Szintillatorkristalls mit einer Fotovervielfacherröhre, die das Licht von dem Kristal! empfängt und das Licht in ein elektrisches Signal umsetzt

Die verschiedenen Strahlenwege werden dadurch erzeugt, daß die Röntgenstrahlenquelle in bezug auf den zu untersuchenden Körper eine Abtastbewegung ausführt, wobei jeder Strahlenweg nur kurz bestrahlt wird. Die oder jede Kristall/Fotovervielfacherkombination erzeugt somit der Reihe nach elektrische Signale, die die Strahlung darstellen, die durch den Körper entlang einer Zahl der erwähnten Wege geschickt wird, und es ergeben sich Probleme hinsichtlich der genauen Messung dieser Signale insbesondere dann, wenn die Ausgangssignale einen großen Dynamikbereich aufweiser., was beispielsweise dann der Fall ist, wenn die Querschnittsscheibe des zu untersuchenden Körpers die Lungen enthält, in denen sich naturgemäß beträchtliche Luftmengen befinden.

Aus der DE-AS 19 40 885 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die eine Eingangsklemme für die Eingangssignale, eine Integrationsvorrichtung, Schaltermittel zur wahlweisen Verbindung der Eingangsklemme mit der Integrationsvorrichtung, eine an die Integrationsvorrichtung angeschlossene Schwellwertschaltung zum Empfang von Ausgangssignalen der Integrationsvorrichtung und zur Erzeugung eines Auslösesignals, solange die Größe der Ausgangssignale eine Bezugsgröße übersteigt, und einen ersten und einen zweiten Abflußweg für die Integrationsvorrichtung enthält. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Umsetzung wird die Aufgabe gelöst, nahezu beliebige Nichtlinearitäten der Umsetzungsfunktion zu erzeugen, indem der Entladestrom der Integrationsschaltung stufenweise verändert wird, um eine nicht-lineare Funktion mit geraden 'Stücken anzunähern. Hierbei wird der Ausgang der Integrationsschaltung nur dazu verwendet, die Zuführung von Impulsen zu einem Zähler zuzulassen, wofür eine Vorrichtung in Form eines Ringzählers in Verbindung mit einer Zentraleinheit benötigt wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der vorangehend genannten Art zu schaffen, die bei Anwendung in einem Computertomographen erheblich einfacher und wirtschaftlicher eine genaue Messung der Amplitude der elektrischen Signale auch dann ermöglicht, wenn diese einen großen Dynamikbereich aufweisen.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jedem der Abflußwege ein Schaltermittel zur wahlweisen Verbindung der Abflußwege mit der Integrationsvorrichtung in Abhängigkeit von dem Auslösesignal zugeordnet ist, und daß auf Taktsignale ansprechende Mittel zur Steuerung der Schaltermittel derart vorgesehen sind, daß

a) die Verbindung der Eingangsklemme mit der Integrationsvorrichtung für eine vorgegebene Zeitperiode hergestellt wird,

b) anschließend die Klemme von der Jntegrationsvorrichtung getrennt und die Verbindung des ersten Abflußweges mit der Integrationsvorrichtung so lange hergestellt wird, bis das Auslösesignal unterbrochen wird,

c) die Verbindung des zweiten AbfliiQweges mit der Integrations vorrichtung eine vorgegebene Zeit nach der Verbindung des ersten Abflußweges mit diesem hergestellt wird, sofern das Ausiösesigr-.al vorher nicht unterbrochen worden ist, wobei der Abfluß v-jn der Integrationsvorrichtung nach der Verbindung des zweiten Abflußweges der Integrationsvorrichtung schneller als vor der Verbindung erfolgt

Im Gegensatz zu der bekannten Schaltungsanordnung sieht die Erfindung also vor, daß die Verbindung der Entladewege zur Integrationsschaltung durch das von der Schwellwertschaltung erzeugte Auslösesignal bestimmt ist, das dann ansteht, wenn die von der Integrationsschaltung erzeugten Ausgangssignale einen Schwellwertpegel überschreiten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 eine Schaltung einer bekannten Meßanordnung für elektrische Signale mit einem begrenzten Dynamikbereich und

Fig.2 eine erfindungsgemäße Schaltung zur Messung elektrischer Signale mit einem breiten Dynamikbereich.

Gemäß F i g. 1 werden zu messende Signale über eine Eingangsklemme 1 zwei Feldeffekt-Transistorschaltern 2 und 3 zugeführt. An die Transistorschaltung sind Meßschaltungen 4 und 5 angeschlossen, von denen nur die Schaltung 4 in Einzelheiten dargestellt ist, weil die Schaltung 5 identisch ausgebildet ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden zwei Schaltungen verwendet, weil eine Anwendung in einem Gerät für computerisierte axiale Tomographie vorgesehen ist und die sich auf nacheinander bestrahlte Strahlenwege beziehenden Signale so rasch aufeinander folgen, daß das Signal für einen Strahlenweg von einer Schaltung gemessen werden muß, während die andere Schaltung ein Ausgangssignal erzeugt, das ein Maß für den gemessenen Wert des sich auf den zuvor bestrahlten Strahlenweg beziehenden Signals und umgekehrt ist.

Die Schaltung 4 enthält eine Integrationsschaltung 6, einen Schwellwertdetektor 7, der Ausgangssignale von der Schaltung 6 empfängt und ein binäres »1 «-Signal erzeugt, solange die Ausgangssignale ein Null-Potential oder einen anderen Schwellwert überschreiten. Der Detektor 7 erzeugt ein binäres »O«-Signal, wenn die Integrator-Ausgangssignale nicht den Null-Wert oder den Schwellwertpegel überschreiten. Die binären Signale vom Detektor 7 werden einem »UND«-Tor 8 zugeführt, das über eine Klemme 9 ebenfalls Integrationsimpulse 10 von einer nicht dargestellten Taktschaitung empfängt. Der Integrationsimpuls ist ebenfalls binär und weist während der Integrationsperiode des Integrators 6 den Wert »0« auf und während der Zeit zur Erzeugung des Ausgangssignals für die Schaltung 4 den Wert »1« auf, wobei diese Zeit gleich der Integrationszeit für die auch in der Schaltung 5 vorhandene Integrationssehaluing6 ist.

Die Integrationsinipulse 10 werden ferner dem Schalter 2 zugeführt, der bewirkt, daß die Signale von der Klemme 1 der Inicgrationsschaltung 6 zugeführt worden, während die Impuls«: 10 den Wert »0« Ilaben.

Das »UND«-Tor 8 erzeugt ein Ausgangssignal 11 nur, wenn beide seinen Eingangsklemmen zugeführten Signale den binären Wert »1« aufweisen, nämlich während der Zeit zwischen dem Ende der Integrationsperiode für den Integrator 6 und dem Abfall der im Integrator gespeicherten Ladung auf Null (oder den Schwellwert).

Der Abfall wird von einem ersten Feldeffekt-Transistorschalter 12 gesteuert, der durch den Impuls 11

κι beaufschlagt wird und einen Entladungsweg für den Integrator 6 über einen Widerstand 13 öffnet Natürlich schaltet der Schwellwert-Detektorausgang auf eine binäre »0« um, nachdem die im Integrator gespeicherte Ladung auf Null bzw. auf den Schwellwertpegel

in abgefallen ist so daß das »UND«-Tor 8 gesperrt wird und der Entladungsweg über den Widerstand 13 unwirksam wird. Die Schaltung 4 ist dann bereit für eine weitere Integrationsperiode.

Der Impuls 11, der die Entladung der Schaltung 6 steuert, wird ferner eineir nicht dargestellten Zähler zugeführt, der Taktimpulse einer vorgegebenen Frequenz zählt, die ihm von der zuvor erwähnten Haupttaktgeberschaltung während der Dauer des Impulses 11 zugeführt werden. Der am Ende eines Impulses U in dem Zähler gehaltene Zählwert ist somit ein Maß für die Menge der in der lntegrationsschaltung 6 während der unmittelbar vorangehenden Integrationsperiode gespeicherten Ladung, und sie ist somit ein Maß für die Amplitude des der Schaltung 4 während

jo dieser Periode zugeführten Eingangssignals.

Wie zuvor erwähnt wurde, arbeitet diese Schaltung in der Praxis zwar zufriedenstellend, jedoch arbeitet sie am besten mit Signalen eines begrenzten Dynamikbereiches. Dies rührt daher, daß eine vorgegebene

i=. maximale Zählung (vorzugsweise 8192 Zählschritte) eingestellt werden muß, damit die Schaltung 4 und die zugehörige Zählschaltung rechtzeitig für den Empfang des nächsten Eingangssignals gesetzt werden kann, und hierdurch wird die maximale Amplitude der meßbaren Signale begrenzt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine in F i g. 1 dargestellte Schaltung 4 so abgewandelt, daß sie Signale mit einem größeren Dynamikbereich verarbeiten kenn.

Ji In Fig. 2, in dereine Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist, sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 belegt.

Der Wert des Widerstandes 13 in F i g. 2 ist 10 R, und parallel zu diesem Widerstand liegt die Reihenschaltung

Mi eines Widerstandes 14 mit dem Widerstand R und eines Feldeffekt-Transistorschalters 15. Der Schalter 15 wird durch den binären Ausgang von einem »UND«-Tor 16 gesteuert, welches das vom Schwellwevtdetektor 7 erzeugte binäre Ausgangssignal und einen von der

~>i zuvor erwähnten, nicht dargestellten Taktschaltung erzeugten binären Taktimpuls 17 empfängt und so ausgelegt ist, daß ein Start zu einer festen Zeit Δ ' beginnt, nachdem der Integrationsimpuls 10 den binären Wert »1« angenommen hat, wobei die feste Zeit Δ '

do einer Zählung von beispielsweise 4069 Schritten in dem zuvor erwähnten, nicht dargestellten Zähler entspricht. Wenn der Ausgang des Detektors 7 sich noch im »1 «-Zustand befindet, wenn der Impuls 17 beginnt und so während einer Periode Λ verbleibt, erzeugt das

ι"- »UND«-Tor 16 einen Ausgangsimpuls 18 von der Dauer Λ, der den Feideffekt-Transistorschalter 15 veranlaßt, den Integrator 6 über die Widerstände 14 und 13 zu entladen. Hierdurch wird die Ijitkidungsgesehwindig-

keit auf das 11 fache gesteigert, so daß die Ladung vom Integrator wesentlich schneller als bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung vernichtet werden kann. Obwohl somit die maximale Entladungszeit (Δ wax.) festbleibt und natürlich kleiner oder gleich T ist, kann die Schaltung gemäß Fig. 2 wesentlich höhere Ladungswerte (und somit Eingangssignal-Amplituden) verarbeiten als die Schaltung gemäß Fig. 1.

Wenn beispielsweise bei der Schaltung gemäß F i g. 1 die Zählerablesung 6000 beträgt, stellt diese den Wert des Eingangssignals während der relevanten Integrationsperiode dar. Wenn jedoch bei der Anordnung gemäß Fig. 2 wegen der 11 fach erhöhten Entladungsgeschwindigkeit die Zählung 4096 erreicht worden ist, stellt eine Zählung von 6000 tatsächlich eine Eingangssignalzählung von 4096 + 11 (6000 - 4096) dar, d. h. 25 040. Die maximale Eingangssignalzählung, die bei diesem Ausführungsbeispiel darstellbar ist, beträgt 4096 + 11 (8192 - 4096), oder 49 152.

Tatsächlich ist die Genauigkeit im Bereich von 409' bis 8192 im Vergleich zu der Anordnung gemäß F i g. vermindert.

Die obenerwähnten numerischen Werte stellen nu ein Beispiel dar.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfin dung besteht in Verbindung mit einem Gerät fü computerisierte axiale Tomographie zur Untersuchun; des Herzens eines menschlichen Patienten. Beispiels weise in den DE-Patentanmeldungen P 24 34 639.2 un< P 27 22 964.7 ist erwähnt, daß es bei der Abtastung eine das Herz eines Körpers einschließenden Scheibe vor Vorteil ist, die Abtastung mit den Bewegungen de; Herzens zu synchronisieren, so daß Strahlung nur danr durch das Herz verläuft, wenn dieses eine vorgegeben« Position oder einen vorgegebenen Bereich vor Positionen einnimmt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Größe analoger Eingangssignale, mit einer Eingangsklemme für die Eingangssignale, mit einer Integrationsvorrichtung, mit Schaltermitteln zur wahlweisen Verbindung der Eingangsklemme mit der Integrationsvorrichtung, mit einer an die Integrationsvorrichtung angeschlossenen Schwellwertschaltung zum Empfang von Ausgangssignalen der Integrationsvorrichtung und zur Erzeugung eines Auslösesignals, solange die Größe der Ausgangssignale eine Bezi'gsgröße übersteigt, und mit einem ersten und einem zweiten Abflußweg für die Integrationsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Abflußwege (13, 14) ein Schaltermittel (12,15) zur wahlweisen Verbindung der Ahflußwege mit der Integrationsvorrichtung (6) in Abhängigkeit von dem Auslösesignal zugeordnet ist und daß auf Taktsignale ansprechende Mittel (8, 16) zur Steuerung der Schaltermittel derart vorgesehen sind, daß