DE2816218A1

DE2816218A1 - Verbesserter abtaster fuer computer- tomographie

Info

Publication number: DE2816218A1
Application number: DE19782816218
Authority: DE
Inventors: John Compton Truscott
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-04-18
Filing date: 1978-04-14
Publication date: 1978-10-26
Also published as: SE7804334L; JPS53144291A; FR2387633A1; US4115696A; ES468607A1

Description

Verbesserter Abtaster für Computer-Tomographie

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Untersuchung des menschlichen Körpers mit einer den Körper durchdringenden Strahlung, wie beispielsweise Röntgen- und Gammastrahlung. Der Begriff Röntgenstrahlung wird hier der Kürze halber als beide Strahlungsarten umfassend gebraucht. Die neue Vorrichtung ist insbesondere anwendbar, um Röntgenbilder von Schichten in einem menschlichen Körper durch Computer-Tomographie zu erhalten.

Hintergrundinformation für Computer-Tomographie kann von einem Artikel mit dem Titel "Image Reconstruction From Projections" von R. Gordon, G.T. Herman und S.A. Johson in Scientific American, Oktober 1975, Band 233, Nr. 4, Seite 56, erhalten werden. Weitere Hintergrundinformation ist in den US-Patentschriften 3 881 und 3 867 634 enthalten. Weiterhin zeigen die US-Patentaehriften 4 010 37O und 4 010 371 Abtaster der Computer-Tomographie, in denen die Rontgenstrahlenquelle oder der Detektor für verschiedene Zwecke verschoben wird.

809843/0790

Bei einer Anordnung zur Durchführung der Computer-Tomographie ist ein Patient für eine Bewegung entlang einer Längsachse gelagert, die gewöhnlich horizontal angeordnet ist. Die Achse fällt mit der Drehachse eines Drehgestelles zusammen, das eine Röntgenstrahlenquelle auf der einen Seite seiner Drehachse und eine Anordnung von Röntgenstrahlendetektoren auf der anderen Seite aufweist. Ein fächerförmiger Röntgenstrahl, der in der Längsrichtung dünn ist, wird durch den Patienten hindurchgeschickt, wenn sich das Gestell dreht, so daß die Detektoren Signale entwickeln können, die die Röntgenstrahlen-Durchlässigkeitscharakteristiken entlang einer Vielzahl von Pfaden durch den untersuchten Gegenstand hindurch anzeigen. Analoge Signale, die die Röntgendämpfung durch alle Volumenelemente in einer Schicht des Körpers bei verschiedenen Drehwinkeln darstellen, werden dann in digitale Signale umgewandelt, die von einem Computer dazu verwendet werden, Signale zu erzeugen, die zur Steuerung einer Kathodenstrahlröhre verwendet werden, um ein rekonstruiertes Bild der Schicht aufzuzeigen. Mit der Röntgenstrahlenquelle ist ein Kollimator gekoppelt, der den Strahl in eine Pächerform mit einer Schichtdicke von üblicherweise etwa 1 cm formt. Die Grenzschichten haben einen geeigneten Divergenzwinkel, um sich über die Gesamtlänge des Detektors zu verteilen, aber vorzugsweise sollte keine Überlappung der Enden der Detektoranordnung bestehen. Es wird deutlich, daß in einer derartigen Anordnung der Strahl in der Ebene, in der sich der Patient befindet, genügend·divergent sein muß, damit alle Teile über einem Patienten innerhalb des Strahles liegen und damit ein Bild projiziert wird, das sich auf die entsprechenden Zellen in der Detektoranordnung verteilt. Die Algorithmen, für die der Computer zur Rekonstruktion des Bildes einer Körperschicht aus den digitalen Signalen programmiert ist, erzeugen genauere und bessere Ergebnisse, wenn alle Zellen in dem Detektor einen Teil des gedämpften Röntgenstrahles empfangen. Es können Anomalien erzeugt werden, wenn einige Zellen einen direkten ungedämpften Anteil des Röntgenstrahles empfangen oder wenn sie keine Röntgenstrahlung empfangen. Es ist deshalb für das Abtasten des Röntgenstrahles wünschenswert, das gesamte Feld des Detektors zu allen Zeiten zu überdecken.

809843/0790

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die verbesserte Abtastvorrichtung ein derart angebrachtes Gestell, daß es in Drehrichtung um eine Achse angetrieben wird, die gewöhnlich im wesentlichen horizontal angeordnet ist. Ein Schlitten ist auf dem Gestell auf der einen Seite der Drehachse angebracht, und auf dem Schlitten ist die Röntgenstrahlenquelle montiert. Der Schlitten kann mit einem Servomotor angetrieben werden, um die Einstellung der Quelle in der optimalen Entfernung von dem abgetasteten Körper .zu ermöglichen, bevor die Abtastung begonnen wird. Der Röntgenstrahlendetektor befindet sich ebenfalls auf einem Schlitten, der auf dem Gestell angebracht ist. Der Detektorschlitten ist ebenfalls mit einem Servomotor gekoppelt, der einen Antrieb des Detektors in radialer Richtung relativ zum Körper gestattet. Die Quelle und der Detektor werden einheitlich eingestellt derart, daß ein konstanter Abstand zwischen dem Brennpunkt der Röntgenstrahlenquelle und dem Detektor eingehalten ist, aber der Abstand zwischen dem Brennpunkt und dem Körper kann dadurch variiert werden, so daß eine Schicht in dem Körper von irgendeiner Breite zwischen den Rand bzw. Grenzstrahlen des divergierenden Röntgenstrahles an einer solchen Stelle relativ zur Quelle angeordnet werden kann, daß das gesamte Detektorfeld durch das projizierte Bild überdeckt ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figuren 1 und 2 sind Darstellungen, die zur Erläuterung der Grundgedanken der Erfindung nützlich sind.

Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht von einem typischen Computer-Tomographie-Röntgenstrahlenabtaster, bei dem die Erfindung verwendet werden kann.

Figur 4 ist eine Vorderansicht der Abtastvorrichtung, wobei die Front des Gehäuses teilweise weggebrochen ist, um die Röntgenstrahlenquelle und den Detektor auf ihrem Drehgestell zu zeigen.

809843/0790

Figur 5 ist eine Draufsich auf die in Figur 4 gezeigte Vorrichtung.

Zunächst werden anhand der Figuren 1 und 2 die Grundgedanken der Erfindung erläutert. In Figur 1 ist die Röntgenstrahlung insgesamt mit der Bezugszahl 10 versehen. Der Detektor ist mit der Bezugszahl 11 bezeichnet. Die Quelle umfaßt ein Gehäuse, das schematisch durch den Halbkreis mit der Bezugszahl 12 dargestellt ist. In dem Gehäuse befindet sich eine durchdringende Strahlungsquelle j wie beispielsweise eine Röntgenröhre 13. Der Brennpunkt der Röntgenröhre ist mit 14 bezeichnet. Der Brennpunkt hat eine endliche Größe, aber er kann als eine Punktquelle behandelt werden. Ein Kollimator 15 ist mit dem Gehäuse der Röntgenröhre gekoppelt und weist Platten auf, die beispielsweise bei 16 gezeigt sind, deren Ränder 17 und 18 die Grenz- bzw. Randstrahlen 19 und 20 des Röntgensträhles festlegen. Somit divergiert der Röntgenstrahl von dem Brennpunkt 14 aus und kann als fächerförmig bezeichnet werden. Der Kollimator weist ferner nicht gezeigte Platten auf, die in zur Zeichenebene parallelen Ebenen im Abstand zueinander angeordnet sind, so daß der fächerförmige Strahl zu einer dünnen Schicht geformt wird. Diese Schicht hat üblicherweise eine Dicke von etwa 1 cm in der Richtung senkrecht zu der Ebene des divergierenden Strahles.

Die Detektoranordnung 11 umfaßt ein Gehäuse 25, das in diesem Ausführungsbeispiel als mit einem Hochdruckgas gefüllt betrachtet werden kann, welches Ionen- und Elektronenpaare erzeugt, wenn Röntgenphotonen hindurchtreten. Die Front des Detektors weist ein dünnes, für Röntgenstrahlen durchlässiges Fenster 26 auf. Hinter dem Fenster befindet sich eine Anordnung von die Röntgenstrahlen abtastenden Zellen 27. Die Zellen werden durch im Abstand angeordnete Metallplatten gebildet, die elektrisch voneinander isoliert sind und die jeweils als eine Ionisierungskammer dienen, um analoge elektrische Signale zu erzeugen, deren Größe der Intensität der Photonen in dem Röntgenstrahl entsprechen, die in die entsprechenden Zellen eindringen. Bekanntlich werden bei der Computer-Tomographie die analogen Signale

809843/0790

in entsprechende digitale Signale umgewandelt, und diese digitalen Signale werden einem nicht-gezeigten Computer zugeführt, der durch einen Algorithmus geregelt wird, um Signale zu erzeugen, die zur Speisung eines Fernsehmonitors verwendet werden können, der das rekonstruierte Bild wiedergibt.

Wie weiterhin aus Figur 1 hervorgeht, sind die Röntgenstrahlenquelle 10 und die Detektoranordnung 11 derart angebracht, daß sie zusammen um einen Körper 28 kreisen, der durch die Röntgenstrahlen untersucht wird. Üblicherweise sind die Umläufe der Quelle und der Detektoranordnung kreisförmig und konzentrisch. Wenn die Quelle und der eine Vielzahl von Zellen umfassende Detektor den Körper umkreisen oder diesen abtasten, werden die Röntgenstrahlen-Dämpfungsdaten durch den Detektor 11 gesammelt, und diese analogen Daten werden dann in digitale Daten umgewandelt, die durch den Computer in. der Weise verarbeitet werden, daß die Dämpfung von kleinen Volumenelementen in dem Körper ermittelt werden kann. Die durch den Computer erzeugten Signale, die die Dämpfung durch die verschieden angeordneten Volumenelemente in dem Körper darstellen, speisen einen tfasterweise abgetasteten Fernsehmonitor, so daß das Röntgenbild über die Körperschicht, die von dem dünnen fächerförmigen Strahl durchdrungen worden ist, sichtbar gemacht werden kann. Bei einem typischen Abtaster der Computer-Tomographie werden Röntgenstrahlen-Dämpfungsdaten für eine Körperschicht dadurch erhalten, daß die Quelle und der Detektor über 36O⁰ in der einen Richtung umlauf en_; und dann der Körper in Längsrichtung zur nächsten Schicht indexiert wird, woraufhin die Quelle und der Detektor 36O in der anderen Richtung umlaufen.

Wie in Figur 1 gezeigt ist, ist der Körper 28 in einer derartigen Höhe gelagert, daß die Drehachse 29 der Quelle und des Detektors durch den Körper hindurchführt. Die Achse 29 verläuft senkrecht zu der Ebene der Figur 1.

809843/0790

Aus Figur 1 ist ferner ersichtlich, daß bei der gezeigten Relation von Röntgenstrahlenquelle.. Detektor und Körper letzterer sich zwischen den Randstrahlen 19 und 20 des divergierenden Röntgenstrahles befindet, und das volle Feld oder die Länge der gekrümmten, zahlreiche Zellen umfassenden Detektoranordnung empfängt Röntgenstrahlen, was zur Erzeugung von Dämpfungsdaten führt. Dies gilt für die volle Breite des Körpers, aber wenn der Körper längs der Achse 29 vorgeschoben wird zum Abtasten von Schichten in dem Kopf 30, so gilt dies nicht. In diesem Falle werden nur zwischen die Strahlen 31 und 32 fallende Strahlen durch den Kopf gedämpft, und Daten für das Bild werden nur in den DetektorzeIlen in dem Bogen dazwischen erzeugt, wo die Strahlen 27 zwischen den Strahlen 31 und 32 empfangen werden. Somit füllt bei Fehlen irgendwelcher anderen Mittel zum elektronischen Ausdehnen des Bildes die Schicht des Körpers den Monitorschirm nicht gleichmäßig aus, so daß das Auflösungsvermögen von Einzelheiten in dem Bild der Schicht verkleinert ist im Vergleich zu dem Fall, daß das Bild über den gesamten Schirm verteilt ist. Wie bereits ausgeführt wurde, bestehen mehrere Nachteile für diese Situation. Der eine ist, daß der Computer-Algorithmus nicht richtig ausgenutzt ist, da mehr Datenpunkte für den Kopf oder irgendeinen anderen schmalen Körperabschnitt erhalten werden könnten als sie tatsächlich erhalten werden, wenn der Kopf in der Weise relativ zur Quelle und dem Detektor angeordnet ist, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Weiterhin werden Daten, die aus dem ungedämpften Strahl in den Winkeln zwischen dem Randstrahl 19 und dem Strahl 31 und dem Randstrahl 20 und dem Strahl 32 resultieren, trotzdem durch die gegenüberliegenden Endbereiche der gekrümmten Anordnung der Detektorzellen aufgefangen. Dies erzeugt einen scharfen übergang in den Datenwerten an der Grenzfläche des Strahles und den Seiten des Kopfes, der den Computer-Algorithmus nachteilig beeinflußt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Röntgenstrahlenquelle 10 und die Detektoranordnung 11 so aufgebaut und angeordnet, daß sie gemeinsam auf den Körper zu und von diesem weg bewegt werden, so daß geometrische Relationen erhalten werden können,

809843/0790

die zur Folge haben, daß alle Zellen in der Detektoranordnung unabhängig von der Breite der abgetasteten Körperschicht verwendet werden. Diese Relation ist in Figur 2 gezeigt.

In Figur 2 befinden sich die Quelle 10 und demzufolge der Brennpunkt 14 sowie der Detektor 11 im gleichen Abstand zueinander wie in Figur 1. Der Körper ist ebenfalls auf der gleichen Höhe gehalten, wobei er längs der Achse 29 verläuft. Die Divergenz zwischen den Randstrahlen 19 und 20 ist selbstverständlxch die gleiche wie in Figur 1, da die Breite des fächerförmigen Strahles durch den Kollimator 15 bestimmt wird. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß für eine Röntgenabbildung einer schmalen Schicht im Körper, wie beispielsweise dem Kopf 30, die Grenzen der Schicht sich innerhalb der Randstrahlen 19 und 20 befinden, und in diesem Falle empfängt die volle Länge der zahlreiche Zellen umfassenden Anordnung 27 in der Detektoranordnung 11 eine gedämpfte Röntgenstrahlung. Der Computer spricht hierauf durch Erzeugung von Ausgangsdaten an, die zur Folge haben, daß das Bild der Kopfschicht über den gesamten Bildschirm des Monitors verteilt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Figuren 3 bis 5 erläutert.

Figur 3 zeigt eine typische Einrichtung eines Abtasters und der Lagerung des Patienten zur Durchführung der Computer-Tomographie. Sie umfaßt ein auf dem Fußboden angebrachtes Gestell 35, in dem sich ein Bettschlitten 36 befindet. Ein gewölbter Tisch 37 ist in der Weise angebracht, daß er unter Krafteinwirkung verschoben oder in Längsrichtung indexiert wird. Der Tisch 37 ist vorzugsweise aus einem festen Kunststoff hergestellt, der die Röntgenstrahlung nicht wesentlich dämpft. Das verschiebbare Tischoberteil 37 ermöglicht eine Lagerung des Patienten in der gezeigten auskragenden Weise. Somit ragt der Patient durch ein Loch 38 in einem sogenannten Portal 39 hindurch. Das Portal vielst eine Hülle oder ein Gehäuse HO auf. Es hat einen nach vorne ragenden Rand 4l, der an dem Gehäuse befestigt ist. Eine deko-

809843/0790

rative Ringabschirmung 42 aus Kunststoff bildet die Öffnung 38, durch die der Patient hindurctvragt. Die Längsachse, die der Achse 29 in den Figuren 1 und 2 entspricht, verläuft in Längsrichtung des untersuchten Patienten 43. Der Abtastmechanismus, der sich in dem Gehäuse 40 befindet und der für die vorliegende Erfindung wesentlich ist, ist besser aus den Figuren 4 und 5 ersichtlich. Gemäß Figur 4 umfaßt die Abtastvorrichtung eine ebene kreisförmige Platte 45, die aufrecht steht und durch zwei Schenkel 46 und 47 gehaltert ist, die Flansche 48 bzw. 49 aufweisen, um durch Bolzen an der Platte befestigt zu werden. Auf der abgekehrten Seite 45 ist einer der Teile 50 eines Drehgestelles oder Rahmens sichtbar. In der Platte 45 ist ein großes ringförmiges Kugellager 51 angebracht und in Figur 4 in gestrichelten Linien dargestellt. Das Kugellager umgibt die große Kreisöffnung 38, durch die der Patient hindurchragt. Der sich drehende Rahmen, der von den Teilen 50 gebildet wird, ist auf einem Lager 51 drehbar. Der Motor zum Drehantrieb des Rahmens ist nicht gezeigt.

Die Röntgeristrahlenquelle 10 und der Detektor 11 sind auf dem sich drehenden Rahmen oder dem Gestell angebracht, um sich zusammen selektiv in entgegengesetzten Richtungen und mit einem konstanten Abstand zueinander zu bewegen, um die anhand der Figuren 1 und 2 erläuterten Zwecke zu erzielen. Von der Röntgenstrahlenquelle sind das Gehäuse 12 und die sich darin befindliche Röntgenröhre auf einem Gestell 55 angebracht, wie es aus den Figuren 4 und 5 ersichtlich ist. Das Gestell 55 weist daran befestigte Schwalbenschwänze 56 und 57 auf, die sich in vertikaler Richtung mit dem Gestell zusammen mit Führungsmitteln in der Form von Schwalbenschwanzblöcken 58 und 58' bewegen können, die an dem sich um die Achse 29 drehenden Gestell befestigt sind. Die Kollimatoranordnung 15 projiziert vertikal zxvischen die Schwalbenschwanzführungen, so daß der fächerförmige Röntgenstrahl in Richtung auf die Detektoranordnung 11 projiziert werden kann. Eine Zahnstange ist schematisch in der Weise gezeigt, daß sie an dem Tragegestell 55 für das Gehäuse der Röntgenröhre befestigt ist. Die Zahnstange steht mit einem Ritzel 60 in

809843/0790

Eingriff das durch einen Servomotor 61 angetrieben wird. Die Antriebsanordnung soll nur eine symbolhafte Darstellung für eine in definierten Schritten vorwärts bewegende Einrichtung sein, was vorzugsweise durch einen Servo-Schrittmotor 61 erfolgt. Wie bereits ausgeführt wurde, wird die Position der Röntgenstrahlenquelle selbstverständlich nur eingestellt, bevor eine Abtastung eingeleitet wird, und wenn eine Körperschicht zur Abtastung eingestellt wird, deren Breite im wesentlich tangential zu und zwischen die Grenzstrahlen 19 und 20 des Elektronenstrahles passen soll.

Die Detektoranordnung ist ebenfalls schematisch in Figur 4 in der Weise dargestellt, daß sie auf dem rotierenden Gestell befestigt ist. Die Halterung zur "Verschiebung des Detektors umfaßt zwei Schwalbenschwänze 65 und 66, die an dem rotierenden Gestell befestigt sind. Sie arbeiten mit Teilen 67 und 68, die in den Schwalbenschwänzen gleiten, zusammen und unterstützen eine Platte 69, auf der die Detektoranordnung und ein nicht gezeigtes Datensammelsystem gehaltert sind. Der Antriebsmechanismus ist als Beispiel durch eine Zahnstange 70 dargestellt, die effektiv an der Platte 69 befestigt ist und Teil des Schlittens für die Detektoranordnung ist. Die Zahnstange 70 steht mit einem Ritzel 71 auf der Welle eines Servomotors 72 in Eingriff. Der Servomotor ist steuerbar, um den Detektorschlitten in Schritten entsprechend der Schrittzahl und Richtung zu bewegen, in der die Röntgenquelle bewegt wird, so daß sich die Quelle und der Detektor immer im gleichen Abstand zueinander befinden unabhängig von ihrer Relation zu der Lage eines Patienten, der in der Kreisöffnung 38 angeordnet ist.

Das Steuer- bzw. das Regelsystem für den Servomotor ist nicht gezeigt, aber es kann vom Fachmann ohne weiteres aufgebaut werden. Eine wesentliche Eigenschaft des Systems ist, daß es die Röntgenquelle und den Röntgendetektor so steuern sollte, daß diese sich synchron bewegen, während der Abstand zwischen ihnen konstant gehalten ist, so daß der Röntgenstrahl über die gesamte Spanne der Detektorzellen divergiert.

809843/0790

Die Röntgenquelle 10 mit ihrem Kollimator und die diametral gegenüberliegende Detektoranordnung 11 können mechanisch so miteinander verbunden sein, daß ein Servomotor die Quelle oder den Detektor antreiben würde und das andere Teil, d. h. der Detektor oder die Quelle, sich notwendigerweise ein gleiches Stück bewegen würde, um dadurch einen konstanten Abstand zwischen beiden Teilen beizubehalten.

809843/0790

Claims

General Electric Company Ansprüche

1.) Vorrichtung zum Untersuchen einer Schicht in einem Körper ^ mit Röntgenstrahlung, gekennzeichnet durch um eine Achse drehbare Mittel, auf der ein Untersuchungskörper angeordnet ist, eine im wesentlichen punktförmige Quelle (10) zum Projizieren eines fächerförmigen RöntgenstrahleSj der mit der Schicht zusammenfällt und Randstrahlen 0-9} 20) aufweist, die von der Punktquelle unter einem festen Winkel in die Ebene der Schicht divergieren, eine im allgemeinen auf dem Umfang verteilte Anordnung von Röntgende tektoren (11) auf der der Quelle (10) gegenüberliegenden Seite der Achse, die über dem divergierenden Strahl angeordnet sind zum Abtasten der Strahlung zwischen den Randstrahlen, nachdem die Strahlung die Achse überschritten hat, und durch Mittel zum Befestigen der Quelle und der Detektoranordnung auf den drehbaren Mitteln für einen gemeinsamen Umlauf um die Achse und durch Mittel zum Verschieben der Quelle und der Detektoranordnung gemeinsam in der Ebene der Schicht derart, daß eine Schicht unabhängig von ihrer Breite im wesentlichen tangential zu den Randstrahlen angeordnet werden kann, so daß die Projektion der Schicht im wesentlichen die gesamte Anordnung der Detektoren überdeckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zum gemeinsamen Verschieben der Quelle und der Detektoranordnung einen reversierenden Motor und Mittel zum Koppeln des Motors mit der Detektoranordnung und der Quelle umfassen, so daß bei jeder Motordrehrichtung die Quelle und die Detektoranordnung gleichzeitig in der gleichen Richtung verschiebbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum gemeinsamen Verschieben der Quelle und der Detektoranordnung erste und zweite

809843/0 790

reversible, synchron betätigbare Motoren, Mittel zum Koppeln des ersten Motors mit der Röntgenquelle und Mittel zum Koppeln des zweiten Motors mit der Detektoranordnung umfassen.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet , daß die Detektoren ohne Abstand zueinander und auf einem Bogen mit Radien angeordnet sind, die im allgemeinen in Richtung der punktförmigen Röntgenquelle konvergieren.

8Ü98A3/0790