DE2819237A1

DE2819237A1 - Anordnung zur ermittlung der absorption in einem dreidimensionalen untersuchungsbereich

Info

Publication number: DE2819237A1
Application number: DE19782819237
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Kowalski
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1978-05-02
Filing date: 1978-05-02
Publication date: 1979-11-15
Also published as: SE7903773L; FR2425083A1; JPS54146588A; NL7903287A; GB2026277A; DE2819237C2; FR2425083B1; US4309615A; BE875973A; JPS632607B2; GB2026277B; CA1126418A

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, STEINDAMM 94, 2000 HAMBURG 1

Anordnung zur Ermittlung der Absorption in einem dreidimensionalen Untersuchungsbereich

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der Absorption einer Strahlung, z.B. Röntgenstrahlung, in einem dreidimensionalen Untersuchungsbereich, der aus verschiedenen in einer Ebene liegenden Positionen, an denen sich Strahlenquellen befinden, durchstrahlt wird, deren Strahlung auf Detektoren auftrifft, die jenseits des Untersuchungsbereiches angeordnet sind, und die einen Satz von die Absorption der Strahlung beschreibenden Ausgangssignalen liefern, aus denen

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die Absorptionsverteilung rekonstruierbar ist.

Eine derartige Anordnung ist 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. Sie ist zur Rekonstruktion einer Absorptionsverteilung in einem dreidimensionalen Untersuchungsbereich bestimmt, der aus einer Vielzahl von in einer Ebene angeordneten Positionen durchstrahlt wird. Aus den dabei gewonnenen Sätzen von AusgangsSignalen der Detektoranordnung wird dann die dreidimensionale Absorptionsverteilung rekonstruiert. Die Detektoranordnung ist hierbei zweidimensional ausgebildet und derart angeordnet, daß auch die Intensitätsverteilung in Richtung senkrecht zu der Ebene, in der sich die Positonen befinden und aus denen der Untersuchungsbereich durchstrahlt wird, gemessen werden kann. Bei der Ermittlung der dreidimensionalen Absorptionsverteilung ergeben sich jedoch Schwierigkeiten bei der Rekonstruktion, wenn der Öffnungswinkel des Strahlenbündels in Richtung senkrecht zu der erwähnten Ebene zu groß ist.

In diesem Fall gibt es verschiedene Bereiche im Untersuchungsbereich (Körper), die unterschiedlich stark von Strahlung durchsetzt werden. Über Strukturen, die in einem schwach durchstrahlten Bereich liegen, erhält man somit relativ wenig Information. Treten dabei auch noch Meßfehler auf, wird die Rekonstruktion nachhaltig verfälscht. PHD 78-047 - 5 -

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Es sind ferner bereits Geräte für die sog. Computer-Tomographie bekannt, bei denen die Absorptionsverteilung in einer (zweidimensionalen) Ebene rekonstruiert wird (DE-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.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Ermittlung PHD 78-047 - 6 -

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der Absorptionsverteilung in einem dreidimensionalen Untersuchungsbereich zu schaffen, bei der die Schwierigkeiten bei der Rekonstruktion aufgrund unterschiedlich stark durchstrahlter Bereiche des Untersuchungsbereichs vermindert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in einer ersten Ebene und in wenigstens einer im Abstand sowie parallel zur ersten Ebene liegenden weiteren Ebene, durch die eine Rotationsachse senkrecht hindurchläuft, jeweils eine aus einzelnen benachbarten Detektoren bestehende Detektorreihe angeordnet ist,daß die Strahlenquellen zwischen den beiden Ebenen in einer die Rotationsachse enthaltenden Strahlenquellenebene liegen und in Richtung der Rotationsachse gegeneinander versetzt sind und daß die Strahlenquellen um die Rotationsachse drehbar angeordnet sind.

Hierdurch wird erreicht, daß der Untersuchungsbereich bzw. ein in ihm liegender Körper weitgehend homogen durchstrahlt wird, so daß jeder Punkt innerhalb des Untersuchungsbereichs von einem Strahlenbündel erfaßt wird.

Durch diese homogene Durchstrahlung wird erreicht, daß die Informationsmenge, die über die Absorption eines Punktes

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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 Raum (z.B. ein Zylinder mit ebenen Abschlußflächen) ist. Der Körper kann somit bei der Rekonstruktion durch ein Zylinderkoordinatensystem beschrieben werden.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Halterung, an der ein um eine zu zwei Ebenen senkrecht verlaufende Rotationsachse drehbarer Träger angebracht ist, an dem zwei in Drehrichtung zueinander versetzte, als Strahlenquellenreihen ausgebildete Strahlenquellen befestigt sind, die innerhalb der Ebenen in Längsrichtung der Rotationsachse verlaufen und deren Länge durch die Ebenen begrenzt ist, daß an der Halterung zwei in gleicher Weise ausgebildete, von jeweils einer Strahlenquelle bestrahlte Detektorringe befestigt sind, durch deren Mittelpunkte die Rotationsachse hindurchläuft und von denen je einer in einer der Ebenen liegt, und daß die Strahlenquellen innerhalb der Detektorringe liegen.

Hierdurch wird erreicht, daß statt zweidimensionaler Detektoranordnungen lediglich eindimensionale,u.a. kostengünstigere Detektorringe verwendet werden können.

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In der deutschen Patentanmeldung P 27 26 635.9 wurde bereits eine derartige Anordnung vorgeschlagen, bei der die Detektoranordnung (zweidimensional Feld von Detektoren) 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 bei der der Untersuchungsbereich zusätzlich aus einer Vielzahl von in der zweiten Ebene liegenden Positionen durchstrahlt wird.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigen

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

Fig. 2 die geometrische Konfiguration bei der bekannten Anordnung in einer zur ersten Ebene senkrechten Ebene,

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

Fig. 4 die geometrische Konfiguration bei der Erfindung senkrecht zu den beiden Ebenen,

Fig. 5 verschiedene Geometrien der Strahlenquellenreihen,

Fig. 6 die Seitenansicht einer schematisch dargestellten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 7 diese Ausführungsform in der Vorderansicht.

In Fig. 1, die die geometrische Konfiguration bei der bekannten PHD 78-047 - 9 -

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Anordnung in perspektivischer Darstellung zeigt, ist mit 1 ein Kreis 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 Strahlenquellen (Röntgenröhren) erzeugt, die 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 ein in der Position 1c einer nicht näher dargestellten Strahlenquelle ausgeblendetes Strahlenbündel mit 4c bezeichnet. Es hat die Form einer Pyramide, und die Ebene, in der der Kreis 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 Kreises 1 gekrümmt und erstreckt sich senkrecht zu der den Kreis 1 enthaltenden Ebene.

Fig. 2 zeigt die geometrische Konfiguration in einer zum Kreis 1 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 dis in

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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 5, werden nur in einer Position der Sxraülenquelle (N) erfaßt, in diesem Fall in der Position 1g. Die anderen in den anderen Positionen ausgeblendeten Strahlenbündel berühren diesen Punkt 5 nicht. Objektdetails, die hier liegen, können die Rekonstruktion erheblich erschweren, da nur wenig Information über sie gemssen wird. Treten dabei auch noch Meßfehler z.B. aufgrund nichtidentischer Detektoren in der zweidimensionalen Detektoranordnung 3 auf, dann wird die Rekonstruktion nachhaltig verfälscht.

In Fig. 3 und 4 sind die geometrischen Verhältnisse bei einer Anordnung nach der Erfindung skizziert. Anstelle eines Kreises sind dabei zwei in zueinander parallelen Ebenen 6', 7' liegende gleich große Kreise 6, 7 vorgesehen, die entlang ihrer Mittelpunktachse 8 (Rotationsachse) senkrecht gegeneinander versetzt sind. Auf diesen Kreisen 6, 7 sind einzelne Detektoren D enthaltene Detektorreihen angeordnet, von denen nur jeweils acht Detektoren D mit Detektorpositionen 6a bis 6h, 7a bis 7h dargestellt sind. Im allgemeinen sind jedoch wesentlich mehr Detektoren D, etwa 50 bis 2000, auf jeweils einem Kreis 6, 7 angeordnet,so daß teilkreis- oder kreisförmige

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Detektorringe R (Fig. 5, 6) entstehen. Auf einer gedachten, die Kreise 6, 7 verbindenden·Zylindermantelfläche 9 (nur teilweise eingezeichnet) befindet sich eine aus einzelnen Strahlenquellen 10 bestehende Strahlenquellenreihe 11, die parallel zur Mittelpunktachse 8 verläuft. Der Übersicht wegen ist nur eine Strahlenquellenreihe 11 eingezeichnet. Natürlich kann die ZylindermantelfMche 9 mit einer Vielzahl parallel liegender Strahlenquellenreihen 11 bedeckt sein. Eine Strahlenquellenreihe 11 kann selbstverständlich auch um die Mittelpunktachse 8 gedreht werden, so daß die einzelnen Strahlenquellen 10 nacheinander verschiedene Strahlenquellenpositionen auf der Zylindermantelfläche 9 einnehmen können. Es ist selbstverständlich auch möglich, eine einzelne Strahlenquelle 10 auf der Zylindermantelfläche 9 in Richtung der Mittelpunktachse 8 zu verschieben, so daß von ihr nacheinander die erforderlichen Strahlenquellenpositionen eingenommen werden. Die Strahlung der einzelnen, zeitlich nacheinander blitzbaren Strahlenquellen 10 ist so gerichtet, daß von einer Strahlenquellenreihe 11 nur jeweils ein Detektorring R bestrahlt wird. Dies wird durch geeignete Kollimatoren 12 (Fig. 7) erreicht. Die hierbei aus einer Strahlenquelle 10 austretende Strahlung trifft sodann auf eine Vielzahl benachbarter Detektoren D einer Detektorreihe R, z.B. auf die in Fig. 3 dargestellten Detektoren D.mit den Detektorpositionen 6b bis 6d. Der Übersicht wegen ist nur die Strahlung eingezeichnet, die auf den Detektor D mit der Position 6c trifft. Durch eine

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geeignete Kollimatoranordnung (nicht dargestellt) vor den Detektoren D und/oder den Strahlenquellen 10 kann zusätzlich erreicht werden, daß wenigstens einige wenige Strahlenquellen (Strahlenquellenpositionen) einer Strahlenquellenreihe 11 gleichzeitig strahlen dürfen, wobei die verschiedenen Strahlenbündel jedoch auf unterschiedliche Detektoren D einer Detektorreihe R fallen. In Fig. 4 sind einzelne Strahlenbündel (gestricheltbzwa^e zogen) dargestellt, die sich ergeben, wenn die den Körper 2 durchdringende Strahlung durch die Detektoren D mit den Positionen 6c und 7g gemessen wird. Die Strahlenquellenreihen und 11a sind hierbei in zwei verschienen, um 180° gedrehten Positionen gezeichnet und bestrahlen jeweils einen Detektorring R. Es ist deutlich zu erkennen, daß eine dicke Scheibe des Körpers 2 weitgehend homogen durchstrahlt wird, und daß nieder Punkt in dem Untersuchungsbereich, der sich als zwischen den Kreisen 6 und 7 liegender Zylinder mit ebenen Abschlußflächen definieren läßt, von Strahlung, erfaßt wird. Für eine Vielzahl von Richtungen, entsprechend der Anzahl der sich auf einem Kreis 6, 7 befindenden Detektoren D läßt sich ein derartiges um 180 gegeneinander versetztes Paar von Detektorpositionen 6c, 7g angeben.

Die Fig. 5 zeigt noch einmal die Position 6c eines Detektors D, der von einzelnen Strahlenquellen 10 einer Strahlenquellenreihe 11 bestrahlt wird. Es ist hierbei gleichgültig, ob die Strahlenquellenreihe 11 auf der Zylindermantelfläche 9

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liegt, oder sich auf einer- Projektion 9^!> 9" dieser Fläche befindet» Man erhält, in allen Fällen äquivalente Meßwerte. Ebenso ist eins Verlängerung der Strahlenquellenreihe 11, siehe z.Bo 11·, 11", ohne störenden Einfluß und gegebenenfalls sogar angebracht (siehe gestrichelter Bereich der Strahlenquellenreihen 11% 11") ,solange ein das Strahlenbündel begrenzender Meßstrahl 13 vor Eintritt in den zu untersuchenden Körper 2 die durch die Detektorringe 6 bzw. 7 definierten Ebenen 6¹ bzw. 7* durchstößt.

Es ist an sich nicht erforderlich, daß zu jeder Position auf dem einen Kreis 6 auf dem anderen Kreis 7 eine Position existiert, die genau um 180° in bezug auf die Mittelpunktachse 8 der Kreise 6,7 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 Kreis 6, 7 vorhanden sein müssen, ergeben sich daraus keine Verfals chungen.

Es ist auch nicht erforderlich, daß die Positionen über den gesamten Umfang der beiden Kreise 6, 7 verteilt sind, sondern es ist im allgemeinen hinreichend, wenn nur ein Teil eines Kreises 6, 7,der größer ist als ein Halbkreis, mit derartigen Positionen belegt ist, wenn sich dabei nur zu jeder Position auf dem einen Kreis eine dazu komplementäre, d.h. um etwa 180°

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versetzte Position auf dem anderen Kreis angeben läßt.

Es ist für den Erfindungsgedanken unerheblich, ob die Detektorringe R vollständig mit Detektoren D belegt werden, oder ob durch mechanische Bewegung wenige Detektoren D in die erforderliche Position bewegt werden. Ebenso ist es unerheblich, ob auf der Quellenfläche (Zylindermantelfläche 9) eine große Zahl von einzelnen Strahlenquellen 10 angeordnet ist, oder ob wenige Strahlenquellen 10 durch mechanische Bewegung von einer Vielzahl von Positionen strahlen.

Ein vernünftiger Kompromiß besteht darin, zwei Detektorringe R zu schaffen, die aus einzelnen benachbarten Detektoren D, z.B. Szintillatoren und Photodioden, bestehen. Die Strahlenquellenpositionen werden hierbei durch mechanische Bewegung der Strahlenquellenreihe 11 in Umfangsrichtung verändert, während die Ansteuerung der einzelnen Strahlenquellen 10 elektronisch vorgenommen wird.

In den Fig. 6 und 7 ist die Seitenansicht bzw. die Vorderansicht einer solchen Anordnung dargestellt. An einem Haltering 14 sind die beiden Detektorringe R, die in den Ebenen 6' und 7^f liegen, befestigt. Durch die Lager 15a bis 15d wird ein drehbarer Träger 16 gehalten, an dem mittels zweier Ausleger 17a und 17b Röntgenstrahlenquellen 18a und 18b angebracht sind. Vor den Röntgenstrahlenquellen 18a, 18b sind Kollimatoren 12 fest angeordnet, die die auf der Anode 21 erzeugte Röntgenstrahlung zu Strahlenbündel S (gestrichelt

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eingezeichnet) bündeln, derart, daß die Strahlung der Strahlenquelle 18a nur den in der Ebene 6¹ und die Strahlung der Strahlenquelle 18b nur den in der Ebene 7¹ liegenden Detektorring R trifft. Diese Kollimatoren 12 sind hierbei nötig, damit keine Röntgenstrahlung in den Körper 2 gestrahlt wird, die hinter ihm nicht zur Messung benutzt wird. Die Strahlenquellen 18a und 18b sind in gleicher Weise aufgebaut und bestehen aus einer Elektronenquelle 19, Ablenkspulen und einer stabförmigen Anode 21, auf der durch Auftreffen des Elektronenstrahls 22 Röntgenstrahlung erzeugt wird. Der Brennfleck wird durch geeignete Ablenkspannungen schnell auf der Anode 21 hin- und herbewegt, während die Strahlenquellen 18a, 18b sich mechanisch in Umfangsrichtung um den Körper 2 drehen. Durch die Überlagerung der mechanischen Bewegung mit der elektronischen Bewegung des Brennflecks der Röntgenstrahlenquellen 18a, 18b wird eine gleichmäßige Belegung der Zylindermantelfläche 9 mit StrahlenquellenposLtionen (Brennfleckpositionen) hervorgerufen.

In einer Modifizierung der Anordnung braucht nur jeweils ein Teil der beiden Detektorringe R verwendet zu werden, wenn dieses Teil fest mit der Strahlenquelle 18a, 18b rotiert, so daß es sich stets gegenüber der zugehörigen Strahlenquelle 18a, 18b befindet.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE?

1. Anordnung zur Ermittlung der Absorption einer Strahlung, z.B. Röntgenstrahlung_? in einem dreidimensionalen Untersuchungsbereich, der aus verschiedenen in einer Ebene liegenden Positionen, an denen sich Strahlenquellen befinden, durchstrahlt wird, deren Strahlung auf Detektoren auftrifft, die jenseits des Untersuchungsbereiches angeordnet sind, und die einen Satz von die Absorption der Strahlung beschreibenden Ausgangssignalen liefern, aus denen die Absorptionsverteilung rekonstruierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Ebene (6^f) und in wenigstens einer im Abstand sowie parallel zur ersten Ebene liegenden weiteren Ebene (7¹)» durch die eine Rotationsachse (8) senkrecht hindurchläuft, jeweils eine aus einzelnen benachbarten Detektoren (D) bestehende Detektorreihe angeordnet ist, daß die Strahlenquellen (10) zwischen den beiden äußeren Ebenen in einer die Rotationsachse enthaltenden Strahlenquellenebene liegen und in Richtung der Rotationsachse gegeneinander versetzt sind und daß die Strahlenquellen um die Rotationsachse versetzbar angeordnet sind.

Z. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorreihe als Detektorring (R) ausgebildet ist.

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3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet; durch eine Halterung (14), an der ein um eine zu zwei Ebenen (6^f, 7¹) senkrecht verlaufende Rotationsachse (8) drehbarer Träger (16) angebracht ist, an dem zwei in Drehrichtung zueinander versetzte, als Strahlenquellenreihen (11) ausgebildete Strahlenquellen (18a, 18b) befestigt sind, die innerhalb der Ebenen in Längsrichtung der Rotationsachse verlaufen und deren Länge durch die Ebenen begrenzt ist, daß an der Halterung zwei in gleicher Weise ausgebildete, von jeweils einer Strahlenquelle bestrahlte Detektorringe (R) befestigt sind, durch deren Mittelpunkte die Rotationsachse hindurchläuft und von denen je einer in einer der Ebenen liegt, und daß die Strahlenquellen innerhalb der Detektorringe liegen.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquellen (18a, 18b) mit Kollimatoren (12) zum Ausrichten der Strahlung auf jeweils einen Detektorring (R) versehen sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch Strahlenquellen (18a, 18b), deren Emissionspunkt durch Ablenkung eines Elektronenstrahls (22) entlang einer stabförmig ausgebildeten Anode (21) verschiebbar ist.

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