-
"Anordnung zur Ermittlung der Absorption einer durchdringen-
-
den Strahlung in einem ebenen Untersuchungsbereich" Die Erfindung
betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der Absorption einer durchdringenden Strahlung
in einem ebenen Untersuchungsbereich mit einer Vielzahl von auf einem ersten Kreisring
gleichmäßig verteilt angeordneten Strahlenquellen, die nacheinander einschaltbar
sind und einer Vielzahl von bei der Messung durch die Strahlung getroffenen Detektorelementen,
die gleichmäßig verteilt auf einem zweiten Kreisring angeordnet sind, der konzentrisch
zu dem ersten und in
derselben Ebene angeordnet ist und einen kleineren
Durchmesser hat wie der erste Kreisring nach Patent ...
-
(Patentanmeldung P 28 17 912).
-
Aus der DE-OS 26 11 706 ist bereits eine Anordnung zur Ermittlung
der Absorption einer durchdringenden Strahlung in einemSebenen Untersuchungsbereich
bekannt mit einer Vielzahl von auf einem ersten Kreisring gleichmäßig verteilt angeordneten
Strahlenquellen, die nacheinander einschaltbar sind und einer Vielzahl von auf einem
zweiten zum ersten Kreisring konzentrischen Kreisring gleichmäßig verteilt angeordneten
Detektorelementen. Dabei ist der Durchmesser des ersten Kreisrings, auf dem die
Strahlenquellen angeordnet sind, kleiner als der Durchmesser des zweiten Kreisrings.
Um zu vermeiden, daß eine Strahlenquelle die von einer gegenüberliegenden Strahlenquelle
emittierte Strahlung absorbiert, müssen die Detektorelemente einerseits und die
Strahlenquellen andererseits in verschiedenen zur Untersuchungsebene parallelen
Ebenen angeordnet sein. Daraus ergeben sich bei der Rekonstruktion Fehler.
-
Man könnte die Strahlenquellen einerseits und die Detektorelemente
andererseits zwar auf in der Untersuchungsebene liegenden Halbkreisen anordnen,
doch erguben sich auch dann Rekonstruktionsfehler, weil zur fehlerfreien Rekonstruktion
der Untersuchungsbereich um mindestens den Öffnungswinkel des von einer Strahlenquelle
ausgeblendeten fächerförmigen Strahlenbündels größer sein muß als 1800.
-
Die Anordnung gemäß dem Hauptpatent vermeidet diese Rekonstruktionsfehler,
weil die Detektorelemente einerseits und die Strahlenquellen andererseits dabei
in derselben Ebene (der Untersuchungsebene)angeordnet sind, und zwar auf jeweils
einem Vollkreis, so daß eine Bestrahlung des Untersuchungsbereiches aus einem Winkelbereich,
der um den Öffnungswinkel des fächerförmigen Strahlenbündels größer ist als 1800,
ohne weiteres möglich ist.
-
Die vorliegende Erfindung bezweckt eine weitere Ausgestaltung der
Anordnung nach dem Hauptpatent.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die gegen Lichteinfall
abgeschirmten Detektorelemente wenigstens je einen von der durchdringenden Strahlung
durchsetzten und diese nur schwach absorbierenden Lichtleiter und wenigstens je
einen Szintillatorkristall enthalten, und daß der Lichtleiter und der Szintillatorkristall
in Richtung senkrecht zur Ebene des Untersuchungsbereichs aufeinander folgen und
aneinander angrenzen.
-
Während bei allen bisher bekannten Anordnungen für die Computertomographie
jedes Detektorelement in Richtung senkrecht zum ebenen Untersuchungsbereich homogen
aufgebaut ist, ist dies bei der Erfindung nicht mehr der Fall. Die von einer Strahlenquelle
emittierte Strahlung durchsetzt also den bzw. die Lichtleiter eines Detektorelementes
(durch die Szintillationskristalle wird sie nicht durchgelassen), anschließend den
Untersuchungsbereich, um dann auf die Szintillatorkristalle der in bezug auf die
jeweils eingeschaltete Strahlenquelle jenseits des Untersuchungsbereichs angeordneten
Detektorelemente zu treffen, die für die Rekonstruktion der Absorptionsverteilung
erforderlichen Signale liefern. Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß der von
der Strahlung durchsetzte Bereich im untersuchten Körper keine Ebene im mathematischen
Sinne ist, sondern eine ebene Scheibe, die eine endliche Dicke hat. Die Lichtleiter
des Detektorelementes einerseits und die Szintillatorkristalle andererseits bilden
dazu ebenfalls jeweils parallele Scheiben.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Szintillatorkristalle
auf ihrer vom gemeinsamen Zentrum der Kreisringe abgewandten Seite gegen Strahlung
abgeschirmt sind.
-
Dadurch wird erreicht, daß die Szintillatorkristalle, die eine hohe
Nachweiswahrscheinlichkeit für die von den Strahlenquellen emittierte Strahlung
und daher eine hohe Absorption besitzen, nicht direkt von der von den Strahlenquellen
gelieferten Strahlung getroffen werden können. Dadurch ergibt sich in diesen abgeschirmten
Szintillatorkristallen kein Nachleuchten, das später die Meßergebnisse verfälschen
könnte.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Ausgangssignale
eines zwischen der jeweils eingeschalteten Strahlenquelle und dem Untersuchungsbereich
befindlichen Detektorelementes als Maß für die Intensität der auf das Untersuchungsobjekt
auftreffenden Strahlung dienen. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß in dem Lichtleiter
trotz seiner niedrigen Absorption Streustrahlung erzeugt wird, die den bzw. die
damit verbundenen Szintillatorkristalle erreicht und darin in Licht umgewandelt
wird. Die so ermittelte Intensität wird mit einem Faktor gewichtet, der sich umgekehrt
proportional zu der über alle Tilbereiche je eines Detektorelementes gemittelten
Nachweiswahrscheinlichkeit für Röntgenstrahlung verhält. Dieser Faktor wird für
jedes Detektorelement jeweils bezogen auf eine der Röntgenröhre durch Eichmessungen
ermittelt.
-
Bei der Messung der Absorptionsverteilung mit einer erfindungsgemäßen
Anordnung werden die Strahlenquellen nacheinander je einmal kurzzeitig eingeschaltet.
Die von ihnen emittierte Strahlung trifft dabei zuerst auf die vor ihnen angeordneten
Detektorelemente und wird zum Teil durch die vor den Szintillatorkristallen der
Detektorelemente angeordneten Abschirmungen absorbiert, zum Teil aber auch durch
die Lichtleiter durchgelassen. Der durchgelassene Teil der Strahlung durchsetzt
den Untersuchungsbereich bzw. den darin angeordneten zu untersuchenden Körper, wird
von
diesem geschwächt und von den auf der gegenüberliegenden Seite des zweiten Kreisrings
angeordneten Detektorelementen bzw. deren Szintillatorkristallen nachgewiesen. Die
Ausgangssignale dieser Detektorelemente repräsentieren die Intensität der (geschwächten)
Strahlung hinter dem Körper, während das Ausgangssignal wenigstens eines gegenüberliegenden
Detektorelementes, das direkt von der Röntgenstrahlung getroffen wird -wie oben
erläutert - , der Intensität der auf den Körper auftreffenden Strahlung entspricht.
Die Absorption der Strahlung durch den Körper ergibt sich aus dem Quotienten der
Intensität der Strahlung vor und hinter dem Körper.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt durch ein
Untersuchungsgerät in der Untersuchungsebene in schematischer Darstellung, Fig.
2 einen Querschnitt durch ein Detektorelement in einer zur Untersuchungsebene senkrechten
Ebene, Fig. 3und 4 jeweils einen Teil eines erfindungsgemäßen Untersuchungsgerätes
in einer zur Untersuchungsebene senkrechten Ebene.
-
In Fig. 1 ist mit 3 ein Gerätefuß bezeichnet, der einen Tragring 4
trägt. An dem Tragring 4 sind eine Vielzahl von auf einem Kreisring 5 angeordneten
Strahlenquellen befestigt. Eine dieser Strahlenquellen ist in der Zeichnung schematisch
angedeutet und mit 7 bezeichnet. Seine Randstrahlen sind mit 9 und 10 bezeichnet,
während der durch das Zentrum 11 des Untersuchungsbereichs verlaufende Zentralstrahl
mit 8 bezeichnet ist. An dem Tragring 4 ist auf nicht näher dargestellte Weise ein
mit Detektorelementen besetzter Kreisring 6 befestigt, der konzentrisch zum Kreisring
5 angeordnet ist und einen kleineren Durchmesser hat wie dieser.
-
Die Strahlenquellen und die Detektorelemente liegen in derselben Ebene.
Zwischen dem Ring 5 mit den Detektorelementen und dem Ring 6 der Strahlenquellen
befindet sich eine ringförmige
Blende 12 aus strahlenabsorbierendem
Material, vorzugsweise Blei, das für jede Strahlenquelle eine Öffnung 13 enthält,
die so bemessen ist, daß das ausgeblendete Strahlenbündel in der Untersuchungsebene
den Untersuchungsbereich 2 gerade umfassen kann.
-
Der Ring 5 mit den Strahlenquellen hat einen im Vergleich zum Untersuchungsbereich
2 großen Durchmesser. Dieser erlaubt es, den Öffnungswinkel des Strahlenbündels
(d.h. den Winkel zwischen den Randstrahlen 9 und 10) auf 500 oder weniger zu beschränken.
Auch der Durchmesser des Detektorringes 5 ist wesentlich größer als der Durchmesser
des Untersuchungsbereichs 2, damit der Winkelbereich, unter dem die Strahlung auf
die gegenüberliegenden Detektoren trifft, möglichst klein gehalten wird und ebenso
die Streuung der Detektorempfindlichkeiten.
-
Fig. 2 zeigt eines der auf dem Kreisring 6 angeordneten Detektorelemente.
Es enthält zwei Szintillatorkristalle 61, z.B. aus Natriumjodid, die die Röntgenstrahlung
stark absorbieren und auf ihrer außen liegenden Seite, d.h. auf der Seite, die dem
gemeinsamen Zentrum der Kreisringe 5 und 6 abgewandt ist, mit einer Bleiabschirmung
63 versehen ist.
-
Die Bleiabschirmungen 63 aller auf dem Kreisbogen 6 angeordneter Detektorelemente
bilden je einen zur Untersuchungsebene parallelen Abschirmring, an dem die einzelnen
Detektorelemente befestigt sein können. Die Szintillatorkristalle 61 sind über einen
Lichtleiter 62 miteinander verbunden, der ungefähr denselben Querschnitt aufweist
wie die Szintillatorkristalle 61 und der Röntgenstrahlung nur schwach absorbiert
und z.B. aus Plexiglas bestehen kann. Der Lichtleiter 62 hat die Aufgabe, Licht
vom oberen Szintillatorkristall 61 zum unteren Kristall zu leiten, damit es über
einen weiteren Lichtleiter 64 in eine Lichtnachweisvorrichtung 65 gelangen kann.
Diese kann zu diesem Zweck beispielsweise eine Fotodiode, einen Fotomultiplier oder
einen Bildverstärker mit
einer aus Fotodioden bestehenden Anode
enthalten. Die dem elektrischen Anschluß der Lichtnachweisvorrichtungen dienenden
Zuleitungen sind nicht dargestellt.
-
Das von einer nicht näher dargestellten Strahlenquelle, z.B. einer
Röntgenröhre, emittierte Strahlenbündel 81 trifft auf das Detektorelement, wobei
sie zu einem Teil, der von den Abmessungen des Lichtleiters im Vergleich zu der
Bleiabschirmung bzw. dem Szintillationskristall abhängt, durch die Bleiabschirmung
63 vollständig absorbiert wird und den Szintillatorkristall 61 daher nicht anregt.
Der übrige Teil der Strahlung - in der Zeichnung schematisch durch die Wellenlinie
82 angedeutet - durchsetzt den Lichtleiter 62, anschließend den Untersuchungsbereich,
um dann auf der gegenüberliegenden Seite auf ein Detektorelement aufzutreffen.
-
Wird hingegen die Strahlung von einer jenseits des Zentrums 11 angeordneten
Strahlenquelle erzeugt, dann gelangt ein Teil dieser Strahlung durch den entsprechenden
Lichtleiter des vor dieser Strahlenquelle angeordneten Detektorelementes durch den
Untersuchungsbereich und trifft auf die nicht abgeschirmten Seiten der Szintillatorkristalle
61. Dieser durch die Wellenlinie 83 symbolisch angedeutete Teil der Strahlung wird
in den Szintillatorkristallen 61 daher in Licht umgewandelt, das über die Lichtleiter
64 und gegebenenfalls 62 der Lichtnachweisvorrichtung 65 zugeführt wird.
-
Obwohl bei dem in Fig. 2 dargestellten Detektorelement bei einem Einfall
der Strahlung von links, d.h. in Richtung der Wellenlinien 81, die Szintillatorkristalle
61 infolge der Bleiabschirmung 63 nicht direkt von der Strahlung getroffen werden
können, werden diese dadurch angeregt, daß in dem Lichtleiter 62 durch Compton-Effekte
Streustrahlung hervorgerufen wird, die mittels der Szintillatorkristalle 61
nachgewiesen
und über den Lichtleiter 64 bzw. 62 der Lichtnachweisvorrichtung 65 zugeführt wird.
Das auf diese Weise erzeugte Signal entspricht der Primärintensität, d.h. der Intensität
der Strahlung 81 vor dem Durchtritt durch den Untersuchungsbereich 2 (Fig. 1). Es
kann daher - mit einem Gewichtungsfaktor gewichtet, der sich umgekehrt proportional
zu der Empfindlichkeit des entsprechenden Detektorelementes für diese Streustrahlung
verhält - zur Berechnung der Absorption mit herangezogen werden.
-
Die Abmessungen der Bleiabschirmung 63 in Richtung senkrecht zur Untersuchungsebene
sind etwas größer als die der Szintillatorkristalle 61, so daß davon noch ein Teil
des Lichtleiters 62 bedeckt wird. Dadurch soll verhindert werden, daß unter einem
spitzen Winkel zur Untersuchungsebene (die in Fig. 2 horizontal liegen würde) von
links einfallende Strahlung einen Szintillatorkristall 61 direkt treffen kann.
-
In Fig. 3 sind die geometrischen Verhältnisse bei einer solchen Anordnung
erläutert. Dabei sind lediglich zwei gegenüberliegende Detektorelemente dargestellt,
die aus den Szintillatorkristallen 611 bzw. 612 und den Lichtleitern 621, 641 bzw.
622, 642 und der Lichtnachweisvorrichtung 651, 652 bestehen. Weiterhin ist zur Verdeutlichung
die Dicke der untersuchten Schichtebene im Vergleich zu dem Durchmesser dieser Schichtebene
bzw. zu den Abmessungen des untersuchten Körpers 20 viel zu groß dargestellt. Es
ist nur der Strahlengang einer links von der Detektoranordnung angeordneten Strahlenquelle
dargestellt, weil der Strahlengang einer diametral dazu entgegengesetzten Strahlenquelle
symmetrisch dazu verlaufen würde. Die Strahlenquelle selbst ist nicht gezeichnet.
Sie kann von bekannter Art sein.
-
Die Strahlung 81, die (von links) auf das Detektorelement 611, 621
trifft, wird zum Teil von den vor den Szintillatorkristallen
611
angeordneten Bleiabschirmungen 631 absorbiert, während der Rest 82 den Untersuchungsbereich
durchsetzt. Die Dicke der durchstrahlten Schichtebene wird durch zylinderförmige
Abschirmbleche 91 bestimmt, deren Abstand voneinander (d.h. in Richtung senkrecht
zur Schichtebene) den Abmessungen des Lichtleiters 621 (bzw. 622) in dieser Richtung
entspricht. Die Abschirmbleche verhindern, daß Strahlung, die die Untersuchungsebene
unter einem solchen Winkel zu dieser durchsetzt, daß sie an den gegenüberliegenden
Detektorelementen vorbei strahlen würde, die also zu den Detektorausgangssignalen
nichts beitragen würde, den Patienten erreicht.
-
Die Strahlenquelle, die in Fig. 3 nicht dargestellt ist, muß so ausgebildet
sein, daß das von ihr emittierte Strahlenbündel (das nicht nur parallel zur Schichtebene
verläuft) in Richtung senkrecht zur Schichtebene ebenfalls diese Abmessungen hat.
In der Zeichnung sind mit strichpunktierten Linien 821 bzw. 822 Grenzstrahlen gekennzeichnet.
Der Grenzstrahl 821 ergibt sich, wenn Strahlung an dem unteren Ende der oberen Bleiabschirmung
631 vorbei auf das obere Ende des unteren Szintillatorkristalls 612 trifft. Der
Grenzstrahl 822 ergibt sich entsprechend, wenn Strahlung an dem oberen Rand der
unteren Bleiabschirmung 631 vorbei auf den unteren Rand des oberen Szintillatorkristalls
612 trifft.
-
Die beiden Grenzstrahlen schließen miteinander einen schraffierten
Bereich ein, dessen Spitze etwa bis in das Zentrum des Untersuchungsbereichs reicht.
Dieser Bereich wird zwar von Strahlung durchsetzt, doch hat die Absorption der Strahlung
in diesem Bereich auf die von den Szintillatorkristallen 612 gelieferten Ausgangssignale
keinen Einfluß (allenfalls die in diesem Bereich erzeugte Streustrahlung wird von
den Szintillatorkristallen 612 registriert). Die Strahlungsver teilung ist hierbei
also verhältnismäßig inhomogen.
-
Die Amplitude der von den Detektorelementen 612 gelieferten Ausgangssignale
hängt außer von der Intensität der Primärstrahlung
von dem Verhältnis
der Abmessungen der Lichtleiter 621 bzw. 622 zu der Gesamtabmessung (in Richtung
senkrecht zur Schichtebene) der Szintillatorkristalle 611 bzw. 612 ab. Die günstigsten
Verhältnisse ergeben sich, wenn die Länge des Lichtleiters 621 in der Größenordnung
der Summe der Längen der Szintillatorkristalle 611 liegt.
-
Wenn z.B. die Abmessungen des Lichtleiters 621 auf Kosten der Abmessungen
der Szintillatorkristalle 611 vergrößert werden, dann passiert zwar ein größerer
Anteil der Strahlung 81 das Detektorelement 611, 621, jedoch wird dabei die Fläche
der Szintillatorkristalle 612 so verringert, daß das Ausgangssignal insgesamt kleiner
wird. Das gleiche ergibt sich, wenn die Abmessungen der Szintillatorkristalle 611
bzw 612 auf Kosten der Abmessungen des Lichtleiters 621 bzw. 622 vergrößert werden,
weil dann der Anteil der von dem Detektorelement 611, 621 durchgelassenen Strahlung
abnimmt. Dies könnte zwar dadurch ausgeglichen werden, daß die Intensität der Strahlung
81 vergrößert wird, doch würde das bedeuten, daß die spezifische Wärmebelastung
der als Strahlenquelle dienenden Röntgenröhre, d.h. die Leistung der Röntgenröhre
bezogen auf die Strahlung emittierende Fläche, zunehmen würde. Dies zeigt, daß die
Festlegung der Abmessungen der Szintillatorkristallbereiche einerseits und der Lichtleiterbereiche
andererseits Bn Kompromiß ist zwischen der Röntgennachweiswahrscheinlichkeit durch
das Detektorelement und der spezifischen Wärmebelastung der Anode der als Strahlenquelle
dienenden Röntgenröhre - was auch für alle anderen Ausführungsbeispiele gilt.
-
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist ein Detektorelement benutzt,
das ebenso wie das Detektorelement bei Fig. 3 symmetrisch bezüglich der Linie 13
angebaut ist und das im Zentrum einen Szintillatorkristall 611 enthält, der über
je einen Lichtleiter 621 mit zwei äußeren Szintillatorkristallbereichen 611 verbunden
ist, von denen jeder halb so groß ist wie der zentrale Szintillatorbereich. Die
Länge
der Szintillatorkristallbereiche 611 beträgt etwa 60 # der
Gesamtlänge des Detektorelementes. Es lassen sich auch hier wieder die von den Grenzstrahlen
eingeschlossenen schraffiert dargestellten Bereiche im Strahlengang erkennen, die
zwar von der Strahlung durchsetzt werden, die aber keinen Einfluß auf das Ausgangssignal
der Strahlennachweisvorrichtung 652 haben, wenn man davon absieht, daß die in diesem
Bereich erzeugte Streustrahlung sehr wohl zum Ausgangssignal beitragen kann. Dieser
nicht das Ausgangssignal beeinflussende Teil der Schichtebene ist aber im Vergleich
zu Fig. 3 wesentlich kleiner. Außerdem verengt sich das Strahlenbündel an der Stelle
85 geringfügig. Insgesamt ergibt sich dabei jedoch eine wesentlich homogener und
vollständigere Bestrahlung der Schicht als bei der Anordnung nach Fig. 3.Die Homogenität
und die Vollständigkeit der Durchstrahlung hängt dabei noch vom Durchmesser der
Abschirmblende 91 sowie dem Abstand zweier gegenüberliegender Detektorelemente,
d.h. von dem Durchmesser des Kreisringes 6 (Fig. 1) ab.
-
Je feiner die Unterteilung eines Detektorelementes in Szintillatorkristallbereiche
und Lichtleiterbereiche ist, desto homogener und vollständiger wird die Schichtebene
durchstrahlt. Es steigen dann jedoch auch die Herstellungskosten der Detektorelemente,
während andererseits die Lichtleitfähigkeit entlang der Längsachse eines Detektorelementes
abnimmt, weil an jeder Übergangsfläche zwischen einem Lichtleiter und einem Szintillatorkristall
gewisse Lichtverluste eintreten bedingt durch die in der Praxis etwas unterschiedlichen
Brechungsindizes der darin benutzten Materialien.
-
Aus diesem Grund stellt das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel
mit je vier Ubergangsflächen pro Detektorelement eine bevorzugte Ausführungsform
dar.
-
Für alle Ausführungsformen gilt jedoch allgemein, daß die Lichtleiterbereiche,
die die emittierte Strahlung stark bzw. wenig emittieren, etwa den gleichen Querschnitt
haben,
daß beide Bereiche in Richtung senkrecht zur Schichtebene
abwechselnd aneinander angrenzen und daß die Szintillatorkristallbereiche auf ihrer
Außenseite mit einer Bleiabschirmung versehen sind und daß jedes Detektorelement
über wenigstens eine für alle Bereiche gemeinsame Lichtnachweisvorrichtung 65 (bzw.
651, 652) verfügt, die oberhalb oder unterhalb der Ebene des Körpers, also außerhalb
des Strahlenbereiches, über Lichtleiter 64 (641, 642) mit den Bereichen 61 (611,
612) und 62 (621, 622) verbunden ist. Es können pro Detektorelement auch zwei Lichtnachweisvorrichtungen
benutzt werden, die beiderseits der durchstrahlten Schichtebene angeordnet sind
und mit dem Detektorelement über Lichtleiter gekoppelt sind und deren Ausgangssignale
addiert werden. Die Stirnflächen der Szintillatorkristall-und der Lichtleiter-Bereiche
können mit für diese Zwecke bekannten Klebemitteln miteinander verbunden sein und
alle Detektorelemente müssen lichtdicht abgeschirmt sein. Darüber hinaus können
mehrere auf dem Kreisring 6 benachbart angeordnete Detektorelemente und ihre Lichtnachweisvorrichtungen
zu einer Einheit zusammengefaßt und mit unterhalb der oberhalb des Strahlenbereichs
angeordneten Befestigungsvorrichtungen an dem äußeren Tragring 4 auf nicht näher
dargestellte Weise montiert sein.
-
Leerseite