DE2843936C2 - Computertomograph - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Computertomographen zur Ermittlung örtlicher Absorptionswerte in einer Ebene eines Körpers, der mit einem Strahler zum Erzeugen eines den Körper durchsetzenden Strahlungsbündels, mit einer Reihe von Detektoren, die das ganze Strahlenbündel umfaßt und die den Körper durchsetzende Strahlung in elektrische Meßwerte umsetzt, wobei jedem Detektor eine Verstärkerschaltung nachgeschaltet ist, mit einer Dreheinrichtung zum Drehen der Strahlenquelle und der Reihe der Detektoren um eine Rotationsachse zum Durchstrahlen der Ebene in einer Vielzahl von Richtungen, wobei jede Richtung in der Ebene liegt, mit einer Rechenanordnung zur Ermitt'ung der örtlichen Absorptionswerte in der Ebene aus den elektrischen Signalen, mit Mitteln zum Speichern der von den Detektoren erzeugten Meßwerte und der Absorptionswerte und mit Wiedergabemitteln zum Wiedergeben der Absorptionsverteilung.

Ein solcher Computertomograph ist im wesentlichen aus der US-PS 39 37 963 bekannt. Dabei besteht die Detektorreihe aus 150 bis 300 Detektoren, die nebeneinander auf einem Kreisbogen mit einem Radius von etwa 1 m angeordnet sind. Bei der Verwendung des Computertomographen müssen zwei Arten dynamischer Verhältnisse der Meßsignale unterschieden werden. Das Verhältnis zwischen dem größten und dem kleinsten Meßsignal, das ein einzelner Detektor mißt, ist ein erstes Verhältnis, das nachfolgend als individuelle Dynamik bezeichnet wird. Das Verhältnis zwischen dem größten und dem kleinsten Meßsignal, die bei einer Messung auftreten, ist ein zweites Verhältnis, das nachfolgend mit Reihendynamik bezeichnet wird. Diese Reihendynamik ergibt sich daraus, daß die von den verschiedenen Detektoren erfaßten Strahlen des Strahlenbündels im Körper unterschiedliche Weglängen durchlaufen und daher unterschiedlich geschwächt werden. Bei den Computertomographen, auf die sich die Erfindung bezieht, hat die individuelle Dynamik eine Größenordnung von 100 und die Reihendynamik eine Größenordnung von 10 000. Eine so große Reihendynamik ergibt Probleme bei der Verarbeitung der Meßsignale.

Ein bekanntes Verfahren zum Beschränken der Reihendynamik ist die Verwendung eines Dämpfungskörpers, der beispielsweise ein Wassersack sein kann, der um den zu untersuchenden Körper befestigt wird, gemäß der Beschreibung der US-PS 39 37 963. Dieser Wassersack löst das Dynamikproblem, ist jedoch für die Patienten, die mit dieser Anordnung untersucht werden, sowie auch für den Untersucher recht unbequem.

Der Dämpfungskörper kann auch ein sogenanntes Ausgleichsfilter sein, das zwischen dem Strahler und dem zu untersuchenden Körper angeordnet wird. Ein

derartiges AusgleichsfHter ist in der US-PS 39 37 963 beschrieben. Ein Ausgleichsfilter muß jedoch infolge des verfügbaren geringen Piatzraums klein sein und also aus einem Material mit einer hohen wirksamen Atomzahl hergestellt werden. Jedoch tritt dabei ortsabhängig eine Aufhärtung der Strahlung auf, wodurch eine Korrektur des Meßsignals erforderlich wird, die abhängig von der Position des zugeordneten Detektors ist Filter aus einem Material mit einer verhältnismäßig niedrigen Atomzahl haben den letztgenannten Nachteil nicht Jedoch liefert die Verwendung eines Ausgleichsfilters eine weitere Schwierigkeit da die Kalibrierung der Detektoren mit einem anderen Filter als dem Ausgleichsfilter durchgeführt werden muß. Jede geringe Ungenauigkeit in der Lage der hintereinander zu verwendenden Filter wird dabei korrelierte Meßwerte auslösen, die zu kreisförmigen Fehlern in der Abbildung des berechneten Absorpsitionsbildes führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Reihendynamik der Anordnung auf einfache Weise zu beschränken, so daß die Dämpfungskörper entfallen können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Reduzieren der Amplituden-Unterschiede zwischen von Detektoren im Randbereich einerseits ^2r> und in der Mitte andererseits gelieferten Signalen die Empfindlichkeit einer Verstärkerschaltung, die einem im Zentrum oder in der Nähe des Zentrums der Detektorreihe positionierten Detektor zugeordnet ist, größer ist als die Empfindlichkeit einer Verstärkend; altung, die einem Detektor am Rande oder in der Nähe des Randes der Detektorreihe nachgeschaltet ist. Dadurch, daß die Empfindlichkeit der Verstärkerschaltung von der Lage des zugeordneten Detektors in der Detektorreihe abhängt (von innen nach außen abneh- ^r' mend), wird die Reihendynamik derart herabgesetzt, daß die weitere Verarbeitung der Meßsignale wesentlich einfacher ist. Man bedient sich der Tatsache, daß die Strahlung, die von den Detektoren im Zentrum und in der Nähe des Zentrums detektiert wird, stärker gedämpft ist als die übrige Strahlung. Hierdurch können die Verstärkerschaltungen, die an die am Rande der Reihe liegenden Detektoren angeschlossen sind, weniger empfindlich sein als die übrigen Verstärkerschaltungen. ·»'

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Integrationskapazitäten, die zu einer ersten Detektorgruppe im Zentrum und in direkter Nähe des Zentrums der Reihe gehören, alle den gleichen Wert A: aufweisen und die zu zwei dritten jeweils am Rande der Reihe '"' liegenden Detektorgruppen gehörenden Integrationskapazitäten alle den gleichen Wert /aufweisen, und daß die zu zwei zweiten jeweils zwischen der ersten und einer dritten Detektorgruppe liegenden Detektorgruppen gehörenden Integrationskapazitäten von der ersten ⁵' Gruppe zu einer der dritten Gruppen hin einen vom Wert k bis zum Wert /nach einer geometrischen Reihe ansteigenden Wert haben. Diese Ausführungsform hat sich vorteilhaft erwiesen, weil bei der Weiterverarbeitung der Meßsignale der ersten Gruppe und der zwei ^b0 dritten Detektorgruppen nur ein Faktor mitgenommen zu werden braucht, der den Unterschied in der Integrationskapazität zwischen den Integratoren angibt, die der ersten bzw. dritten Gruppe angehören.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Quotient ^b5 der Werte / und A- der Integrationskapazitäten größer als 16 und kleiner als 64 ist. Dadurch wird die Reihendynamik kleiner als 1000 gehalten, wobei der Signalrauschabstand nicht nachteilig beeinflußt wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet daß der Abstand /wischen dem Strahler und der Rotationsachse einstellbar ist wobei der Abstand zwischen dem Strahler und der Detektorreihe' konstant bleibt Bei einer derartigen Anordnung kann optimai die Reihendynamikreduktion durch die Empfindlichkeitsanpassung der Verstärkerschaltungen ausgenutzt werden, da durch die Verschiebung des Strahlers in" bezug auf die Rotationsachse ein zu untersuchender Körper derart positioniert wird, daß seine Position an die stellenabhängige Empfindlichkeit der Verstärkerschaltungen angepaßt ist

Aasführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine skizzierte Darstellung eines Computertomographen,

Fig.2 einen Teil einer Anschlußschaltung für die Detektorreihe des Computertomographen nach Fig. 1,

Fig.3 ein Diagramm, in dem die relative Amplitude der Ausgangssignale der Detektoren als Funktion der Position in der Detektorreihe dargestellt ist

Eine Röntgenuntersuchungsanordnung, wie in Fig. 1 skizziert enthält einen Strahler 1, der vorzugsweise aus einer Röntgenröhre besteht, der aber auch aus einem radioaktiven Isotop mit einer zweckmäßigen natürlichen Strahlung wie Am 241 oder Gd 153 bestehen kann. Eine Detektorreihe 3 mißt die Intensitätsverteilung eines vom Strahler 1 ausgesandten Röntgenstrahlenbündels 2. Der Strahler 1 bildet ein fächerförmiges Strahlenbündel mit einem öffnungswinkel λ. Das Strahlenbündel 2 verläuft in Richtung senkrecht zur Zeichenebene wenigstens annähernd parallel und hat in dieser Richtung eine geringe Dicke, beispielsweise von 3 bis 15 mm. Zur Bildung eines derartigen Bündels ist eine schlitzförmige Blende 4 angeordnet. Durch die Breitenabmessung der Detektoren 5 und ihren gegenseitigen Abstand (in Richtung der Detektorreihe 3) wird die Detektoranzahl im Strahlenbündel 2 und damit das Auflösungsvermögen innerhalb eines bestimmten Bündelwinkels festgelegt. Die Detektorreihe 3 ist beispielsweise aus 300 Detektoren mit einem gegenseitigen Mittelabstand von wenigen Millimetern aufgebaut Auch kann eine lange, mit Edelgas gefüllte Ionisationskammer benutzt werden, in der eine Reihe gesondert angeordneter, an verschiedenen Stellen detektierender Elektroden angeordnet sind. Die Detektorreihe 3 ist in bezug auf die Mittellinie 6 des Strahlenbündels symmetrisch angeordnet. Die Untersuchungsanordnung ist weiterhin für einen zu untersuchenden Körper 8 mit einem Untersuchungstisch 7 versehen, der entlang einer isozentrischen Achse 9 verschiebbar ist. Die isozentrische Achse 9 schneidet die Mittellinie 6. Das System Röntgenstrahier 1 — Detektorreihe 3 ist um den Körper 8 mit Hilfe eines Zahnringes 10 drehbar, der von einem Motor 11 angetrieben und von Lagern 12 getragen und geführt wird. Die Drehung des Systems Röntgenstrahier 1 — Detektorreihe 3 kann sowohl ununterbrochen als gestuft erfolgen. Im letzten Fall wird nach jeder Messung ein Drehschritt gemacht. Die Meßsignale der Detektoren 5 erreichen über Verstärker 13 einen Signalumformer 14, der beispielsweise eine Multiplexschaltung und einen Analog-Digital-Wandler enthält. Die umgeformten Signale erreichen eine Rechenanordnung 15. Ein Zähler 18 zählt die Anzahl der Rechenanordnung 15 zugeführter Signale pro Messung. Beim Erreichen einer Zählerstellung des Zählers 18

entsprechend der Detektoranzahl 5 wird eine Steuerschaltung 19 zum Antreiben des Motors 11 für eine kurze Zeit erregt. Dabei tritt eine Drehung des Ringes 10 auf, wonach die folgende Messung eingeleitet wird. Mit der Rechenanordnung 15 werden aus den in allen Messungen gesammelten Signalen, die beispielsweise in einem Speicher 16 gespeichert werden, die örtlichen Absorptionswerte berechnet und an einer Wiedergabeanordnung 17 dargestellt. Nach Bedarf können auch die berechneten Absorptionswerte in den Speicher 16 eingeschrieben werden. Mit jedem Detektor 5 ist ein Verstärker 13 verbunden, der einen an die Position des zugeordneten Detektors 35 in der Reihe 3 angepaßte Empfindlichkeit hat. Auch kann der Verstärker 13 als Integrator betrieben werden. In der Zeichnung ist solches mit der gestrichelten Linie angegeben. Hierbei ist die Kapazität des Integratorkondensators 25 an die Stelle des Detektors 5 in der Reihe 3 angepaßt.

Anhand der Fi g. 2 wird ein Beispiel einer derartigen Anpassung beschrieben. In der Figur sind zwei Stellungen a und b dargestellt, die das System Röntgenstrahier 1 — Detektorreihe 3 in bezug auf den Körper 8 bei Messungen einnehmen kann. Der zu untersuchende Körper 8 hat häufig einen ellipsenförmigen Querschnitt, wobei das Verhältnis lange Achse/kurze Achse um den Wert ⁵Λ herum liegt. Bei dem zu beschreibenden Beispiel ist davon ausgegangen, daß der Körper 8 aus einem homogenen Material mit gleichem Absorptionsverhalten wie Wasser besteht. In der Stellung b ist mit dem System Röntgenstrahier 1 — Detektorreihe 3 eine Serie von Meßwerten ermittelt, wobei dem längs der langen Achse des Körpers 8 bestimmten Meßwert, die mit der Bündelmitte 6 zusammenfällt, ein relativer Wert 1 zugeteilt ist. Die übrigen Meßwerte stehen damit im Zusammenhang. Die relativen Werte 5 sind in der F i g. 3 in einer graphischen Darstellung gegeben. Die Werte 5 sind als Funktion der Position N eines Detektors in der Reihe 3 aufgetragen und bilden die Kurve b. Es wird davon ausgegangen, daß die Reihe 180 Detektoren enthält, die in bezug auf die ^A Bündelmitte 6 symmetrisch angeordnet sind. In der graphischen Darstellung hat N also 90 Stellungen. Aus der graphischen Darstellung ist ersichtlich, daß die Reihendynamik größer als 10⁴ISL

Eine zweite Serie von Meßwerten, die im Zustand a ⁴ des Systems Röngenstrahler 1 — Detektorreihe 3 bestimmt ist, stehen ebenfalls mit dem Meßwert im Zusammenhang, der im Zustand b in der Bündelmitte 6 bestimmt ist. Die relativen Meßwerte sind in der in F i g. 3 dargestellten graphischen Darstellung aufgetra- ~> gen und bilden die Kurve a. Es ist klar ersichtlich, daß in diesem Zustand die Reihendynamik wesentlich kleiner ist und einen Wert zur Größe von 600 hat.

Zum Reduzieren der Reihendynamik ist die Integrationskapazität der an die Detektoren angeschlossenen ⁵ Integratoren wie folgt an die Stellung der Detektoren in der Reihe 3 angepaßL Eine erste Detektorgruppe, die in Fig.2 mit I bezeichnet ist, ist an Integratoren einer Integrationskapazität mit einem relativen Wert 1 angeschlossen. Zwei dritte Detektorgruppen, die in Fig. 2 mit III bezeichnet sind, sind an Integratoren mit einer Integrationskapazität mit einem relativen Wert 40 angeschlossen. Die zwei zweiten Gruppen von Detektoren, die mit Il bezeichnet sind, liegen jeweils zwischen der Gruppe I und einer Gruppe III und sind an Integratoren angeschlossen, die eine von der Gruppe I zur Gruppe III nach einer geometrischen Reihe ansteigenden Integrationskapazilät haben, wobei der relative Wert von 1 bis 40 ansteigt. Die beiden Gruppen I liegen direkt um die Mittellinie 6 herum, während die Gruppen III am weitesten davon entfernt sind.

In Fig. 3 sind in der graphischen Darstellung ebenfalls die relativen Meßwerte angegeben, die im Zustand a und b mit der Detektorreihe und mit den angepaßten Integratoren gemessen sind. Die gestrichelten Kurven a'und 6'zeigen die relativen Meßwerte, die im Zustand a bzw. b bestimmt sind. Im Beispiel gehören die Detektoren 1 bis 30 zur Gruppe I, die Detektoren 31 bis 50 zur Gruppe II und die weiteren Detektoren zur Gruppe III. Die Detektoranzahl in der Gruppe II) ist derart gewählt, daß die Strahlung des Bündels mit dem Öffnungswinkel öl, die im Zustand b den Körper 8 nicht durchsetzt, von den Detektoren der Gruppe III gemessen wird. Weiterhin ist die Anzahl der Detektoren in der Gruppe I so groß gewählt, daß die Dynamik innerhalb der Gruppe I kleiner als 10 ist, so daß keine Anpassung erforderlich ist. Es ist klar ersichtlich, daß durch eine geeignete Anpassung der Empfindlichkeit der an die Detektoren angeschlossenen Verstärker oder der Integrationskapazitäten der den Detektoren zugeordneten Integratoren die Reihendynamik von dem hohen Wert von über 10⁴ auf einen Wert unter 500 zurückgebracht werden kann.

Um die Anpassung für die Beschränkung der Reihendynamik auch bei Messungen an kleineren Objekten optimal ausnutzen zu können, ist es vorteilhaft, daß der Abstand zwischen dem Röntgenstrahier 1 und dem zu untersuchenden Körper 8 einstellbar ist. Gemäß Fig. 1 sind daher der Röntgenstrahier 1 und die Detektorreihe 3 auf einem Gestell 20 montiert, das entlang Führungen 21 im Ring 10 verschiebbar isL Das Gestell 20 wird über eine Zahnstangen-Zahnscheibenanordnung 23 mit einem Elektromotor 22 angetrieben. Eine Steuerschaltung 24 zum Antreiben des Motors 22 ist beispielsweise mit einem Handschalter 27 bedienbar, es können aber auch die zwei Meßwerten der zwei äußersten Detektoren 5' und 5" benutzt werden. Vor Beginn einer Messung werden die Meßwerte der beiden Detektoren 5' und 5" über den Signalumformer 14 der Steuerschaltung 24 zugeführt, wobei das Gestell 20 so verschoben wird, daß der Meßwert des Detektors 5" maximal und der Meßwert von 5' niedriger ist Der Detektor 5" mißt dabei Röntgenstrahlung, die den Körper 8 streift, und der Detektor 5' mißt Röntgenstrahlung, die gerade den Körper 8 durchsetzt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Computertomograph zur Ermittlung örtlicher Absorptionswerte in einer Ebene eines Körpers, der mit einem Strahler zum Erzeugen eines den Körper durchsetzenden Strahlungsbündels, mit einer Reihe von Detektoren, die das ganze Strahlenbündel erfaßt und die den Körper durchsetzende Strahlung in elektrische Meßwerte umsetzt, wobei jedem Detektor eine Verstärkerschaltung nachgeschaltet ist, mit einer Dreheinrichtung zum Drehen der Strahlenquelle und der Reihe der Detektoren um eine Rotationsachse zum Durchstrahlen der Ebene in einer Vielzahl von Richtungen, wobei jede Richtung in der Ebene liegt, mit einer Rechenanordnung zur Ermittlung der örtlichen Absorptionswerte in der Ebene aus den elektrischen Signalen, mit Mitteln zum Speichern der von den Detektoren erzeugten Meßwerte und der Absorptionswerte und mit Wiedergabemitteln zum Wiedergeben der Absorptionsverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß zum Reduzieren der Amplituden-Unterschiede zwischen von Detektoren im Randbereich einerseits und in der Mitte andererseits gelieferten Signalen die Empfindlichkeit einer Verstärkerschaltung (13), die einem im Zentrum oder in der Nähe des Zentrums der Detektorreihe positionierten Detektor zugeordnet ist, größer ist als die Empfindlichkeit einer Verstärkerschaltung, die einem Detektor am Rande oder in der Nähe des Randes der Detektorceihe nachgeschaltet ist

2. Computertomograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltungen, die zu einer ersten Detektorgruppe (1) gehören, die im Zentrum oder in nächster Umgebung des Zentrums der Detektorreihe (3) liegen, alle den gleichen Verstärkungsfaktor m aufweisen, daß die zwei zweiten an die erste Gruppe (I) anschließenden Gruppen (II) von Detektoren zugeordneten Verstärkerschaltungen nach einer geometrischen Reihe von innen nach, außen von m bis π abnehmenden Verstärkungsfaktor aufweisen, und daß die zwei dritten an die zweiten Detektorgruppen (II) anschließenden Detektorgruppen zugeordneten Verstärkerschaltungen alle den gleichen Verstärkungsfaktor η aufweisen (mit m > n).

3. Computertomograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltungen je einen Integrator enthalten, dessen Integrationskapazität (25) einen Wert besitzt, der von der Stellung des dem Integrator zugeordneten Detektors abhängig ist, wobei die zu den Detektoren im Zentrum der Reihe gehörenden Integrationskapazitäten kleiner sind als die zu den Detektoren am Rande der Reihe gehörenden Integrationskapazitäten.

4. Computertomograph nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationskapazitäten, die zu einer ersten Detektorgruppe (I) im Zentrum und in direkter Nähe des Zentrums der Reihe (3) gehören, alle den gleichen Wert k aufweisen und die zu zwei dritten jeweils am Rande der Reihe (3) liegenden Detektorgruppen (111) gehörenden Integrationskapazitäten alle den gleichen Wert / aufweisen, und daß die zu zwei zweiten jeweils zwischen der ersten und einer dritten Detektorgruppe liegenden Detektorgruppen (II) gehörenden Integrationskapazitäten von der eisten Gruppe (I) zu einer der dritten Gruppen (III) hin einen vom

Wert k bis zum Wert / nach einer geometrischen Reihe ansteigenden Wert haben.

5. Computertomograph nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient der Werte /und k bzw. m und π größer als 16 und kleiner als 64 ist.

6. Computertomograph nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Strahler (1) und der Rotationsachse (9) einstellbar ist, wobei der Abstand zwischen dem Strahler (1) und der Detektorreihe (3) konstant bleibt