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Die Erfindung geht aus von einem Gerät zur Messung der Absorptionsverteilung in einem begrenzten Bereich einer Untersuchungsebene, das eine Strahlenquellenanordnung und eine mit parallel zur Untersuchungsebene verlaufenden Blendenkanten ausgerüstete Blendenanordnung umfaßt, die zwischen dem Untersuchungsbereich und der Strahlenquelle angeordnet ist, und aus der von dieser emittierten Strahlung ein Strahlenbündel ausblendet, das den Untersuchungsbereich durchsetzt und auf eine Detektoranordnung trifft.
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Ein solches Gerät ist bekannt (DE-OS 27 32 073). Die Blendenanordnung bestimmt dabei die "Dicke" des Strahlenbündels, d. h. dessen Abmessungen in Richtung senkrecht zur Untersuchungsebene. Der Öffnungswinkel des Strahlenbündels in der Untersuchungsebene und damit die Größe des Untersuchungsbereiches werden durch eine zweite Blendenanordnung bestimmt, deren Blendenkanten senkrecht zur Untersuchungsebene verlaufen.
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Damit aus den gemessenen Werten die Absorptionsverteilung in dem mit Strahlung durchsetzten Bereich der Untersuchungsebene rekonstruiert werden kann, muß der Körper aus einer Vielzahl von Richtungen durchstrahlt und die Absorption gemessen werden. Zu diesem Zweck sind bei dem bekannten Gerät die Strahlenquellenanordnung und die Detektoranordnung starr miteinander verbunden und um eine zur Untersuchungsebene senkrechte, durch das Zentrum des Untersuchungsbereiches verlaufende Achse drehbar. Grundsätzlich ist die Erfindung aber auch bei solchen Geräten anwendbar, bei denen eine Vielzahl von Strahlenquellen und auf einem Kreisbogen um den Untersuchungsbereich fest angeordnet sind und die den Untersuchungsbereich durchsetzende, von den nacheinander eingeschalteten Strahlenquellen emittierte Strahlung mit einer ebenfalls zumindest über einen Halbkreis verteilten Detektoranordnung gemessen wird. Ebenso kann sie bei Geräten benutzt werden, bei denen die Anode einer einzigen Röntgenröhre den Untersuchungsbereich zumindest halbkreisförmig umschließt, wobei der Brennfleck elektronisch auf der Anode verschoben wird.
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Bei Geräten der eingangs genannten Art kann, insbesondere wenn die Zellen der Detektoranordnung vom Ionisationskammertyp sind, der folgende Effekt beobachtet werden:
Wird eine Schicht eines (Test-)Körpers mehrmals hintereinander aufgenommen, dann zeigen die aus diesen Aufnahmeserien rekonstruierten Schichtbilder Abweichungen voneinander. Diese Abweichungen werden durch mehr oder weniger stark ausgeprägte ringförmige Artefakte hervorgerufen. Diese Artefakte gleichen denjenigen, die auftreten können, wenn die einzelnen Elemente der Detektoranordnung unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweisen, und die Ausgangssignale dieser Elemente bei der Auswertung durch einen Rechner nicht entsprechend diesen Unterschieden korrigiert werden (Nacheichung). Die ringförmigen Artefakte können jedoch auch bei exakt nachgeeichten Geräten beobachtet werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gerät der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die geschilderten Artefakte weitgehend vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine jenseits des Untersuchungsbereiches im oder unmittelbar neben dem Strahlenbündel angeordnete Strahlenmeßanordnung, die auf eine zur Untersuchungsebene senkrechte Verschiebung des Strahlenbündels relativ zur Detektoranordnung anspricht, und eine Antriebseinrichtung zur Verschiebung der Blendenanordnung senkrecht zur Untersuchungsebene steuert, derart, daß das Strahlenbündel eine vorgegebene Lage in bezug auf die Detektoranordnung wenigstens annähernd beibehält.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 ein Gerät der eingangs genannten Art mit einer Einrichtung zur Rekonstruktion der Absorptionsverteilung,
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Fig. 2 die geometrischen Verhältnisse bei einer Seitenansicht des Gerätes nach Fig. 1,
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Fig. 3 einen Teil der Detektoranordnung und
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Fig. 4 die für die Erfindung wesentlichen Teile der Anordnung nach Fig. 1.
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Das in Fig. 1 dargestellte Gerät besitzt eine fest mit dem Boden 1 verbundene Trägerkonstruktion 2, an der ein Drehgestell 3 um eine horizontale Achse 4 drehbar gelagert ist. An dem einen Ende des Drehgestells 3 ist eine nur schematisch angedeutete Strahlenquelle 5, z. B. ein Röntgenstrahler, angebracht, während am anderen Ende eine Detektoranordnung 6 befestigt ist, die mit dem Strahler 5 in einer gemeinsamen, zur Rotationsachse 4 senkrechten Ebene liegt. Die Detektoranordnung 6 hat die Form eines die Zeichenebene durchsetzenden Kreisbogens. Sie besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Detektorelementen, die die Strahlung beispielsweise nach dem Ionisationskammerprinzip detektieren, wobei jedes Element wenigstens eine Hochspannungselektrode und eine Signalelektrode enthält, die auf den Röntgenstrahler 5 ausgerichtet sind, zwischen denen sich ein unter hohem Druck stehendes Gas - vorzugsweise Xenon - befindet und an die eine Spannung von einigen 1000 V angelegt ist. Derartige Detektoranordnungen sind bekannt (vgl. z. B. DE-OS 26 09 626 und US-PS 40 31 396).
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Zwischen dem Röntgenstrahler 5 und der Detektoranordnung 6 befindet sich ein Patientenlagerungstisch 7, auf dem ein Patient 8 derart gelagert ist, daß die Rotationsachse durch den Patienten und zu dessen Längsachse etwa parallel verläuft. An dem Röntgenstrahler 5 ist ein Blendengehäuse 10 befestigt, in dem sich u. a. eine Blendenanordnung 9 befindet, deren Blendenkanten senkrecht zur Zeichenebene verlaufen und die ein Strahlenbündel ausblendet, das den Patienten durchsetzt und auf die Detektoranordnung 6 auftrifft. Die Mittelebene dieses Strahlenbündels 12, die gestrichelt angedeutet und mit 11 bezeichnet ist, verläuft senkrecht zur Rotationsachse 4; sie ist mit der Untersuchungsebene identisch. Die Dicke des durch die Blendenanordnung 9 ausgeblendeten Strahlenbündels im Bereich der Rotationsachse 4 beträgt in der Regel 3 mm bis 30 mm. (Die Proportionen sind in der schematischen Darstellung der Fig. 1 nicht richtig wiedergegeben; in der Praxis ist das Strahlenbündel 12 viel schlanker und befindet sich die Blendenanordnung 9 wesentlich dichter am Brennfleck des Röntgenstrahlers.)
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Der Öffnungswinkel des Strahlenbündels 12 in der Mittelebene 11 bzw. in der Untersuchungsebene wird durch eine zweite, ebenfalls im Blendengehäuse 10 angeordnete, nicht näher dargestellte Blende bestimmt. Er ist so gewählt, daß ein zu seiner Längsachse senkrechter Querschnitt durch einen Patienten vollständig von Strahlung erfaßt werden kann.
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Das System Röntgenstrahler 5 - Detektoranordnung 6 kann um die Rotationsachse 4 gedreht werden durch einen in der Trägerkonstruktion angebrachten, nicht näher dargestellten, Motor, der das Drehgestell 3 in Drehung versetzt. Der Patient wird dann aus einer Vielzahl von Richtungen durchstrahlt, wobei jedes Detektorelement der Detektoranordnung 6 nach jeder Drehung um einen bestimmten Winkelbetrag (z. B. 1°) einen Meßwert liefert. Aus den so erzeugten Meßwerten läßt sich in bekannter Weise mit Hilfe eines Rechners die Absorptionsverteilung in der Untersuchungsebene 11 errechnen und an einem Wiedergabegerät darstellen (der Rechner und das Wiedergabegerät sind in der Zeichnung nicht dargestellt).
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Während des Betriebes kann es vorkommen, daß der das Strahlenbündel 12 emittierende, in Fig. 1 als punktförmig angenommene Brennfleck des Röntgenstrahlers 5 in Richtung parallel zur Rotationsachse 4, d. h. zur Untersuchungsebene, geringfügig verschoben wird. Ursache dafür kann z. B. eine Erwärmung des Röntgenstrahlers sein. Als Röntgenstrahler werden im allgemeinen Drehanoden-Röntgenröhren eingesetzt, wobei die Antriebswelle der Anodenscheibe parallel zur Rotationsachse 4 verläuft. Wenn sich die Anodenscheibe erwärmt, erwärmt sich auch die Antriebswelle und dehnt sich aus, so daß sich der Brennfleck des Röntgenstrahlers 5 geringfügig nach links oder rechts parallel zur Achse 4 verschiebt. Da der Abstand zwischen dem Brennfleck des Röntgenstrahlers 5 und der Blendenanordnung 9 klein ist im Vergleich zum Abstand zwischen dem Röntgenstrahler 5 und der Blendenanordnung 6 und z. B. nur 1/10 des letzteren beträgt, bewirkt dies, daß die durch das Strahlenbündel 12 getroffene Fläche der Detektoranordnung sich auf der Detektoranordnung wesentlich mehr verschiebt.
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Fig. 2 zeigt einen Teil der Detektoranordnung - gesehen vom Ort der Strahlenquelle 5 aus. Die Grenzlinien des durch das Strahlenbündel 12 auf der Detektoranordnung 6 bestrahlten Bereiches sind in Fig. 2 gestrichelt angedeutet und mit 121 und 122 bezeichnet. Verschiebt sich in Fig. 1 der Brennfleck nach links bzw. rechts, dann verschiebt sich in Fig. 2 die vom Strahlenbündel getroffene Fläche in Richtung des Pfeiles 123 bzw. des Pfeiles 124, d. h. nach oben bzw. nach unten, so daß sich auch die Grenzlinien 121 und 122 in derselben Richtung verschieben.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch eine solche Verschiebung die eingangs beschriebenen ringförmigen Artefakte hervorgerufen werden können. Wie Fig. 2 ( übertrieben) zeigt, sind die einzelnen Detektorelemente der Detektoranordnung 6 nämlich nicht identisch. Bei einer Detektoranordnung, die nach dem Ionisationskammerprinzip arbeitet, können beispielsweise die Trennwände der die einzelnen Detektorelemente bildenden Ionisationskammern leicht schief zueinander geneigt sein, so daß z. B. das Detektorelement in Fig. 2 auf der oberen Seite schmaler ist als auf der unteren Seite, während das Detektorelement 62 an der oberen Seite breiter ist als an der unteren Seite.
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Aus diesen Ungleichmäßigkeiten resultiert zunächst, daß die Signale der Detektorelemente, z. B. 61 und 62, voneinander abweichen können, wenn sie von Strahlung derselben Intensität getroffen werden. Dieser Effekt stört jedoch nicht, weil er sich dadurch korrigieren läßt, daß die von den Detektorelementen 61 und 62 gelieferten Meßwerte vor der Rekonstruktion der Absorptionsverteilung mit Eichfaktoren gewichtet werden, die den unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Detektorelemente umgekehrt proportional sind, so daß die zur Rekonstruktion herangezogenen Werte einander gleich sind, wenn die zugeordneten Detektorelemente von Strahlung der gleichen Intensität getroffen werden.
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Infolge der Verschiebung des Strahlenbündels 12 auf der Detektoranordnung 6 ändern sich aber (bei gleichbleibender Strahlungsintensität) auch die von den einzelnen Detektorelementen gelieferten Meßwerte. Wenn sich z. B. die durch die Grenzlinien 121 und 122 definierte von Strahlung getroffene Fläche zur oberen Seite hin verschiebt, wird das - gegebenenfalls mit einem konstanten Eichfaktor gewichtete - Ausgangssignal des Detektorelementes 61 kleiner, während das entsprechende Signal der Kammer 62 größer wird, weil die bestrahlte Fläche (bzw. - bei Ionisationskammern - das bestrahlte Volumen) des Detektorelementes 61 kleiner und die bestrahlte Fläche des Detektorelementes 62 größer wird. Eine Verschiebung des Strahlenbündels auf der Detektoranordnung wirkt sich also genauso aus, als würden sich die Empfindlichkeiten der einzelnen Detektorelemente unterschiedlich ändern.
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Es kommt hinzu, daß bei einer Verschiebung des Strahlenbündels während einer Aufnahme sich auch das durchstrahlte Volumen ändert, was bei der Rekonstruktion zu zusätzlichen Fehlern führen kann.
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Die beiden beschriebenen Effekte sind zwar nur relativ schwach (z. B. werden sich die Empfindlichkeiten der Kammern dabei um kaum mehr als 1% ändern), doch resultieren daraus bei der Rekonstruktion erhebliche, die Diagnose störende Artefakte, weil die bekannten Rekonstruktionsverfahren empfindlich auf Meßfehler reagieren.
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Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung vermeidet derartige Artefakte weitgehend. Fig. 3 zeigt das Blendengehäuse 10, wobei die vordere Wand und eine Seitenwand weggelassen sind. Auf der Bodenplatte 100 des Blendengehäuses 10 sind zwei Führungsschienen 101 und 102 derart befestigt, daß sie parallel zur Rotationsachse 4 und senkrecht zur Untersuchungsebene verlaufen. In diesen Führungsschienen ist eine Blendenanordnung in Form einer Blendenplatte 9verschiebbar angeordnet, die mit einem horizontal und senkrecht zu den Führungsschienen 101 und 102 verlaufenden schmalen Schlitz 90 versehen ist. Auf der somit parallel zur Rotationsachse 4 (Fig. 1) und senkrecht zur Untersuchungsebene verschiebbaren Blendenplatte 9 ist eine Spindelmutter 91 befestigt, die mit einer Spindel 92 zusammenwirkt, die von einem Motor 93 angetrieben wird, der auf der Grundplatte 100 befestigt ist. Wenn der Motor 93 läuft, wird je nach Drehrichtung die Spindelmutter 91 und mit ihr die Blendenplatte 9 in der einen oder anderen Richtung parallel zur Rotationsachse 4 bzw. senkrecht zur Untersuchungsebene verschoben, so daß sich auch das von der Blendenplatte 9 ausgeblendete Strahlenbündel in Richtung der Pfeile 123, 124 (Fig. 2) verschieben kann.
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Die durch die Verschiebung des Brennflecks bewirkte Veschiebung des Strahlenbündels auf der Detektoranordnung 6 läßt sich daher grundsätzlich dadurch kompensieren, daß die Blendenplatte 9 durch den Motor 93 in der gleichen Richtung und fast um dieselbe Strecke wie der Brennfleck verschoben wird, so daß die Lage des Strahlenbündels auf der Detektoranordnung 6 erhalten bleibt. Zu diesem Zweck wird der Motor über Steuerleitungen - die Zeichnung zeigt einfachheitshalber nur eine Steuerleitung 94 - von einem Regler 95 gesteuert. Der Regler besitzt zwei Eingänge 96 und 97 und ist so ausgebildet, daß er den Motor mit der einen Drehrichtung laufen läßt, wenn das Signal auf der Leitung 96 größer ist als das Signal auf der Leitung 97, und daß er die Drehrichtung umkehrt, wenn das Signal auf der Leitung 97 größer ist als das auf der Leitung 96. Dabei kann gegebenenfalls auch die Drehzahl so gesteuert werden, daß der Motor bei einer großen Abweichung der Signalwerte an den Eingängen 97 und 96 schnell läuft und bei einer geringen Abweichung langsam. Wenn die Differenz der beiden Eingangssignale (nahezu) den Wert Null erreicht, bleibt der Motor stehen.
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Die Eingänge 96 und 97 des Reglers sind mit den Ausgängen zweier Meßzellen 601 und 602 verbunden, die so nebeneinander angeordnet sind, daß eine Verbindungslinie zwischen ihren beiden Mittelpunkten parallel zur Rotationsachse verläuft, d. h. die Meßzellen 601, 602 liegen symmetrisch zur Mittel- bzw. Untersuchungsebene 11 (Fig. 1). Die Meßzellen 601 und 602 sind im Strahlengang (hinter dem Patienten 8 und dem Tisch 7 ) angeordnet und bilden zweckmäßig einen Teil der Detektoranordnung wobei sie die Bestrahlung vorzugsweise nach dem gleichen Detektionsprinzip detektieren wie die übrigen Detektorelemente der Detektoranordnung 6. Wenn die Detektorelemente der Detektoranordnung 6 nach dem Ionisationskammerprinzip arbeiten, sind also die Meßzellen 601 und 602 Ionisationskammern. Diese lassen sich auf einfache Weise dadurch erhalten, daß die Signalelektrode einer Ionisationskammer in zwei elektrisch gegeneinander isolierte Hälften unterteilt wird, die mit den Eingängen 96 und 97 verbunden sind, wobei zwischen den beiden Hälften in der Symmetrieebene zweckmäßigerweise eine Trennwand 603 vorgesehen ist.
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Wenn ein definierter durch die Grenzlinien 121, 122 gekennzeichneter Bereich der Detektoranordnung von der durch den Körper 8 und den Tisch 7 nicht absorbierten Strahlung getroffen wird, ergibt sich ein bestimmtes Verhältnis zwischen den Ausgangssignalen der Meßzellen 601 und 602 - wenn vorausgesetzt wird, daß sich die Absorption in dem Bereich des Körpers, der zwischen den Meßzellen 601, 602 und dem Strahler 1 (Fig. 1) liegt, nicht abrupt in Richtung senkrecht zur Untersuchungsebene ändert. Insbesondere sind die Signale bei gleicher Empfindlichkeit der beiden Kammern gleich groß. Für diese Lage des Strahlenbündels muß die Eichung erfolgen und in dieser Lage muß der Motorantrieb 93 abgeschaltet sein.
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Wenn der Strahler sich parallel zur Rotationsachse ( senkrecht zur Untersuchungsebene) verschiebt, verschiebt sich auch das Strahlenbündel (121, 122) auf der Detektoranordnung 6 in der entgegengesetzten Richtung und um eine größere Strecke, wobei sich das Verhältnis der Signale an den Eingängen 96 und 97 ändert, wodurch der Motor eingeschaltet wird. Dieser verschiebt die Blendenplatte 9 so, daß sich das vorgegebene Verhältnis zwischen den Signalen der Meßzelle 96, 97 und damit die vorgegebene Lage des Strahlenbündels relativ zur Detektoranordnung wenigstens annähernd wieder einstellt.
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Es ist also ein Regelkreis vorhanden, der bewirkt, daß das Strahlenbündel - Richtung senkrecht zur Untersuchungsebene - stets denselben Bereich der Detektoranordnung 6 bestrahlt.
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Es versteht sich von selbst, daß die Antriebseinrichtung 91, 92, 93 dabei so ausgelegt sein muß, daß sich die geringe erforderliche Verschiebung auch tatsächlich und reproduzierbar ergibt; es darf also nur ein minimales "Spiel" vorhanden sein. Weiterhin ist klar, daß bei der Verschiebung der Blendenplatte und damit des Schlitzes 90 das Strahlenbündel nicht durch die Tragplatte 100 mehr oder weniger abgeschirmt werden darf. Diese muß daher aus für Röntgenstrahlung transparentem Materal bestehen oder im Bereich des Schlitzes eine genügend große Ausnehmung besitzen.
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Obwohl die Erfindung vorstehend vorzugsweise anhand von Detektorelementen erläutert, die nach dem Ionisationskammerprinzip arbeiten, können sich die gleichen Artefakte ergeben, wenn andere Detektorelemente verwendet werden, die nicht genau gleich sind in ihrer geometrischen Form und in ihrer Empfindlichkeit. - Die Meßzellen 601 und 602 müssen nicht so angeordnet und aufgebaut sein wie in Fig. 3 dargestellt. Sie können - insbesondere bei Verwendung von Kristall-Detektoren - auch die Form von Dreiecken haben (vgl. Fig. 4), die zusammen ein Quadrat bilden. Wichtig ist dabei nur, daß sich das Verhältnis zwischen den Ausgangssignalen der beiden Meßzellen 601 und 602 ändert, wenn sich die durch die Linien 121 und 122 eingegrenzte bestrahlte Fläche auf der Detektoranordnung senkrecht zur Untersuchungsebene (parallel zur Rotationsachse 4) verschiebt, so daß daraus eine Steuergröße für die Verschiebung der Blende 9 abgeleitet werden kann.
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Die Meßzellen 601 und 602 müssen auch nicht an einem Ende der Detektoranordnung angeordnet sein; sie können auch innerhalb der Detektoranordnung, d. h. zwischen zwei Detektorelementen, angebracht sein. Durch Addition der von den Meßzellen 601, 602 gelieferten Ausgangssignale ergibt sich ein Signal, das die Absorption des Körpers an der die Meßzelle abdeckenden Stelle darstellt und das mit zur Rekonstruktion der Absorptionsverteilung herangezogen werden kann. - Es ist zweckmäßig, an verschiedenen Stellen der Detektoranordnung Paare von Meßzellen 601, 602 vorzusehen und die Ausgangssignale der jeweils auf der gleichen Seite der Untersuchungsebene befindlichen Detektorelemente zu addieren und die so erzeugten Summensignale den Eingängen 96 und 97 zuzuführen. Dadurch wird der Einfluß verringert, den eine inhomogene Absorptionsverteilung in Richtung senkrecht zur Untersuchungsebene auf ein einzelnes Paar von Meßzellen haben kann.
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Bisher wurde davon ausgegangen, daß solche Ringartefakte auf einer Erwärmung der Anodenscheibe im Laufe des Betriebes und der dadurch bedingten Verschiebung des Brennfleckes beruhen. Eine Verschiebung des Strahlenbündels auf der Detektoranordnung in Richtung senkrecht zur Untersuchungsebene kann aber auch durch mechanische Schwingungen während des Umlaufs oder durch elastische Verformungen hervorgerufen werden. Auch in diesem Fall vermeidet die erfindungsgemäße Anordnung die geschilderten Ringartefakte weitgehend.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird die Blendenanordnung durch eine einfache Blendenplatte 9 gebildet, bei der die Dicke des Strahlenbündels (Abstand der Linie 121, 122) durch die Breite des Schlitzes 90 bestimmt wird. Es kann aber auch eine Blendenanordnung verwendet werden, die aus zwei gegeneinander verschiebbaren Blenden besteht, deren gegenseitiger Abstand dann die Dicke des Strahlenbündels bestimmt. In diesem Fall muß dann eben die zweiteilige Blendenanordnung als Ganzes senkrecht zur Untersuchungsebene, d. h. senkrecht zu den Blendenkanten, verschoben werden.