DE2944252A1

DE2944252A1 - Verfahren und anordnung zum auswerten der durch eine radiologische schichtaufnahme an einem patienten gewonnenen datensignale

Info

Publication number: DE2944252A1
Application number: DE19792944252
Authority: DE
Inventors: John Fitzallen Moore
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1978-11-02
Filing date: 1979-11-02
Publication date: 1980-05-14
Also published as: GB2035748B; US4222104A; JPS5570240A; GB2035748A; DE2944252C2

Description

/Ü/./-252

Dlg Erfindung betrifft, eine Verbesserung an medizinischen radiologischen Geräten und zwar an sogenannten Computertomographen (CT-Abtaster).

Bei CT-Abtastern, wie sie beispielsweise in der

J₀ GH-PS 1 283 ^f) 15 beschrieben sind, verlaufen Strahlen, beispielsweise Röntgenstrahlen, in einer Scheibe bzw. Schicht des zu untersuchenden Patienten. l-:ine Strahlungsquelle kreist um d^n Patienten und richtet ihre Strahlen mit einer VlelzahL von verschiedenen Richtungen, die gegeneinander w i nke 1 vet se t ζ t. verteilt .sind, dur.'h die Schicht. Die Strahlungsintensität, die ;uι.-; dir Schi.-ht austritt, wird dann längs einer Vi(¹I zahl von schma ! ■ ·ι\ St .i'ah 1 ungswegen qetnessen ,

lii'i der Untersuchung de:; Patienten wird mindestens ein Teil der Schicht .ils Matrix von !! 1 einen t b<_re ichen aufgefaßt und für jeden dieser fk:· reiche wird ein·.! Abschätzung der Dämpfung bzw. Abschwächung der strahlung vorgenommen. Die schmalen St rah! engänge sind so '/erteilt, ei iß jeder E lernen tbereich durch eine geeignet grolle Anzahl dieser Strahlen- 2i> gärige geschn i 1.1 en wird. Die ι nt ens i t ät smes<-'.mg , die für jeden Strahlengang erhalten wird, ist dann kennzeichnend für die gesamte Absohwächung der Strahlung beim Du ι eh Ir i ngen samt liehet" i.'Leinen tbere iche , el ie durch diesen Strahlengang geschnitten werden. Der St ι ah 1 eng uig schneidet in der ;i0 Praxis, nur- oiiion Te r 1 einiger i: 1 ·■:'.! 'Ut bere i ehe , w ι _; zulässig i.; t .

Die [ Ii t πι.; i L ä > ;; 'es, _;;u:ig· ·η w· ■ r d- ·η laiin dureii e i π >n !, -chner we ι t e ι au f i >er e i t · t , |,- ■ i :,p j, ■ | .u.^r■ · i .;·. ■ η ι Ίι deiii Ve ; f .ι h r ·;ι der :SS < >!) >n erwähn t en 1 > ι i t ι ., hen i' 11 en i ί ι r i ; ι i>.: w. A ■ r Cll-i'S I l/l ι i 1 , .ml di"..·· IV- - i .■ ■ '.: i r 1 'in HiId -τ., "igt,

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in welchem jeder einzelne Punkt eine Helligkeit besitzt, die der Absorption oder Abschwächung der Strahlung in dem entsprechend gelagerten Elementbereich entspricht.

Eine Fehlerquelle bei diesem Verfahren ist darin zu sehen, daß die Abschwächung für unterschiedliche Strahlungsenergien nicht gleich ist. Eine Strahlung mit geringer Energie wird bevorzugt absorbiert und führt zu einer "Verhärtung" der Strahlung. Für Gewebe mit relativ geringen Absorptionseigenschäften ist dieser Effekt nicht besonders ausgeprägt. Für wesentlich stärker absorbierendes Material, beispielsweise Knochen, ist diese Veihärtung jedoch zu berücksichtigen, da sie zu einer fehlerhaften Intensitätsmessung für andere Elementbereiche des entsprechenden Strahlungsganges führt.

Eine weitere Fehlerquelle resultiert aus der Streuung der Strahlung. Auch dieser Dämpfungsfehler hHngt wie der durch Absorption von der Dichte des Gewebes ab, durch welches die

Strahlung hindurchgeht.
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Zur Korrektur dieser und ähnlicher Fehler, die von der'Dichte des Gewebes abhängen, ist es notwendig, die Dichteverteilung des Gewebes etwa zu kennen, die natürlich durch die abschließend erreichte Darstellung bestimmt ist. Es wurde vorgeschlagen, zunächst eine erste Abschätzung dieser Darstellung vorzunehmen, die natürlich auch die oben erwähnten Fehler enthält. Dies ergibt eine gewisse, wenn auch noch nicht vollständig richtige Kenntnis der Dichteverteilung des Gewebes. Die Darstellung wird dann zur Rückrechnung der Gesamt-

™ dämpfungsmessung für die Strahlungsgänge durch den Körper benutzt; diese sind ähnlich den zuerst erwähnten Messungen durch die Detektoren. Dies wird durch Verfahren erreicht, nach welchen die Dämpfung längs eines Strahlungsganges aufsummiert wird, wie dies beispielsweise in der britischen Patentschrift 1 283 915 beschrieben ist. Die zurückgerechneten Dämpfungsmessungen werden dann weiter ausge -

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wertet, um so Fehler wie die Verhärtung oder die Streuung zu berücksichtigen und sie dienen dann zur Erzeugung der richtigen Darstellung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung und Korrektur einer solchen Darstellung aufzuzeigen, daß außerdem für die verschiedenartigsten Auswertverfahren und Fehlerkorrekturverfahren der oben erwähnten Art geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Gemäß der Erfindung wird die Auswertung für die erste Abschätzung der Darstellung ein Algorithmus für eine fächerförmige Verteilung der Strahlengänge benutzt, also ein Algorithmus, der auf die tatsächlich durch das Gerät erzeugten fächerförmigen Strahlengänge abgestellt ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird gemäß der Erfindung jedoch für den zweiten Durchgang ein anderer Algurithmus verwendet, nämlich ein solcher für parallele Strahlengänge. Der zweite Durchgang kann daher wesentlich schneller durchgeführt werden, so daß ein erfindungsgemäßes Verfahren insgesamt bei Verbesserung der Darstellung wesentlich schneller zu einem richtigen Ergebnis führt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichg₀ nungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 zeigt in vereinfachter Form ein übliches CT-Gerät, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist,

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Figur 2 dient zur Erklärung der sogenannten Rückwärts-

Projektion von Daten für parallele Strahlengänge durch den Körper

Figur 3 zeigt das Flußdiagramm für diese Rückwärtsprojektion nach Figur 3_t

Figur 4 dient zur Erklärung der Rückv/ärtsprojektion von Daten für winkelig verteilte Strahlengänge im Körper,

Figur 5 zeigt wiederum das zugehörige Flußdiagramm für diese Rückwärtsprojektion nach Figur 4_;

Figur 6 zeigt das Flußdiagramm für das Verfahren gemäß

der Erfindung und zwar umfaßt es die Verfahren nach den Figuren 2 und 3 sowie 4 und 5,

Figur 7 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel für eine Schaltung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Ver

fahrens .

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Figur 1 zeigt schematisch einen Typ von CT-Gerät, bei welchem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. Die der Abschwächung der Strahlung im Körper 1 entsprechenden Daten werden durch das schematisch angedeutete Abtastgerät erzeugt. Der Abtastteil ist auf einem drehbaren Teil 2 befestigt und umfaßt eine Strahlungsquelle 3, die eine fächerförmig verteilte Strahlung 4 durch den Körper 1 sendet. Die Strahlung wird durch Detektoren 5 aufgenommen. Das dargestellte Beispiel entspricht dem Gerät nach der US-Patentschrift 4 035 647, bei welchem die Strahlungsquelle und die Detektoren um den Körper herum kreisen. Während des Kreisens werden die Ausgänge der Detektoren wiederholt gesammelt. Jede Sammlung bzw. Zusammenfassung ergibt an den Detektoren Ausgangssignale, die der Strahlung entsprechen,

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die von entsprechenden Strahlungsgängen eines Satzes von winkelig verteilten Strahlungsgängen in der Fächerverteilung entsprechen. Die verschiedenen Zusammenfassungen ergeben dann Daten für eine Vielzahl solcher Sätze von Strahlungsgängen und zwar jeweils für einen anderen mittleren Winkel in der abzutastenden Schicht. Die Erfindung kann natürlich auch bei anderen Arten von Geräten angewendet werden, beispielsweise bei solchen, bei denen eine Vielzahl von Detektoren nicht rotiert sondern die Strahlungsquelle über diese hinwegbewegt wird.

Die Daten werden dann durch eine Schaltung 6 verarbeitet, in welcher sie in digitale und logarithmische Form umgewandelt werden und noch anderen geeigneten Behandlungen unterworfen werden. Diese Datensignale entsprechen dann den Messungen der Abschwächung der Strahlung längs der entsprechenden Strahlungs gänge. Die Datensignale werden dann in einer Schaltung 7 weiter verarbeitet und die gewünschte Rekonstruktion der Verteilung der Abschwächung in der untersuchten Schicht erzeugt.

Sie entsprechen Dämpfungswerten von Elementen der Matrix, die oben erwähnt wurde, und jedes Datensignal wird dann in einem Speicher abgespeichert und zwar an einer Stelle, die dem entsprechenden Element entspricht. Sie werden dann in der Schaltung 8 für eine Darstellung auf einem Schirmbild weiter verarbeitet und zwar in einer für eine in gewisse Anzeigeeinrichtung 9 geeigneten Form. Die Erfindung bezieht sich jedoch nur auf eine neuartige Form der Auswertung und Aufbereitung eines Teiles in der Schaltung 7 und die anschließende Aufbereitung für die Darstellung wird deshalb nicht weiter beschrieben. Die Schaltung 7 benötigt Informationen, die für das Fortschreiten der Abtastung kennzeichnend sind, so daß jedes Datensignal auch richtig mit einem bestimmten Strahlengang identifiziert wird. Aus diesem Grunde umfaßt das Gerät noch einen Raster-Zeitdetektor 10. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht dieser Detektor aus undurchsichtigen Marken, die auf einem durchsichtigen Substrat angebracht sind, das mit

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Γ - 11 -

einer Photozelle zusammenwirkt und durch welche die durch die Marken erzeugten Unterbrechungen eines von einer Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahles feststellt, so daß Impulse erzeugt werden, die für die Drehung der Quelle 3 kennzeichnend sind.

c Der Rasterdetektor kann natürlich auch mit Reflektion arbeiten oder es kann auch jeder andere Bewegungsdetektor verwendet werden, beispielsweise mit Magnetköpfen oder mit einem getrenn ten Getriebe-Dekodierer.

Wie erwähnt, kann die Auswertung nach der sogenannten Umlaufmethode durchgeführt werden, wie sie in der britischen Patentschrift 1 471 531 beschrieben ist. Nach dieser Methode werden die Ausgangssignale der Detektoren in Sätzen zusammengefaßt, die den Sätzen der Strahlungsgänge durch den Körper entsprechen. Das Ausgangssignal jedes Strahlungsganges wird dann durch die Kombination von anderen Ausgangssignalen in dem gleichen Satz modifiziert und zwar in einer hier näher erklärten Weise.

Die gewünschte Darstellung wird dadurch erzielt, daß an einem Speicherpunkt für jedes Matrixelement die modifizierten Signale für alle Strahlengänge hinzuaddiert wird, die durch das Element hindurchtreten. Das Korrekturverfahren ermöglicht dies. Dieses Hinzuaddieren wird dadurch erreicht, daß für jeden Strahlengang sein modifiziertes Signal allen Elementen längs des entsprechenden Strahlenganges hinzuaddiert wird. Natürlich schneiden nicht alle Strahlengänge sämtliche Elemente vollständig und die Signale werden deshalb gewichtet, um das Verhältnis der Durchtrittslänge zu berücksichtigen.

Diese Interpolation kann auch dadurch erreicht werden, daß Interpolationssignale für Strahlengänge erzeugt werden, die ein bestimmtes Element deutlich schneiden.

Das Verfahren des Hinzuaddierens der Signale an Stellen für die Matrixelemente wird "Rückwärtsprojektion" bezeichnet und ist weit verbreitet und beispielsweise in der britischen

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^Γ 1? -

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Patentschrift 1 283 915 beschrieben. Das zuerst angewendete Verfahren der Rückwärtsprojektion erzeugt eine Darstellung, die, wie eingangs beschrieben wurde, falsch sein kann und zwar beispielsweise aufgrund von Verhärtungsfehlern, Streuungsfehlern oder dergleichen. Eine Korrektur kann durch einen sogenannten "zweiten Durchlauf" durchgeführt werden. Die Datensignale für die Strahlungswege durch die Matrix werden durch die Umkehr der Rückwärtsprojektion wiedergewonnen, dieses Verfahren wird auch "Vorwärtsprojektion" bezeichnet. Hierzu ist nur

^O eine Aufsummierung der Absorptionswerte für jeden Strahlengang und für alle Elemente längs dieses Strahlenganges nötig und dieses Verfahren ist ebenfalls in der britischen Patentschrift 1 283 915 beschrieben. Sie werden dann korrigiert, um die Fehler zu berücksichtigen, und die korrigierten Signale werden dann erneut einer Rückwärtsprojektion unterworfen, um so eine korrigierte Darstellung zu erhalten. Das Verfahren der Vorwärtsprojektion, Korrektur und Rückwärtsprojektion kann wiederholt werden, um so eine noch genauere Darstellung zu erhalten, falls dies gewünscht wird.

Die Korrekturen durch die Vorwärtsprojektion können auch dadurch ausgeführt werden, daß nur die Dämpfungswerte oberhalb einer bestimmten Schwelle berücksichtigt werden, aus denen Korrekturen berechnet werden, die dann bei der Rückwärtsprojektion der zuerst gewonnenen Darstellung hinzuaddiert werden. Die erste Darstellung dient also im wesentlichen nur zur Darstellung derjenigen Bereiche des Körpers, durch welche die größten Fehler ezeugt werden. Ein Beispiel für ein solches Korrekturverfahren ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 27 30 324.8 beschrieben. Die Art der Korrektur, die angewendet wird, ist jedoch nicht Teil dieser Erfindung und es kann hierfür jede geeignete Art verwendet werden. Die Erfindung betrifft vielmehr eine Verbesserung der Reihenfolge von Rückwärtsprojektion, Vorwärtsprojektion und

35 erneuerter Rückwärtsprojektion.

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■ ¹³ ' X ■ * Λ Λ V b 2

Eine Art von CT-Geräten, wie es mit Erfolg in der Medizin verwendet wird, erzeugt Datensignale für einen Satz von Strahlengängen, bei dem alle Strahlengänge des Satzes parallel zueinander verlaufen. Nach der Modifizierung und Interpolation c werden die Signa Le längs der parallelen Strahlengänge in die Matrix rückwärts projiziert. Für den zweiten Durchgang werden sie ebenfalls längs der parallelen Strahlengänge vorwärts projiziert, korrigiert und erneut längs der parallelen Strahlengänge rückwärts projiziert. Das Verfahren ist einfach, da ein Adressonwäh1 er die Signale weiterleitet und unmittelbar von einem Element zum anderen und von einem Strahlengang zum anderen springt; dies wird durch den gleichmäßigen Abstand der parallelen Strahlengänge erleichtert.

Figur 2 zei jt da;; ;l-.r Rückwärtsprojektion der Sätze von Daten folgende Verfahren für parallele Strahlengänge. Dienes Verfahren wird ofu.'.als an jtu-.'fMvltit und ist bestens eingeführt, obwohl es nicht not .vend i;e rv> ise in dar nachfolgend beschriebenen Art durchgeführt wird, l'ijiit 2 20 igt einen Teil einer kartesischen Matrix von EKiinoiitbert: h hon des zu untersuchenden Körpers 1. Jedes Element wird a Lr, restes Element mit rechteckigen Seiten aufgefaßt und ist best, imrnt durch seinen Mittelpunkt 12.

Jeder Punkt 12 entspricht einer Speicherstelle in einem Datenspeicher, in welchem die Darstellung zusammengesetzt werden soll, und die Daten wei.U>t' in dem Datenspeicher so organisiert, daß hierdurch da.. i,e. -hriebene Verfahren simuliert wird.

Die Matrixeletaente besit ή einen Abstand m und sie werden durch die Strahlen von ^ ■ ι ah i .ongiingen geschnitten, die parallel und senkrocht .■ u ir Linie 13 verlaufen. Obwohl die Strahlengänge endliche Mr.Mt·· besitzen, werden ihre entsprechenden Werte so i.eLia.i.t t ti:·, würden sie ihren Mittellinien entsprechen, welch.; jeweil·; die Linie 13 an den Punkten 14 schneiden. In der Praxis bedeutet dies, daß nicht genügend

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- ¹⁴ - 29U?52

j Strahlengänge durch alle Matrixelemente 12 hindurchgehen und die Datenwerte für die einzelnen Strahlengänge werden deshalb interpoliert, um so eine erhöhte Anzahl von Datenwerten zu schaffen, die für Strahlengänge gemessen werden könnten, deren Mittellinien die Linie 13 an den Punkten 15 schneidet. Wie erwähnt, durchdringt eine Vielzahl solcher Strahlengangsätze den Körper 1 in einer Vielzahl von unterschiedlichen Richtungen. Das Dargestellte nimmt an, daß sie gegenüber den Reihen von Matrixelementen um einen mittleren Winkel 0 geneigt sind.

Die Rückwärtsprojektion setzt voraus, daß für jede Speichersteile die modifizierten Dämpfungswerte aufsummiert werden, und zwar für die tatsächlichen Werte oder für die interpo-

)5 1 irrten Werte, und zwar für alle Strahlungswege, für jeden Satz einen,deren Mittellinie durch das entsprechende Matrixele;;iont verläuft. Die Datensignale können in beliebiger Reihenfolge den Matrixelementen zugeordnet werden. Es ist jedoch wünschenswert, eine solche Reihenfolge zu verwenden, die eine vorteilhafte Datenorgiinisation ermöglicht. Es ist deshalb üblich, einmal in eine genau bestimmte Gruppe von Speichersteilen rückwärts zu projizieren, die typischerweise eine Reihe Spalte oder Diagonale der Matrix der Elemente ist. Jedes Element dor obersten Reihe nach Figur 2 empfängt beispio 1 5;we ise von dem Satz von dargestellten Datensätzen einen Wert für einen Strahlengang, der durch die Linie 16 dargestel.lt. ist (der erste· Punkt liegt auf der Linie 13).

Dies wird dadurch erreicht, daß die interpolierten DatenjO signale in dem Speicher gehalten werden und durch die gespeicherten Werte des Sat/'.-s von einem willkürlichen Anfangspunkt aus gezählt wird, wobei gleichzeitig längs der Matrixelemente von einer Stelle zur anderen gezählt wird. Wenn der Zählvorgang beispielsweise von dem Nullpunkt O bei der ersten Stelle 12 begonnen wird, so werden die Matrixadressen durch die Schaltung in gleichen Schritten von m-Einheiten gezählt

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j und das gleiche wird für jede Matrixreihe oder Matrixspalte durchgeführt. Zur Beibehaltung der Schritte müssen die Speicheradressen der interpolierten Werte um gleiche Schritte 16 von m · cos 0 fortschreiten. Cos 0 ändert sich, wenn ein neuer Satz von Strahlengängen ausgewählt wird, ist jedoch für das Zählen längs eines Satzes konstant. Bei jedem Schritt wird der zugehörige Datenwert von der laufenden Adresse in einem Speicher zu der laufenden Adresse im anderen überführt.

Figur 3 zeigt das Flußdiagramm und die Reihenfolge der oben beschriebenen Schritte für die Rückwärtsprojektion von Daten für eine Anzahl von Sätzen von parallelen Strahlengängen bei unterschiedlichen Winkeln 0 auf eine Reihe von Matrixelementen. Dieses Diagramm spricht für sich selbst unter Berücksichtigung obiger Erklärungen und wird nicht näher beschrieben. Das Verfahren zur Vorwärtsprojektion von parallelen Daten kann in umgekehrter Folge wie beschrieben, durchgeführt werden. Alternativ können die Daten auch für die einzelnen Strahlengänge aufsummiert werden.

Bei anderen Arten von CT-Geräten werden die ursprünglichen Daten als Sätze von Signalen erzeugt, die Sätzen von Strahlengängen entsprechen, bei denen die Strahlengänge jedes Satzes fächerförmig um einen Focus verteilt sind. Der Focus kann beispielsweise die Strahlungsquelle sein, die fächerartig abstrahlt, oder es kann sich hierbei um einen imaginären Focus handeln, der durch die besondere Art der Abtastmethode bestimmt ist. Ein Verfahren, das zur Auswertung dieser fächerförmig verteilten Sätze von Signalen geeignet ist, besteht darin, diese Daten als Satz von parallelen Strahlengängen aufzufassen wovon man ausgehen kann, wenn geeignete Schritte bei der Abtastung getroffen werden. In diesem Fall wird die Rückwärtsprojektion und der zweite Durchlauf beide Male für parallele Strahlengänge durchgeführt und zwar genauso wie oben beschrieben. Diese Maßnahme ist jedoch nach-

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teilig. Ein Nachteil besteht darin, daß die Reorganisation in parallele Sätze zusätzliche Rechenvorgänge benötigt und damit die insgesamt nötige Auswertzeit erhöht.

Ein anderes anwendbares Verfahren zur Auswertung der Daten besteht darin, eine Verbesserung der erwähnten Umlaufmethode anzuwenden, die für Sätze von Daten für fächerförmig verteilte Strahlungsgänge geeignet ist. Eine entsprechende Abwandlung ist in der US-Patentschrift 4 088 887 beschrieben

IQ und die Theorie einer solchen Abwandlung ist außerdem in "Reconstruction using divergent-ray shadowgraphs" aus "Reconstru c tion tomography in diagnostic radiology and nuclear medicine" ed. Ter-Pogossian u.a., Seiten 105 bis 117, 1977, Universität Park Press, Baltimore, von Hermann, Lakshminarayanan and Narparstek und anderen beschrieben worden.

Wenn ein solches alternatives Verfahren angewendet wird, wird die Rückwärtsprojektion ebenfalls längs der fächerverteilten Strahlengänge durchgeführt. Dies ist relativ unproblematisch, da die Stellungen der Strahlungsgänge und der Elemente der Matrix vorher bekannt sind. Ein Adressenwähler kann so schrittweise von einem Matrixelement zum anderen längs der Strahlungsgänge und zwischen den Strahlungsgängen bewegt werden.

Figur 4 zeigt einen Teil der gleichen Matrixelemente 12 wie Figur 2, die durch fächerförmig verteilte Strahlungsgänge geschnitten werden. Es wird angenommen, daß die Strahlungsgänge zwischen den Linien 17 sich über einen Winkel von einem Focus 18, bei dem es sich um die Strahlungsquelle handeln kann, aus erstrecken. Die modifizierten Daten für abgestrahlte Strahlungsgänge sind interpoliert und die damit erhöhte Anzahl von Strahlungsgängen, für welche Daten zur Verfügung stehen, ist durch die Punkte 15 dargestellt, an denen diese einen Bogen um den Mittelpunkt 18 schneiden. Wie bei den

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Γ - «7 - Π

2 9 4 Λ 2 5

. parallelen Strahlungsgängen werden auch hier wieder die Daten für diese interpolierten Strahlungsgänge gespeichert und es ist wünschenswert, diese den Stellen für die Elemente des Matrixspeichers zu übertragen, so daß jedes Element die Datenwerte für denjenigen Strahlengang aufnimmt, der demjenigen Strahlengang am nächsten kommt, der durch den Mittelpunkt hindurchgeht.

Das Verfahren für diese Rückwärtsprojektion ist im wesentli_in chen das gleiche wie im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben, für gleiche Adressenschritte längs der Matrixreihen müssen jedoch die interpolierten Speicheradressen um unterschiedliche Schritte in Abhängigkeit vom Winkel 0 weiter bewegt werden, nämlich dem Neigungswinkel eines einzelnen Strahlungsganges in Bezug auf die Matrixspalten. Vom Ursprung 0 ausgehend erfordert jeder aufeinanderfolgende Schritt längs der Matrixreihe einen größeren Schritt längs des Strahlenganges 15. Wenn die Adressen im Speicher für die interpolierten Daten durch die Vierte von 0 dargestellt werden, wie dies üblieh ist, dann ist für ein bestimmtes Matrixelement χ +nm von 0 der richtige interpolierte Datenwert, der ausgewählt und der entsprechenden Matrixspeicherstelle zugeführt wird, bestimmt durch

(x + nm)

0 = arctan— von 0.

Y

Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein zusätzlicher als Abfragetabelle dienender Speicher vorgesehen wird, dieser Arcustangens-Speicher muß jedoch für jeden Schritt zugänglich sein.
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Ein Flußdiagramm ähnlich nach Figur 3 jedoch für die Rückwärtsprojektion von fächerförmig verteilten Strahlen zeigt Figur 5. Die Vorwärtsprojektion ist ähnlich. Es ist ersichtlich, daß das Verfahren länger ist als das nach Figur 3, mindestens wegen der nötigen Berechnung von ((x +nm)/Y), und wegen der Notwendigkeit der Bestimmung des Arcustangens davon

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r - ie -

aus dem Abfragespeicher, was in der inneren der drei Schleifen erfolgen muß, wo es für jeden neuen Matrixpunkt ausgeführt werden muß. Im Gegensatz hierzu wird im Falle des parallelen Satzes nach Figur 2, bei dem zwar auch die Bestimmung von cos 0 aus dem Abfragespeicher vorgesehen ist, diese Bestimmung in der äußeren Schleife durchgeführt und muß daher nur einmal für jeden Satz von Strahlengängen ausgeführt werden.

Wegen der ungleichförmigen Art dieser divergierenden Strahlungsgänge wird die Rückwärtsprojektion notwendigerweise wesentlich langer als für die parallelen Strahlengänge. Es ist trotzdem weiterhin von Vorteil, diese Zunahme in der Rückwärtsprojektionszeit in Kauf zu nehmen, wegen der Vorteile der Auswertung der Daten für fächerförmig verteilte Strahlengänge.

Üblicherweise wird bei diesem System zunächst die Rückwärtsprojektion, dann die Vorwärtsprojektion (zwecks Korrektur) und dann wieder die Rückwärtsprojektion angewendet und zwar jeweils längs der fächerförmig verteilten Strahlengänge.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß nicht notwendigerweise die Rückwärtsprojektion und der zweite Durchgang bei denselben Strahlengängen durchgeführt werden muß. Die erste Rückwärtsprojektion der modifizierten Daten muß bei fächerförmig verteilten Strahlengängen durchgeführt werden, bei denen sie ursprünglich gemessen werden (einschließlich der interpolierten dazwischenliegenden Strahlengänge), wenn die Daten nicht neu gewonnen werden sollen. Der zweite Durchgang braucht jedoch nicht mit den Strahlungsgängen, mit denen bestrahlt wurde, durchgeführt werden, es ist nur nötig, daß die gleichen Strahlungsgänge sowohl für die Vorwärts-als auch für die anschließende Rückwärtsprojektion benutzt werden. Für den zweiten Durchlauf können beliebige Strahlengänge benutzt werden, die eine im wesentlichen gleichförmige Ver-

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^Γ -ir

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teilung über die Matrix besitzen. Es wird vorgeschlagen, daß der zweite Durchgang mit einem Satz von parallelen Strahlengängen durchgeführt wird, die im wesentlichen gleichförmige Verteilung besitzen, so daß die relativ kürzere Zeit, in weleher die Vorwärts- und Rückwärtsprojektion mit parallelen Strahlengängen durchgeführt werden kann, die gesamte Auswertzeit wesentlich verkürzt. Das Auswerten kann ferner dadurch beschleunigt werden, daß weniger Sätze von Strahlengängen oder weniger Strahlengänge in jedem Satz oder beides zusammen fü_r den zweiten Umlauf benutzt werden, da diese ja nur für die Korrektur einer schon bestimmten Darstellung benutzt werden, wofür Daten von reduzierter räumlicher Häufigkeit benutzt werden können.

Figur 6 zeigt ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Daten, die bei 19 in den Speicher eingegeben werden, werden bei 20 modifiziert und zwar nach einem Verfahren, wie es beispielsweise in der US-Patentschrift 3 924 beschrieben ist, jedoch weiterhin modifiziert, wie dies oben

^O für die Aufbereitung von Daten für Strahlengänge bei einer fächerförmigen Verteilung erklärt wurde. Die Modifikationen können bei Bedarf jede beliebige Form annehmen. Die Daten werden dann bei 21 interpoliert, um so Daten für eine vergrößerte Anzahl von Strahlengängen zu gewinnen, so daß ein Strahlengang jeweils ausreichend nahe an jedem Matrixelement zu liegen kommt. Eine bestimmte bevorzugte und geeignete Art der Interpolation ist in der US-PS 4 002 910 beschrieben.

Die erste Rückwärtsprojektion bei 22 erfolgt für eine Fächer-³^ verteilung der Strahlungsgänge, wie dies im Zusammenhang mit den Figuren 4 und 5 beschrieben ist, oder in einer anderen Art und Weise.

Die Vorwärtsprojektion bei 23 und die zweite Rückwärtsprojektion bei 24 werden gemäß der Erfindung mit parallelen Strahlungsgängen durchgeführt. Dies kann beispielsweise so ge-

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schehen, wie dies im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 beschrieben ist. Es sei jedoch daran erinnert, daß die Vorwärts- und Rückwärtsprojektion von Daten für parallele Strahlengänge ein inzwischen weit verbreitetes Verfahren ist, wie es beispielsweise in der US-PS 3 778 614 beschrieben ist, und wie es mit den verschiedenartigsten Variationen bekannt ist.

Die Verbesserung nach der Erfindung hängt nicht von der Art des jeweils verwendeten Verfahrens ab, weder für die Fächerverteilung noch für die Parallelverteilung. Die Erfindung resultiert aus der Tatsache, daß es für die Vorwärts- und zweite Rückwärtsprojektion nicht notwendig ist, bei den Strahlengängen zu bleiben, wie sie tatsächlich abgestrahlt werden, oder wie sie für die erste Rückwärtsprojektion benutzt werden, daß also hierfür nicht die gleiche Auswertung benutzt werden muß, wie für die erste Rückwärtsprojektion und daß trotz der Notwendigkeit, zusätzliche Hardware bzw.Extraalgorithmen für einen Computer, der solche Hardware nachbildet, die Verbesserung der Auswertzeit eine solche gemischte Auswertung rechtfertigt.

Der Schrxtt 25 zur Korrektur der Verhärtung, Korrektur der Streuung und andere Korrekturen macht die Schritte 23 und 24 nötig und die Erfindung stellt eine Verbesserung dieser Schritte dar. Die Erfindung ist jedoch auf jede Art eines solchen Korrekturschrittes 25 anwendbar, der eine Vorwärtsprojektion nötig macht, und die Erfindung ist daher nicht auf das tatsächliche Ausführungsbeispiel beschränkt.

Figur 6 umfaßt noch eine Rezirkulationsschleife zur Korrektur, bis ein befriedigendes Ergebnis erreicht ist. Dies ist nicht notwendig, wenn es nicht erwünscht ist, da eine feste Anzahl von Korrekturen einschließlich von nur einer Korrektur, ausreichend sein kann.

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^Γ -21-

2 y ^ 4 2 b 2 Die anschließenden Verfahren wurden oben erläutert und zwar als Schlußdiagramme, um die Reihenfolge der Einwirkung auf die Signale besser zu erläutern. Sie werden üblicherweise in der Praxis durch speziell ausgebildete Schaltkreise durchgeführt, deren Art speziell auf die jeweiligen CT-Abtastgeräte angepaßt sind, bei denen sie verwendet werden sollen. Figur 7 zeigt den Prinzipaufbau eines solchen gewünschten Schaltkreises.

Die aus dem Auswertkreis 5 kommenden Daten werden im Speicher 26 gespeichert, bevor sie dem Modifikationskreis 27 zugeführt werden. In üblicher Weise wird ein Zwischenspeicher 26 verwendet, der jedoch nicht unbedingt nötig ist. Die Schaltung 27 ist ein typisches Beispiel für die Anwendung des Um-Wälzverfahrens, wie es in der britischen Patentschrift 1 471 531 beschrieben ist, sie kann jedoch auch anders aufgebaut sein. Die Schaltung 27 ist natürlich auch geeignet für die Auswertung von fächerförmig verteilten Strahlungsgängen, wenn sie für die Erfindung geeignet sein soll. Die Daten werden dann in der Schaltung 28 interpoliert, beispielsweise wie dies in der britischen Patentschrift 1 515 307 beschrieben ist und dann in der Schaltung 29 rückwärts projiziert, wie dies in der britischen Patentschrift 1 283 915 beschrieben ist, und zwar in einen Matrixspeicher 30. Die bisher beschrie benen Schaltungen sind bekannt.

Gemäß der Erfindung werden die Signale in dem Matrixspeicher in der Schaltung 31 vorwärts projiziert und so Signale erzeugt, die parallelen Strahlungsgängen entsprechen, die in dem Zwischenspeicher 32 gespeichert sind. Die Schaltung 31 arbeitet ähnlich, wie sie in der britischen Patentschrift 1 283 915 beschrieben ist, wo die Rückwärts- und Vorwärtsprojektion erstmals beschrieben wurde, und wie bei CT-Abtastern, mit der Ausnahme, daß diese Auswertung bisher noch nicht in dieser Stufe des Gesamtverfahrens angewendet wurde.

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Γ Π

ι Die Signale im Speicher 32 werden dann in der Schaltung 33 korrigiert, und zwar für Knochenverhärtung oder Streuung oder anderen Fehlern; die Schaltung berücksichtigt das zuerst erzeugte Bild im Speicher 30. Es sei nochmals darauf hinge-

c wiesen, daß die Art der gewünschten Korrekturen nicht Teil der Erfindung ist.

Die korrigierten Signale werden dann erneut rückwärts projiziert und zwar durch die Schaltung 34 in den Matrixspeicher

^O 30, wo die zuerst gewonnene Darstellung gegebenenfalls ersetzt wird. Da die Signale für parallele Strahlungsgänge gewonnen wurden handelt es sich hierbei um eine Parallel-Rückwärtsprojektion, wie sie für CT-Abtastgeräte aus der britischen Patentschrift 1 283 915 bekannt ist. Die Schaltungen 34 und 31 können identisch sein, sie arbeiten jedoch in unterschiedlicher Reihenfolge und sie können außerdem die Schaltung 29 mit geeigneter Modifikation enthalten. Sämtliche getrennt dargestellten Speicher können in der Praxis durch ein und denselben Speicher gebildet sein.

Wie eingangs erwähnt, würde die korrigierte Darstellung des Speichers 30 dann als Ausgangssignal der Anzeigeschaltung 8 zugeführt.

Die dargestellten Schaltkreise können natürlich auch durch einen geeignet programmierten digitalen Computer oder einen für spezielle Zwecke ausgelegten Computer ersetzt werden. Das nötige Programm besteht in dem Haupttransport von Daten von einer Form der Speicherung zur anderen mit geeigneter Beeinflussung der Adressenwahl zu deren Wiedergewinnung und Kombination.

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VOSSIUS VOSSIUS HILTL TAUCHN ER H EUMEMANN RAUH PATtN IaNWÄLTH SIEBERTSTRASSE 48OOO MÜNCHEN 86 · PHONE: (O89) 47 AO 73 CABLE: BENZOLPATENT MÖNCHEN- TE LE X 5-29 453 VOPAT D u.Z.: P 376 Case: PQ 30392 EMI LIMITED Hayes, Middlesex, Großbritannien 10 " Verfahren und Anordnung zum Auswerten der durch eine radiologische Schichtaufnahme an einem Patienten gewonnenen Datensignale " Priorität: 2. November 1978, V.St.A., Nr. 957 101 Patentansprüche "^

1. Verfahren zum Auswerten der durch eine radiologische Schichtaufnahme an einem Patienten gewonnenen Sätze von Datensignalen, die einer Strahlungsabschwächung längs einzelner unter einem Winkel zueinander in fächerförmiger Verteilung durch den Körper des Patienten durchdringenden Strahlengänge entsprechen, bei dem diese Datensignale zuerst durch Rückwärtsprojektion auf Matrix-Elementbereiche der Aufnahmeschicht ausgewertet, dann durch Vorwärtsprojektion korrigiert und die korrigierten Datensignale durch erneute Rückwärtsprojektion weiter ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärtsprojektion und anschließende erneute Rückwärtsprojektion längs gedachter paralleler Strahlengänge in der Aufnahmeschicht durchgeführt wird.

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Γ . 2 _

,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärts- und anschließende Rückwärtsprojektion wiederholt durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärts- und anschließende Rückwärtsprojektion längs einer geringeren Anzahl von Strahlengängen je parallelem Strahlengangsatz durchgeführt wird, als die vorangehende Rückwärtsprojektion längs der fächerförmig verteilten Strah-IQ lengänge.

4. Verfahren zum A'iswerten der durch eine radiologische Schichtaufnahme an einem Patienten gewonnenen Sätze von Datensignalen, die einer Strahlungsabschwächung längs einzelner unter einem Winkel zueinander in fächerförmiger Verteilung durch den Körper des Patienten durchdringenden Strahlengänge entsprechen, und zum Erzeugen einer Darstellung der Verteilung der Strahlungsabschwächung in der Körperschicht, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Modifizieren der Datensignale durch Kombination mit gewichteten Beiträgen von anderen Signalen des gleichen Satzes,

b) Verteilen eines modifizierten Datensignals jedes Satzes auf jedes Element einer in der Schicht gedachten Matrix, wobei die Datensignale jeweils einem, der Strahlengänge der fächerförmigen Verteilung entsprechen, der das Element oder einen Interpolationswert zwischen den modifizierten Datensignalen schneidet und einem gedachten, dieses Element schneidenden Strahlengang zugeordnet ist, um eine erste Abschätzung der Darstellung zu bilden,

c) Ableiten von gedachten Datenwerten der Abschwächung aus der ersten Abschätzung, wobei diese Datenwerte die Abschwächung wiedergeben, die in einem Körper mit der abgeschätzten Abschwächungsverteilung auf Strahlengängen jedes Satzes paralleler Strahlengänge der Verteilung auftreten würde,

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d) Korrigieren der gedachten Datenwerte auf Fehler bei unterschiedlicher Abschwächungsverteilung in verschiedenen Teilen des von der Strahlung durchlaufenen Körpers und e) erneutes Verteilen der korrigierten, gedachten Datenwerte der Matrixelemente zur Erzeugung einer weiteren Abschätzung der auf Fehler korrigierten Darstellung.

5. Verfahren zum Auswerten von Datensignalen, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, die der Abschwächung von Strahlung längs einzelner Strahlengänge entsprechen, die im Winkelabstand voneinander in einer Vielzahl von fächerförmigen Verteilungen dieser Strahlengänge verlaufen und durch den Körper des Patienten gerichtet sind, zur Darstellung der Verteilung der Abschwächung der Strahlung in einer Schicht des Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Datensignale durch Kombination mit bewerteten Beiträgen von anderen Signalen des gleicher, Satzes modifiziert werden und zwischen den modifizierten Datensignalen interpoliert wird und so Datensignale für eine größere Anzahl von Strahlungswegen mit gegenseitigem Winkelabstand in der fächerförmigen Verteilung zu erhalten,

b) die originalen und durch Interpolation erhaltenen Datensignale auf die Elemente einer Matrix von gedachten Elementen in der Schicht rückwärts projiziert werden,

c) aus dieser Matrix längs einer Vielzahl von Sätzen von

gedachten parallelen Strahlengängen in dieser Schicht vorwärts projiziert werden, um so Abschwächungsdaten für diese gedachten Strahlengänge zu erhalten,

d) die Abschwächungsdaten für die gedachten Strahlungsgänge

bezüglich Fehler korrigiert werden, die auf die Verteilung der Abschwächung in verschiedenen Teilen der Schicht zurückzuführen sind, und

e) die korrigierten Abschwächungsdaten längs dieser parallelen

Strahlungsgänge auf diese Matrix rückprojiziert werden,

um so eine Darstellung der Verteilung der Dämpfung zu erhalten, bei der mindestens teilweise diese Fehler korrigiert sind.

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6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte zur Erlangung der gedachten Datenwerte, Korrektur und Wiederverteilung zur weiteren Korrektur der Darstellung wiederholt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehler solche umfassen, die auf eine Änderung der Härte der Strahlung längs der Strahlengänge zurückzuführen sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Fehler solche Fehler umfassen, die durch Streuung dieser Strahlung der Strahlengänge durch

das Material des Körpers verursacht sind. 15

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte c) und e) mit einer geringeren Anzahl von Strahlenwegen in jedem parallelem Satz ausgeführt werden, als sie bei der» fächerförmig verteilten Sätzen von Strahlungsgängen im Schritt b) benutzt werden.

10. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Modifikationsschaltung (27), in welcher die Datensignale mit bewerteten Beiträgen von anderen Signalen des gleichen Satzes modifiziert werden, eine Rückwärtsprojektionsschaltung (29), welche jedem Element einer Matrix von Elementen, die in der Schicht gedacht sind, ein modifiziertes Datensignal zuordnet

und zwar von jedem Satz, der im entsprechenden der Fächeren

Verteilung der Strahlungsgänge, die dieses Element schneiden, oder einem zwischen den modifizierten Datensignalen interpolierten Wert und damit einem gedachten Strahlungsgang, der dieses Element schneidet, entspricht, einen Speicher (30) mit Speicherstellen für jedes der Matrixelemente, in welchem die

modifizierten Da.tensignale auf die entsprechenden Elemente verteilt und für eine erste Abschätzung der gewünschten Dar-

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Stellung gesammelt werden, eine Vorwärtsprojektionsschaltung (31), die aus diesen gespeicherten Signalen diejenigen Datensignale von Matrixelementen abzieht, die längs eines Strahlungsweges einer Vielzahl von Sätzen von parallelen Strahlungswegen in der Schicht liegen, diese aufsummiert und Signale erzeugt, die Dämpfungen entsprechen, welche durch Strahlung erzeugt würde, die längs solcher paralleler Strahlungswege durch diese Elemente hindurchtreten würden, v/enn die erste Abschätzung richtig wäre, einen Korrekturkreis (33), durch welchen die gedachten Datenwerte für die Fehler, die auf unterschiedliche Verteilung der Abschwächung in verschiedenen Teilen des Körpers zurückzuführen sind, korrigiert werden und durch eine Rückwärtsprojekt ionsschaltung (34), welche die korrekten Datensignale für diese parallelen Strahlegänge auf die Speichers tollen der. Speichers verteilen, wel chen diesen Matrixe.1 enienten entsprechen, wobei die Verteilung auf Speicherstellen erfolgt, welche den Elementen entsprechen, die durch diese parallelen Strahlengänge geschnitten würden, ui» no eine neue Abschätzung für die Darstellung zu gewinnen.

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