DE29904286U1

DE29904286U1 - Optischer Tomograph

Info

Publication number: DE29904286U1
Application number: DE29904286U
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1999-03-10
Filing date: 1999-03-10
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2009-03-11

Description

1 Optischer Tomograph

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen optischen Tomographen, welcher als Lehrmittel für die medizintechnische Ausbildung sowie als Tomographieapparat für die Untersuchung an optisch teiltransparenten Objekten geeignet ist. Durch das bezeichnete Modell wird die Funktionsweise eines realen CT-Scanners der dritten Generation (Fächerstrahlprinzip) nachgebildet. Die Datenaufnahme geschieht auf Basis der Durchstrahlung des Untersuchungsvolumens mit sichtbarem Licht.

Neben dem vorrangigen Einsatzes des Modells in der höheren medizintechnischen Ausbildung erlaubt dieses Gerät eine Anwendung für relevante Problemstellungen der nichtinvasiven Untersuchung bestimmter Objekte, wie etwa teiltransparenter Glas- und Kunststoffkörper.

Die medizintechnische Ausbildung erfolgt heutzutage zumeist in Form theoretischer Ausbildung (beispielsweise durch Vorlesungen und Seminare an Hochschulen) bzw. durch Praktika an konkreten CT-Anlagen. Wegen der hohen Anschaffungs-, Betriebs- und Wartungskosten sowie den Verfügbarkeitserfordernissen im klinischen Betrieb solcher Anlagen ist es kaum möglich, CT-Scanner im ausreichenden Maße für die Lehre bereitzustellen. Ebenfalls problematisch ist der Umgang mit ionisierender Röntgenstrahlung welche zwangsweise bei solchen Anlagen auftritt, wodurch im Falle von Demonstrationsmodellen weitere Kosten für notwendige Strahlenschutzmaßnahmen entstehen.

Zum heutigen Zeitpunkt gibt es auf dem Markt keine kommerziell verfügbaren Tomographenmodelle, welche die Funktionsweise der Computertomographie adäquat demonstrieren. Die vorliegende Erfindung schließt damit eine Lücke in der Existenz von Lehrmitteln für die medizintechnische Ausbildung.

Bei Röntgensektor-Scannern der dritten Generation erfolgt eine Durchstrahlung des Untersuchungsvolumens mit Hilfe eines Röntgenfächerstrahls. Auf dem rotierenden Träger (Rotor) des Scanners befindet sich dazu eine Röntgenröhre, deren Strahlungskegel durch geeignete Blenden und Abschirmungen auf ein in axialer Richtung sehr schmales und in der Querschnittsebene des Untersuchungsvolumens als Sektor (Fächer) geformtes Strahlungsbündel begrenzt ist. Auf dem der Röntgenröhre gegenüberliegenden Teil des Rotors ist ein bogenförmiges Array von Strahlungdetektoren angeordnet. Mit diesen Detektoren wird die aus

dem Röntgenanodenfokus austretende Strahlung nach Durchgang und Schwächung durch das Untersuchungsvolumen in strahlungsleistungsproportionale elektrische Signale gewandelt und diese an einen verarbeitenden Rechner übertragen.

Durch den Röntgenanodenfokus und die strahlungssensitive Fläche der Detektoren sind geometrische Meßkanäle festgelegt. Ein im Meßkanal von der Quelle zum Detektor verlaufender Röntgenstrahl erfährt eine integrale Schwächung A entlang seines Weges, welche quantitativ durch das logarithmische Verhältnis der gemessenen Strahlungsintensität I am Detektor zur Anfangsintensität Io der Quelle beschrieben wird. Für Röntgenstrahlung gilt der Zusammenhang

j Detektor

A= -log-= J//(j)flfc (1)

0 Quelle

mit dem Wegparameter s sowie dem Schwächungskoeffizienten &mgr;.

Zur Ermittlung der Schwächungsverteilung &mgr;(&khgr;,&ngr;) in der tomographischen Schnittebene wird durch den Röntgenscanner ein Satz sogenannter Projektionen aufgenommen. Als Projektion wird dabei die Gesamtheit der in einer rotatorischen Position an den Detektoren aufgezeichneten Schwächungswerte bezeichnet. Diese geben in der durch die Detektorposition auf dem Detektorbogen festgelegten Ordnung das Schwächungsprofi 1 des Untersuchungsvolumens innerhalb der Untersuchungsschicht fur die aktuelle Position des Quell-Detektorsystems an. Zu einem vollständigen Datensatz gelangt man durch sukzessive inkrementelle Rotation des Meßsystems in möglichst kleinen Winkelschritten &Dgr;&phgr;, wobei in jedem Schritt eine neue Projektion gemessen und dem Rechner zur Verarbeitung übergeben wird.

Nach einer abgeschlossenen Drehung der Meßanordung um 360° liegt ein vollständiger Projektionsdatensatz der Untersuchungsschicht vor, welcher als Sinogramm bezeichnet wird. Dieser kann durch die Software des angeschlossenen Computers mittels verschiedener mathematischer Algorithmen zur einem Schnittbild verrechnet werden. Dieses Schnittbild gibt visuell die innerhalb der Auflösungsgrenzen des Meßsystems rekonstruierbare Verteilung &mgr;(&khgr;,&ngr;) des Schwächungskoeffizientens im Untersuchungsvolumen wieder und liefert damit eine überlagerungsfreie Darstellung von Strahlungsabsorbierenden Strukturen, welche sich in der selektierten Untersuchungsschicht befinden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung anzugeben, die die Funktionsweise eines Röntgensektor-Scanners der dritten Generation adäquat nachbildet und' dabei ohne Röntgenstrahlung auskommt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung mit den im Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß auf dem von dem Winkel beschriebenen Kreisbogen eine Mehrzahl von optischen Strahlungsquellen an der Halteeinrichtung befestigt sind, deren Lichtstrahlung auf einen optischen Empfänger kollimiert ist, der im Scheitel des Winkels an der Halteeinrichtung befestigt ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die besonderen Vorteile der vorliegenden Erfindung sind:

- die adäquate Modellierung des Datenaufnahmeprinzips der Röntgen-CT durch ein optisches
Meßverfahren

- die direkten Kopplung der realen tomographischen Datenaufnahme mit der Demonstration
des Bildrekonstruktionsprozesses durch die Software des angeschlossenen Computers

die Verwendung einer nichtionisierenden Strahlungsart

- die durch die technische Umsetzung gewährleisteten geringen Kosten des Modells.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Tomographen in Frontansicht

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Tomographen in Seitenansicht

Fig. 3 eine schematische Darstellung von Einzelheiten

Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Tomographenelektronik

Fig. 5 ein Signaldiagramm zur Tomographenelektronik

Fig. 6 einen Aufbau eines Drahtgitterphantoms

Ein erfindungsgemäßer optischer Tomograph besteht entsprechend Fig. 1 und 2 aus einer Grundplatte 1, auf der eine Statoreinheit 2 angebracht ist. Der Rotor ist in Form einer Rotortrommel 8 ausgeführt. An der Frontseite dieser Rotortrommel 8 befindet sich das optische Meßsystem, welches aus einem optischen Empfänger 24 sowie einem gegenüberliegend angeordneten kreisbogensegmentförmigen Quellenarray 6 besteht. In die Öffnung der Rotortrommel 8 können entsprechende Untersuchungsobjekte 19 eingeschoben werden, welche innerhalb der durch das optische Meßsystem festgelegten Schnittebene durchstrahlt werden. Ein

vor dem Grundgerät angeordnete Positioniereinrichtung mit Objekthalter 18 ermöglicht das Fixieren der Untersuchungsobjekte 19 sowie die Festlegung deren Position und axialer Lage im Untersuchungsbereich während der Messung.

Auf dem Mantel der Rotortrommel 8 befinden sich diverse elektronische Baugruppen. Die Rotortrommel 8 kann durch eine Haube 3 abgedeckt werden. Weiterhin befinden sich auf der Rotortrommel 8 ein Positionsgeber PGO zur Erkennung der Winkelnullposition der Rotortrommel 8 sowie ein weiterer Positionsgeber PGl zur Bestimmung der aktuellen Drehwinkelposition.

Die Statoreinheit 2 des Gerätes enthält diverse elektronische Baugruppen (Netzteil, Motorsteuerung, Dateninterface). Die Kraftübertragung vom Motor 9 auf die Rotortrommel 8 erfolgt über ein Getriebe, wobei die Rotortrommel 8 an beiden Trommelstirnseiten an der Statoreinheit 2 entsprechend gelagert 12, 13 ist. Die elektronische Kopplung zwischen Statoreinheit 2 und Rotortrommel 8 erfolgt über Schleifkontakte.

Mit dem vorliegenden optischen Tomographen wurde das Prinzip der Röntgencomputertomographie mit Hilfe eines optischen Meßsystems nachgebildet. Dazu befindet sich ein auf optischer Durchstrahlung des Probevolumens basierendes Meßsystem auf der Rotortrommel 8 des Scanners. Die Rotortrommel 8 ist im Stator 2 gelagert und wird über einen Asynchronmotor 9 und ein Getriebe angetrieben. Die Drehgeschwindigkeit der Rotortrommel 8 ist mit Hilfe eines Potentiometers stufenlos regelbar.

Die auf der Rotortrommel 8 angeordnete optische Meßanordnung weist entsprechend Fig. 3 ein Kreisbogensegment auf, auf welchem eine Vielzahl optischer Strahlungsquellen 21 angeordnet ist sowie einen in Richtung der Quellen ausgerichteten optischen Empfänger 24. Das Besondere der Meßanordnung im Vergleich zu einem Röntgenscanner besteht darin, daß bei dieser Anordnung die Durchstrahlung mit einer Vielzahl von optischen Strahlungsquellen 21 und nur einem Empfänger 24 realisiert wird. Diese Variante ist konstruktiv einfacher zu realisieren und mit geringeren Kosten verbunden. Die im Kreisbogensegment angeordneten Strahlungsquellen 21 sind mit ihrem Abstrahlkegel kollimiert auf den im Scheitel des Winkels angeordneten optischen Empfänger ausgerichtet. Die Kollimation wird dabei durch entsprechende im Quellensegment 6 eingearbeitete Kanäle realisiert. Die Begrenzung der Strahlungsausbreitungsrichtung auf einen dünnen Kanal wurde zur Reduktion von reflexionsbedingten Aufnahmestörungen vorgesehen. Der optische Empfänger ist durch entsprechende Blenden 7 ebenfalls in seiner Empfangscharakteristik auf den durch die Lage und Geometrie des Quellensegments 6 festgelegten Richtungsbereich beschränkt, so daß mit Hilfe

dieser Blendenanordung ein maximaler Ausschluß von Fremdlichteinflüssen bei der Messung gesichert wird.

Die für eine Datenaufnahme erforderliche Bestimmung des Rotationswinkels wird mit Hilfe des Winkelpositionsgebers PGl auf der Rotortrommel 8 realisiert. Dieser besteht aus einer Lochscheibe und einem optischen Geber, von welchem in jedem Winkelschritt ein elektronischer Impuls geliefert wird. Zusätzlich befindet sich auf der Rotortrommel 8 ein zweiter Positionsgeber (PGO), welcher in einer definierten Winkelposition (Nullposition) ein elektrisches Signal liefert, welches den Nulldurchgang (erste Projektion) der Rotortrommel 8 kodiert. Mit beiden Postionsgebern kann die Absolutposition des Rotors bei kontinuierlicher Bewegung bestimmt werden.

Die Aufnahme eines tomographischen Datensatzes erfolgt nach dem in Fig. 5 dargestellten Verfahren. Beim Auslösen eines elektrischen Impulses durch den Winkelpositionsgeber PGl wird eine einzelne Projektionsaufnahme gestartet. Dazu wird ein Zählvorgang an einer elektronischen Zähler-Decoder-Schaltung ausgelöst, welcher die // Strahlungsquellen 21 sequentiell und einzeln für einen kurzen Zeitraum anschaltet. Das Licht der geschalteten Strahlungsquelle 21 gelangt durch das Untersuchungsvolumen zum optischen Empfänger 24 und wird möglicherweise an Objekten, welche sich im Meßvolumen befinden, ganz oder teilweise absorbiert. Der Photodetektor wandelt den eingehenden Lichtfluß in ein proportionales elektrisches Signal um und gibt dieses an den Analogdatenmultiplexer weiter.
Der Analogdatenmultiplexer hat die Aufgabe, das vom Detektor gelieferte photometrische Meßsignal mit einer analogen Kodierung der Positions- und Kanalinformation zu mischen. Dazu wird beim Umschalten zwischen zwei Strahlungsquellen 21 jeweils ein definiertes elektrisches Signal, welches außerhalb des dem optischen Empfänger 24 zugeordneten Signalwertebereiches liegt (beispielsweise negative Spannung -Ui) für einen Bruchteil der Anschaltzeit der Strahlungsquelle 21 auf den Ausgang des Analogdatenmultiplexers geschalten. So wird im zeitlichen Ausgangsdatenstrom das Umschalten der Strahlungsquellen 21 innerhalb der Projektionsaufnahmen kodiert. Die Kodierung der Nullpositionsinformation erfolgt durch Zuschalten eines zweiten definierten elektrischen Signals, welches außerhalb des dem optischen Empfänger 24 zugeordneten Signalwertebereiches liegt (beispielsweise zweite negative Spannung -U2) auf den Ausgang des Datenmultiplexers für die Zeitdauer der gesamten ersten Projektionsaufnahme. Diese Kodierung ermöglicht eine Bestimmung der ersten Projektion durch die Software des nachgeordneten Computers.

Mit dieser Realisierung der Meßwert- und Positionsinformationskodierung wird gewährleistet, daß alle für die tomographische Rekonstruktion erforderlichen Informationen unidirektional vom Tomographen zum Computer entsprechend Fig. 4 übertragen werden. Die physikalischen Übertragung der elektrischen Signale zum Computer erfolgt dabei zunächst über Schleifkontakte zum Stator und von dort über ein (geschirmtes) elektrisches Kabel zur Datenerfassungskarte des Computers.

Durch den optischen Modelltomographen wird am Analogausgang ein wie im Diagramm nach Fig. 5 skizzertes Signalmuster zum Computer übertragen. Dieser konvertiert mittels einer Datenerfassungskarte mit hoher Geschwindigkeit die Spannungswerte in eine entsprechende computerinterne Darstellung und speichert die Werte in einem linearen Feld. Zur Wiederherstellung der Dateninformation in Sinogrammform wird ein entsprechender Computeralgorithmus angewendet, welcher die erfaßten Meßwerte aufgrund der wie oben beschrieben kodierten Kanal- und Positionsinformation ihren Positionen in ein zweidimensionales Intensitätssinogramm entsprechend der Projektionsnummer und der Projektionskanalnummer sortiert. Anschließend werden aus den Intensitätswerten die resultierenden Schwächungswerte nach Formel (1) berechnet.

Zur Bestimmung der Schwächung nach Formel (1) ist die Kenntnis der Quellintensität I₀ erforderlich. Diese wird mit Hilfe eines Kalibriervorgangs bestimmt. Dazu wird mit dem Tomographen ein Datensatz aufgenommen, wenn sich keine Objekt im Untersuchungsvolumen befinden. Das so ermittelte Intensitätssinogramm enthält die &Igr;&ogr;-Werte für alle Projektionen und Projektionskanäle und wird zur weiteren Verarbeitung computerintern abgespeichert.

Zusätzlich zur Messung der ungeschwächten Quellintensität Io ist es notwendig, die Dunkelsignale beim Meßvorgang zu berücksichtigen. Infolge nicht auszuschließenden Umgebungslichtes wird vom Photodetektor auch im Dunkelzustand aller Strahlungsquellen eine Untergrundlichtintensität gemessen. Diese ist vom Hellwert der Durchstrahlung zu subtrahieren, um den tatsächlichen Signalhub am Detektor infolge des Anschaltens der Strahlungsquellen zu bestimmen. Das Dunkelsignal wird dazu in jeder Projektion mitgemessen und durch die Software verarbeitet.

Die Berechnung von computertomographischen Bildern aus den mit dem oben beschriebenen Verfahren aufgenommenen Sinogrammdaten erfolgt mit den aus der Computertomographie

bekannten analytischen und algebraischen Rekonstruktionsalgorithmen. Dazu werden spezielle Lehr- und Demonstrationsprogramme eingesetzt.

Für Untersuchungen mit dem Modelltomographen geeignet sind prinzipiell alle lichtabsorbierenden Objekte. Dabei gilt die Einschränkung, daß nur unter bestimmten Bedingungen die aus der Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie ableitbaren Schwächungsgesetze, insbesondere der in Formel (1) angegebene lineare Zusammenhang, angewendet werden können. Infolge der für optische Strahlung spezifischen Probleme der Lichtbrechung, Lichtreflexion und Lichtstreuung sind nur wenige Untersuchungsobjekte geeignet, die eine ideal lineare Schwächungswirkung auf die eingesetzte optische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich ausüben. Zu solchen Objekten zählen insbesondere Drahtgitterphantome entsprechend Fig. 6. Diese für quantitative Untersuchungen in der Lehre einsetzbaren Phantome bestehen aus zwei starr miteinander verbundenen Platten zwischen welchen in unregelmäßiger Anordnung eine Vielzahl dünner lichtabsorbierender Drähte (Fäden) gespannt wird. Durch die Teilabsorption der Drähte sowie die Variation der Drahtdichte lassen sich so unterschiedlich stark absorbierende Volumina modellieren.

Andere geeignete Untersuchungsobjekte sind kleine, totalabsorbierende Objekte unterschiedlicher Querschnitte, wie beispielsweise Rund- oder Profilstäbe, deren äußere Konturen qualitativ rekonstruiert werden können. Ebenfalls geeignet sind teiltransparente Glasoder Kunststoffobjekte, wie beispielsweise Glühlampen, deren innere Strukturen mit dem Tomographen rekonstruiert werden können.

Der beschriebene Modelltomograph ermöglicht, wie ein realer CT-Scanner, die Aufnahme dreidimensionaler Datensätze. Dazu können die Untersuchungsobjekte mittels der vorgesehenen Objektpositioniervorrichtung unterschiedlich tief in den tomographischen Meßbereich (Öffnung der Rotortrommel) eingeschoben werden, so daß eine Datenaufnahme für verschiedene Untersuchungsschichten möglich ist. Ebenso, wie bei realen CT-Scannern, können so aus den rekonstruierten Datensätze inkrementell aufgenommener Untersuchungsschichten SD-Stapelbildern im Computer aufgebaut werden.

Bezugszeichenliste	Grundplatte
1 -	Statoreinheit
2 -	Abdeckhaube fur Rotor
	Rotorfrontplatte
4 -	Detektorgehäuse
5 -	Quellensegment
6 -	Seitenlichtschutzblenden
7 -	Rotortrommel
8 -	Motor
9 -	Kraftübertragung
10 -	Rotorwelle
11 -	Hintere Rotorhalterung
12 -	Vordere Rotorhalterung
13 -	Rollenlager
14 -	Datenstecker
15 -	Geschwindigkeitsregler
16 -	Objektpositioniereinheit
17 -	Objekthalter
18 -	Untersuchungsobjekt (Phantom)
19 -	Quellenkollimatorkanal
20 -	Strahlungsquelle (LED)
21 -	Äußere Detektorblende
22 -	Innere Detektorblende
23 -	Optischer Empfänger
24 -	Phantomplatten
25 -	Drähte
26 -	Haltebolzen
27 -

Claims

Schutzansprüche

1. Optischer Tomograph als Versuchs- und Lehrmittel zur Nachbildung der Röntgen-Computertomographie, bestehend aus Grundeinheit (2) und einem zur Grundeinheit (2) drehbar gelagerten mit einer Aufnahmeöffnung versehenen Rotor (8), wobei sich an der Aufnahmeöffnung des Rotors (8) eine etwa fächerförmige Halteeinrichtung mit einem spitzen Winkel anschließt, die mit ihrem Zentrum um die Achse des Rotors (8) drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem von dem Winkel beschriebenen Kreisbogen eine Mehrzahl von optischen Strahlungsquellen (21) an der Halteeinrichtung befestigt sind, deren Lichtstrahlung auf einen optischen Empfänger (24) kollimiert ist, der im Scheitel des Winkels an der Halteeinrichtung befestigt ist.

2. Optischer Tomograph nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Strahlungsquellen (21) und der optische Empfänger (24) mit Licht im sichtbaren oder nahinfraroten Bereich betreibbar sind.

3. Optischer Tomograph nach Schutzanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Winkel beschriebene Kreisbogen oberhalb der Aufnahmeöffnung des Rotors als Kreisbogensegment ausgebildet ist, in dem die optischen Strahlungsquellen (21) in Bohrungen eingelassen sind, wobei sich an jede Bohaingen ein Kanal so anschließt, daß die Kollimation des Lichts der Strahlungsquellen (21) auf den optischen Empfänger (24) erfolgt.

4. Optischer Tomograph nach einem der Schutzansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Strahlungsquellen (21) schaltbar sind.

5. Optischer Tomograph nach einem der Schutzansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Strahlungsquellen (21) frequenzmoduliert sind und damit eine gleichzeitige Durchstrahlung mit allen Quellen innerhalb einer Projektion und eine anschließende elektronische oder sofwareseitige Demodulation der Projektionskanäle erfolgt.

6. Optischer Tomograph nach einem der Schutzansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schrittmotors zum Antrieb des Rotors (8) und eine Synchronisation zur Aufnahme der Meßwertaufnahme durch einen Computer vorgesehen ist.

7. Optischer Tomograph nach einem der Schutzansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mechanische, optische, induktive Positionsgeber an dem Rotor (8) vorgesehen sind.

8. Optischer Tomograph nach einem der Schutzansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung der Signale vom Rotor (8) auf den Stator (2) eine Infrarot-Schnittstelle, optische Schleifkontakte oder eine Funkübertragung vorgesehen ist.

9. Optischer Tomograph nach einem der Schutzansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Strahlungsquellen (21) Lampen, LEDs, Laserdioden sind und der optische Empfänger (24) ein Photohalbleiterbauelement, eine Lawinenphotodiode oder ein Photomultiplier ist.

10. Optischer Tomograph nach einem der Schutzansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (8) eine Rotortrommel oder eine Rotorscheibe ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen