DE3043612C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine derartige Anordnung ist bereits aus der DE-OS 27 23 431 bekannt, in der angegeben ist, daß durch die asymmetrische Aufstellung des Detektors (Detektorreihe) gegen das Rotationszentrum das Auflösungsvermögen der Computertomographieanordnung erheblich gesteigert werden kann. Es hat sich jedoch gezeigt, daß in einem Absorptionsbild, das mit einer derartigen Anordnung ermittelt wird, Artefakte auftreten. Diese Artefakte treten auf, wenn das Rotationszentrum auf einem Meßweg innerhalb des Strahlenbündels liegt, und der zu untersuchende Körper nur teilweise durchstrahlt wird. Diese Artefakte sind der Tatsache zuzuschreiben, daß die Meßsignale nur ein Teil einer Meßsignalfolge sind, die erhalten worden wäre, wenn der Körper vollständig durchstrahlt und die den Körper durchsetzende Strahlung gemessen worden wäre. Jede abgebrochene Meßsignalfolge, die der Detektor für jede Strahlerposition erzeugt, enthält daher einen sprunghaften Übergang von einem endlichen Meßsignal zum Werte Null. Diese Übergänge enthalten faktisch nicht im Körper befindliche Informationen, die also auf künstliche Weise entstanden sind und das zu rekonstruierende Bild der Strahlungsabsorptionsverteilung verfälschen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, in der die wegen des asymmetrisch zum Rotationszentrum angeordneten Detektors auftretenden Artefakte bei der Ermittlung einer ebenen Strahlungsabsorptionsverteilung vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Auf diese Weise werden alle sprunghaften Übergänge der Meßsignale auf den Wert Null vermieden. Weiter ist der Verlauf des Multiplikationsfaktors derart gewählt, daß, wenn mit dem ersten Faktor ein Meßsignal und mit dem zweiten Faktor ein zweites Meßsignal multipliziert wird, das nach der Drehung des Strahlers und des Detektors auf dem gleichen, jedoch entgegengesetzt gerichteten Meßweg erhalten wird, der zweite Faktor das Komplement des ersten Faktors ist (f bzw (1-f)).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Computertomographieanordnung,

Fig. 2 die Anordnung des Strahlers und der Detektorreihe in bezug auf das Rotationszentrum,

Fig. 3a, b, c, je ein Diagramm einer vom Detektor nach Fig. 1 erzeugten Gruppe von Meßwerten und Fig. 4 einen Teil der Verarbeitungsanordnung nach Fig. 1.

Eine Computertomographieanordnung, wie sie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, enthält einen Strahler 1, der vorzugsweise ein Röntgenstrahler ist, jedoch auch ein radioaktives Isotop, z. B. Am 241, sein kann. Mit einer Blende 2 wird die vom Strahler 1 ausgesandte Strahlung zu einem in einer Ebene liegenden Divergenzstrahlungsbündel kollimiert, wobei die Dicke des Strahlungsbündels 3 senkrecht zur Ebene beispielsweise zwischen 3 und 25 mm liegt und seine Divergenz in der Ebene vom Winkel α bestimmt ist. Das Strahlenbündel 3 erreicht eine Detektorreihe 4, die aus einzelnen, die Strahlung messenden Detektoren 5 besteht, die die Meßwege 3 a (es ist nur einer wiedergegeben) definieren, wobei der Abstand zwischen den einzelnen Detektoren 5 die räumliche Genauigkeit bestimmt, mit der ein auf einem Untersuchungstisch 6 liegendes Objekt 7 abgetastet wird. Die Detektorreihe 4, die gegen einen durch das Rotationszentrum 9 gehenden Meßweg (nur die Mittellinie 8 ist angegeben) asymmetrisch positioniert ist, enthält beispielsweise 300 Detektoren 5, bei denen der Abstand zwischen den Zentren zweier benachbarter Detektoren 5 ein bis einige mm betragen kann. Als Detektoranordnung kann auch eine lange, gasgefüllte Ionisationskammer benutzt werden, in der in einer Reihe angeordnete getrennte Gebiete detektierende Elektroden angeordnet sind. Das Objekt 7 liegt senkrecht zur Ebene des Strahlenbündels 3 und in Längsrichtung der Rotationsachse durch das Rotationszentrum, welches innerhalb des Objekts 7 liegt. Der Untersuchungstisch 6 ist in der Längsrichtung verschiebbar, so daß verschiedene parallel zueinander verlaufende Schichten des Objekts 7 untersucht werden können. Um das Rotationszentrum 9 ist der kreisförmige Tragrahmen 10 drehbar angeordnet, so daß das Objekt 7 in einer Vielzahl von in der Ebene liegenden Richtungen durchstrahlt werden kann. Die Drehung des Trägers 10, der sich mit Lagern 11 führen läßt, erfolgt durch Antriebsmittel, z. B. durch ein Zahnrad 12, das von einem Motor 13 angetrieben wird. Die Drehung des Tragrahmens 10 kann sowohl ununterbrochen als auch schrittweise erfolgen, wobei im letzten Fall nach jedem Schritt das Objekt 7 mit dem Strahler 1 in einem Blitz durchstrahlt wird.

Nach einer ersten Durchleuchtung des Objekts 7 mit dem Strahler werden die vom Signalwandler 15 verarbeiteten Meßsignale im Zähler 19 gezählt. Sobald die Anzahl der gezählten Meßsignale der Anzahl von Detektoren 5 entspricht, erfolgt eine Aktivierung einer Steuerschaltung 20, die den Motor 13 eine kurze Zeit antreibt und damit durch die Drehung des Tragrahmens 10 den Strahler 1 in eine weitere Strahlerposition bringt. In dieser Strahlerposition wird eine nächste Durchleuchtung des Objekts 7 ausgeführt usw. Mit einem Aufnehmer 30 wird durch das Zählen der Zähne des Zahnrades 12 die Winkelverdrehung R zwischen den aufeinanderfolgenden Durchleuchtungen bestimmt. Die im Aufnehmer 30 erzeugten Impulse gelangen an die Bearbeitungsanordnung 16, so daß in der Kombination mit den in der Bearbeitungsanordnung 16 gespeicherten Daten über den geometrischen Aufbau des Strahlers 1 und der Detektorreihe 4 die Koordinaten aller Meßwege bestimmbar sind.

Es ist vorteilhaft, wenn der Abstand vom Strahler 1 zum Objekt 7 an die größte Abmessung des Objekts 7 angepaßt ist. Hierzu ist das System Strahler 1 - Detektorreihe 4 auf einem Träger 21 montiert, der über Führungsschienen 22 auf den Lagern 23 und mit Hilfe eines mit einem Motor 24 gekuppelten Zahnradantriebs 25 verschoben werden kann. Eine Steuerschaltung 26 läßt sich beispielsweise mit einem Handschalter 27 betätigen, die Schaltung 26 kann jedoch auch automatisch betätigt werden. Zum Beginn einer ersten Durchleuchtung gelangen die Meßsignale von zwei Detektoren 5′ und 5′′ über den Signalwandler 15 zur Steuerschaltung 26. Der Träger 21 wird derart verschoben, daß das Meßsignal des Detektors 5′′ maximal wird, während das Meßsignal des Detektors 5′ einen etwas geringeren Wert hat. In diesem Fall empfängt der Detektor 5′′ Strahlung, die am Objekt 7 vollständig seitlich vorbeiläuft, während die vom Detektor 5′ detektierte Strahlung (teilweise) durch den Rand des Objekts 7 verläuft und hierdurch etwas geschwächt wird. Nach dem Erreichen der gewünschten Stelle des Trägers 21 wird die Steuerschaltung 26 verriegelt, und bei allen folgenden Durchleuchtungen aus den aufeinanderfolgenden Strahlerpositionen der Abstand vom Strahler 1 zum Rotationszentrum konstant gehalten.

Die von den Detektoren 5 erzeugten Meßsignale werden in den Verstärkern 14₁, 14₂, . . . 14 _n-1, 14 _n verstärkt und einem Signalwandler 15 zugeführt, in dem die Meßsignale auf eine an sich bekannte Weise logarithmiert, beispielsweise an Hand im Signalwanler 15 gespeicherter Logarithmentabellen, und digitalisiert werden. Über den Ausgang des Wandlers 15 werden die umgewandelten Meßsignale in einen Speicher 17 eingeschrieben. Mit einer Verarbeitungsanordnung 16 wird aus den Meßsignalen auf eine an sich bekannte Weise eine Strahlungsabsorptionsverteilung ermittelt, die in einem aus einer Matrix von Elementen bestehenden Rekonstruktionsbild dargestellt und wieder in den Speicher 17 eingeschrieben wird. Die Strahlungsabsorptionsverteilung kann mittels einer Wiedergabeanordnung z. B. mittels eines Monitors 18 abgebildet werden.

Das in Fig. 2 gezeigte Detail der Anordnung nach Fig. 1 zeigt den Strahler 1, die Detektorreihe 4 aus einzelnen Detektorelementen 5₁, 5₂, . . . 5 _m , 5 _n-1, 5 _n und die asymmetrische Positionierung des Rotationszentrums 9 in bezug auf die äußersten Meßwege 3 a und 3 b im Strahlenbündel 3. Es hat sich gezeigt, daß, wenn Meßsignalfolgen, die in der dargestellten Situation ermittelt werden, ohne weitere Korrektur auf eine an sich bekannte Weise verarbeitet werden, Artefakte in Form heller und dunkler Streifen im rekonstruierten Bild entstehen. Ein mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ermitteltes Profil ist in Fig. 3a in einem Diagramm dargestellt. Die Amplituden I der Meßsignale sind nebeneinander als Funktion der Position i des Detektorelements 5 _i in der Detektorreihe 4 aufgetragen. Beim Meßsignal mit i = 1 gibt es einen sprunghaften Übergang der Meßsignale zum Wert 0. Wird jetzt eine Meßsignalfolge mit einem derartigen Übergang zur Bilderzeugung herangezogen bzw. konvoliert, so wird gleichsam der sprunghafte Übergang auf das ganze Rekonstruktionsbild verteilt. Faktisch werden statt einer Meßsignalfolge aus einem sogenannten kompletten Profil nur Meßsignale mit einem abgebrochenen Profil verarbeitet. Unter einem kompletten Profil sei die Meßsignalfolge verstanden, die erhalten worden wäre, wenn auch der jetzt außerhalb des Röntgenstrahls 3 liegende Teil 7 b des Objekts 7 durchstrahlt (Fig. 2) und die durchdringende Strahlung gemessen worden wäre. In Fig. 3a ist das abgebrochene, reell gemessene Profil dargestellt und mit punktierten Linien sind die fehlenden Meßsignale angegeben. Es sei bemerkt, daß die Anzahl der Meßsignale in einem vollständigen Profil links und rechts vom Zentrum "m" nahezu gleich groß ist. In der Weiterverarbeitung der Meßsignale werden bei der Konvolution die fehlenden Meßsignale alle gleich Null gemacht (in Fig. 3 mit einer gestrichelten Linie angegeben). Dies verursacht also den sprunghaften Übergang und daher die erwähnten Artefakte.

Es werden die Meßsignale eines abgebrochenen Profils, die auf Meßwegen gemessen sind, die durch das Zentrum 7 a des Objekts 7 gehen, angepaßt. Das Zentrum 7 a wird vom Abstand L zwischen dem Rotationszentrum und dem am nächsten liegenden äußersten Meßweg 3 a bestimmt. Die Meßsignale, die auf Meßwegen zwischen dem Rotationszentrum 9 und dem äußersten Meßweg 3 a mit den Detektoren 5 ₁, 5 ₂, . . . 5 _m gemessen sind, werden mit dem Faktor f = sin² (1π /4L) multipliziert, wobei 1 ein Abstand eines dem Meßsignal zugehörigen Meßwegs vom äußersten Meßweg 3 a ist. Die Meßsignale, die auf Meßwegen gemessen werden, die in bezug auf die Mittellinie 8 und gegen die Meßwege zwischen dem Rotationszentrum 9 und dem äußersten Meßweg 3 a gespiegelt liegen, werden um den Komplementärfaktor (1-f) multipliziert. Die Meßsignale der Detektorelemente 5 ₁, 5 _m und 5 _2m werden also mit 0, 0,5 bzw. 1 multipliziert. In einer Tabelle I im Anhang ist ein Teil der Faktoren f und (1-f) für eine Computertomographieanordnung mit insgesamt 280 Detektoren dargestellt, wobei die Mittellinie 8 durch die Mitte des Detektorelements 5₄₀ (m = 40) geht. Es ist klar ersichtlich, daß die Faktoren für die Meßsignale der Detektorelemente i und der Detektorelemente 80-i zusammen den Wert 1 haben.

Nachstehend wird näher erläutert, weshalb die Anordnung Rekonstruktionsbilder ohne Artefakte erzeugt. Am deutlichsten ist die Erläuterung an Hand einer Bildrekonstruktion mit sogenannten parallelen Profilen. In der US-PS 39 83 398 wird beschrieben, wie aus Meßsignalfolgen, die mit einer gleichartigen Anordnung nach Fig. 2 bestimmt sind, Profile von Meßsignalen derart zusammengesetzt werden können, als wären sie auf nebeneinander liegenden und parallel zueinander verlaufenden Meßwegen gemessen worden. Ein derartiges Profil ist in Fig. 3b dargestellt, wobei die Meßwege alle einen Winkel R bespielsweise mit einer in der Ebene verlaufenden Koordinatenachse (X-Achse) bilden. Weiter ist in Fig. 3c ein zweites Profil von Meßwerten dargestellt, deren zugeordnete Meßwege einen Winkel von 180° + R° mit der X-Achse bilden (also in gegengesetzter Richtung gemessen sind in bezug auf die Meßwerte des ersten Profils). Nun sind die Meßsignale, die auf durch das Zentrum 7 a führenden Meßwegen bestimmt sind, alle zweifach gemessen. Durch die Anpassung der Meßsignale beider Profile, wie oben beschrieben, wird das Meßsignal in dem einen Profil mit dem Faktor f und das Meßsignal, das auf dem gleichen, aber entgegengesetzt gerichteten Weg gemessen ist, im anderen Profil mit dem Faktor (1-f) (in Fig. 3b und c sind die angepaßten Meßsignale mit gestrichelten Linien dargestellt) multipliziert, so daß jeweils die Summe der auf dem gleichen Weg gemessenen Meßsignale der zwei Profile genau ein vollständiges Profil ergibt. Ein vollständiges Profil ergibt keine Artefakte im Rekonstruktionsbild. Die Summe der beiden abgebrochenen Profile mit den angepaßten Meßsignalen ergibt ebenfalls keine Artefakte im Rekonstruktionsbild, da die durchzuführenden Operationen, z. B. Konvolution und Rückprojektion, die auf jedes Profil getrennt angewendet werden, lineare Operationen sind.

Es ist klar, daß die Anpassung der Meßsignale durch Anpassung des Verstärkungsfaktors der Verstärker 14, 14 ₂ . . . 14 _n erreicht werden kann, die an die einzelnen Detektorelemente angeschlossen sind.

In Fig. 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Teils der Verarbeitungsanordnung des Computertomographen dargestellt. Nach einer ersten Durchleuchtung aus einer ersten Strahlerposition werden die über die Verstärker 14 ₁ . . . 14 _n (jetzt alle mit dem gleichen Verstärkungsfaktor) und über die Signalwandler erhaltenen, logarithmierten und digitalisierten Meßsignale in einen ersten Teil 17 a des Speichers 17 eingeschrieben. Die Verarbeitungsanordnung 16 enthält zum Anpassen der Messigsignale einen Adreßgenerator 40, der faktisch ein Zähler ist, der die zugeführten Impulse (clck) aufzählt, einen Festwertspeicher (ROM) 41 und eine Multiplikationsschaltung 43. Der Ausgang des Adreßgenerators 40 ist mit einem Adreßeingang des Speicherteils 17 a und einem des Festwertspeichers 41 verbunden. Nach dem Zuführen einer Adresse an beide Adreßeingänge wird am Datenausgang des Speicherteils 17 a ein Meßsignal herausgeführt bzw. am Datenausgang des Festwertspeichers 41 ein Faktor f oder 1-f, abhängig von der Adresse bzw. von der Detektornummer i des Detektorelements 5 _i , mit dem das an der Adresse im Speicherteil 17 a gespeicherte Meßsignal bestimmt ist. Die Datenausgänge der Speicher 17 a und 41 sind mit den Eingängen der Multiplikationsschaltung 43 verbunden. Der Ausgang der Multiplikationsschaltung 43 ist mit einem weiteren Teil 44 der Verarbeitungsanordnung 16 verbunden, das nach dem Empfang aller Meßsignale der ersten Durchleuchtung die Konvolutionsoperation durchführen kann. Der Ausgang der Mulitplikationsschaltung 43 kann auch zum Speicherteil 17 a zurückgeführt werden (wie mit der punktierten Linie 42 angedeutet ist), in dem die Meßsignale aller Durchleuchtungen gespeichert werden können. Die Verarbeitung der angepaßten Meßsignale durch den Bearbeitungsanordnungsteil 44 kann bekanntlich bereits dann durchgeführt werden, bevor die gesamte Anzahl von Durchleuchtungen ausgeführt ist. Für die Weiterverarbeitung werden die gespeicherten angepaßten Meßwerte direkt (Verbindung 45) dem weiteren Teil 44 der Bearbeitungsanordnung 16 zugeführt. Nach der Konvolution und Rückprojektion der Profile mit angepaßten Meßwerten vom Teil 44 der Bearbeitungsanordnung 16 werden die so erhaltenen Absorptionswerte in einen Matrixspeicher 17 b, der ein Teil des Speichers 17 nach Fig. 1 ist, eingeschrieben. Die ermittelte Strahlungsabsorptionsverteilung ist dann auf dem Monitor 18 darstellbar.

Da jedem Detektorelement ein fester Faktor f oder 1-f zugeordnet ist, sind die mit den Detektorelementen erhaltenen Meßsignale, die in den Speicherteil 17 a eingeschrieben sind, ohne weiteres mit der gleichen Adresse adressierbar, die auch zum Aufsuchen des Faktors f oder 1-f benutzt wird.

Durch die Anpassung der Meßsignale wird der Einfluß mechanischer Fehlpositionierungen und/oder Schwingungen, die eine große Rolle beim Zusammenfügen zweier Meßwertfolgen spielen, die nicht zum gleichen Zeitpunkt bestimmt sind, stark unterdrückt, was von erheblichem Vorteil ist.

Tabelle I

i f  1 0.000385  3 0.003466  5 0.009607  7 0.018772  9 0.030904 11 0.045928 13 0.063752 15 0.084265 17 0.107342 19 0.132893 21 0.160600 23 0.190453 25 0.222215 27 0.255689 29 0.290670 31 0.326942 33 0.364280 35 0.402455 37 0.441231 39 0.480370 40 0.500000

i 1-f 79 0.999615 77 0.996534 75 0.990393 73 0.981228 71 0.969096 69 0.954072 67 0.936248 65 0.915734 63 0.892658 61 0.867107 59 0.839400 57 0.809547 55 0.777785 53 0.744311 51 0.709330 49 0.673058 47 0.635720 45 0.597545 43 0.558769 41 0.519630

Claims (4)

1. Anordnung zur Ermittlung einer Strahlungsabsorptionsverteilung in einer Ebene eines Körpers (7) mit

• - einem Strahler (1) zum Erzeugen eines in der Ebene liegenden fächerförmigen, nur einen Teil des Körpers durchsetzenden Strahlenbündels (3), das senkrecht zur Ebene eine geringe Dicke aufweist,
• - einer dem Strahler (1) gegenüber angeordneten Reihe von Detektoren (4, 5) zum Detektieren der den Körper durchsetzenden Strahlung und zum Erzeugen von Meßsignalen (I),
• - einem Tragrahmen (10) für den Strahler und die Reihe von Detektoren (4, 5),
• - Antriebsmitteln (11, 12, 13) zum Drehen des Strahlers und der Reihe von Detektoren mit dem Tragrahmen (10) um ein Rotationszentrum (9) zum Durchstrahlen des Körpers aus einer Vielzahl von Strahlerpositionen, wobei jeder Detektor für jede Strahlerposition ein Meßsignal erzeugt, das die Strahlungsabschwächung entlang eines den Strahler mit dem Detektor verbindenden Meßweges darstellt, wobei der Meßweg, der durch das Rotationszentrum verläuft, asymmetrisch in bezug auf die zwei äußeren Meßwege (3 a, 3 b) des Strahlenbündels (3) liegt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung Mittel (17 a, 40, 41, 43) enthält, die ein Meßsignal (Ii), das einem ersten Meßweg zugeordnet ist, der zwischen einem durch das Rotationszentrum (9) gehenden Meßweg (m) und dem am nächsten zum Rotationszentrum liegenden äußeren Meßweg (3 a) liegt, mit einem Faktor f multiplizieren und ein Meßsignal (I (2m-i)), das einem zweiten Meßweg zugeordnet ist, der sich durch Spiegelung des ersten Meßweges (i) an dem durch das Rotationszentrum (9) verlaufenden Meßweg (m) ergibt, mit einem zum Faktor f komplementären Faktor (l-f) multiplizieren, daß die Mittel (17 a,40, 41, 43) auf diese Weise alle Meßsignale multiplizieren, die Meßwegen zugeordnet sind, die zwischen dem am nächsten zum Rotationszentrum (9) liegenden äußeren Meßweg und dem dazu bezüglich des durch das Rotationszentrum verlaufenden Meßweges gespiegelten Meßweg liegen, und daß der Faktor f den Wert 0,5 für das den Meßweg m durch das Rotationszentrum (9) zugeordnete Meßsignal (Im), den Wert Null für das dem am nächsten zum Rotationszentrum liegenden äußeren Meßweg (3 a) zugeordnete Meßsignal (Il) und dazwischen einen vom Wert 0,5 ausgehenden, wertmäßig monoton abfallenden Verlauf als Funktion des Abstands zum Rotationszentrum hat.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (17 a, 40, 41, 43) einen Adreßgenerator (40), einen Festwertspeicher (41) und eine Multiplikationsschaltung (43) enthalten, wobei ein Adreßausgang mit einem Eingang eines Speichers (17 a) für die Meßsignale und mit einem Eingang des Festwertspeichers verbunden ist, in dem die Faktoren f und (l-f) gespeichert sind, von welchen Speichern jeweils ein Ausgang mit einem Eingang der Multiplikationsschaltung (43) verbunden ist, deren Ausgang zum Eingang des Speichers (17 a) für die Meßsignale zurückführbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor f sich als Funktion der Position eines Detektors innerhalb der Reihe von Detektoren gemäß einer quadratischen Sinusfunktion ändert.