DE3047889A1

DE3047889A1 - Kurzzeit-tomosynthese-vorrichtung zur darstellung artefaktarmer schichtbilder

Info

Publication number: DE3047889A1
Application number: DE19803047889
Authority: DE
Inventors: William John Dr. 2000 Hamburg Dallas
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1980-12-19
Publication date: 1982-07-22
Also published as: GB2090997B; US4469440A; FR2496912B1; JPS57128134A; FR2496912A1; GB2090997A

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUWS GI4BH ·^:· ♦·'- "••PHö*8O-l82

"Kurzzeit-Tomosynthese-Vorrichtung zur Darstellung artefaktarmer Schicht.bilder"

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schichtbildern eines Objektes aus von ihm mittels einer Strahlenquellenanordnung aus unterschiedlichen Positionen aufgenommenen Perspektivbildern, mit einer Beleuchtungseinrichtung zur Durchleuchtung der Perspektivbilder, und mit einer Abbildungselemente enthaltenden Abbildungsmatrix, die in ihrem Zentrum von einer optischen Systemachse senkrecht durchsetzt wird, und die zur Überlagerung der Perspektivbilder auf einer lichtempfindlichen Detektorfläche dient.

Eine derartige Vorrichtung ist allgemein bekannt, beispielsweise aus der DE-OS 27 ^6 Ο35. Die mit ihr erzeugten Schichtbilder sind jedoch aufgrund der bei der Kurzzeit-Tomosynthese nur in beschränkter Anzahl zur Verfügung stehenden Strahlenquellen bzw. Projektionsrichtungen artefaktbehaftet.

Man unterscheidet im wesentlichen zwei Arten von Artefakten im rekonstruierten Schichtbild, nämlich diejenigen, die durch die die Schichtebene repräsentierenden Perspektivbilder bei der Autokorrelation (Verschiebung und Aufsummierung, siehe P 2k 31 7OO.8) der Perspektivbilder durch diese selbst erzeugt werden, und jene, die durch in das Schichtbild projizierte Perspektivbilder anderer Schichten hervorgerufen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, diejenigen Artefakte im Schichtbild zu vermindern, die aufgrund von in das Schichtbild projizierten Perspektivbildern anderer Schichten entstehen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß vor oder hinter jeweils einem Abbildungselement ein

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optisches Ablenkelement angeordnet ist, das dns Porspektivbild entlang einer eine Ilauptausdelmungsrichturig aufweisenden Figur verwischt, daß das jeweilige Ablenkelement derart angeordnet ist, daß die Hauptausdehnungsrichtung wenigstens annähernd senkrecht zu einer in der Matrixebene von der optischen Systemachse zum Zentrum des Abbildungselementes verlaufenden Verbindungsgeraden liegt, und daß alle Ablenkelemente zueinander so angeordnet sind, daß die Hauptausdehnungsrichtungen möglichst gleiche Winkel miteinander einschließen.

Durch eine derartige Anordnung von Ablenkelementen im Strahlengang zwischen den Abbildungselementen und der Detektorfläche wird erreicht, daß insbesondere diejenigen Perspektivbilder im Schichtbild, die andere Schichten des Objektes repräsentieren, in einer Weise verwischt werden, daß bezüglich der in der dargestellten Schicht vorhandenen Objektstrkuturen ein nahezu gleichmäßiger Bilduntergrund erzeugt wird. Es wird also die Struktur des Bilduntergrundes verwischt, so daß sich die Detailerkennbarkeit der tatsächlichen Objektstruktui-en verbessert. Zwar werden auch die in der dargestellten Schichtebene liegenden Objektstrukturen verwischt, was sich jedoch aufgrund der besonderen Anordnung der Ablenkelemente zueinander im Schichtbild nicht störend bemerkbar macht, wie weiter unten noch genauer erklärt wird.

Als Ablenkelemente sind dabei die Phase des einfallenden Lichtes ändernde optische Elemente vorgesehen, mit denen vorteilhaft die Verwischung der Perspektivbilder auf der Detektorfläche vorgenommen werden kann.

Die Ablenkelemente sind zweckmäßigerweise als Kinoformen (siehe z.B. Applied Optics, Vol. 12, No. 7, S. I386-I388 (Juli 1973))j Hologramme oder konventionelle optische Gitter, z.B. Strichgitter, ausgebildet. Die mit Hilfe

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gitterförmiger Strukturen (z.B. in den Kinoformon bzw. Hologrammen) abgelenkten Perspektivbilder liegen dabei auf Geraden. Die Hauptausdehnungsrichtung der jeweiligen Ablenkfigur fällt hier also mit der Richtung der Geraden zusammen.

Mittels weiterer geeigneter Kinoformen bzw. Hologramme können die Perspektivbilder aber auch entlang anderer Figuren, z.B. langgestreckter gekrümmter Bahnen, Ellipsen oder dgl. abgelenkt werden. Die Hauptausdehnungsrichtung einer Figur ist dann diejenige Richtung, in der die Figur die größte Ausdehnung besitzt.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.

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Es zeigen: Fig. 1

Fig. 2

Fig. 3

Fig. k

Fig. 5

30 Fig. 6a-c

eine Vorrichtung zur Aufnahme von Perspektivbildern eines durchstrahlen Objektes,

ein aus den aufgenommenen Perspektivbildern rekonstruiertes Schichtbild, eine Vorrichtung zur Rekonstruktion von Schichtbildern,

einen Ausschnitt des rekonstruierten Schichtbildes mit verwischten Artefakten, eine Draufsicht auf eine Abbildungsmatrix, und

unterschiedliche Figuren zur Verwischung der Artefakte.

Die Fig. 1 zeigt eine bekannte Kurzzeit-Tomosynthese-Vorrichtung. Sie besitzt mehrere in einer Strahlenquellenebene 1 angeordnete Strahlenquellen 2, z.B. Röntgenröhren, von

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denen der Übersicht wegen nur drei dargestellt sind. Die Strahlenquellen 2 können z.B. nacheinander oder gleichzeitig eingeschaltet werden. Unterhalb der Strahlenquellenebene 1 befindet sich ein zu untersuchendes Objekt 3» das mittels der von den Strahlenquellen 2 ausgehenden Strahlenbündel 4, die ggf. von Blenden (nicht dargestellt) begrenzt sind, aus unterschiedlichen Perspektiven durchstrahlt wird.

Der Einfachheit halber besteht das Objekt 3 lediglich aus zwei Objektschichten Sl und S2, wobei die Objektschicht Sl z.B. einen Kreis 5 und die Objektschicht S2 ein Quadrat 6 enthält. Die von diesen Objektstrukturen 5j 6 erzeugten Perspektivbilder 5a-c, 6a-c werden auf einen unterhalb des Objektes 3 liegenden Aufzeichnungsträger 7j z.B. einen Röntgenfilm, getrennt oder einander überlagert aufgezeichnet.

Soll beispielsweise aus den so aufgenommenen Perspektivbildern 5a-c bzw. 6a-c die Objektschicht S2 rekonstruiert werden, so müssen die Perspektivbilder 6a-c durch eine geeignete Ver-Schiebung einander überlagert und aufsummiert werden (Autokorrelation der Perspektivbilder). Dabei werden aber gleichzeitig auch alle anderen Perspektivbilder 5a-c mit verschoben. Man erhält dann das in Fig. 2 dargestellte Schichtbild S2¹ der Objektschicht S2.

Dieses Schichtbild S2¹ enthält in seinem Zentrum das Quadrat 6', rekonstruiert aus den einander überlagerten Perspektivbildern 6a-c sowie mehrere quadratische Nebenbilder 6a', 6b', 6c¹, die den Perspektivbildern 6a-c entsprechen. Diese Perspektivbilder 6a¹, 6b·, 6c¹, die die Objektschicht S2 repräsentieren, stellen die eine Gruppe von Artefakten im Schichtbild S2¹ dar.

Daneben befinden sich im Schichtbild S2' die kreisförmigen Perspektivbilder 5a'-5C, die den Perspektivbildern 5a-c

entsprechen. Sie stellen die zweite Gruppe von Artefakten im Schichtbild S2¹ dar. Diese Perspektivbilder 5a'-5c¹ repräsentieren aber nicht die Objektschicht S2, sondern die Objektschicht Sl. Es handelt sich bei ihnen also um in das Schichtbild projizierte Perspektivbilder einer anderen Objektschicht.

Betrachtet man in Fig. 2 die kreisförmigen Artefakte 5a'-5c', so lassen sich diese wiederum in zwei Untergruppen aufteilen. Und zwar in solche, die in der Nähe des Zentrums des Schichtbildes S2¹ liegen (innerhalb der gestrichelt gezeichneten Umrandung 8), sowie in solche, die am Bildrand (außerhalb der Umrandung 8) liegen. Grundsätzlich unterscheiden sich diese beiden Untergruppen dadurch, daß die innerhalb der Umrandung 8 liegenden Perspektivbilder 5a'_t 6a¹; 5b¹ ₅ 6b¹; 5c', 6c¹ (6'= 6a'+6b'+6c') jeweils paarweise durch Abbildung der Perspektivbilder 5a j 6a; usw. mit den ihnen zugeordneten optischen Abbildungseiementen erzeugt werden, während ein außerhalb der Umrandung 8 liegendes Perspektivbild 5a' beispielsweise durch diejenigen optischen Elemente erzeugt vrird, die den Perspektivbildern 5h, 5c zugeordnet sind, usw. Dies wird unter Fig. 3 genauer ausgeführt.

Um nun die Qualität des rekonstruierten Schichtbilder S2¹ zu verbessern, werden die innerhalb der Umrandung 8 liegenden Perspektivbilder 5a'-5C bzw. Artefakte verwischt.

Hierzu sei auf Fig. 3 verwiesen, in der eirie Vorrichtung zur Rekonstruktion derartiger verbesserter Schichtbilder beschrieben ist.

Die Vorrichtung besteht aus einem Lichtkasten 9 zur Durchleuchtung der vor ihm angeordneten und auf dem Aufzeichnungsträger 7 befindlichen Perspektivbilder 5a, 6a; 5t», 6b; 5c, 6c. Diese werden mit Hilfe einer Abbildungsmatrix 10, die parallel zum Aufzeichnungsträger 7 liegt, und durch deren Zentrum sowie senkrecht zu ihr eine optische Achse 11 verläuft, auf einer

Detektorfläche 12 überlagert abgebildet. Die Abbildungsmatrix

10 besitzt dazu einzelne Abbildungselemente 13a-c, z.B. Bikonvexlinsen, von denen jeweils eine (13a) einem Perspektivbild 5a, 6a usw. zugeordnet ist. Auf der Detektorfläche 12, z.B. einer Mattscheibe oder der Eingangsfläche eines optog elektronischen Bildverarbeitungssystems, entstehen somit Schichtbilder des Objektes, die dem in Fig. 2 dargestellten Schichtbild S2¹ entsprechen.

Werden die Perspektivbilder 5a-c jeweils mit den ihnen zugeordneten Abbildungselementen I3a-c übertragen, also 5a mit 13a, 5b mit 13b und 5c mit 13c, so entstehen die innerhalb der Umrandung 8 in Fig. 2 liegenden Artefakte 5a'-5c'. Werden sie dagegen mit den ihnen nicht zugeordneten Abbildungselemeten übertragen, also 5a mit 13b,c, 5b mit 13a,c und 5c mit 13a,b, so entstehen die außerhalb der Umrandung 8 liegenden Artefakte 5a¹-c'.

Zur Verwischung der im Innern der Umrandung 8 der Fig. 2 liegenden Perspektivbilder 5a¹-c¹ sind nun im Strahlengang zwischen den Abbildungselementen 13a-c und der Detektorfläche 12, vorzugsweise in der Nähe der Abbildungselemente 13a-c, optische Ablenkelemente l4a-c angeordnet. Diese Ablenkelemente l'ta-c können die Perspektivbilder 5a-c beispielsweise entlang gerader Bahnen verwischen, wozu sie eine gitterförmige Struktur aufweisen. Die Ablenkelemente l4a-c könnten auch im Strahlengang zwischen den Perspektivbildern 5a-c, 6a-c und den Abbildungselementen 13a-c angeordnet sein.

Die Verwischung sei anhand der Fig. k genauer erläutert, die den innerhalb der Umrandung 8 liegenden Teil des Schichtbildes S2¹ vergrößert darstellt. Dieser Bereich ist der relevante Teil des Schichtbildes S2', da nur hier sich genügend viele Perspektivbilder zur Rekonstruktion von Objektschichten überlagern.

Der außerhalb der Umrandung 8 liegende Schichtbildbereich

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bleibt meist außer Betracht, da sich hier die Perspektivbilder nur ungenügend oder gar nicht mehr überlagern.

Die Perspektivbilder 5a'-c¹ werden in Fig. 4 entlang von Geraden 15 verwischt, also entlang von Figuren, die eine Hauptausdehnungsrichtung (in diesem Fall die Richtung der Geraden) besitzen. Die gitteri'örmigen Ablenkelemente lka~c sind dabei so im Strahlengang angeordnet, daß die Hauptausdehnungsrichtungen der infolge der Lichtablenkung erzeugten Figuren möglichst senkrecht zu den Bahnen Bl, B2, B3 (Fig. 2) liegen, auf denen die Artefakte bzw. Perspektivbilder 5a·'-c' auf der Detektorfläche 12 verlaufen, wenn die Detektorfläche 12 zur Rekonstruktion unterschiedlicher Schichten des Objektes 3 entlang der optischen Achse 11 verschoben wird. D.h., die Hauptausdehnungsrichtungen H liegen, wie in Fig. 5 in einer Draufsicht auf die Matrixebene dargestellt, möglichst senkrecht zu einer in der Matrixebene von der optischen Systemachse 11 zum Zentrum eines jeweiligen Abbildungselementes 13a-c verlaufenden Verbindungsgeraden 16. In Fig. 5 ist der Übersicht wegen nur ein einziges Abbildungselement 13a in der Matrixebene (Papierebene) liegend gezeichnet. Als Ablenkelement 14a ist ein optisches Gitter dargestellt.

Eine derartige Anordnung der Ablenkelemente l4ta-c ist vorteilhaft, weil dann die entlang der Geraden 15 verschmierten Perspektivbilder 5a'-c' die rekonstruierte Objektstruktur 6' nicht durchsetzen können.

Um ferner einen nahezu gleichmäßigen Bilduntergrund zu schaffen, ist es erforderlich, die Richtungen, in denen die Perspektivbilder 5a'-c' verwischt werden, möglichst gleichmäßig im Schichtbild S2¹ zu verteilen, d.h., der Winkel θ zwischen jeweils zwei Geraden I5 sollte möglichst gleich sein.

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Insgesamt wird daher durch die Anordnung der Ablenkelemente l4a-c erreicht, daß die Artefakte 5a'-c¹ gegenüber der tatsächlichen ObjektStruktur 6' (entspricht der Überlagerung der Perspektivbilder 6a¹, 6b¹, 6c¹) nicht mehr so stark in Erscheinung treten und sich dadurch die Detailerkennbarkeit der tatsächlichen Objektstruktur 6' verbessert.

Mittels der Ablenkelemente lAa-c wird natürlich auch die Objektstruktur 6', die aus den überlagerten Perspektivbildern

jQ 6a¹-c¹ besteht, entlang von Geraden 17 verwischt, die zu den Geraden 15 parallel liegen. Hierdurch wird die Qualität der Schichtbilder S2' aber nur unwesentlich beeinträchtigt, da die Objektstruktur 6' im gemeinsamen Überlagerungsbereich aller Geraden 17 entsprechend der Zahl der Geraden 17

T5 häufiger abgebildet wird als außerhalb des Überlagerungsbereichs. Dadurch hat ein Beobachter bei einer größeren Anzahl von Geraden 17 den Eindruck, daß die rekonstruierte Objektstruktur 6' nur im Überlagerungsbereich der Geraden konzentriert ist.

Wie bereits erwähnt, sind als Ablenkelemente l4a-c die Phase des einfallenden Lichtes ändernde optische Elemente vorgesehen. Dies können z.B. Hologramme oder Kinoformen sein, die beispielsweise als Beugungsgitter wirken. Es kann natürlich auch direkt ein optisches Strichgitter eingesetzt werden. Die Gitter können, beispielsweise in den Kinoformen, auch nichtperiodisch sein, so daß die Strahlung in einem vorgewählten Ablenkbereich möglichst gleichmäßig verteilt wird. In den genannten Fällen kann der Lichtkasten 9 z.B. quasimonochromatische Strahlung aussenden, z.B. das Licht einer Natriumdampflampe. Er kann aber auch polychromatische Strahlung, z.B. weißes Licht, aussenden.

Mit Hilfe von Kinoformen bzw. Hologrammen können ferner in einfacher Weise auch Phasenmusfer realisiert werden, mit deren Hilfe die durch sie übertragenen Perspektivbilder entlang

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zweidimensionaler Bahnen abgelenkt bzw. verwischt werden. Die Fig. 6b und 6c zeigen dazu zwei Beispiele, während Fig. 6a nochmals die Verwischung gemäß Fig. k verdeutlicht. Die durchgezogenen Linien beschreiben jeweils den Verwischungsweg der Objektstruktur 6', während die gestrichelten Linien den Verwischungsweg der Perspektivbilder 5a'-c¹ angeben. Die Hauptausdehungsrichturgander Bahnen sind jeweils die, in die sich die Bahnen am weitesten erstrecken. Weiterhin kann die Verwischung der Perspektivbilder 5a '-c¹ natürlieh auch auf jeweils unterschiedlichen Bahnen erfolgen.

Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, jeweils ein Abbildungselement und ein Ablenkelement als ein einziges, die Phase des einfallenden Lichtes änderndes optisches Element auszubilden. Die Elemente 13a-lAa, 13b-lAb und 13c-l4:C könnten dann z.B. durch jeweils eine einzige Kinoform oder ein einziges Hologramm ersetzt werden.

Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Schichtbildern eines Objektes aus von ihm mittels einer Strahlenquellenanordnung aus unterschiedlichen Positionen aufgenommenen Perspektivbildern (5a-c, 6a-c), mit einer Beleuchtungseinrichtung (9) zur Durchleuchtung der Perspektivbilder, und mit einer Abbildungselemente enthaltenden Abbildungsmatrix (10), die in ihrem Zentrum von einer optischen Systemachse senkrecht durchsetzt wird, und die zur Überlagerung der Perspektivbilder auf einer lichtempfindlichen Detektorfläche (12) dient,

dadurch gekennzeichnet, daß vor oder

hinter jeweils einem Abbildun^selement (13a-c) ein optisches Ablenkelement (l4a-c) angeordnet ist, das das Perspektivbild entlang einer eine Hauptausdehnungsrichtung (H) aufweisenden Figur verwischt₄ daß dac jeweilige Ablenkelement derart angeordnet ist, daß die Hauptausdehnungsrichtung wenigstens annähernd senkrecht zu einer in der Matrixebene von der optischen Systemachse (11) zum Zentrum des Abbildungselementes verlaufenden Verbindungsgeraden (16) liegt, und daß alle Ablenkelemente zueinander so angeordnet sind, daß die Hauptausdehnungsrichtungen möglichst gleiche Winkel (θ) miteinander einschließen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelemente (l^a-c) die Phase des einfallenden Lichtes ändernde optische Elemente sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelemente (l4ta-c) als Kinoformen ausgebildet sind.

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k. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, daß die Ablenkelemente (lAa-c) als Hologramme ausgebildet sind.

5· Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder k,

dadurch gekennzeichnet) daß die Ablenkelemente (l4a-c) optische Gitter sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5> dadurch

gekennzeichnet, daß die Gitter eine nichtperiodische Struktur besitzen.

7· Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelemente (lAa-c) derart ausgebildet sind, daß die durch sie übertragenen Perspektivbilder entlang zweidimensionaler Bahnen verwischt werden (Fig. 6b, c).

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren

der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelemente (l^a-c) zwischen den Abbildungselementen (I3a-c) und der Detektorfläche (12) sowie in der Nähe der Abbildungselemente angeordnet sind.

9· Vorrichtung nach einem oder mehreren

der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Abbildungselement (13a-c) und ein Ablenkelement (l^ta-c) als ein einziges, die Phase des einfallenden Lichtes änderndes optisches Element ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren

der Ansprüche 1 bis 9) dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (9) quasi-monochromatische Strahlung aussendet.