DE3145430A1 - Vorrichtung zum erzeugen von tomografischen bildern eines untersuchungsobjektes - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Erzeugen von tomografischen Bildern
• eines Untersuchungsobjektes Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von tomografischen Bildern gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
• Es sind Vorrichtungen aus der Nukleardiagnostik bekannt (z.B. US-PS 40 57 726), die einen einzelnen Detektor umfassen, der mit einer Vielzahl von Einzelschritten um einen Patienten rotiert. Jedem Einzelachritt ist eine entsprechende Projektion zugeordnet. Jede dieser Projektionen ist für die Rekonstruktion von Schichtbildern erforderlich. Derartige Systeme sind jedoch einerseits vom mechanischen Aufbau her sehr kompliziert und teuer; andererseits benötigen rotierende Detektoren unnötig viel Zeit bei der tomografischen Abtastung. Zur Verringerung dieses Nachteils sind bereits feststehende Detektor systeme mit einem einzelnen Detektor vorgeschlagen worden, die, z.B. nach dem Prinzip der DE-AS 25 48 155, mit codierenden Aperturen arbeiten. Durch solche Systeme wird zwar die Aufnahmezeit beträchtlich verringert; im Vergleich mit den rotierenden Systemen ergibt sich aber auch der Nachteil, daß nicht die vergleichbare räumliche Information erhalten wird.
• aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei beibehaltener kurzer Aufnahmezeit wenigstens dieselbe räumliche Information erhalten wird wie bei herkömmlichen rotierenden Systemen.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.
• Aufgrund der Erfindung ergeben sich in sehr kurzer Zeit Bilder mit der vollen Rauminformation. Der geometrische Wirkungsgrad ist außerdem vom örtlichen Auflösungsvermögen unabhängig Da Detektorsysteme eingesetzt werden, deren Detektoren, wenn überhaupt, dann nur in eine sehr geringe Zahl von Winkelpositionen geschwenkt werden müssen, ist der mechanische Aufbau der Vorrichtung insgesamt auch sehr viel weniger aufwendig als bei herkömmlichen Vorrichtungen, bei denen das Detektorsystem z.B. in einem Vollkreis um den Körper des Patienten rotiers Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 18.
• Die Weiterbildungen der Ansprüche 3, 5 und 7, 7 wonach also ein Detektor in die erwünschten Winkelpositionen geschwenkt wird, führen zu einer zeitlich aufeinanderfolgenden Abtastung mit entsprechend geringfügig erhöhtem Zeitaufwand. Wird die Erfindung hingegen nach der Lehre des Anspruchs 4 oder 6 ausgebildet, so erfolgt gleichzeitige Abtastung aus den verschiedenen Winkelpositionen. Es entsteht also überhaupt kein Zeitverlust mehr, so daß sich in diesem Falle also ein tomografisches Bild in optimal kurzer Zeit erhalten läßt.
• Strahlenmeßgeräte mit wenigstens zwei separaten Detektoren sind an sich schon ebenfalls z.B. durch die DE-PS 22 00 817 bekannt. Die betreffenden Detektoren sind jedoch parallel, d.h. nicht winkelig, zueinander angeordnet. Darüber hinaus ist das Anwendungsgebiet nicht das der Tomografie. Es werden also keine Körperschnitte erfaßt, sondern es wird die Nierenfunktion ermittelt da- durch, daß mittels der beiden parallelen Detektoren die gesamte vom Patientenkörper ausgehende Strahlung bis auf jenen Teil gemessen wird, der vom Nieren-Blasen-Bereich des Patienten stammt, welcher Bereich durch einen zwischen den Detektoren liegenden Schild abgedeckt ist.
• Die Erfindung kann insbesondere in der Nukleardiagnostik (z.B. im Zusammenhang mit Gammakameras) oder auch z.B. in der Röntgendiagnostik eingesetzt werden. Im Röntgenfall kommt es dabei, bedingt durch Nichtlinearitäten, zu einer Verminderung der Aussagefähigkeit der Bildinformation. Sofern dies in bestimmten Anwendungsfällen stört, muß durch geeignete zusätzliche Signalkorrektur dieser Fehlereinfluß vermindert oder beseitigt werden.
• Bei den codierenden Aperturen, die einem Detektor vorgeschaltet werden, kann es sich um solche handeln, wie sie z.B. in der DE-AS 25 48 155 beschrieben sind. Die Aperturen können also z.B. unterschiedlich ringförmig oder punktförmig ausgebildet sein. Andere Strukturen sind ebenfalls denkbar. Im Falle der Durchstrahlung mit z.B. Röntgenstrahlen kann die Strahlungsquelle beispielsweise dadurch codiert werden, daß ein Funktionsgenerator die Apertur mit Hilfe des Elektronenstrahls auf der Anode einstellt. Ebensogut kann als Apertur ein Target aus Zonenplatten dienen. Ganz allgemein mit der Codierbarkeit von Röntgenstrahlen befaßt sich auch die Dissertationsarbeit "Abbildungssysteme mit codierenden Aperturen und ihre Anwendung in der Radiologie" des Erfinders Erich R. Reinhardt aus dem'Jahre 1979 auf den Seiten 97 bis 104.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den restlichen Unteransprüchen.
• Es zeigen: Figur 1 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung für Detektion von radioaktiver Strahlung, insbesondere Gammastrahlung, von selbststrahlenden Untersuchungsobjekten, mit schwenkbarem Detektor, Figur 2 die zugehörige Signalverarbeitungsschaltung im Prinzipschaltbild, Figur 3 eine Vorrichtung entsprechend Figur 1, mit dem Unterschied, daß in zwei unterschiedlichen Winkelpositionen zwei Detektoren starr angeordnet sind, Figur 4 die zugehörige Signalverarbeitungsschaltung im Prinzipschaltbild, Figur 5 en Ausführungsbeispiel der Erfindung für Detektion von Strahlung, nnsbesondere Röntgenstrahlung, bei durchstrahlten Untersuchungsobjekten, wobei Detektor und zugehörige Strahlungsquelle schwenkbar sind, Figur 6 die zugehörige Signalverarbeitungsschaltung im Prinzipschaltbild, Figur 7 eine Vorrichtung gemäß der Figur 5, jedoch mit dem Unterschied, daß in zwei unterschiedlichen Winkelpositionen je ein Detektor und eine diametral gegenüberstehende Strahlungsquelle starr angeordnet sind, Figur 8 die zugehörige Signalverarbeitungsschaltung im Prinzipschaltbild.
• In der Figur 1 umfaßt ein Gammakameradetektor 1 in der üblichen Weise einen Szintillationskristall 2 sowie einen Teil 3 mit Fotomultiplierröhren für die Umwandlung der Szintillationen in elektrische Ortssignale.
• Dem Gammadetektor 1 ist ein Tubus 4 mit einer codierenden Apertur 5 (z.B. Ringe, Punkte etc.) vorgeschaltet.
• Der Tubus mit der codierenden Apertur ist in Richtung des Doppelpfeiles 6 verschiebbar. Durch Distanzänderung lassen sich die Abbildungseigenschaften des Systems ändern. Der Gammadetektor bildet ein Untersuchungsobjekt 7, z.B. Teil eines menschlichen Körpers, ab, das Gammastrahlen aussendet. Die Gammastrahlen stammen von einer radioaktiven Substanz, die sich innerhalb des Untersuchungsobjektes befindet, z.B.
• in dieses vor Untersuchung-injiziert wurde. Der Raumwinkel der vom Gammadetektor 1 erfaßten Strahlung ist z.B. mit « angegeben. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist der Gammadetektor 1 aus einer Position A um F = 900 in eine Position B schwenkbar. Zusätzlich zu Informationen aus der Position A erhält man jetzt auch noch solche aus der Position B. Die unterschiedlichen Informationen lassen sich so miteinander verknüpfen, daß sich Schichtbilder beliebig vorwählbarer Lagen im Untersuchungsobjekt ergeben. Die Verknüpfung erfolgt vorzugsweise mittels eines algebraischen Gleichungssystems, z.B. in entsprechender Erweiterung ähnlich jenem, wie es von dem Erfinder Erich R. Reinhardt in der bereits vorstehend erwähnten Dissertationsschrift "Abbildungssysteme mit codierten Aperturen und ihre Anwendung in der Radiologie", insbesondere auf den Seiten 53 bis 55, beschrieben ist.
• Im Prinzipschaltbild der Figur 2 wird die Verknüpfung anhand eines Rechners 8 durchgeführt, der auf die Ortungselektronik 9 des Detektors 1 folgt. Das sich aufgrund der jeweiligen Verknüpfung ergebende Schichtbild aus der beliebig vorwählbaren Lage im Untersuchungsobjekt kann dann üblicherweise am Bildschirm eines Monitors 10, zoB Fernsehmonitors, dargestellt werden.
• Das Ausführungsbeispiel der Figur 3 zeigt eine Modifikation in dem Sinne, daß nicht ein einzelner Detektor in zwei unterschiedliche Winkelpositionen geschwenkt wird, sondern gleich zwei separate Detektoren in diesen Winkelpositionen vorhanden sind. Diese Anordnung ermöglicht eine Messung aus gleichzeitig zwei unterschiedlichen Winkelpositionen. Die Vorrichtung der Figur 3 umfaßt also wieder einen ersten Detektor 1 (entsprechend Figur 1), der sich jedoch bezüglich des Ohjektes 7 starr in der Winkelposition A befindet. Demgegenüber um P = 900 versetzt befindet sich in der Winkelposition B ein zweiter Detektor 11, der wieder einen Szintillationskristall 12, einen Verarbeitungsteil 13 mit Fotomultiplierröhren und einen Tubus 14 mit codierencler Apertur 15 umfaßt. Der Tubus ist wieder in Richtung eines Doppelpfeiles 16 verschiebbar. Die Form der codierenden Aperturen 5 bzw. 15 kann für beide Detektoren 1 und 11 gleich sein. Sie können gegebenenfalls aber auch verschieden sein.
• Die Figur 4 zeigt die zugehörige Signalverarbeitungsschaltung im Prinzipschaltbild. Diese Schaltung unterscheidet sich von jener der Figur 2 dadurch, daß neben dem zweiten Detektor 11 mit nachgeschalteter Ortungselektronik 16 im Rechner 8 jetzt ein zweiter Eingang für die Informationen des zweiten Detektors 11 vorhanden ist. Der Rechner 8 verknüpft jetzt also die jetzt gleichzeitig aus beiden Winkelpositionen anfallenden Informationen aus dem Untersuchungsobjekt 7 in der Weise, daß sich Schichtbilder beliebig vorwählbarer Lagen im Untersuchungsobjekt ergeben.
• Die Figur 5 zeigt eine Röntgenanordnung mit einem Röntgendetektor 18 und einer diametral gegenüberliegend angeordneten codierenden Röntgenquelle 19. Die Gesamtanordnung ist um 0 = 900 drehbar in dem Sinne, daß der Detektor 18 aus der Position A in die Position B bei entsprechender Schwenkung der Röntgenquelle 19 von der Position C in die Position D schwenkbar ist. Auch für den Fall einer Durchstrahlung mit Röntgenstrahlen ergibt sich also aufgrund der Schwenkbewegung Abtastung aus zwei unterschiedlichen Winkelpositionen.
• Der Detektor 18 besteht z.B.,wie das Prinzipschaltbild der Figur 6 andeutet, aus einem Röntgenbildverstärker 20 mit Fernsehaufnahmeröhre 21. Das Bauelement 22 ist ein Signalkonverter (A/D-Umsetzer) für das analoge Fernsehsignal der Fernsehaufnahmeröhre. Mit 23 ist wieder ein Rechner bezeichnet, der die aus den unterschiedlichen Winkelpositionen A und B erhaltenen Röntgeninformationen miteinander verknüpft in der Weise, daß sich Schichtbilder beliebig vorwählbarer Lagen im Untersuchungsobjekt an einem Fernsehmonitor 24 ergeben.
• Das Ausführungsbeispiel der Figur 7 zeigt wieder eine Modifikation in der Weise, daß zu einem festen Röntgendetektor 18 in der Position A um F = 900 versetzt ein zweiter Röntgendetektor 25 in der Position B vorhanden ist. Zusätzlich zu der codierenden Röntgenquelle 19 in der Position C, die dem Röntgendetektor 18 in der Position A zugeordnet ist, ist für den Detektor 25 in der Position 3 eine entsprechend diametral gegenüberliegende Röntgenquelle 26 in der Position D vorhanden. Diese Anordnung ermöglicht wieder die gleichzeitige Aufnahme von Informationen aus zwei unterschiedlichen Winkelpositionen bei Durchstrahlung des Untersuchungsobjektes.
• Die Ausführungsbeispiele der Figuren 5 und 7 lassen sich aber auch noch beliebig modifizieren. So kann im Falle einer Durchstrahlung wahlweise auch eine bewegliche codierende Strahlungsquelle bezüglich starr angeordneten Detektoren oder wenigstens ein beweglicher Detektor gegenüber starr angeordneten codierenden Strahlungsquellen in die jeweilige Diametralposition schwenkbar sein.
• Was das Ausführungsbeispiel der Figur 7 betrifft, so ergibt sich eine entsprechende Modifikation auch in der zugehörigen Signalverarbeitungsschaltung. Gemäß dem Prinzipschaltbild der Figur 8 ist entsprechend dem zusätzlichen zweiten Röntgendetektor 25 ein zusätzlicher Röntgenbildverstärker 27 mit Fernsehaufnahmeröhre 28 mit einem weiteren Signalkonverter 29 vorgesehen. Der Rechner 23 umfaßt entsprechend einen weiteren Eingang für die Informationen dieses zweiten Röntgendetektors zum Zwecke der gleichzeitigen Verknüpfung der Informationen, die sowohl vom Detektor 18 als auch vom Detektor 25 geliefert werden.
• Wie schon vorher erwähnt, kann es sich bei den codierenden Aperturen 5 bzw. 15, die den Detektoren 1 bzw. 1 und 13 der Ausführungsbeispiele der Figuren 1 und 3 vorgeschaltet sind, um Zonenplatten handeln, bei denen z.B.
• Bleiringe oder Punkte in Blei auf Plexiglas aufgebracht sind. Die codierenden Aperturen vor den Detektoren sollten vorzugsweise auswechselbar sein, so daß von ein und demselben Detektor mit unterschiedlich codierten Aperturen voneinander unabhängige Bildinformationen gewonnen werden. Im Falle der Ausführungsbeispiele der Figuren 5 und 7 sollte zur Erreichung desselben Zieles die Codie- rung der jeweiligen Strahlungsquelle entsprechend änderbar sein. Ferner sollten die codierenden Funktionen der jeweiligen codierenden Apertur bzw. der codierten Strahlungsquelle beliebig reell oder komplex sein. Ferner sollten mehrere reell positivwertige Funktionen der vorzuschaltenden Apertur oder der codierten Strahlungsquelle- so wählbar sein, daß sich durch einfache Uberlagerung die gewünschte codierende Funktion ergibt. Sowohl die Einzelfunktionen als auch Kombinationen einzelner Funktionen sollten für die Gewinnung der Bildinformation herangezogen werden können. Insgesamt sollen aber die codierenden Aperturen, die einem Detektor vorschaltbar sind, oder die Codierung einer Strahlungsquelle solche Gestalt aufweisen, daß deren Autokorrelierte einer Deltafunktion entspricht.
• Die in den Figuren 1 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung haben lediglich exemplarischen Charakter. Es gibt sicher beliebig andere Modifikationen dieser Ausführungsbeispiele, die aber selbstverständlich alle mit unter die Erfindung fallen sollen.
• 8 Figuren 18 Patentansprüche Leerseite

Claims (18)

1. Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Erzeugen von tomografischen Bildern eines Untersuchungsobjektes, die aufgrund Strahlung erzeugt werden, mit einem Detektorsystem für die Strahlung, dem gegebenenfalls codierende Aperturen vorschaltbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das Detektorsystem (1 bzw. 1, 11 bzw. 18 bzw. 18, 25) wahlweise zur zeitlich aufeinanderfolgenden oder gleichzeitigen Abtastung des Untersuchungsobjektes (7) aus einer geringen, höchstens im Bereich zwei bis zehn, vorzugsweise aber bei nur zwei liegenden, Zahl von unterschiedlichen Winkelpositionen (A, B), die jedoch von 1800 abweichen, ausgebildet ist, so daß, bedingt durch die unterschiedliche geometrische Anordnung, entsprechend unterschiedliche Informationen Uber die räumliche Strahlungsverteilung geliefert werden und daß zumindtst für den Fall der Abtastung eines selbststrahlenden Untersuchungsobjektes (Figuren 1 und 3) jedem Detektor (1 bzw. 1; 11) des Detektorsystems eine ihm eigene codierende Apertur (5 bzw. 15) vorgeschaltet ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß im Falle einer Durchstrahlung, z.B. mit Röntgenstrahlen (Figuren 5 und 7), lediglich die zugehörige Strahlungsquelle (19 bzw. 19, 26) codierend ausgebildet ist, während den Detektoren (18 bzw. 18, 25) keine zusätzliche codierende Apertur zugeordnet ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u.r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Detektorsystem wenigstens einen einzelnen Detektor (1 bzw 18) umfaßt, der in zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten aus einer Anfangsposition (A) in die geringe Zahl weiterer Winkelpositionen (B) schwenkbar ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Detektorsystem eine der geringen Anzahl der Winkelpositionen (A, B) entsprechend geringe Zahl von Detektoren (1, 11 bzw.

   18, 25) umfaßt, die in den unterschiedlichen Winkelpositionen (A, B) bezüglich des Untersuchungsobjektes (7) starr angeordnet sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Falle einer Durchstrahlung eine codierende Strahlungsquelle (19), die einem Detektor (18) diametral gegenübersteht, zusammen mit dem zugehörigen Detektor bei dessen Schwenkung in die geringe Zahl von Winkelpositionen (A, B) so schwenkbar ist, daß sie auch in den jeweiligen neuen Winkelpositionen dem Detektor diametral gegenübersteht.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Falle einer Durchstrahlung jedem einer geringen Zahl von Detektoren (18 bzw. 18, 25), die in den unterschiedlichen Winkelpositionen (A, B) bezüglich des Untersuchungsobjektes (7) starr angeordnet sind, eine entsprechend zugehörige codierende Strahlungsquelle (19 bzw. 19, 26) starr diametral gegenübersteht.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Falle einer Durchstrahlung wahlweise eine bewegliche codierende Strahlungsquelle bezüglich starr angeordneten Detektoren oder wenigstens ein beweglicher Detektor gegenüber starr angeordneten codierenden .Strahlungsquellen in die jeweilige Diametralposition schwenkbar ist.
8. 8 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Detektorsystem (1 bzw. 1, 11 bzw. 18 bzw. 18, 25) zur Abtastung eines Untersuchungsobjektes (7) aus insgesamt zwei Winkelpositionen (A, B) ausgebildet ist, die in einem Winkel von etwa b = 900 zueinander stehen.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, da dur oh g e -k e n n z e i c h n e t , daß bei starrer Detektoranordnung (Figuren 3, 7) insgesamt zwei Detektoren (1, 11 bzw 18, 25) bezüglich des Untersuchungsobjektes (7) unter einem Winkel von etwa ffi = 900 gegeneinander versetzt angeordnet sind.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Falle der Selbststrahlung die codierenden Aperturen (5 bzw 15) vor den Detektoren (1 bzw. 11) auswechselbar ausgebilde sind, so daß von ein und demselben Detektor mit unterschiedlich codierten Aperturen voneinander unabhängige Bildinformationen gewonnen werden, und im Falle der Durchstrahlung zur Erreichung desselben Zieles die Codierung der zugehörigen Strahlungsquelle entsprechend änderbar ist.
11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Informationen, die von einem schwenkbaren Detektor oder von wenigstens zwei räumlich gegeneinander versett angeordneten Detektoren aus den unterschiedlichen Winkelpositionen erhalten werden, so miteinander verknüpfbar sind, daß sich Schichtbilder beliebig vorwählbarer Lagen des Untersuchungsobjektes ergeben.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die unterschiedlichen Bildinformationen mittels eines algebraischen Gleichungssystems miteinander verknüpfbar sind.
13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Detektoren so schwenkbar oder räumlich so angeordnet sind, daß durch sie in den wenigen Winkelpositionen das dreidimensionale Fourierspektrum des Untersuchungsobjektes weitgehend vollständig erfaßbar ist.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die wenigen Winkelpositionen (A, B) so gewählt sind, daß bezüglich der einzelnen Aperturen im Fourierraum eine Uberlappung weitgehend vermieden ist.
15. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die codierenden Funktionen der jeweiligen codierenden Apertur (5, 15) bzw. der codierten Strahlungsquelle (18, 19) beliebig reell oder komplex sind.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß mehrere reell positivwertige Funktionen der vorzuschaltenden Apertur oder der codierten Strahlungsquelle so wählbar sind, daß durch einfache Überlagerung sich die gewünschte codierende Funktion ergibt.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, cl a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß sowohl die Einzelfunktionen als auch Kombinationen einzelner Funktionen für die Gewinnung der Bildinformation herangezogen werden können.
18. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die codierenden Aperturen, die einem Detektor vorschaltbar sind, oder die Codierung einer Strahlungsquelle solche Gestalt aufweisen, daß deren Autokorrelierte einer Deltafunktion entspricht.