DE3150238A1

DE3150238A1 - "mit kontinuierlicher rotation abtastendes faecherstrahl-tomografiesystem"

Info

Publication number: DE3150238A1
Application number: DE19813150238
Authority: DE
Inventors: Bernard M. 01930 Magnolia Mass. Gordon
Original assignee: Analogic Corp
Current assignee: Analogic Corp
Priority date: 1981-06-12
Filing date: 1981-12-18
Publication date: 1983-01-05
Anticipated expiration: 2001-12-19
Also published as: GB2100545B; JPH0623696B2; GB2100545A; DE3150238C2; NL8104977A; FR2507466B1; FR2507466A1; NL192081C; IL64106A0; JPS57206430A; NL192081B

Description

315G238

TET.rSON Cl G 4 7 δ

i:i,::s ess a 02 pcioi d

Augsburg, den 16. Dezember 19SI Anw.Aktenz.: W.1078

Analogie Corporation, Audubon Road, Wakefield, Massachusetts UI88O, V.St.A«

Mit kontinuierlicher Rotation abtastendes Fächer-

strahl-Tomografiesystem

Die Erfindung betrifft ein mit kontinuierlicher Rotation abtastendes Fächerstrahl-Tomografiesystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mit Computertomografiesystemen werden auf indirektem Wege Röntgenbilder von Körperscheiben eines untersuchten Objekts erzeugt. Dazu wird das üntersuchungsobjekt zwischen eine Rontgenstrahlenquelle und eine einen oder mehrere Strahlungsdetektoren umfassende Detektoranordnung gebracht, wobei die Strahlenquelle und die Detektoranordnung konjugierte Abtastbewegungen zur Abtastung der Objektscheibe in der Objektscheibenebene aus mehreren Richtungen ausführen. Dabei erhält man eine Vielzahl von Röntgenabschwächungswerten für die untersuchte Objektscheibe, die aber für sich allein noch keine direkte Aussage bezüglich der einzelnen Elemente der Objektscheibe ermöglichen. Der Computer interpretiert die Vielzahl der zusammengenommenen erhaltenen Röntgenabschwächungswerte

-Js -

nach einem besonderen Verfahren und rekonstruiert daraus ein lesbares Bild der Objektscheibe, wobei jedes Bildelement einem Volumenelement der Objektscheibe entspricht ο

Sine Gruppe der bekannten Tomografiesysteme sind die mit kontinuierlicher Rotation abtastenden Pächerstrahl-Tomografiesysteme₀ Dabei sendet die Rontgenstrahlenquelle einen kontinuierlichen Fächerstrahl in Form eines Kreissektors aus, und die Detektoranordnung bildet ein typischerweise aus mehreren hundert Detektoren bestehenden Detektorfeld, das auf der bezüglich der Strahlenquelle entgegengesetzten Seite des Objekts in Form eines Segmentbogens ausreichender Länge angeordnet ist, um den gesamten Strahlfächer zu überdecken,, Die Detektoren erzeugen jeweils individuelle Ausgangssignale entsprechend dem empfangenen, durch Absorption im Untersuchungsobjekt abgeschwächten Strahlanteile

Bei bekannten Fächerstrahl-Tomografiesystemen war man der Meinung, daß eine gleichzeitige Erfassung der Detektorsignale sämtlicher Detektoren in jeder Winkelstellung des Systems das günstigste Verfahren zur Gewinnung der erforderlichen mathematischen Basis für die tomografisehe Bildkonstruktion sei. Die individuellen Detektorausgangssignale werden daher bei diesen bekannten Systemen jeweils sofort durch individuelle, rückstellbare Integratoren verarbeitet, deren Inhalte dann abgefragt und durch nachgeschaltete Systemelemente gespeichert werden, was insgesamt als "Integration/ Auswurf"-Verfahren bekannt ist. Bei den bekannten, mit kontinuierlicher Rotation abtastenden Fächerstrahl-Tomografiesystemen und ihrer Technik wird demgemäß davon ausgegangen, daß die beste Bewertung der Strahlungs-

abschwächung entlang jedes definierten Pfades aus den individuellen Ausgangssignalen von Integrations/ Auswurf-Schaltungen gewonnen werden kann, die so ausgelegt sind, daß sie so viele Detektorausgangssignale und daher Röntgenstrahlungssignale wie möglich erfassen.

Ein weiterer Gesichtspunkt der bekannten, mit kontinuierlicher Rotation abtastenden Fäeherstrahl-Computertomografiesysteme sind die hohen Kosten der zusätzlich zu den mehreren hundert rückstellbaren Präzisionsintegratoren erforderlichen zugehörigen Hilfsschaltungen. Grundsätzlich ist für jeden Eingabekanal eine Übertragungshilfsschaltung erforderlich, um bei einem Übertragungsbefehl den aufsummierten Integrationswert schnell aufnehmen zu können und damit eine schnelle Rückstellung der Eingabeintegratoren am Ende einer Integrationsperiode zwecks weiterer Integration während der nächsten Integrationsperiode zu ermöglichen.

Ein allgemein angestrebtes Ziel bei Tomografiesystemen ist die Reduzierung der Strahlendosiso Die erforderliche Strahlendosis wird grundsätzlich durch die Detektorempfindlichkeit für Röntgenstrahlen, die Detektorgeometrie und die nachgeschaltete Signalverarbeitungseinrichtung bestimmt. Bei den eben erläuterten bekannten Systemen wird angenommen, daß das Sammeln möglichst vieler Strahlungssignale mittels eines jedem Strahlendetektor zugeordneten rückstellbaren Integrators die beste Möglichkeit der Minimierung der Strahlendosis darstellt. Trotz der in der Vergangenheit vorgenommenen Systemverbesserungen der bekannten Systeme ist die erforderliche Strahlendosis aber immer noch verhältnismäßig hoch, weshalb zu untersuchende Patienten nur einer begrenzten Anzahl von Untersuchungen unterzogen werden dürfen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit kontinuierlicher Rotation abtastendes Fächerstrahl-Tomografiesystem der eingangs genannten Gattung im Hinblick auf eine Bewältigung der eben erläuterten Probleme zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen System werden die Detektorausgangssignale der rotierenden Röntgenstrahlendetektoren eines mit kontinuierlicher Rotation abtastenden Fächerstrahl-Tomografiesystems mittels an sich bekannter Filter gefiltert, die durch bestimmte Parameter beschrieben sind und Ausgangssignale erzeugen, die mit einer bestimmten Abtastrate abgetastet werden. Das tomografische Bild wird aufgrund von Strahlungsmeßwerten genau konstruiert, die in diskreten Zeit- punkten aus den Filterausgangssignalen abgeleitet werden, wodurch die Notwendigkeit einer gleichzeitigen Abfrage aller Detektorausgangssignale in den diskreten Zeitpunkten, wie es bei den bekannten Systemen der Fall ist, entfällt. Das System rotiert kontinuierlich, wobei bestimmte Winkelstellungen den diskreten Zeitpunkten entsprechen. Die Filterausgangssignale werden sequentiell mit einer Abtastrate abgetastet, die typischerweise von den diskreten Zeitpunkten differiert. Die so gewonnen Strahlungsmeßwerte stellen jeweils einen bestbewerteten Signalwert bei einer speziellen Y/inkelstellung des die Strahlenquelle und das Detektorfeld tragenden Rahmens des Systems entsprechend den sequentiell abgetasteten Filterausgangssignalen dar. Die Genauigkeit dieser bestbewerteten Strahlungsmeßwerte wird dadurch noch gesteigert, daß durch entsprechende Auslegung des

Filters Fehlersignale aus den Filterausgangssignalen eliminiert werden» Die Filter sind hinsichtlich Parametern optimiert, zu denen Filterbandbreite, Filterübertragungsverhalten, Filterphasengang, Beschränkungen der Systemgeometrie, nachfolgendes Computerrekonstruktionsverfahren und Systemkosten gehören,, Infolgedessen minimieren die Filter in den Detektorausgangssignalen enthaltene Fehlersignale, was wiederum die Bewertung der Röntgenstrahlenabsorption in diskreten Zeitpunkten verbessert. Beispielsweise berücksichtigt die Erfindung, daß die maximale Frequenz der bei mit kontinuierlicher Rotation abtastenden Tomografiesysteme abgeleiteten Signale grundsätzlich durch die Strahlenquelle, die Größe eines nachzuweisenden Objektdetails, die Querschnittsfläche eines Strahlendetektors und die Geometrie und die Relativbewegung dieser Komponenten mit Bezug zueinander begrenzt ist. Außerdem berücksichtigt die Erfindung, daß die Photonenunregelmäßigkeit als Rauschen mit einer Rauschbandbereite ausgedrückt werden kann, die weit oberhalb der übrigen Bandbreite des Tomografiesystems liegt. Die Erfindung bringt eine beträhtliehe Verbesserung der Signalqualität durch Verarbeitung der Detektorsignale mit einem zeitlich kontinuierlichen Filter zur Rauschbegrenzung, dessen Ausgangssignal vor der Umsetzung für die weitere Verarbeitung ausreichend abgetastet wird.

Mehr im einzelnen wird gemäß der Erfindung ein wesentlicher Anteil des von der Strahlenquelle stammenden Fehlersignals durch Filterung der Detektorsignale mit einem Tiefpaßfilter eliminiert, das eine unterhalb der Abtastrate liegende Grenzfrequenz hat. Das mechanische System mit den Detektoren erzeugt ein Signal, das im wesentlichen eine Faltung des Objektdetails mit

dem Detektorquerschnitt darstellt. Das resultierende zeitabhängige Signal weist die zugehörigen Frequenzkomponenten mit einer damit in Beziehung stehenden Bandbreite auf_o
5

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Tiefpaßfilter vorgesehen, das nur bis zu der maximalen verwendbaren Frequenz der oben erwähnten Bandbreite reicht. Die Abtastrate wird entsprechend der maximalen verwendbaren Frequenz bestimmte Die maximale verwendbare Frequenz wird aufgrund einer objektiven oder subjektiven Analyse einer Fourier-Transformation des zeitabhängigen Signals im Hinblick auf die oben erwähnten Kriterien gewählt. Die Erfindung liefert dadurch ein erhöhtes Signal/Rausch-Verhältnis und eine bessere Auflösung der Signale, die zur Berechnung der tomografischen Bilder verwendet werden. Die Verbesserung ist dabei von solcher Qualität, daß ein Bild aufgrund von mittels einer reduzierten Strahlungsintensität erhaltenen Daten rekonstruiert werden kann. Dadurch wird der untersuchte Patient einer niedrigeren Strahlendosis ausgesetzt und der Gomputertomografie-Diagnostik ein breiterer Anwendungsbereich eröffnet.

Außerdem findet bei dem erfindungsgemäßen System eine kontinuierliche Filterung vor der Abtastung statt und die Notwendigkeit individueller Speicherelemente für jeden Detektor des Tomografiesystems entfällt, wodurch die Gesamtkosten des Systems beträchtlich gesenkt werden,,

Kurz zusammengefaßt umfaßt das mit kontinuierlicher Rotation abtastende Fächerstrahl-Tomografiesystem nach der Erfindung eine Rontgenstrahlenquelle und ein gegenüber derselben angeordnetes Detektorfeld mit einer Viel-

zahl von Strahlungsdetektoren sowie einen die Strahlenquelle und das Detektorfeld tragenden, um ein innerhalb des Untersuchungsobjekts gelegenes Drehzentrum drehbaren Rahmen. Die Strahlenquelle erzeugt einen an sich bekannten Fächerstrahl, wobei es sich um einen gleichförmigen, fächerförmigen Plächenstrahl handelt, der senkrecht zu seiner Hauptebene nur eine kleine Ausdehnung und im wesentlichen keine Divergenz hat, während der Fächerwinkel in der Strahlhauptebene so groß ist, daß der gesamte Objektquerschnitt durchstrahlt wird. Die Detektoren liegen hinter dem Untersuchungsobjekt und bilden ein Detektorfeld in Form eines Segmentbogens ausreichender Länge, so daß der gesamte Strahlfächer überdeckt wird. Jeder Detektor erzeugt ein Ausgangssignal entsprechend der von ihm empfangenen Strahlung. Das Detektorausgangssignal wird sodann mittels eines nachgeschalteten Filters gefiltert, um ein kontinuierliches optimiertes Filterausgangssignal zu erzeugen, das, wenn es mit einer bestimmten Abtastrate durch nachgeschaltete Elemente des einen Verarbeitungscomputer umfassenden Tomografiesystems abgetastet wird, eine bestimmbare Bestbewertung der gesamten Röntgenstrahlenabsorption entlang eines bestimmten Pfades durch das Untersuchungsobjekt darstellt., Sodann wird ein Bild aufgrund dieser bestbewerteten Röntgenstrahlenmeßwerte in diskreten Zeitpunkten rekonstruiert, die im Hinblick auf die sequentielle Natur der Abtastung der Filterausgangssignale zeitlich mit Bezug auf die Abtastrate versetzt sind oder eine abweichende Periodizität haben.

Die Abtastperioden erfolgen mit einer Abtastrate, die auch eine praktische Grenze für die Bandbreite der Detektorfilter festlegt. Die Abtastrate ist auf eine Frequenz begrenzt, die einer maximalen verwendbaren

Frequenz der Detektorausgangssignale entspricht_o Die maximale verwendbare Frequenz der Detektorausgangssignale wird entsprechend dem größten und kleinsten auszulösenden Objektdetail, der Größe und Lage jedes Detektors und der Bewegung des mechanischen Systems relativ zum Untersuchungsobjekt bestimmt. Die Strahlenquelle, die aufzulösenden Objektdetails und der Detektorquerschnitt werden mathematisch zeitlich gefaltet, um ein zeitabhängiges Signal zu erzeugen, dessen Fourier-Transformation eine Gruppe von Frequenzbereichssignalen mit einem obersten Frequenzbereichssignal beschreibt. Die maximale verwendbare Frequenz wird entsprechend einer subjektiven oder einer bestimmten bekannten objektiven Analyse des obersten Frequenzbereichssignals festgelegt» Gemäß der Erfindung werden außerhalb der oben erläuterten Bandbreite liegende Signale im allgemeinen als Fehlersignale, Rauschen oder andere unerwünschte Signale interpretiert und minimiert. Das resultierende Signal kann in einem Verarbeitungscomputer verarbeitet werden, um von den abgetasteten Filterausgangssignalen abgeleitete Bestbewertungssignale zu bilden. Diese Bestbewertungssignale werden für diskrete Zeitpunkte gebildet, die typischerweise von der Abtastrate differieren, wobei diese diskreten Zeitpunkte mit bestimmten Positionen des Rahmens in Beziehung stehen. Der Verarbeitungscomputer konstruiert ein tomografisches Bild aufgrund vielfältiger bekannter Verfahren, das dann mit Hilfe einer geeigneten Anzeigeeinrichtung sichtbar dargestellt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Pig. 1 in schematische Darstellung

die mechanische Geometrie eines mit kontinuierlicher Rotation abtastenden Fächerstrahl-Tomografiesystems,

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines verallgemeinerten Abtast- und Rekonstruktions-Subsystems nach der Erfindung j

Fig. 2A die übertragungscharakteristik

eines Elements des Subsystems nach Fig_o 2,

Fig. 2B das Zeitverhalten einer bekannten

Integration/Auswurf-Schaltung im Vergleich zu dem Subsystem nach Figo 2,
20

Fig. 3 eine grafische Darstellung der

interessierenden Signale in dem Frequenzbereich,

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines einzelnen

Filterkanals nach der Erfindung,

Fig. 5 ein Schaltbild eines Ausführungs-

beispiels eines Filters nach der Erfindung, und

Fig. 6 eine grafische Darstellung eines

typischen Filterausgangssignals der Schaltung nach Fig. 4.

Fig. 1 zeigt eine verallgemeinerte schematische Darstellung der Geometrie eines mit kontinuierlicher Rotation abtastenden Fächerstrahl-Tomografiesystems mit einem mechanischen Rahmen 10, der eine Röntgenstrahlenquelle 12, de einen kontinuierlichen, breit gefächerten Röntgenstrahl durch ein üntersuchungsobj ekt 14 hindurchwirft, und ein Detektorfeld mit einer Anzahl von die Röntgenstrahlung nach Durchquerung des Objekts auffangenden Röntgendetektoren 16 mit jeweils einem bestimmten Detektorquerschnitt trägt. Der ausgesandte Fächerstrahl 18 divergiert von der Strahlenquelle 12 aus zu den Detektoren 16 hin unter einem Fächerwinkel, so daß der Strahl die Form eines Kreissektors hat, während der Fächerstrahl jedoch senkrecht zu der Fächerebene nur eine verhältnismäßig geringe Dickenausdehnung und im wesentlichen keine Divergenz hate Die Untersuchung bezweckt den Nachweis und die Abbildung bestimmter Objektdetails innerhalb des Objekts 14, wie beispielsweise durch ein einziges absorbierendes Objektelement 20 dargestellt ist. Die Strahlenquelle 12 und das Detektorfeld 16 rotieren gemeinsam um einen Rotationswinkel in der angegebenen Pfeilrichtung um das Untersuchungsobjekt l4 herum. Die gewünschte Information wird vorzugsweise durch Rotation um einen Rotationswinkel von 360° erzeugt, während die Strahlenquelle 12 den Fächerstrahl 18 kontinuierlich erzeugt. Die Detektoren 16 erzeugen jeweils ein kontinuierliches Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem Empfang von Röntgenphotonen der von der Strahlenquelle 12 ausgesandten und durch das Untersuchungsobjekt 14 hindurchgedrungenen Strahlung, während das System kontinuierlich um den Rotationswinkel 22 rotiert wird. Die Signale der Detektoren stehen jeweils unmittelbar mit der Anzahl der empfangenen Photonen in Beziehung und sind daher der jeweiligen Absorption der Strahlung im Untersuchungsobjekt 14 längs der betreffenden Strahllinie 15 umgekehrt proportional.

- rs -

Die von den Detektoren erzeugten Signale werden von einer Datenerfassungseinrichtung 24 aufbereitete Diese Datenerfassungseinrichtung 24 enthält eine Vielzahl von Kanälen, die jeweils einem Detektorausgangssignal zugeordnet sind und jeweils ein Ausgangssignal für nachgeschaltete Datenerfassungslogikeinrichtungen wie beispielsweise nicht dargestellte Signalmultiplexer und Digitalgeber erzeugen. Danach wird das Signal durch einen Universal- oder Spezialverarbeitungscomputer, der ebenfalls nicht dargestellt ist, in einer bestimmten Weise verarbeitet, um ein Querschnittsbild des untersuchten Objekts zu konstruieren. Ein vollständiges Fächerstrahl-Tomografiesystem ist beispielsweise in der US-PS 4 135 247 beschrieben. Die oben erwähnte Signalverarbeitung kann gemäß der eben erwähnten Patentschrift oder in anderer an sich bekannter Weise erfolgen.

Aus Fig. 1 geht hervor, daß das Vorhandensein eines absorbierenden Objektelements 20 in dem Untersuchungsobjekt durch den von ihm erzeugten Schatten bei der Absorption der Energie des Strahls 18 aus der Sicht des betreffenden Detektors 16 festgestellt werden kann. Die Position dieses Objektelements 20 und seine Form wird aus dem Absorptionswert entsprechend dem Linienintegral über jeder Strahllinie 15 sowie aus ihrer Relativbewegung mit Bezug auf die Strahlenquelle 12 und die Detektoren 16" abgeleitete Die Rekonstruktion der Struktur 20 kann gemäß an sich bekannter Techniken erfolgen.

Die Erfindung befaßt sich mit der Gewinnung einer Bestbewertung der Absorption für jede Strahllinie 15 durch das Untersuchungsobjekt 14 in diskreten Zeitpunkten für eine gegebene Gruppe von Winkelpositionen innerhalb des Drehwinkels der Strahlenquelle 12 und

des Detektorfeldes 16. Diese Bestbewertungen in den diskreten Zeitpunkten werden interpoliert, nachgebildet oder auf andere Weise von sequentiell abgetasteten Detektorsignalen in einem Verarbeitungscomputer abgeleitet, der ein tomografisches Bild rekonstruiert. Es ist daher wesentlich, daß die abgetasteten Detektorsignale die genaue Ableitung derartiger bestbewerteter Absorptionswerte zulassen»

Die Vorverarbeitungsfunktionen des Systems können in allgemeiner Form gemäß Fig. 2 dargestellt werden, wonach jeder Detektor 16 ein Ausgangssignal x(t) erzeugt, das von einem Funktionsblock 22 mit einer allgemeinen Übertragungsfunktion H(f) bzw. einem Zeitbereichsverhalten h(t) empfangen wird. Der Block 22 erzeugt ein Ausgangssignal y(t), das periodisch und momentan mittels eines Abtastblockes 24 entsprechend einem Abtastsignal s(t) abgetastet wird, um ein abgetastetes Signal z(t) zu erzeugen» Das Abtastsignal s(t) st in allgemein bekannter Form folgendermaßen definiert :

s(t) =5 f u (t - Kt -<*), τ = \ (D

wobei ü eine Impulsfunktion, c*· eine statistische Phasenkonstante (siehe Fig. 6) und f die Abtastfrequenz ist. Die Abtastungen von y(t) bilden z(t) gemäß der Gleichung

OO

z(t) =Σ y(Kt +<* )U (t - KT -Λ)

wobei die Gruppe der Werte \ y(Kt +CA )J cli_e Abtastwerte sind. Das rekonstruierte Ausgangssignal &(t) ist gegeben durch

- vr -

OO

=2 y(Kt +<* )g [t - Kt -

OO

K=-oo

wobei der Funktionsblock 26 die in Figo 2A dargestellte Übertragungscharakteristik oder diejenige eines idealen Tiefpaßfilters hat.

In dem Abtast- und Rekonstruktionsprozeß kann ein Fehler £(t) definiert werden. Es wird vorausgesetzt, daß das Ausgangssignal x(t) eines Detektors 16 eine Spektraldichte S (f) und eine Phasenkonstante Cs aufweist, die über dem Zeitintervall £Ό, Tj gleichmäßig verteilt sind, so daß die folgenden Definitionen möglich sind:

£(t) Δ *(t) - x(t), (4)

S_x(f) 4 S_L(f) + s_H(f) (5)

wobei = S_x(f)_a I f I Z. £o

S_T(f) ² (6A)

I I

= 0, andere jf|

f U £o

und S_H(f) 2 (6B)

, |f |z£o

²

ρ Dxe den statistischen mittleren quadratischen Fehler £ (t) angebende Fehlerfunktion

+f

- H(f)|² S_L(f) df

H(T)I² S_H(f) elf (7)

die bei Reduktion den kleinsten Abtast- und Rekonstruktionsfehler ergibt, wird minimiert, wenn

H(f)

(δ)

so daß sich als Fehler ergibt

£²(t)

S_K(f) df

(9)

der die gesarate Signalleistung von x(t) außerhalb des Rekonstruktionsbereiches enthält, der zuvor als zwischen

■f + f ~\
ο ο liegend definiert wurde.

" 2 J

Demzufolge liegt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit linearer Filterung für alle diskreten Zeitpunkte (wobeicX nicht auf einen bestimmten Viert beschränkt ist) die beste Rekonstruktion vom x(t) inner- ¹O, o bei einer gegebenen T Τ J

Abtastrate f = ψ. Die beste lineare Bewertungsgröße x(t) erhält man daher, wenn die übertragungsfunktion H(f) des Blockes 22 diejenige eines idealen Tiefpaßfilters ist,

4t

- 1*9 -

wie in Fig. 3 durch die Kurve 40 dargestellt, die alle' Signale mit einer Frequenz gleich oder unterhalb der Filtergrenzfrequenz durchläßt und alle Signale mit einer Frequenz größer als die Grenzfrequenz zurückhält, und bei einem Fehler, der durch die Hochfrequenzleistung x(t) gemäß Gleichung 9 gegeben ist. Wenn jedoch x(t) keine Hochfrequenzleistung enthält, d.h. S_x^f) = 0,

P Ά

dann gilt £ (t) = 0 für das Optimum von H(f).

Wenn h(t) = h_(t), wie in Fig. 2B für ein typisches Zeitverhalten einer bekannten Integrations/Auswurf-Schaltung dargestellt ist, ist die übertragungsfunktion des Blockes 22

H₃Cf) = sin TTfT (10)

die in Fig. 3 als Kurve 42 in Form einer Welle dargestellt ist und mit der optimalen Filterübertragungsfunktion gemäß Kurve 40 verglichen werden kann, wobei bei dieser Übertragungsfunktion H (f) gemäß Kurve 42 stets dann durch die schraffierten Flächenbereiche 50 verdeutlichte Fehlersignale auftreten, wenn S„ Φ 0. Zur Minimierung von Fremdsignalenergie, beispielsweise der nachstehend noch erörterten Photonenrauschleistung, ist ^J daher das optimale Filter ein idealisiertes Tiefpaßfilter. Mit anderen Worten, von den übertragungsfunktionen G(f), die in Fig. 2A dargestellt ist, und H(f) durchgelassene Signale mit Frequenzen oberhalb der Abtastfrequenz (d.h. oberhalb S_) führen zur Entstehung nicht mehr beseitigbarer Fehler im Meßergebnis. Die Abtastfrequenz f ist so gewählt, daß sie mindestens zweimal größer als die höchste brauchbare Frequenzkomponente in x(t) vom Detektor 16 ist, entsprechend dem Nyquist-Kriteriunio Die höchste brauchbare Frequenzkomponente kann unter Berücksichtigung der oben erwähnten Systemparameter

entsprechend der Gesamtform der Frequenzbereichscharakteristik der Detektor- oder ObjektStruktursignale objektiv oder subjektiv gewählt werden.

Die Gesamtform der Frequenzbereichscharakteristik von Objektstruktursignalen ist gemäß der Fourier-Transformation des betreffenden zeitabhängigen Signals beschrieben,, welches die Faltung des Detektorquerschnitts mit dem ObjektStrukturquerschnitt darstellt, während Detektor- und Objektstruktur während der Abtastrotation der Strahlenquelle und der Detektoren relativ zum Patienten mit Bezug zueinander bewegt werden» Eine typische Frequenzbereichsdarstellung der in dem Tomografiesystem auftretenden Signale ist in Fig. 3 dargestellt. Illustrationshalber ist in Fig. 3 durch die Kurve 4b in dem Frequenzbereich ein von einem langen Objektelement abgeleitetes hypothetisches Breitbandsignal mit scharfen Unregelmäßigkeiten im Zeitbereich dargestellte Im allgemeinen ist die untere Frequenzgrenze durch die maximale Dauer der Absorption bzw. des von der Objektstruktur während der Rotation erzeugten Schattens definiert; beispielsweise zeigt ein Querschnitt der Hirnschale bei nahezu tangentialer Abtastung eine kontinuierliche Absorption während der Rotation des Rahmens, was in einer Gleichstromkomponente resultiert, wodurch das Niederfrequenzerfordernis festgelegt wird. Das Oberfrequenzerfordernis ist die durch Schärfe oder Änderungsgeschwindigkeit des zeitabhängigen Faltungssignals festgelegte Grenze«

Die Hauptursache der Fehler in den rekonstruierten Signalen liegt in der natürlichen Unstetigkeit der Strahlenquellenemissionen, d_eh„ in Schwankungen der Regelmäßigkeit, mit welcher die Röntgenstrahlen von einer Strahlenquelle emittiert werden, während das in der Elektronik auftretende Rauschen einen im allgemeinen

verhältnismäßig kleinen Anteil ausmacht. Obwohl das Photonenrauschen breitbandig ist, haben die mittels des mechanischen Systems abgeleiteten, an den Detektorausgängen erscheinenden Signale eine begrenzte Bandbreite mit Bezug auf die innerhalb des Untersuchungsobjekts abzubildende Zielstruktur. Die Erfindung verbessert die Brauchbarkeit und Genauigkeit der rekonstruierten Signale durch Beschränkung der Bandbreite derjenigen elektrischen Signale, die entsprechend der maximalen Bandbreite durchgelassen werden, wie sie durch die Zielstruktur und die oben beschriebene mechanische Geometrie des Tomografiesystems definiert ist, während die übrigen Signale der Detektorausgänge als unerwünschtes Rauschen interpretiert und unterdrückt werden»

In Fig. 3 ist dargestellt, daß gemäß der Erfindung die Leistungsfähigkeit beträchtlich verbessert werden kann, indem eine so ausgelegte Filterschaltung Anwendung findet, daß hauptsächlich das am Detektorausgang produzierte FaItungssignal 48 durchgelassen und der Anteil des Photonenrauschens 44 jenseits der maximalen brauchbaren Frequenz des FaIt ungs signals minimiert wird,, Ein typisches Filter gemäß dieser Beschreibung ist durch die Kurve 46 dargestellt, das die Charakteristik eines dreipoligen Butterworth-Filters mit einem 3-dB-Punkt bei etwa 380 Hz bei einer Abtastperiode von 1 ms hat.

Eine Ausführungsform eines Kanals der Datenerfassungseinrichtung gemäß der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt und weist einen Detektorverstärker in dem aktiven Filter 70 auf. Die verbleibende Eichschaltung und Schutzschaltung 34 jedes Kanals kann ebenso wie bei bekannten Anordnungen beibehalten werden oder es können andere an sich bekannte Schaltungsmodifikationen vor-

-abgenommen werden,, Die Spezifikation des Filters hinsichtlich des 3-dB-Punktes sowie hinsichtlich seiner anderen Charakteristiken, beispielsweise Butterworth, Tchebycheff, elliptisches Filter, oder andere Filterarten, werden vom Schaltungsteehniker in an sich bekannter Weise entsprechend der gewünschten Phasen-, Frequenz- und Zeitcharakteristik der Datenerfassungseinrichtung, des mechanischen Systems, der nachfolgenden Verarbeitung der Bildsignale in ein vollständiges tomografisches Bild und den Gesamtkosten des Systems festgelegte Die sorgfältige Auslegung und Wahl der Filtercharakteristiken in Zusammenhang mit den oben erwähnten gewünschten Kriterien ergibt ein Signal mit verbessertem Signal/Rausch-Verhältnis„

Eine Ausfuhrungsform eines kontinuierlichen Filters nach der Erfindung ist in Fig. 5 im einzelnen gezeigt» Der Detektor liefert ein Stromausgangssignal Is, das über einen Eingang 60 und einen Widerstand R. an das Gate eines Differential-Sperrschichtfeldeffekttransistor-Paars Q , Q_1B geführt, das typischerweise in einem gemeinsamen Gehäuse 62 untergebracht ist, um den Temperatureinfluß auf die Betriebsanpassung des Feldeffektransistorpaares minimal zu halten«, Die Schutzschaltung CR (Block 34 in Fig. 4) enthält ein antiparallel geschaltetes Diodenpaar D und D zwischen

dem Gate des Feldeffektransistors Q und Masse» Das Feldeffekttransistorpaar ist über R. und R , zwischen denen ein an Masse geschalteter Kondensator D angeschlossen ist, mit -12 V vorgespannt. Das Gate des Feldeffekttransistors Q_lß ist an Masse gelegt, wodurch der Arbeitspunkt der Schaltung nach Fig„ 5 auf 0 V festgelegt ist. Die Drain-Widerstände R„ und R, der Feldeffekttransistoren CL. und Q._ß sind über einen gemeinsamen Widerstand R„ an +12 V gelegt, wobei an den

315Ü238

Verbindungspunkt dieser Widerstände auch ein geerdeter Kondensator C„ angeschlossen ist. Die Drain-Anschlüsse des Peldeffekttransistorpaares Q.. und Q_lß sind mit dem nichtinvertierenden Eingang bzw. dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers U (beispielsweise TL 062) verbunden. Zwischen die beiden Eingänge des Operationsverstärkers U ist ein Kompensationsnetzwerk mit einem Widerstand Rg und einem Kondensator C geschaltet. Das Feldeffekttransistorpaar wirkt als Eingangsstufe hoher Impedanz für den Operationsverstärker U., so daß das Feldeffekttransistorpaar Q und Q- und der Operationsverstärker U zu-

JLPi. X.D _L

sammen eine Operationsverstärkerschaltung hoher Eingangsimpedanz bilden.

Ein Filternetzwerk umfaßt die Widerstände Ro₃ R_q, R , R und R„ sowie die Kondensatoren C₉ CL, C₉ C^ und C₉ weiter einen Operationsverstärker U (beispielsweise 741) und den oben erwähnten Operationsverstärker U in Verbindung mit dem Feldeffekttransistorpaar. Das Filterausgangssignal V erscheint bei 64 und besteht aus dem durch das Netzwerk R., und Cg gefilterten Ausgangssignal des Operationsverstärkers U'. Das letztere Netzwerk R.., und Cn ergibt in Verbindung mit den zuvor genannten Schaltungskomponenten einen bestimmten Gesamtfrequenzgang des Filters. Die Charakteristiken des Filters nach Fig. 4 werden gemäß an sich bekannter Verfahren abgeleitet, um einen Butterworth-Tiefpaß mit einem 3-dB-Punkt bei 380 Hz und einer Gesamtverstärkung unterhalb von 38O Hz von V /I = 2 χ 10? _zu erhalten.

O S

Ein von einer Eichschaltung 54 in Fig. 4 erzeugtes Eichsignal vorgegebener Amplitude wird bei 66 dem Kondensator C zugeführt. Ist kein Eichsignal vorgesehen, wird der Eicheingang 66 geerdet.

Die Erfindung gestattet eine kontinuierliche Abtastung des Pilterausgangssignals mit einer gewünschten Abtastrate, die vorzugsweise größer als nach dem rlyquist-Kriterium entsprechend der höchsten gewünschten Frequenz ist, d.h. wenn beispielsweise die höchste Frequenz etwa 38O Hz beträgt, reicht eine Abtastperiode von 1 ms aus» Es sind aber auch höhere Abtastraten zulässig, beispielsweise wenn das Ausgangssignal des Filters 70 nach Verarbeitung in einem Analog/Digital-Urnsetzer 32 die Form des in Fig. 6 dargestellten Signals 80 hat, wobei Abtastpunkte 82, 84 und 86 zwischen Zeitintervallen T und T auftreten.

Jedes Filter erzeugt in Abhängigkeit von dem Eingangssignal von dem zugehörigen Detektor ein kontinuierliches Ausgangssignal, das eine Bestbewertung der Strahlungsabsorption entlang der betreffenden Strahllinie zwischen der Strahlenquelle und dem betreffenden Detektor in diskreten Zeitpunkten darstellt. Die diskreten Zeitpunkte sind bezüglich der Abtastperiode für mindestens einige der Filtersignale zeitlich versetzt oder haben abweichende Periodizität.

Die nachfolgende Verarbeitung, Digitaldarstellung und Anzeige der Signale aus jedem Kanal der Datenerfassungseinrichtung erfolgt in an sich bekannter V/eise, weitere Verbesserungen der Bildrekonstruktion im nachgeschalteten Verarbeitungscomputer ergeben sich aufgrund der gesteigerten Information durch erhöhte Abtastrate jenseits der minimalen Nyquist-Rate sowie aus der Verminderung des im Filterausgangssignal enthaltenen Fehleranteils aufgrund von Photonenschwankungen. Diese Verbesserungen können in an sich bekannter Weise herbeigeführt werden.

Die Konstruktion von bestbewerteten rekonstruierten Signalen durch kontinuierliche Filterung für Detektorsignale mit komplexeren Spektralverteilungen und in Systemen, in denen andere als das doppelte der höchsten verwendbaren Frequenz betragende Abtastraten liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung.

Es liegt außerdem im Rahmen der Erfindung, das Filterausgangssignal derart überabzutasten, daß ein Teil des oben beschriebenen Filters oder ein zusätzliches Filter oder Korrekturverfahren und -einrichtungen als Teil des oben erwähnten Verarbeitungscomputers in diesen integriert werden können. Beispielsweise kann im Verarbeitungscomputer ein Filter entsprechend den in der Digitalfilterung bekannten Methoden und Einrichtungen gebildet werden, um mehrere zusätzliche Pole hinzuzufügen oder um Phasenkorrekturcharakteristiken entsprechend der Cnarakteristiken des diskreten Filters der oben beschriebenen Ausführungsform zu erreichen.

Claims

difl.iko,E. -MOi

ι*

ΐΞΓ-SBCII C1G&7 6

Patentansprüche

Mit kontinuierlicher Rotation abtastendes Fächerstrahl-Tomografiesystern zur Auflösung von Zielstrukturen in einem Untersuchungsobjekt, mit einer, einen kontinuierlichen Fächerstrahl erzeugenden Röntgenstrahlenquelle und einem in der Ebene des Fächerstrahls angeordneten Detektorfeld mit einer Vielzahl von Detektoren zum Empfang der durch das Untersuchungsobjekt hindurchgeworfenen Strahlung, weiter mit einem die Strahlenquelle und das Detektorfeld tragenden und mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit um ein innerhalb des Untersuchungsobjekts liegendes Drehzentrum rotierenden Rahmen, ferner mit einer Abtasteinrichtung mit einer Vielzahl von Eingängen und einem Ausgang, welche die an ihren Eingängen erscheinenden Eingangssignale mit einer vorgegebenen Abtastrate sequentiell abtastet, weiterhin mit einem Verarbeitungscomputer zur Bildrekonstruktion aufgrund der Ausgangssignale der Abtasteinrichtung, und mit einem Anzeigegerät zur Sichtdarstellung des rekonstruierten Bildes, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Filtern (70), die jeweils zwischen den Ausgang eines zugeordneten Detektors (Ib) und den diesem Detektor zugeordneten Eingang der Abtasteinrichtung geschaltet sind und jeweils in Abhängigkeit vom betreffenden Detektorausgangssignal ein kontinuierliches Filterausgangssignal erzeugen, das eine Bestbewertung der Strahlungsabsorption entlang der betreffenden Strahllinie zwischen der Strahlenquelle und dem betreffenden Strahlendetektor in diskreten Zeitpunkten darstellt.
2. Tomografiesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der genannten diskreten Zeitpunkte mit Bezug auf die Abtastrate zeitlich versetzt sind.

-ζ-
3. Tomografiesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Filter eine obere Grenzfrequenz hat und oberhalb dieser Grenzfrequenz liegende Signalfrequenzen im wesentlichen unterdrückt„
4. Tomografiesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz entsprechend einem aufzulösenden Objektelement und der Rahmenrotation im Zusammenhang mit Größe und Lage der einzelnen Detektoren festgelegt ist, daß weiter die Strahlenquellenemissionen, das aufzulösende Objektelement und der Detektorquerschnitt zeitlich gefaltet werden, um ein zeitabhängiges Signal zu erzeugen, dessen Fourier-Transformation eine Gruppe von Frequenzbereichssignalen mit einer maximal verwendbaren Frequenz entsprechend dem größten Objektelement beschreibt, und daß die Grenzfrequenz dieser maximal verwendbaren Frequenz entspricht.
5. Tomografiesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter alle Signale mit Frequenzen gleich oder kleiner der Grenzfrequenz durchlassen und alle Signale mit einer Frequenz größer der genannten Grenzfrequenz unterdrücken.
6ο Tomografiesystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter jeweils eine Dreipolßutterworth-Tiefpaß-Charakteristik haben.
7. Tomografiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter jeweils als aktives Filter mit einem Detektorverstarker ausgebildet sind.
8. Tomografiesystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Umsetzmittel zur selektiven Abtastung dieser

Vielzahl von Detektoren in einer vorgegebenen Weise mit mehr als dem Zweifachen der Periodizität der maximalen verwendbaren Frequenz.
9° Tomografiesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die abtastenden Umsetzmittel einen Analog/Digital-Umsetzer aufweisen.
10. Tomografiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Filter mit einem Digitalfilter ausgeführt ist.
11„ Tomografiesystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Digitalfilter Phasenkorrektur-Charakteristiken entsprechend den Charakteristiken der genannten Filter hat.
12. Tomografiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet daß mit jedem Filtereingang eine ein Eichsignal erzeugende Eichschaltung verbunden ist.
13. Tomografiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Eingang jedes Filters eine Filterschutzschaltung verbunden ist.