DE3230547A1 - Tomographisches abtastsystem - Google Patents

Description

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Tomographisches Abtastsystem

Die Erfindung bezieht sich auf die Computertomographie zur Diagnose und zur stereotaktischen Chirurgie, Die Erfindung wird zwar nachfolgend unter spezieller Bezugnahme auf die Erfordernisse bei der Hirnchirurgie beschrieben, es sei jedoch betont, daß ihr Anwendungsgebiet hierauf nicht beschränkt ist.

Die stereotaktische Chirurgie ist ein Teilgebiet der Neurochirurgie und betrifft eine Klasse von Operationen, bei welchen Sonden, wie beispielsweise Kanülen, Nadeln, Klemmen oder Elektroden an Hirnstellen oder anderen verdeckten anatomischen Zielen angebracht werden sollen, die von außen her nicht sichtbar sind. Die allgemeine Lage jener Stellen wird mit Hilfe von Messungen aus Bezugspunkten bestimmt, die mit Hilfe von Röntgenstrahlen oder anderen geeigneten Misteln dargestellt werden. Solche Messungen basieren auf Atlanten, die mit Hilfe anatomischer Studien und der Autopsie gewonnen wurden. Wegen der unterschiedlichen Anatomie der Patienten muß die exakte Lage des interessierenden Bereiches beim einzelnen Patienten mit Hilfe physiologischer Untersuchungen für den betreffenden Patienten bestimmt werden. Der Umfang des Erfolges der stereotaktischen Chirurgie hängt von der Erfahrung des Chirurgen, von der Präsision des stereotaktischen Instruments und der radiologischen Gehirndarstellungstechnik ab.

Ein stereotaktisches Instrument ist eine Führungsvorrichtung, die in der Human-Neurochirurgie verwendet wird, um ein Instrument zu einem speziellen Punkt innerhalb des Gehirns durch eine kleine öffnung in der SchMdeldecke mit Hilfe radio-

graphischer oder anderer Sichtbarmachung von Bezugspunkten zu führen. Stereotaktische Instrumente sind so konstruiert, daß sie es dem Chirurgen erlauben, mit hoher Wiederkehrgenauigkeit Instrumente in vorbestimmte Gewebsbereiche zu steuern. Die richtige Lage einer Sonde wird häufig mit Hilfe von Röntgenstrahlen überprüft, um Fehler der Vorausberechnung zu ermitteln und eine Abweichung der Sonde von der vorbeschriebenen Richtung während ihrer Einführung in das Hirn zu korrigieren. Physiologische Parameter können hierbei herangezogen werden, um das' optimale Ziel weiter einzugrenzen.

Gegenwärtig werden stereotaktische Instrumente meistens, aber nicht ausschließlich bei folgenden Operationen eingesetzt:

Thalamotomie bei Parkinsonismus und anderen Arten von Zitterkrankheiten,

Elektrodenimplantierung bei Epilepsie, Nadel- und/oder Magneteirisetzen bei Aneurysmusthrombosen,

Thalamische oder subthalamische Operationen zur Behebung ungesteuerter Bewegungen, wie Veitstanz oder Hemiballismus,

Entfernen von Kleinhirnzellen bei Spastizität,

Cingulotomie und thalamische oder subthalamische Chirurgie zur Schmerzbehandlung,

Stereoenzephalotomie zur Schmerzbehandlung,

Entfernen der subcorticalen Schläfenbeinlappen zur Behandlung von Epilepsie,

-10-Psychochirurgische Verfahren,

Implantieren von tiefenstimulierenden Elektroden zur Schmerzbehandlung,

Einführen von Klemmen oder Nadeln zur Entnahme von Gewebsproben,

Entfernen von Fremdkörpern, Implantieren von radioaktivem'Material, Entnehmen von Gewebsproben oder Behandeln von Tumoren.

Die vorstehende Aufzählung gibt nur einige Anwendungsbeispiele an. Es ist nicht erforderlich, einen Punkt im Raum zu treffen, sondern einen Bereich zu treffen oder einen Querschnitt durch ein Gebiet anzugeben. Die stereotaktische Vorrichtung hat die Aufgabe, den Vorschub einer Elektrode oder einer anderen Sonde genau zu einem vorgegebenen Punkt im Raum, dem stereotaktischen Ziel, relativ zur Vorrichtung zu führen. Wenn man die Vorrichtung daher an der Schädeldecke anbringt, dann kann man die Sonde zu einem gegebenen geographischen Punkt innerhalb des Schädels vorwärtsbewegen, der an der Schädelbasis oder im Rückenmarkskanal liegt. Gewöhnlich werden die Kammern oder Hohlräume innerhalb des Hirns oder andere Bezugspunkte im Gehirn mit Hilfe von Röntgenaufnahmen oder anderen geeigneten Einrichtungen identifiziert,indem man hierzu einen Atlas oder Tabellen zu Hilfe nimmt und es werden die mittlere Distanz und die Richtung zwischen einem so ermittelten Bezugspunkt und einem gegebenen anatomischen Ziel damit ausgemessen. Die Sonde wird dann in das stereotaktische Ziel eingeführt, d.h. zu dem Punkt im Raum innerhalb des Schädels gebracht, der aus der ermittelten Distanz und Richtung

zwischen dem wahrgenommenen Bezugspunkt und dem gewünschten Ziel in Bezug auf das Koordinatensystem der stereotaktischen Vorrichtung errechnet worden ist. Es ist bekannt, daß es erhebliche anatomische Unterschiede in der Hirngröße und -gestalt gibt, so daß die Ermittlung des Zielpunktes aus einem Atlas oder einer Tabelle mit Unsicherheiten behaftet ist. Wo es möglich ist, wird daher noch eine physiologische Nachprüfung durchgeführt. Man muß dabei unterscheiden zwischen der anatomischen Genauigkeit, die wegen der Unterschiedlichkeit der Hirne nicht groß ist, und der mechanischen Genauigkeit, die von der Präzision des stereotaktischen Instruments abhängt. Beim Einsatz der Computer-Tomographie fur die stereotaktische Chirurgie kann man manche Ziele, wie beispielsweise einen Hirntumor,"direkt als Bild darstellen.

Wie zuvor erläutert, werden gegenwärtig Röntgenbilder des Gehirns in der Neurochirurgie dazu herangezogen, die verfügbaren Bezugspunkte zu lokalisieren. Eine Serie von Bildern, die in einander orthogonalen Ebenen aufgenommen worden sind, erlauben es dem Neurochirurgen, die Koordinaten eines Bezugspunktes zu bestimmen. Dabei kann es leider geschehen, daß ein Bezugspunkt wegen des geringen Auflösungsvermögens von konventionellen Röntgenbildern und Unsicherheiten in der Kopfausrichtung nicht sogleich identifizierbar ist.

Die Computer-Tomographie schafft eine neue Darstellungstechnik, die nicht- nur ein hohes Auflösungsvermögen aufweist, sondern auch eine quantitative Information über die Anatomie liefert. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Computer-Tomographie in ein ne.urochirurgisches Verfahren integriert werden, das ein-e verbesserte Zielermittlung schafft.

Die Grundlagen der Computer-tomographischen Abtastung und der Darstellung sind in der US-PS 37 78 614 erläutert, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird und deren Offenbarungsgehalt dem Inhalt dieser Beschreibung zugerechnet werden soll.

Eine ausführliche Analyse der Integration der Computer-Tomographie in die Neurochirurgie erfordert es, die Unterschiede zwischen den Bedürfnissen des Chirurgen und der Abtastart und Datendarstellung in üblichen Computer-Tomographen aufzuzeigen, die bislang ausschließlich für Diagnosezwecke entwickelt worden und für diese geeignet sind..

Die Hauptinformation, die man aus einem üblichen Computer-Tomogramm erhält, ist die Größe der lokalen Gewebsdichte. Dieser wird zur Diagnose von Gewebeanomalin verwendet. Die räumliche Dichteverteilung ergibt eine Information über die Anatomie, die Lage und die Dimensionen von Gewebeanomalien. Für Diagnosezwecke werden daher die räumliche Auflösung in der Bildebene und die Dicke der bei jeder Abtastung überdeckten Gewebs-"5cheibe" so gewählt, daß man eine maximale Empfindlichkeit im Gewebsdichte-Unterscheidungsvermögen erhält. Dies steht im Widerspruch zu den Bedürfnissen der Chirurgie, wo die Anatomie und speziell die Umrisse von Organen der dominierende Parameter sind, um entweder Zielpunkt- oder Bezugspunktlage zu bestimmen. Die Abtastparameter und die Algorithmen zur Bilddarstellung müssen dann so gewählt werden, daß man eine maximale Genauigkeit bei der Zielortungsmessung erhält, während das Gewebsdichte-Auflösungsvermögen von untergeordneter Bedeutung ist.

Bei der gewöhnlichen Computer-tomographischen Abtastung für Diagnosezwecke wird eine Mehrzahl von Abtastungen durchgeführt, um den gesamten Bereich des Hirns zu erforschen und um die dreidimensionalen Eigenschaften des besonders interessierenden Gewebebereichs zu bestimmen. Der Abstand zwischen den Abtastebenen oder "Scheiben" und die Dicke und Zahl der Scheiben hängen von der spezifischen Information ab, die der Arzt in jedem betreffenden Fall sucht. In der Chirurgie muß

die Folge der Abtastungen die räumlichen Koordinaten eines Zielpunktes liefern. Im allgemeinen muß daher der interessierende Raumbereich gleichmäßig mit einer Folge von Abtastungen mit Intervallen erforscht werden, die so gew.ählt sind, daß man ein gleichförmiges räumliches Auflösungsvermögen über den gesamten interessierenden Volumenbereich erhält.

Bezüglich der Abmessungen des abzutastenden Volumenbereichs sind für Diagnosezwecke·eine Folge von Gesamtabtastungen des Kopfes notwendig, während man für chirurgische Zwecke die Abtastungen auf den interessierenden Bereich beschränken kann, denn wenn der Patient in den Operationssaal gebracht wird, dann liegt die Diagnose bereits vor und dem Chirurgen stehen die mit konventioneller Abtastung ermittelten Ergebnisse zur Verfugung. Abmessungen in der Größenordnung von 5 cm des während der Operation zu beobachtenden -Volumenbereichs sind für Hirnoperationen ausreichend. Der chirurgische Abtaster kann dann für solche Teilabtastungen dimensioniert werden und es können damit zwei wesentliche Vorteile erzielt werden. Die Beschränkung der Abtastung auf den erwähnten Teilbereich machen es möglich, eine hohe räumliche Auflösung zu erreichen, ohne daß die Gesamt-Röntgenstrahlendosis gesteigert wird. Weiterhin werden Größe und Gewicht des Aufbaus eines Abtasters für Teilabtastung eines solch kleinen Bereiches im Vergleich zu einem konventionellen Abtaster drastisch kleiner.

Die obigen Betrachtungen beziehen sich primär auf die Darstellungslogik und die Abtastmodalitäten. Bedeutsame Betrachtungen müssen zusätzlich hinsichtlich des chirurgischen Instrumentatriums oder des Operationsvorganges sowie des Umgangs mit den Patienten angestellt werden. Zunächst sei erläutert, daß die stereotaktische Führung und der Kopfhalter so gestaltet sein müssen, daß sie den Röntgenstrahl während

der Abastfolge so wenig wie möglich stören. Die stereotaktische Führung kann so getroffen werden, daß ihre Einstellvorrichtungen und Haltevorrichtungen außerhalb der Abtastebenen liegen. Konventionelle Kopfhalter sind andererseits für dieses System nicht so einfach·geeignet, .weil sie einen relativ geringen Freiheitsgrad in der Lage der Haltestifte aufweisen, die den Schädel in der geeigneten Lage festhalten. Wenn diese Stiftanordnung die Abtastebene kreuzen muß, dann müssen die Materialien und die Gestalt des Halters sorgfältig so gewählt werden, daß über den gesamten Bildbereich schädliche Einflüsse vermieden werden. Oie Gestaltung dieser chirurgischen Komponenten ist jedoch nur ein Teil des Gesamtproblems, die chirurgischen und die Abtasterfordernisse miteinander zu vereinen. Es ist wohl bekannt, daß die Bildrekonstruktion Daten benotigt, die aus einem Umlauf der.Röntgenstrahlenquelle um wenigstens 160° in der Abtastebene gewonnen wurden. Dies hat zu geschlossenen Bauweisen aller üblichen Abtaster geführt, die lediglich eine öffnung aufweisen, deren Abmessungen von dem Querschnitt des menschlichen Körpers bestimmt werden. Eine.geschlossene Bauweise und die Lage der Abtastebene in Bezug auf den Halter, der den Patienten hält, macht einen solchen bekannten Abtaster jedoch kaum geeignet für stereotaktische chirurgische Operationen, da sie dem Chirurgen den Zu-gang zum Operationsbereich erschweren. Die Größe und die Gestalt des Aufbaus des Abtasters sind daher ein bedeutsamer Faktor bei der Gestaltung eines integralen chirurgischen Systems.

Die Behandlungsverfahren eines Patienten für Diagnosezwecke sind darüber hinaus häufig nicht geeignet für chirurgische Anwendungen. Bei einem üblichen bekannten Abtaster wird, von einer Neigung des Abtastergestells abgesehen, ausschließlich der Patient auf seiner Liege in axialer und in vertikaler

Richtung bewegt, um einen vorgegebenen Bereich des Patienten in die Abtastebene zu bringen. Bei einer chirurgischen Behandlung muß als erstes der Patient jedoch in eine Lage gebracht werden, die sowohl für die Operation als auch für die Abtastung geeignet ist. Es muß dazu sowohl das Gestell des Abtasters als auch die Auflage für den Patienten in geeigneter Weise gesteuert, bewegt und ausgerichtet werden. Wenn diese Ausrichtphase beendet ist und der Kopf des Patienten an seinem Halter festgelegt ist, dann muß der Patient in dieser Stellung unbewegt gehalten werden und es müssen die Bewegungen aller Instrumente, einschließlich des Abtasters sehr definiert steuerbar sein. . * . .

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind der Algorithmus für die Bildrekonstruktion und für die Orientierung der Bildebenen so gewählt, daß die Darstellung der Gewebeanatomie, nicht jedoch die Darstellung der Gewebecharakteristik optimiert ist. Außerdem wird die Abtastung auf einen Teilbereich beschränkt, in dem nur der interessierende Raumbereich erfaßt wird, wobei das räumliche Auflösungsvermögen in einer Abtastebene als auch in einer Ebene senkrecht dazu gleichförmig ist. Es muß eine niedrige Abtastgeschwindigkeit gewählt werden, um einerseits eine optimale Bildqualität zu erreichen, andererseits die Röntgenstrahlendosis im Bereich der Teilabtastung innerhalb der Gesamtabtastzeit des interessierenden Gewebebereichs gering zu halten. Die Abmessungen des bei der Teilabtastung erfaßten Gewebebereichs werden so gewählt, daß einerseits die chirurgischen Bedürfnisse befriedigt werden, andererseits die Anzahl der Daten und die Rechenzeit im Computer-Tomographen nicht zu groß werden. Der Kopfhalter und die stereotaktische Führung sind vorzugsweise so gestaltet, daß sie sich gegenseitig während der Abtastung im interessierenden Gewebebereich so wenig wie möglich stören. Das Gestell für den Abtaster ist so gestaltet, daß er den Zugang für den Chirurgen zum Operationsfeld so wenig wie möglich stört und ausreichend Freiheit

läßt, den Patienten in geeigneter Weise zu positionieren. Verschiebungen und Winkelverstellungen, die für die Abtastung erforderlich sind, sollten mit Hilfe des Gestells anstelle mit Hilfe der Lage des Patienten vorgenommen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in dem Abtaster Sicherheitsmaßnahmen getroffen, um Notfällen Rechnung zu tragen und es insbesondere zu ermöglichen, das Gestell schnell vom Patienten zu entfernen, wenn dies notwendig sein sollte.

Weitere Ausgestaltungen beziehen sich vorteilhafterweise auf Maßnahmen zur Beobachtung der chirurgischen Operation. Nach Abschluß der Ermittlung des Zielpunktes und Einstellung der Richtungssteuerung der stereotaktischen Führung wird die Sonde in das Gehirn eingebracht, um die Tiefe des Zielpunktes zu erreichen. Das Eindringen in das Hirn wird dadurch beobachtet, daß die Koordinaten der Position der Sondenspitze gemessen werden, bis diese den Zielpunkt erreicht hat. Das Röntgensystem des Abtasters wird auf diese Weise dazu verwendet, die Lage der Sondenspitze an vorbestimmten Punkten des Weges, den die Sonde nimmt, zu beobachten.

Wegen gewisser oben genannter Ziele schafft die Erfindung einen vorteilhaften Aufbau mit im wesentlichen offener Konfiguration, die einen besseren Zugang schafft und wenig störende Beeinflussung durch die Vorrichtung als Ganzes und die mit dem Abtaststrahl verbundenen Bauteile aufweist. Das erfindungsgemäße System enthält mit geschlossenem Rahmen als wensentliche Komponente einen offenen C-förmigen Rahmen, dessen zwei Schenkel einen Bogen von nominal 180 , in der Praxis von jedoch etwas größerem Bogenwinkel, beschreiben.

Das Abtastverfahren verläuft grundsätzlich in der Weise, daß in einem Abtastgang eine Querschnittsebene des Objekts abgetastet wird, indem der Röntgenstrahl in einer Folge von

parallelen oder im Winkel angeordneten Richtungen, die alle innerhalb der speziellen Abtastebene liegen, auf das Objekt gerichtet wird und dann die Abtastebene schrittweise um 1,5 mm oder anders ausgewählten Schritten längs einer axialen Koordinate verschoben wird, die senkrecht zu diesen Ebenen verläuft. Üblicherweise wird die Abtastung in der Weise durchgeführt, daß die Strahlenquelle auf einer geraden Linien oberhalb des Objekts bewegt wird, während ein Detektor unterhalb des Objekts auf einer vergleichbaren parallelen Bahn geführt wird, oder indem man die Strahlenquelle im Umfang um das Objekt herumführt, wobei der Detektor eine identische Bewegung ausführt, so daß Strahlenquelle und Detektor in konstanter Entfernung diametral einander gegenüberstehend zueinander gehalten sind. Zur zirkulären Abtastung bestehen die bekannten Haltekonstruktionen aus einem ringförmigen Rahmen, an dem die Strahlenquelle und der Detektor auf Kreisbahnen geführt sind, weshalb es notwendig ist, den Patienten in axialer Richtung in den Rahmen einzuführen. Die Strahlenquelle wird auf einer kreisförmigen Bahn bewegt, wobei der Strahl nach innen auf das Kreiszentrum gerichtet ist und auf der gegenüberliegenden Seite des Rahmenumfangs auf einen Detektor trifft, der simultan bewegt wird. Nach dem Abtasten einer Objektebene werden gewöhnlich Strahlenquelle und Detektor in Umfangsrichtung oder lateral in ihre Ausgangspositionen bewegt und axial in die nächste abzutastende Ebene verschoben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Abtastung mit einer neuartigen Konstruktion durchgeführt, die eine bessere Kontinuität in der Signalgewinnung ergibt, indem während der Vorwärtsbewegung der Detektoren und deren Rückwärtsbewegung in ihre Ausgangsposition abgetastet wird, und indem zwei Detektoren verwendet werden, die hintereinander in der Bewegungsrichtung beaufschlagt werden.

Der vorn liegende Detektor bewegt sich gegen die Hinterseite des anderen nach jedem von vielen Bewegungsschritten längs der Umfangsbahn, während sich die Strahlenquelle im wesentlichen kontinuierlich auf dem gesamten Umfangskreis bewegt. Die beiden Detektoren bilden noch immer eine einzige Detektoreinrichtung, die im Winkel gegenüber der Strahlenquelle um 180° versetzt ist, die jedoch auch wie die Strahlenquelle beweglich ist. Später wird der Abtastvorgang in der entgegengesetzten Richtung wiederholt, so daß es nicht nötig ist, einen Rückwärtszyklus oder eine Re-Positionierung der Detektoreinrichtung vorzunehmen, wenn die Strahlenquelle am Rahmen ihre Rückwärtsbewegung beginnt. Die bevorzugte Anordnung ist es, daß der erste Detektor nahe dem Ende seines Betriebszyklus dicht von einem zweiten Detektor gefolgt wird, der sich in die Position und Rolle des ersten Detektors bewegt, so daß der erste Detektor hinter dem zweiten repositioniert werden kann, wenn der zweite Detektor sich dem Ende seines Betriebszyklus nähert.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine stirnseitige Ansicht des tomographischen Abtastsystems;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Einrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 in geänderter Betriebsstellung;

Fig. 4a bis 4d schematische Darstellungen der relativen Winkelverstellung von Strahlenquelle und Detektorpaar;

Fig. 5 ein Diagramm der Winkelverstellung entsprechend Fig. 4;

Fig. 6 eine stirnseitige Darstellung des Elektrodenpaares;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung des Antriebssystems zur Bewegung der Detektoren;

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Winkelverstellung der Detektoren;

Fig. 9 eine graphische Darstellung von Verstellung und Geschwindigkeit eines Detektors vor, während und nach seiner Rückkehrbewegung;

Fig. 10 eine perspektivische schematische Darstellung des Detektorpaares und des Mechanismus zum Hin- und Herbewegung der Detektoren;

Fig. 1OA einen Ausschnitt eines Neigungsrahmens;

Fig. 11a bis lld schematische Darstellungen der oszillatorischen Bewegung der Detektoren entsprechend Fig. 10;

Fig. 12 eine graphische Darstellung der Winkelverstellung der Detektoren an den äußersten Enden ihrer Bewegungsbahn;

Fig. 13 eine Teildarstellung eines Patientenkopfes zur Darstellung fester Haltepunkte;

Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Schädels und einer öffnung darin.

Die bevorzugte Ausführungsform des neuen tomographischen Abtastsystems 110 ist in Fig. 1 dargestellt und besteht im wesentlichen aus einem Gestell 111, einer davon getragenen Strahlenquelle 112 und einer Strahlendetektoreinrichtung 113 sowie verschiedenen Antriebseinrichtungen, die später im Detail erläutert werden sollen. An dem Gestell 111 ist drehbar ein im wesentlicher C-förmiger Rahmen 114 aufgehängt, bestehend aus einem oberen Schenkel 115, der die Strahlenquelle 112 trägt, und einem unteren Schenkel 116, an welchem die Detektoreinrichtung 113 angeordnet ist. Der Rahmen 114 ist um einen Mittelpunkt 117 drehbar, so daß durch die Drehung ein Kreis 118 beschrieben wird, auf welchem sich die Strahlenquelle und die Detektoreinrichtung bewegen. Die Strahlenbahn 119 verläuft durch einen Durchmesser 120 des Kreises und die Drehung des Rahmens 114 erlaubt es, eine Abtastung durch das Zentrum des Kreises hindurch von allen Punkten längs des Umfangs des Kreises aus vorzunehmen.

Eine erste Antriebseinrichtung 121 ist dazu vorgesehen, den C-förmigen Rahmen 114 zu drehen. Diese Antriebseinrichtung besteht aus oberen und unteren Lenkern 122, 123, die jeweils nahe ihrer Enden schwenkbar an dem Gestell 111 und an dem Rahmen 114 befestigt sind. Der Lenker 122 ist, genauer gesagt, mit dem Gestell 111 über zwei Arme 124, 125 verbunden, die um feste Punkte P,, P₂ am Gestell 111 schwenkbar gelagert sind, so daß die Anlenkpunkte P, und P^ an dem Lenker 122 bei Bewegung Kreisbögen C, und C„ beschreiben. Die genannte Anordnung ist eine Parallelogrammführung für den Lenker 122, der aus der in Fig. 1 mit durchgehenden Linien gezeichneten Stellung beispielsweise in die gestrichelt mit 122' rechts daneben gezeichnete Stellung sowie in eine Vielzahl anderer Stellungen bewegbar ist. Ein weiterer, an dem Lenker 122 vorhandener Gelenkpunkt P₅ be-

wegt sich entsprechend in die gestrichelt gezeichnete Stellung Pr¹ auf einem Kreis C, entsprechend den Kreisbögen C, und C„.

Ein unterer Lenker 123 ist in gleicher Weise gelenkig mit dem Rahmen 114 verbunden, so daß die Bewegung des oberen Lenkers 122 nach rechts, wie in Fig. 1 dargestellt, eine entsprechende äquivalente Bewegung des unteren Lenkers 123 nach links und eine Rotation des Rahmens 114 und somit der Strahlenquelle um den Mittelpunkt 117 hervorruft. Bezüglich des Lenkers 123 entspricht der Arm 126 dem oberen Arm 124 und der Arm 127 entspricht dem oberen Arm 125, kann aber auch eine steife Fortsetzung des Armes 125 sein, weil sie im dargestellten Beispiel einen gemeinsamen Drehpunkt in P» haben, der, wie die Drehpunkte P, und P,, in dem Gestell 111 festliegt. Der Lagerung der Arme an dem Lenker dienen die Gelenkpunkte P₇ und Ρ-, während im Gelenkpunkt P_g der Rahmen 114 an dem Lenker 123 angelenkt ist.

Die nächste zu beschreibende Unterbaugruppe ist die Strahlungsdetektoreinrichtung, die gemäß den Figuren 4a bis 4d ein Paar im wesentlichen identischer Detektorelemente U, und LL· aufweist. Die Strahlenquelle S ist durch Punkte S₁, S₂ usw. dargestellt. Diese Punkte stehen für verschiedene aufeinanderfolgende Winkelstellungen der Strahlenquelle. In dem System nach Fig. 4a erzeugt die Strahlenquelle am Punkt S₁ eine Röntgenstrahlenkeule mit einem öffnungswinkel von 8 , die auf dem gegenüberliegenden Umfangskreisbogen eine Bogenlänge a überstreicht. In Bezug auf den Kreismittelpunkt 130 entspricht die Bogenlänge a einem öffnungswinkel von 16°. Ein typisches Detektorelement U₁ hat eine Bogenlänge von 24° und das andere Detektorelement Ug liegt unmittelbar neben dem Detektorelement U₁. Das zu untersuchende Objekt liegt im allgemeinen im Zentrum 130, um das die Strahlenquelle bewegt wird.

Bei der Abtastung dreht sich die Strahlenkeule 131, die das Objekt durchdringt und den Detektor beaufschlagt, auf dem dem Detektor gegenüberliegenden Kreisbogen mit einer vorbestimmten und konstanten Winkelgeschwindigkeit. Um einerseits eine Detektoreinrichtung zu realisieren, die einerseits während eines 180°-Laufes der Strahlenquelle wirksam ist, andererseits den C-förmigen Rahmen im wesentlichen offen läßt, besteht die Detektoreinrichtung aus einem Paar kleiner Elemente, die so bewegt werden, daß wenigstens eines von ihnen immer auf die Strahlenkeule ausgerichtet ist.

Wenn während der Abtastung der eine Detektor voll überstrichen wird, dann bewegt sich der andere in die Position des ersten, bevor dieser sich aus dem Strahlenbereich bewegt, so daß keine Lücke auftritt.

Um das oben beschriebene Abtastverfahren durchzuführen, ist die genannte Detektoreinrichtung vorgesehen, d.h. das Detektorpaar U, und U« als eine Einheit, deren Verschiebe- und Winkelgeschwindigkeit dieselben sind wie die der Strahlenquelle, die zuvor anhand der Figuren 1 bis 3 erläutert wurde, jedoch weisen diese Detektoren ein zusätzliches Bewegungsmuster auf, das halb-unabhängig von der schon beschriebenen Grundrotation ist. So bewegt sich eine typische Detektoreinheit U, beim Abtasten in eine Winkelrichtung, die durch den Pfeil 132 dargestellt ist und entgegengesetzt zu den mit dem Pfeil 132 gezeigten Strahlenquellen entgegengesetzt zur Strahlenquelle, zu der der Pfeil 133 gehört.

Die Figuren 4a bis 4d zeigen die Folge der Bewegungen der Abtastkomponenten. Es sei jedoch betont, daß sich die Strahlenquelle tatsächlich kontinuierlich bewegt und das Detektorelement U, sich tatsächlich um eine kurze Distanz in Richtung des Pfeiles 132 bewegt, wonach die sich aus der

Bahn heraus bewegt, um es der Detektoreinheit IL· zu erlauben, die Strahlenaufnahme ohne Unterbrechung fortzusetzen. U, wird dann weiterbewegt, um eine neue Position hinter U₂ zu erreichen, damit sie die Strahlenaufnahme fortsetzen kann, wenn die Strahlenkeule den Detektor U, voll überstrichen hat. Wie dargestellt, weist U, eine Bogenlänge von 8° auf, die größer als der 16°-Bogen a ist, der von der Strahlenquelle bedeckt wird. Wenn die Strahlenquelle und die Detektoreinrichtung sich gleichzeitig um 8° in der entgegengesetzten Richtung bewegt haben, dann ist ihre Winkelverschiebung 16°, so daß die vordere Kante 134 von U, voll von den 16 der Keule überstrichen worden ist und 8° der Sensorfläche von U, verbleiben. Gemäß Fig. 4c setzt sich die Abtastung mit der um 8° fortbewegten Strahlenquelle fort, U, hat sich gegenüber S um 16° weiterbewegt, so daß die Hinterkante 135 von U, noch abgetastet wird, während die Vorderkante 136 von U, schon im wesentlichen in das Abtastfeld gewandert ist und eine Unterbrechung verhindert hat. Zwischen den Figuren 4c und 4d sind nun 16° zusätzlicher Abtastung festzustellen, wobei U„ vor U, stehen muß, um eine Unterbrechung zu verhindern. Während dieser Periode wird U, in die Richtung bewegt, die entgegengesetzt zum Pfeil 132 und U„ verläuft, in eine Position hinter U₂> was mit gestrichelten Linien und mit U, bezeichnet in Fig. 4d dargestellt ist.

Die Mechanismen zum Hervorrufen der speziellen Bewegungen von U, und U„ werden später erläutert. Zunächst sei Fig. 5 betrachtet, die schematisch die relativen Positionen und Winkelverschiebungen von U, und U- für einen ungefähr 180 überstreichenden Lauf des C-fÖrmigen Rahmens, der die Strahlenquelle und das Detektorpaar enthält, zeigt. Die zwei parallelen Linien, die sich durch das Diagramm erstrecken, repräsentieren den 16 -Bogen, der von der Röntgenstrahlenkeule auf dem Umfangskreisbereich getroffen wird, der von

einem Detektor oder dem anderen oder von Teilen von beiden ständig bedeckt wird. Die Zahlenspalte zur Rechten gibt die Verschiebung der Strahlenkeule in Grad an. Dementsprechend ist bei 0° Abweichung der Detektor U, (24° Bogenlänge) in seiner Gleichgewichtsstellung. Jeder horizontale Schritt nach unten im Diagramm entspricht einer Verschiebung der Strahlenkeule um 4°. Bei 8° Verschiebung der Strahlenkeule und 8° Detektorverschiebung, woraus sich eine relative Verschiebung zwischen Strahlenkeule und Detektor von 16 ergibt, durchwandert die vordere Kante von U, die vollen 16° der Strahlenkeule, wie neben dem 8°-Vergleichswert in der rechten Spalte gezeigt ist. Bei 16 auf der rechten Seite befinden sich die hintere Kante von U, und die vordere Kante von U- in der Mitte des Bogens der Strahlenkeule. Zwischen 20° und 24° übernimmt U₂ voll die Messung, während U₁ in eine Position U,¹ hinter U₂ zurückkehrt und nun bereit ist, bei der Abtastung erneut eingesetzt zu werden. Die Folge von Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen wiederholt sich, bis der C-förmige Rahmen um 188°, wie angegeben, gedreht ist. Bis dahin hat U, 8 Vorwärtsbewegungsschritte und 7 Rückwärtsbewegungsschritte ausgeführt.

In dem beschriebenen Abtastsystem sind die Röntgenstrahlendetektoren U, und U„ jeweils in Modulen von acht Detektoren ausgeführt und die Module enthalten acht Vorverstärkerkanäle. Die Abmessungsverhältnisse der Module sind Fig. 6 dargestellt, wobei die mit SP bezeichnete Linie die Lage der Abtastebene in Bezug auf die Kristalle der Detektoren angibt. In dieser Anordnung schneiden die Kästen, die die Vorverstärker aufnehmen, nicht die Abtastebene.

Die Detektormodule sind in zwei Einheiten U,, U₂ so angeordnet, daß die Oberseite der Kristalle, die der Röntgenstrahlenquelle ausgesetzt ist, tangential zu einem Kreis von ungefähr 40 cm Radius verläuft. Wenn die beiden Einheiten U, und U₂ Daten

sammeln, dann bewegen sie sich über die Röntgenstrahlenkeule auf einer kreisförmigen Bahn, wie in den Figuren 1 bis 4 dargestellt. Die zwei Einheiten sind so aufgebaut, daß das Winkelintervall (gemessen vom Zentrum der Abtastung) zwischen den Detektoren über den Spalt zwischen U, und U„ gleich demselben 1/3 -Intervall zwischen benachbarten Detektoren jeder Einheit ist.

Zu jedem Zeitpunkt befinden sich 48 Detektoren innerhalb der Röntgenstrahlenkeule. Jedoch muß jede Einheit eine große Anzahl von Detektoren enthalten, damit die Kontinuität des Datenzugangs während des Zeitintervalls gegeben ist, das notwendig ist, um eine Einheit in ihre anfängliche Abtastposition zurückzubringen. Das Abtastmodul, das die Röntgenstrahlenquelle und die Detektoren aufnimmt, rotiert mit einer Winkelgeschwindigkeit CO. Im Vergleichsrahmen des Abtastmoduls während der Datenzugriffsphase rotieren die Detektoren mit einer Winkelgeschwindigkeit 2 OD . Es sei angenommen, daß am Ende jeder Datenzugriffsphase eine Detektoreinheit in ihre anfängliche Abtastposition mit einer Durchschnittswinkelgeschwindigkeit c3 zurückbewegt wird, wobei c3 gleich 10 ist. Die Minimalzahl der Detektoren η jeder Einheit U, und U₂ ist dann:

ⁿo

ⁿs 7,-2 τ

worin π die Anzahl der Detektoren innerhalb der Röntgenstrahlenkeule ist. n_ ist gleich 48, demzufolge ist η =

s ο

und jede Einheit U,, U₂ enthält neun Detektormodule. Jede der zwei Einheiten U,, U„ nimmt einen Bogen von 24° auf dem Umlaufkreis von Strahlenquelle und Detektoren ein.

Das Schema nach Fig. 5 zeigt die Folge der Positionen beider Einheiten U, und L)„ in Bezug auf die Röntgenstrahlenkeule während einer vollständigen Abtastung. Die Zahlen auf der rechten Seite entsprechen der Winkelposition des Abtastmoduls und die Zahlen auf der linken Seite entsprechen den Abschlüssen von Querläufen der Abtastung. Der Datenzugang beginnt, wenn die Einheit U-, in die Röntgenstrahlenkeule eintritt und ist vollständig, wenn dieselbe Einheit die Keule am Ende der 180°-Drehung des Abtastmoduls verläßt. Die Winkeloszillation einer jeden Detektoreinheit über die Strahlenkeule bedeckt einen 40°-Bogen.

Das mechanische System, das die zwei Detektoreinheiten U₁ und I)* während der vollen Abtastung antreibt, ist in Fig. dargestellt und muß die folgenden Bedingungen erfüllen:

Die Vorwärtsbewegung, die der Datenzugriffsphase entspricht, ist mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit 2 CJi betrieben;

Bevor jede Einheit zurückbewegt wird, muß sie den Weg für die andere Einheit freigeben;

Der Übergang zwischen Vorwärtsbewegung und schneller Rückwärtsbewegung muß tnit minimaler Beschleunigung und frei von Stößen erfolgen;

Das System muß derart reversibel sein, daß am Ende der Abtastung die nächste Abtastung durchgeführt wird, während das Abtastmodul von 188° auf 0° dreht.

Der Bewegungsablauf des Detektorsystems muß mit der Drehung des Abtastmoduls synchronisiert werden, das mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit CP von einem Motor betrieben

wird, der im Hauptrahmen des Abtasters angeordnet ist. Die Synchronisierung wird einfach dadurch erzielt, daß man das Detektorsystem mittels eines Schrittmotors antreibt, der in dem rotierenden Abtastmodul untergebracht ist, und indem man die Drehung des Schrittmotors durch das Ausgangssignal eines Encoders steuert, der die Winkelposition des Abtastmoduls überwacht.

Es sei angenommen, daß der Antrieb einer jeden Detektoreinheit U,, U₂ mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit arbeitet, und daß eine vollständige Umdrehung des Antriebs einem kompletten Zyklus jeder Einheit entspricht. Um dann die Bewegungsabläufe nach Fig. 5 hervorzurufen, benötigt die 40°-Drehung einer jeden Detektoreinheit im Abtastmodul eine 300°-Drehung des Antriebs. Die Rückbewegung einer jeden Detektoreinheit muß während der verbleibenden 60 Drehung des Antriebes erfolgen, während die andere Detektoreinheit um 8° in Vorwärtsrichtung weiterbewegt wird, wie in den Figuren 4 bis 5 gezeigt ist. Derselbe Antrieb steuert die zwei Einheiten auf 180° Phasendifferenz, was einem 24°- Winkelintervall zwischen U, und U, entspricht, während beide Einheiten Daten aufnehmen.

Bei dieser Vorrichtung ist die Rücklaufgeschwindigkeit eines jeden Detektors fünfmal so groß wie die Vorlaufgeschwindigkeit. Da die relative Vorlaufgeschwindigkeit 2<& beträgt, ist das Fünffache davon IQdP und ist die Rücklaufzeit nur ein Fünftel von der der Vorlaufzeit.

Der Gesamtpositionierungsmechanismus enthält zwei unterschiedliche, jedoch miteinander verbundene Bewegungssteuerungen. Die eine Bewegungssteuerung dient dazu, den einen Detektor zurück auf die Rückseite des anderen Detektors zu geeigneter Zeit zu bewegen. Die zweite Steuerungseinrichtung

dient dazu, den einen Detektor in die 5trahlenbahn hinein- bzw. aus ihr herauszubewegen, während der andere Detektor in entgegengesetzter Weise bewegt wird. Jede Detektoranordnung ist starr mit einem Vorverstärker verbunden, damit Störungen oder Vibrationseinwirkungen auf den Detektor verhindert werden.

Fig. 7 zeigt schematisch einen grundsätzlichen Antrieb für die neue Vorrichtung. Ein Schrittmotor 140 dreht jeden der Detektoren in oder aus dem Abtastpfad. Dieser Motor muß dabei jeden Detektor um 40° vorwärtsbewegen und dann denselben Detektor in einem Fünftel der Zeit zurückbewegen, so daß der volle Zyklus des Antriebs 48° entspricht. Es sei erwähnt, daß der Motor kontinuierlich arbeitet.

Damit stets eine kontinuierliche Abtastung stattfinden kann, auch wenn der eine Detektor sich zurückbewegt, ist jedem vorerwähnten 40°-Winkel ein Wegüberschuß von 8° hinzugefügt, so daß sich ein Gesamtbogen von 48 ergibt. Zur Fortbewegung der Detektoren in ihrer geeigneten Folge dient ein Malteserkreuzantrieb 141 in Kombination mit einem Umkehrgetriebe 145, das nachfolgend noch genauer unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläutert werden soll, die schematisch eine vollständige Zyklusbewegung von 48 eines Detektors zeigt. Wie schon angegeben, beträgt die Bogenlänge eines Detektors 24°. Der 40°-Bogen gibt den Grundweg plus 8° Überschuß an jedem Ende des Wegüberschusses für jeden Detektor an jedem Ende ohne Rücksicht auf die Richtung an, so daß jeder führende Detektor mit der Signalaufnahme fortfährt, während der nachfolgende Detektor sich zunächst rückwärts bewegt und dann in seine aktive Position einläuft.

Der Schrittmotor 140 nach Fig. 7 treibt die Welle 142 mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit. Diese Welle 142 treibt eine Scheibe 143 des Malteserkreuzgetriebes und ein

Zahnrad 149 eines Differentialgetriebes 145 mit derselben konstanten Geschwindigkeit. Normalerweise rotieren das Abtriebszahnrad 149A und das mit diesem verbundene Detektorantriebszahnrad 146 mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Zahnrad 149, jedoch in entgegengesetzter Drehrichtung. Fig. 10 zeigt das Zahnrad 146 und eine Zahnstange 146A, die jeden Detektor axial in Richtung eines Pfeiles 167 in der normalerweise vorwärts gerichteten Richtung antreibt, bevor jeweils ein Detektor in eine Position hinter den anderen Detektor gebracht wird.

Das Malteserkreuzelement 144 wird von einem Stift 143A an der Scheibe 143 um 120° gedreht, wenn sich die Scheibe um 60° dreht. Natürlich sind die Drehrichtungen einander entgegengerichtet. Eine mit dem Malteserelement 144 verbundene Welle 147 treibt ein Zahnrad 148 in einer Drehrichtung entgegengesetzt zu der der Welle 142. In Fig. 7 zeigen einzelne gebogene Pfeile die Vorwärtsrichtung der Elemente und der Detektoren, doppelte Pfeile, einer hinter dem anderen zeigen die Rückwärtsbewegung, wie sie von dem Malteserkreuzantrieb hervorgerufen wird. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten der Scheibe 143 zum Element 144 beträgt 2:1 wegen der 120°:60°-Winkelübersetzung bei der Drehung dieser Komponenten. Das Zahnrad 148 greift in ein Zahnrad 148A ein und erzeugt eine derartige Geschwindigkeitsumsetzung, daß das Zahnrad 148A sechsmal so schnell in entgegengesetzter Richtung läuft wie das Zahnrad 149. Das Zahnrad 148A ist mit einem Joch 150 des Differentialgetriebes gekuppelt und rotiert entgegengesetzt zum Zahnrad 149, wodurch sich die Geschwindigkeit vom Zahnrad 148A auf das Zahnrad 149 überträgt, so daß das Ausgangszahnrad 149A des Differentialgetriebes in Rückwärtsrichtung fünfmal so schnell dreht,wie es zuvor vorwärtsgedreht wurde. Diese Rückwärtsdrehung findet nur während der 60°-Drehung der Scheibe 143 statt, wenn sich der Malteserkreuzantrieb in Eingriff befindet.

Die Winkelposition und die Winkelgeschwindigkeit des Zahnrades 146 sind in Fig. 9 in Abhängigkeit von der Winkelposition des Zahnrad 149 aufgetragen. Daraus ergibt sich, daß keine Diskontinuität in der Winkelgeschwindigkeit an jenen Postionen vorliegt, wo der Stift 143A des Malteserkreuzantriebes mit dem dreiarmigen Element 144 in Eingriff gelangt und sich aus diesem löst. Als Folge davon setzt sich die Vorwärtsdrehung des Zahnrades 146 um ungefähr weitere 7,5° fort und treibt das Zahnrad 149 entsprechend weiter und das Umgekehrte erfolgt am Ende der Rückwärtsbewegungsphase. Dieser sanfte übergang zwischen der Vorwärts- und der Rückwärtsbewegung vereinfacht sehr das Problem des Wegführens einer Detektoreinheit aus dem Abtastweg am Ende einer jeden Abtastebene, um den Weg für die andere Einheit freizumachen.

Der 8°-Weg eines Detektors beim Zurücklaufen stellt gegenüber den insgesamt 48 ein Sechstel dar. Der Malteserkreuzantrieb 141 nach Fig. 7 weist eine 120°-Drehung gegenüber der 60°-Drehung der Scheibe 143 auf bei Ausführung eines vollständigen Umlaufes dieser Scheibe. Vom Schrittmotor her entspricht eine volle Umdrehung der Abtriebswelle 142 vollen 360° an der Scheibe 143. Diese 360° der Scheibe entsprechen dem 48°-Bogen der Bewegung für den vollen Zyklus des Detektors. Deshalb muß die Rücklaufbewegung innerhalb der 60° stattfinden, die einem Segment des dreiarmigen Element 144 des Malteserkreuzantriebes entsprechen.

Es sei nun Fig. 9 in Bezug auf Fig. 7 betrachtet. Fig. 9 zeigt auf der Abszisse X die Drehung des Antriebsmechanismus und auf der Ordinate Y in der oberen Kurve 155 die Verstellung einer Detektoreinheit und mit der unteren Kurve 156 die Geschwindigkeit dieser Einheit, während sie sich in Bewegung

befindet. Dementsprechend ist der Punkt 157 der Beginn des Eingriffs des Stiftes 143A in den Malteserkreuzantrieb. Vor dem Punkt 158 der Geschwindigkeitskurve hat sich der Detektor konstant vorwärts bewegt. Am Punkt 159 beginnt die Geschwindigkeit in Rückwärtsrichtung anzusteigen. Der Punkt 159 auf der Positionskurve 155 zeigt an, daß sich der Detektor um 60 bewegt hat und bereit ist, sich wieder vorwärtszubewegen. Die Kurve vom Punkt 158 bis zum Punkt 160 zeigt an, daß die Geschwindigkeit, die vorwärts aber gering war, d.h. geringfügig größer als Null war, beim Punkt 160 auf Null gegangen ist und dann in Rückwärtsrichtung wieder bis zu einem Maximalpunkt 161 angestiegen ist und dann wieder abnimmt, bis sie b,eim Punkt 162 wieder durch Null geht und dann leicht beschleunigt bis zum Punkt 163, von wo aus die Geschwindigkeit konstant bleibt. Dies ist der Geschwindigkeitsverlauf, der durch den Malteserkreuzmechanismus hervorgerufen wird, d.h. er bewirkt zunächst eine langsame und dann eine große Beschleunigung, um dann wieder abzubremsen auf die ursprüngliche Geschwindigkeit .

Das Verfahren, um jede Detektoreinheit aus der Bewegungsbahn der anderen herauszuführen, ist schematisch in Fig. und in seiner Struktur in Fig. 10 dargestellt. Am Ende einer jeden Abtastphase wird die Einheit U, oder IL· um ihre Schwenkachse um einen Winkel geneigt, der groß genug ist, um den Halbleiterdetektor aus dem Weg der anderen Einheit herauszuführen. Am Ende der Rückwärtsbewegungsphase wird die Einheit in ihre Abtastposition zurückgekippt. Wegen der radialen Anordnung der Detektormodule wird durch Herausschwenken der Einheiten aus dem Abtastzentrum jede Störung zwischen den Einheiten während ihrer Eingriffs- und Ausgriffsphasen auf ein Minimum herabgesetzt. Um ein störungssicheres System zum realisieren, in welchem ein Detektor nicht

mit dem anderen während der Rückwärtsbewegung zusammenstoßen kann, ist ein Zwischenschwenkrahmen vorgesehen, wodurch die Schwenkbewegung des einen Detektors automatisch den anderen Detektor und seine Lage in Bezug auf den ersten Detektor beeinflußt. Wie schon früher beschrieben, wird die Hauptbewegung in Vorwärts- und Rückwärts-Achsrichtung eines jeden Detektors von dem Antriebssystem hervorgerufen, das in Fig. dargestellt ist, mit dem Zahnrad 146 und der zugehörigen Zahnstange 146A als Abtriebselement.

Fig. 10 zeigt schematisch den unteren Schenkel 116, den C-förmigen Rahmen 114 und die Detektoreinrichtung 113 entsprechend den gleichen Komponenten, die in Fig. 3 dargestellt sind. Fig. 10 enthält auch den Abtrieb 146 und 146A, der in Fig. 7 erläutert ist. Der Antrieb bewirkt eine korrekte axiale Bewegung eines jeden Detektorelements. Der Neigungsmechanismus 165 ist in Fig. 10 dargestellt und die Ablauffolge der Bewegungen ist aus Fig. 11 ersichtlich.

In den Figuren 11a bis Hd ist ein voller Zyklus der Detektoreinheiten U, und U₂ dargestellt. In Fig. Ha entspricht das Bezugszeichen 166 dem Rahmen 166 aus Fig. 10, der so gelegen ist, daß er beide Detektoreinheiten erfaßt und sicherstellt, daß jeder von ihnen sich zum geeigneten Zeitpunkt neigt und nicht auf den anderen trifft, wenn er sich zurückbewegt. Jede Detektoreinheit weist ein Führungsrad W. und W_ auf. Jedes Führungsrad läuft auf einer Nockenkurve T, und T„. Diese Nockenkurve ist auch in Fig. 10 erkennbar. Es sei weiter betont, daß die relativen Lagen der Detektoreinheiten und der Führungsräder W, und W„, die auch Stifte sein können, in Fig. 10 den entsprechenden Positionen entsprechen, die schematisch in Fig. ll_a dargestellt sind.

Wie aus Fig. 10 hervorgeht, nähert sich bei der Vorwärtsbewegung des Detektors U₇ in Richtung des Pfeiles 167 sein Führungsstift W„ dem vertieften Bereich 168, der eine Länge von 8 in Bezug auf die Abtastbewegung der Röntgenstrahlenkeule aufweist. Die gesamte Bewegung eines jeden Detektors ist 40°, so daß der 8°-Bereich einem Fünftel der Gesamtlänge entspricht. Wenn der Stift W^ den Bereich 168 erreicht, dann erlaubt es die größere Tiefe des Schlitzes dem Rahmen 166, sich im Gegenuhrzeigersinn zu verschwenken, was durch den Pfeil 169 dargestellt wird, mit der Folge, daß die Führungsfläche 170 auf der gegenüberliegenden Seite des Rahmens mit dem Stift W- des Detektors LL in Eingriff gelangt und dadurch den Detektor U, im Uhrzeigersinn nach unten verschwenkt, was durch den Pfeil 171 dargestellt ist.

Es seien nun wieder die Figuren 11a und 11b betrachtet. Man kann erkennen, daß der Steuerstift W, sich der Vertiefung nähert, während der Detektor U,, wie durch seinen Steuerstift W. angedeutet, in der gleichen Richtung sich bewegt und weiter vorne liegt. Mit anderen Worten, U^ geht U₂ voran und beide liegen derart, daß sie im Tandem als Röntgenstrahlendetektoren betriebsfähig sind. Fig. lib zeigt, daß, wenn U, das Ende seines Weges erreicht, U„ die Vertiefung erreicht hat, die ein Verschwenken hervorruft. Dementsprechend schwenkt der Rahmen 166 schnell leicht,bevor der Detektor U, seine Rückwärtsbewegung beginnt. Da die Rückwärtsbewegung mit ungefähr fünffacher Geschwindigkeit gegenüber der Vorwärtsbewegung stattfindet, und weil der Schwenkbereich ungefähr ein Fünftel der Gesamtlänge des Weges beträgt, kehrt der Detektor U, über die volle Distanz während jener Zeit, in welcher sich der Detektor U„ in dem vertieften Bereich befindet, in seine Ausgangsstellung zurück. Dementsprechend wird der Detektor U, verschwenkt, so daß eine Berührung mit

dem Detektor LL während der gesamten Rückkehrbewegung des Detektors U, vermieden wird. Fig. lic zeigt einen Zeitaugenblick, in welchem der Detektor U„ die Hälfte der Neigungszone zurückgelegt hat, während der Detektor U, die Hälfte des gesamten Abtastbereiches zurückgelegt hat, der, wie bereits erläutert, fünfmal so groß ist wie die Bogenlänge der Neigungszone. Schließlich ist gemäß Fig. lld der Detektor U, in seine Ausgangsposition zurückgekehrt und der Detektor U„ hat seinen Weg in der Neigungszone beendet, so daß der Neigungsrahmen 166 in seine normale Position zurückkehrt und der Detektor U, wieder aufgerichtet wird. Der Detektor LL kann nun wieder nach vorn bewegt werden und dem Detektor U₂ nachfolgen, wobei beide aufrecht, nicht geneigt, bewegt werden, und wobei keine Gefahr einer gegenseitigen Berührung besteht, weil beide in der gleichen Richtung bewegt werden und mit gleicher Geschwindigkeit, einer hinter dem anderen.

In Fig. 10 sind Federn dargestellt, die den Rahmen 116 verschwenken, wenn der Stift W„ in den Vertiefungsbereich 168 gelangt oder wenn der Stift W, sich im Bereich 168A befindet. Während sich der Stift W₂ im Bereich 168 befindet, bleibt der Rahmen geneigt, so daß die Führungsfläche 170 gegen den Stift W, drückt und den Detektor U, während seiner gesamten Rücklaufbewegung neigt, so daß eine Kollision mit dem Detektor LL verhindert ist. Die Führungsbahn T, in Fig. 10a ist eine Variante der Führungsbahn T, von Fig. 10. Bei der Führungsbahn T, ist ein Nockenbereich 168B vorgesehen, der an einem Stift W- angreift, so daß Federn nicht benötigt werden und keine Gefahr dafür besteht, daß ein Detektor nicht geneigt wird, wenn er sich auf seinem Rückwärtsweg befindet. In Fig. 10a gleitet der Stift W, nach dem Neigen aus der Bahn T, heraus und wandert nach rückwärts in geneigter Stellung,

bis er die Bahn T, beim Pfeil 180 wieder erreicht. In Bezug auf Fig. 10a entsprechen die nicht dargestellten Teile jenen aus Fig. 10.

Beim Gebrauch des beschriebenen Systems ist es selbstverständlich wichtig, daß der Schädel des Patienten unbeweglich gehalten wird. Eine Kombination wenigstens dreier Stifte, die am Schädel anliegen sollen, ist grob in Fig. 13 dargestellt. Diese Stifte liegen vorzugsweise an den Jochbeinen, im Nackenbereich und gegebenenfalls an der Schädeldecke an. Diese Anordnung stellt sicher, daß der Kopf unbeweglich gehalten werden kann, ermöglicht andererseits den freien Zugang zur Schädeldecke, um dort beispielsweise für die Einführung einer Sonde ein Loch zu bohren. Nach dem Bohren des Loches wird ein steifer, mit einem Flansch versehener Führungsring 180 in das Loch eingesetzt {Fig. 14), um die Querkoordinaten der Lochachse festzulegen und um einen Bezugspunkt in der axialen Richtung für die genaue axiale Einführung der Sonde zu bestimmen. Er dient außerdem zeitweilig als TeilverschluQ der Bohrung.

Das beschriebene neue System ermöglicht nicht nur einen verbesserten Zugang zum Operationsbereich, sondern vermindert auch die Zeit, die der Patient einer Bestrahlung ausgesetzt ist, weil die fast kontinuierliche Abtastbewegung in beiden Winkelrichtungen ohne Unterbrechung stattfinden kann. Die Abtastperiode beträgt ungefähr 30 Sekunden pro Ebene in jeder Richtung oder eine volle Minute pro Ebene, woraus sich für eine Aufnahme von 35 Ebenen eine Gesamtbestrahlungszeit von 35 Minuten ergibt. Bekannte Vorrichtungen benötigen bislang eine Abtastzeit von einer Stunde. Die Untersuchungszeit iat ebenso beachtlich verringert. Die Analyse ergibt sofort einen im wesentlichen vollständigen Raumeindruck gegenüber konventionellen Verfahren, die eine räum-

liche Information nur durch Untersuchung in zwei Projektionsrichtungen vermitteln können. Auch sei noch hervorgehoben, daß die bekannten Einrichtungen in ihrem Aufbau sehr voluminös und schwer sind, weil sie einen vollständig geschlossenen Rahmen zum Halten der Strahlenquelle und der Detektoreinrichtung aufweisen, in welchen der Patient in axialer Richtung hineingeschoben werden muß. Hierfür werden weitere bewegliche Auflageeinrichtungen für den Patienten notwendig. Hingegen ist es aufgrund des offenen C-förmigen Rahmens bei der Erfindung möglich, den Patienten mit Hilfe eines leichten Tisches in den Rahmen einzulegen, der selbst leicht und einfach ist.

Die bevorzugte, zuvor beschriebene Ausführungsform kann vielfach abgewandelt werden, ohne daß die Erfindung verlassen wird. Die Erfindung ist im wesentlichen eine verbesserte Einrichtung zum Positionieren, Halten und Bewegen von Strahlenquelle und Detektoreinrichtung in einem definierten Verhältnis zueinander. Ein im wesentlichen C-förmiger Rahmen, der die Strahlenquelle und die Detektoreinrichtung im Abstand zueinander und in vorgegebenem Verhältnis zueinander hält, wird um eine im wesentliche horizontale Achse durch einen ersten Antrieb gedreht, der einen elektrischen Präzisionsmotor aufweist, wodurch die Strahlenquelle und die Detektoreinrichtung in einer kreisförmigen Bahn bewegt werden. Die so gedrehte Strahlenkeule bestimmt eine Abtastgrundebene. Ein zweiter elektromotorischer Antrieb bewegt den Rahmen, der die Strahlenquelle und die Detektoreinrichtung trägt, in axialer Richtung, um weitere Abtastebenen, die parallel zur Abtastgrundebene liegen, zu definieren. Ein dritter Antrieb, der von dem Rahmen selbst getragen wird, bewegt die Detektoreinrichtung in der entgegengesetzten Umfangsrichtung, während die Strahlenkeule auf die Detektor-

einrichtung gerichtet wird. Zur Steuerung und zum Halten des rotierenden Rahmens sind obere und untere Lenker vorgesehen, die schwenkbar an einem Gestell und an dem Rahmen gelagert sind und jeweils eine Parallelogrammführung für die Lenker bilden.

Da die Detektoreinrichtung vorzugsweise ein Paar Detektorelemente enthält, die nominal koplanar und in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind, sind Verstelleinrichtungen vorgesehen, die das vorn liegende Detektorelement verschwenken oder in anderer Weise am Ende seiner Vorwärtsbewegung versetzen können, damit es nicht mehr mit dem zweiten Detektor in einer Linie steht und nach rückwärts in eine neue Position hinter dem führenden Detektor gebracht wird.

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Leerseite

Claims (17)

1. Ansprüche

   /ly Rechnergesteuertes tomographisches Abtastsystem mit einem Rahmen, einer Quelle Für durchdringfähige Strahlen, einer Detektoreinrichtung zum Aufnehmen der Strahlung und zum Erzeugen von Abtastsignalen, einer Positioniereinrichtung am Rahmen zum Halten und Bewegen der Strahlenquelle und der Detektoreinrichtung in vorbestimmtem Verhältnis zueinander, gekennzeichnet durch

   a) einen im wesentlichen C-förmigen Rahmen (114) mit einem oberen und einem unteren Schenkel (115,116),

   b) eine Einrichtung zum Halten der Detektoreinrichtung (113) und der Strahlenquelle (112) an dem oberen bzw. unteren Schenkel (115,116) zur Festlegung einer Strahlenbahn (119) zwischen ihnen,

   c) eine erste Antriebseinrichtung (121) zum Drehen des Rahmens (114) um eine nominal horizontale Achse Z, wodurch Strahlenquelle (112) und Detektoreinrichtung (113) auf jeweils kreisförmiger Bahn (118) bewegt und die Verdrehung des Strahlenganges (119) eine Strahlungsabtastgrundebene bestimmt,

   d) eine zweite Antriebseinrichtung zum Bewegen des Rahmens (1.14) längs der Z-Achse zum Abtasten in Ebenen, die parallel zur Grundebene im axialen Abstand zueinander längs der Z-Achse liegen, und

   e) eine am Rahmen (114) angeordnete dritte Antriebseinrichtung (140 bis 150) zum Bewegen der Detektoreinrichtung (113) in Umfangsrichtung in einer zur Umlaufbewegung des unteren Schenkels (116) entgegengesetzten Richtung,während der Strahl (119) zwischen der Strahlenquelle (112) und der Detektoreinrichtung (113) verläuft.
2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) die Detektoreinrichtung (113) eine Strahlen empfangende Oberfläche aufweist, die eine im wesentlichen bogenförmige Länge ja hat,

   b) die von der Strahlenquelle (112) erzeugte. Strahlungskeule einen Öffnungswinkel hat, der auf dem von der Detektorfläche eingenommenen Kreisumfang einen Bogen der Länge ja¹ bewirkt, wobei ja'^ja, und

   c) die Bewegung der Detektoreinrichtung (113) in Umfangsrichtung entgegengesetzt zu der der Strahlenquelle (112) eine Bewegung der Bogen ja und ja' aus einer nebeneinanderliegenden, nicht überdeckenden Position in eine einander überdeckende Position und dann in eine nebeneinanderliegende, nicht überdeckende Position bewirkt.
3. 3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (113) vornliegende und hintenliegende Enden aufweist, die die Bogenlänge a^ begrenzen, daß das vornliegende Ende mit der Überdeckung mit dem Bogen ja' beginnt und das hintenliegende Ende die Überdeckung beendet.
4. 4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (113) eine erste und eine zweite Detektoreinheit (U,, U„) enthält, die nebeneinander angeordnet sind und die jeweils ein vorliegendes und ein hintenliegendes Ende aufweisen, daß die dritte Antriebseinrichtung (140-150) das vornliegende Ende der zweiten Detektoreinheit (U„) in deckende Lage mit der Bogenlänge _§_' der Strahlenkeule bringt, wenn das hintenliegende Ende der ersten Detektoreinheit (U,) seine deckende Lage an der Bogenlänge a/ beendet, und daß ein Schalter vorhanden ist, der die Detektoreinheiten (U,,U₂) aktiviert, wenn sie sich in besagter Decklage befinden.
5. 5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Antriebseinrichtung (140 bis 150) die erste Detektoreinheit (U,) nach vorn in Richtung seines Vorderendes bewegt, während die erste Antriebseinrichtung (121) die Strahlenquelle (112), die Strahlenkeule und deren Bogenlänge _a' nach hinten über die Decklage mit der ersten Detektoreinheit (U,) vorbei und aus dieser heraus bewegt, und daß die dritte Antriebseinrichtung (140 bis 150) die zweite Detektoreinheit (U₂) für die nachfolgende Bewegung in die Decklage mit der Bogenlänge a/ in die geeignete Ausgangslage bringt.
6. 6. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenkeule einen Öffnungswinkel von 8° aufweist und eine Bogenlänge ja' von etwa 16° auf der Detektoreinrichtung (113) bedeckt, und daß jede Detektoreinheit (U.*,U₇) eine Bogenlänge a^ von etwa 24 aufweist.
7. 7. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Antriebseinrichtung (121) die Strahlenquelle (112) und die Detektoreinrichtung (113) kontinuierlich in Umfangs-

   richtung eines Kreises um einen Bogen von wenigstens 180° und anschließend in entgegengesetzter Richtung bewegt,und daß es eine Schaltereinrichtung aufweist zum Aktivieren der Detektoreinrichtung (113) während deren Bewegung in beiden Richtungen.
8. 8. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (114) gelagert ist mittels eines oberen Lenkers (122), der an seinem vorderen Ende (bei Pc) bei der Strahlenquelle (112) an dem Rahmen (114) angelenkt ist, in einem Zwischenbereich (bei P-,) an einem Arm der Kurbellänge _r angelenkt ist, der in dem Gestell (11) gelenkig gelagert ist (bei Pi), und an seinem hinteren Ende (bei P-) an einem zweiten Arm (125) der nämlichen Kurbellänge i_ angelenkt ist, der in dem Gestell (111) gelenkig gelagert ist und zusammen mit dem ersten Arm (124) für den Lenker (122) eine Parallelogrammführung bildet, und daß die erste Antriebseinrichtung (121) einen Elektromotor enthält, der wenigstens einen der Arme (124,125) bewegt.
9. 9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (114) weiterhin von einem dem oberen Lenker (122) vergleichbaren unteren Lenker (123) gelagert ist, der mittels zweier Arme (126,127) der Kurbellänge £ in Parallelogrammführung im Gestell (111) gelagert ist.
10. 10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der eine Arm (125) mit dem entsprechenden Arm (127) des anderen Lenkers (123) zu einem steifen zweiarmigen Hebel vereinigt ist.
11. 11. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Antriebseinrichtung (140 bis 150) eine erste Baugruppe zum Uorwärtsbewegen der Detektoreinheiten (U,,U₇)

    zwischen Ausgangs- und Endstellungen und eine zweite Baugruppe zum Rückwärtsbewegen derselben in ihre Ausgangspositionen während der Vorwärtsbewegung der jeweils anderen Detektoreinheit (U₂,U,) und während der Kreisbahnbewegung des Rahmens (114) aufweist.
12. 12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Baugruppe einen Elektromotor (140) und ein mit den Detektoreinheiten (U,,U₂) verbundenes Abtriebselement (146) sowie ein zwischen Elektromotor (140) und Abtriebselement (146) geschaltetes Differentialgetriebe (149,149A,150) umfaßt, und daß die zweite Baugruppe ein Malteserkreuzgetriebe (141) enthält, das mit dem Differentialgetriebe (149,149A, 150) gekuppelt ist, um zeitweise die Drehrichtung des Abtriebselements (146) umzukehren.
13. 13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß während der Vorwärtsbewegung der Detektoreinheiten (U,,U^) ihre Oberflächen ausgerichtet und im wesentlichen koplanar sind, die dritte Antriebseinrichtung eine Verstelleinrichtung (165) aufweist, die mit den Detektoreinheiten (U,,U„) gekuppelt ist, um jede von ihnen bei der Rückwärtsbewegung aus der Bahn der vorwärtslaufenden anderen Detektoreinheit herauszuführen und eine Kollision zu vermeiden.
14. 14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (165) eine Vorrichtung (166;180) zum Verschwenken der Detektoreinheiten (U,,U₂) und Führungseinrichtungen (W,,W₂), die mit den Detektoreinheiten (U^₅U₂) verbunden sind, aufweist, und daß diese so zwangsgekuppelt sind, daß jede Detektoreinheit (U,,U₂)die Führungseinrichtung zum Verschwenken der anderen Detektoreinheit (U₂,U,) betätigt.
15. 15. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsfläche einer jeden Detektoreinheit (U,,U„) aus einer Vielzahl von Detektorelementen besteht, von denen jedes eine in Umfangsrichtung gemessene Länge von einem Drittel der Bogenlänge ja der Detektoreinheit aufweist, so daß 16° Bogenlänge ja' , die von der Strahlenkeule bedeckt wird, 48 Detektorelemente gleichzeitig zu jedem Abtastzeitpunkt erfaßt.
16. 16. Tomographisches Abtastsystem mit einem Gestell, einer Quelle für durchdringungsfähige Strahlen, einer Detektoreinrichtung zur Aufnahme der Strahlen und zum Ableiten von Abtastsignalen daraus, einer Positioniereinrichtung am Gestell zum Halten und Bewegen von Strahlenquelle und Detektoreinrichtung in definiertem Verhältnis zueinander, dadurch gekennzeichnet, daß

    a) ein Rahmen (114) mit erstem und zweitem Teil (115,116), die im Abstand zueinander angeordnet sind, vorgesehen ist,

    b) Einrichtungen zum Halten der Strahlenquelle (112) und der Detektoreinrichtung (113) an dem ersten und zweiten Teil (115,116) des Rahmens 114) zum Festlegen einer Strahlenkeule zwischen ihnen vorhanden sind,

    c) eine erste Antriebseinrichtung (121) zum Drehen des Rahmens (114) um eine erste Achse (2) zwecks Führens von Strahlenquelle (112) und Detektoreinrichtung (113) auf einer kreisförmigen Bahn (118) und Bestimmens einer Abtastgrundebene vorhanden ist,

    d) eine zweite Antriebseinrichtung zum Bewegen des Rahmens (114) in Richtung der Achse (Z) zum Erzeugen von Abtastebenen parallel zur Abtastgrundebene im Abstand zueinander vorgesehen ist, und

    e) eine dritte Antriebseinrichtung (140 bis 150) zum Bewegen der Detektoreinrichtung relativ zum zweiten Teil (116) des Rahmens (114) in einer Umfangsrichtung entgegengesetzt zur Umfangsbewegung des zweiten Rahmenteils (116) während der Rotation der Strahlenkeule vorhanden ist.
17. 17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (113) aus zwei Detektoreinheiten (U,, U„) besteht, die nebeneinander und nominal eine vor der anderen angeordnet und miteinander in Umfangsrichtung vorwärts beweglich sind, daß die dritte Antriebseinrichtung (140-150) mit den Detektoreinheiten (U₁JU₂) gekuppelt ist, um sie miteinander vorwärts zu bewegen, sodann die vornliegende Einheit auf die Rückseite der anderen Einheit zu bewegen, während sich diese weiter vorwärts bewegt, dann beide Einheiten vorwärts zu bewegen, wobei die Bewegung der Einheiten mit der Projektion der Strahlenkeule zwischen der Strahlenquelle (112) und den Detektoreinheiten übereinstimmt und jene dazu eingerichtet sind, die Strahlungsenergie jederzeit während der Vorwärtsbewegung aufzunehmen.