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Rechnergestützter Strahlungs-Tomograph
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Die Erfindung betrifft einen rechnergestützten Strahlungs-#omographen
und insbesondere eine Datenverarbeitungsanlage zur Verarbeitung eines Datenflusses
in einer Sequenz zwischen Datengewinnung und Bildwiederaufbau bei einem solchen
Tomographen.
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Es sind bereits verschiedene rechnergestützte Tomographen bekannt,
die mit Strahlung, wie Röntgenstrahlung, Gammastrahlung, oder mit Kernmagnetresonanz
und Elektronenstrahlen (im folgenden allgemein unter dem Begriff Strahlung zusammengefaßt),
arbeiten.
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Fig. la ist ein Blockschaltbild eines bisherigen rechnergestützten
Röntgentomographen. Dabei bestrahlt eine Röntgenstrahlungsquelle 1 ein <Untersuchungs-)Objekt
2 mit einem fächerförmigen, gestrichelt eingezeichneten Röntgenstrahlenbündel, wobei
die durch das Objekt 2 hindurchgetretenen Röntgenstrahlen von einem Detektor 3 erfaßt
werden, der aus einer bogenförmigen, um die Strahlungsquelle 1 herum gekrümmten
Reihenanordnung (array) von Detektorelementen besteht. Jedes Detektorelement gibt
ein von der Intensität der es beaufschlagenden Röntgenstrahlung abhängendes elektrisches
Signal ab. Die elektrischen Signale oder Projektionsdaten werden für jeden Bildausschnitt
bzw. jede Ansicht (per each view) durch eine Datenerfassungseinheit (DAS) 4 ausgelesen
und dann in Digitalsignale umgesetzt, die zu einer Zentraleinheit (CPU) 5 geleitet
werden. Letztere überträgt die Daten entweder unmittelbar oder nach einer entspre-
chenden
Vorverarbeitung derselben zu einer Speichereinheit (DISK) 6 in Form z.B. einer Magnetplatte.
Nachdem die Daten für alle Bildfelder (views)zur Speichereinheit 6 übertragen worden
sind, unterwirft eine Hochgeschwindigkeits-Verarbeitungseinheit (FP) 7 die Projektionsdaten
Rechenoperationen für den Bildwiederaufbau. Sodann wird ein wiederaufgebautes Bild
auf einer Anzeigeeinheit (DISP) 8 wiedergegeben. Bei dieser Anordnung ist jedoch
die Zentraleinheit 5 während des Abtastvorgangs (vgl. Fig. Ib) durch den Datenübertragungsprozess
für die aufeinanderfolgende Speicherung des Ausgangssignals der Datenerfassungseinheit
4 im Speicher 6 belegt. Aus diesem Grund erfolgt nahezu die gesamte Bildwiederaufbauverarbeitung
nach Abschluß des Abtastvorgangs. Die verarbeiteten Bilddaten werden wieder im Speicher
6 abgespeichert und auch zur Anzeigeeinheit 8 übertragen und auf dieser wiedergegeben.
Die Anordnung benötigt mithin eine lange Zeitspanne bis zur Bildwiedergabe nach
Beendigung der Abtastung.
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Zur Beseitigung der vorstehend geschilderten Schwierigkeit ist bereits
die Anlage nach Fig. 2a vorgeschlagen worden. Dabei besitzt eine Hochgeschwindigkeits-Verarbeitungseinheit
(FP) 21 eine Schnittstelle mit der Datenerfassungseinheit (DAS) 4, und sie ist zwischen
letztere.
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und die Zentraleinheit 5 geschaltet, um den Datenfluß während der
Abtastoperation zu vereinfachen. Aufgrund eines in der Verarbeitungseinheit 21 enthaltenen
Programms zum Auslesen von Daten aus der Datenerfassungseinheit 4 umfaßt der von
ersterer während eines Abtastvorgangs ausführbare Prozess (Verarbeitung) nur eine
Vorverarbeitung und eine Umsetzung der von der Datenerfassungseinheit 4 gelieferten
Daten für jeden Bildausschnitt (view), wie dies in Fig. 2b dargestellt ist.
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Nach Beendigung des Abtastvorgangs wird eine Durchprojektion durchgeführt.
Die beschriebene Anlage ist insofern vorteilhaft, als die bis zur Wiedergabe eines
Bilds benötigte Zeit verkürzt ist, weil die Datenverarbeitung nach dem Abtastzyklus
im Vergleich zur vorher beschriebenen Anlage einen verringerten Umfang umfaßt.
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Andererseits ist dabei jedoch Leerlaufzeit im Spiel, während der auf
die nächste Reihe von Bilddaten (view data) im Abtastvorgang gewartet werden muß.
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Fig. 3a veranschaulicht noch eine andere (bisherige) Anlage mit zwei
Schnell-Verarbeitungseinheiten (FP1, FP2) 31, 32. Die vorgeschaltete Einheit 31
bewirkt eine Vor-Verarbeitung und Umsetzung, während die nachgeschaltete Einheit
32 die Durchprojektion ausführt. Die durch die Einheit 31 verarbeiteten Daten werden
nach Pipeline-Art und in Synchronismus mit jedem Bildausschnitt zur Einheit 32 geliefert
und in dieser einer Durchprojektionsverarbeitung für jeden Bildausschnitt unterworfen.
Der Bildwiederaufbau ist mithin praktisch zu dem Zeitpunkt abgeschlossen, zu dem
ein Abtastzyklus beendet ist (vgl.
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Fig. 3b). Obgleich mit der Anlage nach Fig. 3a die für den Bildwiederaufbau
erforderliche Zeit wesentlich verkürzt werden kann, ist diese Anlage sehr kostenaufwendig,
weil sie zwei teuere Verarbeitungseinheiten benötigt.
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Die Berechnung für den Bildwiederaufbau erfolgt in einer Verarbeitungseinheit
mit einer größeren Bitlänge als derjenigen der Rohdaten, um damit einen erforderlichen
Genauigkeitsgrad aufrechtzuerhalten. Beispielsweise bewirkt die Verarbeitungseinheit
eine 32-Bit-Ganzzahlen-oder -Fließkomma-Rechenoperation an aus 16-Bit-Zahlen zusammengesetzten
Rohdaten. Die Bildwiederaufbauvorrich-
tung enthält somit Verarbeitunqs-
und Speichereinheiten, die Daten einer großen Bitlänge zu verarbeiten vermögen.
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Wenn die Rohdaten bei dieser Vorrichtung mittels Direktspeicherzugriffs
(DMA) in die Speichereinheit eingegeben werden, kann die Operation mit höherer Geschwindigkeit
durchgeführt werden. Der Speicher enthält jedoch unbelegte Speicherplätze, weil
er nur Rohdaten einer kurzen Bitlänge abnimmt.
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Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer für einen rechnergestützten
Strahlungs-Tomographen vorgesehenen Datenverarbeitungslage, mit welcher ohne Kostenerhöhung
die Zeitspanne verkürzbar sein soll, die für den Wiederaufbau von Bildern aus gewonnenen
Daten nötig ist, welche von durch ein Untersuchungsobjekt hindurchgetretener Strahlung
der eingangs angegebenen Art erhalten werden.
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Die Erfindung bezweckt auch die Schaffung einer Rechenverarbeitungseinheit,
die zu einer Hochgeschwindigkeits-oder Schneliverarbeitung mit Direktspeicherzugriff
unter Ausschaltung unbelegter Speicherplätze im Speicher fähig sein soll.
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Diese Aufgabe wird durch die im beigefügten Patentanspruch gekennzeichneten
Merkmale gelöst.
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Zur Lösung der angegebenen Aufgabe weist eine Schnell-Verarbeitungseinheit
eine Schnittstelle zur Abnahme von Daten von einer Datenerfassungseinheit, wobei
ein Programm für die Datenabnahme nicht nötig ist, sowie einen Speicher zur Speicherung
der über die Schnittstelle von der Datenerfassungseinheit gelieferten Rohdaten und
der verarbeiteten Gesamt-Bilddaten auf. Unmittelbar nach
Beginn
des Abtastvorgangs kann das Programm der Verarbeitungseinheit ausschließlich für
Bildwiederaufbau ausgeführt werden. Während der Bildwiederaufbauverarbeitung erfolgt
keine Datenübertragung zu und von einem Speicher, um die für den Bildwiederaufbau
erforderliche Zeit nach der Datengewinnung zu verkürzen. Unter Berücksichtigung
der unterschiedlichen Bitlängen der durch einen Rechenblock zu handhabenden Daten
und der Rohdaten wird eine Anzahl von Rohdaten gepackt bzw.
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verdichtet und in einer Direktspeicherzugriffs-Betriebsart im Speicher
abgespeichert. Wenn die Daten verarbeitet werden sollen, werden die verdichteten
Daten durch Bitzahlumsetzung in Einzeldaten getrennt. Der Speicher kann somit wirksam
genutzt werden, ohne die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Rechenblocks zu beeinträchtigen.
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Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im
Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 3 Blockschaltbilder bzw. graphische Darstellungen bisheriger Datenverarbeitungsanlagen
für rechnergestützte Tomographen, Fig. 4 ein Blockschaltbild und eine graphische
Darstellung für eine Datenverarbeitungsanlage gemäß der Erfindung, Fig. 5 ein Blockschaltbild
einer Hochgeschwindigkeits- oder Schnellverarbeitungseinheit gemäß der Erfindung
und Fig. 6 bis 8 graphische Darstellungen von Datenformaten.
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Die Fig. 1 bis 3 sind eingangs bereits erläutert worden.
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Die in Fig. 4a dargestellte Datenverarbeitungsanlage gemäß der Erfindung
entspricht derjenigen nach Fig. 2 insofern, als eine Schnell-Verarbeitungseinheit
40 zwischen eine Datenerfassungseinheit (DAS) 4 und eine Zentraleinheit (CPU) 5
eingeschaltet ist. Wie in Fig.
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5 im einzelnen dargestellt ist, besitzt jedoch die Verarbeitungseinheit
40 einen speziellen Aufbau.
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Gemäß Fig. 5 enthält die Schnell-Verarbeitungseinheit 40 einen Adressenzähler
42, in welchem eine Adresse zum Starten oder Einleiten der Speicherung von Eingangsdaten
von der Datenerfassungseinheit (DAS) 4 vor der Einleitung eines Abtastvorgangs gesetzt
ist. Der Inhalt des Adressenzählers 42 wird inkrementiert oder dekrementiert-, sooft
Daten abgespeichert werden, um Rohdatenadressen in einem Hauptspeicher 44 zu bezeichnen.
Das Einschreiben oder Speichern von Rohdaten im Hauptspeicher 44 erfolgt nach dem
sog. Zyklusraub-oder Cycle Stealing"-Prinzip zwischen Programmzyklen.
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Ein in einem Programmspeicher 46 abgespeichertes Programm wird unter
der Steuerung eines Programmsteuerblocks 45 ausgeführt. Insbesondere werden dabei
der Inhalt des Adressenzählers 42 abgegriffen, der Ablauf eines Abtastvorgangs auf
der Grundlage# der Differenz zwischen diesem abgegriffenen Inhalt und vor der Einleitung
des Abtastvorgangs voreingestellten bzw. vorgegebenen Daten bestimmt, Rohdaten für
einen ersten Bildausschnitt aus dem Hauptspeicher 44 ausgelesen und einer Vorverarbeitung
unterworfen sowie Umsetzung (oder schnelle Fourier-Transformation) und Durchprojektion
durchgeführt. Wenn Rohdaten für einen zweiten
Bildausschnitt vor
Abschluß des obigen Verarbeitungszyklus vollständig ausgelesen worden sind, geht
das Programm dann auf die Verarbeitung dieser Daten für den zweiten Bildausschnitt
über. Die Datenverarbeitung kann daher ununterbrochen fortgeführt werden, bis die
Daten für einen letzten Bildausschnitt verarbeitet werden (oder worden sind). Die
Eingangsdaten für jeden Bildausschnitt von der Datenerfassungseinheit 4 werden über
eine entsprechende Schnittstelle 41 und eine Formatsteuerung 43 in den Hauptspeicher
44 geliefert.
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Demzufolge kann das Programm unabhängig von der Dateneingabe von der
Einheit 4 exklusiv für Bildwiederaufbau ausgeführt werden (vgl. Fig. 4b).
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Der Hauptspeicher 44 besitzt eine ausreichend große Kapazität für
die Speicherung der Bilddaten für ein volles oder Gesamtbild und der Rohdaten einer
Abtastung.
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Es reicht aus, einen (Einzel-)Abtastbereich als Bereich oder Feld
(area) für die Speicherung von Rohdaten vorzusehen. Die Speichergröße kann jedoch
verdichtet werden, indem auf noch zu beschreibende Weise eine zweckmäßige Formatumwandlung
mittels der Formatsteuerung 43 durchgeführt wird. Wenn kein. Speicherplatz führ
Rohdaten entsprechend allen Bildausschnitten bei einer Abtastung vorgesehen ist,
kann das sog. Austauschpufferverfahren angewandt werden, bei dem die Adressenspeicherung
von Rohdaten von einem Zwischenbildausschnitt zu der für einen ersten Bildausschnitt
benutzten Adresse zurückkehrt.
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Der Hauptspeicher 44 mit den von der Datenerfassungseinheit 44 abgenommenen
Eingangsdaten wird durch eine vom Programmsteuerblock 45 gesteuerte Registergruppe
47 adressiert, um unmittelbar oder über die Register-
gruppe 47
Daten zu einem Rechenblock 48 zu liefern oder von ihm abzunehmen. Der Rechenblock
48 wird durch den Programmsteuerblock 45 zur Ausführung verschiedener Prozesse,
wie Vorverarbeitung, Umsetzung (oder FFT bzw.
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schnelle Fourier-Transformation) und Durchprojektion, (an) gesteuert,
und die Ergebnisse (Bilddaten) werden im Hauptspeicher 44 abgespeichert. Wenn die
Berechnung für alle Bildausschnitte abgeschlossen ist, wird eine Direktspeicherzugriff-
oder DMA-Steuerung 49 betätigt, um das Format der Ausgangsdaten vom Hauptspeicher
44 mittels einer Formatsteuerung 50 umzuwandeln oder umzusetzen und die umgesetzten
Daten über eine CPU-Schnittstelle 51 in einer Direktspeicherzugriff-Betriebsart
in die Zentraleinheit (CPU) 5 zu übertragen. Die auf diese Weise erhaltenen Daten
werden im (Platten-)Speicher (DISK) 6 abgespeichert und können als sichtbares Bild
auf der Anzeigeeinheit (DISP) 8 wiedergegeben werden.
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Die Vorverarbeitung, die Umsetzung und die Durchprojektion werden
normalerweise für jeden Bildausschnitt durchgeführt. Das Programm kann jedoch so
modifiziert werden, daß diese Verarbeitungen für (jeweils) eine Gruppe aus mehreren
Bildausschnitten ausgeführt werden.
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Die Durchprojektion kann nach einem direkten oder einem indirekten
Verfahren erfolgen. Beim indirekten Verfahren beginnt eine Interpolation für die
Umsetzung von einem fächerförmigen Strahlenbündel in ein paralleles Strahlenbündel,
wenn alle Daten für eine Anzahl von Bildausschnitten, die für eine solche Interpolation
nötig sind, verfügbar werden.
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Nachstehend ist die Formatumwandlung mittels der Formatsteuerungen
43 und 50 beschrieben. Die Formatsteuerung 43 packt zwei der Eingangsdaten von der
Einheit 4 mit
dem in Fig. 6 dargestellten Datenformat (in Form
eines 16-Bit-Aufbaus mit einem 14-Bit-Bruchzahlenteil m und einem 2-Bit-Exponententeil
e) zur Bildung eines aus 32 Bits zusammengesetzten, in Fig. 7 dargestellten Worts.
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Die Formatsteuerung 43 überträgt sodann aufeinanderfolgend diese umgesetzten
Daten in einer Direktspeicherzugriff-Betriebsart in einem Rohdatenspeicher im Hauptspeicher
44. Infolgedessen kann die Speicherkapazität die Hälfte derjenigen bei der bisherigen
Anordnung betragen, bei welcher eine Dateneinheit einem Wort zugewiesen und gespeichert
wird. Aus dem Rohdatenspeicher werden die Daten sodann dem Rechenblock 48 zugeführt,
und sie können über die CPU-Schnittstelle 51 auf gewünschte Weise im (Platten-)Speicher
6 abgespeichert werden. Der Rechenblock 48 trennt die aus dem Rohdatenspeicher ausgelesenen
Daten gemäß Fig. 7 in obere und untere Daten und setzt sie in ein Format (mit z.B.
einem 8-Bit-Exponententeil und einer 24-Bit-Bruchzahl) gemäß Fig. 8, das durch den
Rechenblock 48 verarbeitet werden kann. Letzterer bewirkt dann die Bildwiederaufbau-Berechnung
an Projektionsdaten dieses Formats und speichert die erhaltenen Bildwiederaufbaudaten
im Hauptspeicher 44 ab. Hierauf werden die Bilddaten aus dem Hauptspeicher 44 über
die CPU-Schnittstelle 51 in die Zentraleinheit 5 eingelesen und als Bild auf der
Anzeigeeinheit 8 wiedergegeben.
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Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform die Eingangs- oder
Eingabedaten eine Bitlänge von 16 Bits/Wort und die Daten für den Rohdatenspeicher
und den Rechenblock eine solche von 32 Bits/Wort besitzen, ist die Erfindung keineswegs
hierauf beschränkt. Das Datenformat ist nicht auf die Fließkommasetzung beschränkt,
sondern kann auch in anderen Setzungsformen wiedergegeben werden.
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Erfindungsgemäß können somit auf beschriebene Weise Daten von einer
Datenerfassungseinheit in einer Direktspeicherzugriff-Betriebsart gewonnen oder
abgenommen werden, und es ist eine Schnell#Verarbeitungseinheit mit einem Speicher
einer ausreichend großen Kapazität für die Speicherung der Eingangsdaten von der
Datenerfassungseinheit sowie der Bildwiederaufbaudaten vorgesehen. Das Prdgramm
zum Betrieb der Schnell-Verarbeitungseinheit kann während des Abtastvorgangs unabhängig
von der Dateneingabe von der Datenerfassungseinheit kontinuierlich ausgeführt werden,
so daß die Zeit für die Gewinnung von Bildwiederaufbaudaten nach Abnahme der ersten
Eingangsdaten verkürzt werden kann. Da die Schnell-Verarbeitungseinheit einen vergleichsweise
einfachen Aufbau besitzt, kann eine Datenverarbeitungsanlage für rechnergestützte
Tomographen zu praktisch den gleichen Gestehungskosten wie die bisherigen Anlagen
nach Fig. 1 und 2 realisiert werden.
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Erfindungsgemäß werden weiterhin mehrere Eingangsdaten (Rohdaten)
zu einem Wort gepackt bzw. verdichtet, das in einem Rohdatenspeicher abgespeichert
wird. Für die folgende Berechnung für Bildwiederaufbau werden diese kombinierten
Daten in eine Anzahl von Daten(einheiten) getrennt und in das Format umgesetzt,
das durch einen Rechenblock verarbeitbar ist. Die Kapazität des Speichers für die
Rohdaten braucht daher nur die Hälfte oder weniger als die Hälfte der Kapazität
eines bisherigen Speichers zu betragen, in welchem eine Rohdateneinheit als ein
Wort gespeichert wird. Der Speicher kann demzufolge wirksam genutzt werden.
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Die erfindungsgemäße Anlage besitzt eine Formatumsetzfähigkeit zum
Umsetzen getrennter Daten(einheiten)
in verschiedene Formate, so
daß keine Beschränkungen bezüglich des Formats der Eingabedaten bestehen und die
Datenverarbeitung während der Datenerzeugung vereinfacht werden kann.
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Die Erfindung ist nicht nur auf rechnergestützte Röntgen-Tomographiesysteme,
sondern auch auf andere derartige Systeme anwendbar, die mit anderen Strahlungsarten,
mit Kernmagnetresonanz oder Elektronenstrahlen arbeiten.
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Selbstverständlich ist die Erfindung keineswegs auf die vorstehend
dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern verschiedenen
Änderungen und Abwandlungen zugänglich.
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