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Die vorliegende Erfindung betrifft einen computergestützten
Röntgenstrahlen-Tomographen, der Strahlungsprojektionsdaten
aus mehreren Richtungen entlang den Schnitten eines
Gegenstandes erfaßt und auf Basis solcher erfaßten Daten
tomographische Bilder rekonstruiert. Insbesondere betrifft diese
Erfindung eine verbesserte Einrichtung zur Erfassung von
Strahlungsprojektionsdaten.
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Es ist allgemein bekannt, daß ein computergestützter
Röntgenstrahlen-Tomograph (abgekürzt ein CT-Gerät) das
tomographische Bild eines Gegenstandes wiederaufbaut, indem ein
Gegenstand mit einem Röntgenstrahlenbündel aus mehreren
Winkeln entlang den Schnitten durch den Gegenstand bestrahlt
wird, um Projektionsdaten (oder Abtastdaten) für die
nachfolgende Abtastdatenverarbeitung durch einen Computer zu
erfassen.
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Die Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, das die Hauptkomponenten
eines solchen CT-Geräts darstellt. In der Fig. 7 ist eine
Röntgenröhre 1 gegenüber einem Detektor 2 so angeordnet, daß
sich dazwischen ein Tomographiebereich 3 befindet. Diese
Komponenten sind auf einem Gerüst (nicht dargestellt)
installiert, um die obengenannte relative Lage einzuhalten.
Die Röntgenröhre 1 und der Detektor 2 rotieren unter der
Steuerung eines Gerüst-Controllers (im Diagramm nicht
dargestellt) um einen im Tomographiebereich 3 angeordneten
Gegenstand 4. Der Detektor 2 ist mit mehreren hundert in
einem Kreisbogen angeordneten Erfassungsgerätekanälen zur
Erfassung eines Röntgenstrahls 5 in einem von der
Röntgenröhre 1 abgestrahlten fächerförmigen Strahlenbündel
ausgerüstet, das den Tomographiebereich 3 passiert. Eine
Datenerfassungseinheit 6 mit einer Einrichtung zur Integrierung
der vom Detektor 2 über eine bestimmte Zeitdauer erfaßten
Signale ist bereitgestellt, die diese Signale in einer
bestimmten Abfolge erfaßt, die erfaßten Signale verstärkt
und die Ausgangssignale in digitale Daten zur Übertragung an
die nächste Stufe wandelt. Ein Computer 7 ist mit einer
Einrichtung zur Speicherung der von der Datenerfassungseinheit
6 übertragenen Daten ausgerüstet und wickelt den
Bildwiederaufbau anhand der gespeicherten Daten ab, gibt die Bilder
über eine Kathodenstrahlröhre (CRT) 8 gemäß den
Operationsergebnissen aus und schickt spezifische Signale gemäß den
über eine Tastatur 9 erhaltenen Signalen an die einzelnen
Abschnitte des CT-Geräts. Bei der obigen Konfiguration dreht
das CT-Gerät die Röntgenröhre 1 und den Detektor 2 in einer
spezifischen Richtung (z.B. im Uhrzeigersinn), strahlt die
Röntgenstrahlen in mehreren vorgegebenen Winkelpositionen
(Betrachtungspositionen oder Abtastpunkte) auf den
Gegenstand 4 ab und erfaßt dann die Abtastdaten. Bei der
Erfassung der Abtastdaten beendet dieses Gerät die Beschleunigung
des Gerüsts und stellt eine konstante Drehgeschwindigkeit
ein, bevor es nach dem Überfahren eines Näherungsabschnitts
eine Referenzwinkelposition P&sub0; erreicht. Das CT-Gerät
beginnt mit der Erfassung der Abtastdaten, wenn die
Röntgenröhre 1 die Referenzwinkelposition P&sub0; überstreicht und setzt
die Abtastung fort, bis der überlappte Abschnitt erreicht
wird, mit dem die erste Umdrehung der Abtastdatenerfassung
abgeschlossen ist. Der Winkel der Gerüstdrehung bei dieser
Abtastung setzt sich aus dem Winkel entsprechend dem
Näherungsabschnitt, dem Winkel entsprechend dem
Verzögerungsabschnittshub bis zum Anhalten der Drehbewegung und dem
Winkel entsprechend dem überlappten Abschnitt plus 360º
zusammen. Für den nächsten Abtastvorgang wird der Schnitt
(Scheibenoberfläche) des Gegenstands geändert, und das
Gerüst wird entgegen dem Uhrzeigersinn mit den gleichen
Winkeln wie im vorigen Abtastvorgang gedreht, so daß die
Abtastdaten in jedem Abtastpunkt erfaßt werden können.
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Danach wird die obige Operation zur Erfassung der
Abtastdaten der gewünschten Scheibenoberflächen wiederholt.
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Das allgemeine Verfahren zur Erfassung von Abtastdaten ist
oben beschrieben. Zur Verbesserung der Qualität der
wiederaufgebauten Bilder können die folgenden Abtastverfahren
angewendet werden:
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Ein Verfahren wendet Abtastungen im Uhrzeigersinn und
entgegen dem Uhrzeigersinn an, um Abtastdaten für zwei Umläufe
zu erfassen; die den jeweiligen Abtastdaten entsprechenden
wiederaufgebauten Bilder werden addiert und zur Anzeige
gemittelt. Damit ist es möglich, ein S/N-Verhältnis (signal to
noise ratio = Rauschabstand) zu verwirklichen, das der
zweifachen Röntgenstrahlendosis entspricht. Das andere Verfahren
dient zur Erfassung von Abtastdaten mittels der
Zeilensprungabtastung zwischen Drehungen im Uhrzeigersinn und
gegen den Uhrzeigersinn zum Wiederaufbau von Bildern auf
Basis der erfaßten Daten. In diesem Fall werden mittels der
Zeilensprungabtastung Daten in den Abtastpunkten X&sub1;, X&sub3;,
..., X&sub1;&sub5; während einer Umdrehung im Uhrzeigersinn und in den
Punkten X&sub1;&sub6;, X&sub1;&sub4;, ..., X&sub2; während einer Umdrehung gegen den
Uhrzeigersinn erfaßt, wie in der Fig. 6 dargestellt. Bei
Verwendung einer derartigen Zeilensprungabtastung kann die
Erzeugung von Artefakten aufgrund unzureichender Ansichten
verringert werden, wobei die Bildqualität verbessert wird.
Diese Abtastverfahren verwenden jedoch Abtastintervalle
zwischen den Umdrehungen im Uhrzeigersinn und entgegen dem
Uhrzeigersinn, die parallel zum gerichteten Umschalten der
Gerüstdrehung erfolgen. Dies kann die Auflösung der
wiederauf gebauten Bilder verringern, und bedingt durch die
Bewegung des Gegenstandes können mehr Artefakte erzeugt werden.
Darüber hinaus kann durch Abtasten mittels der
Zeilensprungabtastung die Gerüstdrehung oder die Steuerung der
Abtastpunkte kompliziert werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die dem
Stand der Technik anhaftenden Nachteile zu beseitigen, indem
ein computergestützter Röntgenstrahlentomograph
bereitgestellt werden, der Bilder guter Qualität liefern kann, ohne
daß dadurch die Gerüstdrehung und die Steuerung der
Abtastdaten kompliziert wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, einen computergestützten
Röntgenstrahlentomographen bereitzustellen, der mehrere Abtastverfahren
ermöglicht, ohne die Gerüstumdrehung und die Steuerung der
Abtastdaten zu komplizieren.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung
einen computergestützten Röntgenstrahlentomographen gemäß
Anspruch 1 vor.
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Zusammenfassend ist der computergestützte
Röntgenstrahlentomograph gemäß der vorliegenden Erfindung durch folgendes
gekennzeichnet:
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- Setzen von Abtastpunkten N.M - 1 (wobei N und M
positive ganze Zahlen sind) um einen Gegenstand;
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- Abtasten der Abtastpunkte am Umfang unter Überspringen
des Punktes M - 1 und kontinuierliches M-maliges
Wiederholen dieser Abtastvorgänge; und
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- Erfassen der Abtastdaten in jedem Abtastpunkt.
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Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnungen
detailliert erläutert; dabei zeigen:
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Fig. 1 ein Blockdiagramm eines CT-Geräts in einem
typischen Anwendungsmodus gemäß der Erfindung;
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Fig. 2 die Beziehung zwischen einem Umlaufpositionssignal
des Gerüsts und der Abtastdatenerfassung;
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Fig. 3 ein Schemadiagramm der Abtastpunktanordnung gemäß
einem bevorzugten Anwendungsmodus der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 4 einen überlappten Abtastabschnitt;
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Fig. 5 und 6 die Übertragungsfunktion des Versatzes in
Richtung der Drehung bei einem kontinuierlichen
Röntgen-CT-Gerät;
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Fig. 7 ein Blockdiagramm einer ähnlichen Konfiguration
eines CT-Geräts auf Basis des Stands der Technik;
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Fig. 8 ein Schemadiagramm der Abtastdatenerfassung eines
CT-Geräts auf Basis des Stands der Technik.
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Die bevorzugten Anwendungsmodi der Erfindung werden im
folgenden anhand der Beispiele und der beiliegenden Zeichnungen
detailliert erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm der Konzeption der
Hauptkomponenten eines CT-Geräts, das einen bevorzugten
Anwendungsmodus der Erfindung darstellt.
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Gemäß Fig. 1 ist eine Röntgenröhre 1, die ein
kontinuierliches Röntgenstrahlenbündel abstrahlt, gegenüber einem
Detektor 2 auf einem Gerüst (in der Fig. 1 nicht
dargestellt) so angeordnet, daß ein Tomographiebereich 3
dazwischen vorgesehen ist. Auf dem Gerüst ist ein Markiergerät 12
mit N.M - 1 Einheiten eines umlaufenden Codierers 11
installiert. Das Gerüst wird von einem Gerüst-Controller (in der
Fig. 1 nicht dargestellt) so gesteuert, daß es den
Tomographiebereich 3 in einer bestimmten Richtung mindestens M mal
umläuft. Die Umlaufposition des Gerüsts zu diesem Zeitpunkt
wird durch einen stationären Markierdetektor 13 des
umlaufenden Codierers 11 erkannt. Der umlaufende Codierer 11 kann
eine Konfiguration haben, bei eine Markiergerätegruppe 12
stationär angeordnet ist, während der Markierdetektor 13 mit
dem Gerüst umläuft. Innerhalb der Markiergerätegruppe 12 ist
ein Absolutpositionsmarkiergerät 14 installiert, das die
Umlaufreferenzposition der Röntgenröhre 1 und des Detektors 2
erkennt. Ein Ausgangssignal vom Markierdetektor 13 wird an
eine Freguenzteilerschaltung 15 geschickt, die eine Teilung
im Verhältnis 1 : M vornimmt und es an eine
Datenerfassungseinheit 6 als ein Abtastdatenerfassungs-Befehlssignal
übergibt. Die Datenerfassungseinheit 6 erfaßt die Abtastdaten
vom Detektor 2 synchron mit dem Abtastbefehlssignal und
überträgt das Signal nach Abwicklung der vorgeschriebenen
Verarbeitung an einen Computer 7. Der Computer 7 nimmt auf
Basis der Daten einen Wiederaufbau des Bildes vor und stellt
der Freguenzteilerschaltung 15 ein über eine Tastatur 9
eingestelltes Teilungsverhältnis zur Verfügung.
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Die Abtastdatenerfassungsoperation eines CT-Geräts mit der
obigen Konfiguration wird im folgenden beschrieben:
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Zur Vereinfachung der Beschreibung sei N=8, M=2. Aus diesem
Grund beträgt die Anzahl der Markiergeräte des umlaufenden
Codierers 15, und das Teilungsverhältnis der
Frequenzteilerschaltung 15 beträgt 1:2. Bei einem tatsächlichen Gerät wird
ein Wert von mehreren hundert für N eingestellt, und M ist
eine ganze Zahl, die wesentlich kleiner als N ist. In der
folgenden Beschreibung werden die Markiereinrichtungen mit
M&sub1;, M&sub2;, ..., M&sub1;&sub5; bezeichnet. Des weiteren wird ein
Absolutpositionsmarkiergerät 14 als Markiergerät M&sub1;, bezeichnet.
Das Gerüst wird bei der z.B. mindestens zweimaligen
Umdrehung im Uhrzeigersinn durch den Gerüst-Controller gesteuert.
Während dieser beiden Umdrehungen setzt der Markierdetektor
13 zweimal über die Markiergeräte M&sub1;, M&sub2;, ..., M&sub1;&sub5; gemäß
Fig. 2 Umlaufpositionssignale P&sub1;, P&sub2;, ..., P&sub1;&sub5; ab. Die
Frequenzteilerschaltung 15 setzt das Abtastbefehlssignal ab,
nachdem die Umlaufpositionssignale 1:2 geteilt sind.
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Dementsprechend werden am Ende der ersten Gerüstumdrehung
die Abtastbefehlssignale S&sub1;, S&sub3;, S&sub5;, S&sub7;, ..., S&sub1;&sub5; in
Übereinstimmung mit den Umlaufpositionssignalen P&sub1;, P&sub3;, P&sub5;, P&sub7;,
..., P&sub1;&sub5; abgesetzt. Am Ende der zweiten Umdrehung werden die
Abtastbefehlssignale S&sub2;, S&sub4;, S&sub6;, S&sub8;, ..., S&sub1;&sub4; in
Übereinstimmung mit den Umlaufpositionssignalen P&sub2;, P&sub4;, P&sub6;, P&sub8;,
..., P&sub1;&sub4; abgesetzt. Gemäß dieser Abtastbefehlssignale erfaßt
die Datenerfassungseinheit 6 die Abtastdaten an den
entsprechenden Umlaufpositionen des Gerüsts. Wenn eine
Gerüstumlaufposition durch die Umlaufposition der Röntgenröhre 1
ausgedrückt wird, wobei die Röntgenröhre 1 in Folge die
Positionen X&sub1;, X&sub3;, ..., X&sub1;&sub5;, X&sub2;, X&sub4;, ..., X&sub1;&sub4; auf der
Umlaufbahn gemäß Fig. 3 erreicht, werden die Abtastdaten
individuell erfaßt.
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Diese Positionen auf der Umlaufbahn, in denen die Daten
erfaßt werden, werden als Abtastpunkte bezeichnet.
Dementsprechend erfolgt die Datenerfassung auf Basis der
Abtastbefehlssignale durch Verfolgen der fünfzehn Abtastpunkte (X&sub1;,
X&sub2;, ..., X&sub1;&sub5;) unter abwechselndem Überspringen eines
Punktes, bis die Daten aller Abtastpunkte nach zwei Umdrehungen
erfaßt sind. bie Datenerfassung über zwei Gerüstumdrehungen
erfolgt durch Zeilensprungabtastung, was in einfacher Weise
durch zweimalige aufeinanderfolgende Rotation des Gerüsts
erreicht wird. Auf diese Weise gibt es keine
Abtastintervalle zwischen der ersten und zweiten Umdrehung wie bei den
Anwendungsmodi auf der Grundlage des zuvor beschriebenen
Standes der Technik. Außerdem ist es nicht erforderlich, die
Gerüstdrehung und den Abtastdatenerfassungsmodus zu ändern.
In anderen Worten, die Abtastdaten können unter einfacher
Steuerung durch Zeilensprungabtastung erfaßt werden. Das auf
Basis dieser Abtastdaten wiederaufgebaute Bild liefert
Bilder hoher Auflösung mit minimalen Artefakten.
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Werden die Abtastdaten durch mehrfache Umdrehung des Gerüsts
erfaßt, so werden die während der jeweils vorangegangenen
und folgenden Umdrehung erfaßten Abtastdaten gemäß der
Zeilensprungbeziehung gegenseitig gesetzt.
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Deshalb wird jede Kombination der während dieser Umdrehungen
erhaltenen Abtastdaten in der vorangegangenen/nachfolgenden
Beziehung mittels der Zeilensprungabtastung erfaßt. Wenn
also die Abtastdaten durch mehrfache Umdrehung des Gerüsts
ohne Änderung der Scheibenoberfläche eines Gegenstandes
erfaßt werden, können Zeilensprung-Abtastdaten für den
Filmmodus erhalten werden. Werden für den Filmmodus keine
Zeilensprung-Abtastdaten gebraucht, können die bei jeder
Umdrehung erhaltenen Abtastdaten als Filmmodusdaten
herangezogen werden. In diesem Fall kann ein Filmmodus-Bild mit
hoher Auflösung erzielt werden. Allerdings sind in diesem
Fall die Abtastpunkte für die erste Umdrehung X&sub1;, X&sub3;, ...,
X&sub1;&sub5; bzw. X&sub1;, X&sub3;, ..., X&sub1;&sub5;, X&sub2;, und das Intervall zwischen
den Abtastpunkten X&sub1; und X&sub1;&sub5; bzw. X&sub1; und X&sub2; entspricht der
Hälfte der anderen Intervalle. Werden solche Daten in der
Form zum Bildwiederaufbau verwendet, entstehen aufgrund
einer unregelmäßigen Verteilung der Abtastintervalle oder
Ansichten Artefakte. Um dies zu verhindern, ist ein
Verfahren mit überlappendem Scannen zur Korrektur der
Körperbewegung sehr wirksam. Gemäß diesem Verfahren werden die
Abtastdaten durch Scannen erfaßt, bei dem etwas mehr als
eine volle Umdrehung überstrichen wird, so daß die Daten
eines überlappten Abschnitts durch Auffüllen synthetisiert
werden, wie in der Fig. 4 dargestellt. Dieser Prozeß
verringert die durch unregelmäßige Sichtverteilung entstehenden
Artefakte.
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Zur kontinuierlichen Röntgenbestrahlung führt das Gerüst
eine kontinuierliche Drehbewegung aus, während die
Datenerfassungseinheit 6 die Daten vom Detektor integriert.
Folglich verschlechtert sich die Auflösung in Drehrichtung. Für
eine einzelne Drehabtastung nimmt die Nyquist-Frequenz in
der Übertragungsfuktion des Versatzes den halben Wert der
Schwellenfrequenz der Übertragungsfunktion an, wie die Fig.
5 zeigt. Erfolgen jedoch zwei Umdrehungen für ein Abtasten
nach dem Zeilensprungverfahren ergibt sich zwischen jeweils
benachbarten Abtastpunkten auf der Umlaufbahn des Gerüsts
ein überlappter Scanabschnitt. Dies bewirkt eine Verdopplung
der Nyquist-Frequenz entsprechend der Schwellenfrequenz der
Übertragungsfunktion, wie die Fig. 6 zeigt. Es ist also
möglich, eine Verschlechterung der Auflösung in Drehrichtung
bis in den Bereich der Schwellenfrequenz auszugleichen.
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Des weiteren wurde das obige Verfahren zur Erfassung der
Abtastdaten mit bestimmten, den Nummern der Markiergeräte
des umlaufenden Codierers zugewiesenen Werten und der
Teilung des Verhältnisses der Frequenzteilerschaltung zur
Vereinfachung der Erläuterung beschrieben. Die vorliegende
Erfindung erfährt jedoch bezüglich solcher vorgeschriebenen
Werte keine Einschränkung. Außerdem kann im
obenbeschriebenen Anwendungsmodus, bei dem die Röntgenröhre und der
Detektor als ein Körper rotierendie Detektorgerätegruppe so
angeordnet werden, daß sie entlang dem Umfang befestigt
werden, während die Röntgenröhre so konstruiert werden kann,
daß sie kontinuierlich umläuft.