DE3841414A1 - Holographische tomographie durch 3 d - roentgenbilder - Google Patents

Description

Bekanntlich kann man bis heute keine Röntgenstrahlen hinreichender Kohärenz erzeugen, die die holographische Aufzeichnung und Rekon­ struktion ausgedehnter Objekte ermöglichen.

Außerdem gibt es im Bereich der medizinisch interessanten Röntgen­ strahlen keine Linsen, Hohlspiegel oder dergleichen, mit denen man ein Röntgenobjekt abbilden könnte.

Die heute üblichen Röntgenaufnahmen geben nur den Schattenriß des dreidimensionalen Objektes wieder, wie man ihn bei der Projektion mit einer punktförmigen Lichtquelle erhält. - Eine Aussage über die Tiefe des Objektes oder die Tiefenposition eines Details läßt sich nicht mehr machen.

Holographische Verfahren bieten hier einen Ausweg.

Man nimmt dazu einen Satz von herkömmlichen Röntgenbildern auf, die jeweils das Objekt aus verschiedenen Perspektiven zeigen und baut damit ein Hologramm synthetisch auf.

Abb. 1 zeigt, wie im ersten Verfahrensschritt die Röntgenbilder aufgenommen werden.

Die Röntgenlichtquelle wird hier der Einfachheit halber auf einer Geraden parallel zum Aufnahmeträger bewegt.

In den einzelnen äquidistanten Positionen wird jeweils eine Auf­ nahme vom Objekt gemacht, so daß man eine Sequenz von Schatten­ rissen mit verschiedenen Perspektiven erhält.

Der zweite Schritt, die Herstellung des Hologramms, ist in Abb. 2 schematisch dargestellt.

Ein aufgeweiteter Laserstrahl beleuchtet durch eine Streuscheibe eines der Röntgenbilder. - In einem Abstand, der der ursprünglichen Entfernung der Röntgenlichtquelle entspricht, befindet sich eine Photoplatte, die von einer Spaltblende abgedeckt wird.

Die Breite des Spaltes ist dabei kleiner oder gleich der ursprüng­ lichen Verschiebung der Röntgenlichtquelle.

Für jedes Röntgenbild wird der Spalt in die Position gebracht, in der sich bei der Aufnahme die Röntgenlichtquelle befand. - Um zu gewähr­ leisten, daß stets die gesamte Bildinformation in die entsprechende Spaltfläche fällt, muß außerdem die Charakteristik der Streuscheibe so gewählt werden, daß jeder Punkt der Photoplatte Licht von jedem Punkt des Röntgenbildes erhält.

Durch Überlagerung mit einer z. B. ebenen Referenzwelle wird so ein Streifenhologramm hergestellt, dessen einzelne Streifen genau ein Röntgenbild der betreffenden Perspektive gespeichert enthalten. Belichtet man das entwickelte Hologramm mit der ursprünglichen Re­ ferenzwelle, so konstruiert jeder Streifen ein virtuelles Bild der Streuscheibe mit einem einzelnen speziellen Schattenriß des Objektes. Bei der Beobachtung sieht jedes Auge einen Schattenriß mit der rich­ tigen Parallaxe, so daß ein stereoskopisches Bild entsteht.

Der Betrachter sieht das Objekt aus der Richtung der Röntgenquelle vor einem hellen Hintergrund.

Das Bild ist orthoskopisch, zeigt also die richtigen dreidimensionalen Zusammenhänge und bleibt bei der Bewegung des Kopfes im Raume stehen, so daß man aus verschiedenen Richtungen in das Objekt hineinsehen kann.

Um das Springen des Bildes beim Übergang von einem Streifen zum be­ nachbarten zu vermeiden, darf ihr Abstand nicht zu groß gewählt werden. Es empfiehlt sich ein Streifenabstand von 0,5 Grad.

Beleuchtet man das Hologramm bei der Rekonstruktion von der Rückseite (Abb. 3), so erhält man von jedem Hologrammstreifen ein reelles Bild der betreffenden Röntgenaufnahme.

Macht man die Apertur des einzelnen Hologramms hinreichend klein, so besitzen diese Bilder eine große Tiefenschärfe, die bis in den Objekt­ raum hineinreicht. - Dort überlagern sich dann die Einzelbilder zu einem dreidimensionalen reellen Gesamtbild.

Bringt man daher eine Mattscheibe, einen photographischen Film oder die empfindliche Schicht einer Fernsehkamera in den Strahlengang (Abb. 3), so erscheint jeweils nur die betreffende Schicht des Ob­ jektes scharf abgebildet. - Objektdetails, die vor oder hinter dieser Schicht liegen, sind verwischt; wie man es von der Tomographie her kennt.

Im Gegensatz zu jener kann man jedoch bei der hier beschriebenen ho­ lographischen Tomographie Schichten in beliebiger Tiefe wählen, nachdem die Röntgenbilder aufgenommen worden sind.

Durch einfaches Bewegen der Mattscheibe kann man die Tiefe des Objektes Schicht für Schicht abtasten und die Position einzelner Details messen.

Um die Lage von schräg in die Tiefe verlaufenden Objekten zu bestimmen, braucht man nur die Mattscheibe entsprechend zu kippen.

Im vorliegenden Beispiel werden vor allem solche Objektdetails ver­ wischt, deren Kanten senkrecht zur Bewegungsrichtung der Röntgen­ lichtquelle bei der Aufnahme verlaufen.

Details, die in dieser Richtung liegen, erscheinen in allen Tiefen scharf.

Diesen Nachteil kann man leicht vermeiden, indem man die gesamte Ho­ logrammfläche mit Hologrammelementen ausfüllt, die verschiedene Per­ spektiven gespeichert enthalten.

Allerdings benötigt man für eine solche Hologramm-Matrix sehr viele primäre Röntgenbilder. Für eine Zeile braucht man je nach Aufnahme­ situation zwischen 20 und 60 Einzelaufnahmen; und entsprechend für die gesamte Fläche zwischen 400 und 3600.

Wenn man - wie in der holographischen Tomographie - nur an dem re­ ellen 3 D-Bild interessiert ist, kann man diese Zahl auf 20 bis 60 Bilder reduzieren, indem man bei der Aufnahme die Röntgenquelle auf einer Kreisbahn bewegt und entsprechend die einzelnen Hologramme auf einem Kreis anordnet; (Abb. 4).

Für die Rekonstruktion (gemäß dieser Anordnung) werden die einzelnen Hologramme durch einen umlaufenden kollimierten Laserstrahl nach­ einander angesteuert.

Damit erreicht man zwei Vorteile:
Einmal wird die in der Holographie häufig störende Granulation im rekonstruierten Bild erheblich verringert, da die einzelnen rekon­ struierten Bilder inkohärent überlagert werden.
Außerdem erhält man auf diese Weise ein zusätzliches Kriterium für die Einstellung einer bestimmten Tiefe im Objekt. - Verringert man nämlich die Umlaufgeschwindigkeit des Laserstrahls so weitgehend, daß das Auge des Betrachters der Bewegung zu folgen vermag, so bewegt sich das durch Summation entstandene quasi dreidimensionale Bild entsprechend langsam. Nur die Bilddetails, die exakt in der Projektionsebene liegen, sind in Ruhe.

Während man also sonst bei paralleler Rekonstruktion aus allen Teil­ hologrammen oder bei sehr schnell bewegtem Laserstrahl auf die Beurtei­ lung der Schärfe angewiesen ist, um die Position eines Details zu bestimmen, kann man jetzt den Bewegungszustand als zusätzliche Entscheidungshilfe mit heranziehen.

In Abb. 5 wurde kurz dargestellt, wie sich die einzelnen bildgebenden Verfahren in der Medizin derzeit verteilen.

Wegen der noch teilweise ungeklärten tatsächlichen klinischen Be­ deutung der Kernspintomographie wird diese gegenwärtig erst am Ende langjähriger Untersuchungen und additiv zu einer Reihe anderer bild­ gebender Verfahen eingesetzt werden; vor allem der Sonographie und Computer-Tomographie.

Im Bereich konventioneller Radiographie würde die holographische Tomographie eine wertvolle Ergänzung, wenn nicht einen entsprechenden Ersatz darstellen können.

Claims (6)

1. Holographisches Verfahren, insbesondere für medizinische Belange, welches unter Zuhilfenahme herkömmlicher Röntgenbilder drei­ dimensionale Bilder von Objekten darzustellen vermag; dadurch gekennzeichnet, daß ein Hologramm synthetisch aufgebaut wird.

2. Für jenes Verfahren werden bestimmte Schritte unterschieden

• a) Herstellung der Röntgenaufnahmen (gemäß Abb. 1), dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den einzelnen äquidistanten Positionen jeweils eine Aufnahme vom Objekt gemacht wird, so daß man eine Sequenz von Schattenrissen mit verschiedenen Perspektiven erhält;
• b) für die Aufnahme des Hologrammes selbst wird ein aufgeweiteter Laserstrahl eingesetzt. - Dieser beleuchtet durch eine Streuscheibe eines der Röntgenbilder.
  Mittels einer Photoplatte, die von einer Spaltblende abge­ deckt wird, und durch Überlagerung mit einer Referenzwelle wird beschreibungsgemäß ein Streifenhologramm hergestellt.

3. Ermöglichung eines orthoskopischen Bildes, welches die richtigen dreidimensionalen Zusammenhänge zeigt; ohne daß es zu einem Springen des Bildes beim Übergang von einem Streifen zum benach­ barten kommt.

4. Herstellung eines dreidimensionalen reellen Gesamtbildes / gemäß Abb. 3; dadurch gekennzeichnet, daß man Schichten in beliebiger Tiefe wählen kann.

5. Eine Reduktion der Gesamtzahl der aufzunehmenden Bilder; da­ durch gekennzeichnet, daß man bei der Aufnahme die Röntgenquelle auf einer Kreisbahn bewegt und entsprechend die einzelnen Holo­ gramme auf einem Kreis anordnet; (Abb. 4).

6. Ein spezielles Verfahren für die Rekonstruktion; dadurch ge­ kennzeichnet, daß die einzelnen Hologramme durch einen umlaufenden kollimierten Laserstrahl nacheinander angesteuert werden. Die dadurch gewonnenen Vorteile sind im einzelnen in der Be­ schreibung aufgeführt worden.