NO148209B

NO148209B - DEVICE FOR IMAGE USING RADIO ENERGY.

Info

Publication number: NO148209B
Application number: NO773279A
Authority: NO
Inventors: Jay Alan Stein; Lawrence Alan Shepp
Original assignee: American Science & Eng Inc
Priority date: 1976-09-27
Filing date: 1977-09-23
Publication date: 1983-05-24
Also published as: NO148209C; ATA647277A; SE7703692L; HK43383A; MY8300053A; DD133399A5; FR2365329B1; DK82777A; CA1123974A; DE2728815A1; HU176639B; AU508455B2; IL51336A; SE420158B; FI61803C; ES462511A1; PT67049B; AT380165B; AU2897977A; AR215907A1

Description

Foreliggende oppfinnelse angår avbildning ved hjelp av strålingsenergi i sin alminnelighet og gjelder særlig ny apparatur og teknikk for å oppnå tverrsnittsbilder av pasienter for diagnoseformål. Apparatet i henhold til oppfinnelsen har som særtrekk høy oppløsningsevne og avbildningstakt samt et antall andre særtrekk som gjør dette apparatet fordelaktig for anvendelse i tomografi under utnyttelse av automatiske regneanlegg. The present invention relates to imaging using radiation energy in general and applies in particular to new apparatus and techniques for obtaining cross-sectional images of patients for diagnostic purposes. The apparatus according to the invention has as distinctive features high resolution and imaging speed as well as a number of other special features which make this apparatus advantageous for use in tomography using automatic calculators.

Forskjellige fremgangsmåter og målemønstre kan anvendes Different methods and measurement patterns can be used

ved tomografi under utnyttelse av hurtig databehandling. by tomography using fast data processing.

En av disse fremgangsmåter benytter seg av en røntgen-stråle-kilde samt en detektorrekke i fast innbyrdes forhold som forskyves forbi vedkommende pasient. En vifteformet utstråling som faller inn mot detektorrekken frembringer et vifteformet mønster av målinger i forskjellige vinkler ved et hvert gitt tidspunkt. Under trans-lasjonsbevegelsen registrerer hver detektor et sett av parallelle målinger for de forskjellige vinkelstillinger. For å oppnå målinger med en ny gruppe av vinkler, dreies sammenstillingen av strålingskilde og detektorrekke og forskyves deretter rettlinjet på nytt. Fordelene ved denne dobbelte bevegelse er: (1) høy samplings-oppløs-ningsevne fordi hver detektor kan samples mange ganger under sin sveiping forbi pasienten, (2) ingen tilpasning av forsterkningen er nødvendig fordi hver detektor sveiper over pasienten som helhet, og (3) mulighet for frekvenskalibrering før og etter hver avsøkningsbevegelse. Ulemp-ene er imidlertid: (1) langsom i drift på grunn av de mekaniske begrensninger ved foreliggende dobbeltbevegelse og (2) den lille åpningsvinkel for strålingsviften, som er nødvendig for å tillate raskere translasjonsbevegelse, men som gjør at nyttige røntgenstråler går tapt. One of these methods makes use of an X-ray source and a series of detectors in fixed relation to each other which are moved past the patient in question. A fan-shaped radiation incident on the detector array produces a fan-shaped pattern of measurements at different angles at any given time. During the translational movement, each detector records a set of parallel measurements for the different angular positions. To obtain measurements with a new group of angles, the assembly of radiation source and detector array is rotated and then moved in a straight line again. The advantages of this dual motion are: (1) high sampling resolution because each detector can be sampled many times during its sweep past the patient, (2) no adjustment of the gain is necessary because each detector sweeps over the patient as a whole, and (3) ) option for frequency calibration before and after each scanning movement. However, the disadvantages are: (1) slow in operation due to the mechanical limitations of the present dual motion and (2) the small opening angle of the radiation fan, which is necessary to allow faster translational motion, but which causes useful X-rays to be lost.

En annen avsøkningsteknikk benytter seg av en strålingskilde med vifteformet utstråling samt en detektorrekke i fast stilling i forhold til kilden, men hele konstruk-sjonen dreies omkring pasienten uten noen translasjonsbevegelse. Hver detektor registrerer røntgenstråler som forløper tangensialt til en fast sirkel. Denne fremgangs-måte med enkeltbevegelse har fordelen av (1) høy avsøk-ningshastighet fordi bare en eneste mekanisk bevegelse er påkrevet, samt (2) muligheten for å anvende en stor åpningsvinkel for strålingsviften. Fremgangsmåtens ulemper omfatter imidlertid (1) lav samplings-oppløsnings-evne på grunn av de mange små detektorer tett inntil hverandre, som er påkrevet for finavsøkning, (2) at forsterkningen må tilpasses fordi hver detektor ikke sveiper over hele pasienten, og (3) at ingen mulighet for frekvenskalibrering, fordi sådan kalibrering bare kan oppnås etter fjerning av pasienten, idet hver detektor ikke sveiper over pasienten som helhet. Another scanning technique uses a radiation source with fan-shaped radiation and a detector array in a fixed position in relation to the source, but the entire construction is rotated around the patient without any translational movement. Each detector registers X-rays that proceed tangentially to a fixed circle. This single motion method has the advantage of (1) high scanning speed because only a single mechanical motion is required, and (2) the possibility of using a large opening angle for the radiation fan. However, the method's disadvantages include (1) low sampling resolution due to the many small detectors close to each other, which are required for fine scanning, (2) that the gain must be adapted because each detector does not sweep over the entire patient, and (3) that no possibility of frequency calibration, because such calibration can only be achieved after removing the patient, as each detector does not sweep over the patient as a whole.

Det er et viktig formål for foreliggende oppfinnelse å fremskaffe et forbedret tomografisk system under utnyttelse av regnemaskinteknikk, fortrinnsvis av sådan art som muliggjør høy samplings-oppløsningsevne. It is an important purpose of the present invention to provide an improved tomographic system using computer technology, preferably of such a nature as to enable high sampling resolution.

Dette formål søkes oppnådd innenfor et system som ikke krever nøyaktig forsterkningstilpasning mellom detektorene, men tillater frekvenskalibrering av detektorene samt frembringer avsøkning med høy hastighet. This purpose is sought to be achieved within a system which does not require exact gain matching between the detectors, but allows frequency calibration of the detectors and produces high speed scanning.

Oppfinnelsen gjelder således et apparat for avbildning The invention thus relates to an apparatus for imaging

ved hjelp av strålingsenergi og som omfatter en eneste strålingskilde med vifteformet, gjennomtrengende energiutstråling og anordnet utenfor det område som skal avbildes, samt en sammenhengende rekke av strålingsfølsomme detektorelementer anordnet omkring en rotasjonsakse og innrettet for å omforme innfallende gjennomtrengende energi fra strålingskilden til et tilsvarende utgangssignal. using radiant energy and comprising a single radiation source with fan-shaped, penetrating energy radiation and arranged outside the area to be imaged, as well as a continuous series of radiation-sensitive detector elements arranged around a rotation axis and arranged to transform incident penetrating energy from the radiation source into a corresponding output signal.

Apparater av denne art er prinsippielet kjent fra DE-PS 2.551.332, DE-AS 2.611.532 samt US- PS 3.977.128 og på denne bakgrunn av kjent teknikk har apparatet i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at rekken av detektorelementer strekker seg over en vesentlig del av en fullstendig sirkel omkring nevnte akse, mens utstyr er anordnet for å frembringe relativ dreiebevegelse mellom nevnte strålingskilde og detektorelementrekken om den angitte rotasjonsakse, idet enten strålingskilden eller elementrekken er hovedsakelig stillestående, således at forskjellige grupper av detektorelementer i innbyrdes forskjellig vinkelstilling i forhold til rotasjonsaksen bestråles etter tur for å frembringe en sekvens av utgangssignaler, som an- Devices of this kind are known in principle from DE-PS 2,551,332, DE-AS 2,611,532 as well as US-PS 3,977,128 and on this background of prior art, the device according to the invention has as a distinctive feature that the row of detector elements extends over a significant part of a complete circle around said axis, while equipment is arranged to produce relative rotational movement between said radiation source and the array of detector elements about the indicated axis of rotation, with either the radiation source or the array of elements being mainly stationary, so that different groups of detector elements are in mutually different angular positions in relative to the axis of rotation is irradiated in turn to produce a sequence of output signals, which an-

gir hvorledes den gjennomtrengende stråling påvirkes av det område som skal avbildes og ligger mellom detektorelementrekken og den relative bevegelsesbane av strålingskilden i forhold til elementrekken. gives how the penetrating radiation is affected by the area to be imaged and lies between the detector element row and the relative movement path of the radiation source in relation to the element row.

De særtrekk som skiller foreliggende oppfinnelse fra den kjente teknikk medfører vesentlige fordeler, f.eks. i av-bildningskvaliteten. Avsøkeranordningen av den type som er vist i de angitte patentskrifter er gjenstand for falske ringdannelser i bildet på grunn av innbyrdes forskjellige forandringer i de forskjellige detektorelementers arbeids-karakteristikk under avsøkningstiden. Ved en avsøknings-anordning av denne art avføler den samme detektor alltid det samme vinkelavsnitt av viftestrålen og sammenlignes med de samme kalibreringsdetektorer. En utprøvning med hensyn på relativ detektordrift kan ikke utføres før pasienten er fjernet og etter at avsøkningsekvensen er fullført. En sådan avsøkningssekvens tar vanligvis flere minutter og innbyrdes detektoravvik kan variere betraktelig i løpet av denne tid. The special features that distinguish the present invention from the known technique entail significant advantages, e.g. in the image quality. The scanner device of the type shown in the specified patents is subject to false rings in the image due to mutually different changes in the working characteristics of the various detector elements during the scanning time. With a scanning device of this kind, the same detector always senses the same angular section of the fan beam and is compared with the same calibration detectors. A test with regard to relative detector operation cannot be performed until the patient has been removed and after the scan sequence has been completed. Such a scanning sequence usually takes several minutes and mutual detector deviations can vary considerably during this time.

I avsøkningsanordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse avføler imidlertid hvert detektorelement hvert vinkelavsnitt tvers over viftestrålen og utsettes for kalibreringsstråler ved begynnelsen og slutten av hvert strålesveip- Detektorelementene kalibreres således i dette tilfelle ved begynnelsen og ved slutten av en sekvens av utstrålingsmålinger under hver avsøkning, og en sådan periode er typisk av en varighet på 2 - 3 sekunder. In the scanning device according to the present invention, however, each detector element senses each angular section across the fan beam and is exposed to calibration beams at the beginning and end of each beam sweep - The detector elements are thus calibrated in this case at the beginning and at the end of a sequence of radiation measurements during each scan, and a such a period is typically of a duration of 2 - 3 seconds.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er det således oppnådd en ny utførelsesform av et apparat for avbildning ved hjelp av strålingsenergi, og som gir et avbildnings-produkt med sterkt forbedret kvalitet. Dette avbildnings-produkt angir et tverrsnitt gjennom pasientens kropp. According to the present invention, a new embodiment of an apparatus for imaging using radiation energy has thus been achieved, and which provides an imaging product with greatly improved quality. This imaging product represents a cross-section through the patient's body.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet under henvisning til den vedføyde tegning, hvorpå: Fig. 1 angir skjematisk og ved hjelp av et blokkskjema en roterende røntgenstrålings-kilde samt en stasjonær detektorrekke i henhold til oppfinnelsen, og Fig. 2 angir grafisk de geometriske forhold i forbindelse med de røntgenstrålinger som registreres av en viss detektor under en omdreining av røntgenstrålekilden. The invention will now be described in more detail with reference to the attached drawing, on which: Fig. 1 shows schematically and by means of a block diagram a rotating X-ray radiation source and a stationary detector array according to the invention, and Fig. 2 shows graphically the geometrical conditions in connection with the X-rays that are registered by a certain detector during one rotation of the X-ray source.

I fig. 1 er det vist skjematisk en roterbar røntgenstråle-kilde samt en stasjonær detektorrekke i henhold til oppfinnelsen. Røntgenstrålekilden 11 er anordnet for drei-ning om en akse 12 og avgir en vifteformet fluks 13 av rønt-genstråler over en vinkel som er tilstrekkelig vid til å bestråle den pasientsirkel 14 som er sentrert på aksen 12. Etter hvert som røntgenstrålekilden 11 dreier seg, vil den vifteformede stråle 13 bestråle en konsentrisk anordnet, stillestående sirkelformet rekke 15 av scintilasjonsdetek-torer 16. In fig. 1 schematically shows a rotatable X-ray source and a stationary detector array according to the invention. The X-ray source 11 is arranged to rotate about an axis 12 and emits a fan-shaped flux 13 of X-rays over an angle which is sufficiently wide to irradiate the patient circle 14 which is centered on the axis 12. As the X-ray source 11 rotates, the fan-shaped beam 13 will irradiate a concentrically arranged, stationary circular row 15 of scintillation detectors 16.

Ved et gitt tidspunkt bestråler strålen 13 samtidig en sammenhengende gruppe av enkelte detektorer 16, således at det derved frembringes et tilsvarende antall av detekterte elektriske signaler som hver representerer røntgenstrålenes gjennomtrengningsevne mellom kilden 11 og vedkommende dek-ektor 16. Signalbehandlingsutstyr 17 er forbundet med detektorene 16 for kombinasjon av de detekterte utgangssignaler for å fremskaffe et billedsignal som representerer rønt-genstråle-gjennomtrengeligheten for et tverrsnitt av vedkommende pasient innenfor den pasientsirkel 14 som nett-opp er avsøkt. Avbildningsutstyr 21 påvirkes av det frem-bragte billedsignal til dannelse av et visuelt bilde av det avsøkte tverrsnitt. Avsøkningssystemet og pasienten kan forskyves i forhold til hverandre i aksial retning for frembringelse av en rekke avbildninger av tilsvarende aksialt forskjøvede tverrsnitt. At a given time, the beam 13 simultaneously irradiates a continuous group of individual detectors 16, so that a corresponding number of detected electrical signals are thereby produced, each representing the penetration ability of the X-rays between the source 11 and the relevant detector 16. Signal processing equipment 17 is connected to the detectors 16 for combining the detected output signals to provide an image signal that represents the x-ray permeability for a cross-section of the patient in question within the patient circle 14 that has been scanned online. Imaging equipment 21 is affected by the produced image signal to form a visual image of the scanned cross-section. The scanning system and the patient can be shifted relative to each other in the axial direction to produce a series of images of corresponding axially shifted cross-sections.

Det skal nå henvises til fig. 2 hvor det grafisk er vist de strålingsretninger 22 som i rekkefølge foreligger mellom kilden 11 og en bestemt detektor 16' under en omdreiningsbevegelse av røntgenstrålingskilden 11. Detektoren 16' bestråles av den vifteformede stråle 16 under et visst avsnitt av en omdreiningsbevegelse av røntgenstrålingskil-den 11. Etter hvert som kilden 11 beveger seg gjennom dette avsnitt av sin omdreiningsbevegelse, mottar detektoren 16' strålning etter tur langs strålingsbaner med forskjellige retninger 22 etter hvert som kilden beveger seg langs en bue som tilsvarer den vinkel som omhyller pasientsirkelen 14 i sin helhet. En lignende rekkefølge av strålingsbaner vil opptre for hver enkelt av detektorene 16 under en fullstendig omdreiningsbevegelse av røntgenstrålekilden 11. Signalbehandlingsutstyr 17 kombinerer signalene fra alle detektorer 16 for derved å frembringe et billedsignal av høy kvalitet for vedkommende tverrsnittsområde, eller med andre ord et tomogram på tvers av omdreiningsaksen i sam-svar med velkjent teknikk og ved anvendelse av digital databehandling i automatisk regneanlegg. Avbildningsut-styret 21 fremviser et visuelt bilde av vedkommende tomogram. Reference must now be made to fig. 2, where the radiation directions 22 that exist in sequence between the source 11 and a specific detector 16' during a rotational movement of the X-ray radiation source 11 are graphically shown. The detector 16' is irradiated by the fan-shaped beam 16 during a certain section of a rotational movement of the X-ray radiation source 11 As the source 11 moves through this section of its rotational motion, the detector 16' receives radiation in turn along radiation paths of different directions 22 as the source moves along an arc corresponding to the angle that encloses the patient circle 14 as a whole. A similar sequence of radiation paths will occur for each of the detectors 16 during a complete rotational movement of the X-ray source 11. Signal processing equipment 17 combines the signals from all detectors 16 to thereby produce a high-quality image signal for the relevant cross-sectional area, or in other words a cross-sectional tomogram of the axis of rotation in accordance with well-known technology and by using digital data processing in an automatic calculation system. The imaging committee 21 displays a visual image of the relevant tomogram.

Oppfinnelsens apparat er kjennetegnet ved flere særtrekkk som muliggjør fremstilling av tomogrammer med høy kvalitet og ved hjelp av automatisk regneutstyr uten de ulemper som foreligger ved andre systemer. I henhold til oppfinnelsen oppnås høy samplings-oppløsningsevne fordi hver detektor 16 kan samples mange ganger når kilden 11 beveger seg i omdreining rundt pasienten. Nøyaktig forsterkningstilpasning er ikke påkrevet da hver detektor 16 samler opp data tvers over pasienten som helhet. U-tilpasset forsterkning vil bare bevirke en liten like-strømforskyvning i den endelige rekonstruerte avbildning. The device of the invention is characterized by several special features which enable the production of tomograms with high quality and with the help of automatic calculating equipment without the disadvantages of other systems. According to the invention, high sampling resolution is achieved because each detector 16 can be sampled many times when the source 11 moves in rotation around the patient. Exact gain matching is not required as each detector 16 collects data across the patient as a whole. U-matched gain will only cause a small DC shift in the final reconstructed image.

Andre gunstige trekk er at kalibreringen av detektorene Other favorable features are that the calibration of the detectors

16 kan oppnås under hver avsøkning, således at fjerning av pasienten ikke er nødvendig for hver kalibrering, samtidig som frekvenskalibrering er mulig. 16 can be achieved during each scan, so that removal of the patient is not necessary for each calibration, while frequency calibration is possible.

Ytterligere trekk omfatter dataoppsamling i rask takt, Additional features include data collection at a rapid rate,

på grunn av at det bare foreligger en enkel mekanisk bevegelse (omdreiningsbevegelse av kilden 11), samt muligheten for anvendelse av stor åpningsvinkel for den vifteformede stråle 13, hvilket nedsetter tapene av nyttige røntgenstråler og tillater mer effektiv dataoppsamling. Den raske dataoppsamling er ønskelig for å eli-minere virkningene av pasientens åndedrettsbevegelser og andre kroppsbevegelser. due to the fact that there is only a simple mechanical movement (rotational movement of the source 11), as well as the possibility of using a large opening angle for the fan-shaped beam 13, which reduces the losses of useful X-rays and allows more efficient data collection. The rapid data collection is desirable to eliminate the effects of the patient's respiratory movements and other body movements.

Ved et utførelseseksempel i henhold til oppfinnelsen ble In an exemplary embodiment according to the invention,

et apparat faktisk konstruert og anvendt med hell for fremstilling av et tomogram med høy oppløsning. Det var da 600 enkelte detektorer i den detektorrekke som ble be-strålt av en vifteformet røntgenfluks med en åpningsvinkel på omtrent 50° omkring rotasjonsaksen og 2 - 10 mm langs denne akse. En røntgenstrålekilde med energi opp til 150 kV ved 100 mA var anordnet for en fullstendig omdreinings-avsøkning i løpet av 5, 10 eller 20 sekunder. En regne-maskin av typen "Eklipse" og fremstilt av firmaet Data General sorget for kombinasjon av de 600 detekterte utgangssignaler omformet til digital form av digital/analog-om-formere ved anvendelse av den teknikk som er beskrevet i teknisk rapport nr. 92 fra Buffalo Computor Sciences Dept., State University of New York, utgitt januar 1975 med titt-elen "Reconstruction from Divergent Ray Data" av A. V. Lakshminarayanan. an apparatus actually constructed and successfully used for the production of a high-resolution tomogram. There were then 600 individual detectors in the detector row which were irradiated by a fan-shaped X-ray flux with an opening angle of approximately 50° around the axis of rotation and 2 - 10 mm along this axis. An X-ray source with energy up to 150 kV at 100 mA was arranged for a complete revolution scan during 5, 10 or 20 seconds. A calculating machine of the type "Eklipse" and manufactured by the company Data General took care of combining the 600 detected output signals transformed into digital form by digital/analog converters using the technique described in technical report no. 92 from Buffalo Computor Sciences Dept., State University of New York, published January 1975 with title "Reconstruction from Divergent Ray Data" by A. V. Lakshminarayanan.

Mens strålingskilden føres i omdreiningsbane omkring pasienten og den sirkulære detektorrekke er stasjonær i den foretrukkede utførelsesform av oppfinnelsen, ligger det imidlertid prinsippielt innenfor oppfinnelsens ramme å While the radiation source is guided in a revolving path around the patient and the circular array of detectors is stationary in the preferred embodiment of the invention, it is, however, in principle within the scope of the invention to

la røntgenstrålingskilden være stasjonær og føre den gjenstand som undersøkes og detektorene i omdreiningsbane. leave the X-ray radiation source stationary and move the object being examined and the detectors into orbit.

Det er ovenfor blitt beskrevet et nytt apparat for avbildning under anvendelse av strålingsenergi, hvorved det kan oppnås høy oppløsningsevne, rask dataoppsamling og andre A new apparatus for imaging using radiant energy has been described above, whereby high resolution, rapid data acquisition and other

særtrekk som er ønskelige ved tomografisk opptegning under medvirkning av automatisk databehandling. Det er åpenbart at fagfolk på området på bakgrunn av denne beskrivelse kan komme frem til tallrike anvendelser og modifikasjoner som i praksis skiller seg fra de beskrevne utførelser, uten at derfor oppfinnelsens ramme overskrides. Oppfinnelsen må således forstås slik at den omfatter hvert nytt trekk og ny kombinasjon av trekk som foreligger i eller utføres av det apparat og ved den teknikk som her er beskrevet, og er bare begrenset av innhold og omfang av de etterfølg-ende patentkrav. special features that are desirable in tomographic recording with the help of automatic data processing. It is obvious that, on the basis of this description, experts in the field can arrive at numerous applications and modifications which in practice differ from the described embodiments, without therefore exceeding the scope of the invention. The invention must thus be understood as encompassing every new feature and new combination of features present in or performed by the apparatus and by the technique described here, and is only limited by the content and scope of the subsequent patent claims.

Claims

1. Apparatus for imaging using radiant energy and comprising a single radiation source (11) with fan-shaped, penetrating energy radiation (13) and arranged outside the area (14) to be imaged, as well as a continuous row (15) of radiation-sensitive detector elements (16) ) arranged around a rotation axis (12) and arranged to transform incident penetrating energy from the radiation source into a corresponding output signal, characterized in that the row (15) of detector elements (16) extends over a substantial part of a complete circle around said axis (12), while equipment is arranged to produce relative rotation movement between said radiation source (11) and the array of detector elements (15) about the indicated axis of rotation (12), with either the radiation source or the array of elements being mainly stationary, so that different groups of detector elements (16) in mutually different angular positions in relation to the axis of rotation are irradiated in turn for to produce a sequence of output signals, which indicate how the penetrating radiation is affected by the area (14) to be imaged and located between the detector element row (15) and the relative movement path of the radiation source (11) in relation to the element row (15).

2. Apparatus as stated in claim 1, characterized in that it further comprises equipment (17) for combining all output signals to produce. an imaging signal, as well as equipment (21) which is influenced by the imaging signal to form an image representing the imaging area's overall effects of the detected radiation energy.

3. Apparatus as stated in claim 1, characterized in that the row of elements (15) completely encloses the axis of rotation (12), while the radiation source (11) is located within the row of elements (15) and at a distance from the axis.

4. Apparatus as stated in claim 2, characterized in that the row of elements (15) is mainly stationary, while the radiation source (11) is arranged to be moved along said path of movement.