NO148209B - Apparat for avbildning ved hjelp av straalingsenergi. - Google Patents

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.

Forskjellige fremgangsmåter og målemønstre kan anvendes

ved tomografi under utnyttelse av hurtig databehandling.

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.

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.

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.

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.

Oppfinnelsen gjelder således et apparat for avbildning

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.

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-

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Andre gunstige trekk er at kalibreringen av detektorene

16 kan oppnås under hver avsøkning, således at fjerning av pasienten ikke er nødvendig for hver kalibrering, samtidig som frekvenskalibrering er mulig.

Ytterligere trekk omfatter dataoppsamling i rask takt,

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.

Ved et utførelseseksempel i henhold til oppfinnelsen ble

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.

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

la røntgenstrålingskilden være stasjonær og føre den gjenstand som undersøkes og detektorene i omdreiningsbane.

Det er ovenfor blitt beskrevet et nytt apparat for avbildning under anvendelse av strålingsenergi, hvorved det kan oppnås høy oppløsningsevne, rask dataoppsamling og andre

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.

Claims (4)

1. Apparat for avbildning ved hjelp av strålingsenergi og som omfatter en eneste strålingskilde (11) med vifteformet, gjennomtrengende energiutstråling (13) og anordnet utenfor det område (14) som skal avbildes, samt en sammenhengende rekke (15) av strålingsfølsomme detektorelementer (16) anordnet omkring en rotasjonsakse (12) og innrettet for å omforme innfallende gjennomtrengende energi fra strålingskilden til et tilsvarende utgangssignal, karakterisert ved at rekken (15) av detektorelementer (16) strekker seg over en vesentlig del av en fullstendig sirkel omkring nevnte akse (12), mens utstyr er anordnet for å frembringe relativ dreie bevegelse mellom nevnte strålingskilde (11) og detektorelementrekken (15) om den angitte rotasjonsakse (12), idet enten strålingskilden eller elementrekken er hovedsakelig stillestående, således at forskjellige grupper av detektorelementer (16) i innbyrdes forskjellig vinkelstilling i forhold til rotasjonsaksen bestråles etter tur for å frembringe en sekvens av utgangssignaler, som angir hvorledes den gjennomtrengende stråling påvirkes av det område (14) som skal avbildes og ligger mellom detektorelementrekken (15) og den relative bevegelsesbane av strålingskilden (11) i forhold til elementrekken (15).

2. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at det videre omfatter utstyr (17) for kombinasjon av alle utgangssignaler for å frembringe. et avbildningssignal, samt utstyr (21) som påvirkes av avbildningssignalet til å danne en avbildning som representerer avbildningsområdets samlede påvirkninger av den detekterte strålingsenergi.

3. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at elementrekken (15) omslutter rotasjonsaksen (12) fullstendig, mens strålingskilden (11) befinner seg innenfor elementrekken (15) og i avstand fra aksen.

4. Apparat som angitt i krav 2, karakterisert ved at elementrekken (15) er hovedsakelig stillestående, mens strålingskilden (11) er anordnet for å forflyttes langs nevnte bevegelsesbane.