SE426779B - Undersokningsanordning innefattade en stralningskella och en stralningsdetektor - Google Patents

Description

7806790-7 åstadkommer en linjär rörelse hos röntgenstrålningskällan men det har visat sig att det använda motorstyrsystemet bibringar röntgenstrålningskällan en linjär rörelse, som inte är parallell med strålningsdetektorns rörelseplan utan istället bildar en vinkel med rörelseplanet. Till följd härav alstrar denna anordning ett tomogram av ett annat skikt än det installda och önskade skiktet.

Uppfinningen har till ändamål att åstadkomma ett motorstyrsystem som inte har denna nackdel. _ _ För uppnående härav kännetecknas uppfinningen därav_att drivkretsen kan genere- ra en korrektionssignal, som adderas till drivsignalen och som är proportionell mot produkten av vinkelnfiö och vinkeländringen per sekund (díx-/dt) hos vinkelnßfl . En sålunda driven styrkrets kommer att mycket noggrant följa strålningskällans önskade 'bana under den linjära rörelsen, så att ett tomogram av det önskade skiktet erhål- les.

En föredragen utföringsfbrm av en undersökningsanordning enligt uppfinningen kännetecknas därav, att drivkretsen innefattar minst en deriveringskrets för att derivera drivsignalen som är beroende av vinkelnC$ . Fördelen med detta består i att en mera noggrant arbetande tomografianordning erhålles med bara ett fåtal extra ele- ment. _' En utföringsform av en undersökningsanordning enligt uppfinningen kännetecknas därav, att drivkretsen innefattar minst en analog~digitalomvandlare, ett minne och en digital-annlogomvandlare, varvid en ingång till analog-digitalomvandlaren är an- sluten till vinkeldetektorn och en utgång från digital-analogomvandlaren är ansluten till styrkretsens andra ingång, medan minnet är anslutet mellan analog-digitalom- vandlarens utgång och digital-analogomvandlarens ingång. Att använda digitala kret- sar har visat sig vara mycket fördelaktigt emedan godtyckliga funktioner, såsom t-ex. stegfunktioner, kan realiseras utan problem. Detta är i synnerhet viktigt för att starta och stoppa de motorer som styras. Vidare är förskjutnings- och driftfeno- men mindre framträdande i digitala kretsar.

I en tomografianordning i vilken en pelare är förbunden med en konsol, så att den är roterbar omkring en svängaxel, har det visat sig lämpligt att förse konsolen med drivorgan för att förskjuts konsolen tillsammans med pelaren under pelarens svängning omkring en rotationsaxel, som ligger mellan stralníngskällan och strål- ningsdetektorn, vilken svängaxel i huvudsak sammanfaller med strålningsdetektorns rörelseplan, varvid nämnda drivorgan innefattar on elektrisk motor och en styrkrets, viiknn styrkrvtn Lun cmut vn uíyrsignuï från drivkretson, vilken inneßuttnr en nig- nnl som är beroende på vinkelncß och en tillhörande korrektionssignal som är propor- tionell mot {1 +çi2). dßb/dt, där dCÛ/dt representerar ändringen i vinkellzübper sekfind. 3 " 7806790-7 Uppfinningen beskrivs mera detaljerat med hänvisning till ritningarna, där fig 1 visar en röntgenundersökningssnordning, fig 2 visar schematiskt de rörelser som skall utföras av röntgenundersökningsanordningen, fig 3 visar ett blockschema för en elektronisk styrkrets i en undersökningsanordning enligt uppfinningen, fig 4 visar ett blockscnema för en föredragen utföringsform av en styrkrets för en undersök- ningssnordning enligt uppfinningen, fig 5 visar en funktiousgenerator för den i fig 4 visade styrkretsen och fig 6 visar tidsdiagram avseende spänningar som uppträder i olika punkter av den i fig 5 visade generatorn.

Den i fíg 1 visade röntgenundersökningsanordningen innefattar ett röntgenrör 1 och en röntgendetektor 2, t.ex. en filmkasett. Röntgenröret 1 är uppburet av en pe- lare 7 som är förbunden med en konsol 5. Konsolen 5 uppbär också detektorn 2. För att göra ett tomogram av ett objekt, som anbringas på ett bord 3, skall röntgenröret 1 och detektorn 2 bringas att röra sig i motsatta riktningar, företrädesvis paral- lellt med varandra, såsom är angivet genom pilar 9. För detta ändamål förskjutes konsolen 5, t.ex. åt höger, medan pelaren 7 svänges åt vänster. För att göra det möjligt att förskjuts röntgenröret 1 parallellt med detektorn 2 är pelaren 7 sammane satt av två delar 11 och 13, vilka inskjutes mer eller mindre i varandra under pela- rens 7 svängning.

För att erhålla ett noggrant tomogram måste drivorganen för förskjutningen av konsolen 5, svängningen av polaren 7 samt in- och utskjutningen av pelardelarna 11 och 13 noggrant anpassas till varandra.

Konsolon 5_förskjutes medelst en elektrisk motor 15 som driver hjul 17. Pelaren 7 svänges medelst en elektrisk motor 19, som är kopplad till pelardelen 11 genom en snäckväzel 21.

En tredje elektrisk motor 23, som är förbunden med pelardelen 11, driver en axel 25 som i förening med styrmuttrar 27 på pelardelen 13 kan förskjuts pelardelar- ne 11 och 13 relativt varandra. Axeln 25 är vidare lagrad i hylsor 29 för att för- hindra ej önskvärd böjning eller svängning av axeln 25. Det är tydligt att detektorn 2 på känt sätt kan vara kopplad till röntgenstrålningskällan 1 medelst en kopplinge- stâng, t.ex. på det sätt som är beskrivet i amerikanska patentskriften 3.733.487.

Drivorganen 15,17 ror konsolen 5 blir då överflödiga. ÅFig 2 visar i princip rörelsemönstret för den tomografianordning som är visad i fig 1, Dotektorn 2 i fig 1 förskjutes längs det plana bordet 3 med hjälp av den rör~ liga konsolen 5. Pelaren 7 som är förbunden med konsolen 5 utför en svängrörolse så att det med polaren 7 förbundna röntgenröret 1 utför en rörelse som är motsatt den rörliga detektorns 2 rörelse. För att erhålla en rörelse i parallella banor hos röntgenröret 1 och detektorn 2, såsom krävs vid tomografi, måste pelardelen 13 all- tid skjutas in eller skjutas ut så ett röntgenrörets 1 centrum kan följa linjen k.

Skulle ingen utskjutning ske skulle röntgenröret 1 följa linjen s och nå punkten S 7806790-7 3 4 istället för den önskade punkten L på linjen k. Därför skall pelardelen 13 skjutas ut en sträcka h = H. (1 - cosC$). cos-1CÅ1=Pelarens T längd är lika med h då pela- ren 7 är vinkelrät mot bordet 3 ochßtär komplementvinkeln till vinkeln mellan pela- ren 7 och bordet 3. Den hastighet v med vilken pelardelen 13 skall skjutas ut är v = dh/dt = Ür.(H.sinCá.cos uêyß. diívdt)/180, där dÛß/dt representerar ändringen i vinke1nCÉ per sekund. Vid den tidpunkt då pelaren 7 är vinkelrët mot bordet 3 är därför oblika med noll liksom hastigheten v.

I amerikanska patentskriften 3.733.487 föreslås en servostyrd krets för att skjuta ut den övre pelardelen på ett sätt som är anpassat till vinkelníx. Servostyr- kretsen har den kända överföringsfunktionen H (s) = K.|:(s +¿U§).s;I_1, där K och MI1 är konstanta tal och s representerar den komplexa frekvensen. Vid använd- ning av en sådan styrkrets har det visat sig att en avvikelse fortfarande uppträder mellan den ideella banan k och den bana som i verkligheten följes av röntgenröret 1.

Det har visat sig att lägesfelet e1(t) relativt noggrant kan beskrivas (förCi <1 250) genom formeln: ' 61 (t) =w1.r<". axl/af = 1,-,/1_.v.1<" och d /dt) med vilken pelardelen 13 skall skjutas ut. Om vinkeländringen d /dt är kon- stant blir felet sin) = Lg/fï/l. H. (sinCU/ (Krmo) För en tinräckiigv liten vinkeioó blir: eïü) =¿U1.'f/~.H.o((t)/(K,i.1so).

Lägesfelet e1(t) är därför proportionellt mot den hastighet v (bestämd av Den bana m som röntgenröret 1 följer bildar därför en vinkel Ü/med den önskade ide- ella banan k.

Konsolen 5 förskjutes under svängningen av pelaren 7. Graden av förskjutning av konsolen 5 i förhållande till röntgenstrålningskällan 1 bestämmer läget av det plan, av vilket ett tomogram skall göras. Om den i fig 2 visade punkten R ligger i detta plan skall konsolen ha förskjutits en sträcka b = r.tanC{efter svängning en vinkeIX.

Koueolens momentnna hastighet vc blir då lika med vc = :ih/at = (l-I/.r (1+tan2ßï,).a<>í/af)/1so Om en servostyrkrets åter användes får konsolen ett lägesfel e2(t) som är bestämt av formeln: ezít) =¿.,/2. ï/'Éldutangøi ).<1 oo/at) /1eo.k2.

Tomogrem framställes företrädesvis under en så kort tidsperiod som möjligt för att undvika oskärpa till följd av rörelser hos patienten: Ett snabbt genomlöpande av vinkelnCX«är önskvärt för givna exponeringar. Det därtill hörande höga värdet på 5 78Û679Ûf7 d(X/dt resulterar emellertid i ett tomogram av ett ej önskat plan till följd av rönt¿enrörets och konsolens 5 lägesfel som är förorsakade av att servostyrkretsen ej korrekt följer styrsignalerna.

Fig 3 visar ett blockschema för en krets för att styra en undersökningsanord- ning, varigenom de beskrivna lägesfelen i huvudsak fullständigt elimineras. Kretsen innefattar tre kända servostyrsystem: ett första system för att svänga pelaren 7, ett andra system för att skjuta ut pelardelen 13 och ett tredje system för att för- skjuta konsolen 5. _ De båda senare servostyrsystemen är anpassade till det första systemet. Det första servostyrsystemet innefattar den elektriska motorn 19, en vinkeldetektor 31 som är mekaniskt kopplad till densamma och som alstrar en signal som är proportio- nell mot vinkelnßxz, samt en differentialförstärkare 33. Differentialförstärkaren 33 är styrd via en intevratorkrets 35 i vilken en ingång 34 tar emot en signal doó/dt som bestämmer den vinkelhastighet med vilken pelaren 7 svänges. Signalen dCK/dt kan t.ex. vara en rektangulär signal, varvid den genomlöpta vinkelníi/ökar eller minskar linjärt som funktion av tiden. Vinkeldetektorn 31 kan t.ex. vara en linjär potentie- meter och kan avge en spänning, som är direkt proportionell mot vinkeln(?0.

Servostyrsystemet för att skjuta ut pelardelen 13 innefattar en elektrisk motor 23, en lägesdetektor 37 som är kopplad till den elektriska motorn 23 och en diffe- rentialförstärkare 39 med en ingång, som är ansluten till lägesdetektorn 37. Servo- styrsystemet för förskjutning av konsolen 5 är utförd på liknande sätt och innefat- tar en elektrisk motor 15, en lägesdetektor 41 och en differentialförstärkare 43.

Pelarens 7, pelardelens 13 och konsolens 5 rörelser är anpassade till varandra på följande sätt. Detektorsignalen som är proportionell mot vinkelnCX/digitaliseras i en analog~digitalomvandlare 45. För detta ändamål är analog-digitalomvandlarens 45 ingång direkt ansluten till vinkeldetektorn 31. Gmvandlarens 45 utgång är ansluten till minnenas 49 och 51 ingångar. Omvandlarens 45 digitala utgàngssignal bildar en adressg vid vilken ett-digitalt tal är lagrat i minnet 49. Talet motsvarar den digi- taliserade styrsignalen (d.v.s. uppdelad i diskreta steg) för att åstadkomma ut- skjutningen h = H. (1 - cos¶X/)/cosCX/som är tillordnad den vid den aktuella tid- punkten uppnâdda vinkeln digital~analogomvandlare 53 i analog form till differentialförstärkarens 39 ingång.

Minnets 49 kapacitet är direkt proportionell mot antalet diskreta steg i vilka den vinkalfifif, som skall genomlöpas, är uppdelad.

Minnet 51 innehåller de tal med vilka konsolens 5 servostyreystem (15,41,43) styras via digital~analogomvandlnren 55. De digitaliserade signalerna, som är pro- portionella mot vinkelníb, bildar åter en adress där det digitala tal som svarar mot styrsignalen är lagrat i minnet 51. Talet är proportionellt mot styrsignalen för att åstadkomma förskjutningen (b = r.taaC6) av konsolen 5. För att eliminera röntgen- 7806790-7 l 6 rörets 1 lägesfel (fíg 1) an) = (1ao.x1.coszo<,> användes en analog multiplikator 46 och en förstärkare 47. Ingângen 34 är ansluten till en första ingång på multiplikatorn, 46 medan vinkeldetektorn 51 är ansluten till en andra ingång på densamma. Hultiplikatorns 46 utgångssignal är proportionell motCÉ¿ÉVdt och efter anpassad förstärkning i förstärkaren 47 utgör den en approximation av lägesfelet e1 (t) som är tillräcklig för att kompensera detta fel. För detta ändamål adderas förstärkarens 47 utgångssignal vid förstärkarens 39 ingång till utgångssignalen från digital- analogomvandlaren 53.

Konsolens 5 lägesfel (fig 1) ezü) = (T.¿,,/2.r,(1+:an20& )a 0<,/<1t)/(1c2.1so) elimineras på samma sätt. Två ingångar på en analog multiplikator 48 är anslutna till vinkeldetektorn 31. Multiplikatorns 48 utgångssignal multipliceras med en sig- nal som är proportionell mot ddß/dt i en analog multiplikator 52. Efter lämplig för- stärkning i en inverterande förstärkare 54 adderas produkten, som är proportionell mot tal-analogomvandlaren 55. Vidare adderas på samma ingång en signal som är proportio- nell mot dßb/dt, vilken signal tillföres förstärksrens 43 ingång via en förstälkare 56. Lägesfelet e2 (t) har således kompenserats genom en lämplig approximation som är proportionell mot (1 +C{2)d¿ö/dt. h Minnenas 49 och 51 (ROM-minnen eller programmerade ROM-minnen) kapacitet är bestämd av antalet diskreta steg, i vilka vinkeln Cflër uppdelad, och av noggrannhe- ten hos de digitala tal som representerar styrsignslen och är lagrade på varje adress. Ju finare uppdelningen är desto noggrannare blir servostyrningen.

Fig 4 visar en utföringsform av en kopplingsanordning som inte kräver analoga multiplikatorer. Kopplingsanordningen innefattar två servostyrsystem (23,37 och 59) av beskrivet slag för att skjuta ut pelardelen lä och (15}41 och 45) för att för- skjuta konsolen 5. Svängningen av pelaren 7 åstadkommes medelst ett öppet styrsystem som innefattar en funktionsgenerator 50, en förstärkare 33 och en elektrisk motor i9. Funktionsgeneratorn 50 åstadkommer jämn uppstartning och stoppníng av motorn 19 under svängning av pelaren 7 och kommer att beskrivas i det efterföljande. En puls- generator 60 är kopplad till den elektriska motorn 19, vilken generator avger ett antal pulser som är proportionellt mot vinkeln 05. Pulserna omvandlas medelst en A digital pulsräknare 57 till ett digitalt ord som representerar en adress i minnena 49 och 51. Mlnnena 49 coh 51 innehåller det numeriska värdet ((1-ooecl)/cosfikà för att skjuta ut pelardelen 13 respektive det numeriska värdet (taníï) för förskjut- ning av konsolen 5. Minnena 49 och 51 påverkas parallellt genom den adress som bildas av pulsräknaren 57 så att de i minnessektionerna lagrade värdena Qtï-cos3()/cos -.._. v 7806790-7 förstärkare 59 respektive 61 matas till servostyrsystemen (23,37,39) respektive (15,41,43) . Förstärkaren 59 har en anpassad förstärkningsfaktor liksom förstärkaren 61. För att eliminera röntgenrörets 1 lägesfel e1(t) matas digita1-analogomvandla- rena 53 utgångssignal via ett deriverande RC-element 63 och en förstärkare 65 till servostyrsystemet (23,57,39). Emedan lägesfelet e1(t) är proportionellt mot pelar- delens 13 hastighet vid utskjutningen kan korrektionssignalen erhållas på det be- skrivna enkla sättet. För att eliminera konsolens 5 lägesfel e2(t) användes ett identiskt likadant deriverande RC-element 67 och en förstärkare 69 med en anpassad förstärkningsfaktor. J Digital-analogomvandlarna 53 och 55, minnena 49 och 51 samt den digitala puls- räknaren 57 kan ersättas med analoga multiplikatorer, summatorer och liknande på det sätt, som är beskrivet i den nämnda amerikanska patentskriften; Fördelen med detta är att vinkelnfixfej behöver delas upp i diskreta steg, varför inga kvantiseringsfel uppträder. En känd nackdel med denna analoga lösning består i de fel som förorsakas av "offset"- och driftspänningarna, vilkas inverkan är större i analoga kretsar än i digitala kretsar.

Den i fig 5 visade funktionsgeneratorn-50 tjänar att åstadkomma en jämn upp- startning och stoppning av pelarens 7 svängning medelst den elektriska motorn 19 (fig 3 och 4). Funktionsgeneratorn 50 innefattar en integrator 71 för alstring av en trapetsoidformig spänning b (fig 6) på ett sätt som kommer att beskrivas senare. Den Lrapetsoídformiga spänningen b förstärkas 1 ett första nät för att bilda den i fig 6 visade spänningsformen genom en olinjär förstärkare. Den olinjära förstärkaren inne- fattar ett förstärkarelement 73, ett motstånd 75 och ett spänningsberoende motstånd 77. I ett andra nät subtraheras en konstant spänning, som är inställbar medelst en potentiometer 81, från spänningen b i en differentialförstärkare 79. En diod 83 blockerar alla negativa spänningar som uppträder på differentialförstärkarens 79 utgång. Den positiva spänning som uppträder efter dioden förstärkas genom en olinjär förstärkare som innefattar ett förstärkarelement 85, ett motstånd 87 och ett spän- ningsberoende motstånd 89. Den sålunda erhållna spänningen e(íig 6) subtraheras från spänningen d i en differentíalförstärkare 91. Skillnadssignalen f, vars amplitud är inställbar medelst potentiometern 92, omfattar en utjämnad start- och stoppdel mel- lan konstanta miními-(0) och maximi-(1) värden och användes för att styra förstärka- ren 33 för att säkerställa jämn drivning av den elektriska motorn 19 utan abrupta rörelser.

Den trapetsoidformiga spänningen b alstras på följande sätt. En atartpuls matas till en monostabil multivibrator 105. Multivibratorns 105 utgångar Q1 och ëïnhar värdena “1" respektive "O" (a i fig 6) under perioden från t=0 till t=t1. Signalen n startar en andra fördröjt arbetande monostabil multivibrator 109, som efter en tiäsperiüd Åxt (vid tidpunkten tø) startar en tredje monostabil multivibrator 107. 7806790-7 a Hultivibratorns 107 utgångar Q2 och Öšlhar således värdet "1" respektive "O" från 'MG till f.-=t2. Utgångarna Q” Q1, Qz och Qz är anslutna till in- gångar på inverterande ELLER-grindar 99,103 och en EXKLUSIV-ELLER~grinä 101, vilkas utgångssignaler manövrerar halvledarströmställare 93a, 93b eller 93c så att via strömställarna 93a, 93b eller 93c ett ingàngsmotstånd 72 i integratorn 71 ansluts antingen till en positiv källa 95 eller till en negativ källa 97 eller till "O".

Detta sker i en sådan följd att från tidpunkten t = O till t = to integratorn 71 är ansluten till den positiva källan 95, till "O" mellan t = t och t = t och 0 1 till den negativa källan 97 efter t = ti till t = t2. Före t = 0 och efter t = t2 är integratorn 71 också ansluten till “0" via halvledarströmställaren 93b.

Claims (6)

7806790-7 9 Patentkrav

1. Undersökningsanordning innefattande en strålnlngskälla (1), såsom en 2( - eller röntgenstrålningskälla, och en strålnlngsdetektor (2) vilka är mekaniskt kopplade till varandra, varvid strålningskällan (1) är förbunden med ena änden av en pelare (7) som medelst drivorgan (21) kan svängas omkring en axel vid den andra änden av pelaren (7). vilken axel går vinkelrätt mot pe- larens längdriktning och är parallell med och belägen åtminstone huvudsakligen i ett rörelseplan för strålningsdetektorn (2), varvid pelaren (7) består av två delar (ll, 13) som är rörliga i förhållande till varandra, varigenom ett avstånd (H) kan ställas in mellan strålningskällan (ll och detektorn (2) medelst rörelseorgan (25,27) som är drivna av en elektrisk motor (23), vilken elektris- ka motor (23) är kopplad till en styrkrets (39) med en första ingång som är an- sluten till en lägesdetektor (37), från vilken en återkopplingssignal kan av- ledas, vilken signal är ett mått på läget av de båda pelardelarna (ll,l3) i för- hållande till varandra, medan en andra ingång på nämnda styrkets (39) är anslu- ten till en drivkrets (ë5,#9,53,59,57) som är kopplad till en vinkeldetektor (3l,60) för att avleda en detektorsignal som är beroende av en vinkelcflø mellan pelarens (7) längdriktning och en linje, som är vinkelrät mot strålningsdetek- torns (2) rörelseplan, varvid drivkretsen (ë5,#9,53,59,57) kan generera en ut- gångssignal för styrkretsen (39), vilken är beroende av vinkeln Ci/ , k ä n n e- t e c k n a d av att drivkretsen (ü5,Å9,53,57,59,k6,ü7,63,65) kan generera en korrektionssignal som adderas till utgångssignalen och som är i huvudsak propor- tionell mot produkten av vinkeln<*9 och vinkeländrlngen per sekund (dok:/dt) hos vinkeln Cí».

2. Undersökningsanordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att drivkretsen innefattar minst en deriverande krets (63) för att derívera utgångssignalen som är beroende av vinkeln CÅJ.

3. Undersökningsanordning enligt patentkravet l eller 2, k ä n n e t e c k- n a d av att drivkretsen för generering av korrektionssígnaien innefattar minst en analog multiplikator (#6), i vilken en första ingång tar emot en signal som är proportionell mot vinkelnC¿“ och en andra ingång tar emot en signal som är proportionell mot en vinkeländring d WÉ//dt. '78-06790-7 10

4. A. Undersökningsanordning enligt patentkravet 1, 2 eller 3, k ä n n e- t e c k n a d av att drivkretsen innefattar minst en digital räknare (57), ett ROM-minne (#9) (read-only memory) som är anslutet till dess utgångar och en digital-analogomvandlare (53) som är ansluten till minnets (#9) utgångar.

5. Undersökningsanordning enligt patentkravet 1, 2 eller 3, k ä n n e- t e c k n a d av att drivkretsen innefattar minst en seriekoppling av en ana- log-digitalomvandlare (LIS), ett ROM-minne (119) och en digital-analogomvandlare (53).

6. Undersökningsanordning enligt något av patentkraven 1-5, i vilken pela- ren (7) är ansluten till en konsol (5) så att den kan svänga ankking en sväng- axel, k ä n n e t e c k n a d av att konsolen (5) har drivorgan (17, 15) för att förskjuta konsolen (5) tillsammans med pelaren (7) för att bringa pelaren (7) att rotera omkring en rotationsaxel (R) under svängning av pelaren (7), vilken rotationsaxel (R) är belägen mellan strålningskällan (1) och strålningsdetek- torn (2), medan svängaxeln i huvudsak sammanfaller med strålningsdetektorns (2) rörelseplan, varvid nämnda drivorgan (15, 17) innefattar en elektrisk motor (15) och en styrkrets (#3) som tar emot en styrsignal från drivkretsen (48,51,55,57,6l), vilken styrsignal innefattar en signal som är beroende av vinkeln 90 och en till- hörande korrektionssignal som är proportionell mot (1+dÜz) . dab/dt, varvid dai/dt representerar vinkelns æÅ/ändring per sekund.