SE501709C2 - Metod och instrument för mätning av röntgenstrålning - Google Patents

Description

501 709 2 anpassas till korrekt begränsat, mätområde innan en andra exponering utföres för gene- rering av mätvärdet. Vid US,A,4 697 280 sker anpassningen genom att under mätförlop- pet först diodspäririingarnas huvudnivå bestämmes varefter de vardera tillföres förstär- kare vars förstärkningsnivå gemensamt anpassas, så att nivån hos den avgivna signalen faller inom apparturens arbetsområde.

I den förstnämnda metoden föreligger den nackdelen, att en särskilt exponering måste utföras innan den egentliga mätningen sker, vilket ger en viss tidsförlust och ökad drift av röntgenapparaten, något som av flera skäl bör undvikas. Vid den andra nämnda me- toden erfordras för bestämning och inställning av förstärkningsnivån en tidsperiod av så- dan längd, att ett toppvärde for strålningen eller hela exponeringen kan ha passerats in- nan den egentliga mätningen sker. Detta kan omöjliggöra utnyttjande av metoden vid an- vändning av mycket korta exponeringstider såsom ner till 5-10 millisekunder. Dessutom kan den gemensamma inställningen av förstärkarna ge en bristfällig noggrannhet av den ena förstärkaren om spänningsnivåema från de båda diodema är mycket olika.

Lösningen: Vid föreliggande uppfinning sker valet av förstärkningsgrad genom att för vardera signa- len är anordnat ett antal slutförstärkare med stegvis inställbar förstärkningsgrad. Vid var- je mättillfälle inkopplas den till signalstyrkan anpassade förstärkargraden medelst en om- skiftare efter att respektive signalers Hrivudaivå bestämts. En sådan omskifiare kan arbeta mycket snabbt och förändring av = .märkningen kan ske på en tid av ca 0.05 millisekun- der, vilket möjliggör användning även vid de kortast förekommande exponeringstidema.

Dessutom finns möjlighet att styra ornskiftarria olika för de båda signalerna så att för- stärkningen individuellt kan anpassas till respektive signals spänningsnivå. Dessutom är det så anordnat, att den förstärkare, som omställes till förstärkningsgrad endast svarar för en mindre del av den totala erforderliga förstärkningen. Den totala förstärkningen är nämligen uppdelad på förstärkare med fast förstärkning och i serie därmed förstärkare med nänmda stegvisa förstärkningsreglering.

Ytterligare har sörjts för en låg instrumentkostnad genom utnyttjande av en slutförstär- karenhet för båda signalerna, som periodiskt inkopplas till förstärkaren. Genom att anordna flera reglerbara förstärkare i. serie-kan. ett stort antal förstärkningssteg och där- med noggrann reglering uppnås genomsölika kombinationer av förstärkningssteg hos de seriekopplade törstärkama.

För alla funktionema: konstaterande av respektive huvudsakliga spänningsnivåer, om- ställning av omskiftare, beräkning av kvoten och generering av det adekvata mätvär- det utföres genom användning av en mikroprocessor, vilket ger hög beräkningsnog- grannhet. 501 709 F igurbeskrivning: I det följande beskrives en föredragen utföringsforrn av uppfinningen. Därvid hänvisas till bifogad ritning på vilken visas ett blockschema över ett instrument enligt uppfinningen.

Föredragen utföringsform: Det i figuren visade blockschemat anger funktionsprincipema för instrumentet enligt uppfinningen. Instrumentets delar har indelats i fyra huvudblock, vilket markerats genom inramning med streckprickade linjer. Huvudblocken är: en sensorenhet 1, en signalbe- handlingsenhet 2, en beräkningsenhet 3 och en utmatningsenhet 4. Sensorenheten 1 in- nehåller två metallfilter 5 och 6 samt bakom dessa fotodioder 7 och 8. Fotodioderna 7, 8 skall utsättas för den röntgenstrålning, som skall mätas och som betecknas med linjerna 9. För att nå fotodioderna 7 resp. 8 måste strålningen under viss absorption tränga ige- nom filtren 5 resp. 6. Dessa har olika absorptionsförmåga, vilket kan uppnås genom att göra filtren olika tjocka såsom antydes i fig. 1. Härigenom kommer den energi som på- verkar fotodioderna 7 och 8 att avge ström att ha olika nivå. Kvoten mellan dessa nivåer utnyttjas för beräkning av röntgenstrålningens energi.

Om fotodiodarrangemangen vore inbördes lika skulle vid bestrålning erhållas två signaler en starkare från fotodioden 7 och en svagare från fotodioden 8. Emellertid antydes i fi- guren att de båda arrangemangen består av inbördes olika antal fotodioder: dubbelt så många fotodioder vid 8 bakom filtret 6,~äom vjflats dubbelt så tjockt som filtret 5 bakom vilket fotodioderna 7 är placerade. Ett sådant auæemang innebär att likvärdiga mo- mentana signalnivåer erhålles fiån båda fotodiodgrupperria. Det är fördelaktigt om så är fallet emedan man då kan arbeta med inbördes i huvudsak lika signalspänningar, vilket tenderar att ge större noggrannhet hos mätresultatet.

Beräkningen kan vid ett sådant arrangemang ej grundas den direkta kvoten mellan sig- nalerna (kvoten = 1 vid lika signalnivå) emedan denna kvot ej skulle vara representativ för kvoten mellan strålningsnivåema. Emellertid kan detta konigeras i beräkningen, som senare skall anges, i det att man i beräkningen inför faktor, som representerar skillnaden mellan de båda diodarrangemangen. De erhållna signalerna tillföres vardera en förstär- kare 12 resp. 13. Dessa förstärkare aiftypen ström-sflspänriingsförstärkare och efter förstärkama erhålles således spänningar, som representerar den uppfångade strålningen.

Dessa sörjer för den huvudsakliga, nödvändigarförstärkriingen.

Från förförstärkarna föres signalerna till en elektronisk, periodiskt arbetande omkastare 14. Med hjälp av omkastaren föres omväxlande i korta tidsmoment signalema från foto- diodema 7 och 8 via förförstärkarna vidare medelst en ledning 15 till en reglerbar slut- förstärkarenhet 16. Denna består vid utföringsexemplet av två seriekopplade förstärka- 501 709 re 17 och 18. Båda förstärkama är inställbara i ett flertal förstärkningssteg med olika förstärkningsgrad, något som antydes genom grupperingama 19 och 20. Dessa gruppe- ringar består av element, exempelvis motstånd med olika elektriska egenskaper, som be- stämmer törstärlmingsgraden när de inkopplas. Av elementen i grupperingarna 19 och 20 kan ett i vardera grupperingen inkopplas per tidsmoment, vilket sker medelst ett respektive omskifiare 22 och 23 (som komponent kan de även benärmias multi- plexer). Genom seriekopplingen av de båda omstållbara förstärkarna 17 och 18 kan me- delst ett fåtal förstärkare med ett begränsat antal förstärkningssteg erhållas ett stort an- tal kombinationer med inbördes olika förstärkningsgrad.

Av orsaker som framgår av det följande begränsas det inställbara forstärkningsonirådet i slutförstärkarna starkt genom nämnda förläggning av den huvudsakliga förstärkningen till íörförstärkarna.

Förhållandet mellan förstärkningen i förförstärkarna och efterföljande slutförstårkare kan uttryckas som varande i storleksordningen miljoner gånger till hundra gångar, alltså i storleksordningen 10 00021 proportionellt. Vid ett fördelaktigt utförande har valts för- stärkning i respektive förförstärkare 5 M gånger och 250 gånger i slutförstärkarenheten vid högsta inställbara förstärkning.

Några absoluta tal eller bestående talornråden går ej att ange utan att samtidigt definiera en bestämd konstruktion och mätförfarande. De här angivna förhållandena torde dock ge fackmannen tillräckligt med underlag för att utöva uppfinningen med uppnående av dess tekniska effekt, sådan den anges i det följande.

Efter slutförstärkarerilieten 16 föres signalen via en ledning 24 till beräkningsenheten 3.

Denna består i sin tur av dator 25 och ett kalibreringsminne 26. Datom 25 innehåller i sin tur en analog-digitalomvandlare 27, en processenhet 28 och en in-och utmatnings- enhet 29.

I kalibreringsminnet 26 lagras unika instrurnentdata. Signalkvotens beroende av respek- tive olika strålningsenergier är här registrerade. Ytterligare kan vara lagrade de för- stärkningsnivåer, som skall gälla för olika förstärkningssteg, beräknings- och styrdata samt anpassning av erhållna slutdata till utmatningsforrn.

Som framgår av linjer och pilar i figuren avger in- och utmatningsenheten 29 styrdata till omkastaren 14 och till omskifiaren 22 och 23. Enheten står i dubbelriktad förbin- delse med kalibreringsminnet 26 och överför utmatningsdata till utmatningsenheten 4. 501 709 5 Denna visas här som en fyrsegrnentsdisplay 32 medelst vilken företrädesvis visas det till strålningen adekvata kVp-värdet.

Processenheten 28 mottar via analog-digitalomvandlaren den från slutförstärkarenheten 16 via ledningen 24 inkommande signalen. Från denna genereras i processorn styrsigna- ler för utmatning via enheten 29 samt det beräknade värdet för utrnatning till utmatnings- enheten 4. Via in-och utmatningsenheten sker även kommunikation med kalibreringsmin- net. Hela berälcningsenheten 3 kan vara utförd som en enchipsdator.

Den föregående beskrivningen och figuren anger ett föredraget utförande. Inom ramen for uppfinningsprincipen kan varianter av detta utförande förekomma. Sålunda anges sensorenheten med endast två filter och motsvarande fotodioder. Eftersom dock rönt- genstrålningen kan variera inom mätplanet kan det vara lämpligt med en uppdelning i rummet av sensorelementen exempelvis med två element av vardera slaget placerade som fyra cirkelsektorer med vartannat element av det ena slaget och vartannat av det andra slaget.

Omkastaren 14 ger möjlighet att mäta båda signalerna med en enda slutförstärkarenhet, vilket förenklar instrumentet. Emellertid kan instrumenten fungera enligt den beskrivna principen även utan omkastaren om för vardera signalerna anordnas en slutförstärkaren- het. Utmatningsenheten 4 är här visad som en sifferdisplay. Kompletterande eller alter- nativt kan den dock vara anordnad på annat sätt såsom i form av en skrivare eller för avgivande av en styrsignal för automatisering av vissa moment vid röntgenexponeringen.

Vid visande eller skrivande utmatning av värden kan det föreslagna kVp-värdet ersättas eller kompletteras av värden exempelvis för filmkänslighet m.m.

Av vad som tordes ha förståtts av det föregående är det viktigt att instmmentet kan arbe- ta mycket snabbt vid de snabba förlopp, som förekommer vid en röntgenexponering.

Detta gäller naturligtvis datorenheten 25 samt omkastaren 14 och omskifiarna 22 och 23.

Samtliga dessa komponenter kan utföras att arbeta så snabbt, att erforderlig mäthastighet uppnås. Viktigt för att erhålla ett snabbt förlopp är därvid i hög grad fördelningen av för- stärkningen på för- och slutforstärkare, så att den senare kan arbeta vid låg förstärk- ningsgrad.

I många fall erfordras ej endast uppmätning av ett enda toppvärde utan flera toppvärden kan följa varandra. Därvid registreras de efterhand under en viss tidsperiod, som bestäms av hur lång period sådana toppvärden förekommer. Dessa toppvärden av viss styrka samplas med hjälp av processorn för beräkning och därefter utmatning av ett adekvat kVp-värde.

Förutom instrumentets beskrivna och i blockschemat angivna utrustning förekommer 501 709 6 sådana element som batteri for strömförsörjning eller anslutning till yttre strömkälla, in- strumenthölje, ingångar for inmatning och utmatning av testsignaler, huvudströmbrytare IILITI.

Vid ett mätförlopp arbetar instrumentet på följande sätt, vilket motsvarar metoden enligt uppfirmingen: När vid påslaget instrument röntgenstrâlriing (pilarna 9) träffar filtren 5 och 6 alstras i fo- todioderna 7 resp. 8 en signalströnt, som genom filtrens olika tjocklek vid fotodiodema 7 resp. 8 representerar olika strålningsenerginivåer. Dessa båda signalströmniar förstärkes i förförstärkarna 12 och 13 samt fóres som signalspänningar till omkastaren 14. Denna fór via ledningen 15 i mycket korta tidsmoment omväxlande de båda signalerna till slut- förstärkarenheten 16. Från derma mottar processorn 28 via ledningen 24 de periodiskt växlande signalerna som digitala signaler efter analog-digitalomvandlaren 27. Genom kontakt med styrforloppet för omkastaren 14 informeras processorn periodiskt om vilken fotodiodema, som producerar signalavsnitten, så att dessa kan bearbetas var for sig.

Utmatningsvärdet skall som nämnts baseras på kvoten mellan signalstyrkan fiån de båda fotodioderna med sina olika filter varvid korrigering till eventuellt skiljaktiga diodar- rangemang utföres. För att denna beräkning skall kunna utföras med stor noggrannhet och ett adekvat värde kunna matas ut måste styrkenivån på signalen hållas inom ett be- gränsat område. Förstärkningen av signalen måste med andra ord anpassas så, att star- kare signaler utöver en viss maximal styrka fórstärkes med sådan begränsning att de hamnar inom processoms bearbetningsområde medan svagare signaler förstärkes mera för att hamna inom samma arbetsområde. När sådan signalanpassning skall ske skiñas enheterna i grupperingarna 19 och 20 medelst omskifiarna 22 och 23 till dess att en så- dan forstärlcningsgrad, som ger en signal lärnpad för bearbetning uppnåtts. Detta kan ske med en gemensam fórstärkningsnivå for båda signalerna, men bästa resultat och största noggrannhet uppnås om vardera signalen kan erhålla en specifik förstärkning. Om därvid förstärkningen för de båda signalerna är olika måste omskifiama 22 och 23 arbeta i takt med omkastaren 14. Om det förutbestämda arbetsområdet for utmatningen till process- om tenderar att över- eller underskridas under en exponering anpassas förstärlcningsgra- den under exponeringsfórloppet.

När rätt signalnivå föreligger i processom beräknas den nämnda kvoten och på grundval av denna genereras en representativ utmatningssignal för styrning av utmatningsenheten 4. Detta sker under inhärntande av styrdata från kalibreringsminnet 26. Grundläggande är givetvis även att databearbetningen sker med hänsynstagande till vilken förstärknings- grad, som efier varje instyrning av fórstärkama tillämpas för de båda signalerna. Om där- vid mätinstrumentet ej arbetar tillräckligt snabbt kan korta exponeringar ej mätas. 501 709 7 Den växlande inkopplingen av de båda signalerna till samma förstärkaranordning innebär mindre instrumentkostnad. Ett ytterligare steg för förenkling av anordningen är att två slutförstärkare är anordnade efter varandra och kan ornkopplas individuellt. Härigenom kan man med ett relativt fåtal förstärkare uppnå ett mycket stort antal förstärkningssteg, med lämpligt val av förstärkningsgrader en multipel av antalet steg i varje förstärkare.

Det är för övrigt möjligt att anordna flera förstärkare än två. Således kan man med enkel matematik erhålla ett kostnadsoptirnerat arrangemang genom val av storhet hos fakto- rerna: antal steg, antal förstärkare och respektive förstärkares förstärkningsgrader.

En för noggrannhet och snabbhet betydelsefull anordning är också anordnandet av den reglerbara slutförstärkaranordningen omedelbart före processorn med endast analog- digitalomvandlaren emellan. Förförstärkarna arbetar med fast förstärkning och befinner sig före slutförstärkaranordningen.

Genom att, som nämnts, lägga den huvudsakliga förstärkningen i de ej reglerbara förför- stärkarna minskas förstärkningsorrirådet inom vilket slutförstärkarria skall vara regler- bara något som har stor betydelse för snabbheten i reglerförloppet, vilken är avgöran- de för snabbheten i instrumentets arbete. Ju större skillnad i signalstyrkor, som de reglerbara förstärkarna skulle vara tvungna att arbeta med ju längre tid tar omställ- ningen mellan de olika förstärkriingsstegen, emedan signalen i den tidigare fórstärknings- nivån behöver längre tid på sig för att utsläckas och ersättas av den utgående signalen i den nya signalnivån, något som är särskilt påtagligt vid vandring från en högre till lägre signalnivå.

Det är visserligen mycket korta tidsmoment det är fiågan orn, men i föreliggande fall har det ändå betydelse för uppnâende av rättvisande indikering även vid korta exponeringsti- der. Som nämnts mätes i allmänhet ej endast en topp under exponeringen utan flera vär- den över en viss energinivå skall avmätas och samplas till att ge en registrering, som är adekvat att använda för röntgenapparatens inställning för att uppnå önskad svärtning och kontrast vid efterföljande filmexponering eller bildupptagningen med en elektronisk skärm. Anledningen till att man arbetar med allt kortare exponeringstider är att man öns- kar att patienten, som nu för tiden kan komma att utsättas för stort antal röntgenunder- sökningar, utsättes för minsta möjliga strålningsmängd. Kortare exponeringstider möj- liggöres också av snabbare film respektive mycket ljuskänsliga elektroniska medel.

För instrumentet har valts en digitalt arbetande processor med digitalt arbetande anslutna enheter för de i analoga förlopp alstrade signalerna. Härigenom kan virmas en snabb be- arbetning med stor kalkyleringskapacitet och utmärkta möjligheter till styrning och kali- brering via ett minne med stor kapacitet. Emellertid gäller vid ett digitalt arbetssätt, att framkomna värden uppträder i steg, vars antal inom bearbetningsområdet och därmed höjd bestärnmes av ADC 's storlek i antal bitar. Lämpligt är att använda en 8-bitars 501 709 8 ADC som firms allmänt tillgängliga som komponenter till lågt pris. Därvid blir antalet steg 256.

Därmed inses att steghöjden procentuellt i förhållande till det presenterade talet är större vid ett lågt tal än vid ett högt tal inom arbetsområdet. Det är därför viktigt att processorn får arbeta med så stora tal som möjligt, vilket kan åstadkommas genom anpassning av förstärkningsgraden för den ingående och sedan digitaliserade signalen.

Den största noggrarmheten totalt uppnås därvid om båda signalerna individuellt kan anpassas till att ligga inom det höga talområdet. Detta kan ske i metoden och instrumentet enligt uppfinningen genom att de båda ingående och växelvis till förstärkaranordningen inkopplade signalerna kan förstärkas individuellt.

Fördelaktigt är därvid även att de redan fiån början anpassas till samma signalnivå trots de båda filtren med olika absorptionsgrad. Arrangemanget för att uppnå detta har tömt beskrivits.

I det föregående liksom i de efterföljande patentkraven nämnes två fotodiodenheter och två genererade signaler samt kvotberäkning på grundval av dessa. Det är också veder- taget att arbeta på detta sätt, men utesluter dock ej att vad som här angivits gäller även utföranden med flera fotodiodanordningar och eventuellt mera komplicerade beräknings- förfarande i den mån föreliggande uppfinning är tillämpbar vid dessa.

Claims (8)

501 709 Patentkrav:

1. Metod för mätning av röntgenstrålrting för generering av ett till strålningsener- gin representativt värde i form av en elektrisk signal, varvid strålningen vid mättillfallet uppfångas av två fotoelektriska enheter (7, 8) vardera mottagande strålningen (9) efter passage genom filter (5, 6) med sinsemellan olika absorptionsgrad varigenom två strål- ningsnivåer med olika energi påverkar enheterna, varvid strålningsenergin beräknas på grundval av en kvot mellan de båda elektriska signaler som genereras av enheterna med anpassning av styrkan hos signalerna till ett bearbetningsornråde, vilket utgör en mindre del av det totala styrkeområde för signalema genererade genom strålningen, medelst en till sin förstärkningsgrad varierbar förstärkaranordning (6) genom att för- stärkningsgraden varieras att ge signalerna en styrka inom nämnda arbetsområde genom avkänning av signalstyrkan efter förstärkaranordningen, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att förstärkaranordningen (12, 13; 16) utföres som förförstärkare (12, 13), vilka hålles vid fast förstärkningsgrad och i serie därmed slutförstärkare (16), vilka regleras till sin förstärkningsgrad att ge signalerna nämnda, till arbetsområdet anpassade styrka.

2. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n et e c k n a d d ä' r a v, att den huvudsakliga försträlcriingen av respektive signal utföres i respektive förförstärkare (12, 13) och till mindre del i den efiertöljande reglerbara slutförstärkaren (16) i ett förhållande mellan förstärkningsgrader i storleksordningen 10 O00:1.

3. Metod enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att båda sig- nalerna tillföres en enda slutförstärkriingsanordning (6) i en alternerande följd med hjälp av en periodiskt arbetande omkastare (14). -

4. Instrument for mätning av röntgenstrålnirig med metoden enligt patentkrav 1 - 3 och innefattande två fotoelektriska enheter (7, 8) vardera anordnade att motta strål- ningen (9) efter passage genom filter (5, 6) med sinsemellan olika absorptionsgrad, vari- genom två strålningsnivåer med olika energi påverkar enhetema, en till en fotoelektriska enheterna kopplad förstärkningsanordning (16) anordnad fór varierbar förstärkning av de båda signalema, samt en databearbetingsenhet (3) för generering av ett till strålnings- energin representativt värde grundat på kvoten mellan de av de fotoelektriska enhetema uppfångade strålningsenergi, och en anordning (4) för presentation eller arman utmatning 501 709 1 0 av nämnda värde, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att förstärkningsanordningen (2) inne- fattar förförstärkare (12, 13) med fast förstärkningsgrad och i serie därmed grupp (17, 18) slutíörstärkare med reglerbar förstärkningsgrad, varvid förförstärkarna är anordnade att utföra den huvudsakliga delen av den erforderliga totala törstärkningen.

5. Instrument enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n at d ä r a v, att respektive förförstärkare (12, 13) är anordnad för en förstärkningsgrad, som uppgår till ca 10 000 gånger förstärkningen i efterföljande slutförstärkare (16) företrädesvis med förstärkning i förförstärkaren i storleksordningen 5 M gånger.

6. Instrument enligt patentkrav4, eller 5, kännet e cknat d ärav, att slutförstärkaranordningen (16) innefattar flera i serie kopplade förstärkare, så att genom olika kombinationer avi de skilda förstärkarnas forstärlcningsgrad ett stort antal olika törstärkningsgrader erhålles.

7. Instrument enligt patentkrav 4, 5 eller 6, k ä n n et e c k n at d ä r a v, att endast en förstärkaranordning (16) är anordnad och att en omkopplare (14) är anordnad att alternerande inkoppla signalema från de båda fotoelelctriska enheterna (7, 8) och att databearbetningsanordningen (3) är inrättad att alternerande bearbeta de båda signalema under dessas respektive inkopplingstid.

8. Instrumcntenligt patentkrav4, 5, 6 eller7, kännetecknat därav, att de båda fotoelektriska enheterna (7, 8) till sin signalgeneretingsförrnåga på grundval ge- nom respektive filter (5, 6) uppfångade strålningsenergi är anordnade att bilda i huvudsak lika signalstyrka, varvid databearbetningsanordningen (3) är inrättad att bilda sagda kvot på grundval av signalernas storlek med kompensation för de båda fotoelektriska enheter- na (7, 8) olika signalgenereringsförrnåga.