DE2427199C3

DE2427199C3 -

Info

Publication number: DE2427199C3
Application number: DE2427199A
Authority: DE
Inventors: Harrison Hooker Lexington Barrett; Gordon Dean Marlboro Demeester; David Thompson Billerica Wilson
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1973-06-12
Filing date: 1974-06-05
Publication date: 1979-06-07
Also published as: US3906229A; DE2427199A1; FR2233655A1; IT1016105B; JPS5034283A; CH588710A5; CA999983A; DE2427199B2; FR2233655B1; NL7407118A; GB1473189A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung einer Abbildung unter Verwendung einer von einem räumlich ausgedehnten Objekt ausgehenden, im Bündelquerschnitt eine die Bildinformation enthaltende Intensitätsverteilung besitzenden Strahlung hoher Energie, bei -velchem dieser Strahlung zur Erzeugung einer mit monochromatischem Licht bestrahlbaren und auswertbaren Zwischenaufzeichnung mittels einer Maskenanordnung über dem Bündelquerschnitt eine räumliche Kodierung der Intensität entsprechend Fresnel'schen Zonen erteilt wird. Auch bezieht sich die Erfindung auf eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Einrichtung.

Verfahren der hier kurz beschriebenen Art sind aus der US-Patentschrift 32 63 079 bekannt

Insbesondere bei Einrichtungen zur Bestimmung der Lage und des Zustandes von Strukturen und/oder Organen im lebenden Körper durch Abbildung von Strahlung hoher Energie, die von Bereichen des Körpers emittiert wird, die radioaktive Substanzen selektiv absorbiert haben, war es bisher erforderlich, eine starke Bestrahlung des Körpers mit gesundheitsschädigender Strahlung in Kauf zu nehmen, um eine zufriedenstellende Auflösung und Schärfe der Abbildung zu erhalten. Es sind daher Einrichtungen, mit denen die erforderliche Strahlendosis verringert werden kann, um ein Bild ausreichender Auflösung, Schärfe und Intensität zu erl/alten, so daß eine genaue Diagnose über die Lage und den Zustand der Körperstruktur oder eines Organs ermöglicht wird, von höchster Bedeutung. Auflösung und Schärfe der Abbildung sind auch von der Zeitdauer abhängig, während welcher der Körper unbeweglich gehalten werden kann.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs kurz beschriebenen Art soll durch die Erfindung die Aufgabe gelöst werden, eine möglichst kontrastreiche Zwischenaufzeichnung zu erzielen, in welcher die Büdinformationen mit großer Vollständigkeit gespeichert sind, so daß schließlich eine Abbildung verbesserten Auflösungsvermögens erhalten wird. Auch sollen sich Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens leicht an die Eigenschaften des abzubildenden Objektes anpassen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die genannte Kodierung mittels zweier längs der Verbindungslinie zwischen Objekt und einer Detektor^ fläche im Abstand voneinander angeordneter Kodie^

rungsmasken mit Fresnel'schen Zonenmustern erzeugt wird, welche zu einer zur genannten Verbindungslinie im wesentlichen parallelen Achse symmetrisch sind.

Die Masken werden nachfolgend mitunter auch als Zonenplatten bezeichnet Die öffnungen in den Masken sind diejenigen Bereiche, die gegenüber einer Strahlung hohen Energieniveaus im wesentlichen durchlässig sind. Diese öffnungen besitzen nun eine Breite, die ein Vielfaches der Wellenlänge der genannten Strahlung hoher Energie beträgt, so daß die durch die Öffnungen hindurchtretende Strahlung im wesentlichen nicht gebeugt wird und das resultierende, durch den Detektor abgebildete Schattendiagramm als ein räumlich kodiertes Schattendiagrammuster bezeichnet werden kann, von welchem Bilder des zu untei suchenden Gegenstandes abgeleitet und rekonstruiert werden können.

Als Strahlung hoher Energie wird vorliegend eine Strahlung bezeichnet deren Wellenlänge jenseits des Spektrumsbereiches des sichtbaren Lichtes liegt, also kleiner als 1000 A ist.

Wie bereits angedeutet wird mit einer Einrichtung der hier vorgeschlagenen Art bzw. einem entsprecheoden Verfahren erreicht, daß ausgedehnte Gegenstände, beispielsweise der gesamte Lungenraum eines Patienten, in allen Einzelheiten abgebildet werden können. Darüber hinaus besitzt ein entsprechendes System eine verbesserte Anpassungsmöglichkeit hinsichtlich der räumlichen Frequenzanteile des zu untersuchenden Gegenstandes einerseits und der räumlichen Frequenzen des Abbildungs- und Bildrekonstruktions^ystems andererseits.

Die eine Maske ist bei dem zu untersuchenden Gegenstand angeordnet und kann als Objekt-Zonenplatte bezeichnet werden. Die andere Maske liegt zwischen einem Viertel und drei Viertel des Abstandes zwischen der Objekt-Zonenplatte und der Aufnahmefläche eines Detektors oder der Abbildungsfläche des Schattendiagrammusters. Vorzugsweise ist die zweite Maske auf halbem Wege zwischen der Objekt-Zonenplatte und der Abbildungsfläche des Schattendia- gramms angeordnet.

Der Wirkungsgrad beim Abbildungsvorgang wird vorzugsweise durch Umwandlung der Strahlung hoher Energie, wie sie von dem zu untersuchenden Objekt ausgeht in eine Strahlung innerhalb des sichtbaren Spektrumbereiches verbessert, wobei diese letztgenannte Strahlung mittels geeigneter Einrichtungen, beispielsweise mittels eines Aufzeichnungsfilmes, aufgenommen wird.

Zur Durchführung des hier angegebenen Verfahrens wird ferner vorgeschlagen, das auf einen Film aufgezeichnete Schattendiagrammuster photographisch um ein bis zwei Größenordnungen zu verkleinern. Das Schattendiagrammuster beugt dann die durch es hindurchtretende monochromatische Strahlung des sichtbaren Spektrumsbereiches. 1st beispielsweise die größte Breite der Öffnungen derjenigen Maske, die sich nahe dem zu untersuchenden Gegenstand befindet annähernd 1 mm, beträgt die Zahl der Ringe des Zonenmusters 50 bis 60 und ist die Breite der kleinsten Öffnung das Drittel eines Millimeters, so projiziert die äquidistarite Maske Abstände eines Linienpaares des Schattendiagrammusters von weniger als 1 mm auf den Film und durch Verkleinerung auf photooptischem Wege in der Größenordnung von 20:1 erhält man Linienpaare mit Abständen entsprechend der Wellenlänge im roten Speklrumsbereich, so daß monochromatisches Licht aus einer herkömmlichen Laserlichtquelle

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35 mit einer Wellenlänge im roten Spektrumsbereieh wirksam gebeugt werden kann.

Der Beugungs-Wirkungsgrad kann noch weiter durch Bleichen des Filmes vergrößert werden, um eine phasenhologrammartige Durchlässigkeit au erzielen, die im wesentlichen den gesamten Anteil an monochromatischem Licht bei dessen Hindurchtreten durch den Film beugt

Es zeigt sich ferner, daß Ungleichförmigkeiten des Schattendiagramms in den Randbereichen des Aufzeichnungsmittels, die in dem wiedergegebenen Bild erscheinen können, vorzugsweise durch eine geradlinige Umgrenzung des Detektorsystems bzw. seiner Aufnahmefläche vermieden werden können, während gekrümmte Umrißlinien die äußere Begrenzung der Masken bilden, so daß die Randbereiche der Abbildungsfläche als gekreuzte gerade Linien auf dem wiedergegebenen Bild getrennt von dem Bild des Gegenstandes erscheinen und durch geeignete Iris-Blenden in c*em optischen Wiedergabesystem entfernt werden können.

Zur Vereinfachung der Beschreibung s·":! im übrigen ausdrücklich auf den Inhalt der Patentansprüche hingewiesen. Einzelheiten und Vorteile werden an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher er!3utert Es zeigt

Fi g. 1 eine Ausführungsform, in der ein Schattendiagramm auf einen Film als räumlich kodiertes Amplitudenmuster oder Intensitätsverteilungsmuster aufgezeichnet wird, welches verkleinert auf einem Film wiedergegeben wird, der anschließend gebleicht wird, um das Amplituden-Hologramm in ein Phasen-Hologramm umzusetzen, aus welchem Bilder des zu untersuchenden Gegenstandes rekonstruiert werden können,

F i g. 2 einen Querschnitt durch das Abbildungssystem nach Fig. 1, der die Öffnungen in der Objekt-Maske zeigt

Fig.3 einen Querschnitt durch das Detektorsvstem der Ausführungsform nach F i g. 1 längs der Schnittlinie 3-3, der das Lochsystem der äquidistanten Maske zeigt und

F i g. 4 einen Querschnitt durch das Detektorsystem nach F i g. 1 in Richtung des Detektorfilmes, wobei der geradlinige Umriß des Detektorfilmes gezeigt ist

Zunächst sei auf F i g. 1 der Zeicnnung dezug genommen, in der eine Strahlungsquelle 20, beispielsweise die Brust einer lebenden Person, dargestellt ist. Teile der Brust sind durch Einnahme radioaktiver Pharmazeutika radioaktiv gemacht worden. Wie bekannt besitzen ausgewählte Körperteile bzw. Organe, wie die Leber, die Lungenbereiche oder die Blutgefäße, eine bevorzugte Absorptionseigenschaft für ausgewählte radioaktive Pharmazeutika. Die Absorption ist unterschiedlich, beispielsweise hängt sie von der Art der Erkrankung und dc.i von der Erkrankung befallenen Körperbereich ab.

In der Nähe der Strahlungsquelle 20 ist eine Maske 22 angeordnet, die, wie dies in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist, eine Anzahl gekrümmter Streifen 24 aus einem für die Strahlung nicht durchlässigen Material aufweist. Die Streifen 24 sind durch Zwischenräume 26 von gleicher Breite wie die Streifen voneinander getrennt Wie ersichtlich, ist die gesamte durchlässige Flächt; der Maske 22 annähernd so groß wie deren gesamte nichtdurchlässige Fläche, was als ein Fresnel'-sches Zonenmuster angesehen werden kann. Das Material der Streifen 24 ist so ausgewählt, daß die auf

die Streifen 24 auftreffende Strahlung der Strahlungsquelle 20 absorbiert wird, während die Strahlungsantci* Ie, die auf die Zwischenräume 26 zwischen den Streifen 24 gerichtet sind, diese durchdringen.

Die Maske 22 kann an sich in unterschiedlichen ·> Abständen von der Strahlungsquelle 20 angeordnet werden; vorzugsweise wird sie aber so näh wie möglich bei der Strahlungsquelle 20, die den zu untersuchenden Gegenstand darstellt, angeordnet. Die Maske 22 kann deshalb auch als Gegenstandsmaske bezeichnet werden. Sie kann beispielsweise durch einen Niederschlag einer Bleisrhicht auf einer Aluminiumplatte und maschinelle Abtragen von Teilen der Bleischicht hergestellt werden, um Teile der Aluminiumplatte freizulegen. Das Aluminium ist für die gesamte in diesen Bereichen antreffende Strahlung hoher Energie im wesentlichen durchlässig; somit stellen die freigelegten Aluminiumbereiche Strahlungsöffnungen 26 dar.

Selbstverständlich weisen die Dicke der Bleischicht und der Trägerplatte entsprechend zu wählende Abmessungen auf, und der Abstand zwischen der Strahlungsquelle 20 und der Maske 22 ist abhängig von dem verwendeten radioaktiven Isotop. Beispielsweise erzielt man bei einer Absorption von einem Millicurie entweder von radioaktivem Technetium oder radioaküvein Jod gute Ergebnisse mit Breiten und Abständen in der Größenordnung von einem Zehntel Millimeter bis zu einem Zentimeter.

Die Qualität des aufgenommenen fertigen Bildes ist abhängig von der Länge der Belichtung des Detektorsystems durch den Patienten; die Belichtungszeit kann vorzugsweise im Bereich von einer Minute bis zwanzig Minuten liegen, was 10^b bis 10¹⁰ Impulsen der Hochenergie-Strahlungspartikel oder -quanten entspricht. Da jedoch die Zahl der aufgenommenen Impulse um mehrere Größenordnungen größer ist als die in Lochblenden- oder Sammellinsen-Absorptionssystemen festgestellten Impulse, erhält man eine größere Auflösung und Bildschärfe.

Das von den Streifen 24 gebildete Muster, das die Strahlungsöffnungen begrenzt, stellt einen unvollständigen Teil eines Fresnel'schen Zonenmusters dar. Die Streifen 24 verlaufen gekrümmt zu der Umrandung des kreisförmigen Ringes, der den Umfang der Maske 22 begrenzt. Der Klarheit der Darstellung wegen sind nur wenige der Streifen 24 und Zwischenräume 26 gezeichnet, wobei mit einem derartigen System auch schon zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden können. Es wurde jedoch gefunden, daß Masken mit mehr als 50 Streifen und Zwischenräumen besonders dazu geeignet sind, um Bilder mit großer Auflösung und Bildschärfe aus dem gebildeten Schattendiagramm von einer Kristall-Szintillationsschicht aus direkt auf einem Film zu erzeugen.

Die Breite des kleinsten Zwischenraumes 26 ist um mehrere Größenordnungen größer als die Wellenlänge der Strahlung. Wenn beispielsweise die Breite der kleinsten Strahlungsöffnung in der Größenordnung von einem Millimeter liegt, so besitzt eine beliebige Strahlung außerhalb des sichtbaren Bereichs eine Wellenlänge, die um viele Größenordnungen kleiner als ein Millimeter ist; deshalb sind Beugungseffekte der Maske 22 bei einer solchen Strahlung im wesentlichen nicht feststellbar.

Das Muster der Streifen 24 und Zwischenräume 26 &5 stellt, wie bereits angedeutet, einen aus der Mitte versetzten Ausschnitt eines Fresnel'schen Zonenmusters dar. Der Durchmesser der in F i g. 2 dargestellten Maske ist annähernd gleich dem Abstand zwischen der Mitte des Fresnel'schen Zonenmusters und der Mitte der Maske 22. Eine derartige Versetzung verschiebt das Bild während des Wiedefgabcvofgänges Und ist vorzugsweise groß genug, um einerseits mehrfach erzeugte Bilder zu trennen und um andererseits Detektoraufnahmeflächen^Randeffekte aus dem gewünschten Bild abzusondern.

Die Maske 22 ist in einem Gehäuse 30 gehalten, welches die Maske 22 mit einem vorbestimmten Absland Si von einer zweiten räumlichen Kodiermaske 32 trennt. Die Maske 32, die als Zwischenmaske oder als äquidistante Maske angesehen werden kann, ist in ähnlicher Weise wie die Maske 22 gestalte' und v-ejst ein Muster auf, das einen aus der Mitte versetzten Ausschnitt eines Fresnel'schen Zonenmusters darstellt. wie Fig.3 zeigt. Die dargestellten Muster der Masken 22 und 32 stellen nur BeispieW- dar; es können vielmehr vielgestaltige Muster oder Musterteile verwendet werden, sofern sie symmetrisch um Achsen angeordnet sind, die im wesentlichen parallel zu der mittleren Ausbreilungsrichtung der durch die Masken tretenden Strahlung verlaufen. Während die Masken 22 und 32 als eHene Masken dargestellt sind, können sie, falls gewünscht, auch als Teile mit sphärischen oder zylindrischen Flächen oder mit anderen geometrischen Formpn ausgebildet sein.

Wie F i g. 3 zeigt, besitzt die Maske 32 gegenüber der Maske 22 nur halbe Größe. Der verbleibende Raum bis zu dem Gehäuse 30 ist mit demjenigen Teil der Aluminiumgrundplatte ausgefüllt, riet mit Blei bedeckt ist, welches im wesentlichen die gesamte darauf treffende Gammastrahlung absorbiert. Zwar könnten sich die zonenplattenförmigen Ringe der Maske 32 bis zu dem Gehäuse 30 erstrecken, doch erhielte man keine wesentliche zusätzliche Kodierung, weil dann die Breite und die Abstände der absorbierenden Ringe viel kleiner würden als deren Dicke.

Das Detektorsystem 36 weist auf der von der Maske 22 abliegenden Seite einen Abstand 52 von der Maske 32 auf, so daß die Maske 32 im wesentlichen gleiche Abstände von der Gegenstandsmaske 22 und der Aufnahmefläche oder der holographischen Bildebene des Detektors 36 hat Somit wird eine vorbestimmte Stelle der holographischen Bildebene von einer Vielzahl gerader Strahlen getroffen, die durch unterschiedliche Maskenöffnungen der Masken 22 und 32 hindurchtreten, wie beispielsweise für die Stelle 28 dargestellt ist Da eine Vielzahl solcher Punkte vorhanden ist die im wesentlichen Kreisbögen in der holographischen Bild-Detektorebene darstellen, bilden die von dem Gegenstand 20 ausgesandten Partikel oder Quanten ein Intensitätsmaximum, d. h. eine Höchstzahl von Strahlungspartikeln für die betreffende Kodierfrequenz, auch wenn der Gegenstand 20 vergleichsweise groß ist Es werden auch vielerlei weitere gekrümmte Anordnungen von Punkten in ähnlicher Weise auf die Deiektorebene projiziert, wobei deren Gesamtsumme ein Schattendiagramm ist, das sämtliche räumlichen Frequenzanteile des räumlichen Kodemusters enthält, dem die Informationsdaten, die den besonderen Verlauf und die Strahlungsdichte des zu untersuchenden Gegenstandes darstellen, überlagert werden. Ein solches Muster stellt ein Amplituden- oder Intensitätsmuster dar und kann daher durch das Deiektorsystem 36 aufgenommen werden.

Wie F i g. 4 zeigt weist das Gehäuse in dem Bereich, in dem es das Detektorsystem 36 trägt nicht mehr

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runden, sondern rechteckigen Querschnitt auf. Es wurde gefunden, daß bei Verwendung eines kreisförmigen Ausschnittes im Gebiet des Schattendiagramms oder der Detektoraufnahmefläche eine Bildwiedergabe durch optische Mittel eine Reihe kreisförmiger Musler erzeugt, die sich im gewissen Umfange dem gewünschten Bild überlagern oder dieses verschlechtern. Bei Verwendung einer rechteckigen Ausschnittsform, wie in Fig.4 dargestellt, treten bei der Bildfekonstruktion geradlinige Störeffekte, die aus der geradlinigen Begrenzung der Peripherie des Schaitendiagrammes resultieren und sich im Gestalt eines Kreuzes schneiden, wobei positive und negative Bilder in gegenüberliegenden Quadranten des Kreuzes erscheinen, so daß bei Verwendung einer Irisblende ein gewünschtes Bild ausgewählt werden kann, während die verbleibenden Daten, einschließlich der Störeffekte, ausgeschieden werden.

Die Große und der Abstand der Masken 22 und Si sowie die Größe der geraden Detektorfläche können in weiten drenzen ausgewählt werden. Bei der Untersuchung des menschlichen Körpers haben sich folgende Abmessungen als zweckmäßig erwiesen:

Durchmesser der Maske 22 25 bis 30 cm
wirksamer Durchmesser

derMaske32 12bisl5cm

Abmessungen der Detektorfläche 25 χ 30 cm

Zwischenraumabstände Si = 52 = 9 cm

Die Anzahl der auf den Masken 22 und 32 zweckmäßigerweise aufgebrachten Streifen 24 hängt von der Dicke und dem Material des Maskenmediums ab.

Das Detektorsystem 36 ist als im wesentlichen ebenes System dargestellt; es kann aber auch eine sphärische, zylindrische oder eine andere geometrische Oberflächenform aufweisen. Das Detektorsystem enthält bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Filmschicht 38, die zwischen zwei dünnen Schichten 40 aus Kristallmaterial, wie Cälsium-Jodid oder Kalzium-Wolframat angeordnet ist, welches beim Auftreffen von Gammastrahlung Licht-Szintillationen erzeugt. Eine abschließende Trägerplatte 42, vorzugsweise aus lichtreflektierendem Metall, trägt die Kristallschichten 40 und den dazwischenliegenden Film 38. Die Vorderfläche der der Trägerplatte 42 benachbarten Kristallschicht 40 kann auf der dem Film 38 gegenüberliegenden Seite ebenfalls mit einer dünnen Schicht aus lichtreflektierendem Material, etwa einer Aluminiumoder Silber-Oberflächenschicht, überzogen sein. Falls so gewünscht, kann auch die gesamte Anordnung aus Trägerplatte 42, Film 38 und Kristallschichten 40 zu einem einheitlichen Verband oder einer einheitlichen Kassette vereinigt werden.

Im Betrieb gelangen die Gammastrahlen von dem Gegenstand 20 durch die Masken 22 und 32 und durch die Kristallschichten 40. Ein Teil der Gammastrahlen erzeugt Licht-Szintillationen in der einen oder in der anderen der Kristallschichten, deren Intensität groß genug ist, um Flächenelemente des Films, die den die Licht-Szintillationen erzeugenden Kristallbereichen benachbart sind, zu belichten. Die Kristallschichten 40 sind vorzugsweise nur wenige Millimeter dick, so daß die Bildschärfe in dem auf den Film 38 aufgezeichneten Muster im Millimeterbereich liegt.

Obwohl sich der Film 38 vorzugsweise in einer Kassette befindet, ist er hier als Teil einer Filmrolle 44 dargestellt, die durch die Kristallschicht 40 hindurchgeführt wird, um den Verfahrensablauf zu verdeutlichen. Nach der Belichtung wird der Film 38 nach einem herkömmlichen Verfahren entwickelt, in dem er durch ein Entwicklerbad 46 geführt wird. Es kann ein beliebiger Entwicklungsgrad eingestellt werden. Der Film wird aber vorzugsweise so ausreichend entwickelt, daß ein maximaler Kontrast zwischen den Licht- und Dunkelzonen entsteht. Unterschiedliche Entwicklungsgrade können jedoch dafür verwendet werden, daß sich unterschiedliche Gesamtintensitäten des aufgenommenen Schättendiagraniitis hervorheben.

Der Film 38 wird dann zu einem Reduktionssystem 48 bekannter Art geführt, in dem das von einer geschliffenen Glasplatte bzw. Mattscheibe 52 ausgehende Licht einer Lichtquelle 50 durch den Film 38 hindurchstrahlt, wobei die Strahlen mittels einer Linse 54 auf der von der Lichtquelle 50 abliegenden Seite auf einen Film 58 fokussiert werden. Die Brennweite der Linse 54 ist so gewählt, daß die Lichtstrahlen beim Durchtritt durch den Film 58 konvergieren, so daß die Schattenbereiche des Filmes 38 in verkleinerter Form nuf den Film 58 projiziert werden, um den Film 58 zu belichten und ein Negativ des auf dem Film 38 entwickelten Musters in Verkleinerung auf dem Film 58 zu erzeugen.

Das auf den Film 58 übertragene Muster ist ausreichend verkleinert, so daß die Projektion der Streifenabstände des auf dem Film 38 aufgezeichneten Musters genügend eng ist, um einen starken Beugungsgrad des hindurchtretenden Strahlenbündels sichtbaren Lichtes zu erreichen. Damit läßt sich eine wesentliche Verbesserung der Bildwiedergabe sowohl unter dem Gesichtspunkt der Bildverzerrung als auch unter dem Gewichtspunkt der Bildschärfe oder der Intensität erzielen.

Der Film 58 kann, falls gewünscht, auch in Form einer Kassette vorliegen, doch ist hier eine Filmrolle dargestellt, um die nachfolgenden Verfahrensschritte zu verdeutlichen. Der Film 58 wird durch eine herkömmlicne Entwicklungs- und Bleicheinrichtung 60 geführt unr¹ kann von beliebiger, bekannter Art sein, so daß er nach dem Entwickeln im wesentlichen gleiche oder höhere Kontrastunterschiede hervorbringt, als der entwickelte Originalfilm 38. Anschließend kann der Film mit einem bekannten Filmbleichmittel behandelt werden, um die lichtabsorbierenden Bereiche (Zonen) jeweils in eine Substanz umzuwandeln, die eine Dicke und/oder einen Brechungsindex aufweist, die sich bzw. der sich jeweils von Bereich zu Bereich unterscheidet. Der Bleichvorjgang dient zum einen der Verbesserung der Lichtübertragung und ist zum anderen Teil eines Umwandlungsprozesses von einem Schattendiagrammuster, das durch nichtkohärente Strahlung erzeugt worden ist, zu einem lichtbrechenden System, das für eine Bildwiedergabe mit kohärentem Licht geeignet ist, wobei die Verringerung der Bildgröße zur weiteren Verbesserung der Qualität und der Klarheit des reproduzierten Bildes dient

Der Film 58 wird dann für die Rekonstruktion eines Bildes des Gegenstandes 20 mittels eines Wiedergabesystems 62 mit kohärentem Licht verwendet Das Wiedergabesystem 62, enthält eine Kohärent-Lichtquel-Ie 64, wie einen Helium-Neon-Laser, dessen Ausgangsstrahlung mittels einer Linse 66 auf eine Lochblende »68 fokussiert wird, um räumliche Störungen zu beseitigen. Das durch die Lochblende 68 projizierte Licht gelangt durch eine Sammellinse 70 und anschließend durch den entwickelten und gebleichten Film 58, wodurch der

Informationsgehalt des Bildes um einen Abstand r_r von der Mittellinie des Lochblenden- und Sammellinsensystems 68, 70 abgelenkt wird, so daß er durch eine öffnung mit einem Durchmesser dm einer Irisblende 72 tritt und als wiedergegebenes Bild in einer Bildebene eines beliebigen Detektorsystems, beispielsweise auf einer geschliffenen Glasplatte oder Mattscheibe 74 erscheint. Die Entfernung des Schirmes 74 kann in bezug auf den Film 58 geändert werden, um aus dem auf dem Film 38 aufgezeichneten Muster verschiedene Schichten hervorzubringen, entsprechend den jeweiligen verschiedenen Abständen des Gegenstandes 20 von dem Detektorsystem 36.

Die Größe der Öffnung dund deren Versetzung r_c mit Bezug auf die Irisblende 72 sind abhängig von dem Durchmesser der Masken 22 und 32 und von dem Abstand, um den die Mitte der Masken von dem Zentrum des Fresnel'schen Zonenmusters versetzt ist. Wenn beispielsweise der Durchmesser jeder der Zonenplatten gleich der Versetzung der Mitte jener Zonenplatten von der Mitte des zugehörigen Fresnel'schen Zonenmusters ist, so ist die Größe der Öffnung d in der Blende 72 vorzugsweise im wesentlichen gleich dem Versetzungsabstand r_c von der Mitte des Systems.

Die Irisblende 72 ist im wesentlichen in der Ebene angeordnet, in der das Licht aus der Lochblende 68 durch die Linse 70 fokussiert werden würde, wenn der Film 58 nicht vorhanden wäre. Diese Ebene kann als Fourier-Ebene bezeichnet werden. Es kann aber auch jeweils eine andere Lage für die Irisblende 72 und/oder für Mittel zum Absondern des gewünschten Bildes von Störeffekten und/oder unerwünschten Bildern gewählt werden.

Das auf dem Schirm 74 erzeugte Bild kann unmittelbar betrachtet werden, und/oder es können mehrere Bilder mittels einer Kamera 76 aus unterschiedlichen Entfernungen des Schirmes 74 von der Fourier-Ebene aufgenommen werden. Es kann auch eine Femseh-Aufnahmekamera verwendet werden, um das wiedergegebene Bild zu betrachten und/oder um Bilder im Speicher eines Rechners aufzuspeichern, aus dem, falls gewünscht, gleichzeitig dreidimensionale Ansichten des Gegenstandes 20 wiedergegeben werden können.

Es liegt im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens, daß einzelne Licht-Szintillationen aus den Kristallschichten 40 einen Bildpunkt (Teilgebiet) des Filmes nicht vollständig belichten. Auf diese Weise werden sich überdeckende Muster, die durch benachbarte Punktlichtquellen entstanden sind, im wesentlichen sämtlich mit einer optimalen Intensität aufgezeichnet und treten sehr selten Bedingungen auf, bei denen Bildpunkte (Teilgebiete) des Filmes vollständig belichtet sind, so daß zusätzliche Licht-Szintillationen, die nach einer derartigen vollständigen Belichtung noch auftreten, nicht mehr aufgenommen werden.

Der Film 38 ist für eine vorgegebene Belichtungszeit ausreichend dick, um eine vollständige Aufzeichnung ohne Sättigung zu erzielen, da Filmteile, die weitergehend belichtet sind, in der Reduktionsphase Iichtdurchlässig bleiben. Durch jene Teile, die noch lichtdurchlässig sind, gelangt der größte Lichtanteil, so daß der verkleinerte Film 58 ein Negativ des Originalfilmes 38 darstellt, wobei eine größere Schwärzung des Negativfilmes 58 verursacht ist. Jedoch führt dies nicht zu einer Verschlechterung der Bildintensität, da im wesentlichen a]le undurchlässigen Bereiche vollständig gebleicht sind, so daß man als Endergebnis eine geringfügige durchschnittliche Vergrößerung der Beugungseigenschaft des Filmes erhält.

Die wesentliche Signalverstärkung, die man durch die Verkleinerung des Formats des Filmes 58 mit Bezug auf den Film 38 erhält und der Bleichvorgang ermöglichen, daß dieses System für die Direktaufzeichnung von Schattendiagrammen verwendet werden kann. Gleichzeilig erhält man eine verbesserte Auflösung und Schärfe des hiervon abgeleiteten Bildes. Die Verbesserung der Bildschärfe ist abhängig von der Gesamtzahl der aufgezeichneten Impulse, die wiederum von der Belichtungszeit des Detektorsystems abhängt. Wegen der großen Zahl verfügbarer Impulse im Vergleich mit früheren Loch- oder Sammellinsenkameras können vergleichsweise dünne szintillierende Kristallschichten 40 verwendet werden, wodurch ein wesentlich größeres Auflösungsvermögen bei der Schattendiagramm-Aufzeichnung erzielt wird als dies bisher der Fall war. Daraus folgt, daß die Feinheit des Streifenabstandes des feinsten Streifens der zonenplattenförmigen Maske 32 im wesentlichen so groß gemacht werden kann, wie sich derartige Anordnungen praktisch herstellen lassen, wobei dann immer noch Muster auf die Aufnahmefläche projiziert werden, die innerhalb des räumlichen Frequenz-Durchlässigkeitsbereiches des Detektorsystems liegen. Beispielsweise kann man bei einer 20 :1 -Verkleinerung der Hologrammgröße vom Film 38 zum Film 58 eine hohe Bildschärfe eines Gegenstandes unter Verwendung eines hohen Energieniveaus von nichtkohärenter Strahlung aus einer in einem lebenden Gewebe untergebrachten Strahlungsquelle erhalten, wobei das durch Verwendung von kohärentem Licht durch den Bildumwandlungsprozeß hergestellte Bild schon mit dem bloßen Auge sichtbar ist

Nach einem älteren, der deutschen Offenlegungsschrift 23 22 612 zu entnehmenden Vorschlag gelangt die von dem zu untersuchenden Gegenstand ausgesandte Strahlung der Reihe nach durch einen periodischen Halbschattenschirm und einen aus der Mitte versetzten Ausschnitt einer Zonenplatte entsprechend einem Fresnel'schen Zonenmuster. Sowohl der Halbschattenschirm als auch die Zonenplatte sind so ausgebildet, daß die Streifen oder Zonen mit Bezug auf die Strahlung abwechselnd durchlässig und nichtdurchlässig sind. Ein derartiges System erzeugt ein kodiertes Schattendiagramm streng durch geometrisches Beschatten. Die Zonenplatte und der Halbschattenschirm weisen ein ausreichend grobes Gefüge auf, so daß keine wahrnehmbare Beugung erzielt wird. Bei sorgfältiger Auswahl der räumlichen Frequenzen erhält man ein genaues Moire'sches Streifenmuster auf dem Schattendiagramm oder der Bildebene. Obwohl dieses Streifenmuster mehr durch Beschattung als durch Beugung geformt worden ist, ist es einem Hologramm recht ähnlich. Die ursprünglich dreidimensionale Strahlungsquelle kann durch Belichtung eines von dem Schattendiagramm mit kohärentem Licht abgeleiteten Transparents rekonstruiert werden.

Die Entstehung des Moire'schen Streifenmusters wird durch Betrachtung der Strahlungswege besser verständlich. Unter der Annahme, daß der Abstand von dem Halbschattenschirm zu der Zonenplatte gleich dem Abstand der Zonenplatte zu der Bildebene und daß ferner die Raumfrequenz in der Mitte der Zonenplatte genau doppelt so groß wie die Frequenz des Halbschattenschirms ist, gibt es eine Steiie in der Bildebene, in der sich die lichtdurchlässigen Zonen in der Mitte der Zonenplatte auf die lichtdurchlässigen

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Streifen des Halbschattensehirms projizieren. Die zu diesem Punkt durch die Mitte der Zonenplatte übertragene Strahlung stelle eine Strahlungsmaximufn •lar. An einer benachbarten Stelle, in der sich die lichtdurchlässigen Mktelzonen auf nichtlichtdurcMässige Streifen projizieren, stellt die übertragene Strahlung ein Strahlungsminimum dar. Im allgemeinen wird ein Streifenmuster sowohl hinsichtlich Amplitude als auch hinsichtlich Phase der Streifen in Abhängigkeit von der Quellenverteilung gebildet.

Nach dem vorliegenden Vorschlag erhält man einen noch größeren Streifenkontrast dann, wenn der Halbschattenschirm als Zonenplatte ausgebildet ist und zweimal so groß ist wie die andere Zonenplatte. Die Streifenamplituile ist dann proportional der Fouriertransformation der Quelle multipliziert mit einem quadratischen Phasenfaktor, und sie ist einem Fraunhofer'schen Hologramm sehr ähnlich.

Das System mit zwei Zonenplatten weist verschiedene Vorteile auf Die deutlichsten Streifen treten in der Mitte des HoIi grammes auf. Wenn daher entweder das Auflösungsvermögen oder die Empfindlichkeit des Bilddetektors an dessen Randbereich abfällt, so geht vergleichsweise wenig an Informationen verloren.

Auf Grund der Fourier-Transformationseigenschaft können verschiedene räumliche Filtervorgänge durch Maskierung der Hologrammebene auf einfache Weise durchgeführt werden. Beispielsweise können niedrige räumliche Frequenzen durch Abdeckung der Mitte des Hologrammes unterdrückt werden. Da die Streifen eine makroskopische Struktur aufweisen, kann das Hologramm visuell geprüft werden, wobei die Bereiche, in denen der Streifenkontrast gering ist, abgedeckt werden können. Dieser Vorgang stellt eine grobe Annäherung an eine angepaßte Filtrierung dar und ermöglicht das Signal-Störungs-Verhältnis bei der Bildwiedergabe zu verbessern.

In dem obenerwähnten älteren Vorschlag ist ein Abbildungssystem beschrieben, mit dem nähere Einzelheiten von Gegenständen, wie Schilddrüsen, ohne Schwierigkeit mit einer Anzahl von räumlich getrennt angeordneten Lochgebilden abgebildet werden können, von denen eines einen Teil einer Fresnel'schen Zonenplatte und ein anderes eine streifenförmige Maske oder einen Halbschattenschirm mit gleichbleibender räumlicher Periodizität darstellen.

Eine Gamma-Kamera dieser Art benutzt einen aus der Mitte versetzten Teil einer Fresnel'schen Zonenplatte mit einem Streifenmuster solcher Art, daß die räumliche Mittelfrequenz des Zonenplattensegments fzpc und die räumliche Frequenz des Halbschattens f\n miteinander durch die Beziehung

1 ^

S₂ -f = S₂ + S₂

Jm

verknüpft sind, wobei S\ den Absiand des Streifenmusters von der Zonenplatte und S₂ den Abstand der Zonenplatte von der Abbildungs- oder Bildebene darstellen.

Wenn die Abstände s\ und S₂ vergleichbar sind mit oder kleiner sind als die Zonenplattenöffnungen und wenn die Zonenplattenringbereiche und Halbschatien-

■3 oder Streifenmuster eine Dicke aufweisen, die vergleichbar ist mit den Streifenabständen, so sind nur jene Gammastrahlen wirksam an der Belichtung des Filmes beteiligt, die ziemlich nahe bei der Normalen hindurchtreten, was durch den Effekt der Randunschärfe

ίο (Vignettierung) und auch durch die WR² Verluste begründet ist, weil Diagonalstrahlen einen weiteren Weg haben und schwächer sind.

Es wurde gefunden, daß die räumliche Frequenzanpassung der Zonenplatte und des Streifenmusters in den Feldrandbereichen nur knapp ausreichend ist, einerseits, weil die Zonenplatte und der Halbschattenschirm nicht parallel sind und andererseits, weil die Zonenplattenfrequenz und die Halbschattenschirmfrequenz in den Feldrandbereichen nicht aufeinander abgestimmt sind.

Das Ergebnis ist eine Ungleichförmigkeit des Feldes, wobei die Mitte des Feldes besser belichtet ist als dessen Randbereiche.

Gemäß dem vorliegend angegebenen Verfahren ist das gerade Streifenmuster durch eine weitere Zonenplatte solchen Maßstabes ersetzt, daß die Bedingungen für die räumliche Frequenzanpassung zufriedenstellend sind.

Brauchbare Ergebnisse können auch dann erzielt werden, wenn der Radius η des ersten Randbereiches einer jeden Zonenplatte der folgenden Verhältnisgleichung für die Frequenzanpassung genügt:

' 1 zp taking

Ί zp · 12 ton S₁ + S,

Da die beiden Zonenplatten die gleiche Funktion haben (bei geeignetem Maßstab) ist das Ergebnis die Korrelationsfunktion der beiden identischen Muster (abgesehen vom Maßstab). Wenn die Zonenplatten in ihren Abmessungen unendlich wären, wäre die Korrelation ein Impuls, der auf einer die Mitten der Zonenplatten miteinander verbindenden Linie läge. Bei Betrachtung der »Film«-Ebene erkennt man dalu.· die Fourier-Transformation der Gegenstandsebene.

Dem Fachmann bietet sich im Rahmen der Erfindung eine Anzahl von Weiterbildungs- und Abwandlungsmöglichkeiten. Beispielsweise können in dem System hervorgerufene Verzerrungen verringert werden durch die Reduktion der Filmgröße oder auch durch andere Mittel, wie Korrekturlinsen. Es kann auch eine Vielzahl anderer räumlich kodierender Muster, die keine Fresnel'schen Zonenmuster darstellen, verwendet werden. Die Bildwiedergabe kann von Rechnern unter Verwendung geeigneter Transformationsprogramme ausgeführt werden. Die Erfindung kann auch für die Herstellung von Abbildungen aus Schattenpartien von Organen verwendet werden, die Substanzen aufweisen, die eine Gammastrahlung absorbieren, die von einer Quelle außerhalb des lebenden Organismus austritt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung einer Abbildung unter Verwendung einer von einem räumlich ausgedehnten Objekt ausgehenden, im BOndelquerschnitt eine die Bildinformation enthaltende Intensitätsverteilung besitzenden Strahlung hoher Energie, bei welchem dieser Strahlung zur Erzeugung einer mit monochromatischem Licht bestrahlbaren und auswertbaren Zwischenaufzeichnung mittels einer Maskenanordnung über den Bündelquerschnitt eine räumliche Kodierung der Intensität entsprechend Fresnel'schen Zonen erteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kodierung mittels zweier längs der Verbindungslinie zwischen Objekt und einer Detektorfläche im Abstand voneinander angeordneter Kodierungsmasken mit Fresnel'schen Zonenmustern erzeugt wird, welche zu einer zur genannten Verbindungslinie parallelen Achse symmetrisch sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Abbildes eines Organs des lebenden Körpers die genannte Strahlung von diesem Organ nach Verabreichung eines Radiopharmazeutikums abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kodierungsmasken mit exzentrischen Ausschnitten von Fresnel'schen Zonenmustern verwendet werden.

4. Verfahre-! nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentren der Fresnel-Zonenmuster auf der genannten, zu der Detektorfläche im wesentlichen normalen Verbindungslinie gelegen sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Detektorfläche eine Umwandlung der Strahlung hoher Energie in solche niedrigerer Energie stattfindet

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung niedrigerer Energie aufgezeichnet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das sich an der Detektorfläche einstellende Aufzeichnungsergebnis zur Erzeugung der genannten Zwischenaufzeichnung verkleinert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Zwischenaufzeichnung ein Teil des die räumliche Kodierung aufweisenden Strahlenbündels bzw. ein Teil des an der Detektorfläche erzeugten Schattenbildes verwendet wird.

9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Träger (30) zur Halterung der Kodiert;ngsmasken (22, 32) in bestimmtem gegenseitigen Abstand im Raum zwischen dem Objekt (20) und einer Detektorfläche (36,38).

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kodierungsmasken (22,32) Unterschiedliche Größe besitzen.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die" Fresnel-Zonenmuster der Kodierungsmasken (22, 32) unterschiedliche Brefinweiten besitzen,

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch eine solche Halterung der

Kodierungsmasken (22, 32), daß die Zentren ihrer Fresnel-Zonenmuster auf einer zur Detektorfläche (38) im wesentlichen normalen Achse liegen.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse etwa auf die Mitte der Detektorfläche trifft

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kodierungsmasken (22, 32) so bemessen und angeordnet sind, daß Fluchtlinien von der Mitte der Detektorfläche (36, 38) aus durch entsprechende Stellen der Zonenplatten verlaufen.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß an der Detektorfläche (36,38) ein Wandlermittel (40) zur Umwandlung der Strahlung hoher Energie in solche niedrigerer Energie vorgesehen ist