DE2517440A1

DE2517440A1 - Anordnung zur ermittlung der absorption einer strahlung in einer ebene eines koerpers

Info

Publication number: DE2517440A1
Application number: DE19752517440
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Kowalski
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1975-04-19
Filing date: 1975-04-19
Publication date: 1976-10-28
Also published as: GB1551272A; DE2517440B2; DE2517440C3; US4075490A; FR2308111B1; BE840888A; ES447125A1; FR2308111A1; CA1047173A; JPS51128286A; IT1058155B

Description

PHILIPS PATENTVERVJALTUNG GMBH, 2000 HAMBURG 1, STEINDAMM 94

"Anordnung zur Ermittlung der Absorption einer Strahlung in

einer Ebene eines Körpers"

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Es ist bekannt (DT-OS 1 941 433), die räumliche Verteilung der Absorption von Strahlung in einer Ebene eines Körpers dadurch zu ermitteln, daß Mittels eines Strahlers und eines hinter dem Körper angeordneten, auf den Strahler ausgerichteten Detektors die Absorption der Strahlung durch den Körper in einer Vielzahl von Richtungen und an einer Vielzahl von

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6 0 9 8 U L I 1 O'O 9

Meßorten gemessen wird. Bei einem solchen Meßvorgang wird das System Strahler - Detektor senkrecht zur Strahlrichtung verschoben und die Absorption an einer Vielzahl von unmittelbaren nebeneinander liegenden Punkten gemessen. Anschließend wird das System Strahler - Detektor um einen bestimmten Winkel gedreht, wonach sich der gleiche Vorgang wiederholt usw. Aus den dabei ermittelten Meßwerten, die jeweils ein Maß für das Integral der Absorption längs der Verbindungsgeraden Strahler - Detektor darstellen, läßt sich die Absorption in den einzelnen Punkten der Ebene errechnen.

Zwar ist die Berechnung bei einem solchen Gerät relativ genau, jedoch beträgt die zur Erfassung der benötigten Meßwerte erforderliche Zeit mehrere Minuten, so daß hiermit nur solche Körper bzw. Körperteile untersucht werden können, die absolut unbeweglich gehalten werden können, da anderenfalls Bewegungsunschärfen unvermeidlich sind.

Es ist (z.B. aus der DT-OS 2 426 343) bekannt, daß mit einer Vielzahl von Detektoren, die das keilförmig ausgeblendete Strahlenbündel eines Strahlers hinter dem Untersuchungsobjekt erfassen, die erforderlichen Messungen wesentlich schneller durchgeführt werden können, weil eine Vielzahl von Meßwerten gleichzeitig ermittelt werden kann. Die Meßwerte stellen dabei ein Maß für das Integral der Absorption längs Geraden bzw. Streifen dar, die nicht parallel zueinander verlaufen, sondern sich in einem Punkte (am Ort des Strahlers) schneiden. Die anhand der so ermittelten Meßwerte durchgeführte Berechnung der Absorption in den einzelnen Punkten der Untersuchungsebene ist relativ ungenau, weil die bisher bekannten Algorithmen zur Berechnung der Absorption darauf basieren, daß die Strahlung das Untersuchungsobjekt längs paralleler Geraden bzw. Streifen passiert.

Um eine Berechnung ohne Verlängerung der für die Messung erforderlichen Zeit ,entsprechend den bekannten Anordnungen

6 0 9 8 44/1 O'O 9 . ~ ³ ~

(DT-OS 1 941 433) mit nur einem Detektor, zu ermöglichen, ist vorgeschlagen worden (P 25 11 231.6), aus den durch eine Mehrzahl von Detektoren gewonnenen Meßwerten durch Interpolation die Integralwerte der Absorption längs sich kreuzender Scharen paralleler Geraden zu ermitteln. Diese Interpolationen sind einerseits nicht ganz exakt und benötigen andererseits Rechenzeit sowie Speicherplätze.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art, bei der also die keilförmig ausgeblendete Strahlung des Strahlers von einer Vielzahl von Detektoren gemessen wird, so auszubilden, daß die Integralwerte der Absorption längs sich kreuzender Scharen paralleler Streifen relativ einfach zu ermitteln sind. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem auch die geometrischen Verhältnisse ableitbar sind,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Winkelstellung der Verbindungsgeraden zwischen dem Strahler und den einzelnen Detektoren,

Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist die Anordnung prinzipiell und schematisch dargestellt. Eine Strahlenquelle F und eine Gruppe von Detektoren (hier werden der Anschaulichkeit halber nur 5 angenommen) D^ bis Dc, die die von der Strahlenquelle keilförmig ausgeblendete Strahlung hinter dem Objekt 0 erfassen, drehen sich gemeinsam um einen Mittelpunkt M, der vorzugsweise ungefähr im Zentrum des Objektes 0 liegt. In der Zeichnung sind die geometrischen Verhältnisse im Zeitpunkt t = 0 dargestellt. Die Winkel zwischen der Verbindungsgeraden F-D^

BO 9 8 A A / 1 HO 9 " ⁴ "

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und den anderen Verbindungsgeraden F - Dp...F - D,- sind mit ψ ρ· · · Ψ ei bezeichnet und sind durch die Bauweise vorgegeben und konstant; ⁴^ ist demnach immer Null. Der Einfachheit halber sind zwischen dem Strahler und der Mitte der Detektoren Verbindungsgeraden angenommen v/orden. In Wirklichkeit handelt es sich hierbei um jeweils ein schmales Strahlenbündel, dessen Öffnungswinkel durch die Breite eines Detektors bestimmt ist; außerdem sind die"Detektoren in der Praxis nebeneinander angeordnet, so daß das gesamte Strahlungsfeld erfaßt werden kann.

Die Drehwinkel der einzelnen Verbindungsgeraden, bezogen auf ein festes, aber beliebiges Bezugssystem x, y, sind mit J^... J bezeichnet. Diese Drehwinkel ändern sich bei der Drehung des Systems mit der gemeinsamen WinkeIgeschwindigkeit«JTL= in gleicher Weise. Die einzelnen Strahlen werden weiterhin durch ihre Abstände r,,...r,- vom Mittelpunkt definiert. Diese Abstände sind ebenfalls durch die Bauweise vorgegeben und konstant.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Drehwinkel für die einzelnen Detektoren. Da sich alle Winkel mit der gleichen (zunächst als konstant angenommenen) Winkelgeschwindigkeit ändern, entstehen parallele Geraden, die um die Winkel Y₁... fe zwischen den Verbindungsgeraden F - D^...F - Dcgegeneinander
verschoben sind. Um die Meßwerte für alle Detektoren bei

einem vorgegebenen Winkel ν _Λ zu erhalten, müssen die

AA

Detektoren zu den zugehörigen Zeitpunkten t,, ...te- abgetastet werden, wobei die Zeitunterschiede definiert sind durch

-.» - 1—5 (D .

Die so gewonnenen Meßwerte entsprechen den Integralwerten der Absorption längs paralleler Geraden, die vom Mittelpunkt

— 5 —

ß 0 9 HU /♦ / 1 (J f) y

den Abstand τ^.,.τ^. haben. Zur Erfassung der Integralwerte einer weiteren parallelen Schar, die die erste unter einem Winkel if * - $ _B schneidet, müssen die Meßwerte bei dem Drehwinkel 3" _Ώ ermittelt werden. Zu diesem Viert werden die Meßwerte, d.h. die Ausgangssignale der Detektoren D^...D₁-zu Zeitpunkten abgetastet, die um die Zeitdifferenz ($. - J* -p)/Sli gegenüber den Abtastzeitpunkten von t^ . ..t,-verschoben sind. Die Zeitunterschiede zwischen den Abtastzeitpunkten jeweils eines Satzes von Meßdaten bleiben dabei konstant. Deshalb ist es mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung möglich, die Ausgangssignale der Detektoren so zu verarbeiten, daß jeweils die Integralwerte der Absorption der Strahlung längs sich kreuzender Scharen paralleler Streifen erhalten werden.

Zu diesem Zweck ist jedem Detektor ein Verzögerungsglied V*...V; nachgeschaltet; lediglich das Ausgangssignal des Detektors D,- muß nicht verzögert werden, wenn davon ausgegangen wird, daß das System Strahler - Detektoren in Richtung des Pfeiles P gedreht wird. Die durch die Verzögerungsglieder V^... .V/ bewirkten Verzögerungen sind unterschiedlich und so bemessen, daß sie der Zeit entsprechen, die das System benötigt, bis die Verbindungsgerade zwischen dem Strahler F und dem Detektor D₅ die gleiche YJj nke Is te llung einnimmt wie die Verbindungsgerade des Strahlers F mit einem der anderen Detektoren D.....D. . Die erforderliche Verzögerungszeit berechnet sich nach Gleichung (1). Danach muß beispielsweise die Verzögerungszeit & t^-z des den Detektoren D-* nachgeschalteten Verzögerungsgliedes V, dem Ausdruck At₁-, = ζtp — tf,)/,/!» entsprechen. Unter dieser Voraussetzung stehen am Ausgang der Verzögerungsglieder V₁...V^ bzw. am Ausgang von Dp- Meßwerte, die die Integralwerte der Absorption längs paralleler Geraden (mit unterschiedlichen Abständen vom Mittelpunkt 0) darstellen.

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" ⁶ ". 2517 44η

Den Verzögerungsgliedern V,,...V. und dem Detektor 5 ist je ein Abtastglied A^...A^ nachgeschaltet. Die Abtastglieder A^...A_r tasten aas ihnen zugeführte Signal simultan ab, so daß an den Ausgängen der Abtastglieder A₁.. .A,- jeweils ein Satz von Meßwerten ansteht, der den Integralwerten der Absorption längs einer Schar paralleler Streifen entspricht, Alle Abtastglieder werden durch einen zentralen' Takt mit einer Taktzeit

iA4säS etc. (2)

angesteuert.

Die Taktzeit entspricht also immer der Zeit, die das System Strahler - Detektoren für eine Drehung um den Winkelt™ -v ^ benötigt, wobei^-g und-$*. jeweils die Winkel sind, unter denen sich die benachbarten parallelen Scharen schneiden.

Zweckmäßigerweise ist der Strahler während der gesamten Messung ständig eingeschaltet. Das den Abtasteinrichtungen A. .. .A,- zugeführte Signal wird dabei tiefpaßgefiltert, wie in der älteren Anmeldung P 25 03 789 beschrieben.

Grundsätzlich können die Verzögerungsglieder V^...V^ den Abtastgliedern A^...A/ nachgeschaltet sein. Das bedeutet aber, daß ein Verzögerungsglied mehrere Abtastsignale gleichzeitig verzögern muß, wenn die Verzögerungszeit größer ist als die Taktzeit, was im allgemeinen der Fall ist, weil der Winkel zwischen zwei benachbarten Scharen paralleler Streifen kleiner ist als beispielsweise der Winkel Tc zwischen P-D^

und F-Dc.
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Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung hat den Nachteil, daß bei nicht konstanter Winkelgeschv/indigkeit ein Meßfehler

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auftritt, wenn die Verzögerungszeitc-n nicht entsprechend nachgeregelt werden. Eine Nachregelung der Vorzögerungszeit kontinuierlich verzögerter analoger Signale ist jedoch technisch sehr schwierig.

In Fig. 3 ist eine Lösung dargestellt, die diese Schwierigkeiten umgeht. Sie basiert darauf, daß die Gesamtverzögerung aufgeteilt wird in ein ganzzahliges Vielfaches der Taktzeit ΔT und einem Rest, der einem Bruchteil von ^T entspricht. Die Verzögerung um ein ganzzahliges Vielfaches (N.....N₁-) der TaktzeitΔΤ kann durch eine getaktete Verzögerung erfolgen, z.B. durch ein analoges oder digitales Schieberegister. Bei Verwendung eines digitalen Schieberegisters ist ein Analog-Digital-Wandler vor jedem Schieberegister einzufügen. Diese Vielzahl von Analog-Digital-Wandlern kann durch einen einzigen, aber schnellen Analog-Digital-Wandler ersetzt werden, wenn die Umwandlung zeitmultiplex erfolgt. In diesem Fall muß hinter der Abtasteinheit ein analoges Element eingefügt werden, das den analogen Abtastwex"t kurzzeitig beibehält (z.B. ein Sample-and-HoId-Element).

In Fig. 3 ist jedem Detektor D^...D^ ein Abtastglied A₁...A₁-nachgesehaltet, wobei die Ausgangssignale der Abtastglieder A₁...A. durch je eine getaktete Verzogerungsschaltung V^'...V^¹ verzögert werden. Der Rest der Verzögerung wird dadurch erreicht, daß das Taktsignal zur Ansteuerung der Abtasteinheiten A₁...A^ durch Verzögerungsglieder T₁.. .^verzögert wird um die Zeitdifferenz

N_n ΔΤ - At_5n η = 1...5 (3).

Eine Verzögerung des Abtastzeitpunktes bedeutet eine scheinbare Verringerung der Signalverzögerung. Deshalb muß die Ver zögerung des Signals in den Verzögerungselementen V₁'...V^¹ größer sein als die gewünschte Verzögerung, d.h.

H 0 9 ft A A / 1 ίΗ) Η

ORIGINAL INSPECTED

2 51 7 4 A f.)

N„ > At /Δ T - (ψ - - T /^ ^>Ν - 1 (4).

Die Takt .signale werden hierbei aus dem mechanischen Aufbau abgeleitet, d.h., jedesmal, wenn das System Strahler Detektoren um einen bestimmten Winkel (z.B. i/ ^ - V _ß) gedreht worden ist, wird ein Taktimpuls erzeugt. Hierbei machen sich Schwankungen in der Drehgeschwindigkeit des Systems Strahler - Detektoren zwar auch noch bemerkbar, jedoch ist der dadurch bewirkte Fehler wesentlich kleiner als bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform. Der Einfluß von Schwankungen der Drehgeschwindigkeit ist um so geringer, je kleiner die Verzögerungszeit eines Verzögerungsgliedes (z.B. T/) im Vergleich zu dem der Abtasteinrichtung nachgeschalteten getakteten Verzögerungselement V^¹ ist. Zudem kann die Verzögerungszeit mit einfachen Mitteln nachgeregelt werden, v/eil es sich hierbei um die Verzögerung eines digitalen Signals handelt. - Die zusätzliche Verschiebung des Abtastzeitpunktes um weniger als eine Taktzeit kann bei stark schwankender Winkelgeschwindigkeit jedoch auch fehlerfrei durch Signale geschehen, die am mechanischen Aufbau abgenommen werden. Dann wären jedoch statt einer Signalspur, die die Taktzeit vorgibt, eine Vielzahl notwendig, die mechanisch gegeneinander verschoben sind.

Aus Gleichung (4) ergibt sich, daß es von Vorteil ist, wenn die Winkeldifferenzen, z.B. ^3 - ¹Z?' ^einem ganzzahligen Vielfachen der gewünschten Änderung des Drehwinkels Δ ν entsprechen. Dann gilt nämlich At₅ = N_n Δ T, d.h. die gesamte Verzögerung wird in den getakteten Verzögerungselementen V₁'...V^¹ vorgenommen und die Verzögerungsglieder T^...T/ können entfallen. Setzt man hierbei weiter voraus, daß der Wirtschaftlichkeit halber alle Detektoren die gleiche Meßfläche haben und unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, dann müssen die Detektoren auf einem Kreis angeordnet sein, in dessen Mittelpunkt sich der Strahler befindet. - Wenn

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hingegen/^ */ ein ganzzahliges Vielfaches des Differenzwinkels f - V* «ή (m = 5...2) ist, können ganze Gruppen von Abtastgliedem mit dem gleichen verzögerten Takt angesteuert v/erden, da dieser stets nur um ganzzahlige Teile der Taktzeit verzögert zu werden braucht.

Bei der Berechnung der Absorption in einzelnen Punkten der Ebene ist es von großer Bedeutung, daß die Abstände zwischen den parallelen Geraden bzv/. Streifen, längs derer die Absorption gemessen wurde, einander gleich sind. Das bedeutet (Fig. 1), daß beispielsweise r_r - r^ = r, - r^ (r, = 0) sein muß. Unter der Voraussetzung, daß alle Detektoren gleiche Meßflächen haben und aneinander grenzen, ist diese Bedingung dann erfüllt, wenn die Detektoren auf einem Kreis angeordnet sind, auf dessen Peripherie auch die Strahlenquelle liegt, wenn man wieder voraussetzt, daß alle Detektoren die gleiche Meßfläche haben und unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.

Wird die Rekonstruktion des Bildes in einem Elektronenrechner vorgenommen, der die Meßwerte bzw. die daraus durch Verzögerung erhaltenen Integralwerte speichert und der einen beliebigen Zugriff zu diesen Werten hat, sind die getakteten Verzögerungsglieder bzw. Elemente (V^'...V^') nicht erforderlich. Diese können durch entsprechend modifizierte Adressierung der Speicherplätze ersetzt v/erden, da ja sämtliche Meßwerte, die in diese getakteten Verzögerungsglieder bzw. Elemente eingespeist werden, auch, in den Rechner gelangen - bei Verzicht auf diese Verzögerungselemente bzw. -glieder jedoch in einer anderen Reihenfolge.

PATENTANSPRÜCHE:

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Claims

2 517 PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung zur Ermittlung der Absorption einer Strahlung in einer Ebene eines Körpers unter Verwendung eines Strahlers, dessen keilförmig ausgeblendete Strahlung den Körper durchsetzt und von einer Anzahl nebeneinander angeordneter Detektoren gemessen wird, wobei das System Strahler - Detektoren in bezug auf den Körper während der Messung gedreht wird und die Errechnung der Absorption unter Verwendung von längs sich kreuzender Scharen paralleler Streifen ermittelter Integralwerte der Absorption erfolgt, gekennzeichnet durch Mittel zur Abtastung der von den Detektoren (D,,...D^) gelieferten Signale zu unterschiedlichen Zeitpunkten und/oder zur unterschiedlichen Verzögerung dieser Signale.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Detektoren (D^...D^) Verzögerungsglieder (V^...V^) und Abtastglieder (A^...A^) nachgeschaltet sind, wobei die Verzögerungsglieder (V₁...V^) unterschiedliche Verzögerungszeiten aufweisen und die Ausgangssignale der Verzögerungsglieder simultan abgetastet werden.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Detektoren (D. ...D₁-) Verzögerungsglieder mit jeweils unterschiedlicher Verzögerung nachgeschaltet sind, und daß eine Zeitmultiplexeinheit die Ausgangssignale der Verzögerungsglieder abtastet.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Detektoren (Ώ^.,.Ώ^) Abtasteinrichtungen (A^...Ar) zugeordnet sind, die von Verzögerungsgliedern (T,,...T^) gesteuert werden, deren Verzögerungszeiten kleiner oder gleich der Taktzeit ( A T) sind, und daß die Ausgänge der Abtasteinrichtungen (A*...A.) mit getakteten Verzögerungselementen (V^'...V^') verbunden sind, deren Verzögerungszeiten ein

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ganzzahliges Vielfaches (N_n; η = 1...5) der Taktzeit ( Αϊ) ist, wobei die Taktzeit die Zeit ist, die das System
Strahler (F) - Detektoren (D₁...D_r) zur Drehung um den
Winkel (z.B. «Γ a - ^g' benötigt, der zwischen zwei Scharen paralleler Geraden bzw. Streifen besteht.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktzeit ( Δ T) aus der Drehbewegung des Systems
Strahler (F) - Detektoren (D₁...D₅) abgeleitet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsglieder zur Verzögerung des Abtastzeitpunktes durch Signalspuren an der mechanischen Anordnung
des Systems Strahler - Detektoren steuerbar sind, die gegenüber der Signalspur zur Erzeugung des eigentlichen Taktsignals geringfügig versetzt sind.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung der Verzögerungsglieder (T₁...^) in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit steuerbar ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit aus der Signalspur auf der mechanischen Anordnung ableitbar ist.

9. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die getakteten Verzögerungselemente durch eine entsprechend modifizierte Programmierung (Adressierung) des Elektronenrechners ersetzt werden, der die abgetasteten Werte zur
Rekonstruktion der Bilder übernimmt.

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