DE2517440C3

DE2517440C3 - Anordnung zur Ermittlung der Absorption einer Strahlung in einer Ebene eines Körpers

Info

Publication number: DE2517440C3
Application number: DE2517440A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr. 2000 Hamburg 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: 1981-11-19
Also published as: CA1047173A; FR2308111B1; JPS51128286A; DE2517440A1; FR2308111A1; BE840888A; ES447125A1; US4075490A; DE2517440B2; GB1551272A; IT1058155B

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Es ist bekannt (DE-OS 19 41433), 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 Viefzahl von Richtungen und an einer Vielzahl von 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 DE-OS 24 26 343) 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 bekann-

W) ten Anordnungen (DE-OS 19 41433) mit nur einem Detektor, zu ermöglichen, ist vorgeschlagen worden (DE-OS 25 11 231), aus den durch eine Mehrzahl von Detektoren gewonnenen Meßwerten durch Interpolation die Integralwerte der Absorption längs sich

i>"' ' reuzender Scharen paralleler Geraden zu ermitteln. iJiese 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 zeigt

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

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der Winkelstellung der Verbindungsgeraden zwischen dem Strahler und den einzelnen Detektoren,

F i g. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In F i g. 1 ist die Anordnung prinzipiell und schematisch dargestellt Eine Strahlenquelle Fund eine Gruppe von Detektoren (hier werden der Anschaulichkeit halber nur 5 angenommen) D\ bis Ds, die die von der Strahlenquelle keilförmig ausgeblendete Strahlung hinter dem Objekt O erfassen, drehen sich gemeinsam um einen Mittelpunkt M, der vorzugsweise ungefähr im Zentrum des Objekts O liegt In der Zeichnung sind die geometrischen Verhältnisse im Zeitpunkt t = 0 dargestellt. Die Winkel zwischen der Verbindungsgeraden so F—D\ und den andeien Verbindungsgerader. F-Eh.-- F— Ds sind mit ψ2-..ψ5 bezeichnet und sind durch die Bauweise vorgegeben und konstant: φι ist demnach immer Null. Der Einfachheit halber sind zwischen dem Strahler und der Mitte der Detektoren Verbindungsgeraden angenommen worden. 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 #1... #5 bezeichnet. Diese Drehwinkel ändern sich bei der Drehung des Systems mit der

gemeinsamen Winkelgeschwindigkeit Ω = -^- in gleicher Weise. Die einzelnen Strahlen werden weiterhin durch ihre Abstände η ... rs vom Mittelpunkt definiert. Diese Abstände sind ebenfalls durch die Bauweise % vorgegeben und konstant.

F i g. 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 Gera- <-,5 den, die um die Winkel q>\...q>s zwischen den Verbindungsgeraden F-Dj ... F-Ds gegeneinander verschoben sind. Um die Meßwerte für alle Detektoren bei einem vorgegebenen Winkel #4 zu erhalten, müssen die Detektoren zu den zugehörigen Zeitpunkten t\^A ... wi ts^A abgetastet werden, wobei die Zeitunterschiede definiert sind durch

hi.Fi =

(I) den, die vom Mittelpunkt Oden Abstand η ... rs haben. Zur Erfassung der Integralwerte einer weiteren parallelen Schar, die die erste unter einem Winkel Ua-Ub schneidet, müssen die Meßwerte bei dem Drehwinkel #_fl ermittelt werden. Zu diesem Wert werden die Meßwerte, d. h. die Ausgangssignale der Detektoren D\... D5 zu Zeitpunkten abgetastet, die um die Zeitdifferenz (ΰ_Α - &b)I® gegenüber den Abtastzeitpunkten von t\^A ... h^A verschoben sind. Die Zeitunterschiede zwischen den Abtastzeitpunkten jeweils eines Satzes von Meßdaten bleiben dabei konstant Deshalb ist es mit der in F i g. 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\ ...Vt, nachgeschaltet; lediglich das Ausgangssignal des Detektors Ds muß nicht verzögert werden, wenn davon ausgegangen wird, daß das System Strahler — Detektoren in Richtung des Pfeiles P gedreht wird. Die durch die Verzögerungsglieder Vi... V₄ 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 D-, die gleiche Winkelstellung einnimmt wie die Verbindungsgerade des Strahlers F mit einem der anderen Detektoren D₁... D4. Die erforderliche Verzögerungszeit berechnet sich nach Gleichung (1). Danach muß beispielsweise die Verzögerungszeit At^ des den Detektoren P₁ nachgeschalteten Verzögerungsgliedes V3 dem Ausdruck

entsprechen. Unter dieser Voraussetzung stehen am Ausgang der Verzögerungsglieder Vi... V₄ bzw. am Ausgang von Ds Meßwerte, die die Integralwerte der Absorption längs paralleler Geraden (mit unterschiedlichen Abständen vom Mittelpunkt Ctydarstellen.

Den Verzögerungsgliedern Vi... V4 und dem Detektor 5 ist je ein Abtastglied A\... As nachgeschaltet. Die Abtastglieder A\... As tasten das ihnen zugeführte Signal simultan ab, so daß an den Ausgängen der Abtastglieder Λ^ ... As 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

ir =

u_c - ΰ_Β

*- etc.

Die so gewonnenen Mebwerte entsprechen den Integralwerten der Absorption längs paralleler Geraangesteuert.

Die Taktzeit entspricht also immer der Zeit, die das System Strahler — Detektoren für eine Drehung um den Winkel Ub—Ua benötigt, wobei fte und #4 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\ ... Ar, zugeführte Signal wird dabei tiefpaßgefiltert, wie in der älteren Anmeldung DE-OS 25 03 789 beschrieben.

Grundsätzlich können die Vcrzögerungsglieder K1...V4 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 q>s zwischen F-D₁ und F-D₅.

Die in Fig.] dargestellte Anordnung hat den > > Nachteil, daß b nicht konstanter Winkelgeschwindigkeit ein Meßfehler auftritt, wenn die Verzögerungszeiten nicht entsprechend nachgeregelt werden. Eine Nachregelung der Verzögerungszeit kontinuierlich verzögerter analoger Signale ist jedoch technisch sehr in 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 Δ T und einem Rest, der einem !5 Bruchteil von Δ T entspricht. Die Verzögerung um ein ganzzahliges Vielfaches (N]... Ns) der Taktzeit ΔΤ 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 Abtastwert kurzzeitig beibehält (z. B. ein Sample-and-HoId-Element).

In F i g. 3 ist jedem Detektor D\... Ds ein Abtastglied A\... Ai nachgeschaltet, wobei die Ausgangssignale der Abtastglieder A\... At durch je eine getaktete Verzögerungsschaltung Vi' ... V₄' verzögert werden. Der Rest der Verzögerung wird dadurch erreicht, daß das Taktsignal zur Ansteuerung der Abtasteinheiten A] ... Ai durch Verzögerungsglieder Γι... Ώ verzögert wird um die Zeitdifferenz

IT-

η = 1...5.

(3)

Eine Verzögerung des Abtastzeitpunktes bedeutet eine scheinbare Verringerung der Signalverzögerung. Deshalb muß die Verzögerung des Signals in den Verzögerungselementen VV ... V₄' größer sein als die gewünschte Verzögerung, d. h.

.V„> U₅

(4)

kungen in der Drehgeschwindigkeit des Systems Strahler —Detektoren zwar auch noch bemerkbar, jedoch ist der dadurch bewirkte Fehler wesentlich kleiner als bei der in Fi g. 1 dargestellten Ausführungsform. Der Einfluß von Schwankungen der Drehgeschwindigkeit ist um so geringer, je kleiner die Verzögerungszeit eines Verzögerungsgliedes (z. B. T₄) im Vergleich zu dem der Abtasteinrichtung nachgeschalteten, getakteten Verzögerungselement V₄' ist. Zudem kann die Verzögerungszeit mit einfachen Mitteln nachgeregelt werden, weil 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. 9)3 — 9)2. einem ganzzahligen Vielfachen der gewünschten Änderung des Drehwinkels Δ& entsprechen. Dann gilt nämlich Δ ti„ — ΝηΔ T, d. h. die gesamte Verzögerung wird in den getakteten Verzögerungselementen VV ... V₄' vorgenommen und die Verzögerungsglieder 71... Ta 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 hingegen Δ$ ein ganzzahliges Vielfaches des Differenzwinkels q>_m—g>_OT_i (m = 5... 2) ist, können ganze Gruppen von Abtastgliedern mit dem gleichen verzögerten Takt angesteuert werden, 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 bzw. Streifen, längs derer die Absorption gemessen wurde, einander gleich sind. Das bedeutet (Fig. 1), daß beispielsweise

r<,-r< = n-

= 0)

Die Taktsignale werden hierbei aus dem mechani- sein muß. Unter der Voraussetzung, daß alle Detektoren

sehen Aufbau abgeleitet, d. h.. jedesmal, wenn das gleiche Meßflächen haben und aneinander grenzen, ist

System Strahler - Detektoren um einen bestimmten 50 diese Bedingung dann erfüllt, wenn die Detektoren auf

Winkel (z.B. ö_A-ö_B) gedreht worden ist, wird ein _ej_nem Kreis angeordnet sind, auf dessen Peripherie

Taktimpuls erzeugt. Hierbei machen sich Schwan- auch die Strahlenquelle liegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

\. 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 eine Takteinrichtung, die eine Abtasteinrichtung (A^... /\₅) zur Abtastung der von den Detektoren (Di... D₅) gelieferten Signale steuert und durch eine Verzögerungsschaltung mit einer Anzahl von Verzögerungsgliedern (Vi... V4; Vi'... VV) zur unterschiedlichen Verzögerung dieser Signale, wobei die Takteinrichtung und die Verzögerungsschaltung so aufgebaut sind, daß die Detektorsignale jeweils einer der Scharen paralleler Streifen zur Bildung der Integralwerte der Absorption zusammengefaßt werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsglieder (Vi... Vt) so aufgebaut sind, daß ihre Verzögerungszeiten denjenigen Zeiten entsprechen, die das System Strahler (F) — Detektoren (Di... D5) benötigt, bis das vom Strahler (F) zu einem der Detektoren (D5) verlaufende Strahlenbündel die gleiche Winkelstellung einnimmt, wie die jeweiligen vom Strahler (F) zu einem der anderen Detektoren (A ... Ä) verlaufenden Strahlenbündel und die Takteinrichtung so aufgebaut ist, daß die Abtastung simultan zu einer Taktzeit erfolgt, die der Zeit entspricht, die das System Strahler (F) — Detektoren (A ... D₅) für die Drehung um jeweils einen Winkel benötigt, der zwischen zwei Scharen paralleler Streifen besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschaltung eine getaktete Verzögerungsschaltung ist, die zu Zeiten getaktet wird, welche solchen ganzzahligen Vielfachen einer Taktzeit — die das System Strahler (F) — Detektoren (Di... D5) für die Drehung um einen bestimmten, zwischen zwei Scharen paralleler Streifen bestehenden Winkel benötigt — entsprechen, die mindestens so groß sind wie die jeweils gewünschte Verzögerungszeit und daß die Takteinrichtung für die Abtastglieder (A\ ...As) so aufgebaut ist, daß sie die Abtastung um eine dem jeweiligen ganzzahligen Vielfachen der Taktzeit weniger der jeweils gewünschten Verzögerungszeit entsprechenden Zeitdifferenz verzögert.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktimpulse der Takteinrichtung aus der Drehbewegung des Systems Strahler (F) — Detektoren (Di ...Ds) abgeleitet sind.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der mechanischen Anordnung des Systems Strahler (F) — Detektoren (Di... D₅) erste Signalspuren zur Steuerung der Takteinrichtung für die Abtastglieder (A\ ... As) vorgesehen sind und daß eine zweite Signalspur zur Erzeugung des eigentlichen Taktsignals gegenüber den ersten Signalspuren geringfügig versetzt angeordnet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Steuerung der Takteinrichtung für die Abtastglieder (A\... As) in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit des Systems Strahler (F) — Detektoren (Di... D₅).
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Takteinrichtung für die Abtastglieder durch eine auf der mechanischen Anordnung des Systems Strahler (F) - Detektoren (D, ...D₅) aufgebrachte Signalspur gesteuert ist