DE2559427C3

DE2559427C3 - Vorrichtung zur Untersuchung eines Körpers mittels durchdringender Strahlung

Info

Publication number: DE2559427C3
Application number: DE2559427A
Authority: DE
Inventors: Godfrey Newbold Winthorpe Newark Nottinghamshire Hounsfield
Original assignee: EMI Ltd., Hayes, Middlesex
Priority date: 1974-01-31
Filing date: 1975-01-29
Publication date: 1987-12-03
Also published as: NL174700B; FR2273439B1; JPS6147539B2; FR2273439A1; DE2559427A1; DE2559427B2; GB1493594A; DE2503980A1; NL174700C; JPS50109782A; DE2503980B2; JPS5436037B2; JPS5538185A; NL7501207A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Körpers mittels durchdringender Strahlung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der aus der DE-OS 19 41 433 bekannten Anordnung wird Strahlung von einer äußeren Strahlenquelle in Form eines engen Strahlenbündels durch einen Teil des Körpers geleitet. Das Strahlenbündel wird einer Abtastbewegung unterworfen, so daß dieses der Reihe nach eine große Zahl unterschiedlicher Richtungen und Lagen einnimmt, und ein Detektor stellt in jeder dieser Positionen nach Durchgang durch den Körper das Maß der Absorption des Strahlenbündels fest. Damit das Strahlenbündel diese verschiedenen Positionen einnehmen kann, werden die Strahlungsquelle und der Detektor in einer Ebene hin- und herbewegt und ferner um eine zu dieser Ebene senkrechte Achse gedreht. Die Positionen liegen somit in einer durch den Körper verlaufenden Ebene, über der die Verteilung der Absorptionskoeffizienten für die verwendete Strahlung durch Verarbeitung der vom Detektor abgeleiteten Strahlabsorptionsdaten gewonnen wird. Die Verarbeitung erfolgt so, daß die schließlich angezeigte Verteilung der Absorption das Ergebnis sukzessiver Annäherungen ist.

Die bekannte Anordnung hat sich als sehr erfolgreich bei der Herstellung von Querschnittsdarstellungen von Teilen des lebenden Körpers, beispielsweise des Kopfes, erwiesen. Die in der erwähnten Anmeldung beschriebene Anordnung zur Durchführung des AbtastVorganges ist jedoch verhältnismäßig langsam, und bei der Abtastung bestimmter Körperteile ist eine erheblich schnellere Abtastgeschwidigkeit erwünscht und erforderlich.

In der DE-OS 24 27 418 ist ein Gerät vorgeschlagen, mit dem die Ableitung der Absorptionsdatensignale verhältnismäßig rasch durchführbar ist. Bei diesem Gerät werden die Signale dadurch gewonnen, daß ein von einer Quelle ausgehendes fächerförmiges Feld von Röntgenstrahlen durch den Körper geschickt und auf der anderen Seite des Körpers eine Reihe von Detektoren vorgesehen sind, um die entlang einer Reihe von Strahlenwegen innerhalb des Strahlenfeldes übertragene Strahlung zu messen. Das fächerförmige Strahlenfeld erstreckt sich über einen so großen Winkel, daß der gesamte interessierende Bereich der Querschnittsebene des Körpers erfaßt wird, so daß eine vollständige Abtastung allein durch eine Umlaufbewegung der Quelle und der Detektoren um den Körper bewirkt werden kann.

In der DE-OS 24 20 500 ist ein Gerät zur Verarbeitung der Absorptionsdaten durch ein Konvolutionsverfahren vorgeschlagen. Dieses Verfahren erlaubt eine raschere Verarbeitung als das in der DE-OS 19 41 433 beschriebene iterative Verfahren.

Bei allen diesen genannten Geräten divergiert das Strahlenbündel auf den Wegen durch den Körper, so daß der Weg an der Seite des Körpers, die der Strahlungsquelle zugewandt ist, schmaler ist als auf der den Detektoren zugewandten Seite. Dies führt zu einer unterschiedlichen Genauigkeit der Auflösung der Verteilung der Absorptionskoeffizienten derart, daß die Auflösung auf der bestrahlten Seite des Körpers größer ist als auf der Seite, an der die Strahlung den Körper verläßt.

Eine unterschiedliche Auflösung ist an sich nicht schädlich, jedoch ist es erwünscht, daß die Auflösung am größten in den besonders interessierenden Bereichen ist, die jedoch normalerweise nicht am Rand des Körpers liegen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die negativen Auswirkungen der Strahldivergenz auf die rekonstruierte Absorptions verteilung zu reduzieren. Die Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß die Ausgangsignale für anuparallele Strahlenwege addiert werden, ergibt sich für die Auswertung ein »taillierter« Strahlenweg, der an den Rändern des Körpers breiter ist als in dessen Mitte. Gegenüber den bekannten Geräten, bei denen die Ausgangssignale für jeden einzelnen Strahlenweg getrennt ausgewertet werden, ergibt sich durch die Erfindung der Vorteil, daß die Auflösung im mittleren Bereich des Körpers größer ist als in den Randbereichen.

Da sich in diesem Falle die Strahlungsquelle um den Körper über einen Winkel von mehr als 180° dreht, um Ausgangssignale für Strahlenwege addieren zu können, die aus entgegengesetzten Richtungen durchlaufen wer-

Mi den, wird außer der höheren Auflösung im mittleren Bereich des Körpers gegenüber den Randbereichen auch noch die dem Körper zugeführte Strahlendosis gleichmäßiger verteilt, da bei einer Abtastung von nur 180° oder wenig mehr, die der Strahlenquelle zugewandte Seite des Körpers eine erheblich größere Strahlendosis empfängt als der Teil des Körpers, an dem die geschwächte Strahlung den Körper verläßt.

Das erfindungsgemäße Gerät kann bei der Herstel-

lung von Röntgenaufnahmen beliebiger Art Anwendung finden, z. B. in Form einer Abbildung auf einei Kathodenstrahlröhre, in Form einer Fotographie einer solchen Abbildung oder in Form einer Abbildung von Absorptionskoeffizienten, die von einem Digitalrechner erzeugt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeutet

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines radiographischen Gerätes, in dem die Erfindung anwendbar ist,

Fig. 2 eine Stirnansicht des Gerätes,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung für die Verarbeitung der Absorptionsdaten,

Fig. 4 ein Strahlendiagramm zur Erläuterung der Erfindung und

Fig. 5 die Anordnung der Absorptionsdaten in einem Speicher.

In Fig. 1 liegt ein Patient 1 auf einer Auflage 2, und sein Körper ist einer Untersuchung durch die mit einer gestrichelten Linie 3 angedeutete Röntgenstrahlung unterworfen. Diese Strahlung wird von einer Quelle 4 erzeugt und bildet einen Fächer, der sich in einer Ebene ausbreitet, die senkrecht zur Papierebene liegt. Die Auflage für den Patienten ist so lang bemessen, daß jeder Abschnitt des Körpers des Patienten in die Ebene der Röntgenstrahlung gebracht werden kann.

Im zu untersuchenden Bereich ist der Körper des Patienten mit einem Medium umgeben, das für die Strahlung einen Absorptionskoeffizienten besitzt, der etwa gleich dem Absorptionskoeffizienten des Körpergewebes ist und im vorliegenden Fall aus Wasser 5 besteht. Das Wasser 5 befindet sich in einer Umhüllung oder einem Beutel 6. Der Beutel 6 ist in einem Ringkörper 7 angeordnet, der aus Metall, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung besteht. Der Ringkörper 7 besteht aus zwei Teilen und ist beim vorliegenden Ausführungsbeispkl an der Auflage 2 befestigt. Er kann gegebenenfalls beweglich in bezug auf die Auflage 2 gelagert werden, um die Einführung des Patienten zu erleichtern, und ferner kann die Auflage 2 aus dem gleichen Grunde beweglich in bezug auf andere Teile des Gerätes angeordnet werden, und um eine genaue Positionierung in bezug auf die Röntgenstrahlen durchführen zu können.

Die Auflage 2 ruht an einem Ende auf einem Lager 8 und am anderrn Ende auf einem Arm eines Achskörpers 9. Die Achse des Achskörpers 9 ist zugleich die Achse, um die die Umlaufbewegung der Röntgenstrahlenquelle 4 erfolgt.

Der in das Gerät eingeführte Körper des Patienten wird von einem zylindrischen Rahmen 10 umgeben, dessen Längsachse zugleich die Achse des Achskörpers bildet. An seinem dem Achskörper zugekehrten Ende ist der Rahmen 10 geschlossen und mit einem Lager 11 versehen, das seinerseits auf der Achse des Achskörpers 9 gelagert ist. Am anderen Ende ist der Rahmen 10 offen, so daß dort der Patient eingeführt werden kann, und an diesem Ende ruht der Rahmen 10 auf Rollen 12, die ortsfest gelagert sind. Die Rollen sind so angeordnet, daß der Rahmen 10 frei um seine Achse rotieren kann, die zugleich die Achse ist, um die die Röntgenstrahlenquelle 4 umläuft. Die Quelle 4 ist auf dem Rahmen 10 mittels eines Lagers 13 befestigt. Unmittelbar gegenüber der Quelle 4 ist mittels eines Lagers 14 eine Detektoranordnung befestigt, die Strahlungsabsorptionsdaten vom Körper des Patienten in der Ebene der von der Quelle 4 ausgehenden Strahlung liefert.

Die Achse des Achskörpers 9 ist in einem Lager 16 gelagert, und neben dem Lager 16 befindet sich auf der Achse des Achskörpers ein Spulenkörpers 17. Der Spulenkörper 17 ist am Lager 16 befestigt, und auf ihm sind

Leitungen 18 aufgewickelt, über die die Absorptionsdaten von der Detektoranordnung 15 zur Auswertschaltung geleitet werden, und ferner sind Leitungen und Anschlüsse 19 für die Stromversorgung, für Steuersignale und für Kühlflüssigkeit für die Röntgenstrahlenquelle 4 vorgesehen. Bei der Umlaufbewegung der Strahlenquelle und der Detektoranordnung wickeln sich die Leitungen entsprechend auf dem Spulenkörper 17 auf oder von diesem ab. Sie werden dem Spulenkörper über Führungen G 18 und G 19 zugeführt, die am Rahmen 10 befestigt sind. Am Spulenkörper sind die Leitungen und die anderen Verbindungen befestigt und verlaufen dann zu ihren entsprechenden Anschlußeinheiten einschließlich der erwähnten Auswertschaltung und einer Stromversorgungseinheit.

Zur Erzeugung der Umlaufbewegung ist der Rand des Rahmens 10 an seinem offenen Ende mit einem Zahnkranz 20 versehen. Mit diesem Zahnkranz ist ein Zahnrad 21 in Eingriff, das auf einer Achse sitzt, die in Lagern 22 gelagert ist. Das Zahnrad 21 wird durch einen reversiblen Motor 23 über ein Getriebe 24 angetrieben. Es sei hervorgehoben, daß der Zahnkranz 20 auch an jeder anderen Stelle des Rahmens 10 angeordnet werden kann. Eine Zeitgebereinheit 40 für die Abtastbewegung erzeugt Signale, die den Verlauf der Drehung der Strahlenquelle 4 anzeigen. Hierfür kann eine Stricheinteilung auf der Welle des Zahnrades dienen, die mit einer Lichtquelle und Fotozelle zusammenwirkt, statt dessen kann aber auch eine Kurvensteuerung verwendet werden.

Fig. 2 zeigt eine Stirnansicht des in Fig. 1 dargestellten Gerätes, und die Bezugsziffern sind die gleichen wie in Fig. 1. In Fig. 2 ist die Umlaufachse 25 und der Umriß 26 des Querschnittes des Körpers des Patienten in der Ebene der untersuchenden Strahlung dargestellt.

Die Strahlenbündel 27 und 28 geben die Begrenzungen des von der Strahlenquelle 4 ausgesendeten Fächers an. Es ist erkennbar, daß die Detektoranordnung 15 sich über die gesamte Fächerbreite zwischen den Strahlenbündeln 27 und 28 erstreckt. Entsprechend der DE-OS 24 39 847 können Mittel vorgesehen werden, um einen interessierenden Teil oder Bereich des Körperquerschnitts des Patienten in größeren Einzelheiten zu untersuchen. Weitere Einzelheiten des Ringkörpers 7 und der zugeordneten Haltemittel, die nicht Gegenstand vorliegender Anmeldungen sind, sind außerdem in der DE-OS 24 27 418 beschrieben.

Fig. 3 zeigt schematisch die allgemeine Ausbildung der Schaltung für die Datenverarbeitung bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Gerät. In dieser Abbildung stellt der Punkt X den Emissionspunkt der Röntgenstrahlen der Quelle 4 dar, der Punkt 25 bezeichnet wiederum die Lager der Umlaufachse, der große Kreis die Lage des Ringkörpers 7 und der Abschnitt 15 die Detektoranordnung, deren die Absorptionsdaten darstellenden Ausgangssignale zur Datenverarbeitung der Auswertschaltung zugeführt werden.

Die Detektoranordnung 15 besteht aus mehreren Detektoren und diesen zugeordneten Kollimatoren zur Definition individueller Strahlen. Im Verlauf der Umlaufbewegung des Gerätes werden die Absorptionsdaten von den Ausgangssignalen der in den Detektoren enthaltenen Fotovervielfachen gewonnen. Die Daten werden in Verstärkern 29 verstärkt. Die Verstärkung

der Verstärker ist individuell so eingestellt, daß unterschiedliche Empfindlichkeiten der Szintillationskristalle und Fotovervielfacher der Detektoren kompensiert werden. Gegebenenfalls können die Verstärkungen der Verstärker gemeinsam geregelt werden, um Änderungen zu kompensieren, die in der Emissionsintensität der Röntgenstrahlenquelle 4 auftreten können. Die verstärkten Ausgangssignale werden in Miller-Integraioren 30 integriert. Die Integratoren werden von einer Zeitgebereinheit 40 gesteuert, welche so bemessen ist, daß die Integratoren für eine solche Zeitdauer arbeiten, daß sich jedes einzelne, einem Detektor zugeordnete Strahlenbündel bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aufgrund der orbitalen Bewegung über einen Winkel von etwa 2/15° erstreckt. Dem entsprechend sind die Detektoren in einem solchen Abstand angeordnet, daß die Mittellinien dieser Strahlenbündel jeweils einen Abstand von etwa 2/15° besitzen und alle auf die Punktquelle X zentriert sind. Die Ausgänge der Integratoren werden durch Umsetzer 31 von analoger Form in digitale Form umgesetzt.

Es ist erwünscht, daß die Bildrekonstruktion die Verteilung der Absorptionskoeffizienten über dem untersuchten Querschnittsbereich darstellt, wobei der Absorptionskoeffizient die Absorption pro Längeneinheit eines untersuchenden Strahlenbündels in der unmittelbaren Nähe eines gegebenen Punktes ist, den das Strahlenbündel passiert. Um das gewünschte Ergebnis zu erhalten, ist es erforderlich, daß alle von der Detektoranordnung 15 abgeleiteten Ausgangssignale in ihre logarithmische Form umgesetzt werden. Aus diesem Grunde werden die digitalen Daten von den Analog/Digital-Umsetzem 31 einem logarithmischen Umsetzer 32 zugeführt. Der logarithmische Umsetzer 32 enthält die üblichen Logarithmentabellen. Die Daten werden in Abhängigkeit von einem Adressenwähier 33 in einen Speicher 34 in der nachfolgend beschriebenen Weise eingegeben, und von dort werden die Daten einem Konvolutionsprozeß und einer Interpolation in einer Auswertschaltung oder Datenverarbeitungseinheit 35 unterworfen, bevor sie in einer Anzeige- und Steuereinheit 36 sichtbar gemacht werden. Arbeitsweise und Eigenschaft der Datenverarbeitungseinheit 35, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, sind in Einzelheiten in der DE-OS 24 20 500 beschrieben.

Bei den Geräten nach den DE-Offenlegungsschriften 24 20 500 und 24 39 847 werden die Strahlenbündel stillschweigend als gleich breit angenommen. Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Gerät haben die von den Detektoren definierten Strahlenbündel jedoch nicht diese Eigenschaft, sondern sie sind an der der Röntgenstrahlenquelle zugekehrten Seite des untersuchten Bereiches schmaler als an der den Detektoren zugekehrten Seite. Die Wirkung dieser Unstimmigkeit bei dem beschriebenen Gerät wird dadurch weitgehend beseitigt, daß die Umlaufbewegung nicht auf 180° beschränkt wird, sondern daß der Umlauf bis zu 360° fortgesetzt wird, so daß für jede Strahlenlage bei der ersten Hälfte der Umdrehung eine zweite identische Strahlenlage bei der zweiten Hälfte der Umdrehung vorhanden ist, wobei aber die Richtung der Strahlung und damit die erwähnte Unstimmigkeit entgegengesetzt sind. Die beiden Strahlabsorptionsdaten werden dann addiert und der Auswertschaltung zugeführt, wobei der zusammengefaßte Wert dann einem Strahlenweg von etwa gleicher Breite entspricht, in dem die kleine winkelmäßige Spreizung des Strahlenbündels berücksichtigt ist.

Die Verwendung von zwei um 180° gedrehten, also gegeneinander laufenden Strahlenbündeln zur Ermittlung des Absorptionswertes eines Strahlenweges hat den weiteren Vorteil, daß die »Hautdosis« der Strahlung, die sich aus der erforderlichen gesamten Röntgenstrahlenintensität für diesen Weg ergibt, zwischen den Oberflächen an den gegenüberliegenden Enden besser verteilt wird.

Es müssen also jeweils nur Absorptionswerte von Strahlenbündeln zusammengefaßt werden, die um 180° gegeneinander gedreht sind, d. h. gegeneinander laufen. Bei einem Strahlenfächer entsprechend Fig. 4 und 5 können nur die Absorptionswerte des mittleren Strahlenbündels (b) mit den Werten des inversen Strahls kombiniert werden, so daß die Werte für die 180°- Gruppe (gestrichelte Diagonallinie) mit den Daten für die 0°-Gruppe kombiniert werden.

Die Lage für die anderen Strahlenbündel der Gruppe ist in Fig. 4 dargestellt. Es sind drei Stellungen X der Punktquelle gezeigt, welche mit Indices versehen sind, die die Winkellage des mittleren Strahlenbündels b darstellen. Wie man sieht, hat bei X_J5o das Strahlenbündel c denselben Weg wie das Strahlenbündel &agr; bei X₀, und diese beiden Strahlenbündel können daher zur Erzeugung eines Strahlenbündels gleichmäßiger Breite addiert werden. Ebenso hat c bei AO denselben Weg wie &agr; bei AI₁₅₀. Berücksichtigt man dieses in bezug auf den Speicherort in Fig. 5, so ist ersichtlich, daß die Daten der 180°-Strahlengruppe mit den Daten der 0°-Strahlengruppe addiert werden können, vorausgesetzt, daß die beiden Gruppen aus dem Speicher in umgekehrter Reihenfolge herausgezogen werden. Die Additionen sind dann folgendermaßen:

(£>₀ + b_1S0) und (c₀ +

Aus diesem Grunde sind der Adressenwähler 33 und der Speicher 34 in Fig. 3, die den digitalen Rechner bilden, so ausgebildet, daß sie die Daten von den Orten in der beschriebenen Weise ableiten, sie addieren und dann der Einheit 35 zuführen. Für die Addition ist eine Addierschaltung 45 zwischen dem Speicher 34 und der Einheit 35 vorgesehen. Diese Schaltung kann ebenfalls in den Digitalrechner einbezogen werden. Der Adressenwähler 33 erzeugt die Daten für die beiden Gruppen, die paarweise addiert werden sollen. Die Addierschaltung 41 ist mit einer Speicherstelle für ein Strahldatensignal versehen, um die Daten des ersten Paares zu speichern und addiert dann die Daten des zweiten Paares zu den Daten des ersten Paares, bevor die addierten Daten der Einheit 35 zugeführt werden.

Um Daten für Strahlenbündel der 180°-Beziehung der Abtastung zu addieren, sei bemerkt, daß, obwohl die Daten für die ersten 180° der Abtastung den Abschnitten des Speichers 34 in einer Reihenfolge zugeführt werden, die Daten für die zweiten 180° (d. h. von den parallelen Gruppen und nicht von der Abtastposition) in der umgekehrten Reihenfolge zugeführt werden, um die anhand von Fig. 4 beschriebene Addition zu bewirken. Aus diesem Grunde ist der Adressenwähler 33 entsprechend programmiert. Nachdem alle Abschnitte des Speichers 34 die Daten für ihre parallele Gruppe empfangen haben, werden diese Daten der Reihe nach der Auswertschaltung 35 zur Verarbeitung zugeführt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zur Untersuchung eines Körpers mittels durchdringender Strahlung, insbesondere Röntgen- oder Gammastrahlung, die im Abstand voneinander eine Strahlenquelle und eine wenigstens einen Detektor mit Integrator enthaltenden Detektoranordnung, sowie eine Aufnahmevorrichtung zur Plazierung des zu untersuchenden Körpers in dem Zwischenraum zwischen der Strahlenquelle und der Detektoranordnung aufweist, und die Antriebs- und Führungsmittel für orbitale Abtastbewegungen und ggf. laterale Abtastbewegungen der Strahlenquelle und der Detektoranordnung enthält, die so ausgebildet sind, daß die Detektoranordnung ^.ahlre.iche divergente Strahlenbündel mißt, rlie entlang unterschiedlich orientierter Wege den zu untersuchenden Querschnittsbereich des Körpers durchlaufen, und die eine einen Rechner und einen Matrix-Speicher enthaltende Auswertschaltung aufweist, der die Detektorausgangssignale, die die Schwächung der Strahlen auf dem Wege durch den Körper darstellen, zugeführt sind, wobei die Auswertschaltung eine Rekonstruktion der Absorptionsverteilung der Strahlung in der untersuchten Querschnittsfläche des Körpers durchführt, dadurch gekennzeichnet, daß die orbitalen Abtastbewegungen der Strahlenquelle nach der Detektoranordnung über 360° erfolgen und daß zwischen die Detektoranordnung (15) und die Auswertschaltung (35) ein zusätzlicher Speicher (34) zur Speicherung der Detektorausgangssignale geschaltet ist, sowie eine Schaltung (41) zum Addieren der Ausgangssignale, die den Absorptionswerten von sich im interessierenden Körperbereich überlappenden, antiparallelen Strahlen entsprechen, deren Ausgangssignale der Auswertschaltung zugeführt werden.