DE2648132A1

DE2648132A1 - Verfahren und anordnung zur verminderung des einflusses von detektorfehlern bei roentgen-scannern

Info

Publication number: DE2648132A1
Application number: DE19762648132
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Ing Kowalski
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1976-10-23
Filing date: 1976-10-23
Publication date: 1978-04-27
Also published as: SE7711798L; IL53175A0; JPS5368091A; FR2368760A1; NL7711391A

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, 2000 Hamburg 1, Steindamm

"Verfahren und Anordnung zur Verminderung des Einflusses von Detektorfehlern bei Röntgen-Scannern"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung des Einflusses von Detektorfehlern bei Röntgen-Scannern, wobei die von einer Strahlenquelle ausgehende, keilförmig ausgeblendete Strahlung die Ebene eines zu untersuchenden Körpers durchsetzt und von einer Anzahl, auf einem Kreisbogen in der Ebene angeordneter Detektoren gemessen wird, deren Ausgangsspannungen einer Weiterverarbeitung und Auswertung

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unterzogen werden, und wobei das System Strahler - Detektoren in bezug auf den Körper gedreht wird.

Weiterhin bezieht sich die Anmeldung auf eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Verfahren der eingangs genannten Art und entsprechende Anordnungen sind bereits bekannt, so z.B. aus der DT-OS 24 27 418. Ihr Vorteil gegenüber der Verwendung und Anordnung nur eines Detektors, wie es z.B. aus der DT-OS 19 41 433 bekannt ist, besteht darin, daß die Messung schneller durchgeführt werden kann, weil eine Vielzahl von Meßwerten gleichzeitig erfaßt werden kann und weil zur Erfassung der Absorption in der Ebene das System Strahler - Detektoren lediglich um eine zur Untersuchungsebene senkrechte, vorzugsweise durch den zu untersuchenden Körper verlaufende Achse gedreht werden muß. Andererseits hat sie (Jedoch den Nachteil, daß sich aufgrund unterschiedlicher Empfindlichkeiten der Detektoren Fehler ergeben können, die sich bei der anschließenden Weiterverarbeitung und Auswertung störend bemerkbar machen.

Eine Möglichkeit zur Verminderung derartiger Fehler ist auch in der DT-OS 25 03 978 beschrieben. Dabei führt das System Strahler - Detektoren während einer Messung zunächst eine volle Umdrehung aus. Am Beginn und am Ende dieser Umdrehung messen die Detektoren die Absorption des Körpers jeweils längs desselben Streifens durch den Körper. Weichen die Ausgangs-

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signale der einzelnen Detektoren gleichwohl voneinander ab, so läßt sich daraus die zeitliche Änderung der Empfindlichkeit in ihrer Größe ermitteln. Anschließend werden die Detektoren um den Krümmungsmittelpunkt des Kreisbogens geschwenkt, auf dem sie angeordnet sind, so daß jeder Detektor bei der nachfolgenden zweiten Umdrehung die Absorption entlang von Streifen durch den Körper mißt, entlang derer die Absorption bei der vorhergehenden Messung durch einen der beiden benachbarten Detektoren erfaßt wurde. Vergleicht man nun die Meßwerte, die ein Detektor während der zweiten Umdrehung liefert, mit den Meßwerten, die der benachbarte Detektor während der ersten Umdrehung geliefert hat, dann lassen sich daraus Unterschiede in der Empfindlichkeit benachbarter Detektoren ableiten und zur Korrektur der Meßwerte heranziehen. Anschließend werden die Detektoren wieder in ihre Anfangslage, die sie bei der ersten Messung eingenommen haben, zurückgeschwenkt, worauf das System Strahler - Detektoren ein drittes Mal gedreht wird und die Absorption erneut gemessen wird, woraus sich wiederum (durch Vergleich mit den Meßwerten während der zweiten Drehung) Unterschiede in der Empfindlichkeit benachbarter Detektoren sowie (durch Vergleich der Meßwerte am Anfang und am Ende der Umdrehung) zeitliche Schwankungen der Empfindlichkeit der einzelnen Detektoren ermitteln lassen.

Die Wirkung dieser Anordnung beruht also darauf, daß die Absorption entlang eines jeden Streifens durch den Körper mehrmals gemessen wird. Dadurch wird die Meßzeit zur Er-

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fassung sämtlicher Meßwerte selbstverständlich entsprechend verlängert, und die Dosis, die dem Körper zur Erfassung dieser Meßwerte zugeführt werden muß, vergrößert sich ebenfalls entsprechend. Da mit diesem Gerät in der Regel Patienten untersucht werden, ist dies ein schwerwiegender Nachteil.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anordnung liegt darin, daß die Meßwerte sich ändern, wenn der untersuchte Körper während der Messung seine Lage ändert. Diese veränderten Meßwerte werden von der Anordnung fälschlich als unterschiedliche Empfindlichkeit benachbarter Detektoren bzw. als Drifterscheinung der Empfindlichkeit der einzelnen Detektoren bewertet, woraus sich bei der Rekonstruktion der Absorption in der Untersuchungsebene des Körpers zusätzliche Fehler ergeben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Anordnung zu schaffen, womit eine Verminderung der Einflüsse von Detektorfehlern erzielt wird, ohne gleichzeitig die dem zu untersuchenden Körper zuzuführende Strahlendosis erhöhen zu müssen. Dabei geht die Erfindung von der Erfahrung aus, daß zwar jeder Detektor sowohl einen additiven Fehler (offset) als auch einen multiplikativen Fehler (gain) aufweisen kann, daß diese Fehler jedoch während der gesamten Meßzeit (z.B. 5 see) relativ konstant bleiben.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht nun darin, daß zunächst

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die jeweils zu einem Datensatz zusammengefaßten Ausgangsspannungen einer Detektorgruppe gleichzeitig in einem ersten Speicher zwischengespeichert werden und ihr Mittelwert gebildet wird, daß dieser Mittelwert sodann einem Prozessor zur Durchführung einer Hochpaßfilterung zugeführt und anschließend in einem zweiten Speicher zwischengespeichert wird, und daß schließlich die Inhalte beider Speicher in einer Subtrahiereinheit korrigiert und anschließend zur Weiterverarbeitung bereitgestellt werden.

Auf diese Weise werden additive Fehler beseitigt. Liegt ein multiplikativer Fehler vor, so müssen die Meßwerte, bevor sie dem genannten Verfahren unterworfen werden, logarithm!ert werden.

Haben die Detektoren sowohl einen additiven als auch einen multiplikativen Fehler, so läßt sich das beschriebene Verfahren auch mehrfach anwenden, nämlich einmal vor der Logarithmierung und einmal nachher. Da die Korrekturen des additiven und des multiplikativen Fehlers jedoch einander beeinflussen, da ein nichtlinearer Filterprozeß stattfindet, kann gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens eine abwechselnde Anwendung der genannten Verfahrensschritte erfolgen, wobei z. B. zunächst der additive Fehler, sodann der multiplikative Fehler, dann wieder der verbleibende additive Fehler usw. korrigiert werden (sog. Iterationsverfahren).

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Eine geeignete Anordnung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens enthält somit einen ersten Speicher und einen Mittelwertbildner, deren Eingängen die Ausgangsspannungen der Detektoren zugeführt werden, sowie einen mit dem Ausgang des Mittelwertbildners verbundenen Prozessor, an den sich ein zweiter Speicher anschließt, dessen Ausgang ebenso wie der Ausgang des ersten Speichers mit zwei Eingängen einer Sub träniereinheit verbunden ist.

Eine zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Iterationsverfahrens geeignete Schaltungsanordnung enthält darüber hinaus noch einen Schalter sowie eine Logarithmier- und eine Delogarithmiereinheit.

An Hand der Zeichnung wird ein AusfUhrungsbeispIel des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie dazu geeigneter Anordnungen beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Röntgen-Scanners, Fig. 2 einen fehlerfreien Datensatz, Figo 3 einen additiven Fehler eines Datensatzes, Fig. 4 den Mittelwert mehrerer fehlerfreier Datensätze, Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 6 ein Blockschaltbild zur Durchführung des Iterationsverfahrens , und
Fig. 7 und 8 verschiedene Filterkurven.

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Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Röntgen-Scanners. Die von einer Strahlenquelle 1 ausgehende, keilförmig ausgeblendete Strahlung durchdringt einen Körper 2 und gelangt auf eine Detektorgruppe 3, die eine Anzahl η Detektoren enthält. Die Strahlenquelle 1 und die Detektorgruppe 3 sind starr miteinander verbunden und rotieren während des Abtastvorganges um ein Rotationszentrum 4. Als Datensatz sei hier ein Satz Meßdaten bezeichnet, der durch die Detektorgruppe 3 geliefert wird, während die Scannereinheit eine vorgegebene Winkelstellung eingenommen hatte. Ein Datensatz enthält also genau so viele Meßwerte, wie Detektoren in einer Detektorgruppe enthalten sind, und ein Abtastvorgang besteht aus einer Vielzahl von Datensätzen, je nach der Anzahl der Winkelstellungen. Ein Meßwert selbst soll zunächst nur die Strahlungsintensität wiedergeben, die den entsprechenden Detektor trifft.

Wie in Fig. 2 angedeutet ist, enthält ein Datensatz Meßwerte, die entsprechend dem Objekt schnell schwanken können. Mit I sei hier die einfallende Energie auf den Detektor mit der Nummer η gekennzeichnet.

Fig. 3 zeigt als Beispiel einen additiven Detektorfehler Δ I. Beide Verläufe addiert ergeben den vom Detektor gelieferten Meßwert. Hierbei ist der Meßfehler nicht vom idealen Meßwert zu trennen. Werden jedoch viele Datensätze erzeugt, wobei sich die Scannereinheit um das Objekt dreht, so ändert sich die einfallende Intensität I entsprechend der Objektstruktur.

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Eine Mittelung aller Datensätze ergibt demnach eine relativ glatte Kurve I, wie Fig. 4 zeigt. Der additive Detektorfehler Δ I wird durch diese Mittelwertbildung jedoch nicht beeinflußt, da er konstant ist. Damit ist der Mittelwert aller Datensätze die Addition der Kurven nach den Figuren 3 und 4. Es ist ersichtlich, daß sich der Detektorfehler in schnellen Änderungen des Mittelwertes äußert."Schnell"bedeutet dabei, daß sich der Detektorfehler als Funktion der Numerierung η der Detektoren sprunghaft und statistisch ändert. Im weiteren wird von der Vorstellung ausgegangen, daß die Numerierung der Detektoren eine räumliche Koordinate vorschreibt und sich der Detektorfehler in Abhängigkeit von dieser Koordinate schnell ändert, d.h. hohe räumliche Frequenzen enthält. Der Mittelwert der Datensätze ändert sich von Detektor zu Detektor nur langsam und schrittweise. Er enthält also im wesentlichen niedrige räumliche Frequenzen. Damit kann der Detektorfehler durch eine Hochpaßfilterung der Mittelwerte der Datensätze ermittelt werden. Diese Hochpaßfilterung kann z.B. durch einen Faltungsprozeß geschehen. Dabei wird der Vorgang der Hochpaßfilterung, bestehend aus einer Fourier-Transformation, einer Multiplikation der Fourier-Koeffizienten mit einem Filterwert und der Fourier-Rücktransformation dadurch ersetzt, daß ein Wert eines gefilterten Datensatzes durch eine gewichtete Summe aller Werte des ungefilterten Datensatzes berechnet wird.

Die Beseitigung eines additiven Fehlers erfolgt also beispielsweise folgendermaßen. Zunächst erfolgt eine Mittelung

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aller Datensätze, d.h. alle Meßwerte eines Detektors werden gemittelt. Sodann wird die schnelle Schwankung des Mittelwertes der Datensätze ermittelt. Die Bezeichnung "schnell" bezieht sich hier auf die Numerierung der Detektoren, was einer räumlichen Ausdehnung auf der Detektorgruppe entspricht. Diese schnellen Schwankungen werden als Detektorfehler interpretiert. Schließlich wird eine Korrektor aller Meßwerte jedes Detektors durch den ermittelten zugehörigen Fehler vorgenommen.

Fig. 5 zeigt eine mögliche Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Alle anfallenden Meßwerte werden in einem ersten Speicher 5 zwischengespeichert. Gleichzeitig gelangen diese Meßwerte auf den Eingang einer wenigstens einen Addierer, einen Pufferspeicher und eine Divisionsschaltung enthaltenden Einheit 6. Diese drei Stufen können selbstverständlich auch getrennt aufgebaut sein. Das Fassungsvermögen des Pufferspeichers entspricht der Länge eines Datensatzes. In dieser Einheit 6 wird der Mittelwert aller Datensätze gebildet. Dazu wird die Zwischensumme im Pufferspeicher gespeichert, und die Meßwerte des nächsten Datensatzes werden zu diesen Zwischensummen addiert. Nach der Aufsummierung aller Datensätze wird der Inhalt des Pufferspeichers vor der Weitergabe an einen Prozessor 7 durch die Anzahl der Datensätze geteilt. Diese Division kann aber auch durch eine entsprechende Normalisierung der Faltungskoeffizienten des Prozessors 7 ersetzt werden. Im Prozessor 7 erfolgt die Ermittlung der Detektorfehler durch eine Hochpaßfilterung. An den Prozessor 7 schließt sich ein weiterer

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Speicher 8 an. In einer folgenden Subtrahiereinheit 9 werden die im ersten Speicher 5 enthaltenen Meßwerte mit Hilfe der im Speicher 8 enthaltenen Detektorfehler korrigiert und zur weiteren Verarbeitung am Ausgang bereitgestellt. Die genannten Bauteile bilden gemeinsam eine Einheit 10, die z.B. auch durch einen programmierbaren Rechner realisiert v/erden kann.

Diese Einheit 10 beseitigt einen additiven Fehler. Liegt dagegen ein multiplikativer Fehler vor, so müssen die Meßwerte vor dem Einspeisen in die Einheit 10 logarithmiert werden. Das heißt, der multiplikative Fehler wird auf diese Weise in einen additiven Fehler umgewandelt.

Haben die Detektoren sowohl einen additiven als auch einen multiplikativen Fehler, so läßt sich das oben beschriebene Verfahren auch mehrfach anwenden, nämlich einmal vor der Logarithmierung und einmal nach dieser, wobei die Einheit 10 für beide Verfahrensschritte nur einmal vorhanden zu sein braucht. Dazu zeigt Fig. 6 ein Blockschaltbild einer möglichen Anordnung zur Durchführung eines solchen Iterationsverfahrens. Diese Anordnung enthält ebenfalls die Einheit 10 nach Fig. 5. Außerdem enthält sie eine Logarithmiereinheit 11, eine Delogarithmiereinheit 12 und einen Schalter 13. Gesteuert durch den Schalter durchlaufen die Meßwerte folgende Einheiten:

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Einheit 10, additiver Fehler

Log.-Einheit 11 > 1. Iterations-

\ schritt Einheit 10, multipl. Fehler

Delog.-Einheit 12

Einheit 10 ") 2. Iterationsschritt Log.-Einheit 11

Log.-Einheit 11 Einheit 10

Es wird abwechselnd ein Teil der additiven und ein Teil der multiplikativen Fehler eliminiert. Die notwendige Hochpaß-Filterung muß der Anzahl der iterativen Durchläufe angepaßt sein. Wird z.B. der Zyklus mehrfach durchlaufen, so sollte pro Zyklus nur ein Teil des Fehlers eliminiert werden. Dies ist erforderlich, da eine zu starke Kompensation des Fehlers auch eine Zerstörung des Bildes zur Folge haben kann.

Als Beispiel zeigt Fig. 7 zwei Filterkurven. Die Abszisse zeigt die räumliche Frequenz f an. Die oberste Grenze dieser Frequenz ist gegeben entsprechend dem Abtasttheorem mit f = 0,5/Detektorabstand. Die Ordinate zeigt die Filteramplitude. Dabei zeigt die durchgezogene Linie eine Filterkurve für eine einmalige Elimination eines Fehlers und die gestrichelte Kurve eine solche für ein iteratives Verfahren. Die notwendigen Faktoren für das Faltungsverfahren im Prozessor 7 ergeben sich aus PHD 76-168 8098 17 /0ΛΟ7 -12-

einer Fourier-Rücktransformation der angegebenen Frequenzkurven.

Eine weitere Verbesserung der Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß die Fehler der Detektoren, die sich in der Nähe der Projektion der Rotationsachse 4 befinden, besonders zur Zerstörung des Bildes beitragen. Deshalb müssen die Meßfehler der mittleren Detektoren stärker kompensiert werden als die der äußeren. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß im mittleren Teil des gemittelten Datensatzes mit einem anderen (räumlichen) Hochpaßfilter gefiltert wird als außen. Ein Beispiel für diese Filterung gibt Fig. 8. Hierbei entsprechen Abszisse und Ordinate der Fig. 7. Die durchgezogene Linie ist dabei das notwendige Hochpaßfilter für die mittleren Detektoren, während die gestrichelte Linie das Filter für die äußeren Detektoren angibt.

PATENTANSPRÜCHE:

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

( Ϊ.. Verfahren zur Verminderung des Einflusses von Detektorfehlern bei Röntgen-Scannern, wobei die von einer Strahlenquelle ausgehende, keilförmig ausgeblendete Strahlung die Ebene eines zu untersuchenden Körpers durchsetzt und von einer Anzahl, auf einem Kreisbogen in der Ebene angeordneter Detektoren gemessen wird, deren Ausgangsspannungen einer Weiterverarbeitung und Auswertung unterzogen werden, und wobei das System Strahler - Detektoren in bezug auf den Körper gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die jeweils zu einem Datensatz zusammengefaßten Ausgangsspannungen einer Detektorgruppe gleichzeitig in einem ersten Speicher zwischengespeichert werden und ihr Mittelwert gebildet wird, daß dieser Mittelwert sodann einem Prozessor zur Durchführung einer Hochpaßfilterung zugeführt und anschließend in einem zweiten Speicher zwischengespeichert wird, und daß schließlich die Inhalte beider Speicher in einer Subtrahiereinheit korrigiert und anschließend zur Weiterverarbeitung bereitgestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils zu einem Datensatz zusammengefaßten Ausgangsspannungen einer Detektorgruppe zunächst logarithmiert werden.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Ausgangsspannungen abwechselnd mit oder ohne vorherige Logarithmierung verarbeitet werden (Iterationsverfahren) .
4. Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen ersten Speicher (5) und einen Mittelwertbildner (6), deren Eingängen die Ausgangsspannungen der Detektoren (3) zugeführt sind, sowie einen mit dem Ausgang des Mittelwertbildners (6) verbundenen Prozessor (7), an den sich ein zweiter Speicher (8) anschließt, dessen Ausgang ebenso wie der Ausgang des ersten Speichers (5) mit zwei Eingängen einer Subtrahiereinheit (9) verbunden ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwertbildner (6) enthält wenigstens einen Addierer, einen Pufferspeicher und eine Divisionsschaltung.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang außerdem eine Logarithmiereinheit (11), eine Delogarithmiereinheit (12) und ein periodisch betätigbarer Schalter (13) vorgesehen sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 Ms 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur unterschiedlichen Kompensation der Meßfehler der einzelnen Detektoren vorgesehen sind.

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