DE2726635B2 - Tomographische Vorrichtung zur Ermittlung der Absorption einer Strahlung in einem dreidimensionalen Untersuchungsbereich - Google Patents
Tomographische Vorrichtung zur Ermittlung der Absorption einer Strahlung in einem dreidimensionalen UntersuchungsbereichInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine tomographische Vorrichtung zur Ermittlung der Absorption einer Strahlung in
einem dreidimensionalen Untersuchungsbereich, mit einer die Strahlung wenigstens einer Strahlenquelle,
deren Strahlung zu einem pyramidenförmigen Strahlenbündel ausgeblendet ist, erfassenden, jenseits des
Untersuchungsbereiches angeordneten zweidimensionalen Detektoranordriung, die einen Satz von der
örtlichen Intensität dieser Strahlung abhängiger Ausgangssignale liefert, wobei der Untersuchungsbereich
aus einer Vielzahl von in einer ersten Ebene liegenden Positionen der Strahlenquelle durchstrahlt wird, und mit
einer Datenverarbeitungseinrichtung zur Rekonstruktion der Absorptionsverteilung aus den Ausgangssignalen
der Detektoranordnunp.
Es sind bereits Geräte für die sog. Computer-Tomographie bekannt, bei denen die Absorptionsverteilung in
einer zweidimensionalen Ebene rekonstruiert wird (DE-OS 24 42 809). Dabei wird der Untersuchungsbereich
von einer Röntgenstrahlenquelle durchstrahlt, von der ein in Richtung senkrecht zur Untersuchungsebene
schmales Strahlenbündel ausgeblendet wird, das den gesamten Untersuchungsbereich durchstrahlt und von
einer jenseits des Untersuchungsbereiches in der nung erfaßt wird. Das System Röntgenstrahier —
Detektoranordnung wird dabei um eine zur Untersuchungsebene senkrechte Achse gedreht und aus den
dabei gewonnenen Ausgangssignalen der Detektoran-5 Ordnung wird die Absorptioiisverteilung in der Ebene
rekonstruiert
Mit einem derartigen Gerät kann aber immer nur die Absorptionsverteilung in einer bzw. — wenn eine
zweite Detektoranordnung vorgesehen ist — in
ίο maximal zwei benachbarten Schichten eines dreidimensionalen
Objektes ermittelt werden. Werden mit einem solchen Gerät benachbarte Schichten nacheinander
abgetastet, können sich aufgrund von Körperbewegungen Verschiebungen ergeben, so daß die anhand der
Detektorausgangssignale rekonstruierten Absorptionsverteilungen nicht aneinander anschließen.
Die eingangs genannte tomographische Vorrichtung, die in einem Aufsatz von R. E. Sturm et al in
»Cardiovascular Imaging and Image Processing, Theory and Practice 1975« Vol.72, Seiten 103 bis 122
besenrieben ist, ist demgegenüber zur Rekonstruktion der Absorptionsverteilung in einem dreidimensionalen
UnterFuchungsbereich bestimmt. Sie hat mit der zuvor
genannten bekannten Vorrichtung gemeinsam, daß
2r> auch hier der Untersuchungsbereich aus einer Vielzahl
von in einer Ebene angeordneten Positionen durchstrahlt und daß aus den dabei gewonnenen Sätzen von
Ausgangssignalen der Detektoranordnung die Absorptionsverteüung rekonstruiert wird. Allerdings wird
jo dabei nicht nur eine dünne Körperschicht durchstrahlt,
sondern ein relativ breiter, durch pyramidenförmig ausgeblendete Strahlenbündel bestimmter Bereich, und
deshalb ist dabei eine zweidimensionale Detektoranordnung vorgesehen, die im Gegensatz zu der Detektoran-
r> Ordnung nach der DE-OS 24 42 809 auch die Intensitätsverteilung in Richtung senkrecht zu der Ebene mißt, von
der aus der Untersuchungsbereich durchstrahlt wird. Bei der bekannten Vorrichtung nach der DE-OS 24 42 809
erstreckt sich die Detektoranordnung aufgrund der endlichen Abmessungen der dabei verwendeten einzelnen
Detektorelemente zwar auch in Richtung senkrecht zu dieser Ebene, jedoch sind die Ausgangssignale
hierbei unabhängig von der Intensitäts- bzw. Absorptionsverteilung senkrecht zu dieser Ebene. Diese
4r> Detektoranordnungen sind daher nicht gemeint, wenn
im nachfolgenden von »zweidimensionnler Detektoranordnung« die Rede ist.
' Bei der in dem Aufsatz von R. E. Sturm et al beschriebenen tomographischen Vorrichtung zur Er-
v> mittlung der Absorptionsverteilung in einem dreidimensionalen
Untersuchungsbereich ergeben sich jedoch Schwierigkeiten bei der Rekonstruktion, wenn der
öffnungswinkel des Strahlenbündels in Richtung senk^
recht zu der erwähnten Ebene zu groß ist. Außerdem
v> beeinflussen Meßfehler der in der Detektoranordnung enthaltenen Detektorelemente die Rekonstruktion sehr
nachhaltig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine tomographische Vorrichtung zur Ermittlung der Ab-
w) Sorptionsverteilung in einem dreidimensionalen Untersuchungsbereich
zu schaffen, bei der die Schwierigkeiten bei der Rekonstruktion sowie der Einfluß von
Meßfehlern der Detektorelemente auf die Rekonstruktion der Absorptionsverteilung verringert sind.
t>5 Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Detektoranordnung in Richtung senkrecht zur erster· Ebcns ci'icrscits von der ersten
Ebene und andererseits von einer zv/eiten, im Abstand von der ersten Ebene liegenden und zu dieser parallelen
Ebene begrenzt wird, und daß der Untersuchungsbereich zusätzlich aus einer Vielzahl von in der zweiten
Ebene liegenden Strahlenquellenpositionen durchstrahlt wird
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich eine homogene Durchstrahlung des Untersuchung^bereiches,
so daß die Informationsmenge, die über die Absorption iines Punktes innerhalb des Untersuchungsbereiches erhalten wird, weitgehend unabhängig von
der Lage dieses Punktes innerhalb des Untersuchungsbereiches ist D-es erleichtert die Rekonstruktion
wesentlich, und außerdem gehen Meßfehler weniger stark bei der Rekonstruktion ein.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Träger, der um eine zu den beiden Ebenen
senkrechte Rotationsachse drehbar ist und der eine erste Strahlenquelle und ihr gegenüber eine erste
Detektoranordnung sowie — in axialer Richtung der Rotationsachse versetzt — eine zweite Strahlenquelle
und ihr gegenüber eine zweite Detektoranordnung trägt, wobei die beiden Detektoranordnungen in axialer
Richtung durch die durch die erste Strahlenquelle verlaufende erste Ebene und durch die dazu parallele,
durch die zweite Strahlenquelle verlaufende zweite Ebene begrenzt sind. Dadurch kann der Untersu hungsbereich
doppelt so schnell abgetastet werden wie mit nur einer Strahlenquelle und einer Detektoranordnung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert. Es zeigt
F i g. 1 die geometrische Konfiguration bei der bekannten Vorrichtung in perspektivischer Darstellung,
Fig.2 die geometrische Konfiguration bei der bekannten Vorrichtung in einer zu der ersten Ebene
senkrechten Ebene,
Fig.3 die geometrische Konfiguration bei der
Erfindung in perspektivischer Darstellung,
Fig.4 die geometrische Konfiguration bei der Erfindung senkrecht zu den beiden Ebenen,
F i g. 5 die Vorderansicht einer schematisch dargestellten Ausführungsform der Erfindung, und
F i g. 6 diese Ausführungsform in der Seitenansicht.
In F i g. 1 ist mit 1 ein Kreisbogen bezeichnet, auf dem
sich die Positionen Xa bis Xh befinden, aus denen der
Körper bei der Untersuchung durchstrahlt wird. Die Strahlung wird bei der Anordnung nach dem Aufsatz
von R. E. Sturm von einer Vielzahl von Strahlenquellen (Röntgenröhren) erzeugt, die sich in den Positionen Xa
bis Xh befinden, jedoch kann auch eine einzige Strahlenquelle benutzt werden, die nacheinander in die
Positionen Xa bis 1Λ gebracht wird. In der Zeichnung
sind der Einfachheit halber nur acht verschiedene Positionen dargestellt, jedoch sind für eine hinreichende
räumliche Auflösung wesentlich mehr Positionen erforderlich.
In Fig. 1 ist das in der Position Ic einer nicht näher
dargestellten Strahlenquelle ausgeblendete Strahlenbündel 4 gezeichnet, wobei im folgenden das Strahlenbündel
4 mit dem der jeweiligen Position der Strahlenquelle entsprechenden Buchstaben — hier 4c —
bezeichnet wird. Es hat die Form einer Pyramide und die Ebene, in der der Kreisbogen 1 liegt, ist eine
Symmetrieebene dieser Pyramide. Das Strahlenbündel wird von einer zweidii'iensionalen Detektoranordnung
3 erfaßt, die gegenübe1' der Position Ic angeordnet ist.
und erstreckt sich senkrecht zu der den Kreisbogen enthaltenden Ebene. Fig.2 zeigt die geometrische
Konfiguration in einer zum Kreisbogen senkrechten, durch das Zentrum des Untersuchungsbereiches bzw.
den Körper 2 verlaufenden Ebene, wobei das in der Position Ic ausgeblendete Strahlenbündel 4c sowie die
Detektoranordnung 3 in ausgezogenen Linien und das in der Position Xg ausgeblendete Strahlenbündel 4g und
die zugehörige Detektorposition 3' gestrichelt dargestellt sind. Deutlich ist zu sehen, daß es Bereiche II gibt,
die nur sehr schwach von Strahlen durchsetzt sind und einen Bereich I, der etwa doppelt so dicht mit Strahlen
durchsetzt wird. Außen liegende Punkte, wie z. B. der
Punkt 5, werden nur in einer Position der Strahlenquelle
(N) erfaßt, in diesem Fall in der Position Xg, und die
anderen in den anderen Positionen ausgeblendeten Strahlenkeulen berühren diesen Punkt nicht Objektdetails,
die hier liegen, können die Rekonstruktion erheblich erschweren, und ihre Absorption läßt sich nur
ungenau ermitteln, da nur wenige information über sie gemessen wird. Treten dabei noch zusätzlich Meßfehler
auf, dann wird die Rekonstruktion nachhaltig verfälscht.
In Fig.3 und Fig.4 sind die geometrischen
Verhältnisse bei einer Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt. Die Positionen, von denen aus der
Untersuchungsbereich durchstrahlt wird, befinden sich dabei auf zwei Kreisbögen 1 und 6, die in zueinander
parallelen Ebenen liegen und gegeneinander senkrecht zu ihren Ebenen versetzt sind. Die Strahlenquellenposi-
jo tionen auf dem Kreisbogen 1 sind mit Xa bis Xh
bezeichnet und die auf dem Kreis 6 mit 6a bis 6Λ. Die Detektoranordnung 3 hat in Richtung senkrecht zu den
durch die beiden Kreisbögen 1 und 6 gebildeten Ebenen solche Abmessungen und ist derart angeordnet, daß sie
!5 von diesen beiden Ebenen begrenzt wird. Das
Strahlenbündel, das in den verschiedenen Positionen der Strahlenquelle(n) auf den Kreisbögen 1 bzw. 6 emittiert
wird, hat dabei zwar auch die Form einer Pyramide mit viereckiger Grundfläche, jedoch ist diese Pyramide zu
denen die Kreisbögen 1 und 6 enthaltenen Ebenen bzw. einer dazu parallelen Ebene nicht symmetrisch, wie
insbesondere F i g. 4 zeigt. Eine Seitenfläche dieser pyramidenförmigen Strahlungskeule fällt dabei mit der
den Kreisbogen 1 bzw. den Kreisbogen 6 enthaltenden
4r> Ebene zusammen.
In Fig.4 sind die Strahlungskeulen dargestellt
(ausgezogen bzw. gestrichelt), die sich ergeben, wenn der Körper 2 aus den Positionen 6c und Xg durchstrahlt
wird. Diese Positionen sind in bezug auf die durch die beiden Kreisbögen senkrecht hindurchgehenden Mittelachse
um 180° gegeneinander verdreht und um den Abstand der beiden Ebenen gegeneinander versetzt. Es
ist deutlich zu erkennen, daß eine dicke Scheibe des Objektes weitgehend homogen durchstrahlt wird, und
daß jeder Punkt in dem Untersuchungsbereich, der sich als innerhalb der Kreisbögen 1 und 6 koaxial
angeordneter Zylinder mit ebenen Abschlußflächen definieren läßt, entweder von der in Position Xg oder
Position 6causgeblendeten Strahlungskeule erfaßt wird.
bo Für eine Vielzahl von Richtungen (entsprechend der
Anzahl von Positionen auf einem Kreisbogen) !äßt sich ein derartiges um 180° gegeneinander versetztes und
auf den beiden Kreisbögen angeordnetes Paar von Positionen angeben, aus denen sich eine ebensolche
t>5 Strahlung ergibt wie in F i g. 4 dargestellt.
Durch diese homogene Durchstrahlung wird erreicht, daß die Informationsmenge, die über die Absorption
erhalten wird, weitgehend unabhängig von der Lage dieses Punktes innerhalb des Untersuchungsbereiches
ist. Dies erleichtert die Rekonstruktion wesentlich und außerdem gehen Meßfehler weniger stark bei der
Rekonstruktion ein. Ein weiterer Vorteil ist, daß der <·, Untersuchungsbereich ein mathematisch einfach zu
definierender Raum ist (wie bereits erwähnt ein Zylinder mit ebenen Abschlußflächen), was die Möglichkeit
ergibt, daß das Objekt bei der Rekonstruktion durch ein Zylinderkoordinatensystem beschrieben wird,
Es ist an sich nicht erforderlich, daß zu jeder Position auf dem einen Kreisbogen auf dem anderen Kreisbogen
eine Position existiert, die genau um 180° in bezug auf die Mittelachse der Kreisbögen gedreht ist. Die
Konfiguration nach Fig.4 ist dann zwar nicht ganz gegeben, da keine direkt gegenüberliegende Position
existiert, aber es gibt stets zwei Positionen, die fast einander gegenüber angeordnet sind. Da im allgemeinen
stets sehr viele Positionen auf einem Kreisbogen vorhanden sein müssen, ergeben sich daraus keine
Verfälschungen.
Es ist auch nicht erforderlich, daß die Positionen über den gesamten Umfang der beiden Kreisbögen verteilt
sind, sondern es ist im allgemeinen hinreichend, wenn nur ein Teil eines Kreisbogens, der größer sein muß als
ein Halbkreis, mit derartigen Positionen belegt ist, wenn sich dabei nur zu jeder Position auf dem einen
Kreisbogen eine dazu komplementäre, d. h. um etwa 180° versetzte Position auf dem anderen Kreisbogen
angeben läßt.
Die Durchstrahlung des Objektes 2 aus den verschiedenen Positionen kann grundsätzlich dadurch
erfolgen, daß in jeder Position eine Strahlungsquelle angeordnet ist. Dies ergibt jedoch einen sehr großen
Aufwand. Auf der anderen Seite kann die Durchstrahlung auch mit Hilfe einer einzigen Strahlenquelle
erfolgen, die nacheinander z. B. zuerst in die verschiedenen Kreispositionen auf dem Kreisbogen 1 und
anschließend in die verschiedenen Positionen auf dem Kreisbogen 6 gebracht wird. Beim Übergang vom einen w
auf den anderen Kreisbogen müßte dann allerdings die Ausblendung so geändert werden, daß sich dann wieder
die in F i g. 4 dargestellten Verhältnisse ergeben.
Ein vernünftiger Kompromiß zwischen diesen beiden Möglichkeiten besteht darin, für jeden Kreisbogen eine »5
gesonderte Strahlenquelle vorzusehen und diese gemeinsam um eine Rotationsachse zu bewegen und so die
Positionen auf einem Kreisbogen nacheinander zu durchlaufen. Die den Abmessungen der Detektoranordnung
angepaßte Ausblendung der Strahlungskeulen kann dabei in allen Positionen jedes der beiden Strahler
beibehalten werden. Eine derartige Ausführungsform ist in den F i g. 5 und 6 schematisch dargestellt.
Dabei ist in einem Lagerring 11, der fest mit einem Sockel 12 verbunden ist, ein Trägerring 14 mit Hilfe von
Lagern 13 in bekannter Weise um seine Mittelachse 10 drehbar gelagert. Ein erster Röntgenstrahier 15 ist an
einer Halterung 22 befestigt, die mit dem Trägerring 14 verbunden ist. Ihr gegenüber ist eine erste Detektoranordnung
3 angeordnet, die über einer Halterung 23 ebenfalls mit dem Trägerring 14 verbunden ist, so daß
der Röntgenstrahier 15 zusammen mit der Detektoranordnung 3 um die Rotationsachse drehbar ist.
Ein zweiter Röntgenstrahier 15' ist — um 90° gegenüber dem ersten versetzt — an dem Trägerring
über einen Halterungsteil 22' verbunden, der wesentlich länger ist als der den ersten Röntgenstrahier 15
tragende Halterungsteil 22. Ihm gegenüber ist eine zweite Detektoranordnung 3' angeordnet, die über eine
Halterung 23' ebenfalls mit dem Trägerring 14 verbunden ist. Die beiden Detektoranordnungen 3 und
3' erstrecken sich zwischen den durch die Mittelpunkte (d. h. die Brennflecke) der Röntgenstrahier 15 und 15'
verlaufenden, zur Rotationsachse 10 senkrechten Ebenen (F i g. 6). Die Strahlung der Röntgenstrahier 15
und 15' wird durch nicht näher dargestellte Kollimatoren so ausgeblendet, daß sich die Strahlenkegel 21 bzw.
21' ergeben, die die gesamte wirksame Meßfläche der Detektoranordnung 3 bzw. 3' — und nur diese —
bestrahlen.
Die beiden Detektoranordnungen enthalten — wie aus dem Aufsalz von R. E. Sturm (Seite 110, insb. Fig. 5)
bekannt — je einen ebenen Fluoreszenzschirm 17 bzw. 17', hinter denen ein Spiegel 18 bzw. 18' angeordnet ist,
der das von der örtlichen Intensität der Strahlung abhängige sichtbare Bild über ein Linsensystem 19 bzw.
19' auf das Target einer Fernsehkamera 20 bzw. 20', z. B. vom Isokontyp, projiziert. Gegebenenfalls kann auch
noch ein Bildverstärker im Strahlengang angeordnet werden.
Die Fernsehkamera 20 bzw. 20' tastet die Leuchtfiäche
des Fluoreszenzschirms 17 bzw. 17' zeilenweise ab, so daß das an der Signalelektrode 24 bzw. 24'
abnehmbare Ausgangssignal die Intensität (und damit auch die Absorption) durch das Objekt 2 als Funktion
des Ortes (in zwei zueinander senkrechten Richtungen) wiedergibt.
Anstelle einer derartigen Detektoranordnung kann auch eine Detektoranordnung benutzt werden, die aus
einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Detektorreihen besteht, von denen jede eine große Anzahl
von einzelnen Detektorelementen enthält.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
- Patentansprüche:!. Tomographische Vorrichtung zur Ermittlung der Absorption einer Strahlung in einem dreidimensionalen Untersuchungsbereich, mit einer die Strahlung wenigstens einer Strahlenquelle, deren Strahlung zu einem pyramidenförmigen Strahlenbündel ausgeblendet ist, erfassenden, jenseits des Untersuchungsbereiches angeordneten zweidimensionalen Detektoranordnung, die einen Satz von der örtlichen Intensität dieser Strahlung abhängiger Ausgangssignale liefert, wobei der Untersuchungsbereich aus einer Vielzahl von in einer ersten Ebene liegenden Positionen der Strahlenquelle durchstrahlt wird, und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung zur Rekonstruktion der Absorptionsverteilung aus den Ausgangssignalen der Detektoranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (3 bzw. 3') in Richtung senkrecht zur ersten Ebene einerseits von der ersten Ebene und andererseits von einer zweiten, im Abstand von der ersten Ebene liegenden und zu dieser parallelen Ebene begrenzt wird, und daß der Untersuchungsbereich zusätzlich aus einer Vielzahl von in der zweiten Ebene liegenden Strahlenquellen Positionen (6a ... 6/^durchstrahlt wird.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Träger (14), der um eine zu den beiden Ebenen senkrechte Rotationsachse (10) drehbar ist und der eine erste Strahlenquelle (15) und ihr gegenüber eine erste Detektoranordnung (3) sowie— in axialer Richtung der Rotationsachse versetzt— eine zweite Strahlenquelle (15') und ihr gegenüber eine zweite Detektoranordnung (3') trägt, wobei die beiden Detektoranordnungen in axialer Richtung durch die durch die erste Strahlenquelle verlaufende erste Ebene und durch die dazu parallele durch die zweite Strahlenquelle verlaufende zweite Ebene begrenzt sind.
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