DE3300406A1

DE3300406A1 - Referenzdetektorvorrichtung fuer multidetektor-tomodensitometer und mit dieser vorrichtung ausgeruestetes tomodensitometer

Info

Publication number: DE3300406A1
Application number: DE19833300406
Authority: DE
Inventors: Remy 82200 Neuilly sur seine Klausz
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1982-01-08
Filing date: 1983-01-07
Publication date: 1983-07-21
Also published as: FR2519772A1; DE3300406C2; NL8300039A; US4458358A; FR2519772B1

Description

PRINZ, :

Patentanwälte · Eirropfean Patent'IMtortTeyS* ^ ^ Γ] Π /

München h Stuttgart

7. Januar 1983

THOMSON - CSF

173, Bd. Haussmann'

75008 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: T 3563

Referenzdetektorvorrichtung für Multidetektor-Tomodensitometer und mit dieser Vorrichtung ausgerüstetes Tomodensitometer

Die Erfindung betrifft eine Referenzdetektorvorrichtung für ein Multidetektor-Tomodensitometer.

In der DE-OS 24 26 34 3 ist ein Gerät beschrieben, dessen eine rotierende Anode aufweisende Röntgenröhre ein breites Bündel geringer Dicke von sektorieller oder fächerartiger Form liefert, um gleichzeitig mehrere Meßdetektoren, die zueinander ausgerichtet und Seite an Seite angeordnet sind, durch den gesamten Querschnitt eines zu untersuchenden Körpers hindurch zu bestrahlen. Bei diesem Gerät sind mehrere einen geringen Raumbedarf aufweisende Referenzdetektoren, z.B. Halbleiterdioden, am Eingang des Kollimators angeordnet, der das sektorförmiga Bündel begrenzt. Die Signale dieser Detektoren werden in einer Rechenschaltung miteinander kombiniert, um die

Ji-V Λ ,/- .Λ I Λ Ä

Intensität der von der Röhre gelieferten Strahlung an jeder Stelle des Bündels zu bestimmen und globale sowie lokalisierte Schwankungen an jedem Meßdetektor zu kompensieren.

In der FR-PS 2 235 854 ist ein Gerät zur axialen Toim.ographie beschrieben, das einen Bezugsdektor aufweist, der dazu bestimmt ist, die Intensität der von einer Röntgenröhre gelieferten Strahlung zu messen. Das den zu untersuchenden Körper bestrahlende Bündel trifft nach Durchqueren des Körpers auf einen Meßdetektor, der dazu bestimmt ist, die Intensität der Strahlung hinter dem zu untersuchenden Körper zu messen. Das Verhältnis zwischen den Signalen, die vom Meßdetektor und vom Bezugsdetektor geliefert werden, entspricht der Absorption der Strahlung durch den Körper. Dieser Bezugsdetektor weist einen Szintillator auf, der Röntgenstrahlen nur gering absorbiert, d.h. die ihn durchquerenden Röntgenstrahlen zu weniger als 10% absorbiert, und der auch eine vernachlässigbare Absorption des von ihm selbst ausgesandten sichtbaren Lichtes aufweist. Er ist so angeordnet, daß er die Gesamtheit des Bündels auffängt. Das den Referanzdetektor erreichende Bündel umfaßt die Gesamtheit des nutzbaren Bündels, das den Meßdetektor erreicht, und ist auf dieses Bündel zentriert. Die Oberfläche des Referenzdetektors, der durch das Referenzbündel· bestrahlt wird, ist wenigstens gleich derjenigen des durch das Nutzbündel bestrahlten Meßdetektors. Die Öffnung des den Referenzdetektor erreichenden Bündels wird z.B.

10-bis 20-fach größer als diejenige des Nutzbündels gewählt, um am Ausgang dieses Referenzdetektors ein Referenzsignal eines Pegels zu erhalten, der vergleicnbar mit demjenigen des Meßdetektors ist und dessen Intensitätsschwankungen, die auf wechselnde Erwärmung und ■ auf seine Instabilität sowie auf die Drehung und auf Oberflächenfehler der Anode und Vibrationen derselben

zurückzuführen sind, hinreichend mit denjenigen des Nutzbündels übereinstimmen/ um sie weitgehend zu kompensieren. Die letztgenannte Forderung ist bei Vorrichtungen nicht erfüllt, in denen als Bezugswert ein Röntgenstrahlenbündel verwendet wird, das nicht die Gesamtheit des Nutzbündels einschließt, wie dies bei dem eingangs genannten Stand der Technik der Fall ist (Punktdetektoren), denn das Strahlungsdiagramm kann sich mit der Drehung ebenfalls verändern.

Das Gerät nach der erstgenannten Druckschrift ermöglicht eine Kompensation der Intensitätsschwankungen in Abhängigkeit von der Richtung des sektorförmigen Bündels des betrachteten Meßdetektors.

Das Gerät nach der letztgenannten Druckschrift ermöglicht eine Berücksichtigung der Gesamtheit des Nutzbündels.

Diese herkömmlichen Geräte ermöglichen eine Kompensation der Schwankungen der Bündelqualität, die z.B. von der an die Röntgenröhre angelegten Hochspannung abhängt, sie berücksichtigen jedoch.nicht die Tatsache, daß die zu analysierenden Objekte nicht gleichförmig sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Behebung dieses Mangels durch eine Referenzdetektorvorrichtung, bei der den Referenzdetektoren Kompensationsfilter zugeordnet sind, welche die gängigsten Objekte in bezug auf ihre Dämpfung

der Röntgenstrahlen reproduzieren. 30

Durch die Erfindung wird eine Referenzdetektorvorrichtung für Multidetektor-Tomodensitometer geschaffen, die zum Erhalten des Meßwertes der radiologischen Dichte eines Objektes an jedem Punkt eines Schnittes desselben eine Röntgenquelle und Meßdetektoren aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ferner mehrere Referenzdetektoren aufweist und mit Filtereinrichtungen versehen

ist, die es gestatten, an jedem Referenzdctektor einen Meßwert des Bündels unter spektralen Bedingungen zu erhalten, welche die Dämpfung der Röntgenstrahlen durch gängige zu analysierende Objekte reproduzieren, wobei jeder Referenzdetektor einer dieser Filtereinrichtungen zugeordnet ist und die auftreffende Röntgenstrahlung nach Dämpfung durch diese zugeordnete Filtereinrichtung mißt; ferner sind Einrichtungen zum kurzzeitigen Kombi-. nieren der an den verschiedenen Referenzdetektoren gefundenen Werte unter Berücksichtigung der Meßwerte an dem betrachteten Meßpunkt und Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzwertsignals, das sich aus dieser Kombination von Werten ergibt, vorgesehen.

Durch die Erfindung wird ferner ein Tomodensitometer geschaffen, das eine derartige Vorrichtung enthält.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Tomodensitometer mit der erfindungsgemäßen Referenzdetektorvorrichtung;

Figuren 2 und 3

Ansichten zur Erläuterung besonderer Eigenschaf7 ten der Vorrichtung.

Der Zweck der Tomodensitometrie besteht darin, die un-

terschiedliche Absorption der Röntgenstrahlen in einem Körper auszunutzen, um diesen zu untersuchen oder Veränderungen darin festzustellen. In Verbindung mit einem Bildrekonstruktionsverfahren können z.B. durch Aufzeichnen einer Absorptionskarte die anatomischen Strukturen dargestellt werden.

Bei jeder physikalischen Messung findet eine Wechselwirkung zwischen dem Meßgerät und der gemessenen Größe statt. Für die Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie gilt, daß nur die Absorption eine merkliche Energieentnahme aus dem Bündel ermöglicht. Für jegliche Messung von Röntgenstrahlen ist also eine Absorption derselben erforderlich.

Bei streng monoenergetischen Röntgenstrahlen ist das Absorptionsgesetz wohlbekannt. Daher reicht eine Teilabsorption aus, wenn von Genauigkeitsproblemen abgesehen wird, die mit der Anzahl von gemessenen Teilchen zusammenhängen.

Für eine polyenergetische Strahlung, und wenn die spektrale Zusammensetzung des Bündels nicht genau bekannt ist, ist es jedoch unerläßlich, daß eine vollständige Absorption stattfindet. Auf diese Weise kann entweder die gesamte Anzahl von Photonen unabhängig von ihrer Energie oder aber die Gesamtenergie des Bündels gemessen werden.

Die zwingend erforderliche vollständige Absorption macht die Verwendung eines Detektors erforderlich, bei dem entweder die atomare Ordnungszahl und das .spezifische Gewicht oder aber die Länge in Richtung des Bündels für die maximale mögliche Energie der zu erfassenden Strahlung ausreichen. Wegen des exponentiellen Charakters der Absorption kann niemals eine vollständige Absorption er-

^O folgen. Es kann jedoch die für die gewünschte Genauigkeit erforderliche Approximierung dieser Bedingung erreicht werden.

In bestimmten Fällen kann es auch erforderlich sein, dem senkrechten Querschnitt des Bündels minimale Abmessungen aufzuerlegen, um die gestreuten Photonen der Röntgenstrahlung zu berücksichtigen.

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Die eigentliche Detektionsfunktion ergibt sich direkt aus dem Absorptionsmechanismus.

Im Prinzip ist die gemessene Größe der lineare Gesamtdämpfungskoeffizient μ. Wegen der vorgenommenen Approximierungen wird es jedoch bevorzugt, anstelle dieses Koeffizienten den Begriff der radiologischen Dichte zu verwenden, wobei diese beiden Größen sich in demselben Sinne verändern. Für eine monochromatische Strahlung sind sie gleich, oder es besteht zumindest eine lineare Beziehung zwischen diesen Größen. In der Praxis ist es häufig möglich, die eine Größe an die andere anzugleichen.

Das erste Element eines Tomodensitometers ist das Röntgengerät, das einen Hochspannungsgenerator und eine Röhre enthält. Die von dem Brennpunkt ausgehende Strahlung durchquert das zu messende Objekt und erreicht den Detektor, wo sie vollständig absorbiert wird. Die Intensität dieser Strahlung wird mit I bezeichnet. Die Messung der Intensität I reicht nicht aus, um die Eigenschaften des absorbierenden Körpers in Erfahrung zu bringen. Es ist vielmehr erforderlich, ferner die Intensität I der von der Quelle abgegebenen Strahlung zu kennen. Für monochromatische Strahlung gilt dann:

I=I e~ /^μ*^χ) ^dx
ο

Log I = Log(I_o β" /^^x>^dx) 30

Log I = Log I - j μ(χ) dx

Für die Länge L eines homogenen Körpers gilt: 35

- r-

Log I ·* Log I = U-L

^o

μ = ^ (Log I_Q - Log I)

oder

μ = _T (Log -2 )

Der Wert I kann unter denselben Bedingungen wie I gemessen werden, indem einfach der absorbierende Körper entfernt wird. Dieses Verfahren ist jedoch nicht anwendbar, wenn kontinuierliche Messungen durchgeführt werden sollen, es sei denn, die Intensität der Röntgenstrahlung ist ausreichend stabil, so daß eine einmalige Messung genügt.

Hingegen reicht es für ein Röntgenbündel, das von einer mit konstanter Hochspannung betriebenen Röntgenröhre abgegeben wird, aus, nur einen Teil des Bündels mittels eines Detektors zu messen, der nur teilweise absorbiert und vor dem Objekt angeordnet ist. Es kann auch ein Bündel gemessen werden, das mit dem Nutzbündel identisch ist, jedoch eine andere Richtung aufweist, unter der Voraussetzung, daß keine Schwankungen der räumlichen Verteilung der Ausstrahlung vorhanden sind.

.

Auf diese Weise können gleichzeitig die Größen I und I ermittelt werden. Die für die Berechnung von μ erforderliche Größe ist nämlich I/I_Q (bzw. I /I), d.h. ein Verhältnis.
30

Der Detektor für die Messung des Wertes I wird als Referenzdetektor bezeichnet.

Für den Fall einer polyenergetischen Verteilung f(E) ist die gemessene Intensität die Summe der relativen Intensitäten für jede Energie:

I = Jf (E) dE = Jf₀ (E) e" )^μ(χ'^{Ε) dx} dE.

Es ist dann nicht mehr möglich, unter Anwendung derselben Berechnungen den Wert μ zu finden. In der Praxis muß das Bündel einem monochromatischen Bündel gleichgesetzt werden, wobei die Anordnung eines Filters zwisehen der Quelle und dem Objekt eine Minimierung des Fehlers ermöglicht. Es muß dann lediglich die Differenz zwischen den natürlichen Logarithmen der Meßwerte gebildet werden, um eine Größe zu erhalten, die gleich (μ(χ) dx ist (wobei angenommen wird, daß die Verstärkungen in den beiden Kanälen gleich sind, so daß I=I wenn μ = o) .

Schon aus den ersten Abhandlungen über die Tomodensitometrie ist es bekannt, einen Referenzdetektor zu verwenden, dessen Funktion darin besteht, die Flußdichte der absorptionsfreien Röntgenstrahlung oder eine dazu proportionale Größe zu messen.

Im allgemeinen wird ein solcher Referenzdetektor nahe an der Röntgenquelle angeordnet. Es kann sich entweder um einen Detektor mit vollständiger Absorption handeJn, der neben dem Meßbündel angeordnet ist, oder aber urr. einen Detektor mit geringer Absorption, der im Inneren des Meßbündels angeordnet ist und von diesem durchdrungen wird, bevor es das zu messende Objekt erreicht.

Der Hauptvorteil dieser zweiten Lösung besteht darin, daß der Referenzdetektor die Strahlungsquelle (Brennpunkt der Röhre) unter demselben Winkel wie die Meß-"^ detektoren "sieht", jedoch muß die durch den Referen?:- detektor verursachte Dämpfung des Bündels gering bleiben, damit die zur Messung benötigte Flußdichte erhalten bleibt. Da es nicht möglich ist, ein Dämpfungselement für Röntgenstrahlen zu schaffen, das sich in bezug auf die Energie neutral verhält, ergeben sich zwei miteinander verknüpfte Schwierigkeiten: eine Filtrierung der Strahlung durch den Referenzdetektor, wodurch die

Meßwerte beeinflußt werden können (härtere' Strahlung des Bündels), und Referenzmeßwerte, die für ein anderes Spektrum gelten als das der Strahlung, mit der die Messung vorgenommen wird.

Diese beiden Filterungsvorgänge sind zueinander komplementär, da derjenige Teil des Spektrums, der für die Referenzmessung genutzt wird, genau derjenige Teil ist, der absorbiert wird.

Im allgemeinen wird die Strahlung geringerer Energie bevorzugt in dem Referenzdetektor absorbiert und gemessen.

Die erstgenannte Lösung, d.h. die Verwendung eines Referenzdetektors mit vollständiger Absorption, ist im allgemeinen die bessere, unter der Bedingung, daß die Flußdichte in der Referenzrichtung nicht von der in Meßrichtung verschieden ist und daß der Detektor ebenso stark absorbiert wie das am stärksten absorbierende Objekt. Es verbleibt jedoch eine Schwierigkeit, die auf der polyenergetischen Natur der von der Quelle abgegebenen Strahlung beruht. In der Praxis gibt es keine monochromatische Strahlung, so daß eine automatische

25. Filterung der Röntgenstrahlen durch das Objekt stattfindet, da die Strahlung den Körper auf einer gegebenen Bahn nicht für alle Wellenlängen in demselben Verhältnis durchdringt. Wenn ein sehr dünner Körper betrachtet wird, so ist die automatische Filterung nur gering; für zunehmende Dicke des Körpers wird jedoch die Strahlung größerer Wellenlänge stärker absorbiert.

Wenn ein kreisrundes homogenes Objekt betrachtet wird, so darf die Dämpfung längs eines Bündels nur von der ° durchquerten Strecke abhängen, die an den Rändern gering und in der Mitte groß ist. Die Dämpfung ist jedoch nicht für alle Energien gleich. Weiche Strahlung erfährt eine

- yf -

starke Absorption auf einer geringen Länge. Härtere Strahlung erfährt nur eine geringe Dämpfung, und zwar selbst für eine größere Länge. Es findet also eine Filterung der Strahlung durch das gemessene Objekt statt. Je größer die Länge der Durchquerungsstrecke ist, desto härter wird die Strahlung und desto geringer ist also die lineare Dämpfung des Bündels.

Der Dämpfungskoeffizient scheint also in der Mitte des Objektes geringer als an seinen Rändern. Nach der Rekonstruktion sind also die berechneten radiologischen Dichtewerte in der Mitte geringer als an den Rändern. Eine graphische Darstellung der Dichte des Körpers weist daher eine hohle Form mit angehobenen Rändern auf. Aus diesem Grunde wird die beschriebene Erscheinung als "Muldeneffekt" bezeichnet.

Wegen des exponentiellen Charakters der Dämpfung isv die automatische Filterung in der Nähe der Ränder besonders stark. Daher wird eine besonders starke Variation an den Rändern des Objektes festgestellt, während sie in der Mitte gering ist.

Bei komplizierteren Formen des Objektes ist der erläuterte Effekt besonders spürbar für solche Punkte, die auf dem am stärksten absorbierten Strahl und auf dem am wenigsten absorbierten Strahl liegen, wie dies z.B. für den Stirnbereich des Kopfes zutrifft. In solchen Fällen sind Effekte zunehmender Stärke zu beobachten, die eine Auswertung der entsprechenden Zonen unmöglich machen, da sie dort eventuelle pathologische Zustände verdecken. Die Schwierigkeiten nehmen weiter zu, wenn Materie unterschiedlicher Art vorhanden ist (z.B. die

Schädelknochen).
35

Es wird angestrebt, diese Mängel zu beheben, und zwar durch eine Kombination einer Hochspannungsfilterung,.

wodurch die Breite des Spektrums vermindert wird, und durch spezifische Korrekturmaßnahmen.

Beim Durchdringen des gemessenen Objektes erfährt die Hauptstrahlung eine Filterung, durch die sie qualitativ verändert wird. Diese Erscheinung, die als "Verhärtung des Spektrums" bekannt ist, kann auf verschiedene Weise korrigiert werden, wobei die Korrekturmaßnahmen im allgemeinen auf der Anwendung von Eichmessungen beruhen.

Die Eichmessungen werden jedoch zu einem anderen Zeitpunkt als die Messung vorgenommen. Sie berücksichtigen also keine eventuellen Veränderungen der Eigenschaften des Strahlungsbündels, die z.B. durch Schwankungen der an die Röntgenröhren angelegten Hochspannung verursacht werden. Wenn diese Schwankungen langsam sind, so führen sie zu einem Eichfehler; wenn die Periode der Schwankungen vergleichbar mit der Periode der Meßproben ist, so führen diese Schwankungen dazu, daß die Meßwerte mit Rauschen behaftet sind. Dies gilt z.B. für ein Perioden-Verhältnis von 2 oder 3. Es ist nämlich offensichtlich, daß die Meßbedingungen gleich bleiben müssen, da andernfalls die Meßwertschwankungen zwischen Anfang und Ende der Erfassungsperiode als Dichteveränderungen in Abhängigkeit vom Projektionswinkel angesehen werden, was zu dem Bild überlagerten Störbildern führen würde. Ferner muß beachtet werden, daß die Tomodensitometrie digitale Informationen liefert. Der Begriff der Messung impliziert aber auch den Begriff der Dauerbeständigkeit, woraus sich die Forderung nach einer großen Langzeitstabilität ergibt (mehrere Monate oder Jahre).

Während der Meßwerterfassung entspricht jeder Meßwert einer Abtastperiode von einige Millisekunden. Die experimentellen Bedingungen dürfen also auch in diesem Rahmen nicht schwanken.

Diese Forderung gilt sowohl für die Qualität der verwendeten Strahlung als auch für die Position des Senders. Da aber mit dem Verhältnis gearbeitet wird, können quantitative Schwankungen der Strahlungsflußdichte eliminiert werden, wenn sie nicht zu groß sind.

Schwankungen der Betriebsspannung verursachen insbesondere: eine Änderung des Wirkungsgrades der Strahlenquelle, eine Veränderung des Bremsstrahlungsspektru.ms sowie eine Veränderung der Anregung von charakteristischen Linien des Stoffes, aus dem die Anode der Röhre gebildet ist.

Sämtliche genannten Schwankungen sind nichtlinear. Die Detektoren messen im allgemeinen die Gesamtenergie des Spektrums. Die durch ein Filter hindurch gemessene Schwankung (Filterelement oder das Objekt selbst) hangt also sowohl von der Schwankung der ausgestrahlten Gesamtenergie als auch von der Art der Filterung ab und tritt als Verschiebung der Energieverteilung des Bündels .in Erscheinung.

So ist in der Nähe des Maximums des kontinuierlichen Spektrums die Modulation relativ schwach und hängt nur von der globalen Schwankung des Wirkungsgrades ab. Inder Nähe der maximalen Energie ist die Modulation der Abstrahlung vollständig.

Die von den Meßdetektoren erfaßte Modulation ist das Integral der Modulationen des Gesamtspektrums. Wenn die von dem Referenzdetektor erfaßte Modulation derjenigen gleicht, die von den Meßdetektoren festgestellt wird, so muß lediglich das Verhältnis von Meßwert zu Referenzwert berechnet werden, um die Modulation zu eliminieren. 35

Da jedoch das Objekt nicht gleichförmig ist, kann diese Eliminierung im allgemeinen nicht für alle Fälle durchgeführt werden, so daß eine Störmodulation verbleibt. Um

'diesen Mangel zu beheben, ist es bekannt, die Schwankungen der an die Röhre angelegten Spannung vernachlässigbar zu machen und das Objekt durch Anwendung von Kompensationsfiltern gleichförmig zu machen. Es sind nämlich nicht alle Durchquerungsstrecken der Strahlen durch den Körper gleich lang, z.B. wegen des kreisförmigen Querschnitts des Körpers und des Querschnittes der ihn umgebenden Materie. Aus diesem Grunde neigen die Detektoren, die sich an den Extremstellungen befinden, dazu, selbst für einen Körper mit gleichförmiger Absorption Signale mit größeren Werten abzugeben. Um diesen Fehler zu korrigieren, werden also Dämpfungskörper oder Filter geeigneter Form vorgesehen, um die Längen der Durchquerungsstrecken gleich zu machen.

Gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine andere Lösung vorgeschlagen, die darin besteht, daß nicht ein einziger, sondern mehrere Referenzdetektoren verwendet werden, die die ankommende Flußdichte nach Dämpfung durch Filter messen, welche die gängigsten gemessenen Objekte bezüglich der Filterung der Strahlung reproduzieren. Es kann also ein einziger Referenzmeßwert zu einem gegebenen Zeitpunkt durch eine Kombination von Werten ersetzt werden, die zu demselben Zeitpunkt an verschiedenen Referenzdetektoren erhalten werden.

Die Kombination von Referenzdetektoren mit zugeordneten Filtern kann in Abhängigkeit von der Art des gemessenen Objektes, das zuvor bekannt ist, festgelegt werden, kann in Abhängigkeit von den Messungen selbst veränderlich sein oder in Abhängigkeit vom Ergebnis einer ersten Rekonstruktion veränderlich sein/ um eine zweite Rekonstruktion verbesserter Qualität zu ermöglichen.

Jedem Filter entspricht eine bestimmte Dämpfung der Röntgenstrahlen. Zu einem gegebenen Zeitpunkt wird die Zusammensetzung der Meßwerte an dem betrachteten Meßpunkt

berücksichtigt. Es sind dann die verschiedenen Arten der Dämpfung bekannt, welche die Röntgenstrahlung erfährt, und es wird eine Kombination der Referenzdetektoren angewendet, welche diese Arten von Dämpfung reproduziert. Die zu analysierenden Objekte sind nämlich im allgemeinen nicht homogen.

Es werden also verschiedene Simulationsfilter vorgesehen, und mittels eines Interpolationsprozessors können die Werte erhalten werden, die Zwischenwerten der Dicke äquivalent sind. Diese vor den Referenzdetektoren angeordneten Filter ermöglichen eine Simulierung des Phänomens. Eine Annäherung an die wirklichen Verhältnisse erfolgt durch Interpolation. Die Filter können aus demselben oder aus unterschiedlichem Material bestehen, das eine Simulierung des Objektes gestattet.

Plexiglasplatten sind z.B. verwendbar, um ein rotierendes Gerät zwischen den Meßperioden zu eichen, wobei diese Plexiglasscheiben anstelle des Objektes in das Bündel gestellt werden.

In Fig. 1 ist ein Tomodensitometer dargestellt.

Eine Röntgenstrahlenguelle 1 sendet ein Röntgenbündel aus, wovon ein Teil das zu analysierende Objekt 2 durchquert, bevor er eine Reihe von Meßdetektoren M₁ ... M erreicht. Die Referenzdetektoren R₁ ... R sind abseits von dem Röntgenbündel dargestellt, jedoch wird angenommen, daß

ein Teil des Bündels sie erreicht.

Auf die Detektoren folgen, gleich ob es sich um Meßdetektoren oder Referenzdetektoren handelt, jeweils eine Verstärkerschaltung 3, eine Integrierschaltung 4 und eine Umsetzschaltung 5, die eine Analog/Digital-Umsetzung vornimmt, jedoch auch eine logarithmische Umsetzung durcnfuhren kann.

Die Integrierschaltung integriert das Signal über eine Z-eitspanne, die einen vorbestimmten Bewegungswinkel der Röntgenquelle darstellt, so daß ein Analogsignal erhal-, ten wird, welches die Gesamtintensität der Strahlen darstellt, die zu diesem Zeitpunkt auf den betreffenden Detektor gelangen und von dem zu analysierenden Objekt 2 über die von diesem Detektor untersuchte Bahn durchgelassen werden, unter Berücksichtigung der Bewegung der Röntgenquelle.

Einer der Referenzdetektoren, z.B. der Detektor R₁, ermöglicht eine erste Approximierung des Meß- bzw. Referenzwertes im üblichen Sinne.

Nach der Aufbereitung der Referenzsignale R. und der Meßsignale M. werden sie an die beiden Eingänge einer Divisionsschaltung 6 angelegt, die ein kompensiertes Signal abgibt, das dem Verhältnis zwischen dem Meßsignal und dem Referenzsignal entspricht. Die Division kann durch Subtraktion der Logarithmen der beiden Signale gebildet werden.

Aus den zu einem gegebenen Zeitpunkt erhaltenen Referenzwerten, die von den Referenzdetektoren abgegeben werden, kann eine Gruppe von Referenzwerten gebildet werden, mit durch Interpolation erhaltenen Zwischenwerten. Diese in eine Tabelle eingeordneten Werte dieneh als Bezugsgrößen und werden in Abhängigkeit von dem gefundenen Meßwert adressiert, der auf einen mittleren Detektor bezogen ist.

Die Referenzdetektoren R- ... R liefern Referenzsignale, die nach Aufbereitung in einem Speicher'7 gespeichert Ytferden. Diese Werte werden dann für jeden AbtastZeitpunkt an einen Interpolationsprozessor 8 angelegt, der in einem Speicher 9 eine Tabelle von dämpfungsabhängigen Bezugswerten oder, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, direkt eine Entsprechungstabelle für die Entsprechung

zwischen Meßwerten/Bezugswerten (einzige Bezugsgröße) und Meßwerten/Bezugswerten (polyenergetische Bezugsgröße) bil det .

Der am Ausgang der Divisionsschaltung 6 erhaltene Wert für das Verhältnis zwischen Meßwert und Referenzwert wird zur Adressierung der Tabelle über einen Leseprozessor 10 verwendet. Der korrigierte ausgelesene VJert ist mit 11 bezeichnet. Diese Vorgänge können teilweise oder insgesamt mit der Berechnung der Logarithmen verbunden werden. Der korrigierte Wert 11 wird dann zur Rekonstruktionsberechnung verwendet, die mit 12 angegeben ist, um ein mit 13 bezeichnetes Ergebnis zu erhalten.

Jeder Referenzdetektor ist einem Filter zugeordnet, aas einer bestimmten Dämpfung der Röntgenstrahlen entspricht. Zu jedem Zeitpunkt kann also diese Tabelle ausgehend von Werten aufgefüllt werden, die von den verschiedenen Referenzdetektoren erhalten werden.

Für jeden Meßpunkt ist also zu einem gegebenen Zeitpunkt bekannt, welche Art der Dämpfung angenommen werden muß. Es kann daher eine Kombination von Referenzdetektoren angewendet werden, um die Tatsache zu berücksichtigen, daß ^" das zu analysierende Objekt nicht allgemein homogen ist.

Die Referenzdetektoren können in dem Röntgenbündel angeordnet werden, jedoch in einem solchen Bereich desselben, der den zu analysierenden Körper nicht durchquert hat,

was bei mit Translationsbewegung arbeitenden tomodensitometrischen Geräten stets möglich ist. Dabei können die von den Analysebündeln erreichten Detektoren zeitlich nacheinander als Meßdetektoren oder Referenzdetektoren angesehen werden, da sie periodisch aus dem Feld des Objektes heraustreten. Diese Bedingung ist jedoch für die mit einer Umdrehung arbeitenden Geräte nicht erfüllt, so daß das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden muß.

Wenn ein Objekt unbekannt ist, so ist keine korrekte Simulierung oder Kompensation möglich. Es wird eine Menge von allen möglichen Fällen berücksichtigt, die primär simuliert werden. In Abhängigkeit von der sekundär erfolgten - Messung können Korrekturen vorgenommen werden, die auch iterativ sein können, wobei eine Rückschleifung stattfinden kann, um nach Stabilisierung ein korrektes Ergebnis zu erhalten. Wenn als Beispiel zwei axiale Schnitte des Schädels angenommen werden, von denen der eine durch die Gehirnmasse (Fig. 2) verläuft, während der andere die Gehirnbasis und die hintere Schale (Fig. 3) durchquert, so ist längs der Achse A nur Luft vorhanden. Längs der Achse B warden etwa 2,5 cm Knochen mit dem spezifischen Gewicht 1,6 angetroffen, was durch eine Aluminiumplatte mit dem spezifischen Gewicht 2,7 simuliert werden kann. Längs der Achse C werden etwa 1,5 cm Knochen und 16 cm Gewebe angetroffen, was simuliert werden kann durch eine Plastikplatte, die C, H und O enthält, z.B. aus Epoxyharz. Längs der Hauptachse D werden etwa 5 cm Knochen und 10 cm Ge.-webe angetroffen.

Diese Filter können also z.B. aus Plexiglasscheiberi, Wasserschichten und Polyesterharzplatten verwirklicht werden. Wenigstens eines der Filter kann z.B. ein Material enthalten, dessen mittlere atomare Ordnungszahl an diejenige der Knochenstrukturen angenähert ist, z.B. Aluminium, ein mit Füllstoff versetztes Harz 'oder ein Material, das Gips oder Glas enthält.

^O Die verwendeten Referenzdetektoren können vom üblichen Typ sein, d.h. vom Typ eines Szintillators, der einer Photomultiplierröhre zugeordnet ist, oder vom Typ eines Gasionisationsdetektors. Der Detektor für die Messung der Bezugsgröße der ungedämpften Strahlung muß ein Verhalten aufweisen, das im größtmöglichen Maße äquivalent demjenigen des Meßdetektors ist, d.h. er muß im allgemeinen einen guten Wirkungsgrad haben. Die den verschiedenen Dämpfungsgraden des Bündels entsprechenden Detek-

Z4 3 3 ϋ Ο 4 O

toren müssen den höherenergetischen Teil des Bündels messen und können entweder durch Kombinieren eines Detektors für vollständige Absorption mit einem Filter oder durch andere Anordnungen gebildet werden, z.B. durch einen Diffusor, welcher die direkte Strahlung aufnimmt und durch Streuung oder Fluoreszenz eine Strahlung niedriger Energie wieder aussendet, die proportional zu dem höherenergetischen Teil des Spektrums ist.

Bei den üblichen Energien wird die Dämpfung durch drei unterschiedliche Mechanismen verursacht: Absorption durch Photoeffekt, elastische Streuung (Thomson-Rayleigh-Effekt) und unelastische Streuung (Compton-Effekt).

Die unelastische Streuung (Compton-Effekt) kann mit einem unelastischen Stoß verglichen werden. Ein eintreffendes Röntgenphoton wird in der Nähe der Elektronenwolke eines Atoms der durchquerten Materie abgelenkt und verliert Energie, die auf eines der Atome abgegeben wird, das auf diese Weise freigesetzt wird. Die Energie, die das Rörtgenphoton verloren hat, ist relativ gering. Sie ändert sich in Abhängigkeit von seinem Streuwinkel und ist für die Ablenkung null gleich null; sie wird um so größer, je größer der Ablenkwinkel ist. Jedoch ist für geringe Winkel die Wahrscheinlichkeit der Streuung maximal, und sie nimmt mit der Energie ab.

Wegen der starken Abnahme des Photoeffektes überwiegt bei höheren Energien der Compton-Effekt. Es kann gezeigt werden, daß der Koeffizient des Compton-Effektes nur von der Elektronendichte des absorbierenden Körpers abhängt. Da sich dieser Parameter wenig mit der Art der chemischen Elemente ändert, kann angenommen werden, daß der lineare Massenkoeffizient des Compton-Effektes für alle Körper im wesentlichen derselbe ist, daß als der lineare Dämpfungskoeffizient durch den Compton-Effekt praktisch proportional dem spezifischen Gewicht des absorbierenden Stoffes ist.

Der betrachtete Diffusor kann außerhalb des Nutzbereiches des Röntgenbündols angeordnet werden.

Wenn ein Diffusor im Inneren des Bündels angeordnet wird, so können die Referenzdetektoren, ebenso wie die zugeordneten Filter außerhalb des Nutzbündels angeordnet werden, wobei die gestreute Röntgenstrahlung sie jedoch erreicht.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung können Schwankungen der Hochspannung, welche die Röntgenquelle speist, augenblicklich korrigiert werden. Ferner können bei Translations- oder Rotationsbewegungen auftretende Dämpfungsphänomene korrigiert werden.

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Claims

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7. Januar 1983

THOMSON - CSF

173, Bd. Haussmann

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Unser Zeichen: T 3563

Patentansprüche

Referenzdetektorvorrichtung für Multidetektor-Tomodensitometer, wobei zur Messung der radiologischen Dichte an jedem Punkt eines Schnittes eines Objektes (2) eine Röntgenquelle (1) und Meßdetektoren (M₁ ... M) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Referenzdetektoren (R₁ ...R) vorgesehen sind, da3 Filtereinrichtungen vorgesehen sind, die an jedem Referenzdetektor eine Messung des Bündels unter spektralen Bedingungen ermöglichen, welche die Dämpfung der Röntgenstrahlen durch gängige zu analysierende Oojekte reproduzieren, wobei jeder Referenzdetektor (R₁ .... R ) einer dieser Filtereinrichtungen zugeordnet ist und die einfallende Röntgenstrahlung nach Dämpfung durcn die zugeordnete Fi-ltereinrichtung mißt, daß eine Emrichtung zum augenblicklichen Kombinieren der gefundenen Meßwerte der verschiedenen Referenzdetektoren unter Berücksichtigung der Meßwerte am betrachteten Meßpunkt vorgesehen ist, und daß eine Einrichtung zur Erzeugung eines aus dieser Kombination von Werten erhaltenen Referenzwertsignals vorhanden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum augenblicklichen Kombinieren der gefundenen Werte der verschiedenen Referenzdetektoren nach einer ersten gewöhnlichen Konstruktion eine zweite Rekonstruktion mit verbesserten Referenzwerten ermöglicht, unter Berücksichtigung der Meßwerte am betrachteten Meßpunkt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, IQ daß die Röntgenquelle ein Hauptbündel abgibt, das in zwei einander ausschließende Unterbündel unterteilt ist, wovon nur das erste Unterbündel auf dem Objekt (2) auftrifft, während das zweite darauf nicht auftrifft, und daß die Referenzdetektoren Detektoren mit vollständiger Absorption der eintreffenden Röntgenstrahlen sind und in dem zweiten von der Röntgenquelle abgegebenen Unterbündel angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Diffusorelement zur Streuung der Röntgenstrahlen in dem von der Röntgenquelle abgegebenen Hauptbündel angeordnet ist, welches in zwei einander ausschließende Unterbündel unterteilt ist, von denen nur das erste auf dem Objekt (2) auftrifft, und daß die Referenzdetektoren außerhalb des Hauptbündels auf der Bahn der gestreuten Röntgenstrahlen angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffusorelement in dem zweiten von der Röntgenquelle abgegebenen Unterbündel angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzdetektoren Detektoren mit teilweiser Absorption der auftreffenden Röntgenstrahlen sind und

³^ daß die Referenzdetektoren in dem von der Röntgenquelle abgegebenen Hauptbündel angeordnet sind.

— 3 —

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Filtereinrichtungen aus Plaxiglasscheiben gebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Filtereinrichtungen aus Wasserschichten gebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtungen aus Polyesterharzplatten gebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Filtereinrichtung ein Material enthält, dessen atomare Ordnungszahl ungefähr gleich derjenigen von Knochenstrukturen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Material Aluminium ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Material mit einem Füllstoff versetztes Harz ist.

i3. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Material Gips enthält.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß das genannte Material Glas enthält. 30

15. Multidetektor-Tomodensitometer, gekennzeichnet durch eine Referenzdetektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.