DE3586192T2

DE3586192T2 - Roentgen-anordnung.

Info

Publication number: DE3586192T2
Application number: DE19853586192
Authority: DE
Inventors: Richard A Sones; Mike M Tesic
Original assignee: Picker International Inc
Current assignee: Philips Nuclear Medicine Inc
Priority date: 1984-09-21
Filing date: 1985-09-18
Publication date: 1993-01-14
Anticipated expiration: 2005-09-19
Also published as: EP0176314A3; EP0176314B1; JPS61122847A; DE3586192D1; EP0176314A2; JPH0661324B2; CA1240074A

Description

Die Erfindung betrifft Durchleuchtungssysteme.
Die Durchleuchtung ist eine seit langem bekannte medizinische Diagnose-Abbildungstechnik.
In einem konventionellen Durchleuchtungssystem wird eine Strahlungsquelle, beispielsweise eine Röntgenstrahlenquelle, so betätigt, daß sie ein divergentes Strahlungsbündel von Röntgenstrahlen durch einen Patienten strahlt. Eine Kassette, die einen röntgenstrahlempfindlichen Phosphorschirm sowie einen licht- und röntgenstrahlempfindlichen Film enthält, ist im Röntgenstrahlpfad auf der der Quelle abgewandten Seite des Patienten angeordnet. Durch den Patientenkörper hindurchtretende Röntgenstrahlung wird geschwächt, so daß sie ein Schattenbild eines Bereichs vom Patienten erzeugt, durch den die Röntgenstrahlung hindurchtritt.
In jüngerer Zeit wurden digitale Durchleuchtungs techniken und -systeme entwickelt. Bei der digitalen Durchleuchtung richtet die Quelle Röntgenstrahlung durch einen Patientenkörper auf eine Detektoranordnung, die im Strahlenpfad jenseits des Patienten angeordnet ist. Der Detektor erzeugt elektrische Signale, die das Strahlungsmuster definieren, das aus dem Patienten austritt. Diese Signale werden dann zur Gewinnung einer sichtbaren Darstellung des Bildes verarbeitet.
Die Detektoranordnung umfaßt eine längliche Anordnung von individuellen diskreten Detektorelementen. Jedes Detektorelement spricht auf einfallende Röntgenstrahlung an, um ein analoges elektrisches Ladungssignal zu erzeugen, das derartige Strahlung anzeigt. Diese analogen Signale repräsentieren des Strahlungsmuster oder Bild, das aus dem Patientenkörper austritt und auf die Detektoranordnung fällt.
Die analogen Signale werden abgetastet und mittels einer Abbildungsschaltung verarbeitet, primär, um ihr Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern, und werden darauffolgend digitalisiert.
Die digitalen Signale werden einer digitalen Datenverarbeitungseinheit (DPU) zugeführt. Die Datenverarbeitungseinheit zeichnet die digitalen Daten auf und/oder verarbeitet sie und verstärkt sie.
Eine Darstellungseinheit oder Displayeinheit spricht auf geeignete digitale Daten an, die das Bild repräsentieren, um die digitale Information zurück in analoge Form umzusetzen und eine visuelle Darstellung der inneren Patientenkörperstruktur zu erzeugen, die aus dem erfaßten Bildstrahlungsmuster abgeleitet wurde. Die Darstellungseinheit kann direkt an die digitale Datenverarbeitungseinheit für eine im wesentlichen Echtzeitabbildung angeschlossen sein oder kann mit gespeicherten digitalen Daten aus einer digitalen Speichereinrichtung wie Bändern oder Platten versorgt werden, die Patientenbilder repräsentieren, die aus früheren Untersuchungen erzeugt wurden.
Die digitale Durchleuchtung umfaßt Techniken, in denen ein dünnes gespreiztes Röntgenstrahlbündel verwendet verwendet wird. In der Praxis dieser Technik, häufig als "Scan -(oder Schlitz)-Projektionsdurchleuchtung" (SPR) bezeichnet, wird das gespreizte Bündel über den Patienten gescant, oder der Patient ist bewegbar zwischen der Quelle für das gespreizte Röntgenstrahlbündel und der Detektoranordnung angeordnet, wobei der Detektor kontinuierlich ausgerichtet mit dem Bündel gehalten wird. Die Relativbewegung, die zwischen der Quellen-Detektoranordnung und dem Patientenkörper hervorgerufen wird, tastet einen großen Bereich des Körpers ab.
Detektoren aus diskreten Elementen sind vorgeschlagen worden, die eine einzige Zeile von Detektorelementen umfassen. Andere Vorschläge haben rechtwinklige Detektoranordnungen quadratischer Detektorelemente beinhaltet.
Details bestimmter Aspekte digitaler Durchleuchtungssysteme der hier beschriebenen Art sind in den folgenden Publikationen vorgetragen: Mattson, R.A. et al, "Design and Physical Characteristics of a Digital Chest Unit", S.P.I.E., Band 314, Digital Radiography(1981).
Arnold, B.A. et al "Digital Radiography: An Overview" Proc. of S.P.I.E. Band 273, März 1991; Kruger, R.A. et al "A Digital Video Image Processor for Real Time X-Ray Subtraction Imaging", Optical Engineering, Band 17, Nr. 6 (1978);
European Patent Application No. EP-A-0115125, mit dem Titel "Split Energy Level Radiation Detection".
Ein alternativer Vorschlag für die oben beschriebene Detektorelementanordnung ist eine Detektoranordnung, die aus zwei Seite an Seite angeordneten vertikalen Säulen von quadratischen Detektorelementen besteht. Eine der Säulen ist jedoch gegenüber der anderen um eine Distanz gleich der halben Höhe eines einzelnen Detektorelements gegenüber der anderen Säule verschoben oder versetzt. Eine solche Konfiguration ist in der obigen europäischen Anmeldung beschrieben.
Es ist auch vorgeschlagen worden, da, wo die Detektoranordnung eine rechtwinklige Anordnung von quadratischen Detektorelementen umfaßt, das Signal/Rausch-Ver hältnis der Information, die vom Detektor gebildet wird, durch die Verwendung einer Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung (TDI) zu verbessern, wie beispielsweise in der US-A-4, 383,324 beschrieben ist. Solche vorgeschlagenen TDI-Systeme (Time Delay and Integrate Systems) verwenden eine Abtastung dem Detektorbewegung in regulären Intervallen und eine bewegungssynchrone Verschiebung und Addition von individuellen detektorerzeugten analogen Ladungssignalen. In solchen Systemen kann die TDI-Schaltung integral mit den Detektorelementen ausgebildet sein.
Wichtige Vorteile der Scan-Schlitzdurchleuchtung sind eine exzellente Streuunterdrückung und Kompabilität mit digitalen Bildsensoren. Ein signifikanter Nachteil derartiger Systme ist die Notwendigkeit einer starken Röntgenröhrenbelastung, die aus einer uneffektiven Ausnutzung der ausgegebenen Röntgenstrahlung resultiert. Diese Ineffizienz resultiert aus der Aperturbreite, die den gespreizten Strahl definiert, der nur einen kleinen Raumwinkel am Brennpunkt der Röntgenröhre einschaltet.
Um diesen Nachteil zu mildern, ist vorgeschlagen worden, ein gespreiztes Strahlbündel zu verwenden, das so dick wie möglich ist, ohne dabei einen unvertretbaren Kompromiß hinsichtlich der derartigen Systemen, die dünne Bündel verwenden, inhärenten guten Streuunterdrückung einzugehen. Wird jedoch das gespreizte Bündel aufgeweitet, wird die Verwendung einer rechtwinkligen Detektoranordnung schwieriger. Eine solche Schwierigkeit tritt deshalb auf, weil, da das gespreizte Bündel dicker gemacht ist, mehr Detektorelemente benötigt werden, die Datenraten hoch werden und infolgedessen schwieriger zu handhaben sind, und TDI-Techniken zur Verschiebung und Addierung der Daten synchron mit der Abtastbewegung verwendet werden müssen, so daß Daten, die zu jedem Bildabschnitt oder "Pixel" gehören, zur Vermeidung einer Bildverwischung geeignet überlagert werden.
Wird eine Zeitverzögerungs- und Integrationsverschiebungs- und Addierschaltung verwendet, so werden die Detektorelement-Ausgangssignale bei aufeinanderfolgenden Inkrementen der Detektorbewegung gleich der Länge einer Seite eines einzigen Detektorelements abgetastet. Aus Gründen, die detaillierter weiter unten beschrieben werden, ist die räumliche Auflösung einer rechtwinkligen Detektoranordnung bei Verwendung mit der TDI, wie oben beschrieben, schlechter als die maximal inhärent gewinnbare Auflösung.
Um das Verständnis sowohl des Standes der Technik als auch der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, sind einige Information und Definitionen, die sich auf Abbildungsoptiken beziehen, nützlich.
Die Fähigkeit irgendeines optischen Elements oder Systems zur Bildauflösung wird häufig als Funktion ihrer "Modulationsübertragungfunktion" (MTF von Modulation Transfer Function) beschrieben. Normalerweise nimmt die Fähigkeit eines optischen Systems zur Auflösung eines Bereichs eines Bildes ab, wenn die Feinheit des Details vom Bildbereich (die Anzahl von Zeilen pro Einheitsabstand) zunimmt. Die Anzahl von Zeilen pro Einheitsabstand wird häufig als "Zeilenpaare pro Millimeter" ausgedrückt und ist als die "Ortsfrequenz" des Bildabschnitts von Interesse bekannt. Die Verschlechterung der Auflösung mit anwachsendem Detail manifestiert sich als eine Kontrastminderung zwischen den hellen und dunklen Bereichen des Bildabschnitts. MTF ist die Funktion vom Kontrastverhältnis in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz.
Ein rechtwinkliges Detektorelement weist eine MTF in jeder der X- und Y-Koordinaten seiner Energieempfangsfläche auf. In einem quadratischen Detektorelement ist MTFx = MTFy, und es kann für beide Funktionen gezeigt werden, daß sie durch den Ausdruck sinc (pf) ausgedrückt werden können, wobei p die Länge einer Seite der Quadratelementempfangsfläche ist, f die Ortsfrequenz ist, die abgebildet werden soll, und die sinc Funktion als sync = sin (πx)/(πx) definiert ist.
Gemäß der obigen Beziehung werden die x- und y- MTF's jeweils zunächst auf 0 reduziert, wenn die Ortsfrequenz auf f = 1/p ansteigt. Diese erste Null wird im allgemeinen so aufgefaßt, daß sie die maximale Ortsfrequenz (Detail) repräsentiert, die ein quadratisches Detektorelement zuverlässig abbilden kann.
Dieses Phänomen ist ein Begrenzungsfaktor bezüglich der Auflösungsfähigkeit irgendeines quadratischen Detektors und hängt von seiner Größe oder "Apertur" ab. Dieser Parameter wird als "Aperturgrenzfrequenz" bezeichnet.
Ein Detektorelement wird auch durch eine andere Auflösungsbeschränkung begrenzt, die als "Nyquist- Frequenz" bekannt ist. Die Nyquist-Frequenz ist eine Ortsfrequenz, oberhalb derer das Detektorelement keine getrennten Linien auflösen kann. Jedoch ist die Nyquist- Frequenz eher, als daß sie eine Funktion der Detektorgröße ist, auf die inkrementelle Distanz bezogen, bei der aufeinanderfolgende Abtastungen des Detektorelementausgangssignals auftreten. Die Nyquist-Grenzfrequenz ist relevant, da die Verwendung einer TDI-Schaltung wiederholte Detektorausgangssignalabtastungen erfordert.
Wird eine Reihe von quadratischen Detektoren, die sich in der X-Koordinate einer rechtwinkligen Anordnung erstrecken, einmal für jedes Breiteninkrement aufeinanderfolgender Elemente abgetastet, (Abtastdistanz) (wie im Stand der Technik), kann gezeigt werden, wie in den weiter unten aufgeführten Publikationen belegt ist, daß die Nyquist-Frequenz entlang beider Koordinatenachsen nur 1/(2p) ist. Infolgedessen ist in einer derartigen rechtwinkligen Anordnung, die in der beschriebenen Weise abgetastet wird, die Nyquist-Frequenz zweimal so einschränkend für die Auflösung wie die Aperturgrenze. Folglich beträgt die Ortsfrequenz, bei der die Auflösungsfähigkeit unter dem Nyquist-Kriterium verschwindet, nur die Hälfte der Frequenz, bei der die Auflösungsfähigkeit unter dem Kriterium der Aperturgrenzfrequenz verschwindet.
Dies bedeutet, daß, wenn ene sich bewegende rechtwinklige Anordnung von quadratischen Elementen verwendet wird und eine Reihe von Elementen nur an aufeinanderfolgenden Inkrementen einer Detektorbreite abgetastet wird, die Ortsauflösung eines derartigen Detektors schlechter als die maximal erzielbare ist, wie sie durch die Detektorelementgröße oder Apertur unter dem Aperturgrenzen- Kriterium vorgegeben ist. Es werden auch Aliasing-Artefakte in einem Bild vorhanden sein, das von einem solchen Detektor abgeleitet wird.
Das Nyquist-Kriterium ist auch in der Y-Koordinate einer rechtwinkligen Anordnung anwendbar. In der Y-Richtung ist die äquivalente Abtastdistanz zwischen aneinandergrenzenden Reihen von quadratischen Elementen die Länge p einer Seite eines Elements.
Die folgenden Publikationen beschreiben die Theorie, die sich auf diese Schlüsse bezieht.
Sones, R.A., et al "A Method to Measure the MTF of Digital X-ray Systems", Medical Physics 11(2), März/April 1984, Seiten 166-171; Giger, N.L., et al "Investigation of Basic Imaging Properties in Digital Radiography: Modulation Transfer Function" Medical Physics 11(3), Mai/Juni 1984, Seiten 287-295.
Es wurde erkannt, daß, wenn eine rechtwinklige Anordnung von quadratischen Elementen nur einmal für jede aufeinanderfolgende Elementbreite der Bewegung abgetastet wird, das System nicht den vollen Vorteil der Auflösungsleistung der Elemente ausnutzen kann, wie sie durch ihre Größe vorgegeben ist.
Derselbe Schluß trifft für die Auflösung in der Y-Koordinate der rechtwinkligen Anordnung zu. Dies deshalb, weil die effektive Abtastdistanz zwischen aneinandergrenzenden Reihen der Anordnung als p genau wie in der X-Richtung definiert ist.
Infolgedessen kann eine rechtwinklige Anordnung, die bei der inkrementellen Distanz p abgetastet wird, nicht den vollen Vorteil ihrer inhärenten Auflösungsleistung sowohl für die X- oder auch Y-Koordinate ausnutzen.
Es wurde vorgeschlagen, daß die Verwendung einer Offset-Anordnung, die nur zwei Säulen aufweist, eingesetzt werden könnte, um in der Y-Richtung das effektive Abtastdistanzinkrement zu verbessern (reduzieren). Dies ist jedoch nur eine teilweise Verbesserung, da sie keinerlei Reduktion in der Abtastdistanz in der X-Koordinate erbringt.
Da darüber hinaus derartige Detektoren nur zwei Säulen von Elementen aufweisen und die Detektoranordnung senkrecht zu den Säulen abtastet, ist eine solche Anordnung in Verbindung mit einer TDI-Abbildungsschalung nicht eingesetzt worden. Daher sind die Signalverstärkungsvorteile einer derartigen Schaltung noch nicht in Verbindung mit irgendeiner bekannten gestaffelten oder versetzten Anordnung von Nutzen gewesen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen maximalen Vorteil der Auflösungsfähigkeiten der individuellen Detektorelemente der Detektoranordnung, wie sie durch das Aperturgrenzkriterium definiert sind, zu nutzen, indem die Nyquist-Frequenzbeschränkung sowohl in X- als auch in Y-Koordinate eliminiert wird, während die vollen Vorzüge der Verwendung der Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung zur Steigerung des Signal/Rausch-Verhältnisses der Daten, die von der Detektoranordnung erfaßt werden, beibehalten werden.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein Durchleuchtungssystem: eine Strahlungsquelle, ein Detektorfeld oder eine Detektoranordnung, das mehrere Reihen gleichförmiger Detektorelemente aufweist die so verschachtelt sind, daß sie mehrere Spalten definieren, die senkrecht zu den Reihen sind und in einem versetzten Muster angeordnet sind, wobei jedes Detektorelement auf auf es auftreffende Strahlung anspricht, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, das die einfallende Strahlung anzeigt; Einrichtungen zum Anbringen der Quelle und des Detektorfeldes, die ausreichend voneinander beabstandet sind, um einen Körper in einem Raum dazwischen aufzunehmen: einen Mechanismus zum Abtasten des Detektorfeldes relativ zu diesem Körper, wenn dieser in diesem Raum angeordnet ist, in einer Richtung im wesentlichen parallel zu den Reihen; Einrichtungen zum Betätigen der Strahlungsquelle, um Strahlung von der Quelle und auf das Detektorfeld hin auszusenden, wobei die Strahlung durch einen Teil des in diesem Raum angeordneten Körpers hindurchtritt, und eine Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung, die an die Detektorelemente angeschlossen ist und separat hiervon ist, um ein Bild einer internen Körperstruktur ansprechend auf die elektrischen Signale zu erzeugen, die von den Detektorelementen erzeugt worden sind, wobei die Schaltung eine Abtastschaltung zum Abtasten der elektrischen Detektorelementsignale bei aufeinanderfolgenden Inkrementen der Detektorfeldabtastbewegung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Inkremente geringer als eine Distanz gleich einer Ausdehnung eines der gleichförmigen Detektorelemente ist, die sich in der Abtastrichtung erstrecken.
Vorzugsweise betragen die aufeinanderfolgenden Inkremente der Detektoranordnungsabtastbewegung etwa eine Hälfte der Ausdehnung eines einzelnen Detektorelements in der Abtastrichtung.
Diese Geometrie verbessert die Auflösungskapazität des Detektorfeldes in der Y-Richtung (parallel zu den Säulen) auf die Grenze seiner Auflösungsleistung, wie sie durch die Aperturgrenzfrequenz vorgegeben ist, die durch die Elementausdehnung bestimmt ist. Die Geometrie modifiziert die Nyquist-Frequenz des Detektors in der Y-Richtung auf einen Wert, der im wesentlichen mit der Aperturgrenzfrequenz zusammenfällt, anstatt eine Nyquist- Frequenz zuzulassen, die in der Auflösung stärker eingrenzt als das Aperturgrenzkriterium.
Die Auflösung des Detektors in der X-Richtung (seinkrecht zu den Säulen) wird durch die Verwendung einer neuen Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung und durch das Vorsehen deren Funktion in einer neuartigen Sequenz verbessert. Genauer tastet dabei die TDI-Schaltung Detektorelementausgangssignale auf aufeinanderfolgenden Inkrementen der Detektorbewegung ab, die beispielsweise geringer als die Hälfte der Breite eines einzelnen Detektorelements in der Richtung senkrecht zur Säule, d.h. parallel zu den Detektorelementreihen ist. Diese aktuelle Reduktion in der Abtastdistanz verbessert die Nyquist-Frequenz in der X-Richtung, macht sie im wesentlichen gleich der Aperturgrenzfrequenz, so daß die Nyquist-Frequenz die Auflösung nicht auf einen schlechteren Pegel als den begrenzt, der durch die Aperturbeschränkung zulässig ist.
Vorzugsweise arbeitet die Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung in einem Modus, in dem die insgesamt angesammelte Ladung eines gegebenen Bildpixels, die in einem gegebenen Detektorelement gespeichert worden ist, nur auf aufeinanderfolgenden Inkrementen einer Detektorbewegung abgetastet wird, die gleich einer Detektorbewegung über eine Distanz gleich dem Zweifachen der Weite eines einzelnen Detektorelements ist. Die Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung kann auch eine Schaltung umfassen, die der insgesamt angesammelten Ladung eines solchen Elements eine Verzögerung auferlegt bezüglich der insgesamt angesammelten Ladung des unmittelbar vorausgehenden Elements, wobei diese Verzögerung gleich der Zeit ist, die erforderlich ist, damit die Detektoranordnung eine Distanz zurücklegt, die dem Zweifachen der Weite eines einzelnen Detektorelements entspricht.
Ein Durchleuchtungssystem gemäß der Erfindung wird nun beispielhalber unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, in denen:
FIG. 1 eine perspektivische Ansicht eines digitalen Durchleuchtungssystem ist, das die vorliegende Erfindung enthält;
FIG. 2 eine Ansicht von oben, teilweise in grafischer Form und teilweise in Blockform gezeigt, eines digitalen Durchleuchtungssystems zeigt, das die Erfindung enthält;
FIG. 3 eine Aufrißansicht, die teilweise weggebrochen ist und eine Komponente eines digitalen Durchleuchtungssystems aus dem Stand der Technik zeigt;
FIG. 4 eine grafische Darstellung einer Funktionssequenz, die mit der Verwendung der in FIG. 3 gezeigten Komponente verknüpft ist, zeigt;
FIG. 5 eine Aufrißansicht ist, die teilweise weggebrochen ist und einen Abschnitt einer Komponente des in den FIG. 1 und 2 gezeigten Systems zeigt;
FIG. 6 eine grafische Darstellung einer Funktionssequenz ist, die mit der Verwendung der in der FIG. 5 gezeigten Komponente verknüpft ist;
FIG. 7 eine grafische Darstellung einer Komponente des Systems der FIG. 1 und 2 ist, die eine spezielle Form einer mathematischen Schreibweise verdeutlicht, die einen Teil der erfindungsgemäßen Lehre interpretiert; und
FIG. 8 eine grafische Darstellung ist, die eine Funktionsfolge von Komponenten des Systems der FIG. 1 und 2 zeigt, die die in FIG. 5 gezeigte Komponente enthalten.
Die FIG. 1 und 2 zeigen ein digitales Durchleuchtungssystem S nach Art einer Schlitzprojektion, wobei in diesem System die Erfindung inkorporiert ist. Das System S tastet ein gespreiztes Röntgenstrahlbündel von angenähert 1 bis 2 cm Dicke um eine vertikale Achse durch die Brust eines Patienten ab und detektiert ein Muster der aus dem Patientenkörper austretenden Röntgenstrahlen. Information, die von den erfaßten Röntgenstrahlen repräsentiert wird, wird zur Darstellung eines Bildes der internen Struktur des Patientenkörpers oder dessen Zustand verarbeitet und dargestellt.
Genauer beschrieben, umfaßt das System S eine Röntgenstrahlquelle X, die an einer Befestigungsstruktur M zur Projektion des gespreizten Bündels B aus Röntgenstrahlen durch den Körper eines Patienten P, um auf eine ausgerichtete Detektoranordnung D zu treffen, die mehrere Detektorelemente umfaßt, befestigt ist. Das gespreizte Bündel B wird durch einen vorderen Schlitz K auf eine im wesentlichen vertikale Ebene begrenzt. Die Detektoranordnung D umfaßt eine im wesentlichen vertikale vorgesehene, längliche gestaffelte oder versetzte Anordnung individueller Detektorelemente E (die weiter unten genauer erläutert werden) und ist bezüglich der vertikalen Ebene, die vom gespreizten Bündel B definiert ist, ausgerichtet. Ein hinterer Schlitz J, der an der Detektoranordnung D angebracht ist, dient zur weiteren definierten Eingrenzung des gespreizten Bündels B.
Die Röntgenstrahlquelle X ist an der Struktur M so befestigt, daß sie um eine vertikale Achse rotiert, die in FIG. 2 so definiert ist, daß sie sich in die Papierebene hinein erstreckt. Eine mechanische Verbindung L koppelt die Röntgenstrahlröhre X mit der Detektoranordnung D und den Schlitzen oder Blenden K und J und veranlaßt die Detektoranordnung, hinter dem Patientenkörper entlang eines gebogenen Pfades, der durch die Pfeile A, A' definiert ist, eine scannende Bewegung auszuführen, um die Detektoranordnung D bezüglich des Bündels B während der abtastenden Drehbewegung des Bündels ausgerichtet zu halten.
Das Ausführungsbeispiel für den Abtastmechanismus ist nicht auf feste oder starre mechanische Verbindungen zu beschränken, die die Elemente, die zu bewegen sind, verbinden. Es können auch Ausführungen mit Servosteuerungs- und damit verknüpften Motorantriebsvorrichtungen von Fachleuten so ausgelegt werden, daß sie die gewünschte Abtastung erbringen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Röntgenstrahlröhre X auch um ihren Brennpunkt verschwenkt werden, um das Bündel B mit dem Abtastdetektor ausgerichtet zu halten.
Die Röntgenstrahlquelle X wird durch eine Ansteuereinrichtung so angesteuert, daß sie den geweiteten oder gespreizten Strahl B entweder als kontinuierliches Röntgenstrahlbündel oder als schnelle Folge von Röntgenstrahlimpulsen emittiert. Die Röntgenstrahlröhre X und die Detektoranordnung D führen synchron eine scannende Bewegung um eine vertikale Achse durch den Patienten von einer Seite dessen Körpers zur anderen hin aus. Analoge Detektorausgangssignale von jedem der Detektorelemente werden periodisch abgetastet. Jede Abtastung erzeugt analoge Signale, die einen Bereich der Bildinformation repräsentieren. Über den Verlauf der Abtastung von einer Seite zur anderen Seite entstehen Signale, die mehrere Bildzeilen beschreiben, die gemeinsam einen Bildbereich der internen Körperstruktur vom Patienten aufbauen.
Die analogen Signale, die von der Detektoranordnung erzeugt werden, werden einem Analog/Digital-Umsetzer C zugeführt, der die Ausgangssignale digitalisiert und sie einer digitalen Verarbeitungs- und Empfangseinheit DPU zuführt. Die DPU verarbeitet diese digitalisierten Ausgangssignale zum Aufbau einer digitalen Darstellung eines Bildes der internen Körperstruktur des Patienten, der vom Röntgenstrahlbündel B abgetastet wurde, auf einer Pixel-um Pixel-Basis. Digitale Signale von der DPU werden mittels eines Digital/Analog-Umsetzers DAC in analoge Form umgesetzt und einer Darstellungseinheit T zugeführt, die darauffolgend ein Bild in sichtbarer Form erzeugt, das dem Bild entspricht, das von den Signalen der DPU dargestellt wird.
Wahlweise kann eine digitale Speichereinrichtung in Verbindung mit der DPU vorgesehen sein, um Bilddarstellungen für zukünftige Verwendung digital zu speichern. in einem solchen Fall können die digital gespeicherten Signale später durch die DPU abgespielt werden, in die analoge Form umgesetzt werden und dann in ihren entsprechenden Bildern dargestellt werden.
Gekoppelt mit jedem der Elemente E (vgl. FIG. 3) der Detektoranordnung D ist eine Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung TDI. Die Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung wirkt so, daß sie analoge Signale von den Detektorelementen E verschiebt und addiert, um andere analoge Signale zu erzeugen, die Daten von den Detektorelementen E repräsentieren, die ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis besitzen. Wie oben aufgezeigt, ist eine bekannte Form einer TDI-Schaltung, die in der digitalen Durchleuchtungstechnik verwendet wird, im US-Patent 4,383,327 beschrieben.
Ein signifikanter Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Auslegung des Feldes oder der Anordnung von Detektorelementen und Verbesserungen in der Struktur und im Betriebsmodus der hiermit verknüpften TDI-Schaltung. Dabei ist jedoch das Verständnis der vorliegenden Erfindung durch eine Erklärung der Detektorauslegung aus dem Stand der Technik und der entsprechenden bekannten Funktion der Abtastschaltung erleichtert.
Die Verschiebung und Addition, die für die rechtwinklige Matrix aus quadratischen Detektorelementen (FIG. 3) aus dem Stand der Technik erforderlich ist, ist in FIG. 4 dargestellt. Aus der Sicht des Bezugsrahmens eines Patientens bewegt sich die Detektoranordnung mit einer konstanten Geschwindigkeit v in der X-Richtung nach rechts, wie in FIG. 3 gezeigt ist. Aus dem Bezugsrahmen der Detektoranordnung D gesehen, bewegt sich der Patient in die Minus-X-Richtung mit der Geschwindigkeit -v.
Jedes der Detektorelemente (wie beispielsweise in FIG. 3 mit E angezeigt) integriert das empfangene Röntgenstrahlsignal, das als gespeicherte elektrische Ladung dargestellt ist, bis es abgetastet wird. Werden die Detektorelemente alle t Sekunden abgetastet, ist im Patientenrahmen die Abtastdistanz d (in X-Richtung) durch die Gleichung Gleichung d = v t definiert.
Es sei eine einzige Reihe von zehn Detektorelementen betrachtet, die sich, wie in FIG. 4 gezeigt, in X-Richtung erstrecken. Der Ausdruck s(j,k) repräsentiert die bei der k-ten Abtastung des j-ten Detektorelements angesammelte Ladung, wobei die Elemente von rechts nach links durchnumeriert sind und j von 0 bis 9 geht. Es sei angenommen, daß die Abtastung so eingestellt ist, daß d mit dem Abstand der Detektorelemente von Mitte-zu-Mitte p ("Pitch") übereinstimmt.
Ferner sei angenommen, daß das Patienten-"Pixel" mit dem Element 0 bei der Abtastung 0 ausgerichtet ist. Dieses Pixel wird Element 1 beim Abtastpunkt 1, ein Element 2 beim Abtastpunkt 2 usw. gegenüberliegen. Infolgedessen wird der endgültige Wert Q des Ladungssignals, das vom Element 9 ultimativ verschoben ist, wobei dieser Wert den Röntgenstrahlwert des in Frage stehenden Pixels darstellt, durch den folgenden Ausdruck gegeben:
Q=s(0,0) + s(1,1) + ... + s(9,9) (Gleichung 1)
Der Fachmann wird erkennen, daß diese Gleichung eine Verschiebungs- und -Addierfolge beschreibt. Ein Zeitverzögerungs und Integrationsvorgang (TDI), der CCD (Ladungsspeicherelement) analoge Schieberegister verwendet, gilt als angemessen geeignet zur Ausführung dieser Verschiebungs- und Addierfolge im analogen Bereich, wie in der US-A-4,383,329 beschrieben ist.
Der Detektor aus dem Stand der Technik, der in FIG. 3 dargestellt ist, umfaßt eine rechtwinklige Matrix von quadratischen Detektorelementen mit einer Seltenlänge p. Die Ortsfrequenzantwort dieses Detektors ist das Produkt der X- und Y-Antworten, d.b.:
MTF = (MTFx) (MTFy). (Gleichung 2)
Demnach ist MTFx = MTFy - sinc (pf). (Gleichung 3),
wobei f die Ortsfrequenz ist. Die X- und Y-Modulationsübertragungsfunktionen haben jeweils ihre erste Null bei f = 1/p. Dies wird hier als Aperturgrenzfrequenz bezeichnet.
In der y-Richtung ist die Abtastdistanz einfach der Detektorelementabstand p.
In der x-Richtung hängt die Abtastdistanz d vom Zeitintervall t ab. In derartigen TDI-Anwendungen aus dem Stand der Technik muß t so gewählt werden, daß d wie im obigen Beispiel gleich p ist. Die Nyquist-Frequenz aufgrund der Abtastung ist dann in beiden Richtungen 1/(2p). Infolgedessen beträgt die Nyquist-Frequenz nur die Hälfte der Detektoraperturgrenzfrequenz. Dies bedeutet, daß die Ortsauflösung des Detektors in diesem Beispiel aus dem Stand der Technik schlechter ist als die, die von der Detektorelementauflösung vorgegeben ist, und es werden Aliasing-Artefakte in einem Bild vorhanden sein, das von einem solchen Detektor in oben beschriebener Weise abgeleitet wird. Dabei ist zu erwähnen, daß der Pixelabstand (Abtastabstand) derselbe ist wie der Detektorelementabstand p.
Die Tatsachen und die Theorie, die in Verbindung mit dem obigen Stand der Technik beschrieben wurden, liegen im Kenntnisbereich eines Durchschnittsfachmanns auf diesem Gebiet. Zum Vorteil von denen, die jedoch nicht mit dem relevanten Stand der Technik derart vertraut sind, werden die in der vorgenannten Analyse involvierten Prinzipien in den folgenden Publikationen erläutert: Giger M.L. et al "Investigation of Basic Imaging properties in Digital Radiography: Modulation Transfer Function", Medical Physics 11(3), Mai/Juni 1984, auf Seiten 287-295;
"A Method to Measure the MTF of Digital X-Ray Systems" Sones, R.A. et al Medical Physics 11(2), März/April 1984 auf Seiten 166-172:
Goodman, J.W. "Introduction to Fourier Optics", McGraw-Hill 1968, auf Seiten 21-25;
Newton, J.H. et al, "Radiology of the Skull and Brain", Technical Aspects of Computed Tomography, Band 5, Seiten 3931, 3958.
Die vorliegende Erfindung eliminiert die Diskrepanz im Auflösungsvermögen des Detektors zwischen der systeminhärenten Detektorelementaperturgrenz-Einschränkung und der Nyquist-Frequenz-Einschränkung. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Erzielung der maximalen theoretischen Auflösung, die innerhalb der Aperturgrenzbeschränkung bezüglich der Auflösung inhärent möglich ist.
Dieser Vorteil wird unter konsistenter voller Aufrechterhaltung der Vorteile der Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung erzielt.
In der FIG. 5 ist die Detektormatrix 10 der Erfindung als eine gestufte oder gestaffelte Anordnung quadratischer Detektorelemente dargestellt, die in horizontalen Reihen, angezeigt mit 12, und vertikalen Säulen, angezeigt mit 14, angeordnet sind.Jede Säule 14 ist vertikal von angrenzenden Säulen um eine Distanz gleich einer Hälfte von p, d.h. einer Hälfte der seitlichen Ausdehnung jedes quadratischen Detektorelements, verschoben oder versetzt.
In dieser Konfiguration ist die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) stets noch durch die in den Gleichungen 2 und 3 oben angegebenen Ausdrücke gegeben.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die strahlungsempfindlichen quadratischen Flächen der Detektorelemente angenähert 0,35 mm auf einer Seite lang. Die gestaffelte Detektoranordnung enthält 30 Säulen und 2016 Reihen mit einer insgesamten Ausdehnung von angenähert 10,5 352,8 mm.
Jeder Detektor ist von bekannter Art, wie beispielsweise eine mit einem Röntgenstrahl-Szintillator gekoppelte Photodiode, die ein analoges Ladungssignal ansprechend auf den Empfang von Strahlung erzeugt, die auf ihre empfindliche Oberfläche auftrifft. Diese Ladung wird während der Zeit integriert, in der die strahlungsempfindliche Fläche des Elements der Strahlung ausgesetzt ist.
Die Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung ist mit jeder Reihe von Detektorelementen gekoppelt. Wenn sich der Detektor in der Richtung, die durch den Pfeil in FIG. 5 vorgegeben ist, relativ zum Patienten bewegt, führt die TDI-Schaltung in einer einzigen Sequenz eine Abtastung, Verzögerung und Addierung der Ladung aus, um eine große Verbesserung der Auflösung in Verbindung mit der versetzten Anordnung von Detektorelementen zu erzielen. Jedem Akkumulationsschritt ist ein Abtastschritt vorgeschaltet.
Die Nyquist-Frequenz ist in der y-Richtung durch Versetzung der Detektorelemente verdoppelt. Die Nyquist- Frequenz ist in der x-Richtung durch Abtasten jedes Inkrements halter Detektorbreite verbunden mit der Verwendung der versetzten Anordnung verdoppelt.
In der vorliegenden Erfindung findet die Abtastung bei einer solchen Frequenz statt, daß eine Abtastung mit jeder aufeinanderfolgenden inkrementellen Relativbewegung des Detektors über eine Distanz von p/2 auftritt. Das heißt, die Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung tastet die Ladungspakete, die an den Detektorelementausgängen vorhanden sind, entlang einer Reihe jedesmal ab, wenn die Detektoranordnung sich über eine Distanz gleich der Hälfte der Länge einer Seite eines der quadratischen Detektorelemente bewegt hat.
Die spezielle Arbeitsweise der TDI-Schaltung wird nun in Verbindung mit FIG. 6 diskutiert.
Es ist wichtig, die Bedeutung einer "Reihe" der Detektoren, wie sie in FIG. 5 dargestellt sind, zu definieren. Eine "Reihe" von Detektorelementen, die sich in der x-Richtung in der in FIG. 5 gezeigten Weise erstrecken, ist durch den Satz von Elementen 16, 18, 20, 22, 24, wie in dieser Figur dargestellt, exemplifiziert Infolgedessen beträgt der Mitte-zu-Mitte-Abstand von Elementen in einer vorgegebenen Reihe, die sich in der x-Richtung erstreckt, 2p oder dem Zweifachen der lateralen Ausdehnung einer Seite eines einzelnen der gleichförmigen Detektorelemente.
In der y-Richtung beträgt die Abtastdistanz, wie in FIG. 4 gezeigt ist, die durch die versetzte Anordnungsgeometrie vorgegeben ist, p/2, da die Reihen teilweise verschachtelt sind. Diese Abtastdistanz liefert eine Nyquist-Abtastgrenze bei f = 1/p, welches gleich der Aperturgrenzfrequenz ist. Infolgedessen ist in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel die tatsächliche Auflösung, die in der y-Richtung erzielbar ist, nun nur durch die Aperturgrenzfrequenz beschränkt, die wie oben beschrieben zweimal so gut wie die ist, die von der Nyquist-Ortsfrequenz vorgegeben wird, welche im rechtwinkligen Anordnungssystem aus dem Stand der Technik erzielbar war.
Dieselbe Übereinstimmung zwischen der Auflösungsgrenze der Nyquist-Frequenz und der der Aperturgrenzfrequenz wird in x-Richtung erzielt, indem das Abtastinvervall t in der x-Richtung so gewählt wird, daß die inkrementelle Abtastdistanz der Detektorrelativbewegung p/2 beträgt.
Diese Verbesserung resultiert, weil die Nyquist- Frequenz sich verdoppellt, wenn die Abtastdistanz halbiert wird. Fär eine Abtastdistanz von p beträgt die Nyquist-Frequenz fn = 1/(2p). Wird p durch p/2 ersetzt, wird der Ausdruck fn = 1/[2 (p/2)] oder fn = 1/p.
Infolgedessen liefert für eine vorbestimmte Detektorelementgröße die Konfiguration des vorliegenden Ausführungsbeispiels das Zweifache an Auflösung in beiden Richtungen im Vergleich zum Stand der Technik. Die Pixel- Ausdehnung im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt nur einem Viertel der Fläche eines Detektorelements.
Darüber hinaus reduziert das Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wesentlich Aliasing im Vergleich zu dem im Fall der rechtwinkligen Standardanordnung aus dem Stand der Technik.
Um diese Verbesserung zu erzielen, erfordert die versetzte Detektoranordnung eine damit verknüpfte Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung, die sich von der Schaltung, deren Funktion in Gleichung 1 exemplarisch dargestellt ist, unterscheidet. Es sei eine einzelne Reihe von Detektorelementen in FIG. 5 betrachtet, die sich in der x-Richtung erstreckt und fünf Elemente umfaßt. s(j,k) soll den k-ten Abtasbtwert des j-ten Elements repräsentieren, wobei die Elemente von rechts nach links durchnumeriert sind und j sich von 0 bis 4 (vgl. FIG. 6) erstreckt. Ferner soll auch der Bildabschnitt oder das Pixel betrachtet werden, das durch die Bezugszahl 26 angezeigt ist und mit dem Element 0 beim Abtastwert 0 ausgerichtet ist. Da die Abtastdistanz in diesem Ausführungsbeispiel p/2 beträgt, wird dieses spezielle Pixel mit dem Element 1 nur beim vierten Abtasten dem Element 2, mit Element 2 beim Abtastwert 8, mit Element 3 beim Abtastwert 12 usw. ausgerichtet sein. Folglich wird der durch die Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung erzeugte und diesem Pixel entsprechende Endwert sein:
S&sub0; = s (0,0) + s(1,4) + .. + S(4,16). (4a)
Analoge Gleichungen für andere Pixel, die mit dem Element 0 bei Abtastzeitpunkten 1, 2 und 3 ausgerichtet sind, sind:
S&sub1; = s(0,1) + s(1,5) + ... + s(4,17) (4b)
S&sub2; = s(0,2) + s(1,6) + ... + s(4,18) (4c)
S&sub3; = s(0,3) + s(1,7) + ... + s(4,19) (4d)
Bei Verallgemeinerung der Beziehungen, die durch die Gleichungen 4a bis 4d ausgedrückt sind, ist die insgesamt angesammelte Ladung, die dem j-ten Pixel der i-ten Reihe entspricht, d.h. P(i,j) des insgesamt abgeleiteten Bildes durch den folgenden Ausdruck gegeben:
worin:
d(m,n,k) = Ladung, die im n-ten Detektorelement der m-ten Reihe während der k-ten Abtastperiode gespeichert wird, und
N = Anzahl von Detektorelementen pro Reihe.
Die FIG. 7 zeigt eine grafische Darstellung der Schreibweise aus Gleichung (5).
Die Verschiebungs- und Addiersequenz, die durch die Gleichungen 4 und 5 ausgedrückt wird, kann durch eine Vielfalt von Arten realisiert werden. Eine bevorzugte Realisation beinhaltet die Verwendung von analogen CCD-Schieberegistern mit integrierter Zeitverzögerungskonfiguration. Es ist jedoch wichtig, festzustellen, daß beim Arbeiten in dieser Sequenz die TDI CCD Zellen nicht selbst einen Teil der Detektorelemente bilden können. Vielmehr müssen die Detektorelemente separat von der TDI-Schaltung vorgesehen sein, jedoch mit dieser verbunden sein.
Die FIG. 8 zeigt die Struktur und Betriebsweise der Schaltung zur Verwirklichung der Zeitverzögerungsund Integriersequenzen, die durch die Gleichungen 4 und 5 dargestellt sind. Die FIG. 8 zeigt einen Bereich eines Detektorfeldes zu elf unterschiedlichen Stufen einer Detektorrelativbewegung bezüglich eines Patienten, wobei diese Stufen mit 0 bis 10 beschriftet sind.
Wie in der dem Schritt oder der Stufe 0 entsprechenden Darstellung gezeigt ist, in der zwei Reihen von Detektorelementen dargestellt sind, liegen in jeder Reihe zwei Detektorelemente vor, deren Mitte-zu-Mitte-Abstand 2p entspricht, wobei p die Ausdehnung einer Seite jedes der quadratischen Elemente ist. Bei der Illustration der Stufe 0 ist eine Reihe solcher Elemente mit 30, 32 bezeichnet, während die andere Reihe mit 34, 36 bezeichnet ist.
Das Detektorelement 32 ist über eine Leitung 38 an ein 2-Zellen-Schieberegister 40 angeschlossen. Das Detektorelement 30 ist über eine Leitung 42 an ein 6-Element-Schieberegister 44 angeschlossen. Die Ausgänge der Register 40, 44 sind parallel an eine Ausgangsleitung 46 angeschlossenen. Die Ausgangsleitung 46 empfängt analoge Signale von den Registern 40, 42, die den gesamten Ladungswert darstellen, der einem speziellen Pixel oder Bildabschnitt entspricht, der sowohl vom Detektorelement 30 als auch 32 in der Detektorelementreihe von Interesse "ausgelesen" worden ist. Die Ausgangsleitung 46 ist als eine Eingangsleitung an den ADC angeschlossen.
Das analoge Ausgangssignal der Detektorelemente 34 wird über eine Leitung 50 auf eine 4-Zellen-Schieberegister 52 gegeben. Der Ausgang vom Detektorelement 36 ist mit einer Leitung 54 direkt und parallel mit dem Ausgang des Schieberegisters 52 verbunden, wobei das resultierende Ausgangssignal summiert wird und auf einer Ausgangsleitung 56 erscheint. Analoge Signale, die auf der Leitung 56 auftreten, werden der DPU zur weiteren Verarbeitung entsprechend bekannten Verarbeitungstechniken zugeführt. Jedes Ausgangssignal, das auf der Leitung 56 auftritt, ist ein analoges Signal, das einen Gesamtpixelwert eines Bildbereichs darstellt, der von beiden Detektorelementen in der zugeordneten Reihe, d.h. den Elementen 34, 36 ausgelesen worden ist.
Jede der Leitungen, die direkt an die Elemente 30, 32, 34, 36 angeschlossen sind, umfaßt einen transparenten Polysiliciumleiter.
Es ist wichtig für das Verständnis, daß die Signale auf den Leitungen 46, 56 nicht vom System vermischt werden, da dies Signale sind, die unterschiedliche Reihen von Daten im Gesamtbild darstellen, wobei die Elemente 34, 36 eine obere Reihe oder Zeile darstellen und die Elemente 30, 32 eine untere Reihe oder Zeile.
In FIG. 8 ist auch in schraffierter Darstellung ein Strahlungsband 60 dargestellt. Das Strahlungsband 60 ist so betrachtet, daß es auf jedwedes Detektorelement (jedwede Detektorelemente) auftrifft, die innerhalb des Bandes bei einer vorgegebenen Stufe dargestellt sind. In der Praxis wird Strahlung aus dem gespreizten Bündel kontinuierlich durch einen Patienten auf alle Detektorelemente simultan gerichtet, wobei die Strahlung, die auf individuelle Detektorelemente trifft, in Abhängigkeit von der internen Körperstruktur des Patienten größere oder geringere Beträge aufweist. Zum Zwecke einer klareren Darstellung wird jedoch das aus dem Patienten austretende Strahlungsmuster als Schlitzmuster angenommen mit einer Breite gleich der des Strahlungsbandes 60, das in FIG. 8 dargestellt ist.
Auch zum Zwecke der Klarheit sind die Bezugszahlen für die Darstellungen, die der Stufe 0 entsprechen, für die anderen Stufen weggelassen, um eine unangemessene störende Überhäufung der Zeichnung zu vermeiden. Die Bezugszeichen, die mit der Darstellung der Stufe 0 verknüpft sind, sind auch auf die entsprechenden Abschnitte der Darstellungen der darauffolgenden Stufen 1 bis 10 anwendbar.
Die Funktionsweise der Schaltung und des Geräts in der FIG. 8 ist wie folgt.
In der Stufe 0 fällt das Strahlungsband 60 auf keinen Abschnitt irgendeines der Detektorelemente. Infolgedessen erzeugt keines der Detektorelemente irgendwelche Ladungspakete, die analoge Signale bilden, die einfallende Strahlung darstellen.
Es versteht sich, daß eine Taktschaltung bekannter Art, die nicht spezifisch dargestellt ist, in FIG. 8 vorgesehen ist. Bei jedem Stufeninkrement veranlaßt die Taktschaltung, daß die Signale auf den Leitungen 38, 42, 54 und 50 abgetastet werden. Bezüglich der Leitungen 38, 42 und 50,die jeweils mit Schieberegistern 40, 44 bzw. 52 verbunden sind, veranlaßt die Taktschaltung, daß ein Signal, das das jeweilige Ladungspaket vom zugeordneten Element repräsentiert, in der ersten Zelle des entsprechenden Schieberegisters gespeichert wird. Das Taktsignal veranlaßt auch, daß in jedem der Schieberegister vorab gespeicherte ladungsbezogene Signale in die nächste darauffolgende Zelle dieses Registers verschoben werden. Das Taktsignal veranlaßt, daß jedes Signal, das in der letzten Zelle eines Schieberegisters gespeichert ist, auf den damit verbundenen der Ausgänge 46, 56 vorgeschoben wird.
Die Taktschaltung führt ihr Ensemble von Funktionsschritten der oben beschriebenen Weise mit einer derartigen Frequenz aus, daß die Elemente bei aufeinanderfolgenden Inkrementen einer p/2 Detektorbewegung abgetastet werden.
Im Abschnitt der FIG. 8, der mit Stufe 1 bezeichnet ist, hat sich der Detektor relativ zum Patienten über eine Distanz von p/2 oder der Hälfte der Breite eines Detektorelements nach rechts bewegt. An diesem Punkt ist das Detektorelement 30 so positioniert, daß die Hälfte des Detektorelements einfallende Strahlung aus dem Schlitzstrahlungsmuster 60 empfängt. Das Element 30 erzeugt ein Ladungs-"Paket", das durch einen Fleck oder Punkt bestimmt ist, der im Zentrum des Elements liegt. Die anderen Elemente, die nicht innerhalb des Strahlungsschlitzes 60 liegen, erzeugen keine Ladungspakete.
Zum Zeitpunkt, wenn der Detektorabschnitt die Stufe 2 seiner inkrementellen Bewegung erreicht hat, ist das durch den Fleck in der Darstellung der Stufe 1 repräsentierte Ladungspaket in die erste Zelle des Registers 44 getaktet worden. Das Element 30 wird nun vollständig von der einfallenden Strahlung aus dem Schlitzmuster 60 bestrahlt. Da das Detektorelement Ladungspakete entsprechend der empfangenen Strahlungsmenge erzeugt, erzeugt dieses Element eine Ladungsmenge an seinem Ausgang, die gleich zwei der Pakete entspricht, die in der Stufe 1 durch den Punkt oder Fleck angezeigt sind. Diese erzeugte Ladung wird innerhalb des Elements 30 durch zwei Punkte repräsentiert, wie in Verbindung mit Stufe 2 dargestellt ist.
Bei Erreichen der Stelle, die in Verbindung mit Stufe 3 dargestellt ist, ist das doppelte Ladungspaket, das vom Element 30 erzeugt worden ist, in die erste Zelle des Registers 44 eingetaktet. Das einzelne Ladungspakte, das zuvor in der ersten Zelle des Registers 44 gespeichert war, wird in die zweite Zelle dieses Registers getaktet. In der Zwischenzeit erzeugen in einer analog zur oben beschriebenen Weise die beiden Elemente 30 und 34 jeweils ein einzelnes Ladungspaket.
Dieser fortschreitende Ablauf der Erzeugung und Speicherung von Ladungspaketen fährt fort. Dabei ist zu beachten, daß nicht vor Stufe 6 irgendeine Ladung vom Element 32 in derselben Reihe wie Element 30 in das 2-Zellenregister 40 eingelesen wird. Es soll daran erinnert werden, daß Ladung in dieser Darstellung zunächst in Stufe 2 in das Register 44 getaktet wurde, und zwar vier Schritte oder Stufen vor dem ersten Auftreten eines Ladungssignals im Register 40. Infolgedessen ist die in das Register 44 eingetaktete Ladung um vier p/2 Inkremente der relativen Detektorbewegung bezüglich der Ladung im Register 40 verzögert.
Bei erneuter Durchsicht von Gleichungen 4 und 5 wird deutlich, daß die Schaltungskonfiguration und Arbeitssequenz der FIG. 8 die in diesen Gleichungen beschriebenen Abläufe realisiert. Genauer implementiert die Konfiguration in FIG. 8 die Abläufe, die in diesen Gleichungen beschrieben sind, wobei Signale aus jedem Element einer Detektorelementreihe mit Signalen vom unmittelbar folgenden Element in der Reihe, jedoch nur nach einer Verzögerung von vier Abtaststufen kombiniert werden.
Entsprechend werden die in den Gleichungen 4 und 5 beschriebenen Operationen dadurch realisiert, daß jedes Detektorelement in einer Reihe mit einer Verzögerung versehen wird, die verschieden und unabhängig von der Verzögerung ist, die den Ausgängen anderer Zellen in der Reihe auferlegt wird. Auf diese Weise können die vorbeschriebenen Verzögerungssequenzen zur Implementierung der Gleichungen 4 und 5 in der an die jeweiligen Elemente angeschlossenen TDI-Schaltung eingebaut werden.
Wieder zurückkehrend auf FIG. 8, Schritt 8, wird deutlich, daß an diesem Punkt ausreichende Schritte stattgefunden haben, damit die Ausgabe von Daten an die DPU begonnen hat. Der Schritt oder die Stufe 8 entspricht einer Ausgabe, die zwei Ladungspaketen auf der Leitung 46 entspricht. Das Signal, das den beiden Ladungspaketen entspricht, wird aus der Summation der zwei einzelnen Ladungen abgeleitet, die Signale repräsentieren, die in den letzten Zellen jedes der Schieberegister 44, 40 vorliegen.
In Stufe 9 erzeugt die Taktschaltung ein Ausgangssignal, das vier Ladungspakete darstellt, wobei dies das Ergebnis der Summation der beiden Signale ist, die jeweils zwei Ladungspakete darstellen, die in den letzten Zellen der Register 44, 40 in Stufe 8 enthalten sind.
Wenn die Signale, die ein von den Elementen 30, 32 ausgelesenes Bildpixel darstellen, am Ausgang 46 erzeugt werden, werden analog erzeugte Signale am Ausgang 56 erzeugt, der der oberen Elementreihe, d.h. den Elementen 34, 36 entspricht.
Eine Relativverzögerung in den Ausgangssignalen vom Element 34 bezüglich zu denen vom Element 36 wird durch das Vorhandensein des 4-Zellenschieberegisters 52 in der Leitung 50 bewirkt, und durch die Tatsache, daß das Ausgangssignal vom Element 36 direkt über die Leitung 54 zum Ausgang 56 gegeben wird.
Es ist zu beobachten, daß durch die Verwendung der TDI-Schaltung, die in Verbindung mit FIG. 8 beschrieben worden ist, das Signal/Rausch-Verhältnis der Ausgangssignale, die das jeweilige Bildpixel beschreiben, gesteigert wird. Würde die in FIG. 8 gezeigte TDI-Schaltung nicht verwendet, so würde das Ausgangssignal beispielsweise vom Element 30 beim Durchtreten durch den Strahlungsschlitz 60 eine Aufeinanderfolge von drei Signalen sein, die ein, zwei bzw. ein Ladungspaket darstellen, die bei den Stufen 1, 2 bzw. 3 emittiert würden. Durch die Verwendung der TDI-Schaltung, in Verbindung mit der das Bildpixel durch die Summe von Antwortsignalen der jeweiligen Elemente definiert ist, die das Pixel lesen oder sehen, sind die entsprechenden Ausgangssignale Signale, die zwei, vier und zwei Ladungspakete repräsentieren, die bei den Stufen 8, 9 und 10 auftreten.
Die Auslegung von Techniken zur Erzeugung von Abbildungsdaten aus sequentiell auftretenden zeilenrepräsentierenden Datensätzen von einer Fotodiodenanordnung, wie hier erzeugt, liegen im Umfang durchschnittlichen fachmännischen Handelns, wie aus den Publikationen hervorgeht die das US-Patent 4, 203,037 von Gur et al und die verschiedenen Patente und Publikationen umfassen, die darin identifiziert sind.
Die FIG. 8 stellt eine Darstellung der Funktionsweise und Komponenten der TDI-Schaltung in einer vereinfachten Umgebung dar, d.h. unter Betrachtung von nur zwei Reihen von jeweils zwei Detektorelementen. Der Fachmann ist leicht imstande, diese Darstellung in analoger Weise auf die Verwendung einer größeren Anzahl von Elementen in jeder Reihe und auf eine größere Anzahl von Reihen auszudehnen. Würden beispielsweise drei Elemente in jeder Reihe verwendet, so würde das rechte Element in FIG. 8 mit seinem Ausgang an ein 10-Zellenschieberegister angeschlossen. Das mittlere Element würde an ein 6-Zellenschieberegister und das linke Element oder dritte Element würde an ein 2-Zellenschieberegister angeschlossen. Diese Konfiguration würde die jeweiligen Verzögerungsbeziehungen in Summationssignalen von den jeweiligen Elementen in der in den Gleichungen 4 und 5 oben ausgedrückten Weise beibehalten.
Es ist einsichtig, daß die Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung illustrativ sein soll, jedoch die Erfindung nicht erschöpfend darstellt. Die Durchschnittsfachleute auf dem in Frage stehenden Gebiet werden imstande sein, bestimmte Hinzufügungen, Weglassungen und Modifikationen im beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung vorzunehmen, ohne vom Schutzumfang der Erfindung, wie er in den folgenden Ansprüchen beschrieben ist, abzuweichen.

Claims

1. Durchleuchtungssystem, aufweisend: eine Strahlungsquelle (X); ein Detektorfeld (D), das mehrere Reihen (12) gleichförmiger Detektorelemente (11) aufweist, die so verschachtelt sind, daß sie mehrere Spalten (14) definieren, die senkrecht zu den Reihen (12) sind und in einem versetzten Muster angeordnet sind, wobei jedes Detektorelement (E) auf es auftreffende Strahlung anspricht, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, das die einfallende Strahlung anzeigt; Einrichtungen (L, M) zum Anbringen der Quelle (X) und des Detektorfeldes (D), die ausreichend voneinander beabstandet sind, um einen Körper in einem Raum dazwischen aufzunehmen; einen Mechanismus (L, M) zum Abtasten des Detektorfeldes (D) relativ zu diesem Körper, wenn dieser in diesem Raum angeordnet ist, in einer Richtung im wesentlichen parallel zu den Reihen (12); Einrichtungen zum Betätigen der Strahlungsquelle (X), um Strahlung von der Quelle (X) und auf das Detektorfeld (D) hin auszusenden, wobei die Strahlung durch einen Teil des in diesem Raum angeordneten Körpers hindurchtritt, und eine Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung (TDI), die an die Detektorelemente (E) angeschlossen und separat hiervon ist, um ein Bild einer internen Körperstrukur ansprechend auf die elektrischen Signale zu erzeugen, die von den Detektorelementen (E) erzeugt worden sind, wobei die Schaltung (TDI) eine Abtastschaltung zum Abtasten der elektrischen Detektorelementsignale bei aufeinanderfolgenden Inkremenzen der Detektorfeldabtastbewegung umfaßt, dadurch gekennzeichnet daß die aufeinanderfolgenden Inkremente geringer als eine Distanz gleich einer Ausdehnung eines der gleichförmigen Detektorelemente (E) ist, die sich in der Abtast richtung erstreckt.

2. System nach Anspruch 1, in welchem das Detektorfeld (D) zumindest drei dieser Spalten (14) der Detektorelemente (E) umfaßt.

3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in welchem der Mitte- zu-Mitte-Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Elementen (E) entlang der oder jeder solchen Reihe (12) angenähert dem Zweifachen dieser Ausdehnung entspricht.

4. System nach Anspruch 3, in welchem die aufeinanderfolgenden Inkremente Inkremente einer Abtastbewegung von etwa einer Hälfte dieser Ausdehnung sind.

5. System nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, in welchem die Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung (TDI) eine Zeitverzögerungs- und eine Integrationsfunktion ausführt, die durch die folgende Beziehung definiert ist:

worin:

P(i,j) = die insgesamt angesammelte Ladung des j-ten Pixel der i-ten Reihe des Bildes;

d(m,n,k) = die im n-ten Detektorelement der m-ten Reihe in der k-ten Abtastperiode angesammelte Ladung, und

N = Anzahl von Elementen pro Reihe.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in welchem die Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung (TDI) in einem Modus arbeitet, worin die insgesamt angesammelte Ladung eines gegebenen Bildelements, die in einem gegebenen Detektorelement (E) angesammelt ist, nur bei aufeinanderfolgenden Inkrementen der Detektorbewegung abgetastet wird, die gleich der Detektorbewegung über eine Distanz, die dem Zweifachen der Breite eines einzelnen Detektorelements (E) entspricht, sind.

7. System nach Anspruch 6 bei Rückbeziehung auf Anspruch 4, in welchem die Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung (TDI) eine Schaltung, die der insgesamt angesammelten Ladung jedes solchen Elements (E) bezüglich der insgesamt angesammelten Ladung des unmittelbar vorausgehenden Elements (E) eine Verzögerung auferlegt, die gleich der Zeit ist, die für das Detektorfeld (D) notwendig ist, um sich über eine dem Zweifachen der Breite eines einzelnen Detektorelements (E) entsprechende Distanz zu bewegen, aufweist.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in welchem die Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung (TDI) aufweist: Einrichtungen zum Abtasten der Detektorelementausgangssignale bei aufeinanderfolgenden Inkrementen der Detektorbewegung, die angenähert einer Hälfte der Breitenausdehnung eines individuellen Detektorelements, parallel zu einer dieser Reihen ermittelt, entsprechen; Einrichtungen zum Verzögern der jeweiligen Ausgangssignale von den Detektorelementen einer dieser Reihen in unterschiedlichen Beträgen, um die Ausgangssignale dieser Elemente der Reihe, die zu einem einzelnen Bildelement gehören, simultan an einem Ausgang darzustellen; Einrichtungen, die die simultan dargestellten Ausgangssignale summieren und Einrichtungen, die die summierten Signale verarbeiten, um eine Darstellung eines Bildes einer internen Gegenstandsstruktur zu gewinnen.

9. System nach Anspruch 8, in welchem das Detektorfeld eine Reihe von gleichförmigen quadratischen Detektorelementen umfaßt, deren Mittelpunkte um 2p beabstandet sind, wobei p die Ausdehnung einer Elementseite ist; und die Zeitverzögerungs- und Integrationsschaltung-Einrichtungen (TDI) die Detektorelementausgänge mit jedem p/2 eines aufeinanderfolgenden Abtastbewegungsinkrements abtasten; Einrichtungen, die als eine Darstellung für einen gegebenen Bildabschnitt einen Satz von nur jedem vierten Abtastwert jedes Detektorausgangssignals ansammeln, und Einrichtungen, die als eine Darstellung eines anderen gegebenen Bildabschnitts einen anderen Satz von vierten Abtastwerten ansammeln, die von diesem Satz bezüglich der Zeit versetzt sind, aufweisen.

10. System nach einem vorhergehenden Anspruch, in welchem die Abtasteinrichtungen (L, M) Einrichtungen aufweisen, die synchron mit der Detektorbewegung eine Schwenkbewegung der Quelle bewirken, um eine konstante Ausrichtung zwischen dem Detektor und der von der Quelle ausgehenden Strahlung aufrechtzuerhalten.

11. System nach einem vorhergehenden Anspruch, in welchem die Abtasteinrichtungen (L, M) ferner Einrichtungen umfassen, die das Detektorfeld entlang eines bogenförmigen Pfades bewegen.

12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem: die Strahlung X-Strahlung ist.