DE2559427A1

DE2559427A1 - Geraet zur untersuchung eines koerpers mittels durchdringender strahlung

Info

Publication number: DE2559427A1
Application number: DE19752559427
Authority: DE
Inventors: Godfrey Newbold Hounsfield
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1974-01-31
Filing date: 1975-01-29
Publication date: 1976-12-09
Also published as: DE2503980A1; FR2273439A1; JPS5538185A; JPS5436037B2; GB1493594A; NL7501207A; DE2559427C3; NL174700C; JPS50109782A; DE2503980B2; JPS6147539B2; DE2559427B2; FR2273439B1; NL174700B

Description

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT

PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

EMI Limited 100/475

Gerät zur Untersuchung eines Körpers mittels durchdringender Strahlung

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Untersuchung eines Körpers mittels durchdringender Strahlung, insbesondere Röntgen- oder Gamma-Strahlung, mit einer Quelle zur Bestrahlung eines ebenen Querschnittes des Körpers, mit Detektormitteln zur Erzeugung von Datensignalen, die die Absorption darstellen, die die Strahlen nach Durchlauf durch den ebenen Querschnitt des Körpers längs zahlreicher Wege erfahren haben, mit Mitteln zur Durchführung einer Abtastbewegung der Quelle und der Detektormittel um den Körper, so daß die Strahlenwege zahlreiche verschiedene Winkellagen einnehmen, und mit Rechenmitteln zur Er-

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zeugung einer Darstellung der Verteilung der Absorption der Strahlung in der Querschnittsebene aus den von den Detektoren erzeugten Datensignalen.

Bei der in der DT-OS 1 941 433 beschriebenen Anordnung wird Strahlung von einer äußeren Quelle in Form eines Nadelstrahls durch einen Teil des Körpers geleitet. Der Strahl wird einer Abtastbewegung unterworfen, so daß er der Reihe nach eine große Zahl unterschiedlicher Positionen einnimmt, und ein Detektor stellt das Maß der Absorption des Strahles in jeder dieser Positionen fest, nachdem der Strahl den Körper durchlaufen hat. Damit der Strahl diese verschiedenen Positionen einnehmen kann, werden die Strahlungsquelle und der Detektor in einer Ebene hin- und herbewegt und ferner um eine zu dieser Ebene senkrechte Achse gedreht. Die Positionen liegen somit in einer durch den Körper verlaufenden Ebene, über der die Verteilung der Absorptionskoeffizienten für die verwendete Strahlung durch Verarbeitung der vom Detektor abgeleiteten Strahlabsorptionsdaten gewonnen wird. Die Verarbeitung erfolgt so, daß die schließlich angezeigte Verteilung der Absorption das Ergebnis sukzessiver Annäherungen ist.

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

In der DT-OS 2 427 418 ist ein Gerät beschrieben, mit dem die Ableitung der Absorptionsdatensignale verhältnismäßig rasch durchführbar ist. Bei diesem Gerät werden die Signale dadurch gewonnen, daß ein von einer Quelle ausgehendes fächerförmiges

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Feld von Röntgenstrahlen durch den Körper geschickt und auf der anderen Seite des Körpers einer Reihe von Detektoren vorgesehen wird, um die entlang einer Reihe von Strahlenwegen innerhalb des Strahlenfeldes übertragene Strahlung zu messen. Das fächerförmige Strahlenfeld erstreckt sich über einen so großen Winkel, daß der gesamte interessierende Bereich der Ebene des Körpers erfaßt wird, so daß eine vollständige Abtastung allein durch eine Umlaufbewegung der Quelle und der Detektoren um den Körper bewirkt werden kann.

In der DT-OS 2 420 500 ist ein Gerät zur Verarbeitung der Absorptionsdaten durch ein Konvolutionsverfahren beschrieben. Dieses Verfahren erlaubt eine raschere Verarbeitung als das in der DT-OS 1 941 433 beschriebene iterative Verfahren.

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

Eine unterschiedliche Auflösung ist an sich nicht schädlich, jedoch ist es erwünscht, daß die Auflösung am größten in den besonders interessierenden Bereichen ist, die jedoch normalerweise nicht am Rand des Körpers liegen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, dafür zu sorgen, daß die Unterschiede in der Auflösung so sind, daß die höchste Auflösung in den besonders interessierenden Bereichen vorhanden ist.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Datenverarbeitungsmittel so ausgelegt sind, daß die

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Darstellung der Absorptionsverteilung durch die Überlagerung von Beiträgen aus Kombinationen der Datensignale erzeugt wird, die sich auf wenigstens teilweise einander überlappende Strahlenwege beziehen, und daß jede der Kombinationen der Datensignale sich insgesamt auf einen Strahlenweg bezieht., der an den Rändern des ebenen Querschnittes breiter ist als in dessen mittleren Bereich.

Dabei beziehen sich vorzugsweise die Datensignale auf in dem ebenen Bereich des Körpers divergierende Strahlenwege, und die Datenverarbeitungsmittel sind so ausgebildet, daß paarweise Datensignale kombiniert werden, die zu Strahlenwegen gehören, die aus entgegengesetzten Richtungen von der Strahlung durchlaufen werden.

Unter der Voraussetzung, daß die Strahlungsquelle sich um den Körper über einen Winkel von mehr als 180° dreht, ist es somit möglich, Ausgangssignale zu kombinieren, die sich auf um 180° gegeneinander versetzte Strahlenwege beziehen, d.h. auf Strahlenwege, die aus entgegengesetzten Richtungen durchlaufen werden. Die kombinierten Signale beziehen sich dann auf einen "taillierten" Strahlenweg, der an den Rändern des Körpers breiter ist als in dessen Mitte. Hierdurch wird nicht nur die erwünschte höhere Auflösung im mittleren Bereich des Körpers gegenüber den ; Randbereichen erzielt, sondern darüber hinaus wird die dem Kör- ] per zugeführte Strahlendosis gleichmäßiger verteilt und nicht nur an einer Seite konzentriert. Das erfindungsgemäße Gerät kann bei der Herstellung von Röntgenaufnahmen beliebiger Art Anwendung finden, z.B. in Form einer Abbildung auf einer Kathodenstrahlröhre, in Form einer Fotografie einer solchen Abbildung oder in Form einer Abbildung von Absorptionskoeffizienten, die von einem Digitalrechner erzeugt werden.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des er

findungsgemäßen Gerätes,

Fig. 2 eine Stirnansicht des Gerätes,

Fig. 3 ein Blockschaltbild für die Verarbeitung

der Absorptionsdaten,

Fig. 4 ein Strahlendiagramm zur Erläuterung der

Erfindung,

Fig. 5 die Anordnung der Absorptionsdaten in ei

nem Speicher.

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

Im Bereich der untersuchenden Strahlung ist der Körper des Patienten mit einem Medium umgeben, das im vorliegenden Fall aus Wasser besteht und für die Strahlung einen Absorptionskoeffizienten besitzt, der etwa gleich dem Absorptionskoeffizienten des Körpergewebes ist. Das Wasser 5 befindet sich in einer Umhüllung oder einem Beutel 6. Der Beutel 6 ist in einer ringförmigen Konstruktion 7 angeordnet, die aus Metall, beispielsweise aus Dur-

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aluminium besteht.

Der Ringkörper 7 besteht aus zwei Teilen entsprechend der Beschreibung in der DT-OS 2 427 418 und ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel an der Auflage 2 befestigt. Der Ringkörper 7 kann ggfs. beweglich in bezug auf die Auflage 2 gelagert werden, um die Einführung des Patienten zu erleichtern, und ferner kann die Auflage 2 aus dem gleichen Grunde beweglich in bezug auf andere Teile des Gerätes angeordnet werden, und um eine genaue Positionierung in bezug auf die Röntgenstrahlen durchführen zu können.

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

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

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Die Achse des Achskörpers 9 ist in einem Lager 16 gelagert, und neben dem Lager 16 befindet sich auf der Achse des Achskörpers ein Spulenkörper 17. Der Spulenkörper 17 ist am Lager 16 befestigt, und auf ihn sind Leitungen 18 aufgewickelt, über die Absorptionsdaten von den Detektormitteln 15 zur Datenverarbeitungseinheit geleitet werden, und ferner sind Leitungen und Anschlüsse 19 für die Stromversorgung, für Steuersignale und für Kühlflüssigkeit für die Röntgenstrahlenquelle 4 vorgesehen. Bei der Umlaufbewegung der Quelle und der Detektormittel wickeln sich die Leitungen entsprechend auf dem Spulenkörper 17 auf oder von diesem ab. Sie werden dem Spulenkörper über Führungen G18 und G19 zugeführt, die am Rahmen 10 befestigt sind. Am Spulenkörper sind die Leitungen und die anderen Verbindungen befestigt und verlaufen dann zu ihren entsprechenden Anschlußeinheiten einschließlich der erwähnten Datenverarbeitungseinheit und einer Stromversorgungseinheit .

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

Fig.-2 zeigt eine Stirnansicht des in Fig. 1 dargestellten Gerätes, und die Bezugsziffern sind die gleichen wie in Fig. 1. In Fig, 2 ist mit 25 die Umlaufachse und mit 26 der Umriß des

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Querschnittes des Körpers des Patienten in der Ebene der untersuchenden Strahlung dargestellt.

Die Strahlen 27 und 28 geben die Begrenzungen des von der Strahlungsquelle 4 ausgesendeten Fächers an. Es ist erkennbar, daß die Detektormittel 15 sich über die gesamte Fächerbreite zwischen den Strahlen 27 und 28 erstrecken. Entsprechend der DT-OS 2 439 847 können Mittel vorgesehen werden, um einen gewünschten Bereich im Körper des Patienten in größeren Einzelheiten zu untersuchen, jedoch sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel hierfür keine Vorkehrungen getroffen. Weitere Einzelheiten der Ringkonstruktion 7 und der zugeordneten Haltemittel sind außerdem in der DT-OS 2 427 418 beschrieben.

Fig. 3 zeigt schematisch die allgemeine Ausbildung der Datenverarbeitung für das in Fig. 1 und 2 dargestellte Gerät. In dieser Abbildung stellt der Punkt X den Emissionspunkt der Röntgenstrahlung von der Quelle 4 dar, der Punkt 25 bezeichnet wiederum die Lage der Umlaufachse, der Kreis 7 die Lage des Ringkörpers und der Abschnitt 15 die Detektormittel, die die Absorptionsdaten für die Datenverarbeitung erzeugen.

Die Detektormittel 15 bestehen aus mehreren Detektoren und diesen zugeordneten Kollimatoren zur Definition individueller Strahlen, was in den erwähnten älteren Anmeldungen beschrieben ist. Im Verlauf der Umlauf bewegung des Gerätes werden die Ab- '. sorptionsdaten als Ausgangsströme von den den Detektoren zugeordneten Fotovervxelfachern gewonnen. Die Daten werden in Verstärkern 29 verstärkt. Die Verstärkung der Verstärker ist individuell so eingestellt, daß unterschiedliche Empfindlichkeiten der Szintillationskristalle der Detektoren kompensiert werden. Ggfs. können die Verstärkungen der Verstärker gemeinsam geregelt werden, um Änderungen zu kompensieren, die in der Emissionsintensität der

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Röntgenstrahlungsguelle 4 auftreten können. Die verstärkten Ströme werden in Miller-Integratoren 30 integriert. Die Integratoren sind in Abhängigkeit von der Zeitgebereinheit 40 so bemessen, daß sie für eine solche Zeitdauer arbeiten, daß jeder einzelne, einem Detektor zugeordnete Strahl bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sich aufgrund der orbitalen Bewegung über einen Winkel von etwa 2/15° erstreckt. Dementsprechend sind die Detektoren in einem solchen Abstand angeordnet, daß die Mittellinien dieser Strahlen jeweils einen Abstand von etwa 2/15° besitzen und alle auf die Punktquelle X zentriert sind. Die Ausgänge der Integratoren werden durch Umsetzer 31 von analoger Form in digitale Form umgesetzt.

Es ist erwünscht, daß die Bildrekonstruktion die Verteilung der Absorptionskoeffizienten über dem untersuchten Querschnittsbereich darstellt, wobei der Absorptionskoeffizient die Absorption pro Längeneinheit eines untersuchenden Strahls in der unmittelbaren Nähe eines gegebenen Punktes ist, den der Strahl passiert. Um das gewünschte Ergebnis zu erhalten, ist es erforderlich, daß alle von den Detektormitteln 15 abgeleiteten Ausgangssignale in ihre logarithmische Form umgesetzt werden. Aus diesem Grunde werden die digitalen Daten von den Analog/Digital-Ümsetzern 31 einem logarithmischen Umsetzer 32 zugeführt. Der logarithmische Umsetzer 32 enthält die üblichen Logarithmentabellen. Die Daten werden in Abhängigkeit von einem Adressenwähler 33 in einen Speicher 34 in der nachfolgend beschriebenen Weise eingegeben, und von dort werden die Daten einem Konvolutionsprozess und einer Interpolation in einer Einheit 35 unterworfen, bevor sie in einer Anzeige- und Steuereinheit 36 sichtbar gemacht werden. Arbeitsweise und Eigenschaft der Datenverarbeitungseinheit 35 sind in Einzelheiten in der DT-OS 2 420 500 beschrieben.

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I 10 -

Hinsichtlich der in den DT-Offenlegungsschriften 2 420 500 und 2 439 847 beschriebenen Anordnung der Strahlen sei bemerkt, daß in diesen älteren Anmeldungen die Strahlen stillschweigend als gleich breit angenommen werden. Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Gerät haben die von den Detektoren definierten Strahlen jedoch nicht diese Eigenschaft, sondern sie sind an der der Röntgenstrahlenquelle zugekehrten Seite des untersuchten Bereiches schmaler als an der den Detektoren zugekehrten Seite. Die Wirkung dieser Unstimmigkeit wird bei dem beschriebenen Gerät dadurch weitgehend beseitigt, daß die Umlaufbewegung nicht auf 180° beschränkt wird, was theoretisch ausreichend wäre, sondern daß der Umlauf bis zu 360° fortgesetzt wird, so daß für jede Strahllage bei der ersten Hälfte der Umdrehung eine zweite identische Strahlenlage bei der zweiten Hälfte der Umdrehung vorhanden ist, wobei aber die Richtung der Strahlung und damit der erwähnten Unstimmigkeit entgegengesetzt ist. Von den beiden Strahlabsorptionen wird dann zur Erzeugung der Daten der Durchschnittswert der beiden Strahlen genommen, der dann einem Strahlenweg von gleicher Breite entspricht und die kleine winkelmäßige Spreizung jedes Strahls berücksichtigt.

Die Verwendung von zwei um 180° gegeneinander versetzten Strahlen zur Bestrahlung eines Strahlenweges hat den weiteren Vorteil, daß die "Hautdosis" der Strahlung, die sich aus der erforderlichen gesamten Röntgenstrahlenintensität für diesen Weg ergibt, gleichmäßig zwischen den Oberflächen an den gegenüberliegenden Enden des Weges geteilt wird und nicht konzentriert an einem Ende wirkt.

Es sollten jedoch nur Daten von Strahlen kombiniert werden, die eine Beziehung von 180° zueinander haben. Bei einem Strahlenfächer entsprechend Fig. 4 und 5 können nur die Daten des mittleren Strahls (b) mit den Daten des inversen Strahls kombiniert

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werden, so daß die Daten für die 180°-Gruppe (gestrichelte Diagonallinie) mit den Daten für die 0°-Gruppe kombiniert werden.

Die Position für die anderen Strahlen der Gruppe ist in Fig. 4 dargestellt. Es sind drei Positionen der Punktquelle X gezeigt, während Indices die Winkellage des mittleren Strahls b darstellen. Wie man sieht, hat bei X₁C_n der Strahl c denselben Weg wie der Strahl a von X_Q, und diese beiden Strahlen können daher zur Erzeugung eines Strahls gleichmäßiger Breite kombiniert werden. Ebenso hat c bei X_n denselben Weg wie a bei X₁^_n. Berücksichtigt man dieses in bezug auf den Speicherort in Fig. 5, so ist ersichtlich, daß die Daten der 180°-Strahlengruppe mit den Daten der O°-Strahlengruppe kombiniert werden können, vorausgesetzt, daß die beiden Gruppen aus dem Speicher in umgekehrter Reihenfolge herausgezogen werden. Die Kombinationen sind dann folgendermaßen:

^iao ^{+ c}180>' ^(bo ^{+ b}180> ^{und (c}o ^{+ 3}W*

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

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individuelle Rekonstruktion von Absorptionskoeffizienten für jedes Paar von entgegengesetzt parallelen Gruppen (z.B. von 80° und 0°) abgeleitet und die beiden Bilder auf der Anzeigevorrichtung oder anderweitig kombiniert werden. Die Bezeichnung "Kombination der Daten" soll daher auch derartige Kombinationen einschließen.

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

-Patentansprüche-

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Claims

Patentansprüche :

1. Gerät zur Untersuchung eines Körpers mittels durchdringender Strahlung, insbesondere Röntgen- oder Gammastrahlung, mit einer Quelle zur Bestrahlung eines ebenen Querschnittes des Körpers, mit Detektormitteln zur Erzeugung von Datensignalen, die die Absorption darstellen, die die Strahlen nach Durchlauf durch den ebenen Querschnitt des Körpers längs zahlreicher Wege erfahren haben, mit Mitteln zur Durchführung einer Abtastbewegung der Quelle und der Detektormittel um den Körper, so daß die Strahlenwege zahlreiche verschiedene Winkellagen einnehmen, und mit Datenverarbeitungsmitteln zur Erzeugung einer Darstellung der Verteilung der Absorption der Strahlung in der Querschnittsebene — aus den von den Detektoren erzeugten Datensignalen, dadurch gekennzeichnet , daß die Datenverarbeitungsmittel (33, 34, 41) so ausgelegt sind, daß die Darstellung durch die Überlagerung von Beiträgen aus Kombinationen der Datensignale erzeugt sind, die sich auf wenigstens teilweise einander überlappende Strahlenwege beziehen, und daß jede, der Kombinationen der Datensignale sich insgesamt auf einen Strahlenweg bezieht ., der an den Rändern des ebenen Querschnittes breiter ist als innerhalb von dessen mittleren Bereich.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenwe-

signale sich auf in dem ebenen Bereich fächerförmig divergierende Strahlenwege beziehen, und daß die Datenverarbeitungsmittel (30, 34, 41) so ausgebildet sind, daß paarweise Datensignale kombiniert werden, die zu Strahlenwegen gehören, die aus entgegengesetzten Richtungen von der Strahlung durchlaufen werden.

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