DE2723431A1

DE2723431A1 - Vorrichtung fuer tomographie

Info

Publication number: DE2723431A1
Application number: DE19772723431
Authority: DE
Inventors: Simon Duinker
Original assignee: Optische Industrie de Oude Delft NV
Current assignee: Optische Industrie de Oude Delft NV
Priority date: 1976-05-26
Filing date: 1977-05-24
Publication date: 1977-12-15
Also published as: CH630176A5; FR2352532A1; DE2723431C2; SE7706007L; IL52154A; JPS52146191A; FR2352532B1; SE421375B; IT1111426B; GB1579265A; NL7605687A; CA1099825A; IL52154A0

Description

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N.V. Optische Industrie "De Oude Delft"
DeIft, Niederlande.

Vorrichtung für Tomographie

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für Tomographie, versehen mit einer Röntgenquelle, einer Detektorfl&.cheund damit optisch und/oder elektronisch gekoppelten Mitteln zum Verschaffen und Weiterverarbeiten von Signalen, die ein Mass sind für die Röntgenabsorption in einem scheibenförmigen Querschnitt eines zwischen der Röntgenquelle und der Detektorflache anzubringenden Objekts in verschiedenen Richtungen, die dadurch erhalten werden, dass Mittel vorgesehen sind, eine relative Drehbewegung des Objekts gegenüber der Vorrichtung um eine senkrecht zu der Ebene des scheibenförmigen Querschnitts stehende Achse herbeizuführen.

Es ist von wesentlicher Bedeutung, dass jedes Element des Querschnitts einen Beitrag zur Absorption der Röntgenstrahlung liefern kann. Ist dies nicht der Fall, so ist die Information unvollständig und ist keine genaue Bildrekonstruktion möglich.

ZurVerwirklichung dieses Zweckes kann man eine Vielzahl von Detektoren verwenden oder kann man eine Anzahl I)ejbektQren.neben einer eventuellen

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Rotationsbewegung eine Translationsbewegung ausführen lassen. Es ist klar, dass eine solche kombinierte Bewegung zeitraubend ist, während ausserdem die Konstruktion dadurch komplex wird.

Die obengenannte Konstruktion mit einer stationären Reihe diskreter Detektoren hat den Nachteil, dass der Kompromiss zwischen Trennfähigkeit und der für die Bildkonstruktion benotigten Rechenzeit nur für eine Grosse des Querschnitts optimal ist; bei einem variierenden Abstand zwischen dem Objekt und der Reihe der Detektoren ändert sich nämlich nicht die Rechenzeit, sondern wohl die Trennfähigkeit infolge einer variierenden geometrischen Vergrößerung in einem divergierenden Röntgenbündel.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Vorrichtung, welche die obengenannten Nachteile nicht aufweist und ausserdem noch einige weitere Vorteile bietet, wie z.B. eine billige Kontraktion, eine schnelle und zuverlässige Wirkung, eine niedrige Strahluigadosis usw., welche Vorteile später besprochen werden.

Dazu weist die Detektorfläche erfindungsgemäss solchen Umfang auf, dass sie völlig von einem aus der Röntgenquelle kommenden, räumlichen Rontgenbündel bestrichen werden kann, dessen Umfang in der genannten Achsrichtung derart ist, dass der scheibenförmige Querschnitt über die ganze Hohe davon durchstrahlt wird, während das Bündel in der Ebene dieses Querschnitts die Form eines Fächers aufweist, der auf der einen Seite durch die genannte Drehachse begrenzt wird und sich auf der anderen Seite bis soweit ausserhalb des Objekts erstreckt, dass während einer volligen Umdrehung das Objekt über den ganzen Umfang des scheibenförmigen Querschnitts völlig durchstrahlt wird.

Dabei kann die Röntgenquelle erfindungsgemäss einen strichförmigen, parallel zur Drehachse gerichteten Fokus aufweisen.

Nach der Erfindung kann die Detektorfläche gemäss einer zweidimensionalen Matrix diskreter Röntgendetektorelemente aufgebaut sein, mit welcher Matrix elektronische Mittel gekoppelt sind, mit denen die Detektorelemente nach-

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so

einander abgetastet werden können, worauf die»erhaltenen Signale weiter verarbeitet werden können. Es ist erfindungsgemäss auch möglich, dass die Detektorflache aus einem kontinuierlichen, zveidimensionalen Röntgenschirm besteht. Erfindungsgemäss können in der letztgenannten Ausführungsform linsen-, spiegel- oder faseroptische Mittel vorhanden sein, die Detektorflache auf der Photokathode einer Helligkeitsverstärkerrohre abzubilden. Dabei kann die Detektorfläche sich innerhalb der Umhüllung einer direkten Röntgenbildverstärkerröhre befinden. Die Detektorfläche kann erfindungsgemäss die Form eines Teiles des Mantels eines Zylinders haben, dessen Achse vorzugsweise dem Strichfokus der Röntgenquelle entspricht.

Zum Verschaffen der Rotation können erfindungsgemäss Mittel vorhanden sein, das Objekt gegenüber einem stillstehenden Satz von Rontgenquelle und Detektorfläche um die Drehachse zu rotieren. Es können auch Mittel Vorhandensein, den Satz von Röntgenquelle und Detektorfläche um ein stillstehendes Objekt zu rotieren.

Erfindungsgemäss kann die Drehachse innerhalb des Objekts liegen.

Schliesslich können erfindungsgemäss Mittel vorgesehen sein, mit denen die Stelle des scheibenförmigen Objektquerschnitts gegenüber, dem Satz von Röntgenquelle und Detektorfläche eingestellt werden kann.

Die Erfindung wird im Nachfolgenden unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

- Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemassen Vorrichtung;

- Fig. 2 einen Teil der Vorrichtung nach Fig. 1 mit einer Röntgenquelle mit Strichfokus;

- Fig. 3 eine Ausführungsform eines spiegeloptischen Systems, die Detektorfläche auf der Photokathode einer Helligkeitsverstärkerröhre abzubilden;

- Fig. h eine Ausführungsform eines faseroptischen Systems, die Detektorfläche auf der Photokathode einer Helligkeitsverstärkerröhre abzubilden;

- Fig. 5 eine Ausführungsform, bei der die Detektorfläche sich innerhalb der Umhüllung einer direkten Röntgenbildverstärkerröhre befindet;

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- Fig. 6 eine Ausführungsform einer über einen Teil des Hanteis eines Zylinchrs gebogenen Detektorfläche, zur Benutzung bei einer Rontgenquelle mit strichfSrmigem Fokus; und

- Fig. 7 die Anwendung einer Detektorfläche nach Fig. 6 bei einer Vorrichtung vom in Fig. 1 abgebildeten Typus.

Die in Fig.1wiedergegebene Vorrichtung umfasst eine Rontgenquelle 1 und einen Röntgenschirm 2. Beim Betrieb der Vorrichtung wird zwischen diesen beiden Teilen ein Objekt 3 angebracht» wobei in dieser Figur der Fall genommen ist, dass das Zentrum dieses Objekts auf der imaginären Senkrechten aus der Quelle 1 auf den Schixn 2 liegt. Bei der Wirkung der Vorrichtung wird bei einer solchen Anbringung des Objekts im wesentlichen die Hälfte des Querschnitts

der dieses Objekts durch die Strahlung aus'Quelle 1 durchstrahlt und wird auf dem Schirm 2 bei einer Rotation des Objekts über 360 ein Transmissionsbild eines scheibenförmigen Querschnitts des Objekts erzeugt.

2 Auf der der Quelle 1 abgewandten Seite dieses Schirmes'befindet sich weiter ein sehr lichtstarkes optisches System k, das dazu bestimmt ist» das Bild auf dem Röntgenschirm 2 auf der Photokathode eines Bildverstärkers 5 abzubilden.

Bei der in Fig. 1 abgebildeten erfindungsgemassen Ausführungsform ist dieser Bildverstärker 5 unmittelbar faseroptisch mit einer sich dahinter befindenden Fernsehaufnahmerohre 6 gekuppelt. Diese Fersehaufnahmerohre dient dazu» das beim Betrieb der Vorrichtung' auf dem Anodenschirm des Bildverstärkers 5 erscheinende Bild auf die in der Fernsehtechnik übliche Weise abzutasten* wobei dieses Rohre 6 dann ein Videosignal liefert, das einem Monitor 9 zugeführt wird und einem logarithmischen Videoverstärker 7» der seinerseits, wie aus der Figur erhellt, mit einer Bildrekonstruktionsvorrichtung 8 gekoppelt ist. Durch.die Bildrekonstruktionsvorrichtung 8 wird dann aus den empfangenen Videosignalen ein Tomogranm des betreffenden Objektquerschnitts gebildet.

Es ist klar» dass dafür beim Betrieb das Objekt 3 um eine axiale Achse rotiert werden muss oder aber dass der Satz, bestehend aus der Rontgenquelle und dem Schirm 2, um das Objekt 3 rotiert werden muss; dies ist in der Zeichnung schematisch durch einen Pfeil angegeben.

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Es ist ein Vorteil der Erfindung, wie aus der Figur hervorgeht, dass zum Erhalten aller Information, die für die endgültige Rekonstruktion eines vollständigen Querschnittsbildes notwendig ist, unter Vermeidung irgendwelcher Translationsbewegung die Verwendung einer verhältnismässig kleinen Detektorfläche genügt. Dadurch, dass bei der in der Figur wiedergegebenen Anordnung des Objekts 3 nur stets ein Teil des Querschnitts des Objekts 3 auf diesem

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Schirmι abgebildet wird, muss zum Erhalten eines vollständigen Querschnittsbildes des Objekts 3 letzteres über einen Winkel von- 360 um die Achse des Objekts rotiert werden. Der Nachteil einer vollständigen Rotation ist geringer als die Vorteile, die durch eine Detektorfläche mit geringem Umfang erhalten werden, wie diese erfindungsgemäss angewendet wird, insbesondere wenn die Vorrichtung so angeordnet ist, dass die Drehachse vertikal verläuft.

Die Verwendung einer verhältnismässig kleinen Detektorfläche ermöglicht es weiter, dass auch die weiteren Komponenten des Systems, wie das optische System k> die Bildverstärkerrohre 5 usw. kleinere Abmessungen haben können und folglich billiger sein können. Ausserdem führen diese kleineren Abmessungen zu leichteren Konstruktionen mit geringerem Trägheitsmoment, wodurch mit viel geringerer Leistung eine bedeutend schnellere Rotation erhalten werden kann. Dadurch kann der Einfluss der Bewegungsunschärfe als Folge von z.B. Atmung drastisch eingeschränkt werden.

Es ist ein weiterer Vorteil des verhältnismässig geringen Umfange der Detektorfläche 2, dass mit der Vorrichtung eine gute Trennfähigkeit erhalten wird, weil ein Fernsehbild, dessen Trennfähigkeit durch die Anzahl Fernsehzeilen und die verwendete Bandbreite bestimmt wird, für die Verarbeitung der Information, die von jeweils etwa der Hälfte des Objekts 3 herrührt, verwendet wird, und demzufolge in der Rekonstruktion des ganzen Objekts 3 einen proportional geringeren Beitrag zur Unscharfe liefert und gleichzeitig etwa eine Verdopplung der Trennfähigkeit im horizontalen Sinne auftritt als in dem Fall und bezüglich des Falls, dass die Detektorfläche eine grössere Abmessung hat und ein FerrBehbild für das ganze Objekt verwendet wird.

Es ist klar, dass wenn das Objekt 3 klein genug ist, dieses so angeordnet werden kann, dass es in seinem Ganzen in die Begrenzungen des in der Zeichnung angegebenen Röntgenstrahlungsfächers fällt, wodurch nur eine

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Rotation über einen Winkel von l80 des Objekts notig ist, um ein vollständiges Transmissionsbild zu erhalten.

Weiter ist es klar, dass olgLeich in der Zeichnung der Fall angegeben ist, dass die Drehachse des Objekts 3 auf die Senkrechte aus der Röntgenquelle auf dem Schirm 2 liegt, dies nicht durchaus notwendig ist und dass die genannte Achse innerhalb der Begrenzungen des fächerförmigen Bündels liegen kann.

Eine Anordnung des Objekts 3, wie in Fig. 1 angegeben, hat sowohl einen Nachteil als auch einen Vorteil. Der Nachteil besteht darin, dass auf dem in der Figur unten liegenden Rand des Schirmes ein sogenannter "zentraler Kern" entsteht, der zu einem Punkt im rekonstruierten Bild veranlasst. Es ist jedoch möglich, diesen "zentralen Kern" als Referenz zu verwenden, was z.B. bei einer Therapieplanung für Bestrahlung des Objekts von Belang ist. Es zeigt sich, dass dieser Vorteil schwerer wiegt als der visuelle Nachteil der Entstehung des Punktes im rekonstruierten Bild, auch in Anbetracht der Freiheit, die besteht, um diesen "zentralen Kern" in einem weniger wichtigen Teil des Querschnitts zu wählen.

Es ist bei einer erfindungsgemässen, für Tomographie bestimmten Vorrichtung zu bevorzugen, der Rontenquelle einen strichformigen, parallel zur Drehachse des Objekts oder des Satzes, bestehend aus der Röntgenquelle und dem Schirm, gerichteten Fokus zu geben, wie in Fig. 2 der Zeichnung wiedergegeben. In dem Falle ist es auch möglich, der Detektorfläche, wenn diese ausserhalb der Umhüllung eines Bildverstärkers liegt, die Form eines Teiles des Mantels eines Zylinders zu geben, dessen Achse diesem Strichfokus der Röntgenquelle entspricht, wie in Fig. 6 angegeben, wodurch vermieden wird, dass längs der Detektorfläche für eine verlaufende lineare Vergrösserung korrigiert werden müsste.

In Fig. 7 findet man eine Anwendung einer solchen konkav gebogenen Detektorfläche bei einer Vorrichtung vom in Fig. 1 abgebildeten Typus. Die Vorrichtung umfasst wieder eine Röntgenquelle 1 und einen in diesem Fall konkaven Röntgenschirm 2. Zwischen diesen beiden Teilen ist ein Objekt 3 in

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der obengenannten Weise angeordnet.

Auf der der Quelle 1 abgewandten Seite des Schirmes 2 befindet sich ein optisches System, hier wiedergegeben als eine Linse U, um das Bild auf dem Schirm 2 auf der Photokathode lU eines Bildverstärkers 5 abzubilden.

Im Zusammenhang mit der konkaven Form des Schirmes 2 ist bei dieser Ausführungsform die Einfallsfläche des Bildverstärkers ebenfalls konkav ausgebildet. Zwischen dieser Einfallsfläche und der Photokathode lh des Bildverstärkers 5 befinder sich dann eine Faseroptik 13, wie man diese auch bei der Ausführungsform nach Fig. k findet.

Dort wo oben von einem Schirm oder einer Detektorfläche gesprochen ist, wird eine Konstruktion gemeint, die aus einer zweidimensionalen Matrix diskreter Röntgendetektorelemente oder einem kontinuierlichen, zweidimensionalen Röntgenschirm zusammengesetzt sein kann.

Weiter wird darauf hingewiesen, dass obgleich bei der in Fig. 1 abgebildeten Ausführungsform das Bild auf der Detektorfläche mittels eines Linsensystems k auf der Photokathode der Helligkeitsverstärkerrohre 5 abgebildet wird, dies auch mit Hilfe eines Spiegelsystems geschehen kann., wie in Fig. 3 angegeben. Bei dieser Ausführungsform wird ein von dem Detektorschiria 2 ausgehender Strahl über eine gebogene Linse 10 gegen einen mit einer zentralen Oeffnung versehenen Spiegel 11 gerichtet, der den Strahl zu einem gebogenen Spiegelsystem 12 zurückwirft, das den Strahl aainerseits auf die Photokathode des Bildverstärkers 5 wirft. Die Abbildung kann auch, wie in Fig. h angegeben, mit faseroptischen Mitteln erfolgen. In diesem Fall ist zwischen dem Detektorschirm 2 und der Photokathode des Bildverstärkers 5 eine Faseroptik 13 vorhanden.

Weiter ist bei der in Fig. 1 abgebildeten Ausführungsform die Detektorfläche 2 ausserhalb der Umhüllung der Bildverstärkerrohre 5 angegeben; es ist erfindungsgemäss jedoch auch möglich, dass die Detektorfläche sich innerhalb der Umhüllung einer direkten Rontgenbildverstarkerrohre befindet, wie in

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Pig. 5 angegeben. Wie aus dieser Figur hervorgeht, befindet der Detektorschirm 2 sich in unmittelbarer Nähe der Photokathode 1U des Bildverstärkers 5 innerhalb dessen Umhüllung. Gerade die geringe Ausdehnung der erfindungsgemässen Detektorfläche macht, dass eine solche Konstruktion verwirklicht werden kann.

Wie oben schon bemerkt, ist es möglich, im Betrieb der Vorrichtung das Objekt 3 gegenüber einem stationären System von Rontgenquelle 1 und Schirm 2 zu rotieren, sowie letzteres System in bezug auf ein stationäres Objekt 3 rotieren zu lassen. Die dazu geeigneten Mittel sind in der Zeichnung um der Einfachheit willen nicht abgebildet. Dabei kann die Drehachse erfindungsgemäes innerhalb des Objekts liegen.

Schliesslich kann die Vorrichtung mit Mitteln versehen sein, mit denen die Stelle des scheibenförmigen Objektquerschnitte relativ zum Satz, bestehend aus der Rontgenquelle 1 und der Detektorfläche 2, eingestellt werden kann. Auch diese Mittel sind bei den in der Zeichnung schematisch abgebildeten Ausführungsformen nicht ausdrücklich wiedergegeben:

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Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung für Tomographie, versehen mit einer Röntgenquelle, einer Detektorfläche und damit optisch und/oder elektronisch gekoppelten Mitteln zum Verschaffen und Weiterverarbeiten von Signalen, die ein Mass sind für die Röntgenabsorption in einem scheibenförmigen Querschnitt eines zwischen der Röntgenquelle und der Detektorfläche anzubringenden Objekts in verschiedenen Richtungen, die dadurch erhalten werden, dass Mittel vorhanden sind, eine relative Drehbewegung des Objekts in bezug auf die Vorrichtung um eine senkrecht zu der Ebene der scheibenförmigen Querschnitts stehende Achse zu erwirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorfläche eine solche Ausdehnung besitzt, dass sie völlig von einem aus der Röntgenquelle kommendes, räumlichen Röntgenbündel bestrichen werden kann, dessen Ausdehnung in der genannten Achsrichtung derart ist, dass der scheibenförmige Querschnitt über die ganze Höhe davon durchstrahlt wird, während in der Ebene dieses Querschnitts das Bündel die Form eines Fächers aufweist, der auf der einen Seite mindestens durch die genannte Drehachse begrenzt wird und sich auf der anderen Seite bis soweit ausserhalb des Objekts erstreckt, dass während einer vollständigen Umdrehung das Objekt über den ganzen Umfang des scheibenförmigen Querschnitts völlig durchstrahlt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenquelle einen strichförmigen, parallel zur Drehachse gerichteten FokU3 aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorfläche gemäss einer zweidimensionalen Matrix diskreter Röntgendetektorelemente aufgebaut ist.

h. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorfläche aus einem kontinuierlichen, zweidimensionalen Röntgen-

ORIGINAL INSPECTED

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und U, gekennzeichnet durch lin^sen-, spiegel- oder faseroptische Mittel, die Detektorfläche auf der Photokathode einer Helligkeitsverstärkerröhre abzubilden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und k, dadurch gekennzeichnet, dass die Detäctorfläche sich innerhalb der Umhüllung einer direkten Röntgenbildverstärkerröhre befindet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1,2,3 oder U und 5 > dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorfläche die Form eines Teiles des Mantels eines Zylinders aufweist, dessen Achse dem Strichfokus der Röntgenquelle entspricht.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Röntgenquelle und Datektorfläche bestehende Satz stationär ist und Mittel vorgesehen sind, das Objekt in bezug auf diesen Satz um die Drehachse zu rotieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1-7» dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt stationär ist und Mittel vorgesehen sind, den aus Röntgenquelle und Detektorfläche bestehenden Satz um das Objekt zu rotieren.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1-9» dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse innerhalb des Objekts liegt.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit denen die Stelle des scheibenförmigen ObjäctquerSchnitts relativ zum aus Röntgenquelle und Detektorfläche bestehenden Satz eingestellt werden kann.

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12. Tomographierverfahren, bei dem ein zu untersuchendes Objekt zwischen einer Röntgenquelle und einer Detektorfläche angebracht wird, ein Objektquerschnitt auf die Detektorfläche projiziert wird, während eine relative Drehbewegung zwischen dem Objekt und der aus der Röntgenquelle und der Detektorfläche bestehenden Einheit um eine senkrecht zu dem von der Röntgenquelle ausgehenden Röntgenbündel verlaufende Achse durchgeführt wird, die aufeinanderfolgenden, auf der Detektorfläche erscheinenden Bilder in Signale umgesetzt werden, die das Röntgenabsorptionsmuster des Objektquerschnitts in verschiedenen Richtungen darstellen, und die Signale zur Herstellung eines Tomogramms des Objektquerschnitts verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Drehbewegung um eine Drehachse erfolgt, die das Röntgenbündel an einem Punkt nahe einer seiner divergierenden Begrenzungen schneidet, und daß jeweils nur im wesentlichen der Teil des Objektquerschnitts projiziert wird, der sich auf einer Seite der Drehachse befindet, wobei das Röntgenbündel im Querschnitt gesehen die Form eines Fächers und eine Breite hat, die der Breite des Objektquerschnitts entspricht.

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