DE69125668T2

DE69125668T2 - Filter für computergestütztes Tomographiesystem

Info

Publication number: DE69125668T2
Application number: DE69125668T
Authority: DE
Inventors: Paul Charles Schanen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-08-06
Filing date: 1991-08-01
Publication date: 1997-11-06
Anticipated expiration: 2011-08-02
Also published as: IL98928A0; EP0473296A3; EP0473296A2; CN1058710A; DE69125668D1; US5218533A; CA2042226A1; IL98928A; JPH04244138A; EP0473296B1; JPH0790023B2; CN1056506C

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Computertomographie(CT)- Systeme und insbesondere auf ein Anti-Verfremdungs-Filter (Anti- Aliasing Filter) für den Einsatz bei der Verarbeitung der von einem CT System gesammelten Daten.
In einem Computertomographie-System ist eine Röntgenquelle so eingerichtet bzw. kollimiert, daß sie ein Fächerbündel mit einem definierten Fächerbündeiwinkel bildet. Das Fächerbündel ist so orientiert, daß es in der x-y-Ebene eines Cartesischen Koordinatensystem, als "Bildebene" bezeichnet, liegt und durch ein abgebildetes Objekt auf ein in der Bildebene angeordnetes Detektor-Array für Röntgenstrahlen übertragen wird.
Das Detektor-Array wird von Detektorelementen gebildet, die voneinander in einem Rastermaß getrennt sind, das etwa gleich ihrer Breite ist. Jedes Detektorelement mißt die Intensität der übertragenen Strahlung entlang einem von der Röntgenquelle auf das spezielle Detektorelement projizierten Bündel. Die Intensität der übertragenen Strahlung ist abhängig von der Abschwächung bzw. Dämpfung des Röntgenbündels durch das abgebildete Objekt entlang diesem Strahl.
Die Röntgenquelle sowie das Detektor-Array können auf einem Gestell in der Bildebene und um das abgebildete Objekt derart gedreht werden, daß der Winkel, unter dem das Fächerbündel das abgebildete Objekt schneidet, sich konstant ändert. Wenn sich das Gestell dreht, werden eine Anzahl von einen Projektionssatz bildenden Projektionen gewonnen, wobei jede Projektion aus den Intensitätssignalen von den Detektorelementen besteht, wie sie sich über einen kleinen Drehwinkel des Gestells und zentriert um einen Projektionswinkel bewegen.
Die gewonnenen tomographischen Projektionssätze werden typischerweise in numerischer Form für eine computermäßige Verarbeitung zur "Rekonstruktion" eines Schichtbildes entsprechend auf dem Fachgebiet bekannten Rekonstruktionsalgorithmen gespeichert. Ein Projektionssatz von Fächerbündelprojektionen kann mittels Fächerbündel-Rekonstruktionstechniken direkt zu einem Bild rekonstruiert werden, oder es können die Intensitätsdaten der Projektionen zu parallelen Bündeln sortiert und entsprechend mit Parallelbündel-Rekonstruktionstechniken rekonstruiert werden. Die rekonstruierten tomographischen Abbildungen können auf einer konventionellen Kathodenstrahlröhre (CRT) angezeigt oder mittels einer computermäßig gesteuerten Kamera in eine Filmaufzeichnung umgewandelt werden.
Die kontinuierliche Drehung des Gestells erzeugt ein sich konstant änderndes Signal von jedem Detektor entsprechend der Veränderung der Abschwächung des Röntgenbündels, das diesen Detektoren zugeordnet ist, wenn sich der Winkel des Röntgenbündels ändert. Dieses Signal kann über das mit jedem Projektionswinkel zusammenhängende Inkrement der Gestelldrehung integriert werden, um das Detektorsignal für diesen Projektionswinkel zu erzeugen. Dieser Integrationswert wird dann gehalten für eine Abtastung und Umsetzung zu einem digitalisierten Detektorwert durch ein Datengewinnungssystem ("DAS" Daten Acquisition System) für eine Speicherung und Rekonstruktion mittels eines Rechners.
Die Integration des Detektorsignals erhöht die Empfindlichkeit der Detektoren und liefert ebenfalls eine inintrinsische Bandbegrenzung des Detektorsignals zur Verhinderung von "Aliasing" während der Abtastung des Detektorsignals über das DAS. Auf dem Fachgebiet besteht das Verständnis, das Aliasing ein Signalartefakt ist, das durch Frequenzkomponenten in einem abgetasteten Signal erzeugt wird, welches Frequenzen aufweist, die höher als die halbe Abtastrate sind.
Um ausreichend Zeit für das Abtasten jedes Detektorsignals durch das DAS vorzusehen, können zwei derartige Integratoren zusammen mit jedem Detektorelement benutzt werden. Ein Integrator hält den Wert der zuvor integrierten Daten für das Abtasten, während der andere Integrator die neuen laufenden Daten von dem Detekorelement integriert. Dieser Design mit zwei Integratoren wird mit "integrieren und Speichern" bezeichnet und weist den Vorteil auf, daß er eine wohldef inierte Integrationszeit sowie ein großzügiges Abtastfenster für das DAS vorsieht.
Nichtsdestotrotz ist die Integrations- und Speicherschaltung anfällig für Schwankungen im Verstärkungsfaktor, die von Änderungen in dem Wert seines Integrationskondensators verursacht werden. Weiterhin weisen die in typischen Fällen benutzten Festkörperschalter zum abwechselnden Einschalten der beiden Integratoren nennenswerte Leckströme auf und erfordern, daß das Detektorsignal zunächst vorverstärkt wird. Schwankungen hinsichtlich des Verstärkungsfaktors dieses unabhängigen Vorverstärkers tragen zu Verstärkungsschwankungen bei, die mit dem Integrations- und Speicherdesign angetroffen werden. Schwankungen hinsichtlich der Verstärkung können nicht hinnehmbare Schlieren, "O-Ringe", Verschmierungen oder andere Artefakte bzw. Bildbeeinträchtigungen in dem rekonstruierten tomographischen Bild verursachen.
Anstelle eines Integrators kann ein kontinuierliches Wellenfilter, z.B. ein Tiefpaß-Filter, benutzt werden. Bei einem kontinuierlichen Wellenfilter reflektiert der Filterausgang das vorhergehende Detektorsignal auf einer gewichteten rollierenden Basis. Der Einsatz eines Tiefpaß-Filters mit einem angemessenen Grenzfrequenzpunkt eliminiert Aliasing.
Die Arbeitsweise des kontinuierlichen Wellenfilters ist derart, daß eine Abtastung zu jedem Zeitpunkt erfolgen kann, vorausgesetzt eine entsprechende Korrektur wird für die Gestellposition vorgenommen, und daß somit lediglich ein einzelnes Filter für jeden Detektor erforderlich ist. Dies eliminiert den Bedarf für einen unabhängigen Vorverstärker, der mit den Festkörperschaltern der Integrations- und Speicherschaltung zusammenhängt.
Der Einsatz eines kontinuierlichen Wellenfilters bietet eine verbesserte Stabilität der Verstärkung für den Integrationsund Speicherdesign. Eine direkte Stromrückkopplung kann über dem kontinuierlichen Wellenfilter (anders als bei einem Integrator) vorgesehen werden, und deshalb kann die Verstärkung des Filters durch einen einzelnen Widerstand im Gegensatz zu dem Kondensator der Integrations- und Speicherschaltung sowie zu dem Widerstand seines zugeordneten Vorverstärkers fixiert werden. Widerstände sind im allgemeinen stabiler als Kondensatoren und ein einziges Bauelement ist im allgemeinen stabiler als mehrere Bauelemente.
Bei bestimmten CT-Bildgebungstechniken schaltet das Röntgenbündel schnell zwischen zwei Bündelintensitäten oder zwei Bündelpositionen während der Drehung des Gestells hin und her. Beim Abtasten mit zweifacher Energie beispielsweise kann die an die Röntgenröhre angelegte Energie variiert werden, um zwei Röntgenbündel mit verschiedenen Spektren zu erzeugen, um zwei Bilder zu erzeugen, deren Vergleich nützlich für eine Unterscheidung von verschiedenen Gewebetypen sein kann. Als Alternative kann beim "Punkt-Wobbel"-Abtasten der Emissionspunkt für den Röntgenstrahl in Bezug auf das Gestell "gewobbelt" werden, um zwei Bündel mit leicht unterschiedlichen Winkeln zur Erhöhung der Auflösung des Röntgenbildes zu erzeugen. Diese letztere Technik ist im Detail in der EP-A 91305527.3 beschrieben, die auf denselben Anmelder wie die vorliegende Erfindung lautet.
Bei jeder dieser mit zwei Bündeln arbeitenden Techniken wird das Bündel in dem Maße schnell zwischen den Zuständen verschoben, wie sich das Gestell dreht, um so die aus der Bewegung des Patienten herrührenden Auswirkungen auf die Konsistenz der gesammelten Daten zu verringern. Eine derartige Bewegung des Patienten verursacht im allgemeinen mehrere Veränderungen zwischen den entsprechenden Detektorsignalen, wenn der Bündelzustand lediglich zwischen vollen Umdrehungen des Gestells verschoben wird. Mit der schnellen Verschiebung des Röntgenbündels ändert sich ebenfalls das Signal von den Detektoren und muß synchron mit dem Verschieben des Bündels derart separiert werden, daß man zwei unterschiedliche Datensätze sammelt, nämlich einen zugeordnet zu jedem Bündelzustand. Ein Weg zur Trennung der jedem Zustand des Bündels zugeordneten Detektorsignale besteht in der Benutzung der zuvor beschriebenen Doppelintegratoren der Integrations- und Speicherschaltung. Der erste Integrator ist so eingestellt, daß er lediglich während des ersten Zustandes des Bündels integriert (und somit Daten sammelt), und der zweite Integrator ist so eingestellt, daß er lediglich während des zweiten Bündelzustands integriert. Die Ausgänge der Integratoren erzeugen zwei unterschiedliche Sätze von Detektordaten, wobei jeweils einer mit jedem Bündelzustand in Verbindung steht.
Unglücklicherweise bestehen bei diesem Lösungsansatz immer noch die Nachteile einer Verstärkungsempfindlichkeit, die in der oben beschriebenen Weise mit der Integrations- und Speicherschaltung zusammenhängen, d.h. die Verstärkung der Schaltung wird bestimmt von einem relativ instabilen Kondensatorwert, der mit jedem Integrator verbunden ist, sowie von einem mit einem separaten Vorverstärker zusammenhängenden Widerstand.
Das zuvor beschriebene kontinuierliche Wellenfilter ist für diese Doppelbündeltechniken nicht geeignet, weil das Filter ein kontinuierliches Ausgangssignal erzeugt, das ungeachtet des Bündelzustandes eine Funktion der vorherigen Detektorsignale ist. Die stetige Natur des kontinuierlichen Wellenfilters, die sich früher wegen der Möglichkeit einer flexiblen Abtastung zu ihrem Vorteil auswirkte, verhindert eine saubere Trennung zwischen den beiden Bündelsignalen.
Die US-A-4,029,963 beschreibt ein Datengewinnungsfilter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung ist charakterisiert durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Datengewinnungsfilter für den Einsatz im Zusammenhang mit Doppelfächer-CT Techniken, das die Stabilität eines kontinuierlichen Wellenfilters sowie die Möglichkeit des synchronen Abtastens eines Integrations- und Speicherfilters bietet. Insbesondere enthält das Datengewinnungsfilter erste und zweite unterbrechbare Filter, die entweder in einem Filterzustand oder in einem Haltezustand arbeiten. Wenn sich die Filter in dem Filterzustand befinden, hängt ihr Ausgangssignal ab von den Frequenzkomponenten des Detektorsignals nur während der laufenden und vorherigen Filterzustände ab. Im Haltezustand ist das Ausgangssignal des Filters der letzte Ausgangswert des Filters während des vorhergehenden Filterzustandes. Wenn sich das Röntgenbündel der CT-Maschine in einem ersten Zustand befindet, ist das erste unterbrechbare Filter in dem Filterzustand und das zweite unterbrechbare Filter ist in dem Haltezustand, und das Gegenteil ist der Fall, wenn sich das Röntgenbündel in dem zweiten Zustand befindet. In einer Ausführungsform liefert ein Schalter einen einzelnen Abtastausgang, der abwechselnd mit dem Filter verbunden wird, das sich in dem Haltezustand befindet.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Filtern eines diskontinuierlichen Detektorsignals zu schaffen, das von zwei schnell veränderten Röntgenbündelzuständen erzeugt wird.
Vorzugsweise teilt sich jedes der zwei unterbrechbaren Filter einen Vorverstärker für den Empfang des Detektorsignals und enthält ein schaltbares Rückführungselement zum Empfang einer Rückkopplung von dem unterbrechbaren Filter, das sich in dem Filterzustand befindet.
Es ist deshalb eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein in seiner Verstärkung stabiles Anti-Aliasing-Filter anzugeben. Ein einziges, miteinander geteiltes Rückführungselement sieht eine enge Angleichung der Verstärkung des ersten und zweiten unterbrechbaren Filters vor. Die unterbrechbaren Filter können durch ein einzelnes widerstandsbehaftetes Rückführungselement gesteuert werden, um eine höhere Stabilität vorzusehen als die, die von einem kapazitiven und widerstandbehafteten Rückführungselement bereitgestellt wird, zum Beispiel wie von einem in einem Integrations- und Speicherfilter-Design benutzten.
Die vorgehenden sowie weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich werden. In der Beschreibung wird Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil hiervon darstellen und in denen im Wege der Veranschaulichung eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist. Eine derartige Ausführung repräsentiert jedoch nicht notwendigerweise den vollen Schutzumfang der Erfindung, und es muß deshalb für eine Erläuterung des Schutzumfanges der Erfindung Bezug genommen werden auf die Ansprüche hierin.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines CT Systems, das für einen Einsatz in der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig. 2 ist ein Detail des Fächerbündels von Röntgenstrahlen, das durch das System von Figur 1 erzeugt wird, und das die relativen Winkel sowie damit im Zusammenhang stehenden Achsen zeigt;
Fig. 3 ist eine Darstellung des Strahlwinkels T sowie des Radius r der Projektionsdaten, die mit dem CT System von Fig. 1 unter Anwendung der Technik des Brennpunkt-"wobbelns" gewonnen wurden, und das die mit den beiden Fächerzuständen in Verbindung stehenden Perioden zeigt;
Fig. 4(a) ist eine typische Darstellung eines von einem Detektorelement während der Wobbeltechnik nach Fig. 3 erzeugten Detektorsignals, das die Verschachtelung der Daten für die beiden Fächerzustände zeigt;
Fig. 4(b) ist eine Darstellung ähnlich der von Fig. 4(a), welche das effektive Eingangssignal zeigt, wie es von einem unterbrechbaren Filter nach der vorliegenden Erfindung beim Empfang des Signals von Fig. 4(a) gesehen wird;
Fig. 4(c) ist eine typische Darstellung für das Ausgangssignal des unterbrechbaren Filters nach der vorliegenden Erfindung beim Empfang des Eingangssignals von Fig. 4(a);
Fig. 5 ist eine vereinfachte schematische Darstellung des unterbrechbaren Filters nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine Darstellung des Taktimpulsverlaufs, wie er für die Synchronisation des unterbrechbaren Filters von Fig. 5 mit den Doppelfächerzuständen einer CT Maschine benutzt wird; und
Fig. 7 ist ein detailliertes Schaltbild des unterbrechbaren Filters nach der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 enthält ein CT Gestell 16, das repräsentativ für einen CT Scanner der "dritten Generation" ist, eine Röntgenquelle 10, die so orientiert ist, daß sie ein Fächerbündel von Röntgenstrahlen 24 von einem Brennpunkt 11 durch ein abgebildetes Objekt 12 hindurch auf ein Detektor-Array 18 projiziert. Das Detektor-Array 18 wird von einer Anzahl von Detektorelementen 26 gebildet, die zusammen ein projiziertes Bild erfassen, das aus der Übertragung von Röntgenstrahlen durch das abgebildete Objekt hindurch resultiert. Jedem Detektor zugeordnet ist ein unterbrechbares Filter 19, das nachfolgend vollständiger beschrieben wird. Das Gestell 16 dreht sich um ein innerhalb des abgebildeten Objektes 12 positioniertes Drehungszentrum 14.
Das für einen Gebrauch zusammen mit der vorliegenden Erfindung geeignete Steuersystem eines CT Scanners weist mit dem Gestell zusammenhängende Steuermodule 28 auf, die enthalten: die Röntgenstrahlsteuerung 30, die Leistungs- und Zeitsteuerungssignale für die Röntgenquelle 10 liefert und welche die Position des Brennpunktes 11 in der Röntgenröhre steuert; eine Gestellmotorsteuerung 32, welche die Drehgeschwindigkeit und Position des Gestells steuert sowie ein Datengewinnungssystem ("DAS") 34, das die Projektionsdaten von den Detektorelementen 26 des Detektor-Arrays 18 über die unterbrechbaren Filter 19 abtastet und die gefilterten Daten in Digitalwörter für eine spätere computermäßige Verarbeitung umsetzt.
Die Röntgenstrahlsteuerung 30 sowie die Gestellmotorsteuerung 32 sind an einen Computer 36 angeschlossen. Bei dem Computer 36 handelt es sich um einen Allzweck-Minicomputer, z.B. wie den Data General Eclipse MV/7800C.
Das Datengewinnungssystem DAS 34 ist mit der Einrichtung für die Bildrekonstruktion 38 verbunden, die von dem DAS 34 abgetastete und digitalisierte Signale empfängt, um nach den auf dem Fachgebiet bekannten Verfahren eine Hochgeschwindigkeits- Bildrekonstruktion durchzuführen. Die Einrichtung zur Bildrekonstruktion 38 kann ein Array- oder Feldprozessor sein, wie er zum Beispiel von Star Technologies of Virginia hergestellt wird.
Der Computer 36 erhält Befehle und Parameter für die Abtastung über eine Bedienerkonsole 40, bei der es sich im allgemeinen um ein CRT Display sowie um eine Tastatur handelt, die es dem Bediener erlaubt, die Parameter für die Abtastung einzugeben und das rekonstruierte Bild sowie andere Informationen von dem Rechner 36 zur Anzeige zu bringen. Ein Massenspeichergerät 42 stellt eine Einrichtung zum Speichern des Betriebsprogrammes für das CT Bildgebungssystem sowie für Bilddaten für eine zukünftige Bezugnahme von Seiten des Bedieners dar.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 kann der einem bestimmten Detektorelement 26 zugeordnete Teil des Fächerbündels 24 als ein Strahl entlang einer Linie durch das Zentrum des Röntgenstrahl-Brennpunktes 11 sowie durch das Zentrum des speziellen Detektorelementes 26 angegeben werden. Der Strahl 20 wird beschrieben durch eine Radiuslinie mit einem senkrechten Abstand von dem Rotationszentrum 14 mit der Länge "r" und einem Drehwinkel T dieses Radius von einer willkürlichen im Raum fixierten Referenzachse 22.
Der r- und T-Wert für jeden Strahl 22 können in ein r-T Diagramm mit einer horizontalen Achse für T und einer vertikalen Achse für r eingetragen werden, wie das in Fig. 3 gezeigt ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 befindet sich zu Beginn der Datengewinnung für eine Projektion der Strahl 20 für einen gegebenen Detektor 26 bei Position 50 in den r-T Diagramm. Der Einfachheit halber ist in Fig. 3 lediglich die Ausgangsposition 50 für einen Strahl 20 gezeigt, es ist jedoch auf dem Fachgebiet verständlich, daß eine Projektion normalerweise nahezu eintausend Strahlen und entsprechende Intensitätsmessungsdaten einschließt.
In dem Maße, wie sich das Gestell 16 dreht, bewegt sich während einer ersten Periode I die Position des Strahls 20 horizontal in dem r-T Diagramm von dem Startpunkt 50 längs einer horizontalen Linie 52 des Gestelldrehwinkels dT. Die horizontale Linie 52 entspricht dem zunehmenden T, das durch die Drehung des Gestells 16 verursacht wird. Die sich ändernde Intensität der Röntgenstrahlung entlang dem Strahl 20 über der horizontalen Linie 52 wird von den Detektorelementen 26 empfangen. Nachdem sich das Gestell 16 um dT gedreht hat, wird die Position des Brennpunkts 11 der Röntgenröhre 10 in Bezug auf das Gestell 16 verschoben, was die Position des Strahls 20 in eine Startposition 54 mit erhöhtem r und vermindertem T bewegt. Während einer zweiten Periode II der Gestelldrehung bewegt sich der Strahl 20 horizontal von dieser Startposition 54 erneut um einen Abstand dT entlang der horizontalen Linie 56. Am Ende dieser Startposition wird der Brennpunkt 11 wieder in seine ursprüngliche Lage in Bezug auf das Gestell zurückbewegt, was wegen der inzwischen erfolgten Drehung des Gestells bei einer neuen Position 58 im r-T Diagramm bei demselben r-Wert wie für die Startposition 50, jedoch bei einem versetzten Wert von T ist. Dieser Vorgang wird wiederholt, wobei der Röntgenstrahlbrennpunkt 11 sich zwischen einem ersten Zustand in den ersten Perioden I und einem zweiten Zustand während der zweiten Perioden II bewegt, wobei die Zustände von der relativen Position des Röntgenstrahlbrennpunktes 11 zu dem Gestell 16 definiert werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4(a) ist die Amplitude des Signals 62 von dem Detektor 26 diskontinuierlich zu den Zeiten t=nΔt, wobei n eine ganze Zahl und Δt die von dem Gestell gebrauchte Zeit ist, um sich um dT zu bewegen. Diese Diskontinuitäten bzw. Unstetigkeiten 60 resultieren aus der abrupten Bewegung des Röntgenstrahlbrennpunktes 11 zwischen den Zuständen und somit aus dem Wechsel der Orientierung des Röntgenstrahlbündels 24 in Bezug auf das abgebildete Objekt 12 zwischen der ersten Periode I und der zweiten Periode II. Wie oben erwähnt, wird ein kontinuierliches Wellenfilter, das dieses diskontinuierliche Signal empfängt, dazu tendieren, die Daten aus den Perioden I und II zu kombinieren mit dem Effekt, daß sich die Daten aus der Periode I mit den Daten aus der Periode II "verschmieren".
Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 5 empfängt das unterbrechbare Filter 19 nach der vorliegenden Erfindung das Detektorsignal 62 am Detektoreingang 64, wobei das Detektorsignal 62 von einem Detektorelement 26 in dem Detektor-Array 18 kommt. Zusätzliche und separate (nicht gezeigte) unterbrechbare Filter sind für jedes der verbleibenden Detektorelemente 26 vorgesehen. Das Detektorsignal 62 wird verstärkt von einem Differenz- Vorverstärker 66, der das Detektorsignal 62 an seinem invertierenden Eingang empfängt und der den Pegel des Detektorsignals 62 anhebt, um den Effekt von Leckströmen in und von Injektionsströmen von den an den Ausgang des Vorverstärkers 66 angeschlossenen Festkörperschaltern 68 zu reduzieren. Der Vorverstärker 66 kann jeder kommerziell erhältliche Operationsverstärker mit einem niedrigem Eingangsstrom, einer niedrigen Offsetspannung und einer niedrigen Off set-Spannungsdrift sein. Der nicht-invertierende Eingang des Vorverstärkers 66 ist mit Masse (ground) verbunden.
Ein Widerstand 72 sieht für die Stabilität eine lokale Rückführung um diesen Vorverstärker 66 vor, indern er den Ausgang des Vorverstärkers 66 mit seinem invertierenden Eingang verbindet, was für Fachleute auf diesem Gebiet verständlich sein wird.
Das Ausgangssignal vom Vorverstärker 66 wird empfangen von dem "Pol" des einpoligen Ein/Ausschalters ("SPST" single pole single throw) in Form der Festkörperschalter 68 und 70. Die Ausgangspole ("throws") dieser Schalter 68 und 70 sind verbunden mit den Eingängen der Teileinheiten 74 bzw. 76 der Tiefpaß- Filter.
Die Ausgänge der Filter-Teileinheiten 74 bzw. 76 sind ihrerseits verbunden mit einem Pol der SPST-Schalter 84 und 86, deren jeweils andere Pole (throws) miteinander verbunden sind und über das Rückführungselement 88 von dem invertierenden Eingang des Vorverstärkers 66 aufgenommen werden. Demzufolge wird bei geschlossenem Schalter 84 das Rückführungssignal für den Vorverstärker 66 von dem Ausgang der Filter-Teileinheit 74 geliefert und bei geschlossenem Schalter 86 wird das Rückführungssignal für den Vorverstärker 66 von dem Ausgang der Filter-Teileinheit 76 bereitgestellt.
Es wird deshalb ersichtlich sein, daß bei geschlossenen Schaltern 68 und 84 die Filter-Teileinheit 74 zur Bildung eines ersten Filters in einer Rückführungskonfiguration mit dem Vorverstärker 66 geschaltet ist, und daß bei geschlossenen Schaltern 70 und 86 die Filter-Teileinheit 76 mit dem Vorverstärker 66 in einer Rückführungskonfiguration verbunden ist, um ein zweites Filter zu bilden.
Bei den ersten und zweiten Filtern handelt es sich um 2-polige Tiefpaß-Bessel-Filter mit einer Grenzfrequenz von 1105 Hz. Die Grenzfrequenz ist im Verhältnis zu der Abtastfrequenz des DAS 34 gewählt, um die erörterten Eigenschaften hinsichtlich Anti- Aliasing zu bieten. Obwohl die Form des 2-poligen Bessel-Filters vorgezogen wird, wird es aus der folgenden Beschreibung für Fachleute auf diesem Gebiet verständlich sein, daß andere Tiefpaß-Filter, wie zum Beispiel nach Butterworth oder Tchebycheff, benutzt werden können.
Die ersten und zweiten mit den Filter-Teileinheiten 74 und 76 gebildeten Filter sind auch "unterbrechbar", indem sie als Tiefpaß-Filter wirken, wenn der entsprechende Schalter 68 oder 70 geschlossen ist, aber auch "einfrierend", wenn der entspre chende Schalter 68 und 70 geöffnet ist, wobei sie den letzten vorhergehenden gefilterten Wert halten, der an ihrem Ausgang vor dem Öffnen der Schalter 68 oder 70 auftritt und ihre internen Werte trotz Wechsel in der Zeit aufrechterhalten.
Die Ausgänge der Filter-Teileinheiten 74 und 76 führen auf die Schaltpole der SPST-Festkörperschalter 78 und 80, deren Gegenpole (throws) miteinander verbunden sind, um einen einzelnen Abtastausgang 82 in Abhängigkeit von der Periode entweder von der Filter-Teileinheit 74 oder von der Filter-Teileinheit 76 an das DAS 34 zu liefern. Die Schalter 78 und 80 nehmen jeweils entgegengesetzte Schaltzustände zu den entsprechenden Schaltern 68 und 70 ein. Der Schalter 78 ist geöffnet, wenn der Schalter 68 geschlossen ist, und die Filter-Teileinheit 74 filtert während der Periode I; und Schalter 78 ist geschlossen, wenn Schalter 68 geöffnet ist, und die Filter-Teileinheit 74 befindet sich während der Periode II in dem Haltezustand. Somit kann das Abtasten des Ausgangs der Filter-Teileinheit 74 jederzeit während der Periode II erfolgen und dabei trotzdem noch den gefilterten Wert liefern, der exakt der Zeit des letzten Übergangs zwischen der Periode I und der Periode II entspricht. Dies macht die Synchronisation der Abtastung durch das DAS 34 mit einer bestimmten Zeit oder Position des Gestells 16 einfacher als mit einem kontinuierlichen Wellenfilter, wie das oben beschrieben wurde. Eine derartige Koordination der Abtastung mit der Position des Gestells 16 kann nützlich sein zum Eliminieren von Bildartefakten aus Bildern, die mit den Punkt-Wobbeltechniken gebildet wurden, auf die oben eingegangen worden ist.
In ähnlicher Weise nimmt der Schalter 70 den entgegengesetzten Zustand zum Schalter 80 ein, um zu irgendeinem Zeitpunkt während der Periode I das Abtasten des Ausgangssignals der Filter- Teileinheit 76 zu erlauben.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 5 und 6 werden die Schalter 68, 84 sowie 80 synchron durch ein Taktsignal 90 geschlossen, das während der ersten Periode I in den "Ein"- oder oberen Zustand und während der zweiten Periode II in den Aus-Zustand zeitgesteuert wird. Das Filter 74 befindet sich dementsprechend während der Periode I im Filterzustand und während der Periode II im Haltezustand.
Umgekehrt werden die Schalter 70, 86 sowie 78 durch ein Taktsignal 92 geschlossen, das so zeitgesteuert wird, daß es mit der Periode II eingeschaltet und mit der Periode I ausgeschaltet ist, und das Filter 76 befindet sich im Haltezustand während Periode I und im Filterzustand während Periode II. Bei den Signalen 90 und 92 handelt es sich um Rechtecksignale, die phasenmäßig so liegen, daß es keine Überlappung zwischen den Einschaltzeiten der Signale 90 und 92 gibt und deshalb lediglich ein Signal 90 oder 92 zu einem Zeitpunkt im Ein-Zustand ist.
Der Betrieb der Festkörperschalter erfolgt derart, daß sie entweder die Filter-Teileinheit 74 oder die Filter-Teileinheit 76 mit dem Vorverstärker 66 verbinden und eine geeignete Rückführungsschleife über das Rückführungselement 88 vorsehen. Die Filter-Teileiheiten 74 und 76 besitzen eine hohe Gleichstromverstärkung und somit wird die Gleichstromverstärkung des Filters 19 bestimmt werden vom Rückführungselement 88, und zwar ungeachtet dessen, welche Filter-Teileinheit 74 oder 76 angeschlossen ist oder ungeachtet der Vorwärtsverstärkung durch den Vorverstärker 76 oder der Filter-Teileinheiten 74 oder 76. Das Rückführungselement 88 ist vorwiegend widerstandsbehaftet, wobei es im großen und ganzen durch einen einzelnen Widerstand bestimmt wird, und bedeutet ein viel stabileres, die Verstärkung steuerndes Bauelement als es der Kondensator bei der zuvor beschriebenen Integrations- und Speicherschaltung ist.
Die Schaltkreise der Filter-Teileinheiten 74 und 76 sind identisch. Der Einfachheit halber wird lediglich die Filter-Teileinheit 74 im Detail beschrieben und die Arbeitsweise der Filter-Teileinheit 76 wird aus dieser Beschreibung verständlich sein.
Mit Bezugnahme auf Fig. 7 führt der Eingang zur Filter-Teileinheit 74 auf einen Integrator, der aus einem Eingangswiderstand 94 gebildet wird, der über den Schalter 68 mit dem invertieren den Eingang eines Diffrenzverstärkers 96 verbunden ist. Der Verstärker 96 weist einen zwischen seinen Ausgang und seinen invertierenden Eingang eingeschalteten Kondensator 98 auf, der zur Integration des durch den Widerstand 94 fließenden Stromes dient, wie das auf dem Fachgebiet bekannt ist. Der nicht-invertierende Eingang des Differenzverstärkers 96 ist mit Masse (ground) verbunden.
Wenn somit der Schalter 68 geschlossen ist, empfängt der invertierende Eingang des Verstärkers 96 Strom von dem Vorverstärker 66 über den Widerstand 94 und integriert diesen Strom. Wenn der Schalter 68 jedoch geöffnet ist, hält der Verstärker 96 den letzten Wert aufrecht, den er vor dem Öffnen des Schalters 68 hatte.
Der Ausgang des Verstärkers 96 ist über den Widerstand 100 sowie über den SPST Festkörperschalter 102 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 104 verbunden, wobei der (eine) Pol des Schalters 102 an den Widerstand 100 und der andere Pol (throw) des Schalters 102 an den invertierenden Eingang des Verstärkers 104 angeschlossen ist. Ein Kondensator 106 ist zwischen den Ausgang des Verstärkers 104 und seinen invertierenden Eingang eingeschaltet, und ein Rückkopplungswiderstand 108 ist zwischen den Ausgang des Verstärkers 104 und den Pol des Schalters 102 eingeschaltet. Wenn somit der Schalter 102 geöffnet ist, ist der Widerstands-Rückkopplungszweig über dem Verstärker 104 unterbrochen und der Verstärker 104 arbeitet wie der Verstärker 96, indem er seinen letzten Ausgangswert vor dem Öffnen des Schalters 102 aufrechterhält.
Die Injektion von Ladung in den Verstärker 104 durch den Schaltvorgang des Festkörperschalters 102 wird minimiert durch die SPST Festkörperschalter 110 und 112 sowie durch die Komponenten 114-122. Der Schalter 110 ist bezüglich seines Pols und Gegenpols (throw) mit dem Pol vom Schalter 102 verbunden und schließt, wenn der Schalter 102 öffnet, um der Ladungsinjektion vom Schalter 102 entgegenzuwirken. Der gang des Verstärkers 104 ist auch mit Masse verbunden, und zwar über den Kondensator 114, der vom Schalter 112 überbrückt (shunted) wird, der sich mit dem Schalter 102 öffnet und schließt.
Der Ausgang des Verstärkers 104 ist über ein Netzwerk, gebildet aus einem Serienwiderstand 116 gefolgt von einem mit Masse verbundenen Kondensator 118, mit dem Pol des Schalters 84 verbunden. Ein identisches Netzwerk verbindet den Ausgang des Verstärkers 104 mit dem Schalter 78. Diese Netzwerke dämpfen ebenfalls den Effekt der Ladungsinjektion durch die Festkörperschalter 84 und 78.
Das Rückführungselement 88 enthält einen Serienwiderstand 124, der von dem Gegenpol (throw) des Schalters 84 hergeführt wird, gefolgt von einem Kondensator 126 nach Masse und einem Serienwiderstand an dem Verbindungspunkt des Kondensators 126 mit dem Widerstand 124 und führt auf den invertierenden Eingang des Vorverstärkers 66. Es ist ersichtlich, daß der Rückkopplungszweig nicht nur Widerstände 116, 124 und 128 sondern auch Kondensatoren 118 und 126 enthält. Diese Kondensatoren haben keine Auswirkung auf die Gleichstromverstärkung und nur einen ver nachlässigbaren Effekt auf die Niederfrequenzverstärkung, und zwar resultierend aus ihrem kleinen Wert sowie den kleinen Werten der Widerstände 116 und 124, die derart ausgewählt sind, daß sie eine RC Zeitkonstante von ungefähr 0,05 Mikrosekunden aufweisen.
Die Grenzfrequenz der durch den Vorverstärker 66 sowie die Filter-Teileinheit 74 oder 76 in der Rückführungsschleife mit dem Rückführungselement 88 gebildeten Bessel-Filter ist so gewählt, daß sie ein Aliasing in dem durch das DAS 34 abzutastenden Signal verhindert. Demgemäß kann die Grenzfrequenz der Bessel- Filter auf die Änderungen in der Abtastrate eingestellt werden, die im allgemeinen von der Geschwindigkeit des Gestells 16 sowie der Anzahl und Geometrie der Detektorelemente 26 abhängen.
Es ist anzumerken, daß die Arbeitsweise der Schalter 68 und 102 im wesentlichen den Betrieb des aus dem Vorverstärker 66 und der Filter-Teileinheit 74 gebildeten Filters während der Periode, in der das Signal 90 im unteren Zustand (bw) ist, "einfriert". Die dazwischen auftretenden Werte des Filters, speziell die Ausgangssignale der Verstärker 96 und 104, ändern sich nicht mit der Zeit oder mit Änderungen bei den Detektoreingängen, wenn das Signal 90 im unteren Zustand ist, noch ändert sich das intrinsische "gedächtnis" (memory), des Filters, das sich in der Spannung der Kondensatoren 98 und 106 ma nifestiert. Dieser "Halte"-Zustand des entweder die Filter-Teileinheit 74 oder die Filter-Teileinheit 76 verwendenden Filters erlaubt die Benutzung eines einfachen Tiefpaß-Filters bei dem diskontinuierlichen Detektorsignal 62, wie es in Fig. 4(a) gezeigt ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4(b) ist der effektive Eingang für das aus dem Vorverstärker 66 und der Filter-Teileinheit 74 gebildete Filter eine Verkettung von lediglich solchen Segmenten des Detektorsignals 62, die während der Periode I auftreten. Dies ist deshalb der Fall, weil das Filter während der Periode II in dem Haltezustand eingefroren ist. Umgekehrt ist der effektive Eingang für das aus dem Vorverstärker 66 und der Filter-Teileinheit 76 (nicht dargestellt) gebildete Filter eine Verkettung derjenigen Segmente des Detektorsignals 62, die während der Periode II auftreten.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4(c) erscheint der Ausgang des Filters 19 als eine Reihe von konstanten Spannungen, welche die endgültigen Ausgänge der Filter-Teileinheiten 74 und 76 während des vorhergehenden Filterzustandes für den laufenden Haltezustand reflektieren. Der relativ lange Haltezustand der Filter- Teileinheiten 74 und 76 gestattet das Abtasten aller Detektorelemente 26 innerhalb des Detektor-Arrays bei derselben Gestellposition zu synchronisieren wie mit einem Integrations- und Speicherfilter, und trotzdem erlaubt die Konfiguration der ersten und zweiten Filter eine Widerstandsrückkopplung zum Zwecke der Stabilität.
Viele Modifikationen und Abänderungen der bevorzugten Ausführung werden für Fachleute auf dem Gebiet ersichtlich sein, die noch im Schutzumfang der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, liegen. Beispielsweise kann dieses Filter ebenfalls bei einer mit zwei Leistungswerten erfolgenden Abtastung benutzt werden, bei der zum Beispiel die erste Periode I eine hohe Röntgenstrahlenergie und die zweite Periode II eine niedrige Röntgenstrahlenergie ist. Weiterhin wird es offensichtlich sein, daß sich das Filter zusammen mit anderen Gestell- und Detektor-Konfigurationen, einschließlich der sogenannten "Verschiebe- und Dreh-" Konfiguration benutzen läßt.

Claims

1. Datengewinnungsfilter für ein CT-Bildgebungssystem mit einem ersten und zweiten Rötgenbündel, die während einer ersten und zweiten Periode aktiviert sind, wobei die ersten und zweiten Röntgenbündel durch einen Detektor (18) empfangen sind, der ein Detektorsignal (62) erzeugt, wobei das Filter das Detektorsignal empfängt und ein Abtastausgangssignal erzeugt,

gekennzeichnet durch

einen Taktgeber, der mit der ersten und zweiten Periode synchronisiert ist, zum Erzeugen eines Taktsignals (90, 92);

ein erstes und zweites unterbrechbares Filter (19) zum Empfangen des Taktsignals und eines Filterausgangssignals zum Erzeugen eines Abtastausgangssignals, wobei jedes Filter einen Filterzustand und einen Haltezustand hat, wobei das Filterausgangssignal für jedes Filter während des Filterzustandes von den Frequenzkomponenten des Detektorsignals nur während der laufenden und vorherigen Filterzustände abhängig ist und während des Haltezustandes von dem letzten Ausgangswert des vorherigen Filterzustandes abhängig ist; und

wobei das erste unterbrechbare Filter während der ersten Periode im Filterzustand und während der zweiten Periode im Haltezustand ist und das zweite unterbrechbare Filter während der ersten Periode im Haltezustand ist und während der zweiten Periode im Filterzustand ist.

2. Filter nach Anspruch 1 enthaltend einen Schalter (68, 70) zum Verbinden des ersten Filterausgangssignals mit dem Abtastausgangssignal während der ersten Periode und zum Verbinden des zweiten Filterausgangssignals mit dem Abtastausgangssignal während der zweiten Periode.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten unterbrechbaren Filter eine Vorverstärkereinrichtung (66) zum Verstärken des Detektorsignals enthalten und teilen und ein schaltbares Rückführungselement (72, 88) enthalten zum Empfangen einer Rückführung von dem Ausgang des ersten unterbrechbaren Filters während der ersten Periode und von dem zweiten unterbrechbaren Filter während der zweiten Periode und zum Zuführen dieser Rückführung zu dem Vorverstärker.

4. Filter nach Anspruch 3, wobei das Rückführungselement im wesentlich widerstandsbehaftet ist.

5. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die unterbrechbaren Filter als Tiefpaß-Bessel-Filter zweiter Ordnung mit Grenzfrequenzen arbeiten, die im wesentlichen gleich einer halben Abtastrate während des Filterzustandes sind.

6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die ersten und zweiten Röntgenbündel in bezug zueinander räumlich versetzt sind.

7. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die ersten und zweiten Röntgenbündel unterschiedliche Energien aufweisen.