DE2339758A1

DE2339758A1 - Roentgendiagnostikeinrichtung zur herstellung eines transversal-schichtbildes

Info

Publication number: DE2339758A1
Application number: DE19732339758
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Phys Linke; Manfred Dr Ing Pfeiler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1973-08-06
Filing date: 1973-08-06
Publication date: 1975-02-27
Also published as: DE2339758C3; FR2239975B1; US3971948A; DE2339758B2; FR2239975A1; GB1434153A

Description

Siemens Aktiengesellschaft Erlangen, 1. August 1973

Henkestrasse 127

VPA 73/5095 Ru/Bd

Röntgendiagnostikeinrichtung zur Herstellung eines Transversal-Schichtbildes

Die Erfindung betrifft eine Röntgendiagncßbikeinrichtung zur Herstellung eines - Transversal-Schichtbildes, bestehend aus einer Röntgenstrahlenmessanordnung mit einer Röntgenstrahlenquelle, die ein Röntgenstrahlenbündel erzeugt, dessen Querschnittsausdehnung senkrecht zur Schicht gleich der Schichtstärke und parallel zur Schicht gleich der Schichtstärke oder geringer ist als diese, und einem Strahlungsempfänger, der die Strahlungsin-. tensität hinter dem Objekt in aufeinanderfolgenden äquidistanten Punkten misst, sowie aus einer Antriebsvorrichtung für die Messanordnung zur Erzeugung einer geradlinigen, senkrecht zur Richtung des ZentralStrahls über die gesamte Objektausdehnung geführten Abtastbewegung in wechselnder Folge mit je einer Drehbewegung um kleine äquidistante Winkelbeträge, deren Summe 180° beträgt, um einen etwa im Zentrum der Schichtebene auf dem Zentralstrahl liegenden Drehpunkt.

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Eine solche Einrichtung ist unter der Bezeichnung "EMI-Scanner" und die damit durchführbare Untersuchungsmethode als "Computer-Tomographie" bekannt und in der Zeitschrift "ELECTRONICS TODAY INTERNAT-IONAL" August 1972 Seiten 16 bis 19 unter der Überschrift "Breakthrough in brain x-ray" beschrieben. Dieses Transversal-Schichtverfahren ist allen bisherigen Verfahren dieser Art hinsichtlich der Darstellung von Objektdetails geringster Kontrastunterschiede weit überlegen. Es ermöglicht z.B. die Unterscheidung von weisser und grauer Gehirnsubstanz ohne die Zufuhr von Röntgenkontrastmittel, obwohl sich beide Substanzen bei den üblichen Aufnahmespannungen nur um etwa 1 % bis 2 % im Absorptionsvermögen für Röntgenstrahlen unterscheiden. Das bisher bekannte Transversal-Schichtverfahren, bei dessen einfachster Ausführungsform der Patient und der Film synchron um zueinander parallele Achsen gedreht werden und der Zentralstrahl durch den Drehpunkt des Filmes und die Patienten-Drehachse verläuft und unter einem Einfallswinkel zwischen 60° und 75° auf den Film trifft, ist zur Wiedergabe solch geringer Absorptionsunterschiede bei weitem nicht in der Lage. Es liefert vielmehr Aufnahmen, in denen das Bild der jeweils eingestellten Schicht und das Verwischungsbild der ausserhalb dieser Schicht im Strahlenkegel gelegenen Objektbereiche überlagert sind. Diese Überlagerung hat zur Folge, dass nur solche Objektdetails sichtbar werden, deren Absorptionsvermögen für Röntgenstrahlen sich um wenigstens etwa 20 % unterscheiden. Demgegenüber liefert die Computer-Tomographie ein Transversal-Schichtbild, bei dessen Aufbau nur Informationen aus der interessierenden Schicht selbst verarbeitet sind und bei dem die erwähnten Überlagerungen aus Nachbarbereichen ausgeschaltet sind.

Die Funktion des Verfahrens lässt sich kurz folgendermassen beschreiben: m.an denkt sich die Schicht aus η . η kleinen Quadern der Grosse b . b . d zusammengesetzt, wobei b die Kantenlänge der Quader parallel zur Schichtebene, d die Dicke der Schicht und η eine ganze Zahl ist, deren Grössenordnung etwa 100 beträgt.

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Das entsprechende Querschichtbild stellt dann eine Matrix von η . η quadratischen Bildpunkten dar. Der Wert einer das Absorptionsvermögen des jeweiligen Objektmaterials für Röntgenstrahlung bezeichnenden Grosse, im einfachsten Fall also der jeweilige Absorptionskoeffizient, ist in jedem einzelnen Bildpunkt zu

ermitteln. Die Messwerte zur Auffindung dieser η Unbekannten werden folgendermassen gewonnen: das Aufnahmeobjekt wird mit einem feinen, in der Schicht verlaufenden Röntgenstrahlenbündel in verschiedenen Projektionen linear abgetastet. Als Strahlungsempfänger wird ein Szintillationskristall mit angekoppeltem Photomultiplier verwendet. Die Strahlungsintensität hinter dem Aufnahmeobjekt wird während des linearen Abtastvorganges (im folgenden kurz Scan genannt) in äquidistanten Punkten gemessen und dabei mit Hilfe eines geeigneten Wandlers in Digitalwerte umgesetzt, die in einen Computer eingespeichert werden. Nach jedem Scan erfolgt eine Drehung des gesamten Abtastsystems um eine annähernd mit der Längsachse des Aufnahmeobjektes übereinstimmende Drehachse senkrecht zur Schicht um einen kleinen fest gewählten Winkelbetrag von z.B. 1°. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis die Gesamtdrehung des Systems 180° beträgt.

Die auf diese Weise durchgeführten Messungen liefern ein lineares

Gleichungssystem von η . w Gleichungen mit η Unbekannten, wenn w die Anzahl der Winkelschritte bezeichnet.

Eine unmittelbare Auflösung dieses Gleichungßsystems nach den unbekannten mittleren Absorptionskoeffizienten für alle Bildpunkte mit Hilfe der üblichen Matritzenoperation ist allerdings wegen der Grosse der Matrix praktisch nicht möglich. Eine Lösung kann jedoch z.B. auf iterativem Wege mit Hilfe eines Rechners gefunden werden.

Die Wiedergabe des im Rechner ermittelten Transversal-Schichtbildes kann auf verschiedene Weise erfolgen. Die einfachste Möglichkeit besteht darin, die ermittelten Digitalwerte mit einem an den Rechner angeschlossenen Schnelldrucker wiederzu-

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geben, wobei die Werte zweckmassigerwei.se ,den. zugehörigen Matrix-Elementen zugeordnet werden. Die Auswertung eines solchen Bildes ist jedoch recht mühsam und dem Praktiker ungewohnt. Günstiger ist es, die ermittelten Werte in Analog-Signale umzuwandeln und auf einem Femsehmonitor als Graustufen in Matrix-Anordnung wiederzugeben. Dabei ergibt sich ein dem Arzt vertrautes, der Röntgenaufnahme sehr ähnliches Fernsehbild, dessen Auswertung leicht möglich ist. Darüber hinaus besteht bei der Fernsehwiedergabe die Möglichkeit einer weiteren Kontraststeigerung auf elektronischem Wege.

Aus den Resultaten der bisher beschriebenen Mittel kann man zwar Aussagen; über die Strahlenabsorption, d.h. über das Produkt aus dem spezifischen Absorptionskoeffizienten und der Dichte des Objektmaterials in den einzelnen Matrix-Elementen entnehmen, jedoch, da die Dichte des jeweiligen Materials im allgemeinen nicht bekannt sein wird, keine Aussagen über die mittlere Ordnungszahl bzw. die chemische Zusammensetzung des Materials gewinnen. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, mit Hilfe der beschriebenen bekannten Einrichtung Aussagen über das Material selbst in den einzelnen Matrix-Elementen zu gewinnen. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass eine der ersten Messanordnung gleichartige, in Richtung der geradlinigen Bewegung parallel versetzt angeordnete zweigte Messanordnung vorhanden ist, deren Röntgenstrahlenquelle eine Strahlung mit einem gegenüber demjenigen der ersten Röntgenstrahlenquelle geänderten Wert der Strahlungsenergie erzeugt, und ein Rechner aus den Messignalen beider Messanordnungen für jeden Bildpunkt für die zwei verschiedenen Werte der Strahlungsenergie die beiden Absorptionskoeffizienten oder diesen proportionalen Grossen bestimmt, deren jeweilige Quotienten bildet und daraus mittels einer eingespeicherten Eichtabelle die mittlere Ordnungszahl oder eine entsprechende Grosse für jeden Bildpunkt ermittelt. Auf diese Weise kann man z.B. den für eine Skelettdiagnose besonders

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wichtigen Kalksalzgehalt bestimmen oder verschiedene, eventuell gleichzeitig applizierte Kontrastmittel voneinander unterscheiden.

Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbei spiels näher erläutert. Darin zeigen .

Fig. l eine Prinzipdarstellung der Röntgendiagnostik-Einrichtung, und

Fig. 2 das Abtastschema zur Schichtbildgewinnung.

In der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung bewegt sich ein am Rahmenteil 1 drehbar gelagerter Tragring 2 um die etwa mit dem Körperstamm 3 eines Patienten 4 zusammenfallende Drehachse 5. Auf dem Tragring sind zwei gleichartige Röntgenstrahlenmessvorrichtungen, bestehend aus den Röntgenröhren 6, 7 und den Strahlungsempfängern 8, 9, in Richtung ihrer linearen Bewegung parallelversetzt angeordnet. Die Drehbewegung des Tragrings 2 um den zu durchstrahlenden Körperteil des auf der Lagerstatt 10 ruhenden Patienten 4 wird von der .Antriebsvorrichtung 11 erzeugt. Die Antriebsvorrichtung 12 dient dazu, die lineare Scan-Bewegung der miteinander gekoppelten und auf den Schienen 13, 14 gleitenden Messanordnungen 6, 7, 8, 9 zu erzeugen. Die beiden Röntgenröhren 6, 7 sind elektrisch mit dem Röntgengenerator 16 verbunden, der sie mit hochkonstanter elektrischer Spannung unterschiedlicher Höhe versorgt. Die Antriebsvorrichtungen 11 für die kreisförmige und 12 für die lineare Bewegung sind mit einer Steuervorrichtung 18 verbunden, welche die beiden Bewegungen in ihrer wechselnden Folge und die Einschaltdauer der Röntgenröhren 6, 7 miteinander koordiniert. Die Strahlungsempfänger sind über eine Anpassungsschaltung 17 mit einem Computer 19 verbunden. Der Ausgabe der vom Computer errechneten Daten dienen ein Blattschreiber 20 und ein Sichtgerät 21.

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Im folgenden wird die Funktion der Einrichtung anhand der Fig. und 2 näher erläutert. Nach dem Einschalten wird zunächst die Antriebsvorrichtung Il betätigt und bewegt den Tragring 2 in seine gegenüber der dargestellten Lage etwa um 90° versetzte Ausgangsposition. Nach deren Erreichen beginnt die Abtastung in der Weise, dass die Antriebsvorrichtung 12 die Messanordnung 6, 7, 8, 9 in die lineare Scan-Bewegung versetzt, bei der die gewünschte Transversal-Schicht des Patienten 4 durchstrahlt und gleichzeitig abgetastet wird (Scan I). Dazu wird zunächst die Röntgenröhre 7, dann die Röntgenröhre 6 beim Erreichen des zu durchstrahlenden Bereiches eingeschaltet und das Meßsignal der Strahlungsempfänger 9 bzw. 8 in äquidistanten Abständen, die ' der gewünschten Kantenlänge eines Bildpunktes 21 (Matrix-Elementen) entsprechen, vom Computer 19 über* die Anpassungsschaltung 17 übernommen und gespeichert. Sobald die Röhre 7 den zu durchstrahlenden Bereich verlassen hat, wird sie abgeschaltet und die Übernahme des Meßsignals des .Strahlungsempfängers 9 inden Speicher des Computers beendet. Sobald die Röhre 6 den zu durchstrahlenden Bereich verlassen hat, wird auch sie abgeschaltet, die Übernahme des Meßsignals des Strahlungsempfängers 8 in den Speicher des Computers ebenfalls beendet und schliesslich die Antriebsvorrichtung 12 ausgeschaltet. Damit ist der Scan I abgeschlossen. Anschliessend wird die Messanordnung in ihre Ausgangsposition zurückgeführt. Gleichzeitig wird die Antriebsverrichtung 11 so lange betätigt, bis der Tragring 2 um den gewünschten Winkel (ca. 1°) weiterbewegt worden ist. Dann erfolgt ein neuer Abtastvorgang (Scan II) analog zu dem beschriebenen Scan I. Danach wird der Tragring wiederum um den gleichen Winkelbetrag gedreht und der weitere Scan III vorgenommen. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis der Tragring eine Gesamtürelxmg von 180° ausgeführt hat. Es ist natürlich auch möglich, auf die Rückführung der Messanordnung nach jedem Scan zu verzichten und statt dessen das Objekt mäanderförmig abzutasten.

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Nach Beendigung ,des. Abtastvorgangs befinden sich, im Computer zwei lineare Gleichungssysteme von je m ,.w Gleichungen mit je η Unbekannten j .wobei, η die Anzahl der Matrixpunkte, m die Anzahl der Messwerte·-"-je Scan und w. die Anzahl, der, Scans bezeichnen . Der Rechner bestimmt aus' ,diesen beiden Gleichungssystemen für jeden Matrixpunkt zunächst die beiden Abso.rptionskoeffizienten für die beiden verschiedenen Werte dar Strahlungsenergie, bildet dann, jeweils, den Quotienten aus den. beiden Absorptionskoeffizienten, und. ermittelt schliesslich mit Hilfe einer eingespeicherten Eichtabelle die entsprechende mittlere Ordnungszahl für jedes Matrix-Element. Die so gefundenen Werte der mittleren Ordnungszahl erscheinen dann, sowohl auf djem Blattschreiber 20 als Digitalwerte wie, auf dem Sichtgerät 21 in analoger Form als Grauwerte.

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Claims

Patentanspruch

Röntgendiagnostikeinrichtung zur Herstellung eines Transversal-Schichtbildes, bestehend aus einer Röntgenstrahlenmessanordnung mit einer Röntgenstrahlenquelle, die ein Röntgenstrahlenbündel erzeugt, dessen Querschnittsausdehnung senkrecht zur Schicht gleich der Schichtstärke und parallel zur Schicht gleich der Schichtstärke oder geringer ist als diese, und einem Strahlungsempfänger, der die Strahlungsintensität hinter dem Objekt in aufeinanderfolgenden äquidistanten Punkten misst, sowie aus einer Antriebsvorrichtung für die Messanordnung zur Erzeugimg einer geradlinigen, senkrecht zur Richtung des Zentralstrahls über die gesamte Objekt ausdehnung geführten Abtastbewegung in wechselnder Folge mit je einer Drehbewegung um kleine aquidistante Winkelbeträge, deren Summe 180° beträgt, um einen etwa im Zentrum der Schichtebene auf dem Zentralstrahl liegenden Drehpunkt, dadurch gekennzeichnet, dass eine der ersten Messanordnung (, 9) gleichartige, in Richtung der geradlinigen Bewegung parallel versetzt angeordnete zweite Messanordnung (6, 8) vorhanden ist, deren Röntgenstrahlenquelle (6) eine Strahlung mit einem gegenüber" demjenigen der ersten Röntgenstrahlenquelle (7) geänderten Wert der Strahlungsenergie erzeugt, und ein Rechner (19) aus den Meßsignalen beider Messanordnungen (6, 7, 8, 9) für jeden Bildpunkt für die zwei verschiedenen Werte der Strahlungsenergie die beiden Absorptionskoeffizienten oder diesen proportionalen Grossen bestimmt, deren jeweiligen Quotienten bildet und daraus mittels einer eingespeicherton EicL-tabeJle die mittlere Ordnungszahl oder eine entsprechende Gröüse für jeden JiiJdpunkt ermittelt.

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