DE2104229B2

DE2104229B2 -

Info

Publication number: DE2104229B2
Application number: DE2104229A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. Dr. 2081 Tengstedt Dammann; Manfred Dr. 2000 Norderstedt Kock; Ulf 2900 Oldenburg Tiemens
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1971-01-29
Filing date: 1971-01-29
Publication date: 1980-07-10
Also published as: JPS5418572B1; FR2123470B1; SE377972B; IT951106B; DE2104229A1; GB1381044A; US3873834A; DE2104229C3; FR2123470A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von das Innere eines dreidimensionalen Objektes darstellenden Schichtbildern, bei dem das Objekt unter einer Vielzahl von annähernd in einer Richtung verlaufenden Strahlenbündeln zur Aufnahme von zweidimensionalen Schattenbildern durchstrahlt wird, die zur Schichtbilderzeugung durchleuchtet und auf einer Mattscheibe oder lichtempfindlichen Schicht überlagert werden.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der US-PS 34 99 146 bekannt Zur Durchstrahlung des Objektes wird die Strahlenquelle um das Objekt herum geschwenkt, während eine ihr gegenüberliegende und jenseits des Objektes angeordnete strahlungsempfindliche Schicht an der Bewegung der Strahlenquelle teilnimmt. Unter jeweils einer Stellung der Strahlenquelle relativ zum Objekt wird dann ein Schattenbild erzeugt, wobei die Schattenbilder in allen Stellungen der Strahlenquelle parallel zueinander liegen.

Zur Darstellung von Schichtbildern werden die Schattenbilder z. B. aufeinander gelegt, mit parallelem Licht durchstrahlt und in geeigneter Weise parallel gegeneinander verschoben. Die Schattenbilder können auch versetzt zueinander auf einem Film projiziert werden, wozu sie nacheinander in den Strahlengang eines Projektors gebracht werden, Bei geeigneter Verschiebung des Films zwischen den einzelnen Projektionen entsteht dann auf ihm ein Schichtbild des Objektes.

Mit Hilfe dieses rein optischen Verfahrens können jedoch nur Schichtbilder erzeugt werden, die parallel zueinander liegende Ebenen des Objektes darstellen. Für anders im Objekt gelagerte Schichten, beispielsweise schräg liegende Schichten, müssen jeweils neue Schattenbilder aufgenommen werden. Zwar ist in der US-PS 34 99146 ei« elektronisches Verfahren zur Darstellung von beliebig im Objekt gelagerten Schichten beschrieben; dieses Verfahren erfordert jedoch eine umfangreiche elektronische Einrichtung zum Abtasten der Schattenbilder zwecks Erzeugung von Bildsignalen und zu deren Verarbeitung.

Aus dem »Leitfaden der medizinischen Röntgentechnik« von G. J. van der Plaats, erschienen in Philips Technische Bibliothek, 1961, S. 90 ff, ist ferner ein Verfahren zur Darstellung von Schichtbildern bekannt, dessen Prinzip darin besteht, daß alle über oder unter einer zu untersuchenden Objektebene liegenden Objektsfruktufen milfels einer gekoppelten Bewegung zwischen der Strahlenquelle und der strahlungsempfindlichen Schicht verwischt werden, wobei das Objekt unbewegt bleibt. Mit Hilfe dieses Verfahrens läßt sich aber pro Aufnahmevortjang jeweils nur eine Objektschicht darstellen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren

anzugeben, mit dessen Hilfe unter Verwendung nur eines Satzes von Schattenbildern beliebig im Objekt gelagerte Schichtbilder darstellbar sind, und bei dem unter Verzicht auf elektronische Mittel ausschließlich optische Elemente verwendet werden,

Diese Aufgabe wird erfindungrtgemäß dadurch gelöst, daß das Objekt aus in einer Strahlenquellenebene liegenden Strahlenqucllenpositionen durchstrahlt wird, daß die Schattenbilder jeweils von einem dem umgekehrten wie bei der Aufnahme benutzten Strahlen- ι ο bündel entsprechenden Lichtkegel durchstrahlt werden, daß die gegenseitige Lage der Strahlenbündel und die der Lichtkegel einander entsprechen, und daß die Mattscheibe bzw. lichtempfindliche Schicht in einem Bereich innerhalb der Lichtkegel angeordnet wird, der dem vom Objekt eingenommenen Bereich innerhalb der Strahlenbündel entspricht

Das Schichtbild entsteht dabei durch Oberlagerung der einzelnen Schattenbilder bzw. der sie durchstrahlenden Lichtkegel auf der strahlungsempfindlichen Schicht oder Mattscheibe. Das Licht kann kohärent oder inkohärent sein, das rekonstruierte Schichtbild ist frei von Granulation und überall scharf.

Im folgenden werden zur Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile einige Ausführungsbeispiele näher >5 beschrieben. Dazu zeigt schematisch

F i g. 1 die Herstellung einer Serie von Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Perspektiven,

Fig.2 ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung von Schichtbildern (Tomographie), 1»

F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Herstellung von Schichtbildern,

Fig.4 ein Ausführungsbeispiel der Fig.3 mit einer Blende und einer Abbildungslinse zur Unterdrückung von Streulicht, _r,

F i g. 5a und b spezielle Anordnungen zur Erzeugung von Schichtbildern,

F i g. 5c eine Anordnung mit einem Kranz von Linsen,

F i g. 6 eine Anordnung, bei der die Lichtkegel mittels einer Lochblende ausgeblendet werden,

F i g. 7a und b Anordnungen, in der die Röntgenaufnahmen getrennt aufgenommen und rekonstruiert werden.

Im folgenden wird zur Erläuterung des Verfahrens von Röntgenbildern ausgegangen. Es sei aber schon hier betont, daß dieses keine Beschränkung darstellt. Entsprechende Bildet' von Partikelstrahlung (Elektronen, Protonen etc.) können ebenso wie normale optische bzw. elektronische Bilder nach diesem Verfahren verarbeitet werden. w

In der Fig. I wird eine· Röntgenstrahlenquelle auf einem Kreis 11 parallel zu einer Filmebene 14 bewegt. Aus definierten Positionen (z. B. 12, 13) werden im Objekt 10 mit Hilfe der Röntgenstrahlenbündel 12a, 13a Röntgenbilder (Schattenbilder) hergestellt, so daß ·-,■> letztlich eine Serie von Röntgenbildern unterschiedlicher Perspektive vorliegt. Die dabei verwendete Aufnahmegeometrie muß bekannt und reproduzierbar sein.

Der Vorteil der Erfindung besteht in der sehr no einfachen Herstellung von Schichtbildern, wobei die Lage des .Sehichtbildcs innerhalb des Objckies IO frei gewählt werden kann. Die F i g. 2 gibt den schematisehcn Aufbau einer optischen Vorrichtung zur Erzeugung der Schichtbildcr wieder. Eine Punktlichtquelle 1 >.·. - an sich ein Lichtfleck hinreichend kleiner Größe wird von der '.inse 2 nach Punkt 4 abgebildet. Bewegt man die Lichtquelle I auf e'nem Kreis 3 um die optische Achse der Linse 2, dann bewegt sich de? Punkt 4 (Lichtpunkt) bei geeignet gewählter Abbildungsgeometrie auf einem Kreis U', dessen Durchmesser dem des Kreises Il bei der Aufnahme aus der Fi g, I entspricht In die Ebene 14 werden jetzt nacheinander die Röntgenbilder verschiedener Perspektive gestellt, und zwar so, daß diese jeweils von einem dem umgekehrten wie bei der Aufnahme benutzten Strahlenbündel entsprechenden Lichtkegel 156, der aus einem von der Lichtquelle 1 erzeugten Lichtkegel 15a hervorgeht, durchstrahlt werden. Die Lage der jeweiligen Lichtkegel 156 zueinander entspricht dabei der gegenseitigen Lage der bei der Aufnahme der Röntgenbilder verwendeten Strahlenbündel In dem Bereich der Lichtkegel 156, der dem Bereich des Objektes 10 innerhalb der Strahlenbündel 12a, 13a (Fig. I) entspricht wird ein integrierender Detektor — z. B. ein Film 30 — gestellt und eine Teilbelichtung vorgenommen. Dann wechselt man das Röntgenbild gegen ein neues mit anderer Perspektive aus, dreht die Lichtquelle

1 in die richtige Position, so daß Punkt Λ der Position der Röntgenstrahlenquelle bei der Aufnahme dieses speziellen Röntgenbildes entspricht, und macht eine weitere Teilbelichtung. Hat man dieses für alle zur Verfügung stehenden Röntgenbilder getan und entwickelt den Film 30, dann erhält man wie in der Tomographie nur an der Stelle ein Schichtbild 10' des Objektes 10 scharf, wo sich der Film 30 befunden hat. Davor und dahinter liegende Schichten sind verwischt.

Durch Abstandsänderung des Films 30 von der Linse

2 und Wiederholung der obengenannten Prozedur erhält man eine andere Objektebene scharf.

Dieses Verfahren verdeutlicht sehr genau das Grundprinzip der Erfindung.

Die Fig.3 gibt eine mögliche Anordnung zur Erzeugung von Schichtbildern des Objektes 10 wieder. Die Anordnung entspricht der in Fig.2 gezeigten, nur daß jetzt die Lichtquelle 1 mit der Winkelgeschwindigkeit ω rotiert, die so groß gewählt werden muß, daß die einzelnen Röntgenbilder flimmerfrei zu einem Schichtbild 10' überlagert werden können. In den Versuchen hat «ich eine Frequenz von 20—25 Hz als voll ausreichend erwiesen. Mit der gleichen Frequenz ω rotiert ein Aufnahmeträger, z. B. eine Scheibe 16, auf der die /V Röntgenbilder 16' so angeordnet sind, daß bei einer Umdrehung der Scheibe 16 jedes der N Röntgenbilder einmal von dem ihm zugeordneten Lichtkegel 156durchstrahlt wird. D. h., Lichtpunkt 4 und Scheibe 16 müssen synchron zueinander umlaufen. Da hier bei einer bestimmten Position des Röntgenbildes und des Lichtkegels ein Beitrag zum Schichtbild 10' geliefert werden sull, muß die Lichtquelle 1 im Impulsbetrieb arbeiten, d. h. die Belichtung der Λ/ Röntgenbilder erfolgt stroboskopisch mit einer Frequenz N ■ ω. Beträgt N = 20 und ω = 25 Hz, dann muß also mit 500 Hz oder einem ganzen Vielfachen davon geblitzt werden. Die Impulslänge hängt ab vom geforderten Auflösungsvermögen und der mittleren Tangentialgeschwindigkeit der Röntgenbilder auf der Scheibe 16. Ein Schchthild 10' entsteht dann z. B. auf einer Mattscheibe (nicht dargestellt) hinter der Scheibe 16 in der Position, in der sich relativ zu den Röntgen.strahlenbündeln das eigentliche Objekt 10 bei der Aufnahme der Röntgenbilder befunden hat. Dabei kann die Mattscheibe bzw. Detektorflächc eben oder auch gekrümmt sein. 7.ur Selektion von einzelnen Lbenen kann auch eine Mattscheibe verwendet werden, die in ihrer I.aire innerhalb desjenigen Bereiches der

Lichtkegel 156 zu verschieben ist, der dem Bereich des Objektes 10 innerhalb der Röntgenstrahlenbündel 12,13 entspricht.

Positioniert ferner ein Beobachter seine Augen auf jeweils gegenüberliegenden Punktendes Kreises 11'.so kann er auch einen stereoskopischen Eindruck vom Objekt erhalten, da abwechselnd in jeweils ein Auge ein unterschiedliches Perspektivbild (Schattenbild) einfällt.

Störendes Streulicht, das meistens vom Aufnahmeträger der Röntgenbilder herrührt, kann durch die Anordnung entsprechend Fig. 4 beseitigt werden. Die durch die auf der Scheibe 16 befindlichen Röntgenbilder 16' hindurchtretenden Lichtkegel 156 laufen in der Ebene 17 zusammen. Auftretendes Streulicht verbreitert jedoch das Schichtbild 10' (nicht dargestellt), wodurch sich eine Kontrastverminderung und eine Verschlechterung des Auflösungsvermögens ergeben. Setzt man deshalb in die Eben? 17 eine Lochblende derart, daß nur die Lichtkegelspitzen für die diskreten rOsiiioTicii uurxiigeiassen werden, und bildet man mit einer Linse 18 die Ebene 16 nach 16" ab, dann erhält man ein kontrastverbessertes Schichtbild 10" des Objektes 10 im Überlagerungsbereich der Lichtkegel 15c.

Das Verfahren ist auch anwendbar, wenn nur winkeltreue Transformationen der gesamten Aufnahme- und Wiedergabegeometrie durchzuführen sind. Bei einer Verkleinerung der Röntgenbilder um z. B. einen Faktor 2 müssen die Abmessungen nach F i g. 2 entsprechend um einen Faktor 2 reduziert werden.

Ein Nachteil der oben beschriebenen Anordnung besteht in der notwendigen Rotation der Lichtquelle 1 (siehe Fig.3) und der Scheibe 16. Hinzu kommt die stroboskopisch^ Beleuchtung.

Die F i g. 5a und 5b geben stationäre Anordnungen zur Erzeugung von Schichtbildern wieder. In der Fig.5a sind zwei Lichtkegel Ki, K2 gezeichnet, die den Lichtkegeln 15i> in Fig.2 entsprechen. In einer Aufzeichnungsebene 19, in der eine Trennung der Lichtkegel K 1, K 2 stattgefunden hat. befindet sich z. B. eine Photoplatte, mit der die sich in der Ebene 14 befindlichen Röntgenbilder (Schattenbilder) gemeinsam als Bildring 19' (Fig.5b) verkleinert aufgezeichnet werden. Das geschieht sinnvoll mittels einer Abbildungslinse unter Einhaltung der Geometrie, wodurch eine Qualitätsverminderung der verkleinerten Röntgenbilder vermieden wird. Die F i g. 5b zeigt dann schematisch die Rückprojektion des Bildringes 19' entsprechend der Lichtkegel Ki, K 2 mit einem passenden Kranz von Punktlichtquellen 21 in der richtigen Geometrie, so daß das Schichtbild 10' per Integration auf z. B. einer Detektorfläche 20 entstehen kann. Die Ausdehnung der Punktlichtquellen 21, die auf dem Kreis ΙΓ angeordnet sind, muß dabei klein sein, will ) man eine Einbuße an Auflösungsvermögen vermeiden. Man kann natürlich auch die verkleinerten Röntgenbilder des Bildringes 19' durch einen Kranz 19" von Abbildungslinsen überlagern, wobei immer eine Linse ein verkleinertes Röntgenbild nus der Ebene des

in Bildringes 19' nach 20 projiziert. Bei hinreichend hoher

Tiefenschärfe entsteht wiederum ein Schichtbild 10' auf

der geeignet angeordneten Detektorfläche 20 (siehe Fig. 5c).

Eine weitere mögliche Anordnung ist in Fig.6

π schematisch dargestellt. Hier werden die verkleinerten Röntgenbilder des Bildringes 19' mit einem Kranz von Punktlichtquellen 2V über eine Linse 2' beleuchtet. Eine Blendenanordnung 17' unterdrückt wie bei der Anordnung aus Fig.4 eventuelles Streulicht, was eine

m Biidverbesserung bewirkt

Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber denen aus Fig.5a bis 5c besteht darin, daß die Bilder des Bildringes 19' nicht so stark verkleinert zu werden brauchen, so daß die Anforderungen an die Punktlicht-

->-> quellen 21 nicht so groß sind.

Bewegt man gemäß Fig. 7a die Röntgenstrahlenquelle Γ bei der Aufnahme der Röntgenbilder des Objektes 10 z. B. auf einem so großen Kreis 3', daß die einzeh.an Röntgenbilder in ihrer Bildebene 14 räumlich

in getrennt voneinander aufgezeichnet werden können dann erübrigt sich gleichfalls die Bewegung der Röntgenbilder und eine stroboskopisch^ Beleuchtung.

Die F i g. 7b zeigt eine mögliche Rekonstruktionsanordnung. Bei dieser Anordnung werden mit Hilfe nut einer Punktlichtquelle 34 und einer passenden Blendenanordnung 33 getrennte Lichtkegel a, b, c, c/erzeugt. Mil einem zugehörigen Satz Spiegel 31, 3Γ, 31", 3Γ" und Linsen 32, 32', 32", 32'" werden diese Lichtkegel a—c zu Lichtkegeln K. K', K", /C"'umgeformt, derart, daß die

-ίο einzelnen Röntgenbilder von jeweils einem dem umgekehrten wie bei der Aufnahme benutzten Röntgenstrahlenbündel entsprechenden Lichtkegel gleichzeitig durchstrahlt werden.

Im Überlagerungsbereich der Lichtkegel K, K', K"

«> K"' kann dann in den Bereich, der dem Bereich de« Objektes 10 innerhalb der Röntgenstrahlenbünde (Fig. 7a) entspricht, wiederum eine Detektorfläche 2t zur Darstellung von Schichtbildern 10' des Objektes IC eingeführt werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von das Innere eines dreidimensionalen Objektes darstellenden Schichtbildern, bsi dem das Objekt unter einer Vielzahl von annähernd in einer Richtung verlaufenden Strahlenbündel zur Aufnahme von zweidimensionalen Schattenbildern durchstrahlt wird, die zur Schichtbilderzeugung durchleuchtet und auf einer Mattscheibe oder lichtempfindlichen Schicht überlagert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (10) aus in einer Strahlenquellenebene liegenden Strahlenquellenpositionen (12, 13) durchstrahlt wird, daß die Schattenbilder jeweils von einem dem umgekehrten wie bei der Aufnahme benutzten Strahlenbündel entsprechenden Lichtkegel (i5b) durchstrahlt werden, daß die gegenseitige Lage der Strahlenbündel und die der Lichtkegel einander entsprechen, und daß die Mattscheibe bzw. lichtempfindliche Schicht in einem Bereich innerhalb der Lichtkfg?! angeordnet wird, der dem vom Objekt eingenommenen Bereich innerhalb der Strahlenbündel entspricht

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiedergabegeometrie gegenüber der Aufnahmegeometrie nur winkeltreu gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schattenbilder in einer zur Strahlenquellenebene parallelen Bildebene (14) w aufgezeichnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schattenbilder (16') und eine Lichtquelle (1) zur Erzeugung c;r Lichtkegel (15b) mit derselben Winkelgeschwindigkeit in parallelen « Ebenen auf kreisförmigen Bahnen umlaufen, wobei die Lichtquelle die Schattenbilder stroboskopisch beleuchtet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen der die Schattenbilder durchleuchtenden Lichtkegel {i5b) mittels einer Lochblende ausgeblendet werden, und daß die durch die Lochblende hindurchtretenden Lichtkegel mittels einer hinter ihr angeordneten Abbildungslinse (18) zur Verstellung des Objektes (10") überlagert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schattenbilder unterschiedlicher Perspektive gleichzeitig mit Hilfe getrennter Lichtkegel (K i, KT) überlagert werden ^r>o (F ig. 5a, b).

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Lichtkegel ein Kranz von Punktlichtquellen (21) verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ^ gekennzeichnet, daß bei hinreichender Tiefenschärfe die Überlagerung der Lichtkegel durch einen Kranz (19") von Abbildungslinsen hinter der Ebene des Bildringes(19')vorgenommen wird(Fig. 5c).

9. Verfahren nach Anspruch I oder einem der w folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von Streulicht und zur gleichzeitigen Überlagerung der Schaltenbilder eine Anordnung verwendet wird, bei der hinter der Ebene des Bildringes (19') eine Blendenanordniing (17') ange- <■>'< bracht Ki.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aufnahme der Schattenbilder die Strahlungsquelle (I') so bewegt wird, daß die Schattenbilder räumlich getrennt aufgezeichnet und zur Erzeugung von Schichtbildern gleichzeitig überlagert werden,

11, Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Erzeugung von Schichtbildern benötigten zweidimensionalen Schattenbilder mit optischem Licht, mit Röntgenstrahlung oder mit Pariikelstrahlung hergestellt werden.