DE2104229C3

DE2104229C3 - Verfahren zur Herstellung von Schichtbildern eines dreidimensionalen Objekts

Info

Publication number: DE2104229C3
Application number: DE2104229A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. 2000 Norderstedt Kock
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: 1981-06-11
Also published as: FR2123470B1; GB1381044A; JPS5418572B1; SE377972B; DE2104229A1; DE2104229B2; FR2123470A1; US3873834A; IT951106B

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 Jn 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 99 146 ein 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, \. 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 Objektstrukturen mittels einer gekoppelten Bewegung zwischen der Strahlenquelle und der strahlungscmpfindlichen Schicht verwischt werden, wobei das Objekt unbewegt bleibt. Mit Hilfe dieses Verfahrens läßt sich aber pro Aufnahmevorgang 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 erfindungsgemäO dadurch gelöst, daß das Objekt aus in einer Strahlenquellenebene liegenden Strahlenquellenpositionen durchstrahlt wird, daß die Schattenbilder jeweils von einem dem umgekehrten wie bei der Aufnahme benutzten Strahlenbündel 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 Überlagerung 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 beschrieben. Dazu zeigt schematisch

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

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung von Schichtbildern (Tomographie),

Fig.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,

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,

Fig.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 Bilder von Partikelstrahlung (Elektronen, Protonen etc.) können ebenso wie normale optische bzw. elektronische Bilder nach diesem Verfahren verarbeitet werden.

In der Fig. I wird eine Röntgenstrahlenquelle auf einem Kreis Il parallel zu einer Filmebene 14 bewegt. Aus definierten Positionen (z. B. 12, 13) werden im Objekt 10 mit Hilfe der Röntgenstrahlenbündel 12a, 13a Rönigenbilder (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 einfachen Herstellung von Schichtbildern, wobei die Lage des Schichtbildes innerhalb des Objektes 10 frei gewählt werden kann. Die Fig. 2 gibt den schematischen Aufbau einer optischen Vorrichtung zur Erzeugung der .Schichtbilder wieder. Eine Punktlichtquelle 1 — an sich ein Lichtfleck hinreichend kleiner Größe — wird von der Linse 2 nzch Punkt 4 abgebildet. Bewegt man die Lichtquelle 1 auf einem Kreis 3 um die optische

Achse der Linse 2, dann bewegt sich der Punkt 4 (Lichtpunkt) bei geeignet gewählter Abbildungsgeometrie auf einem Kreis 1Γ, dessen Durchmesser dem des Kreises 11 bei der Aufnahme aus der F i 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 15b, der aus einem von der Lichtquelle I erzeugten Lichtkegel 15a hervorgeht, durchstrahlt werden. Die Lage der jeweiligen Lichtkegel 15b zueinander entspricht dabei der gegenseitigen Lage der bei der Aufnahme der Röntgenbilder verwendeten Strahlenbündel. In dem Bereich der Lichtkegel 15b, 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 i der Position der Röntgenstrahlenquelle bei der Aufnahme cieses speziellen Röntgenbildes entspricht, und macht eine v/eitere Teilbelichtung. Hai 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 3(f 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 Schichtbilaern des Objektes 10 wieder. Die Anordnung entspricht der in F i g. 2 gezeigten, nur daß jetzt die Lichtquelle 1 mit der Winkelgeschwindigkeit ω rotiert, die so groß gewählt werden muß, dbfl die einzelnen Röntgenbilder flimmerfrei zu einem Schichtbild 10' überlagert werden können. In den Versuchen hat sich 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 N Röntgenbilder 16' so angeordnet sind, daß bei einer Umdrehung der Scheibe 16 jedes der N Röntgenbilder einmal von dem ihm zugeordneten Lichtkegel 15b durchstrahlt 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 soll, muß die Lichtquelle 1 im Impulsbetrieb arbeiten, d. h. die Belichtung der N Rfntgv'nbilder 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 Schichtbild 10' entsteht dann z. B. auf einer Mattscheibe (nicht dargestellt) hinter der Scheibe 16 in der Position, in der sich relativ zu den Röntgenstrahlenbündeln das eigentliche Objekt 10 bei der Aufnahme der Röntgenbilder befunden hat. Dabei kann die Mattscheibe bzw. Detektorfläche eben oder auch gekrümmt sein. Zur Selektion von einzelnen Ebenen kann auch eine Mattscheibe verwendet werden, die in ihrer Laee innerhalb desjenigen Bereiches der

Lichtkegel 15f> zu verschieben ist, der dem Bereich des Objektes 10 innerhalb der Röntgenstrnhlrnbündel 12,13 entspricht.

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

Störendes Streulicht, das meistens vom Aufnahmeträger der Röntgenbilder herrührt, kann durch die t< Anordnung entsprechend Fig.4 beseitigt werden. Die durch clic auf der Scheibe 16 befindlichen Röntgenbilder 16 hindurchtretenden Lichtkegel 15/) laufen in der Fbene 17 zusammen. Auftretendes Streulicht verbrci icri jedoch das Schichtbild 10' (nicht dargestellt), wodurch sich eine Kontrastvcrniinderiing und eine ViTsi hlechtcning des Auflösungsvermögens ergehen Setzt man deshalb in die F.benc 17 eine Lochblende derail, il.il.t nur die I.ichtkegelspitz.cn fur die diskreten Positionen durchgelassen werden, und bildet man mit einer Linse 18 die Fbene 16 nach 16" ah. dann erhalt man ein kontrastverbessertes .Schichtbild 10" des Obiektes IO im I Iberlagerungsbcreich der Lichtkegel lic

D.ix Verf.ihren ist auch anwendbar, wenn nur winkeltreue 'Iransformalionen der gesamten Aufnahmeund Wiedergabcgeomelrie durchzuführen sind. Bei I¹NHT Verkleinerung dor Röntgenbilder um z. B. einen I akior 2 müssen die Abmessungen nach I■'i g. 2 entsprci hend um einen Faktor 2 reduziert werden.

I.in \achicil der oben beschriebenen Anordnung besteht in der notwendigen Rotation der Lichtquelle I («.lern· f'ig. i) und der Scheibe 16. Hinzu kommt die μ-ob« is ki ι pi si he Beleuchtung.

Die I ig ").i unit 5b geben stationäre Anordnungen /·,;- l.rzeugung um Schichibildcrn wieder. In der I 'g i,i sind zwei Lichtkegel K \. K 2 gezeichnet, die den l.iihtkegeln 15h in Ii g. 2 entsprechen In einer •\u⁽Z'.'i(.hnungsebene 19. in der eine Trennung tier i :■■ h'kegel K ]. K 2 stattgefunden hat. befindet sich /. B. i"-e l'h.iiopl.itte. mit der die sich in der I.bene 14 he'.nili.ihen Röntgenbilder (Schattenbilder) iremi in sam

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werden I),is geschieht sinnvoll mittels einer Ahhildi-t-siipse iin'er Linhaltung der fieomctrie. wodurch ^: ι ■ U"'il:M's\erminderung der verkleinerten Röntgen t" '.!er '. err'i.ieden wird. Die I ι g. 5h zeigt dann ^"crj'^:vh i]:e Ruikproicktion des Biidringes 19 entsprechend der l.iihtkegcl K \. K 2 mit einem p.iss-.-der. kr.inz von Punktlicht(ii!ellen 21 in der richtigen Geometrie, so dall das .Schichtbild 10' per Integration auf z. B. einer Delcklorflächc 20 entstehen kann. Die Ausdehnung der Punktlichlqucllcn 21. die auf dem Kreis 1 Γ angeordnet sind, muß dabei klein sein, will man eine Finbußc an Auflösungsvermögen vermeiden. Man kann natürlich auch die verkleinerten Röntgcnbilder des Bildringes 19' durch einen Kranz 19" von Abbildungslinsen überlagern, wobei immer eine Linse ein verkleinertes Röntgenbild aus der Lbene des Büdringes 19' nach 20 projiziert. Bei hinreichend hoher Tiefenschärfe entsteht wiederum ein .Schichtbild 10' auf der geeignet angeordneten Deleklorflachc 20 (siehe I ig -,c).

line weitere mögliche Anordnung ist im I ι g. h schematisch dargestellt. Hier werden die ·. crkleinerten Röntgenbilder des Büdringes 19' mit einem Kranz von l'unktlichtquellen 21' über eine Linse 2 beleuchtet Line Ulendenanordnung 17 unterdrückt wie bei der Aiioul nung aus Fig. 4 eventuelles Streulicht, was eine Bildverbesserung bewirkt.

Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber denen aus I·'i g. 5a bis 5c besteht darin, daß die Milder des Büdringes 19' nicht so stark verkleinert /ii werden brauchen, so daß die Anforderungen an die Pünktlich! quellcn 21 nicht so groß sind.

Bewegt man gemäß Fig. 7a die Röntgenstrahlen quelle Γ bei der Aufnahme der Rönlgenbüder des Objektes 10 ζ B auf einem so großen Kreis 5 . daß die einzelnen Röntgenbilder in ihrer Bildebene 14 räumlich gelrennt voneinander aufgezeichnet werden können dann erübrigt sich gleichfalls die Bew.-gung der Röntgenbilder und eine stroboskopisch^· Beleuchtung.

Die F- ig. 7b zeigt eine mögliche Rekonstruktions.in Ordnung. Bei dieser Anordnung werden mn Hilfe nur einer Punktlichtquc'le 54 und einer passenden HKndenanordnung 33 getrennte Lichtkegel .(. h. e. «/erzeug! Mit einem zugehörigen Salz Spiegel Jl, 51 , 51 . JF und Linsen 32, 32, 32", 32 werden diese l.nhikcgel ./· </ zu Lichtkegeln K. K . K . l\ umgeformt. de'-.'Π. daß -he einzelnen Röntgcnhilder von leweils einem dem umgekehrten wie bei der Aufnahme benutzten Hont genstrahlenbunilel entsprechenden Lichtkegel glccb

Im Uberlagerungsbereich der l.ichtkcge¹ K. K . A, . K' kann dann in den Bereich, der deiv Bet eich ties Obi-jktes 10 innerhalb der Ronlgenstr.dilenbundel (I ig 7a) entspricht, wiederum eine Detek'orflaihc 20 zur Darstellung um St hiehtbiidern 10 des . il-jektes 10 eingeführt werden

Hierzu 5 Matt Zcichnuneen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Herstellung von das Innere eines dreidimensionalen Objektes darstellenden Sehiehtbildern, 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, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (10) aus in einer Strahlenquellenebene liegenden Strahlenquellenpositionen (12, 13) durchstrahlt wird, daß die Sdhattenbilder jeweils von einem dem umgekehrten wie bei der Aufnahme benutzten Strahlenbündel entsprechenden Lichtkegel (\5b) durchstrahlt v/erden, daß die gegenseitige Lage der Strahlenbündel und die der Lichtkegel einander entsprechen, und daß die Mattscheibe bzw. Iichtempfind&he Schicht in einem Bereich innerhalb der Lichtkegel 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) aufgezeichnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schattenbi-.der (16') und eine Lichtquelle (1) zur Erzeugung der Lichtkegel (t5b) mit derselben Winkelgeschwind jkeit 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 hindurchtiretenden Lichtkegel mittels einer hinter ihr angeordneten Abbildungslinse (18) zur Verstellung des Objektes (10") überlagert werden.

6. Verfahren nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß all« Schattenbilder unterschiedlicher Perspektive gleichzeitig mit Hilfe getrennter Lichtkegel (Ki, KT) überlagert werden (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 Tiefenschär' fe die Überlagerung der Lichtkegel durch einen Kranz (19") von Abbildunjjslinsen hinter der Ebene des Bildringes (19') vorgenommen wird (P i g. 5c).

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von Streulicht und zur gleichzeitigen Überlagerung der Schattenbilder eine Anordnung verwendet wird, bei der hinler der Ebene des Bildringes (19') eine Blendenanordnung (17') angebracht ist.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei

ι -,

der Aufnahme der Schattenbilder die Strahlungsquelle (V) 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 Partikelstrahlung hergestellt werden.