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Dokumentenidentifikation DE69534048T2 13.04.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000886281
Titel Bilderzeugungsverfahren und -vorrichtungen
Anmelder The Institute of Physical & Chemical Research, Wako, Saitama, JP
Erfinder Oda, Minoru, Musashino-Shi, Tokyo 180, JP;
Makishima, Kazuo, Saitama 359, JP;
Ogawara, Yoshiaki, Koganei-Shi, Tokyo 184, JP;
Matsuoka, Masaru, Higashimatsuyama-Shi, Saitama 355, JP;
Miyamoto, Sigenori, Takarazuka-Shi, Hyogo, 655, JP
Vertreter Gleiss Große Schrell & Partner Patentanwälte Rechtsanwälte, 70469 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 69534048
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 23.08.1995
EP-Aktenzeichen 981118672
EP-Offenlegungsdatum 23.12.1998
EP date of grant 02.03.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse G21K 1/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bilderzeugungsverfahren und eine Bilderzeugungsvorrichtung, die kein Bildformungssystem verwenden.

Bei der Bildformung mit Lichtstrahlen, etwa Infrarotstrahlen, sichtbaren Strahlen und Ultraviolettstrahlen, wird ein optisches Bildformungssystem eingesetzt. Des Weiteren kann in Bezug auf einen weichen Röntgenstrahl mit einer Energie von 3 keV oder darunter ein katoptrisches Bildformungssystem konstruiert werden, das solche Eigenschaften ausnützt, wie etwa die, dass der Strahl vollständig reflektiert wird, wenn man ihn in schrägem Winkel auf eine polierte Metalloberfläche auftreffen lässt. Dementsprechend ist es möglich, ein Bild durch Verwendung eines katoptrischen Bildformungssystems herzustellen.

Das oben erwähnte katoptrische Bildformungssystem für einen weichen Röntgenstrahl unterliegt jedoch vielen Einschränkungen, da es den geneigten Einfall in einem extrem flachen Winkel ausnützt. Des Weiteren ist es in Bezug auf einen harten Röntgenstrahl oder Gammastrahl mit höherer Energie kaum möglich, ein effektives Bildformungssystem zu konstruieren. Dementsprechend kann man nicht erwarten, ein Bild mittels eines Bildformungsystems herzustellen.

Als Verfahren zur Herstellung eines Bildes in Bezug auf einen Energiestrahl, für den kein optisches Bildformungssystem konstruiert werden kann, kann eines erwähnt werden, das die Beobachtung eines Objekts durch ein Bündel von länglichen Metallrohren umfasst. Das heißt, eine Anzahl von länglichen Metallrohren 11 wird zu einem Bündel gebunden, und ein Detektor 12 ist an dem hinteren Ende eines jeden der Rohre angeordnet, wie in 9 dargestellt. Das Ausgangssignal eines jeden der Detektoren 12 wird durch ein Signalverarbeitungsmittel 13 zu Pixeldaten verarbeitet und durch ein Anzeigemittel 14 wie etwa CRT angezeigt, und in der Folge wird ein Bild 15 einer Strahlungsquelle 10 angezeigt.

Jedoch kann in dem Verfahren mit der Verwendung eines Bündels von länglichen Metallrohren die Auflösung nicht besonders erhöht werden, da die Möglichkeit, den Innendurchmesser des Metallrohrs zu verringern, eingeschränkt ist. Wenn der Innendurchmesser des Metallrohres verringert wird, wird des Weiteren auch die Strahlungsmenge, die den Detektor erreicht, verringert, was zu geringerer Empfindlichkeit führt. Darüber hinaus kann die Struktur des Objekts in der Tiefenrichtung nicht aufgelöst werden, so dass ein in der Tiefenrichtung überlagertes Strukturbild des Objekts beobachtet wird. Dementsprechend ist das Verfahren nicht für die Beobachtung einer Strahlungsquelle mit einer dreidimensionalen Struktur geeignet.

Die US-H-8,031,410 offenbart ein Fourier-Transform-Mikroskop für die Röntgenstrahl- und/oder Gammastrahl-Bilderzeugung unter Verwendung von in einem Abstand angeordneten Rastern und eines stellungssensitiven Detektors, um ein Moiré- oder Streifenmuster zu detektieren, das von dem Rastersystem erzeugt wurde.

"The Hard X-ray telescope (HXT) for the Solar-A Mission [Das Hart-Röntgenstrahl-Teleskop (HXT) für die Solar-A-Mission]" (Solar Physics 136: 17– 36, 1991) offenbart ein Röntgenstrahlteleskop mit Gruppen von Rastern, die ein Rasterpaar mit einer relativen Phasenverschiebung von &pgr;/4 umfassen.

"Imaging of gamma rays with the WINKLER High-Resolution Germanium Spectrometer [Bilderzeugung aus Gammastrahlen mit dem hochauflösenden Germanium-Spektrometer WINKLER]" (IEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 37. No. 3, Juni 1990), offenbart ein Gammastrahl-Spektrometer für astrophysikalische Beobachtungen unter Verwendung von Rasterfeldern, die Rasterpaare aufweisen, welche verschiedene Phasendifferenzen aufweisen und gedreht werden.

"A Fourier transform telescope for sub-arcsecond imaging of X-rays and gamma rays [Fourier-Transform-Mikroskop für die Bildgebung von Röntgen- und Gammastrahlen im Bereich von Sub-Bogensekunden]" (SPIE Vol. 571 Large Optics Technology 1985) offenbart ein Fourier-Transform-Teleskop für die Beobachtung von Sonneneruptionen, das Raster unterschiedlicher Winkel umfasst.

Der Artikel von K. S. Wood et al. mit dem Titel "A Fourier Transform Microscope for X-Ray Imaging [Fourier-Transform-Mikroskop für die Bildgebung mit Röntgenstrahlen]" (Rev. Sci. Instrum. 63(10), Oktober 1992), auf welchem die Präambeln der Ansprüche 1 und 6 basieren, offenbart ein Röntgenstrahl-Fourier-Transform-Mikroskop für den Energiebereich von 3 bis 7 keV, welches feine geätzte Raster verwendet, um die Fourier-Amplituden für die Helligkeitsverteilung der Quelle bei ausgewählten räumlichen Frequenzen zu extrahieren.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bilderzeugungsverfahren und eine Bilderzeugungsvorrichtung bereitzustellen, die kein Bildformungssystem verwenden. Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Mittel bereitzustellen, das in der Lage ist, eine räumliche Verteilung einer Energiestrahlquelle, wie etwa einer Röntgenstrahlquelle oder einer Gammastrahlquelle, die eine räumliche Struktur aufweist, mit hoher Auflösungsleistung zu detektieren und ein Bild der Energiestrahlquelle anzuzeigen.

Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung wird ein Bilderzeugungsverfahren geschaffen, umfassend:

Bereitstellen eines Rastersystems mit einem Objektrasterfeld und einem in einer vorbestimmten Entfernung von dem Objektrasterfeld angeordneten Detektorrasterfeld,

Anordnen eines zu beobachtenden Objekts in der Umgebung des Brennpunktes des Rastersystems;

dass der Brennpunkt derjenige Punkt ist, an welchem Linien, die entsprechende Raster in dem Detektorrasterfeld und dem Objektrasterfeld verbinden, zusammenlaufen;

individuelles Detektieren von jeweils von dem Objekt ausgesandten und durch zwei entsprechende Raster in dem Rastersystem übertragenen Energiestrahlen; und

Unterwerfen der detektierten Signale einem Rechenverfahren, das eine inverse Fouriertransformation oder ein nichtlineares Optimierungsverfahren zur Erstellung eines Bildes des Objektes verwendet; dadurch gekennzeichnet,

dass das Objektrasterfeld eine Vielzahl koplanar angeordneter Rasterpaare mit voneinander unterschiedlichen Abständen aufweist;

dass das Detektorrasterfeld einen dem Objektrasterfeld ähnlichen, jedoch vergrößerten Aufbau aufweist,

dass der Schritt des Detektieren ausgeführt wird, während das Objekt und das Rastersystem um die Zentralachse des Rastersystems relativ gedreht wird, wobei die Zentralachse die Achse ist, welche durch den Brennpunkt verläuft und im rechten Winkel zu der Ebene der Rasterfelder steht, und der Rasterabstand pk des k-ten Objektrasters in dem Objektrasterfeld wie durch die folgende Formel definiert gegeben ist: pk = &Dgr;/k k = 1, 2, ..., N worin &Dgr; der Anfangsabstand ist, der in etwa auf die Größenordnung des zu beobachtenden Objektes eingestellt ist, und N die Anzahl der Raster ist.

Es ist möglich, zeitliche Änderungen des Objekts in Echtzeit zu beobachten, indem die Detektion bei vorbestimmten Zeitintervallen durchgeführt wird, um Signale zu erhalten, und der Reihe nach Bilder angezeigt werden, von welchen jedes aus den detektierten Signalen bei jeder Signalerfassung erstellt wird.

Wenn die relative Position zwischen dem Brennpunkt des Rastersystems und dem Objekt verändert wird, um eine Vielzahl von Bildern zu schaffen, ist es möglich, darauf basierend ein dreidimensionales Bild des Objektes zu erstellen.

Die Bilderzeugungsverfahren sind auf jede Art von Energiestrahlen anwendbar und insbesondere geeignet für einen Röntgenstrahl oder Gammastrahl, für welchen es kein anderes effektives Bilderzeugungsverfahren gibt.

Nach einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird ein Bilderzeugungsverfahren geschaffen, umfassend:

ein Rastersystem, das ein Objektrasterfeld und ein in einer vorbestimmten Entfernung von dem Objektrasterfeld angeordnetes Detektorrasterfeld aufweist;

ein Detektorfeld, das eine Vielzahl von Detektoren aufweist, von denen jeder durch zwei entsprechende Raster des Rastersystems übertragene Energiestrahlen detektiert;

ein Platzierungsmittel, auf welchem ein Objekt zu platzieren ist;

ein Signalverarbeitungsmittel, in das detektierte Signale aus dem Detektorfeld eingegeben werden, und

ein Bilddarstellungsmittel zur Darstellung eines Bildes des Objektes, wobei das Bild auf den Signalen aus dem Signalverarbeitungsmittel basiert;

wobei das Signalverarbeitungsmittel jeden Satz der detektierten Signale, die von dem Detektorfeld erhalten werden, unter einer Vielzahl von Drehwinkeln einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation oder einem nichtlinearen Optimierungsverfahren, wie etwa einem Verfahren maximaler Entropie, unterwirft; gekennzeichnet durch:

ein Mittel zum relativen Drehen des Rastersystems und des Platzierungsmittels um die Achse, die durch den Brennpunkt, an dem Linien konvergieren, welche entsprechende Raster in dem Detektorrasterfeld und dem Objektrasterfeld verbinden, verläuft und die Ebene des Rasterfelds im rechten Winkel schneidet; und dadurch dass:

das Objektrasterfeld eine Vielzahl koplanar angeordneter Rasterpaare mit voneinander unterschiedlichen Abständen aufweist;

das Detektorrasterfeld einen dem Objektrasterfeld ähnelnden, jedoch vergrößerten Aufbau aufweist; und

der Rasterabstand pk des k-ten Objektrasters in dem Objektrasterfeld wie durch die folgende Formel definiert gegeben ist: pk = &Dgr;/k k = 1, 2, ..., N worin &Dgr; der Anfangsabstand ist, der in etwa auf die Größenordnung des zu beobachtenden Objektes eingestellt ist, und N die Anzahl der Raster ist.

Das Signalverarbeitungsmittel unterwirft jeden Satz von den detektierten Signalen, der von dem Detektorfeld erhalten wird, unter einer Vielzahl von Drehwinkeln einem Verfahren wie einer zweidimensionalen inversen Fourier-Transformation oder einem nichtlinearen Optimierungsverfahren, repräsentiert durch ein Verfahren maximaler Entropie, um ein Bild des Objekts zu erstellen.

Das Rastersystem umfasst das Objektrasterfeld und das Detektorrasterfeld mit einem in ähnlicher Weise vergrößerten Aufbau desselben und hat somit seinen Brennpunkt an demjenigen Punkt, an welchem Linien, die entsprechende Raster in dem Detektorrasterfeld und dem Objektrasterfeld verbinden, zusammenlaufen. Wenn dementsprechend der Vergrößerungsfaktor einer geometrisch ähnlichen Vergrößerung in dem Rastersystem durch m, die Anzahl der Raster mit N, und der Abstand von dem Objektrasterfeld zu dem Brennpunkt mit a bezeichnet wird, weist das Rastersystem eine Brennweite auf, die näherungsweise durch die folgende Formel dargestellt wird: ma/3(m – 1)N.

Daher ist es möglich, ein klares Bild einer räumlichen Struktur eines Objekts in dem Dickenbereich von ungefähr der oben erwähnten Brennweite um den Brennpunkt des Rastersystems herum zu erstellen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen und die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 eine illustrative Ansicht der ersten Ausführungsform der Bilderzeugungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

2a eine schematische Ansicht eines Objektrasterfelds, und 2B eine schematische Ansicht eines Detektorrasterfelds der ersten Ausführungsform ist.

3a eine schematische Ansicht eines Objektrasters, und 3B eine schematische Ansicht eines Detektorrasters ist.

4 eine Ansicht der Anordnung des Objektrasterfelds und des Detektorrasterfelds ist.

5 ein Blockdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung ist.

6 eine erläuternde Ansicht der Winkelantworteigenschaften einer individuellen Detektoreinheit ist.

7a eine erläuternde Ansicht eines Koordinatensystems, und 7B ein Signalmuster ist, das von der individuellen Detektionseinheit detektiert wurde.

8 eine illustrative Ansicht eines Beispiels für eine dreidimensionale Anzeige ist.

9 eine illustrative Ansicht eines Bildbetrachtungsverfahrens unter Verwendung eines Bündels von Metallrohren ist.

Die vorliegende Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben, welche ein Bild eines Röntgenstrahl aussendenden Objekts erzeugen und das Bild anzeigen. Es wird jedoch angemerkt, dass diese Bezugnahme nur zur besseren Erklärung erfolgt und dass keinesfalls beabsichtigt ist, die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Energiestrahlen auf Röntgenstrahlen zu beschränken.

(Erste Ausführungsform)

1 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur eines Systems nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Ein zu beobachtendes Objekt 20, welches ein Röntgenstrahlen emittierendes Objekt ist, wird auf einen Drehtisch 21 platziert und durch diesen mit einer konstanten Geschwindigkeit gedreht. Das zu beobachtende Objekt kann zum Beispiel ein Objekt sein, das fluoreszierende Röntgenstrahlen emittiert, da es mit einem Röntgenstrahl bestrahlt worden ist.

Eine Bilderzeugungsvorrichtung umfasst ein Rastersystem 25, das ein Objektrasterfeld 22 und ein Detektorrasterfeld 23, die in einer vorbestimmten Entfernung zueinander angeordnet sind, ein Röntgenstrahl-Detektorfeld 24, das hinter dem Detektorrasterfeld 23 angeordnet ist, ein Signalverarbeitungssystem 28 für die Verarbeitung von Signalen aus dem Röntgenstrahl-Detektorfeld 24 zur Erstellung eines Bildes, sowie eine Anzeige 29 aufweist.

Das Objektrasterfeld 22 des Rastersystems 25 umfasst, wie in 2a dargestellt, N (in der illustrierten Ausführungsform 5 × 5 = 25) Objektraster 22a, 22b, 22c, ... in Feldanordnung. Wie in 2B dargestellt, umfasst das Detektorrasterfeld 23N (in dieser Ausführungsform 5 × 5 = 25) Detektorraster 23a, 23b, 23c, ... in Feldanordnung, in Entsprechung zu den jeweiligen Rastern des Objektrasterfelds 22. Das Röntgenstrahl-Detektorfeld 24 umfasst N (in der illustrierten Ausführungsform 5 × 5 = 25) Röntgenstrahl-Detektoren 24a, 24b, 24c, ..., die Röntgenstrahlen detektieren, welche jeweils das Detektorraster 23a, 23b, 23c, ... passiert haben. Die Raster sind in einer solchen Weise angeordnet, dass sie alle dieselben Schlitzrichtungen aufweisen.

Die Rasterfelder 22, 23 werden vorbereitet, indem in einem für Röntgenstrahlen opaken Metallmaterial, zum Beispiel einer Wolfram-Platte mit 0,5 mm Dicke, durch ein Fotoätzverfahren oder dergleichen feine Schlitze gebildet werden. Das Metallmaterial muss eine größere Dicke aufweisen, wenn das Energieniveau eines zu beobachtenden Röntgenstrahl höher ist.

Die N Objektraster 22a, 22b, 22c, ... haben unterschiedliche Rasterabstände. Wird der Rasterabstand des k-ten Objektrasters durch pk dargestellt, so wird pk zum Beispiel wie durch die folgende Formel definiert (1) festgelegt, worin &Dgr; eine Größe ist, die als Anfangsabstand bezeichnet wird und auf ungefähr dieselbe Größe wie das zu beobachtende Objekt eingestellt wird. pk = &Dgr;/k k = 1, 2, ..., N(1)

Durch Einstellen der Rasterabstände wie oben beschrieben kann das zu beobachtende Objekt in ungefähr N × N Pixel unterteilt werden.

Die Detektorraster 23a, 23b, 23c, ... weisen gegenüber den entsprechenden Objektrastern 22a, 22b, 22c, ... einen ähnlich vergrößerten Aufbau auf. Wie in 3 dargestellt, wird jedes der Raster der Felder in einem quadratischen Bereich gebildet und so festgelegt, dass, wenn das Objektraster 22a eine Schlitzbreite von d und einen Rasterabstand von p aufweist und das entsprechende Detektorraster 23a eine Schlitzbreite von d' und einen Abstand von p' aufweist, die Beziehung d/p = d'/p' erfüllt ist. Es wird bevorzugt, dass d = p/2, d' = p'/2. Der Vergrößerungsfaktor der geometrisch ähnlichen Vergrößerung der zwei Arten von Raster, m = p'/p, wird in der Praxis mit etwa 3 bis 10 vorgegeben, wobei die erforderliche Auflösung und Brennweite, die herstellbare Feinheit der Raster, die Größe eines Röntgenstrahl-Detektors, der eingesetzt werden kann, und ähnliche Faktoren berücksichtigt werden. Jedoch ist die Vergrößerung nicht zwingend auf den Bereich von 3 bis 10 eingeschränkt.

Wenn der Abstand zwischen dem Objektrasterfeld 22 und dem Detektorrasterfeld 23, die in einem Abstand angeordnet sind, b beträgt, laufen, wie in 4 dargestellt ist, Linien, die entsprechende Schlitze in den Rastern verbinden, in dem Punkt F zusammen, der frontal im Abstand a = b/(m – 1) von dem Objektrasterfeld 22 und auf der Linie, welche die Mittelpunkte der zwei Raster 22a und 23a verbindet, liegt. Der Punkt F wird als der Brennpunkt des Rastersystems 25 bezeichnet. Das Objektraster 22a und das Detektorraster 23a, die ein Paar bilden, sowie der an deren Rückseite angeordnete Detektor 24a bilden eine individuelle Detektionseinheit. Wenn eine punktförmige Röntgenstrahlquelle 31 in der Brennpunktsebene in einer Position vom Fuß der Zentralachse mit einem Abstand von x in der Richtung senkrecht auf die Schlitze entfernt liegt, zeigt die Zählung Cj der individuellen Detektionseinheit eine periodische Antwort, wie in 6 dargestellt. Eine individuelle Detektionseinheit mit einem kleineren Rasterabstand pj zeigt eine kürzere Periode der Antwort auf den Abstand x. Im Besonderen wird die Antwortperiode durch die folgende Formel (2) dargestellt. qj = {m/(m – 1)}xpj(2)

Die Auflösung &dgr; wird in Näherung durch die folgende Formel (3) dargestellt, wobei pN der minimale Abstand des Objektrasters und m der Vergrößerungsfaktor des geometrisch ähnlich vergrößerten Rastersystems ist. &dgr; = (pN/2) × (m/m – 1) = (&Dgr;/2N) × (m/m – 1)(3)

Wenn zum Beispiel der minimale Abstand etwa 0,1 mm beträgt, ist es möglich, eine Auflösung von ungefähr 0,05 mm zu erzielen. In diesem Zusammenhang wird der Faktor (m/m – 1) in der Formel bezüglich der Auflösung in unvorteilhafter Weise groß, wenn der Vergrößerungsfaktor der geometrisch ähnlichen Vergrößerung des Rastersystem m übermäßig klein (zum Beispiel, m < 3) ist.

Die Brennweite des Bilderzeugungssystems wird in Näherung durch die Formel (4) dargestellt, wobei m der Vergrößerungsfaktor der geometrisch ähnlichen Vergrößerung des Rastersystems, N die Anzahl der Raster, und a der Abstand von dem Rasterfeld 22 zu dem Brennpunkt F sind. ma/3(m – 1)N(4)

Dementsprechend ist die Brennweite zum Beispiel 0,5 mm, wenn a = 3 cm, m = 5, und N = 25 sind.

In 5 wird ein Blockdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung 28 gezeigt. Zum Beispiel werden Detektionssignale von dem Röntgenstrahldetektor 24a, welcher einen Szintillationskristall 51 aus Nal(T1) und ein Fotoelektronen-Vervielfacher-Rohr 52 umfasst, von einem Operationsverstärker 61 verstärkt. Die verstärkten Signale werden bei jedem Ereignis mittels eines A/D-Wandlers 63 in digitale Daten umgewandelt, und die digitalen Werte werden in Übereinstimmung mit einer bestimmten Beziehung zwischen ihnen in den Energiewert des einfallenden Röntgenstrahls umgewandelt. Nachdem nur Röntgenstrahl-Ereignisse in einem bestimmten Energiebereich ausgewählt werden, wird die Anzahl der Ereignisse zum Beispiel durch Akkumulieren der Ereignisse bei jeder Drehung des Drehtisches 21 um 10° gezählt. Der A/D-Wandler 63 wird durch Gatesignale 62 gesteuert, die synchron mit den Umdrehungen des Drehtisches 21 erzeugt werden.

Nur diejenigen Signale von dem Detektor, deren Röntgenstrahl-Energie innerhalb eines spezifischen Bereichs liegt, werden gezählt, um die Zählung Cj(&thgr;i) des j-ten Detektors zu bestimmen, wobei &thgr;i ein Drehwinkel des Drehtischs ist. Somit wird eine zweidimensionale Menge (5) der detektierten Werte erhalten. {C1(&thgr;1), C1(&thgr;2), C1(&thgr;3), ...,

C2(&thgr;1), C2(&thgr;2), C2(&thgr;3), ...,

...

CN(&thgr;1), CN(&thgr;2), CN(&thgr;3), ...}(5)

Die Zentralachse des Rastersystems 25, d. h. die Achse, die durch den Brennpunkt F des Rastersystems 25 und senkrecht zu der Ebene des Objektrasterfelds läuft, wird mit der Drehachse des Drehtisches 21 ausgerichtet. Es wird nun angenommen, dass eine Röntgenstrahl-Punktquelle mit einer Intensität I an der Brennpunktsebene in einem Abstand von r zu der Drehachse und in einem Azimutwinkel von &#981; relative zu der Drehachse angeordnet wird (7a). Wenn der Drehtisch 21 um &thgr; gedreht wird, ist dann der Azimutwinkel der Röntgenstrahlquelle (&thgr; + &#981;). Daher wird der Abstand x gemessen in der Richtung senkrecht auf die Schlitze ausgedrückt als: x = rcos(&thgr; + &#981;).

Dies wird auf 6 angewandt, um das dreieckige Muster in 6 näherungsweise als eine Sinuswelle darzustellen. Dann wird die Zählung der j-ten individuellen Detektoreinheit dargestellt durch: Cj(&thgr;) = (I/2){1 + cos[2&pgr;(x/qj – &egr;j)]}

= (I/2){1 + cos[2&pgr;(rcos(&thgr; + &#981;)/qj – &egr;j)]}(6)
worin &egr;j (0 < &egr;j < 1) ein Abstand (gemessen in qj als Einheit) zwischen der Richtung der maximalen Übertragung und der Zentralachse des Rasters ist, der in 6 definiert wurde und als Rasteroffset bezeichnet wird. Wenn &egr;j = 0, wird das Raster als Cosinus-Typ bezeichnet, und wenn &egr;j = 1/4, als Sinus-Typ. Im Hinblick auf den Drehtisch, ist &egr;j = 1/8 optimal. Dabei ist Cj(&thgr;), dargestellt durch die obige Formel (6), nichts anderes als die Fourierkomponente des Azimutwinkels &thgr; betreffend die räumliche Röntgenstrahlverteilung und der Wellenzahl 2&pgr;/qj. 7B zeigt die Signalantwort einer individuellen Rastereinheit, während sich eine Punktquelle I in dem in 7a angezeigten Ansichtsbereich bewegt.

Im Allgemeinen stellt Cj(&thgr;) auch dann die räumliche Fourierkomponente der Röntgenstrahlquelle dar, wenn eine Röntgenstrahlquelle eine erweiterte komplexe räumliche Verteilung aufweist, da die Fouriertransformation linear ist. Dementsprechend ist es möglich, ein zweidimensionales Bild der Röntgenstrahlquellen-Struktur eines zu beobachtenden Objekts zu erstellen, indem die zweidimensionale Menge von Zählungen von {Cj(&thgr;i)} einer inversen Fouriertransformation unterworfen wird.

Es ist anzumerken, dass die zweidimensionale Menge von Zählungen {Cj(&thgr;i)} nicht notwendigerweise Bildinformationen mit Zuverlässigkeit beinhaltet. Wenn zum Beispiel die Beobachtungszeit kurz ist, wird die Zählung {Cj(&thgr;i)} unausweichlich von einem Poisson-Fehler +/–[Cj(&thgr;i)]1/2 begleitet, der Störungen verursacht. Des Weiteren sind nicht unbedingt für alle {i, j} Beobachtungsdaten zu erhalten. In solchen Fällen wird nicht ein inverses Transformationsverfahren eingesetzt, das ein Originalbild aus den beobachteten Daten ableitet, sondern die Bilderzeugung auf folgende Weise durchgeführt. Im Gegensatz zum inversen Transformationsverfahren werden verschiedene rekonstruierte Bilder angenommen und es wird simuliert, welche Daten {C'j(&thgr;i)} durch Beobachtung der rekonstruierten Bilder mit der Einrichtung erhalten werden. Dann werden die tatsächlich beobachteten Daten {C'j(&thgr;i)} und die simulierten Daten {Cj(&thgr;i)} bezüglich aller {i, j} verglichen. Von den Ergebnissen wird ein Fall als die korrekte Lösung angenommen, in dem C'j(&thgr;i) = Cj(&thgr;i) mit einer Differenz innerhalb des Poisson-Fehlers liegt und das rekonstruierte Bild unter bestimmten Bedingungen das einfachste Profil besitzt. Da eine als Entropie bezeichnete Größe als Maß der Einfachheit des Profils verwendet wird, wird dieses Verfahren oft als das Verfahren maximaler Entropie bezeichnet. Allgemeiner gesagt kann die Bilderstellung durch ein nichtlineares Optimierungsverfahren erfolgen.

Die Bilderstellung aus den durch jedes der Rasterpaare detektierten Daten erfolgt in einer Rechnerschaltung 64, und das resultierende Bild wird auf einer Anzeige 29 angezeigt. Da wie oben beschrieben die digitalen Werte, die von dem A/D-Wandler 63 umgewandelt werden, in die Energiewerte des einfallenden Röntgenstrahls umgewandelt werden können, ist es möglich, ein Bild zu formen, das nur von Röntgenstrahlen mit einer spezifischen Energie abgeleitet wird, indem ein Bild nur von detektierten Daten mit digitalen Werten innerhalb eines spezifischen Bereichs erstellt wird. Wenn der detektierte Röntgenstrahl ein fluoreszierender Röntgenstrahl ist, der von einem Objekt unter Beobachtung ausgesandt wird, kann ein Bild der räumlichen Verteilung bestimmter Komponenten erstellt werden, da die Energie des fluoreszierenden Röntgenstrahls für eine Komponente spezifisch ist.

Die Rasterflächen in dem Feld stehen in Beziehung zur Helligkeit eines Bildes. Größere Rasterflächen ergeben ein helleres Bild. Die Anzahl der Raster in dem Feld steht in Beziehung zur Feinheit eines Bildes. Eine größere Anzahl N von Rastern, d. h., eine größere Vielfalt von Rasterabständen pk ermöglicht es, ein genaueres Bild zu erstellen.

Die Verwendung von Paaren von Objekt- und Detektorrastern mit unterschiedlichen Positionen der Brennpunkte F, d. h., Rasterpaare mit unterschiedlichen Vergrößerungsfaktoren ms der geometrisch ähnlichen Vergrößerung ermöglicht es, Bilder in unterschiedlichen Tiefen in einem Objekt unter Beobachtung parallel zu formen. Des Weiteren kann die Stellung des Brennpunkts F durch Verändern des Abstands b zwischen dem Objektrasterfeld und dem Detektorrasterfeld verändert werden.

Wenn ein Objekt unter Beobachtung um 180° gedreht wird, werden die notwendigen Informationen für die Erstellung eines Bildes erhalten. Wenn sich ein Objekt unter Beobachtung mit der Zeit ändert, wird die Bilderstellung in vorbestimmten Zeitintervallen ausgeführt, und die resultierenden Bilder werden der Reihe nach auf der Anzeige dargestellt, wodurch es möglich wird, die zeitlich auftretenden Veränderung des zu beobachtenden Objektes in Echtzeit zu beobachten.

In 1 ist das Rastersystem 25 fixiert und das Objekt unter Beobachtung wird gedreht. im Gegensatz dazu kann jedoch ein Objekt unter Beobachtung und das Rastersystem 25 fixiert bzw. um die Zentralachse gedreht werden, um dieselben Daten zu erhalten und wiederum ein Bild des Objektes unter Beobachtung zu erstellen.

In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform wird aufgrund der Tatsache, dass nur eine kleine Anzahl von individuellen Detektoreinheiten erforderlich ist, in vorteilhafter Weise ein vereinfachter Aufbau des Systems erreicht, obwohl das Rastersystem oder ein unter Beobachtung stehendes Objekt gedreht werden muss.

In den ersten Ausführungsformen wird ein zweidimensionales Bild eines Objektes unter Beobachtung erstellt, das in einer festgelegten Richtung betrachtet wird. Wenn Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Positionen des Brennpunkts durch Verändern des Abstandes b zwischen dem Objektraster und dem Detektorraster detektiert werden, können zweidimensionale Bilder in unterschiedlichen Brennpunktsebenen, d. h. tomographische Bilder, erhalten werden. Die so erhaltenen mehreren tomographischen Bilder werden auf einer Anzeige in Übereinstimmung mit dreidimensionalen Koordinaten angezeigt, was eine, wie in 8 dargestellte dreidimensionale Anzeige ermöglicht. In diesem Fall werden, wenn jedes der Bilderzeugungsintervalle zwischen den tomographischen Bildern im Wesentlichen gleich der durch die Formel (4) dargestellten Brennweite oder kürzer als diese eingestellt wird, tatsächlich aufeinanderfolgende zweidimensionale Bilder erhalten und in der Folge in vorteilhafter Weise ein natürliches dreidimensionales Bild erreicht.

Des Weiteren ist es auch möglich, Daten zur dreidimensionalen Verteilung zu erhalten, indem die erste Ausführungsform in solch einer Weise modifiziert wird, dass der Drehtisch mit einer zweiten Drehachse versehen wird oder das Rastersystem 25 beweglich angeordnet wird, um zweidimensionale Bilder eines Objektes unter Beobachtung aus einer Vielzahl von Richtungen zu erhalten, und indem die Bilder der Bearbeitung durch ein tomographisches Verfahren unterworfen werden. In ähnlicher Weise ist es möglich, Daten zur dreidimensionalen Verteilung durch Drehen des Rastersystems in der zweiten Ausführungsform zu erhalten, um zweidimensionale Bilder eines Objektes unter Beobachtung aus verschiedenen Richtungen zu erhalten, gefolgt von einer Extraktion der Daten zur dreidimensionalen Verteilung aus denselben. Die Daten zur dreidimensionalen Verteilung können in eine gewünschte Form, wie etwa eine dreidimensionale Projektionskarte, eine Strahlungsquellenverteilung in einer beliebigen Ebene oder dergleichen, verarbeitet und auf einer Anzeige dargestellt werden.

Obenstehend wurden Bilddetektion und Bildsynthese in Bezug auf Röntgenstrahlen beschrieben. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf Röntgenstrahlen beschränkt und kann auf die Bilddetektion und Bilderstellung unter Verwendung eines anderen Energiestrahls, zum Beispiel eines Gammastrahls oder eines Lichtstrahls, angewendet werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Bild mit hoher Auflösungsleistung zu detektieren und ein rekonstruiertes Bild zu erstellen, ohne ein optisches Bildformungssystem zu verwenden. Insbesondere ist es möglich, ein Bild einer Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen aussendenden Quelle zu erfassen, die sich bisher nur schlecht zum Formen eines Bildes und anzeigen eines rekonstruierten Bildes eigneten.


Anspruch[de]
  1. Bilderzeugungsverfahren, umfassend:

    das Bereitstellen eines Rastersystems (25) mit einem Objektrasterfeld (22) und einem in einer vorbestimmten Entfernung von dem Objektrasterfeld angeordneten Detektorrasterfeld (23),

    das Anordnen eines zu beobachtenden Objektes (20) in der Umgebung des Brennpunktes des Rastersystems (25);

    wobei der Brennpunkt derjenige Punkt ist, an welchem Linien, die entsprechende Raster in dem Detektorrasterfeld (23) und dem Objektrasterfeld (22) verbinden, zusammenlaufen; und

    das individuelle Detektieren von jeweils von dem Objekt ausgesandten und durch zwei entsprechende Raster in dem Rastersystem (25) übertragenen Energiestrahlen; und

    das einem Rechenverfahren Unterwerfen der detektierten Signale unter Verwendung einer inversen Fouriertransformation oder eines nichtlinearen Optimierungsverfahrens zur Erstellung eines Bildes des Objektes; dadurch gekennzeichnet, dass das Objektrasterfeld (22) eine Vielzahl komplanar angeordneter Raster (22a, 22b, 22c ...) mit voneinander unterschiedlichen Abständen aufweist;

    dass das Detektorrasterfeld (23) einen dem Objektrasterfeld (22) ähnlichen, jedoch vergrößerten Aufbau aufweist;

    dass der Schritt des Detektierens ausgeführt wird, während das Objekt (20) und das Rastersystem (25) relativ um die Zentralachse des Rastersystems (25) gedreht wird, wobei die Zentralachse die Achse ist, welche durch den Brennpunkt verläuft und im rechten Winkel zu der Ebene der Rasterfelder steht, und der Rasterabstand pk des k-ten Objektrasters in dem Objektrasterfeld (22) durch die Formel pk = &Dgr;/k k = 1, 2, ..., N mit einem Anfangsabstand &Dgr;, der von etwa der Größenordnung des zu beobachtenden Objektes (20) ist, und einer Anzahl N von Rastern gegeben ist.
  2. Bilderzeugungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Rechenverfahren eine zweidimensionale inverse Fouriertransformation, eine lineare orthogonale Integraltransformation oder ein Verfahren maximaler Entropie ist.
  3. Bilderzeugungsverfahren nach Anspruch 2, wobei die Detektion zum Erhalt von Signalen in vorbestimmten Zeitabständen ausgelöst wird, und Bilder, von denen jedes bei jeder Signalaufnahme aus den detektierten Signalen erstellt wird, nacheinander dargestellt werden.
  4. Bilderzeugungsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die relative Position oder Orientierung des Brennpunktes des Rastersystems (25) und des Objektes (20) verändert wird, um eine Vielzahl von Bildern zu schaffen, und darauf basierend ein dreidimensionales Bild des Objektes (20) erstellt wird.
  5. Bilderzeugungsverfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei der Energiestrahl ein Röntgenstrahl oder ein Gammastrahl innerhalb eines vorbestimmten Energiebereichs ist.
  6. Bilderzeugungsvorrichtung umfassend:

    ein Rastersystem (25), das ein Objektrasterfeld (22) und ein in einer vorbestimmten Entfernung von dem Objektrasterfeld (22) angeordnetes Detektorrasterfeld (23) aufweist;

    ein Detektorfeld (24), das eine Vielzahl von Detektoren (24a, 24b, 24c ...) aufweist, von denen jeder durch zwei entsprechende Raster des Rastersystems (25) übertragene Energiestrahlen detektiert;

    ein Platzierungsmittel (21), auf welchem ein Objekt (20) zu platzieren ist;

    ein Signalverarbeitungsmittel (28), in das detektierte Signale aus dem Detektorfeld (24) eingegeben werden, und

    ein Bilddarstellungsmittel (29) zur Darstellung eines Bildes des Objektes (20), wobei das Bild auf den Signalen aus dem Signalverarbeitungsmittel (28) basiert;

    wobei das Signalverarbeitungsmittel (28) jeden an einer Vielzahl von Drehwinkeln von dem Detektorfeld (24) erhaltenen Satz detektierter Signale einer zweidimensionalen inversen Fouriertransformation oder einem nichtlinearen Optimierungsverfahren, wie etwa einem Verfahren maximaler Entropie, unterwirft; gekennzeichnet durch ein Mittel zum relativen Drehen des Rastersystems (25) und des Platzierungsmittels (21) um die Achse, welche durch den Brennpunkt, an dem Linien konvergieren, die entsprechende Raster in dem Detektorrasterfeld (23) und dem Objektrasterfeld (22) verbinden, verläuft und welche die Ebene der Rasterfelder im rechten Winkel schneidet; und dadurch

    dass das Objektrasterfeld (22) eine Vielzahl komplanar angeordneter Raster (22a, 22b, 22c ...) mit voneinander unterschiedlichen Abständen aufweist;

    dass das Detektorrasterfeld (23) einen dem Objektrasterfeld (22) ähnlichen, jedoch vergrößerten Aufbau aufweist; und

    dass der Rasterabstand pk des k-ten Objektrasters in dem Objektrasterfeld (22) durch die Formel pk = &Dgr;/k k = 1, 2, ..., N mit einem Anfangsabstand &Dgr;, der von etwa der Größenordnung des zu beobachtenden Objektes ist, und einer Anzahl N von Rastern gegeben ist.
  7. Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Detektorrasterfeld (23, 73) von der drei- bis zehnfachen Größe des Objektrasterfeldes (22, 72) ist.
  8. Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Detektorfeld (24) ein Röntgenstrahlendetektor oder ein Gammastrahlendetektor ist.
  9. Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 8, die überdies ein Mittel zur ausschließlichen Detektion von Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen innerhalb eines bestimmten Energiebereichs umfasst.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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