FR2476474A1

FR2476474A1 - Dispositif de tomodensitometrie et procede d'exploration et de reconstruction d'images utilisant un tel dispositif

Info

Publication number: FR2476474A1
Application number: FR8003984A
Authority: FR
Inventors: Jean-Pierre D Haenens; Remy Klausz; Jean Bossaert
Original assignee: Compagnie Generale de Radiologie SA
Current assignee: Compagnie Generale de Radiologie SA
Priority date: 1980-02-22
Filing date: 1980-02-22
Publication date: 1981-08-28
Also published as: GB2070883A; DE3106431A1; FR2476474B1; IL62144A0; IL62144A

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF DE TOMODENSITOMETRIE DU TYPE A TRANSLATION-ROTATION ET UN PROCEDE D'EXPLORATION ET DE RECONSTRUCTION D'IMAGE D'UN CORPS C A EXAMINER AU MOYEN DE CE DISPOSITIF. LE DISPOSITIF COMPORTE, ASSOCIE A UNE SOURCE S DE RAYONNEMENT, N DETECTEURS D, D, D... D RECEVANT N FAISCEAUX ELEMENTAIRES F, F, F... JUXTAPOSES, D'OUVERTURE ANGULAIRE A, LE FAISCEAU F UTILE AYANT UNE OUVERTURE ANGULAIRE NA ET DES MOYENS DE COMBINAISON DE SIGNAUX APPARTENANT AUX N.P PROJECTIONS ELEMENTAIRES CONSECUTIVES OBTENUES AU COURS DE P TRANSLATIONS SUCCESSIVES DE FACON A OBTENIR, A PARTIR DU NOMBRE N SURABONDANT D'ECHANTILLONS ANGULAIRES FOURNIS AU COURS D'UNE ROTATION DE P RADIANS DE L'ENSEMBLE SOURCE-DETECTEURS, LE NOMBRE N D'ECHANTILLONS ANGULAIRES NECESSAIRE ET SUFFISANT POUR LA RECONSTRUCTION DE L'IMAGE. APPLICATION : TOMOGRAPHIE A RECONSTRUCTION FINE D'IMAGES.

Description

La présente invention a pour objet un dispositif de tomodensitométrie

du type à translation-rotation fournissant un ensemble de données radiogra-

phiques permettant d'obtenir une reconstruction des valeurs à examiner.

Dans un exemple de réalisation connue, un dispositif de tomodensito-

rétrie comporte un ensemble forrnmé d'une source et de détecteurs, cet ensemble étant soumis, d'une part, à une succession de translations linéaires et, d'autre part, à une série de rotations élémentaires, dans un plan de

coupe, une rotation intervenant entre deux séquences successives de transla-

tion. Afin d'accélérer les opérations de reconstruction de l'image d'un objet à exarniner, il est connu d'utiliser une série de détecteurs pouvant être des

associations de scintillateurs et de photodétecteurs ou des chambres d'ioni-

sation par exemple, le faisceau de rayonnement (rayons X ouY) émis par la

source et ayant la forme d'un évenLail, étant partagé en pinceaux élémentai-

res au moyen d'un collimateur à fentes disposé en amont ou en aval du corps à exarniner, le nombre' de ces pinceaux élémentaires correspondant au nombre de détecteurs. C'est la largeur de ces pinceux de rayonnement qui limite la fonction de transfert de modulation du système, c'est-àdire sa

résolution spatiale.

Il est à remarquer que des pinceaux étroits permettent d'obtenir une bonne résolution spatiale. Cependant, si le nombre de photons reçus par chacun des détecteurs est trop faible, cela peut rendre l'importance du bruit

quantique préjudiciable à la qualité des résultats obtenus.

Le dispositif suivant l'invention, qui ne présente pas ces inconvénients, permet d'obtenir une image finale très détaillée au moyen d'un faisceau non divisé et, de plus, permet d'adapter la bande passante angulaire afin qu'elle

corresponde à l'échantillonnage angulaire désiré.

Suivant l'invention un dispositif de tomodensitométrie, du type à

translation-rotation, destiné à l'examen d'un corps C à examiner et compor-

tant une source S fournissant un faisceau F utile de rayonnement et, associés de façon rigide à cette source S, une série de n détecteurs associés chacun à un système de mesure de signaux détectés et destinés à recevoir chacun une fraction du faisceau F utile de rayonnement, des moyens de

déplacements successifs en translation et en rotation de l'ensemble source-

détecteurs, chacun des détecteurs fournissant, au cours de chaque transla-

tion, M signaux, l'ensemble de ces M signaux constituant une projection élémentaire du corps C, caractérisé en ce que les n détecteurs sont contigus, et destinés à recevoir chacun un des n faisceaux élémentaires qui sont des fractions juxtaposées du faisceau F, d'ouverture angulaire +, ces n détecteurs fournissant, au cours d'une translation, M.n signaux constituant n

projections élémentaires du corps C, et, au cours de p translations succes-

sives correspondant à p-1 rotations séquentielles d'angle NY = 4 de l'ensem-

ble source-détecteurs, M.n.p signaux, et en ce que des moyens de combinai-

son de signaux permettent d'obtenir, à partir de ces M.n.p signaux élémen-

taires correspondant à n.p projections élémentaires consécutives, m ensem-

bles de Q signaux, ces Q signaux étant obtenus par des combinaisons de signaux pris parmi ces M.n.p signaux, ces m ensembles constituant m projections-combinaisons destinées à la reconstitution de l'image du corps C.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaî-

tront à l'aide de la description ci-après et des dessins qui l'accompagnent et

sur lesquels

- la figure i représente schématiquement un dispositif de tomodensi-

tométrie de type connu; - les figures 2 et 3 représentent schématiquement un dispositif de tomodensitométrie du type à translation-rotation suivant l'invention, pour des positions différentes de l'ensemble sourcedétecteurs; - les figures 4, 5 et 6 sont des diagrammes montrant à titre d'exemple, l'amplitude as des signaux- détectés en fonction de l'angle ( de projection du corps C à examiner, respectivement dans un dispositif idéal dit à mesure continue, dans un dispositif de type connu, et dans le dispositif suivant l'invention. Le dispositif de tomodensitométrie du type à translation-rotation de type connu, montré en figure 1, comporte une source S de rayonnement fournissant un faisceau F utile de rayonnement (des rayons X par exemple) qui, après collimation primaire au moyen d'un collimateur E, c'est-à-dire une collimation réalisée entre la source S et un corps C à examiner, est partagé en plusieurs pinceaux élémentaires f01 f02, f03 ' d'ouverture angulaire C0 et de largeur lI, cette largeur 10 étant considérée dans un plan moyen, normal au faisceau F (et coupant le plan de la figure suivant l'axe XX, du

corps C à examiner).

Les bissectrices de deux faisceaux élémentaires f01 f02 ou f2 f.3... consécutifs font entre elles un angle '0. La valeur de 10 limitant la bande passante du dispositif de tomodensitométrie de type conu est choisie en fonction de la résolution spatiale désirée, c'est-à-dire de la finesse de l'image souhaitée. La valeur de 10 impose alors une valeur e de la période

d'échantillonnage linéaire qui doit.tre compatible avec la théorie d'échan-

tillonnage (Loi de Shannon) précisant que e doit être au plus égal à 1o/2, ce qui signifie que la fréquence d'échantillonnage linéaire doit être au moins égale au double de la fréquence maximum à transmettre. De plus, il faut que des relations bien définies existent entre le nombre d'échantillons linéaires M = D/e (D, étant le diamètre du champ exploré, dans le plan de coupe), et le nombre No d'échantillons angulaires obtenus au cours d'une rotation de wr

radians de l'ensemble source-détecteurs, c'est-à-dire le nombre de projec-

tions du corps C à examiner nécessaire à la reconstruction de l'image dans un plan de coupe déterminé, ce qui correspond à des projections successives séparées d'un angle u/NN radians. Dans le dispositif suivant l'art connu, il est nécessaire que les angles to soient égaux à 7r/No, l'échantillonnage angulaire étant défini au cours d'une même translation par la disposition angulaire des

détecteurs. Les inconvénients d'une telle réalisation sont, d'une part, l'utili-

sation incomplète (dûe à la présence du collimateur E) du faisceau F utile de rayonnement, l'angle a0 étant alors inférieur à l'angle Tf0 et, d'autre part, un échantillonnage angulaire inadapté à la bande passante angulaire qui est

limitée par l'angle d'ouverture a inférieur f.

Le dispositif de tomodensitométrie suivant l'invention ne présente pas ces inconvénients et permet un échantillonnage angulaire très satisfaisant tout en utilisant la totalité de ce faiseau F utile d'ouverture angulaire choisie. Dans un exemple de réalisation, ce dispositif, montré en figure 2, du type à translation-rotation, comporte une source S de rayonnement délivrant un faisceau F utile de rayonnement (rayons X par exemple), une série de n

détecteurs dl, d2, d3... dn contigus, de cloisons aussi minces que possible.

Ces n détecteurs dl, d2, d3... dn sont destinés à recevoir chacun une fraction du faisceau F utile, soient n faisceaux élémentaires fl, f2, f3 fn qui ont une même ouverture angulaire a. Le faisceau F utile a donc une ouverture angulaire f = na. Ces détecteurs dl, d2, d3.. dn sont associés de façon rigide à la source S et placés dans un même plan que cette source S et le faisceau F utile, ce plan définisant un plan de coupe du corps C à

examiner (plan de la figure 2).

En pratique on choisit n de la manière suivante. Pour un champ à

explorer de diamètre D (D = 250 mm par exemple), on choisira une fréquen-

ce spatiale VM maximale devant être transmise par le dispositif suivant l'invention, ce qui impose d'une part la largeur l maximum du faisceau élémentaire, considérée dans le plan moyen défini ci-dessus, et d'autre part une valeur e de la période d'échantillonnage linéaire compatible avec la loi de Shannon. Si R est la distance séparant là source S du plan moyen du corps C à examiner, on peut en déduire l'ouverture angulaire a = arc tg R du faisceau élémentaire et, pour un nombre n de détecteurs choisi, la valeur de

l'angle d'ouverture f = n.a du faisceau F utile de rayonnement.

La figure 2 montre la position de l'ensemble source détecteurs au

cours d'une translation pour un angle 'Y de rotation donné.

Au cours de cette translation, chacun des détecteurs dl, d2, d3... dn

fournit M _D/e échantillons linéaires qui déterminent une projection élé-

mentaire du corps C- à examiner suivant un angle f de projection qui est déterminé, d'une part, par la position angulaire 'Y de l'ensemble source détecteurs et, d'autre part, par la position angulaire occupée par le

détecteur dl, ou d2... ou dn considéré dans le faisceau F utile.

En fonctionnement, les faisceaux f1, f2 fn successifs, d'ouverture angulaire a, et séparés l'un de l'autre par un angle Sxb'a permettent de réaliser un échantillonnage angulaire de pas d'O a. Si, entre chaque séquence de translation l'ensemble source-détecteurs tourne d'un angle AI' = nd, après n--1 rotations de A' = n radian chacune (figure 3), on obtiendra un ensemble de N = îr/6 projections élémentaires, N étant supérieur au nombre

N0 de projections précédemment défini.

Alors qu'il était nécessaire, dans les dispositifs connus, que l'angle séparant deux faisceaux successifs collimatés d'angle d'ouverture aCo (figure %- 1) soit égal à = pour les besoins du calcul de reconstruction, dans le dispositif suivant l'irnvention, les projections élémentaires obtenues sont séparées d'un angle 6 sensiblement égal à l'angle a d'ouverture des faisceaux élémentaires fl, f2î f3.O... 6 étant donc inférieur à puisque ces faisceaux f1,2 f of n;lémentaires non collimatés sont contigus. Dans le

dispositif suivant l'invention, chacun des n détecteurs dl, d2..o dn respec-

tivement associés à des moyens de mesures des signaux détectés, fournit au

cours de chaque translation, M mesures, soit au total M.n mesures consti-

tuant n projections élémentaires du corps C à examiner, dans un plan de coupe donné, suivant des angles espacés de 6d Au cours d'une rotation d'un angle v de l'ensemble source-détecteurs, on obtient un nombre N = surabondant de projections élémentaires. Des moyens de combinaison de signaux permettent alors de combiner entre eux des signaux pris parmi les M.n.p signaux obtenus pour p translations élémentaires consécutives, de facon à obtenir m ensembles de Q signaux

fournissant m projections-combinaisons (m < p) qui serviront à la recons-

truction de l'image du corps C à examiner. Le processus de combinaison est choisi de façon que, d'une part, on utilise la totalité des signaux recueillis et que, d'autre part, le nombre total de projectionscombinaisons ainsi obtenu soit sensiblement égal à No. Les courbes des figures 4 et 5 représentent, pour un même corps C, les amplitudes des signaux obtenus au point d'abscisse x = ke, x étant mesuré par rapport au point 0, centre de l'échantillon central, en fonction de l'angle O de projection, et k étant un nombre entier positif ou négatif. Plus précisement, la figure 4 représente les amplitudes aS des signaux obtenus pour un angle ovariable, dans le cas idéal o 6 et a sont infiniment petits (mesure continue), la figure 5 représente les amplitudes a des signaux obtenus dans un dispositif de tomodensitométrie de type connu, l'angle a d'ouverture d'un faisceau élémentaire étant petit par rapport à l'angle f séparant les bissectrices de deux faisceaux successifs (figure 1), ces amplitudes étant égales à celles qui sont indiquées sur la figure 5 pour des angles e = YO, 2tr, 3 O... et seulement à ces valeurs, les autres points de la courbe n'étant pas accessibles. Il est à remarquer que l'ensemble des

amplitudes a des signaux ainsi obtenues ne représente pas un échantillon-

nage satisfaisant puisque t " a.

Sur la figure 6 sont représentées, d'une part, les amplitudes as1, as2, as3 des signaux s1,, s, s3 correspondants à des angles 'Y = 5S, 2 3, 3 d.. . tels que la différence entre deux de ces angles consécutifs soit égale à l'angle d'ouverture a des faisceaux élémentaires (ces amplitudes étant indiquées par des points sur la courbe (figure 6) et, d'autre part, les amplitudes as des signaux sel, sc2 ** (marqués d'une croix) obtenus par la combinaison des signaux s1, s2' S3, d'amplitudes a1,, as2, aS3, mesurées (et représentées par des points) et correspondant à des projections élémentaires d'angles.01 = '10 02 = 2<Yf 0,3 = 3To La valeur a de l'amplitude de chacun des signaux ainsi obtenus par combinaison est prise pour valeur de l'échantillon correspondant à la même abscisse x = ke de la projection-combinaison d'angle O ie cet angle e i étant situé dans l'intervalle angulaire des projections élémentaires utilisées pour obtenir la projection-combinaison considérée. En renouvelant le même processus de combinaisons pour tous les angles de projections élémentaires d'une part et, d'autre part, pour toutes les abscisses x = ke, on obtiendra bien les N projections-combinaisons espacées d'un angle sensiblement égal à y y a o nécessairesau calcul de reconstruction de l'image. A titre d'exemple non limitatif, en figure 6 on a choisi un angle d'échantillonnage angulaire ïf = 2,5 6. La projection-combinaison correspondant au signal scl (croix) a été obtenue par la combinaison des signaux élémentaires s1, s2' S3 (points) qui sont fournis respectivement par les détecteurs dl, d2, d, son angle d'échantillonnage étant e 1= 2,5 6, alors que les angles d'échantillonnage des

projections élémentaires correspondant aux signaux slî, s2 83 sont respecti-

vement 6, 2 6, 36-

Pour la même abscisse x = ke, on obtiendra de même le signal sc2 appartenant à la projection-combinaison suivante qui aura bien ainsi pour

angle d'échantillonnage 02 = 2f = 56. On aura entre deux projections-

combinaisons successives un angle apparant S i - i- = o = 2,5, c'est-à-

dire égal au pas d'échantillonnage angulaire désiré satisfaisant à la relation lo N- PFusieurs méthodes connues peuvent être utilisées pour obtenir une projection-combinaison à partir des projections élémentaires, soit: des

combinaisons linéaires, des combinaisons non linéaires telles que des inter-

polations, ou une adaptation d'une fonction par des méthodes d'estimation

telle que la méthode des moindres carrés par exemple.

Un autre avantage du dispositif suivant l'invention est de diminuer les bruits pouvant affecter les mesures; cet avantage sera particulièrement marqué si la combinaison des signaux est non linéaire et comporte une

élimination des valeurs non cohérentes.

Quelque soit la méthode de combinaison utilisée permettant d'obtenir un échantillonnage apparant de période Lo, on remarque que le taux d'utilisation du faisceau F utile d'angle émis par la source est sensiblement égal à 100 % (o5/6 sensiblement égal à 1), tandis que dans les dispositifs suivant l'art connu le taux d'utilisation du faisceau F n'est que de 25 %

environ (ao/o = 0,25).

Pour exploiter totalement les signaux de combinaisons ainsi obtenus, on utilisera, pour chaque projection-combinaison, toutes les projections élémentaires d'angle compris au moins entre 0 - 6/2 et 8+ 6/2. On utilise ainsi la totalité des mesures effectuées et donc on améliore les conditions

d'échantillonnage. Dans un cas particulier o IO = 20, la projectioncombi-

naison peut être prise comme la somme de deux projections élémentaires consécutives ayant un angle d'échantillonnage apparent égal à la moyenne

arithmétique des angles d'échantillonnage des projections élémentaires cons-

écutives utilisées.

Il est à remarquer que, si l'on désire un échantillonnage plus rigoureux,

on pourra utiliser, comme projections élémentaires, les projections compri-

ses dans un intervalle au moins égal à 26. Il est possible par exemple, de réaliser une somme pondérée avec des coefficients maxima au voisinage de

l'angle d'échantillonnage attribué à la projection-combinaison et des coef-

ficients dont les valeurs décroissent progressivement en suivant sensible-

-,,L ment une loi du type Laplace-Gauss lorsque crott la différence angulaire - entre les autres angles d'échantillonnage et cet angle d'échantillonnage attribué.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de tomodensitométrie du type à translation-rotation destiné à l'examen d'un corps (C), comportant une source (S) de rayonnement fournissant un faisceau (F) utile de rayonnement, et, associée de façon rigide à cette source (S), une série de n détecteurs associés chacun à un système de mesure de signaux détectés et destinés à recevoir chacun une fraction du faisceau (F) utile de rayonnement, des moyens de déplacements successifs en translation et en rotation de l'ensemble source-détecteurs, chacun des détecteurs fournissant, au cours de chaque translation, M signaux, l'ensemble de ces M signaux constituant une projection élémentaire du corps (C), caractérisé en ce que les n détecteurs (di, d2. o. dn) sont contigus et sont destinés à recevoir chacun un des n faisceaux élémentaires (flT f2 "' fn) qui sont des fractions juxtaposées du faisceau (F) d'ouverture angulaire q, ces n détecteurs fournissant, au cours d'une translation, M.n signaux constituant n projections élémentaires du corps (C), et, au cours de p translations successives séparées par p-l rotations séquentielles d'angle AY= de l'ensemble source- détecteurs, M.nop signaux, et en ce que des moyens de combinaison de signaux permettent d'obtenir, à partir de ces M.n.p signaux élémentaires correspondant à n.p projections élémentaires consécutives, m ensembles de Q signaux-combinaisons obtenus par des combinaisons de signaux.choisis parmi ces Mon.p signaux, ces m ensembles constituant m projections- combinaisons destinées à la reconstruction de

l'image du corps (C).

2. Dispositif de tomodensitométrie suivant la revendication 1, carac-

térisé en ce que les n faisceaux élémentaires (f1 f2 ' fn) ont une même ouverture angulaire a = 4 /no

3. Dispositif de tomodensitométrie suivant l'une quelconque des reven-

diations 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de combinaison de signaux comprennent un système de combinaison linéaire des signaux détectés

provenant de projections élémentaires consécutives.

4. Dispositif de tomodensitornétrie suivant I'une quelconque des reven-

dications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de combinaison de signaux comprennent un système de combinaison non linéaire des signaux détectés

provenant de projections élémentaires consécutives.

5. Dispositif de tomodensitométrie suivant l'une quelconque des reven-

dications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens de combinaison de signaux comprennent un système permettant de combiner les signaux de projections élémentaires consécutives comprises dans un intervalle angulaire au moins

égal à 2a.

6. Dispositif de tomodensitométrie suivant l'une quelconque des reven-

dications 1, 2, 3 et 5, caractérisé en ce que les moyens de combinaisons de

signaux comprennent un système permettant de réaliser une somme pondé-

rée des signaux en prenant des coefficients maxima au voisinage de l'angle d'échantillonnage attribué à la projection-combinaison et des coefficients dont les valeurs décroissent progressivement en suivant sensiblement une loi du type Laplace-Gauss lorsque croit la différence angulaire entre les autres

angles d'échantillonnage et cet angle d'échantillonnage attribué.

7. Procédé d'exploration et de reconstruction de l'image d'un corps (C) à examiner, ce procédé utilisant pour sa mise en oeuvre un dispositif de

tomodensitométrie à translation-rotation suivant l'une quelconque des re-

vendications l à 6, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - détection de mesure des M signaux détectés par chacun des n

détecteurs (dl, d2... dn), respectivement associés aux n faisceaux élémen-

taires (f, f 2... n), au cours de chacune des translations de l'ensemble

source-détecteurs, les bissectrices de deux faisceaux élémentaires consé-

cutifs faisant entre elles un angle 6 sensiblement égal à l'ouverture angulaire a de chacun des faisceaux élémentaires, chacune des translation s'effectuant après une rotation séquentielle au moins égale à 1Y = n ô de l'ensemble source-détecteurs, ce qui au cours d'une rotation d'un angle ir de

cet ensemble source-détecteurs correspond à un nombre surabondant d'-

échantillons angulaires sensiblement égal à N = Ir - combinaison de signaux convenablement choisis parmi les M.n.p signaux obtenus au cours de translations élémentaires consécutives, de façon à obtenir m ensembles de Q signaux constituant m projections-combinaisons d'angle de projection apparent f I/Na, N qui est inférieur à N, étant le nombre d'échantillons angulaires nécessaire et suffisant à obtenir au cours de l'exploration correspondant à une rotation d'au moins 7r radians de il l'ensemble source-détecteurs;

- traitement des m projections-combinaisons permettant la recons-

truction de l'image du corps (C).