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Dokumentenidentifikation DE69729892T2 25.08.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001003419
Titel VORRICHTUNG ZUM BESTIMMEN DES UMFANGES EINES ABGETASTETEN GENGENSTANDES
Anmelder Imaging Diagnostic System, Inc., Plantation, Fla., US
Erfinder WAKE, H., Robert, Plantation, US;
GRABLE, J., Richard, Plantation, US;
ROHLER, P., David, Plantation, US
Vertreter Leine & Wagner, 30163 Hannover
DE-Aktenzeichen 69729892
Vertragsstaaten AT, BE, DE, DK, FI, FR, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 07.11.1997
EP-Aktenzeichen 979481355
WO-Anmeldetag 07.11.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/US97/19614
WO-Veröffentlichungsnummer 0098019598
WO-Veröffentlichungsdatum 14.05.1998
EP-Offenlegungsdatum 31.05.2000
EP date of grant 14.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.08.2005
IPC-Hauptklasse A61B 5/107
IPC-Nebenklasse A61B 5/00   A61B 5/103   

Beschreibung[de]

Diese Anmeldung ist bezogen auf US 6,044,288 und 6,029,077.

Diese Erfindung ist ferner bezogen auf US 5,692,511.

Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein medizinisches bilderzeugendes Diagnosegerät, das einen Nah-Infrarotlaser als Strahlungsquelle verwendet und insbesondere eine Einrichtung zur Verwendung in einem bilderzeugenden Gerät zur Bestimmung des Umfanges auf der Oberfläche des abgetasteten Objektes oder Gewebes.

Brustkrebs ist eine Haupttodesursache der weiblichen amerikanischen Bevölkerung. Eine wirksame Behandlung dieser Erkrankung ist erst nach einer Früherkennung bösartiger Tumorgeschwüre möglich. Die Hauptanstrengungen konzentrieren sich gegenwärtig darauf, Massenuntersuchungen der Bevölkerung auf Symptome von Brusttumoren durchzuführen. Derartige Massenuntersuchungen erfordern hochentwickelte, automatisierte Vorrichtungen, um zuverlässig den Untersuchungsprozeß durchzuführen.

Die Auflösung absorbierter Röntgenstrahlen der gegenwärtigen Röntgenfotgrafiemethoden ist ungenügend, um eine ausreichende Früherkennung bösartiger Tumore zu gewährleisten. Untersuchungen haben gezeigt, daß die Wahrscheinlichkeit von Metastasenbildung stark für Brusttumore mit über 1 cm Größe stark zunimmt. Tumore dieser Größe erzeugen selten ausreichend Kontrast in einem Mammogramm, um detektierbar zu sein. Um einen detektierbaren Kontrast in einer fotografischen Mammographie zu erzeugen, sind 2–3-cm große Abmessungen erforderlich. Kalziumeinlagerungen, die für inferentielle Erfassung von Tumoren in der konventionellen Mammographie verwendet werden, treten nur in Zusammenhang mit Tumoren großer Größe auf. Aus diesen Gründen ist die fotografische Mammographie relativ ineffektiv bei der Detektion bei der Erfassung.

Die meisten Mammographievorrichtungen, die heute in Kliniken und Hospitälern verwendet werden, erfordern Brustkompressionstechniken, die bestenfalls unkomfortabel und in vielen Fällen schmerzvoll für die Patientinnen sind. Zusätzlich enthält Röntgenstrahlung ionisierende Strahlung, die einen weiteren Risikofaktor bei der Verwendung von Mammographietechniken, die als am meisten universell angewendet wird, einführt.

Ultraschall wurde auch vorgeschlagen in U.S. Patent Nr. 4,075,883, was erfordert, daß die Brust in eine mit Flüssigkeit gefüllte Abtastkammer eingetaucht ist. U.S. Patent 3,973,126 erfordert auch, daß die Brust in eine mit Flüssigkeit gefüllte Kammer für eine Röntgenstrahlabtasttechnik eingetaucht ist.

In der Vergangenheit wurde die Verwendung von Licht und insbesondere Laserlicht als nicht-invasiv gleichartig zum Inneren des Körpers angesehen, um die untersuchte innere Struktur zu offenbaren. Diese Technik wird optisches Abbilden genannt. Optisches Abbilden und Spektroskopie sind Schlüsselkomponenten der optischen Tomographie. Rasche Fortschritte in der vergangenen Dekade haben die optische Tomographie an den Rand der klinischen Anwendbarkeit gebracht. Optische Wellenlängen-Photonen durchdringen nicht in vivo Gewebe in einer geraden Linie, wie es Röntgen-Photonen tun. Dieses Phänomen veranlaßt die Lichtphotonen, im Gewebe zu streuen, bevor die Photonen aus der abgetasteten Probe austreten.

In der optischen Tomographie werden mathematische Formeln und Projektionstechniken verwendet, um eine Rekonstruktionsfunktion ähnlich zur Röntgenstrahlentomographie zu bilden. Jedoch sind, da die Lichtphotonenfortpflanzung keine gerade Linie ist, Techniken, um Querschnittsbilder zu produzieren, mathematisch aufwendig und invariabel, was das Etablieren der Grenzen des abgetasteten Objektes erfordert. Eine Grenzbestimmung ist wichtig, da sie als Basis für die Rekonstruktionstechniken dient, um innere Strukturdetails zu erzeugen. Bisherige Algorithmen verwenden jede Form von direkten Meßtechniken, um die Grenzen des abgetasteten Objektes zu etablieren.

US 5,148,022 offenbart ein Verfahren zur optischen Untersuchung menschlicher Körper und eine Vorrichtung hierfür. Die Vorrichtung, die in diesem Dokument offenbart wird, ist analog zu einem Röntgenstrahlen-CT-Scanner, während eine Lichtquelle als Strahlungsquelle verwendet wird und ein optischer Detektor als Detektor. Diese Vorrichtung umfaßt eine Abtastkammer zur Aufnahme eines abzutastenden Objektes; eine Laserstrahlquelle, die innerhalb der Abtastkammer zum Auftreffen auf das abzutastende Objekt ausgebildet ist, wobei der Laserstrahl ausgebildet ist, das Objekt zu umkreisen, ein Array von Sensoren innerhalb der Kammer, wobei jeder Sensor ausgebildet ist, um Licht zu detektieren, das ausgestrahlt wird oder reflektiert wird von der Oberfläche des Objektes aufgrund des auf das Objekt auftreffenden Laserstrahles.

Es ist ein Gegenstand der Erfindung, eine direkte Bestimmung der Grenzen des abgetasteten Objektes bereitzustellen durch Senden des Lichtes, das von dem abgetasteten Objekt von einer speziellen Position austritt, die in einer festen Beziehung zu dem auftreffenden Laserstrahl steht.

Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, eine direkte Bestimmung der Grenzen des abgetasteten Objektes mit einem linearen Array mit Detektoren bereitzustellen, das auf einem speziellen Winkel von Lichtstrahlen kalibriert ist, die von dem abgetasteten Objekt austreten.

Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, eine direkte Bestimmung der Grenzen des abgetasteten Objektes bereitzustellen, die verwendet werden kann, um die optische Pfadlänge des Laserstrahles durch das abgetastete Objekt zum Zwecke der Rekonstruktion eines Bildes des abgetasteten Objektes bereitzustellen.

Zusammengefaßt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen des Durchmessers eines abgetasteten Objektes gemäß Anspruch 1 bereit.

Diese und andere Gegenstände der Erfindung werden deutlich durch die folgende detaillierte Beschreibung.

1 ist eine schematische Seitenansicht einer Abtasteinrichtung, umfassend eine Abtastkammer gemäß der Erfindung, zeigend eine Patientin, die auf einer Stützplattform mit ihrer Brust hinabhängend in die Abtastkammer für eine optische tomographische Untersuchung angeordnet ist.

2A ist eine schematische Draufsicht der Abtastkammer von 1, zeigend die geometrischen Beziehungen zwischen einem Sensor-Array, Sensor-Optiken, Tangential-Projektionsstrahlen und einem auftreffenden Laserstrahl für einen Einzeldurchmesser für ein abzutastendes Objekt.

2B ist eine Antwortkurve des Sensor-Arrays von 2, das verwendet wird zur Bestimmung des Durchmessers des abzutastenden Objektes.

3A und 3B, gleichend den 2A und 2B, zeigen ein abzutastendes Objekt mit einem größeren Einzeldurchmesser.

4A und 4B sind vergrößerte Ansichten des Sensor-Arrays und der dazugehörigen Optiken, zeigend die exklusive Beziehung zwischen den Winkeln, bei denen die Strahlen auf die Linsen auftreffen und zu spezifischen Elementen des Sensor-Arrays gerichtet werden.

5 zeigt die Beziehung von Winkel A1 und Abstand D1 in Polarkoordinaten.

6 ist eine Matrix, die eine Skizze des Umfanges von zwei abgetasteten Objekten mit konstanten Durchmessern zeigt.

7A, 7B und 7C zeigen die Generation einer Umfangsskizze eines abgetasteten Objektes unbekannter Größe.

8 ist eine Umfangsskizze des abgetasteten Objektes, das in den 7A, 7B und 7C gezeigt ist.

9 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Schaltkreises zur Bestimmung der Umfangsdaten vom abgetasteten Objekt an dem Ausgang des Sensor-Arrays.

10 zeigt eine Umfangsskizze auf einer Umfangsmatrix, illustrierend die Bestimmung der Pfadlänge des auftreffenden Laserstrahles durch das abgetastete Objekt.

11 ist eine schematische Ansicht der Abtastkammer von 1 unter Verwendung einer anderen Ausführungsform der Erfindung zur Bestimmung des Umfanges des abgetasteten Objektes.

12 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes von 10, detaillierter zeigend die reflektierten Strahlen und ausgewählten Elemente des Sensor-Arrays, die von den Strahlen illuminiert werden.

13 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Schaltkreises zur Bestimmung der Umfangspositionen aus dem Ausgang der Sensoren, die in 11 verwendet werden.

Eine Abtastvorrichtung 2, wie in US Patent Nr. 5,692,511 beschrieben, ist schematisch in 1 offenbart. Eine Patientin 4 ist auf dem Bauch liegend auf einer oberen Oberfläche der Vorrichtung 2 mit ihrer Brust 6 herabhängend innerhalb der Abtastkammer 8 angeordnet. Ein Laserstrahl von einer Laserquelle 10 ist in Betrieb in Verbindung mit der Abtastkammer 8, um die Brust 6 zu illuminieren.

Bezugnehmend auf 2A umfaßt die Abtastkammer 2 ein Array von Detektoren 12, die in einem Bogen um ein abzutastendes Objekt angeordnet sind, wie Kalibrationsstandard 13. Ein Laserstrahl 14 wird in die Abtastkammer eingeführt, um das Objekt 13 abzutasten. Ein die Brust 6 durchdringender und an jedem Punkt austretender Laserstrahl wird von einem der Detektoren in dem Array 12 aufgefangen. Der Laserstrahl 14 und das Array der Detektoren 12 werden digital in einem Orbit 18 um das Objekt 13 zu gleichmäßig beabstandeten Winkelpositionen bewegt, bis ein kompletter Kreis durchlaufen wurde. Bei jeder Winkelposition wird von den Array-Detektoren 12 erfaßtes Licht aufgezeichnet zur späteren Verwendung bei der Rekonstruktion eines Abbildes des Objektes 13.

Die Abtastkammer 8 ist mit einem Satz optischer Sensoren 20 und Optiken 22 gemäß der Erfindung versehen, um den Umfang des abzutastenden Objektes zu bestimmen. Die Sensoren 20 und Optiken 22 sind hinter den Detektoren 12 angeordnet und werden auch um das Objekt 13 kreisförmig geführt, zusammen mit den Detektoren 12 und dem Laserstrahl 14.

Die optischen Sensoren 20 und die assoziierten Optiken 22 sind derart angeordnet, daß ein bei einem Punkt 23 auftreffender Laserstrahl die Sensoren 22 stimuliert, solange der Strahl entlang der Pfade 25, 27 und 29 austritt, um eine Antwortkurve 26 zu erzeugen, wie in 2B gezeigt. Die Kurve 26 weist einen Bereich 28 niedrigen Niveaus auf, eine scharfe Kante oder Spitze 30, eine Region reduzierter Lichtintensität 32, eine weitere scharfe Kante 33 und eine andere Region 28 mit geringem Niveau. Die Region 28 mit niedrigem Niveau repäsentiert die Antwort der Sensoren 20 auf umgebendes Licht im Inneren der Abtastkammer. Die scharfe Kante 30 ist durch Lichtstrahlung entlang des Pfades 25 erzeugt, die von einem Punkt 34 austritt, der tangential zu dem Objekt 13 von einem Brennpunkt 35 der Optik 22 bei einem Punkt in dem Orbit der Abtastvorrichtung ist. Die abnehmende Lichtintensitätsregion 32 ist durch einen Lichtstrahl entlang des Pfades 27 generiert, austretend aus dem Objekt am Punkt 37 und die Sensoren 20 treffend. Die andere scharfe Kante 33 ist generiert durch einen Lichtstrahl entlang des Pfades 29, austretend von einem Punkt 39, der tangential zu dem Objekt 13 von dem Brennpunkt 35 ist.

Der Laserstrahl 14 trifft auf den Kalibrationsstandard 13 am Punkt 23. Der Abstand F1 ist derart gewählt, um den Brennpunkt 35 hinter den Sensoren 20 auszudehnen, um sicherzustellen, daß die Strahlen, die sich von dem tangentialen Punkt auf dem größten abgetasteten Objekt erstrecken, die Optik 22 durchlaufen und die Sensoren 20 treffen. Der tangentiale Punkt auf dem abgetasteten Objekt 13 ist generell als Punkt 34 gekennzeichnet. Die Pfadlänge 2334, gezeigt in unterbrochenen Linien, stellt die kürzeste optische Schwächungsdistanz dar, und auf diese Weise das höchste Signal 30 in der Antwortkurve 26, wie in 5 gezeigt. Die Pfadlänge zwischen den Punkten 2337 stellt die größte optische Schwächungsdistanz dar, und auf diese Weise das niedrigste Signal 32 in der Antwortkurve 26.

Die Sensoren 20 sind mit Objekten bekannten Durchmessers kalibriert, so daß die Spitzen 30 und 33 des Signales 26 elektronisch decodiert werden können, um die Koordinaten des Umfanges des abgetasteten Objektes zu skizzieren, da der Laserstrahl 14, das Detektor-Array 12, die Sensoren 20 und die Optiken 22 um das abzutastende Objekt kreisförmig geführt werden.

Die Kalibrationsstandards 13 und 38 mit bekannten Durchmessern, ein kleiner korrespondierend zu dem kleinsten Durchmesser, der abgetastet wird, und ein anderer großer, repäsentierend den maximalen Durchmesser, der als abzutastend erwartet wird, werden verwendet, um die Sensoren 20 zu kalibrieren, wie in den 2A und 3A gezeigt. Das System wird um die Achse 36 kreisförmig geführt, welches ein bekannter Punkt ist. Der Abstand F1 ist durch ein mechanisches Design des Systems starr und ist eine bekannte Quantität. Der Abstand CR1 ist starr ½ des Durchmessers des Kalibrationsstandards 13. Der Winkel A1 ist bestimmt durch die folgende Gleichung, A1 = Arcsin (CR1/F1)(1).

Der Winkel A1 gleicht Winkel A2 von der Geometrie her. Der Abstand D1 ist bestimmt durch die folgende Gleichung, D1 = CR1 * Cos A2(2).

Die gleiche Ableitung kann verwendet werden, um den Winkel B1 und den Abstand D2 für die entgegengesetzten Seiten des Kalibrationsstandards 13 zu bestimmen.

Bezugnehmend auf 3A ist der Abstand F1 bekannt, starr durch das mechanische Design des Systems. Der Abstand CR1' ist die Hälfte des Durchmessers des Kalibrationsstandards 38. Der Winkel A1 ist bestimmt durch die folgende Gleichung, A1' = Arcsin (CR'/F1)(3).

Von der Geometrie her gleicht Winkel A1' Winkel A2'. Der Abstand D1' ist bestimmt durch die folgende Gleichung, D1' = CR' * Cos A2'(4).

Die gleiche Ableitung kann verwendet werden, um den Winkel B1' und den Abstand D2' für die entgegengesetzte Seite des Kalibrationsstandards 18 zu bestimmen.

Die Sensoren 20 werden eine ähnliche Antwortkurve 26 mit Spitzen 30 und 33 generieren, weiter entfernt als mit dem Objekt 13 mit kleinerem Durchmesser.

Jeder Abstand D1 kann, da er von seinem Kleinsten zu seinem Größten variiert, durch die Sensoren 20 detektiert werden und stellt eine Spitzenantwort von unterschiedlichen Sensoren bereit. Durch Abtasten verschiedener Kalibrationsstandards von dem kleinsten bis zum größten, die die Abtastkammer aufnehmen kann, kann die Antwortkurve elektronisch decodiert werden, um die Koordinaten des Umfanges des abgetasteten Objektes zu skizzieren, da der Laserstrahl 14, das Detektor-Array 12, die Sensoren 20 und die Sensor-Optik 22 um das abzutastende Objekt in Richtung 18 kreisförmig geführt werden.

Die optischen Sensoren 20 und die Optiken 22 sind detailliert in 4A gezeigt. Die Sensoren 20 sind ein lineares Array benachbarter Detektoren. In der aktuellen Erfindung werden 128 Detektoren verwendet, obwohl eine andere Anzahl verwendet werden kann. Jeder Detektor ist an einer speziellen physischen Position in dem Array untergebracht, zum Beispiel ist E1 der erste Detektor und E129 der letzte. Das Array ist derart ausgebildet, daß jedes Element in dem Array untersucht werden kann und sein Signalniveau an seinem physikalischen Ort gemessen werden kann. Die Optiken 22, die offenbart sind als Trennlinsen, sind ausgebildet, um Strahlen 40 und 42 auf dem Detektor-Array zu fokussieren. Der Strahl 40 ist ein tangentialer Strahl von dem kleinsten Kalibrationsdurchmesser und trifft das Detektor-Array an einem anderen Element als der Strahl 42, der ein tangentialer Strahl von dem größten Kalibrationsdurchmesser ist. Der Strahl 40 wird eine Antwortkurve ähnlich zu der Kurve 26, wie in 4B gezeigt, generieren. Der Strahl 42 wird auch eine Antwortkurve ähnlich zu der Kurve 26 erzeugen. Jeder Strahl wird, da er von einem unterschiedlichen Abstand D1 oder D1' oder Winkel A1 oder A1' kommt, von einem einzelnen Array-Element aufgefangen. Daher kann jeder Abstand D1 oder Winkel A1 für ein einzelnes Element in dem Detektor-Array 20 kalibriert werden, wo jede Detektorposition einmalig definiert durch einen Referenzpunkt ist, wie der Detektor durch einen Strahl 27, der durch das Zentrum des Orbits des abgetasteten Objektes hindurchläuft.

Die Winkel A1 und A1', bei denen die Strahlen auf die Linse 22 auftreffen, bilden exklusive Beziehungen mit spezifischen Elementen des Sensor-Arrays 20. Da der Brennpunkt 35 der Linsen 22 ein bekannter Abstand von der Drehachse 36 ist, bilden die Strahlen 40 und 42, die von den abgetasteten Objekten 13 und 38 austreten, spezielle Winkel A1 und A1' mit Bezug zu der Achse des Laserstrahles 14, mit dem Vertex der Winkel beim Brennpunkt 35 der Linsen 22. Die unterbrochenen Linien 39 und 41 zeigen die Verlängerung der Strahlen 40 und 42 bei Abwesenheit der Linsen 22. Einfaches umgekehrtes Nachzeichnen der Strahlen 40 und 42 zeigt an, daß ein spezifisches Element des Sensor-Arrays 20 durch einen Strahl mit dem bestimmten Winkel mit Bezug zu der Achse des Laserstrahles 14 illuminiert wird. Diese Beziehung erlaubt Umfangsbestimmungen mit einem Spitzendetektor, der als ein Führungskantenerfassungsschaltkreis konfiguriert ist, um die scharfe Kante 30 der Antwortkurve 26 aufzunehmen. Ähnlich kann ein Nachlaufaufnahmeschaltkreis konfiguriert sein, um die scharfe Kante 33 der entgegengesetzten Seite des abgetasteten Objektes aufzuzeichnen.

Für jeden Winkel A1 und Abstand D1 kann ein Polarwinkel &agr; und ein Polarradius &rgr; bestimmt werden. Der Polarwinkel &agr; wird in der folgenden Gleichung auf den Winkel A1 bezogen Polarwinkel &agr; = 180° – (90° –

Winkel A1)(5).

Der Polarradius &rgr; ist eine Funktion des Winkels A2 und des Abstandes D1, wie durch die folgende Formel beschrieben Polarradius &rgr; = D1/Cos A2(6).

Durch Berechnen des Polarradius' &rgr; und des Polarwinkels &agr; bei jedem Punkt in dem Orbit des Laserstrahles 14, der Sensoren 20 und Optiken 22 um das abgetastete Objekt kann ein Satz Polarkoordinaten erhalten werden. Wenn auf einer Polarkoordinatenmatrix skizziert, sind die Umfänge der Kalibrationsobjekte in der Umfangsmatrix abgebildet. Durch Verwendung eines Kalibrationsstandards mit bekanntem Durchmesser sind die Einheiten der Polarkoordinaten definiert. Zum Beispiel, wenn der Kalibrationsdurchmesser des abgetasteten Objektes 10,16 cm (4'') beträgt, kann der Polarradius auf 5,08 cm (2'') skaliert werden.

Ein anderes Verfahren des Skizzierens des Umfanges des abgetasteten Objektes in einer kalibrierten Matrix ist die Verwendung des Polarwinkels &agr; und des Abstandes D1, um direkt einen Einzelpunkt in der Matrix zu identifizieren.

Ein größerer Kalibrationsstandard 38 mit bekanntmn Durchmesser, zum Beispiel der maximale Abtastdurchmesser der Vorrichtung, kann abgetastet werden, um die Genauigkeit der Kalibration der Matrix zu verbessern, wobei die Größe der Umfangsmatrix durch Vergleich der Größendurchmesser mit aktuellen Durchmessern verifiziert werden kann.

Bezugnehmend auf 6 korrespondiert die Umfangsskizze 58 zu dem Kalibrationsstandard 13. Die Umfangsskizze 62 korrespondiert zum Kalibrationsstandard 38. Der Polarwinkel &agr; und der Polarradius &rgr; spezifizieren einen Punkt (x, y) in einer x, y-Umfangsmatrix 60.

Zum Beispiel ist ein Punkt in dem Umfang spezifiziert durch Polarwinkel &agr;1 und Polarradius &rgr;1, auch definiert durch Punkt X1 = F(&agr;1, &rgr;1), Y1 = F(&agr;1, &rgr;1). Ähnlich ist für einen Punkt, definiert durch Polarwinkel &agr;2 und Polarradius &rgr;2, der gleiche Punkt spezifiziert durch X2 = F(&agr;2, &rgr;2) und Y2 = F(&agr;2, &rgr;2) spezifiziert. Die Matrix 60 wurde für aktuelle physikalische Abmessungen der Kalibrationsstandards skaliert.

Bezugnehmend auf 7A wird ein nichtzylindrisches Objekt 64 an einer Orbitalposition abgetastet. Bei einem Startpunkt (0°) des Orbits ist ein Strahl 72 von dem Brennpunkt 35 am Abstand F1 von der Drehachse 36 zu dem tangentialen Punkt 78 an dem Objekt 64 durch das Array 20 gezogen und wird in einem Detektor bei Abstand 80 gesehen. Der Strahl 72 erzeugt eine Spitze 67, wie in 7B gezeigt, da das Licht wenigstens in die Distanz 73 innerhalb des Objektes durchlaufen ist. (Aus?)Von der Tabelle für den Abstand 80 an dem Array sind der Polarradius &rgr;1 und der Polarwinkel &agr;1 für den Abtastwinkel 0° bestimmt. In 7C, nach einigen Gradzahlen der Drehung um den Orbit, zum Beispiel 90°, trifft der Laserstrahl 14 auf das Objekt 64. Ein Strahl 82 ist gezogen von dem Punkt 35 zu einem tangentialen Punkt 84 am Objekt 64 durchlaufend durch das Array 20 und wird in einem Detektor bei einem Abstand 86 am Array gesehen. Aus der Tabelle für die Entfernung 86 auf dem Array sind der Polarradius &rgr;2 und der Polarwinkel &agr;2 für den Abtastwinkel 90° bestimmt. Die Umfangspunkte 78 und 84 von den abgetasteten Objekten, die auf diese Weise erhalten sind, werden auf die Umfangsmatrix 66 skizziert, wie in 8 gezeigt. Für Winkel zwischen 0° und 359° wird der Prozeß der Bestimmung des Polarwinkels &agr;, Messen der Distanz am Array 20, Bestimmen des Polarradius' &rgr; von der Tabelle und Identifizieren des Punktes in der Umfangsmatrix wiederholt. Durch diesen Prozeß ist der Umfang des Objektes 64 in der Umfangsmatrix abgebildet.

Ein beispielhafter Schaltkreis zur Umfangserfassung ist in 9 offenbart. Die Sensoren 20 können durch einen linearen 1-dimensionalen CCD-(charge coupled device)-Sensor 88 implementiert sein, welcher eine Televisionaufnahmeeinrichtung von Texas Instruments, EG & G und anderen sein kann. Der CCD-Sensor 88 gibt ein analoges Videosignal aus, das zu dem vom Sensor empfangenen Licht korrespondiert. Das Videosignal korrespondiert zu der Antwortkurve 26. Das Videosignal wird mit Schwellwerten am Schaltkreisblock 90 verglichen, um die scharfen Kanten 30 zu bestimmen. Die Führungskante ist Winkel A1, und die nachfolgende Kante ist Winkel B1. Die Führungskante wird am Schaltkreisblock 92 aufgenommen und die nachfolgende Kante bei 94. Die Verarbeitung von beiden ist identisch, und nur die Prozessierung des Winkels A1 ist zum Zwecke der Klarheit erläutert. Der Führungskantenaufnahmeschaltkreisblock 92 etabliert den Winkel A1 aus dem Schwellwertschaltkreisblock-90-Ausgang. Dieser Winkelwert ist in eine Sinustabelle 96 eingetragen. Der Wert von Sinus A1 ist multipliziert durch den Abstand F1 in Multiplizierer 98, um den Abstand CR1 zu berechnen. Der Winkel A1 ist auch auf eine Cosinustabelle 100 aufgeprägt. Der Wert von Cosinus A1 wird dann durch den Widerstand CR1 im Multiplizierer 102 multipliziert, um beim Abstand D1 anzukommen. Der Abstand D1 und Winkel A1 werden dann verwendet, um die Polarkoordinaten eines Punktes des Umfanges eines Objektes zu bestimmen. Die Elemente 96102 können durch eine einzeln vorkalkulierte Tabelle ersetzt werden, die von der Geometrie kalkuliert werden kann oder durch Kalibrationsmessung von Objekten mit bekannter Größe etabliert werden kann. Die Elemente 90102 können als Analogschaltkreis implementiert sein, wie digitale Hardware, oder können als ablaufende Software auf einer programmierbaren Einrichtung implentiert sein. Ein Analog-Digital-Konverter kann verwendet werden, um das Videosignal in eine digitale Implementierung zu digitalisieren. Andere Sensoren, wie Fotodioden, Fototransistoren, Avalanche-Foto-Dioden, fotoresistive Widerstände oder andere fotoelektrische Sensoren können auch verwendet werden.

Die Bestimmung der Abbildung der Umfänge der abgetasteten Objekte weist viele nützliche Anwendungen auf. Die Umfangsabbildung ist zu der Rotationsachse zentriert auf einem Orbit um das abzutastende Objekt. Da die Position des Laserstrahles als eine Funktion des Umfanges bei jeder Position in dem Umfang des abgetasteten Objektes bekannt ist, ist die optische Pfadlänge von dem Punkt, bei dem der Laserstrahl auf das abgetastete Objekt auftrifft, an jeden Punkt des Umfanges bekannt.

Bezugnehmend auf 10 ist die Umfangsmatrix 66 mit Einheiten 104 gezeigt mit einer Umfangsskizze. Der Laserstrahl 14 trifft auf das abzutastende Objekt am Punkt 108 an der Umfangsskizze auf. Eine gerade optische Pfadlinie 106 ist gezeichnet durch das Objekt von dem Punkt 108 zu einem Punkt 114, definiert durch Polarwinkel &agr; und den Polarradius &rgr;. Die Umfangsmatrix 66 weist ein Zentrum auf, ausgerichtet an der Rotationsachse der Abtastkammer. Nachdem die Umfangsmatrix 66 kalibriert ist, sind die Einheiten 104 der Matrix bekannt. Nachdem der Umfang 105 des abgetasteten Objektes auf der Matrix 66 überlagert ist, kann ein Punkt 108, bei dem der Laserstrahl 14 auf der Oberfläche des abzutastenden Objektes auftritt, in der Umfangsmatrix lokalisiert werden. Für jeden Winkel &agr; kann der Punkt, bei dem der Polarradius &rgr; den überlagerten Umfang 64 des abzutastenden Objektes schneidet, bestimmt werden. Der Y-Abstand 110 ist gleich zu D1 und kann auch aus der Umfangsmatrix 66 bestimmt werden. Der X-Abstand 112 kann aus der Umfangsmatrix bestimmt werden. Der optische Pfad 106, der Abstand Z, durch den das abzutastende Objekt können daher bestimmt werden aus den X- und Y-Abständen unter Verwendung der Gesetze für rechte Winkel in der folgenden Gleichung, Abstand Z = Quadratwurzel (x2 + y2)(7).

Andere mathematische Mittel können verwendet werden, um den optischen Pfad 106 zu bestimmen.

Kenntnis der optischen Pfadlänge und des Brechungsindexes des Materials des abzutastenden Objektes stellt Kenntnis der optischen Verzögerung von auftreffenden Photonen bereit, die sich innerhalb des abzutastenden Objektes bewegen. Dieser optische Verzögerungsparameter ist hilfreich in Zeitfensterstudien, bei denen nur ein Teil der aus dem abzutastenden Objekt austretenden Photonen als aufgezeichnete Daten gewünscht sind.

Kenntnis der optischen Pfadlänge stellt auch Mittel für Justierparameter in Datensammelverfahren bereit. Zum Beispiel stellt Kenntnis von optischen Pfadlängen eine Indikation der optischen Abschwächung durch das abzutastende Objekt bereit. Kenntnis der optischen Abschwächung kann verwendet werden, um die Leistung der Laser oder Verstärkung der Detektoren zu kontrollieren.

Da die Kenntnis für den Umfang eines abzutastenden Objektes für alle Positionen in dem Orbit bekannt sind, ist ein adaptives Datenaufnahmeschema möglich und kann verwendet werden, um die Datenaufzeichnungsparameter zu optimieren.

Verwendung der Umfangsdaten des abgetasteten Objektes ist in US 6,150,649 und US 5,130,958 diskutiert. Eine andere Ausführungssform der Erfindung ist in

11 offenbart. Ein Sensor-Array 116, Linsen 118 und ein Schwächungsfilter 120 sind auf der gleichen Seite wie der Laserstrahl 14 angeordnet. Kalibrationsstandards 13 und 38 werden verwendet, um die Umfangsmatrix und das Sensor-Array 116 zu kalibrieren.

Es ist selbstverständlich, daß die Kalibrationsstandards 13 und 38 einzeln zu einer Zeit verwendet werden, obwohl sie zum Zwecke der Erläuterung zusammen gezeigt sind. Der Laserstrahl 14 trifft auf die abzutastenden Objekte 38 und 13 durch das Zentrum 36 des Orbits. Helle Punkte werden an den Punkten 122 und 124 erzeugt. Das Schwächungsfilter 120 wird verwendet, um die hochgradige Helligkeit der Punkte 122 und 124 zu reduzieren. Bei jedem Durchmesser der abzutastenden Objekte 13 und 38 wird ein spezifisches Element des Sensor-Arrays 116 jeden der Punkte 122 und 124 detektieren. Die Linse 118 wird verwendet, um das Licht mit größerer Präzision auf den Sensor-Array 116 zu fokussieren.

Bezugnehmend auf 12 sind Strahlen 126 und 128 von den Punkten 122 und 124 reflektiert, um verschiedene Elemente des Sensor-Arrays 116 zu illuminieren. Verschiedene Durchmesser des abzutastenden Objektes werden ausgewählt, um unterschiedliche Sensor-Elemente zu stimulieren. Ein Stift 130, angeordnet in dem Zentrum 36, und ein Objekt maximaler Größe 38 kann verwendet werden, um die Elemente des Sensor-Arrays 116 zu kalibrieren, die zu den minimalen und maximalen Durchmessern korrespondieren, in dem Pfad des Laserstrahles 14. Da der Laserstrahl 14, das Detektor-Array 12, das Sensor-Array 116, die Linse 118 und der Brechungsfilter 120 kreisförmig um das Zentrum 36 um das abzutastende Objekt herumgeführt sind, wird das Ausgangssignal des Sensor-Arrays 116 in einer direkten Beziehung zu dem Umfang des abzutastenden Objektes stehen. Durch Datenaufzeichnung unter Verwendung eines oder mehrerer bekannter abzutastender Durchmesserobjekte kann das Niveau des Sensorsignales in bezug zu dem Durchmesser des abzutastenden Objektes kalibriert werden. Nach der Kalibrierung kann das Sensorsignal elektronisch decodiert werden, um die Koordinaten für den Umfang des abzutastenden Objektes zu skizzieren, da die Abtastkammer um das abzutastende Objekt kreisförmig geführt ist. Der Strahl 132 wird auf ein anderes Element in dem Array 116 treffen, wie in 12 gezeigt.

Ein beispielhaftes Blockdiagramm eines Schaltkreises zur Bestimmung der Umfangsposition aus den Sensorsignalen, die von den Sensor-Arrays 116 generiert sind, ist in 13 offenbart. Das Sensor-Array 116 ist mit einem CCD-Kamera-Sensor 134 implementiert, vorzugsweise ein lineares CCD-Array, dessen Ausgang durch ADC(Analog/Digital-Wandler) 136 in einen digitalen Datenstrom 138 digitalisiert ist. Die Videoskizze wird typischerweise ein Einzelimpuls (der Laserstrahl trifft auf das abzutastende Objekt auf) sein auf einem relativ flachen Feld. Die Position dieser Spitze ist bestimmt durch einen Schwerpunktkalkulationsblock 140. Die Spitzenschwerpunktsposition wird in eine Tabelle 142 eingetragen, die einen Umfangsabstandswert ausgibt, typischerweise in Polarkoordinaten vom Drehmittelpunkt. Die Positionstabelle kann aus der physikalischen Geometrie oder Kalibrationsmessungen an Objekten bekannter Größe etabliert werden.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Bestimmung des Umfangs eines abgetasteten Objekts, aufweisend:

    a) eine Abtastkammer (8) zur Aufnahme eines dort abgetasteten Objekts;

    b) eine Quelle eines Laserstrahls (14), innerhalb dieser Abtastkammer (8) angeordnet zum Auftreffen auf dem abgetasteten Objekt, wobei der Laserstrahl (14) angepaßt ist, um um das Objekt herumzukreisen;

    c) ein Array von Sensoren (20), angeordnet innerhalb der Kammer (8), wobei jeder der Sensoren (20) angepaßt ist, um Licht zu detektieren, das ausgestrahlt oder reflektiert wird von der Oberfläche des Objektes aufgrund des auf das Objekt auftreffenden Laserstrahls (14);

    d) eine Zerstreuungslinse (22), die zwischen den Sensoren (20) und dem abgetasteten Objekt angeordnet ist;

    e) wobei jeder der Sensoren (20) derart angeordnet ist, daß einer der Sensoren (20) eine Peakantwort erzeugt auf Licht, das ausgestrahlt oder reflektiert wird von einem Punkt auf der Oberfläche bei einer vorbestimmten Distanz von einem Referenzpunkt, so daß an jeder Winkelposition des Laserstrahls (14) im Orbit ein spezifischer Punkt bei einer Distanz von der Referenz bestimmt ist, dadurch erzeugend einen Satz an Punkten, die den Umfang der Oberfläche nach einem vollständigen Orbit darstellen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

    a) der Laserstrahl (14) durch die Achse des Orbits ausgerichtet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

    a) die Sensoren (20) angeordnet sind entgegengesetzt der Quelle des Laserstrahls (14) hinüber zum abgetasteten Objekt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei:

    a) die Sensoren (20) angeordnet sind, um Licht entlang einer Tangente zu einem Punkt auf der Oberfläche und einem Punkt hinter den Sensoren (20) zu detektieren.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei:

    a) die Sensoren (20) angeordnet sind entgegengesetzt dem Laserstrahl (14) auf einer Linie durch das Zentrum des Orbits.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei:

    a) die Sensoren (20) angeordnet sind auf einem Linear-Array; und

    b) das Array angeordnet ist transversal zur Linie durch das Zentrum des Orbits.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

    a) die Sensoren (20) angeordnet sind auf der gleichen Seite des gescannten Objektes wie die Quelle des Laserstrahls (14)
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei:

    a) die Sensoren (20) derart angeordnet sind, um Licht zu detektieren, das von einem Punkt auf der Oberfläche reflektiert wird, an welchem der Laserstrahl (14) die Oberfläche trifft.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

    a) die Sensoren (20) optische CCD-Sensoren sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

    a) die Sensoren (20) Fotodioden beinhalten.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

    a) die Sensoren (20) Fototransistoren beinhalten.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

    a) die Sensoren (20) Avalanche-Fotodioden beinhalten.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

    a) die Sensoren (20) fotoresistive Sensoren beinhalten.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

    a) die Sensoren (20) fotoelektrische Sensoren beinhalten.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






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