DE2149279C3

DE2149279C3 - Szintillations-Kamera mit einem scheibenförmigen Szintillations-Kristall und einer Vielzahl von Photovervielfachern, deren Ausgänge über nichtlineare Verstärker mit einer Ortungsschaltung verbunden sind

Info

Publication number: DE2149279C3
Application number: DE2149279A
Authority: DE
Inventors: Gerardus Huibrecht Amstelveen Kulberg (Niederlande); Gerd 6906 Leimen Muehlleher
Original assignee: GD Searle LLC
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-10-12
Filing date: 1971-10-02
Publication date: 1975-08-21
Also published as: CA945692A; DE2149279A1; ZA716794B; NL7113984A; GB1363246A; SE365618B; AU3444371A; DE2149279B2; JPS5129839B1; AU463006B2; US3732419A; FR2110361A1; FR2110361B1; CH539858A; NL151515B; IT944739B

Description

ausgewählt ist, d

pi pinen Anordnune mit min

destens 19 Photovervielfachera (Pl bis P19) in hexagonaler Anordnung und mit einem Szintillations-Kristall (101) von mindestens 25,4 cm Durchmesser diejenigen Photovervielfacher, deren Zentralachsen um mindestens zwei Photovervielfacherröhrendurchmesser von der Szintillation entfernt liegen, im wesentlichen nicht zur Signalbildung beitragen.

5. Szintillations-Kamera nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dar Schwellwertverstärker (220; F i g. 8) eine Schwellwertgröße aufweist, die ungefähr 5 % der für eine in dem Szintillations-Kristall (101) in unmittelbarer Nähe eines der Photovervielfacher (210) auftretenden Szintillation von dem betreffenden Die Erfindung betrifft eine Szintillatiöns-Kamera mit einem Szintillations-Kristall in Gestalt einer flachen Scheibe, an deu eine Vielzahl von Photoverv^:elfachern optisch so angekoppelt sind, daß sie Licht

von sich überlappenden Flächen des Kristalls erfassen, wobei die größte Abmessung des Kristalls mindestens dem Zweifachen des Durchmessers eines Photovervielfachcrs entspricht und mindestens drei Photovervielfacher längs dieser größten Abmessung

des Kristalls angeordnet sind, mit einer der Anzahl der Fotovervielfacher gleichen Zahl von Vorverstärkern, von denen jeweils einer mit dem Ausgang des zugehörigen Photovervielfachers verbunden ist, und mit einer mit den Ausgängen der Vorverstärker ver-

bundenen Ortungsschaltung, die den Koordinaten einer im Szintillations-Kristall von einem Strahlungsquant erzeugten Szintillation entsprechende Koordinatensignale aus den Vorverstärker-Ausgangsimpulsen ableitet, wobei die mit den Photovervielfachera verbundene Schaltung nichtlineare Verstärker für die Koordinatensignale aufweist, deren Verstärkungsgrad von der Größe der Photovervielfacher-Ausgangsimpulse abhängt.

Szintillations-Kameras werden in großer Zahl in nuklear-medizinischen Abteilungen von Krankenhäusern der ganzen Welt verwendet. Häufig verwendet wird eine kommerzielle Version einer von Anger geschaffenen bekannten Szintilla'^;ons-Kamera der eingangs genannten Art, die in dem US-Patent 3 011 057 und in den vielen über diese Vorrichtung innerhalb der letzten zehn Jahre veröffentlichten Artike'n beschrieben worden ist. Diese Szintillations-Kamera ist in der Lage, schnei! ein Bild der Verteilung der Radioaktivität innerhalb eines zu untersuchenden Objektes aufzunehmen, wie z.B. eines Organs des menschlichen Körpers, das eine diagnostische Menge eines radioaktiven Isotops aufgenommen hat. Die Anger-Szintillations-Kamera erzeujt ein Bild der radioaktiven Verteilung, indem einzt'ns; von der ver-

teilten Radioaktivität in dem Objekt ausgestrahlte Gammastrahlen einen Kollimator passieren und in einem Szintillations-Kristall eine Szintillation erzeugen. Die Szintillation wird durch überlappende Bereiche des Kristalls erfassende fnotovervieiiacheiröhren aufgenommen und mittels elektronischer Schaltungen in x- und y-Koordinatensignale und ein z-Signal, das die Energie des Szintillationsereignisses anzeigt, oder aus dem hervorgeht, ob das Ereignis in ein ausgewähltes »Fenster« eines Energiespektrums fällt, umgesetzt. Die Radioaktivitätsverteüung in dem Objekt kann auf einem Kathodenstrahloszillographen dargestellt und auf fotografischem Film integriert werden. Eine verhältnismäßig große Anzahl von Szintiüationsereignissen ist nötig, um das endgültige Bild der Radioaktivitätsverteilung aufzubauen.

Als Auflösung einer Szintillations-Kamera bezeichnet man die Fähigkeit der Kamera, die räumliche Verteilung der Radioaktivität, die sich innerhalb des

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Sichtbereichs der Vorrichtung befindet, getreu wieder- anhebung führt, vergrößert wird. Die von entfernteren

£■ ■ zugeben, Die Gesamtauflösung einer Szintillations- Vervielfachern gelieferten Informationen sind also

|i Kamera hängt von der Auflösung des verwendeten wesentlich weniger genau als die durch nänere Ver-

|: . 'Kollimatoss und von der Auflösung des Detektors vielfacher gelieferten Signale, da jene auf verhältnis-

|- selbst ab. Die Auflösung des bei Szintillations-Kame- 5 mäßig wenig Photonen von dem Szintülationsereignis

p^; _r ras verwendeten Viellochkollimators ist abhängig von basieren. Die Bildauflösung wird damit durch Signale

f : der Größe der Löcher, der Wanddicke zwischen den entfernter Vervielfacher bei der endgültigen Koordi-

^ Löchern und deren axialer Länge. Beim Entwurf von natensignalerzeugung verschlechtert.

s Vfcllochkollimatoren muß ein Kompromiß zwischen Die vorliegende Erfindung geht, wie die oben schon

der Auflösung und der Effektivität geschlossen werden. 1° erwähnten bekannten Maßnahmen, von der Aufgabe

Die Auflösung der Detektorschaltung einer Anger- aus, das flächenhafte Auflösungsvermögen einer Szin-

Kamera ist abhängig von ihrer Fähigkeit, die Lage- tillations-Kamera zu verbessern.

koordinaten jedes SzintillationsereignisseE ,enau zu Bei einer Szintillations-Kamera der eingangs ge-

' signalisieren. Da viele Operationen bei der ^«-Kennung nannten Art wird erfindungsgemäß diese Aufgabe

eines Szintillationsereignisses und .kr Erzeugung 15 dadurch gelöst, daß die Vorverstärker derart mit

seiner Positionskoordinaten erioid'-'u-u sind, be- nichtlinearer Vorstärkung ausgebildet sind, daß

stimmt die Genauigkeit jeder dtei . Operationen weit- größere Eingangsimpulse in ihnen mehr verstärkt

gehend die Gesamtgenauir-· ύι oder Auflösung der werden als kleinere Eingangsinipulse.

; Szintillations-Kamera. Ein - -: dem Szintillations- Dadutch wird erreicht, daß die kleineren Aus-

* Kristall in Wechselwirkung tretender Gammastrahl 20 gangssignale von Photovervijlfacherröhren abge-

" erzeugt einen LichtbiUz mit statischer Varianz in der schwächt werden, die von der Szit Jlationsstelle ent-

Γ Anzahl der dabei erzeugten Photonen. Die V-rteilung fernter liegen. Der diesen Signalen innewohnende

: dieser Photonen auf die Photokathoden der Photo- hohe Fehleranteil wird dadurch beseitigt und eine

^r: Vervielfacherröhren besitzt ebenfalls eine statische Auflösungsverbesserung erreicht, die auch bei den

Varianz; und das gleiche gilt für den Wirkungsgrad 25 anderen schon genannten Kameras wirksam wird, die

der Photovervielfacherröhren bei der Umwandlung noch weitere Einrichtungen zur Verbesserung der

der Lichtphotonen in elektrische Signale sowie für Auflösung aufweisen.

die Umwandlung dieser Signale in x-, y- und z-Signäle. Besonders einfach und wirkungsvoll ist es, wenn

In jeder Stufe kann zur Verbesserung der Gesamt- gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die nicht-

auflösung beigetragen werden. 30 linearen Vorverstärker derart als Schwellwertver-

Beispielsweise offenbart ein Artikel in »Proceedings stärker ausgebildet sind, daß Eingangsimpulse unter-

of the IEEE«, Bd. 58, 1970, Nr. 2, S. 226, sowi- -in halb einer bestimmten Schwellwertgröße im wesent-

Aufsatz im »International Journal of Applied Radia- liehen kein Ausgangssignal, Eingangsimpulse ober-

tion and Isotopes«, Bd. 17, 1966, Nr. 4, S. 227 und halb dieser Schwellwertgröße dagegen ein Ausgangs-

22S, die Möglichkeit, durch einen Impuls-Analysator 35 signal erzeugen, das im wesentlichen proportional

die Gesamt-Auflösung zu verbessern, indem nur die zur Größendifferenz zwischen Eingangssignal und

Szintillationsereignisse dargestellt werden, die der Schwellwertgröße ist.

vollen Ent-gie der die Kamera erreichenden Gamma- Die erfindungsgemäß erreichte verbessere Aufquanten entsprechen, während gestreuten oder sekun- lösung erfordert keine Modifikation anderer elektrodär ausgelösten Quanten entsprechende Lichtblitze 40 nischcr Schaltungen der Anger-Kamera. Jedoch kann nicht ausgewertet werden. Damit wird das »Rauschen« einb Veränderung der IntegrationszeitKonstanten der im Bild vermindert und der Einfluß von Untergrund- Einheit nützlich sein, um zusätzlich Auflösungsverstrahlung vermindert, indem weiterhin Verhältnis- be&serang zu erreichen, indem man der Schaltung Verstärker vorgesehen werden, die die x- und y-Signale ermöglicht, langer auf jedes Ereignis zu reagieren bezüglich des z-Signals normieren, wird außerdem 45 und dadurch mehr Licht von jedem Szintillationsverhindert, daß zwei Ereignisse unterschiedlicher ereignis verwendbar wird.

Energie, aber gleicher Position an unterschiedlichen Außerdem können früher hergestellte Kameras

Stellen dargestellt werden. Als andere Maßnahmen nach der Erfindung ausgebildet werden, indem Er-

zur Verbesserung der Auflösung ist die Verwendung satzverstärker installiert werden und andere kleine

von nichtlinearen logarithmischen Verstärkern in 5° Schaltungsveräncierungen vorgenommen werden. Dazu

einer Szintillations-Kamera bekannt. ist es besonders nützlich, wenn gemäß einer anderen

In der Zeitschrift »Nucleonics«, Ba. 21, 1963, Wei*erbildung die Schwellwertverstärker jeweils eine

Nr. !0, S *>? hi<; 59. ist eine Szintillations-Kamera Breitbandverstärkerstufe, eine Schwellwertverstärker-

beschrieben, die eine aus 293 Einzelkristallen aut- sture rr.it einer vfvbcsummtcn Schwe'.hvertgrößp. pine

gebaute Kristallanordnung besitzt. Damit soll eine 55 Integrationsstufe sowie eine Ausgangsverstärkerstufe

Vergrößerung der Kristallwirkflächc erreicht werden, aufweisen, oder wenn die Schwellwertgröße der

ohne daß gleichzeitig eine nachteilige Krista'!dicken- Schwellwertverstärker so ausgewählt ist, daß bei

vergrößerung erforderlich wäre. Hier wird das Auf- einer Anordnung mit mindestens 19 Photoverviel-

lösungsvermögen im wesentlichen durch die Größe fachern in hexagonaler Anordnung und mit einem

der Einzelkristalle bestimmt. 60 Szintillationskristall von mindestens 25,4 cm Durch-

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Ent- messer diejenigen Photovervielfache', deren Zentral-

deckung, daß Signalinformationen von weiter vom achsen um mindestens zwei Photovervielfacherröhren-

Szintillationsereignis entfernten Photovervielfachern durchmesser von der Szintillation entfernt liegen, im

die Auflösung des Anger-Detektors verschlechtem, wesentlichen nicht zur Signalbildung beitragen,

und zwar wegen der statistischen Varianten in der 65 Als besonders wirkungsvoll hat sich ein Schwell-

Anzahl der Photonen, die diese Vervielfacher er- wertverstärker erwiesen, der eine Schweliwertgröße

reichen, die noch durch die z-Norraierung, die wegen aufweist, die ungefähr 5°/o der für eine in demSzintü-

der großen Entfernung zu einer starken Signal- lations-Kristall in unmittelbarer Nähe eines der Photo-

vervielfacher auftretenden Szintillation von dem betreffenden Photovervielfacher maximal erwarteten Ausgangssignalgröße entspricht.

Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm der Elektronik einer Szint'llations-Kamera,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer hexagonalen Anordnung von Photovervielfacherröhren in einer solchen Kamera,

F i g. 3 schematisch, teilweise als Block und teilweise als Schaltung, einen Teil der Kamera,

F i g. 4 eine teilweise geschnittene schematische Ansicht von Elementen eines Detektorkopfes einer Szintillations-Kamera,

F i g. 5 eine graphische Darstellung des Ausgangssignals der Photovcrvielfacher der Fig.4 als Funktion der Stellung einer kollimatierten Gammastrahlenquelle auf der x-Achse des Detektors,

F i g. 6 ein schematisches Blockdiagramm eines Schwellen-Vorverstärkers, wie er bei der Kamera nach der Erfindung verwendet werden kann,

F i g. 7 ein schematisches Schaltdiagramm eines Vorverstärkers herkömmlicher Art,

F i g. 8 ein schematisches Schaltdiagramm eines Schwellen-Vorverstärkers, wie er bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Kamera vorliegen kann,

F i g. 9 eine graphische Darstellung der Form der Eingangs-Ausgangs-Übertragungscharakteristik eines Vorverstärkers bekannter Art und eines bei der er-Sndungsgemäß ausgebildeten Kamera vorliegenden Schwellen-Vorverstärkers und

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Summierverstärkers, der in einer handelsüblichen Ausführung der Anger-Szin'illatior.s-Kamera verwendet wird.

In F i g. 1 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung einer vorliegenden handelsüblichen Form einer Anger-Kamera gezeigt. 19 Photovervielfacher (PW) 10 wirken zusammen, um eine Szintillation zu erkennen, und ihre 19 Ausgänge 11 sind mit 19 Vorverstärkerschaltungen (VORV) 20 getrennt verbunden. 19 Vorverstärkerausgänge 21 sind mit einer Widerstandsmatrix und einem Summenverstärkerschaltkreis 30 verbunden, der von den Vorverstärkerausgängen vier Koordinatenausgangssignale x + , x—, y+, y— an den Leitungen Jl bis 34 erzeugt. Diese vier Ausgangssignale werden zu Leitungsverstärkern und Torausdehnem 58 und zu einem z-Impulsiormer- und Pul'höhenanalysator 48 geführt. Der z-Pulsformer kombiniert die vier Eingangssignale zu einem z-Signal, das die Energie eines Szintillationsereignisses darstellt, und das einen Eingang auf einer Leitung 43 für den Differenzverstärker und Verhältnisschaltkreis 60 darstellt. Der Pulshöhenanalysator blendet die Torausdehner ein, wenn die Energie des SzintillationsereigEisses innerhalb eines ausgewählten Energiespektralbereichs fällt, so daß verlängerte Koordinatensignaie über Leitungen 51 bis 54 dem Diff erenzverstärlrer und Verhälraisschaltkreis 60 übermittelt weri^s" den, «o die x+ und x— entsprechenden Signale und die y-r und y— entsprechenden Signale voneinander S" abgezogen und die Ergebnisse mit dem z-Impjils als ■Ϊ* ,Nester ms Verhältnis gesetzt werden, um x- und *" yJfiordisatensignale auf den Leitungen 61 und 62 erzeugen- Der Püishöhenanälvsator erzeugt auch Eins I^aitsignai auf der Lei. ig 41 als Eingang für eine Kathodenstrahlsichtröhre 70, wenn der Analysierer festgestellt hat, daß ein Szintiliationsereignis innerhalb eines ausgewählten Encrgiespektralbereichs fällt, und die Sichtröhre erzeugt für jedes

Einschaltsignal einen Lichtpunkt in Übereinstimmung mit x- und y-Koordinatensigtialen auf einer Sichtscheibe 71.

In F i g. 2 ist eine hexagonale Anordnung von 19 Photovervielfachern Pl bis P19, die in der vorliegenden handelsüblichen Version der Anger-Kamera verwendet werden, schematich gezeigt, so wie diese Anordnung von der Seite erscheint, die gegenüber einem Szintillations-Kristall 101 liegt, der von den Vervielfachern betrachtet wird. Ein jc-y-Koordinaten-

system mit dem Ursprung am Punkt/ί. der zentralen Achse des Photovervielf achers P10, wird bei dieser Kamera angewendet.

F i g. 3 zeigt mit mehr Einzelheiten die Verkopplung der Photovervielfacher P1 bis P19 mittels einzelner Vorverstärkerschaltungen PA 1 bis PA 19 mit einer Widerstandsmatrix, in der im wesentlichen alle Ausgänge von den Vorverstärkern PA 1 bis PA19 über ihre Bewertungswiderstände gekoppelt sind, wie z. B. R 21 bis R 24 mit vier Koordinatensignalleitungen λ ~, x—, y-\ , y—. Die PhotovervielfacherP8 bzw. P12 haben keine Widerstandsverkopplungen zu den χλ-- und χ - -Leitungen. Die Werte der Bewertungswiderstände werden in Übereinstimmung mit der Position von jeder Röhre in dem Λ-y-Koordinatensystem festgestellt. Fig. 3 zeigt die Matrix, die in der vorliegenden kommerziellen Veision der Anger-Kamera verwendet wurde; jedoch wurden auch andere Matrixlösungen unter Verwendung von Kondensatoren oder Impedanzelementen durch H.O.Anger und andere benutzt. Es ist außerdem zu bemerken, dart das Vierleitungssystem, das in den Fig. 1 und 3 gezeigt wurde, durch ein Fünfieiiungssystem ersetzt werden könnte, das eine getrennte Matrix für das Energie-, d. h., das z-Signal einschließen würde, und einen etwas unterschiedlichen Lösungsweg für die Matrizenanwendung zur Entwicklung der χ + - χ—, y-V- und y —Signale ergeben würde.

F i g. 4 zeigt schematisch einen Querschnitt der wichtigeren Funktionselemente in einem Detektorkopf der vorliegenden handelsüblichen Version der Anger-Kamera. Ein Kollimator 90 eines vielkanaligen Typs, d. h. mit einer großen Anzahl von Kanälen 91, erlaubt Strahlungsquanten, die im wesentlichen in der Richtung der Achsen der Kanäle lauf en, zu passieren, während Strahlen absorbiert oder blockiert werden, die mit anderen Winkeln einfallen. Eine Kristallanordnung 100, die aus einem Szintillations-Kristall 101 in der Form einer flachen runden Scheibe von mit Thallium aktiviertem Natriumjodid und aus einem Glasfenster 102 besteht, empfängt Strahlungsquanten, die durch den Kollimator 90 passieren. Ein Strahlungsquant, das mit dem SzintiHations-Kristall 1Θ1 in Wechselwirkung tritt, erzeugt einen Lichtblitz darin, dessen Photonen isotrop ausgestrahlt werden.

Die Anzahl der Photonen hängt von der Energie ab, die durch die Strahlung in dem Kristall abgegeben wir·.', und wenn die gesamte Energie der Quants zur EnKUgUiIg des Szintaiationsereignisyes abgegeben wurde, handelt es sich bei dem Ereignis um ein Photolinienereignis. Der Pulshöhenauswähler der Kamera wird im allgemeinen so eingestellt, daß die Kamera ein endgültiges Bild von im wesentlichen nur den Photolinienereignissen erzeugt, die der vollen

Fnergie der angewendeten radioaktiven Isotope entsprechen. Die meisten der Photonen, die bei einem Szintillationsereignis ausgestrahlt werden, erreichen schließlich eine der Pholokathoden der Photovervielfacher Pl bis P19, wobei einige direkt durch den Szintillationskristall 101, das Glasfenster 102 und einen Lich»^]eiter 11.0 laufen, während andere erst von verschiedenen Oberflächen und Zwischenflächen der Anordnung reflektiert und/oder gebrochen wurden. Nuten, wie z. B. die Nut 111, sind in der· Lichtleiter 110 zwischen den Photoverviclfachern geschnitten, um das Licht auf die Photokathoden der Röhren zu lenken. Die Zuteilung der Photonen von jedem Sziniillationsereignis ist derartr. daß Photovervielfacher in der Nähe der Koordinatenstelle des Ereignisscs eine verhältnismäßig große Anzahl von Photonen erhalten, während entferntere Vervielfacher weniger Photonen aufnehmen.

F i g. 5 zeigt in graphischer Form die Ausgangssignale von fünf Röhren P 8 bis P12 auf der x-Achse der Kameraanordnung nach Fig. 4, die von einer kolümatierten Gammastrahlenquelle an verschiedenen Stellen auf der t-Achse herrühren. Die Kurven 131 bis 135 repräsentieren jeweils die Ausgänge von Röhren PS bis Pi2 in Fig.4, und gestricheitel inien 121 bis 125 repräsentieren die Achsen dieser fünf Röhren. Aus F i g. 5 ist zu erkennen, daß ein Szintillationsereignis. das am Punkt A in F i g. 2 auftritt, einen .ihr großen Ausgang vom Photovervielfachcr PlO ei7eugt. kleinere Ausgänge von P9 und PIi und sehr kleine Ausgänge von P8 und P12. Wegen der Konstruktion des Anger-Detektor* und der angewendeten Matrix ist der Durchschnittsfehler der Ausgangssignale von den Photovervielfachern P8 und P12 viel größer als der Durchschnittsfehler der Aus- ·>' gangssignale von P§ bis /'11. und der »Hebelarm«, über den die Ausgänge von P S und P12 angewendet werden, ist größer als die »Hebelarme« von P9 bis PH, so daß die Fehler sich addieren. Es wurde deshalb gefunden, daß die allgemeine Genauigkeit der Signalisierung der Koordinaten von einem Ereigns am Punkt A verbessert werden kann, indem die Beiträge der Photovervielfacher PS und P12 eliminiert oder die Beiträge von näheren Vervielfachern verstärkt werden. Wenn man dies auf die Neunzehn-Vervie'facheranordnung der , *. 2 anwendet, ist zu erkennen, daß die Verbesserang die Ausschaltung der Beiträge von allen zwölf \ervie1fact.ern des äußeren Ringe; für Szintillationsereignisse einschließt, die am Punkte unter dem PhotovervislfacherPlO auftreten. oder daß anderweitig die Beiträge der inneren Vervielfacher angehoben werden.

Eine ähnliche Analyse kann für den Punkt S der F i g. 2 gemacht werden, der gleiche Abstände von den Zentren der Photovervielfacher P6, PlO, PH und PS, Pl und P15 hat. Diese sechs Vervielfacher erhalten die meisten der Photonen von einem Szintillationsereignis, das arn Punkt B auftritt, und es wurde gefunden, daß durch im wesentlichen Ausschaltung der Beiträge der weiter entfernten Vervielfacher die Genauigkeit der Signalisierung der Koordinaten des Ereignisses, das am Punkt B auftritt, allgemein verbessert wird. Für Ereignisse, die am Punkt C auftreten, erhalten die PhotovervielfacherPl·, Pll, P6 und PlS die meisten Phutonen und liefern die genaueste Information, während die Vervielfacher im größeren Abstand im allgemeinen weniger genaue informationen beitragen.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Anwendung von Vorverstärkern am Ausgang jedes Photoverviclfachers, wobei diese Vorverstärker eine derartige nichtlineare Charakteristik besitzen, daß sie große Signalausgänge gegenüber kleinen Signalausgängen bevorzugen, wobei die verhältnismäßig genaueren Signalinformationen über den verhältnismäßig weniger genauen Signalinformationen, die für jedes Szintillationsereignis erzeugt werden, bevorzugt werden.

Von anderer Seite wurde kürzlich versucht, ungefähr das gleiche Fndergebnis zu erreichen, indem Verzögerungsleitungen und Zeit-zu-Impulshöhen-Konverter an Stelle einer Matrix von Impedanzen und Summierverstärkern verwendet wurden (Tanaka et al.. »Scintillation Cameras Based on New Position Arithmetics«, Journal of Nuclear Medicine, Vol. 11, No. 9. S. 542 bis 547, September 1970). Dieser andere Lösungsversuch schließt, obwohl er das grundlegende Anger-Kameraprinzip anwendet, einen totalen Umbau der eiektrrnischen Schaltung ein, während die vorliegende Erfindung unmittelbar und direkt an existierende Schaltungen von kommerziellen Anger-Kamerasystemen anpaßbar ist.

Ein Blockdiagiamm einer im Rahmen der Erfindung verwendbaren Form eines Vorverstärkers ist in Fig. 6 gezeigt. Ein Photomultiplier (PVV) 210 ist mit dem Vorverstärker 220 verkoppelt, der aus einer Breitbandverstärkerstufe 221, einer Schwellwertverstärkerstufe 222, einer Integrationsstufe 223 und einer Ausgangsverstärkerstüfe 224 besteht. Der Vorverstärker 220 wird am Ausgang jedes Photovervielfachci> Pl bis P19 der F i g. 3 als Vorverstärker PA 1 bis PA 19 verwendet.

Fig. 7 7eigt einen Vorverstärker gemäß dem Stand der Technik, bei dem die Eingangssignale aller Größen linear verstärkt und durch einen Kondensator ClO und einen Widerstand R 19 integriert werden, so daß sich eine charakteristische Ausgangskurve 150 ergibt, wie sie in Fig. 9 gezeigt ist. Kurve 160 der F i g. 9 zeigt die Form der Eingang- zu-Ausgang-Charakteristik des Schwellenvorverstärkers der in F i g. 6 in Blockfoim gezeigt ist. F i g. 8 zeigt die tatsächliche Schaltung eines solchen Schwellenvorverstäikers, wie er im Rahmen der vorliegenden Erfindung Tür die Anwendung bei einer Anger-Kamera handelsüblicher Art vorgesehen ist.

Nach Fig 8 enthält die Breitbandverstärkerstuie Transistoren Ql bis QS und mit ihnen verbundene Vorspann- und Kopplungsschaltungen. Die Schwellwertverstärkerstufe enthält einen Transistor Q6 und die damit verbundenen Vorspannschaltmittel einschließlich Ll, R 9, CRl und R10. Die Integrationsschaltstufe enthält eine Kapazität C6 und einen Widerstand R12, und die Ausgangsverstärkerstufe enthält die Transistoren Ql und QS und die damit verbundenen Schaltelemente. Der Transistor Q1 und seine damit verbundenen Schaltelemente wirken als ein Stromversorgungsgeräuschfilter. Die Schaltung nach F i g. 8 kann mit den folgenden Schaltelementen bzw. Werten hergestellt sein:

Transistoren Ql,Q3,Q4,Q5,Q6-ß8:

G 2:

QT.

2N3906
2N4258
2N3904-

Widerstände (Ohm)	2K	15	Induktivität	1OmH	lOV,5<Vo, V₁ Watt
Rl:	1OK	0,1	Ll:	Zenerdioden
*Rl:*	2K	15	*CRl:*
A3:	220	15
Λ 4:	100	15
*R9:*	IJK
*RU:*	12K
*RU:*	100 K
*RU:*	2,2 K
*RU:*	Kapazitäten (MiKrofarad)
*Cl.*
*Cl:*
C3:
C 4:
*CS:*

*RS:*	332
*R6:*	2K
*Rl:*	150
R 8:	1OK
R14:	1,8 K
KlS:	100 K
*RU:*	56
Λ17:	56
K18:	18K
C6:	0,002
*Cl:*	15
C 8:	0,100
C9:	0,047

Die Schaltung der F i g. 8 arbeitet in folgender Weise. Die die Transistoren Ql bis QS und damit verbundene Schaltelemente enthaltende Breitbandverstärkerstufe verstärkt das Ausgangssignal, das von dem Photovervielfacher aufgenommen wird. Die Serien -Widerstand - Kapazitäts - Schaltungsanordnungen C 8, R16 und C 9, R17 sind Phasenverzögerungsschaltungen, die die Bandbreite dieser Stufe auf etwa 20 Megahertz begrenzen, um Verstärkungen von Hochfrequenzstörungen zu vermeiden. Diese Bandbreite ist jedoch ausreichend, um die Frequenzen zu handhaben, die in Impulsen von einem Photovervielfacher auftreten. Der Transistor β 6 der Schwellvorverstärkerstufe arbeitet im wesentlichen in Basisschaltung. Die Zenerdiode CA 1 liefert einen 10 Volt betragenden Spannungsabfall von einer Versorgung von -20VoIt und fixiert die Vorspannung an der Basis des Transistors Q 6. Mit einem kleinen Signal an dem Kollektor des Transistors QS beginnt Strom durch die niedrige Gleichsircmimpedanz der Induktivität Ll und des Widerstandes 1(9 zu fließen, und eine ansteigende Vorwärisvorspannung bildet sich in der Basis-Emitter-Verbindung des Transistors Q6 aus. Das Eingangssignal muß jtJoch über einen gewissen Schwellwert steigen, der durch das Einstellen des Widerstandes R 9 ausgewählt werden kann, bevor Marker Kollektoren in in den Transistor Q6 gezogen wird. Daher verbleibt für kleine Eingangssignale unter dem ausgewählten Schwellwert der Transistor Q 6 entweder in einem ausgeschalteten Zustand oder in csneni nur schwach leitenden Zustand bis /u einem Vorspannungspunkt in dem niedrigen nicbtlineaien Teil seiner Kennlinie. Eingangssignale oberhalb des ausgewählten Schweliwertes erzeugen eine schließliche Basis-Emitter-Vorwärtsvorspannung einer solchen Große, daß d^r Transistor Q 6 voll eingeschaltet wird und in dem linearen Teil ; seiaerlCertnlinie arbeitet.

Die integraUpflsschaSiungsstufe enthält dis Kapazität C 6 una Jen Widerstand RU und arbeitet in der gewöhnlichen Weise, um einen Spannungsimpuls von einer Hone zu erzeugen, die abhängt von der gesamten Aufladung, die von dem Kondensator geliefert wurde. Die Ausgangsverstärkerstufe enthält im wesentlichen den Transistor Q 7, der in einer Emitterfolgerschaltung mit dem Transistor QS verbunden ist, und liefert zusätzlichen Gewinn, um eine verbesserte Linearität für das endgültige Ausgangssignal zu errejchen.

Die Kapazitäten Cl und C 4 liefern zusätzliche Leistungsversorgungs-Störfilterung. Der Kondensator Cl liefert eine Wechselstromkopplung zu dem Ausgangssignal in die Widerstandsmatrix.

Bis jet7t wurde festgestellt, daß zumindest für die abbildenden Gammastrahlen im Technetium-99 m-Energiebereich (ungefähr 140 keV) eine Scnwelle von ungefähr 5°/o der maximal erwartbaren ausgangssignale von einem Pholovervielfältiger verwendet werden soll, um die besten Resultate zu erzielen. Die Schwelle kann eingestellt werden, indem zuerst ein Gleichspannungsvoltmeter an den Kollektor des Transistors Q6 angeschlossen wird und der Widerstand R 9 angepaßt wird, bis der Transistor Q 6 im

as lin-'.aren Teil seiner Kennlinie arbeitet. Dann wird ein Eingangssignalimpuls, der einen 100-Millivolt-Ausgangsimpuls liefert, in den Vorverstärkerschaltkreis eingekoppelt. R9 wird dann so eingestellt, bis der Ausgang auf 5 Millivolt abfällt.

Es sollte erneut betont werden, daß eine verbesserte Auflösung ohne Veränderungen der Widerstandsmatrix oder anderer Teile des Systems erreicht wird. Gegenwärtig erscheint die Verbesserung der inhärenten räumlichen Auflösung einer Anger-Kamera,

die augenblicklich auf dem Markt ist und auf die die Erfindung angewandt ist, bei ungetähr 15% liegt. Eine zusätzliche Verbesserung von ungefähr 10 ⁰Zo wurde erreicht, indem die Integrationszeitkonstante in dem Vorverstärkerschaltkreis auf ungefähr 25 Mikrosekunden vergrößert wurde und indem die Verzögerungsgröße einer Verzögerungsleitung 232 in jedem Summierverstärker 230, wie ihn z.B. Fig. 10 zeigt, von 200 auf 400 Nanosekunden erhöht wurde, um eine Verzögerungsleitung zu erhalten, die die

Zeit auf ingesamt 800 Nanosekunden abschneidet. Dies führt zur Verwendung von mehr Licht für jedes Szintillationsereignis. Die gleiche Veränderung kann auch in dem z-Impulsformer gemacht werden.

Es ist offensichtlich, daß bei jedem Szintillationsereignis der Schwellwertvorverstärker, der mit einem Photovervielfacher verbunden ist, der von der Stelle des Ereignisses weiter entfernt liegt, Ausgänge von derartigen Photovervielfachem daran hindert, die Widerstandsmatrix zu erreichen und zu den x+ -, - —> y+ - ^und y—Signalen und dem z-Signal beizutragen. Dies führt zu einem gewissen Verlust an Ausgangssignalgröße, die, wenn nötig, durch Erhöhen der Hochspannung an den Photomultiplierröhren oder durch andere gleichmäßige Gewinnveränderungen kompensiert werden kann. Es ist jedoch wichtig, daß die Ausschaltung von Signalinformationen bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Szintillations-Kamera ein sehr positives Ergebnis bringt, im wesentlichen ohne zu Nachteilen in anderer Hinsicht zu führen. Dies liegt an der Tatsache, daß Signalinformationen mit einer verhältnismäßig hohen Wahrscheinlichkeit von merklichen Fehlern und einem verhältnismäßig starken Effekt auf die endgültige. Si-

gnalinformation im wesentlicheT ausgeschaltet werden, um so die genaueren Signalinformationen zu verstärken.

So tragen z, B. mit einer 5%>igen Schwelle in der Virverstärkung Photovervielfacher, deren zentrale Achsen mehr als zwei Photovervielfacherduichmesser von der Stelle eines Szintillationsereignisses er.tfernt liegen, nicht zu dem endgültigen Positionssignale bei. Jedoch ist die Größe der Schwelle anscheinend nicht extrem kritisch; und für jede Ausführung oder Wirkungscharakteristik irgendeiner Anger-Kamera kann ein einfacher empirischer Weg der Messung c.r Auflösung bei verschiedenen Schwellenwerten verwendet werden, um einen im wesentlichen optimalen Schwellenwert festzustellen. Die Erfindung dürfte auch bei fast jeder Knstallgrößs und jeder Anzahl von Photovervielfachern in einem Anger-Detektor Vorteile bringen, obwohl die Verbesserung bei einer größeren

Kamera mit einem Kristall von mindestens 25,4 cm im Durchmesser und bei Anwendung von mindest-ns 19 Photovervielfachern am deutlichsten ist.

Hs können auch andere nichtlineare Vorverstärker als ein Schwellenvorverstärker nützlich an dem Ausgang jedes Photovervielfachers angewendet werden, um die eingegebene Auflösung zu verbessern. Die Kennlinie eines solchen nichtlineuren Vorverstärkers muß dabei derartig sein, daß große Eingangssignale eine größere Verstärkung erfahren als kleinere Eingangssignale. Diese Kennlinie wird durch Vorrichtungen geliefert, die eine derart nichtlineare Kennlinienform haben, daß kleine Eingänge bis zu einem vorgewählten Eingangspeg ι keinen Ausgang liefern, und Eingänge über diesem Pegel einen Ausgang liefern, der bei einem etwas höheren Pegel beginnt, ansiatt im wesentl-chen linear von dem Schwellenwert anzusteigen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

21 49179

Patentansprüche:

~ 1. Szintillations-Kamera mit einem Szintillations-Kristall in Gestalt einer flachen Scheibe, an den eine Vielzahl von Photovervielf aehern optisch so angekoppelt sind, daß sie licht von sich überlappenden Flächen des Kristalls erfassen, wobei 'die größte Abmessung des Kristalls mindestens dem Zweifachen des Durchmessers eines PhotovervielfaGhers entspricht und mindestens drei Photovervielfacher längs dieser größten Abmessung des Kristalls angeordnet sind, mit einer der Anzahl der Photovervielfacher gleichen Zahl von Vorverstärkern, von denen jeweils einer mit dem Ausgang des zugehörigen Photovervielf achers ver-Imnden ist, und mit einer mit den Ausgängen der Vorverstärker verbundenen Ortungsschaltung, die den Koordinatca einer im Szintillations-Kristall von einem Strahlungsquant erzeugten Szintillation entsprechende Koordinatensignale aus den Vorverstärker-Ausgangsimpulsen ableitet, wobei die mit den Photovervielfachem verbundene Schaltung nichtlineare Verstärker für die Koordinatensignale aufweist, deren Verstärkungsgrad von der Größe der Photovervielf acher-Ausgangsimpulse abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverstärker (20; PA 1 bis PA19; 220; Fig. 8) derart mit nichtliaearer Verstärkung ausgebildet sind, daß größere Eingangsimpulse in ihnen mehr verstärkt werden als kleinere Eingangsimpulse.
2. Szintillations-Kamera Pdc.i Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Vorverstärker derart als Schwellwertverstärker (220; Fig. 8) ausgebildet sind, daß Eingangsimpulse unterhalb einer bestimmten Schwellwertgröße im wesentlichen kein Ausgangssignal, Eingangsimpulse oberhalb dieser Schwellwertgröße dagegen ein Ausgangssignal erzeugen, das im wesentliehen proportional zur Größendifferenz zwischen Eingangssignal und Schwellwertgröße ist (Fig. 9).
3. Szintillations-Kamera nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwert-Verstärker (220) jeweils eine Ereitbandverstärkerstufe (221), eine Schwellwertverstärkerstufe (222) mit einer vorbestimmten Schwellwertgröße, eine Integrationsstufe (223) sowie eine Ausgangsverstärker stufe (224) aufweisen.
4. Szintillations-Kamera nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertgröße der Schwellwertverstärker (220; Fig. 8) so Photovervielf ächeTf maximal erwarteten Aüsgangssignalgröße entspricht.