DE102005015018A1

DE102005015018A1 - Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Digitalisieren von Gammastrahlen-Energie und zum Charakterisieren von Spitzen-Zeit und Zerfallszeit-Konstanten ohne die Verwendung von ADCs

Info

Publication number: DE102005015018A1
Application number: DE102005015018A
Authority: DE
Inventors: Qingguo Xie; Chien-Min Chicago Kao; Ze-Kai Hsiau; Chin-Tu Chicago Chen
Original assignee: NAT HEALTH RES INST ZHUNAN; National Health Research Institutes
Current assignee: NAT HEALTH RES INST ZHUNAN; National Health Research Institutes
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2025-04-02
Also published as: US7199370B2; US20050247879A1; DE102005015018B4; JP2005308737A; TWI313758B; TW200602662A; JP4279798B2

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung in hochauflösenden Positronen-Emissions-Tomographie(PET)-Systemen zum Digitalisieren einer Gammastrahl-Energie und Charakterisieren einer Spitzen-Zeit und Zerfallszeit-Konstanten modelliert auf einen auf eine PET-Ereignis-Detektion hin erzeugten Spannungspuls als schnell linear ansteigende Flanke, die von einem langsameren exponentiellen Abfall gefolgt ist. Das Modell enthält Parameter des Spannungspulses, die relevant sind für eine PET-Ereignis-Detektion, einschließlich einer Abfall-Konstante, einem Peak-Spannungswert und einer Spitzen-Zeit, welche aus Zeitintervall-Messungen des Spannungspulses bestimmt wurden. Die Zeitintervall-Messungen werden in einer beispielhaften elektronischen Implementierung unter Verwendung von Komparatoren und Zählern gemacht.

Description

Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht den Nutzen aus der Priorität aus der vorhergehenden vorläufigen Anmeldung Nr. 60/558,709, eingereicht am 2. April 2004, deren gesamter Inhalt hierin mittels Bezugnahme enthalten ist.
Diese Erfindung betrifft den Bereich der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) Insbesondere betrifft die Erfindung signalverarbeitende Verfahren und Vorrichtungen, welche in PET-Front-End-Elektronik verwendet werden.

Positronen-Emissions-Tomografie (PET) ist eine Technik, welche in klinischer Medizin- und in biomedizinischer-Forschung verwendet wird, um Bilder zu erzeugen, die sowohl anatomische Strukturen zeigen als auch wie gewisse Gewebe ihre physiologischen Funktionen durchführen. Radioaktive Kerne werden als Markierungen auf Tracer-Molekülen („tracer molecules") in den Körper eingeführt. Diese Kerne emittieren Positronen, welche mit Elektronen im Gewebe kollidieren. Jede Kollision begründet ein Annihilations-Ereignis, welches zwei Gamma-Photonen zur Folge haben kann, Mittels Detektieren der Gamma-Photonen und Verarbeiten des Resultates mit Bildverarbeitungs-Werkzeugen kann ein Bild der Aktivität im Gewebe erstellt werden, um die physiologischen Funktionen darzustellen.

In Positronen-Emissions-Tomografie (PET)-Systemen wird ein Szintillations-Lichtpuls, der auf die Interaktion eines Photons aus dem Annihilations-Ereignis mit einem Szintillator erzeugt wurde, von Photomultiplier-Röhren („photomultiplier tubes") (PMT) oder Lawinenfotodioden („avalanche photodiodes") (APD) gesammelt und in einem Ladungspuls umgewandelt. Hamamatsu Photonics K.K. Electron Tube Center, Fundamental and Applications of Photomultiplier Tube, JP: Hamamatsu Photonics K.K., 1995, deren Inhalte hiermit mittels Bezugnahme beinhaltet sind, stellt weitere Details bezüglich PMT bereit Der Ladungspuls wird oft verstärkt und gefiltert, um einen neuen Spannungspuls zu bilden, welcher eine Spitzen-Amplitude hat, die proportional zu der Fläche unter dem ursprünglichen Szintillatoons-Lichtpuls, und daher proportional zum Betrag der Photonenenergie, die während der Interaktion im Szintillator deponiert wurde, ist. Die Spitzen-Amplitude wird dann aufgenommen und zur Weiterverarbeitung mittels Analog-Digital-Wandlern („analog to digital converters") (ADCs) in digitale Daten umgewandelt. Eine Ereignis-Zeit wird üblicherweise mittels Verwendung von Constant-Fraction-Diskriminatoren (CFDs) erhalten.

Bemühungen, um höhere räumlicher Auflösungen und ein größeres Bildvolumen zu erhalten, haben zur Verwendung von immer kleineren Szintillatoren in der PET-Gestaltung geführt. Da jede Szintillator-Ausgabe getrennt verarbeitet werden muss, steigt die Anzahl von ADC-Kanälen in einem modernen PET-System rapide an. Außerdem, da schnellere Szintillatoren und ein 3D-Bildmodus immer weitgehender verwendet werden, sind oft Hochgeschwindigkeits-ADCs wünschenswert. Ein PET-System, das eine große Anzahl von Hochgeschwindigkeits-ADCs einsetzt, verbraucht jedoch nicht nur eine hohe Leistung, sondern ist für viele Anwendungen oft auch zu teuer.

Konsistent mit Ausführungsformen der Erfindung, können Verfahren und Vorrichtungen zum Digitalisieren von Gammastrahlen-Energie, welche in einem PET-System erzeugt wurde, und zum Chaxakterisieren einer Spitzen-Zeit und einer Zerfallszeit-Konstante ohne die Verwendung von ADCs bereitgestellt werden.

Konsistent mit einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verwendung in einem PET-System zum Digitalisieren von Gammastrahlen-Energie durchgeführt. Das Verfahren kann enthalten Definieren eines Modells für einen Spannungspuls, welcher mittels einem PET-Detektor erzeugt wurde, Bestimmen einer Abfallszeit-Konstante, einer Spitzen-Amplitude ("peak amplitude") und einer Spitzen-Zeit ("peak time") als Parameter des Spannungspulsmodells, die relevant für die PET-Ereignis-Detektion sind, und berechnen der bestimmten Parameter für den erzeugten Spannungspuls.

Konsistent mit einem anderen Aspekt der Erfindung, wird ein Verfahren zur Verwendung in einem PET-System zum Digitalisieren von Gammastrahlen-Energie durchgeführt. Das Verfahren kann enthalten Definieren eines Spannungspulses, welcher durch einen PET-Detektor als eine schnell linear ansteigende Flanke, gefolgt von einem langsameren exponentiellen Abfall, erzeugte wurde und durch eine Abfallszeit-Konstante, einer Spitzen-Amplitude und einer Spitzen-Zeit charakterisiert ist, Messen einer Vielzahl von Zeitintervallen, die basierend auf eine Vielzahl von Referenzspannungen aus einem von dem PET-Detektor erzeugten Spannungspuls abgeleitet wurden, Berechnen von mindestens der Abfallszeit-Konstanten, der Spitzen-Amplitude und der Spitzen-Zeit des empfangenen Spannungspulses unter Verwendung einer Vielzahl von Zeitintervallen und Ausgeben der Resultate der Berechnung in digitalem Format.

Konsistent mit einem weiterem Aspekt der Erfindung enthält eine Vorrichtung zur Verwendung in der PET zum Digitalisieren von Gammastrahlen-Energie eine Vielzahl von Komparatoren, wobei jeder gekoppelt ist, um zu empfangen einen PET-Spannungspuls an einem ersten Eingang und eine erste Referenzspannung an einem zweiten Eingang, eine Vielzahl von Zählern, jeder mit mindestens einem Aktivierungs-Eingang, einem Start-Eingang, einem Stop-Anschluss und einem Ausgang, und eine Vielzahl von Invertern, die zwischen den Ausgängen der Komparatoren und den Start- oder den Stop-Eingängen von einem der Zähler gekoppelt sind, wobei die Ausgänge von einem der Komparatoren mit den Start- oder den Aktivierungs-Eingängen von einem der Zähler gekoppelt sind, so dass die Vielzahl von Zählern nur während einer Aktiv-Periode aktiviert ist, wenn eine Ausgangsspannung des einen der Komparatoren, welcher gekoppelt ist, um eine niedrigste Referenzspannung zu Empfangen, positiv ist, und während der Aktiv-Periode startet jeder der Zähler das Zählen auf ein erstes Auftreten einer Anstiegsflanke des Spannungspulses an seinem Start-Eingang hin und setzt das Zählen fort bis zu einem letzten Auftreten einer Anstiegsflanke an seinem Stop-Eingang und die jeweiligen Ausgaben der Zähler sind digitalisierte Zeitintervalle, welche zum Bestimmen der Parameter der PET-Spannungspulses zur Ereignis-Detektion verwendet werden.

Konsistent mit einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein PET-System bereitgestellt, welches die oben erwähnte Vorrichtung enthält, um PET durchzuführen.

Konsistent mit einem anderen Aspekt der Erfindung kann ein Zähler zur Verwendung in einem PET-System bereitgestellt sein zum Digitalisieren von Zeitintervalle jeweils zwischen Zeitpunkten, an denen eine Anstiegsflanke eines durch einen PET-Detektor erzeugten Spannungspulses eine Referenzspannung erreicht und an denen die Abfalls-Flanke die Referenzspannung erreicht. Der Zähler kann enthalten wenigstens einen Start-Eingang und einen Stop-Eingang, ein erstes Register zum Speichern eine Taktzeit eines ersten Auftretens einer am Start-Eingang empfangenen Anstiegs-Flanke und zum Unverändertbleiben während der gesamten Aktiv-Periode und ein zweites Register zum Speichern der Systemtakt-Zeit, wenn eine Anstiegsflanke am Stop-Eingang während der Aktiv-Periode auftritt, so dass eine Ausgabe des Zählers einer Differenz zwischen der in dem ersten und dem zweiten Register gespeicherten Systemtakt-Zeit gleicht.

Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt und werden teilweise aus der Beschreibung offensichtlich oder können aus der Anwendung der Erfindung erlernt werden. Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden realisiert und erlangt mittels der Elemente und Kombinationen, welche insbesondere in den beigefügten Ansprüchen aufgezeigt sind.

Es ist zu verstehen, dass sowohl die vorangegangene insgesamte Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung nur beispielhaft und erklärend sind und die Erfindung wie sie beansprucht ist, nicht einschränken.
Die beigefügten Zeichnungen, welche in die Beschreibung eingearbeitet sind und einen Teil dieser Beschreibung bilden, stellen unterschiedliche Aspekte der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, das Prinzip der Erfindung zu erklären. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften PET-Systems, welches konsistent mit der Erfindung ist,
2 ein Diagramm eines beispielhaften Spannungspulses, welcher durch einen LSO/PMT-Detektor erzeugt wurde,
3 ein Diagramm einer funktionalen Beschreibung eines Spannungspulses, welcher durch Szintillator/PMT-Detektoren erzeugt wurden,
4 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zum Ableiten der wesentlichen Eigenschaften eines Spannungspulses unter Verwendung eines Modells,
5 ein konzeptionelles schematisches Diagramm einer beispielhaften elektronischen Implementierung, welche konsistent mit der Erfindung ist,
6A, 6B, 6C grafische Darstellungen von systematischen Fehlern einer geschätzten Photonenenergie, einer Spitzen-Zeit und einer Zerfallszeit-Konstanten für eine Lutetiumoxyorthosilikatkristall-gekoppelte-PMT (LSO/PMT) als Funktionen der Photonenenergie,
Die 7A, 7B und 7C grafische Darstellungen von Standartabweichungen einer geschätzten Photonenenergie, einer Spitzen-Zeit und einer Abfallszeit-Konstanten für eine LSO/PMT als Funktionen der Photonenenergie,
8 eine grafische Darstellung von den Standartabweichungen der geschätzten Photonenenergie bei E = 511 keV als eine Funktion einer Betriebs-Ereignisrate für eine LSO/PMT, und
9 ist eine grafische Darstellung von den Standardabweichungen der geschätzten Photonenenergie bei E = 511 keV als eine Funktion der Betriebs-Ereignisrate für eine Bismutgermaniumkristall-gekoppelte-PMT (BGO/PMT).
Nun wird im Detail Bezug genommen auf beispielhafte Aspekte der Erfindung, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Wenn möglich, werden in den Beispielen durchwegs dieselben Bezugszeichen verwendet, um auf dieselben oder ähnliche Teile Bezug zu nehmen.
1 zeigt ein beispielhaftes PET-System 100, welches eine Ausführungsform der Erfindung enthält. Das PET-System 100 enthält einen PMT-Detektor 102, um Lichtpulse von einem Szintillator (nicht gezeigt) zu detektieren und um das Detektionsresultat in einen Ladungspuls umzuwandeln. Der Detektor 102 enthält Schaltungen zum Verstärken und Filtern des Ladungspulses, um einen Spannungspuls zu liefern. Eine analoge Untereinheit 104 eines PET-Systems 100 empfängt und verarbeitet den Spannungspuls. Die analoge Untereinheit 104 enthält einen Digitalisierer 106, um den Spannungspuls zu digitalisieren und um Parameter des Spannungspulses, die relevant für die PET-Ereignis-Detektion sind, in digitaler Form zur digitalen Untereinheit zu liefern. Die digitale Untereinheit 108 kann alle digitalen Signalverarbeitungen durchführen, welche vom PET 100 benötigt werden.
Die Ergebnisse der digitalen Verarbeitung durch die digitale Untereinheit 108 können mittels einer Kommunikations-Untereinheit 110 an andere Systeme weiter übertragen werden, oder auf einer Bedienungs- und Bildrekonstruktions-Untereinheit 112 dargestellt werden. Die Kommunikations-Untereinheit 110 kann jeder geeignete Typ von Kommunikations-System oder -Vorrichtung sein, verwendet, um, die Resultate der digitalen Verarbeitung zu übertragen. Die Bedienungs- und Bildrekonstruktions-Untereinheit 112 kann jeden geeigneten Typ von Bedienungsvorrichtung oder Computersystem enthalten, verwendet, um die Ergebnisse der digitalen Verarbeitung von der digitalen Untereinheit 108 darzustellen.
2 zeigt einen beispielhaften Spannungspuls, welchen von einem PET-Detektor 102, insbesondere einem Lutetiumoxyorthosilikatkristall-gekoppelten-PMT (LSO/PMT)-Detektor, auf die Interaktion eine Gammastrahlen-Photons mit dem LSO erzeugt wurde. Der Puls wird über einen Widerstand gemessen, welcher direkt mit dem LSO/PMT-Detektor verbunden ist. Der dargestellt exemplarische Spannungspuls wurde unter Verwendung eines digitalen Oszilloskops mit einer 5 GHz- Abtastrate aufgenommen. Die Spitzen-Zeit und die Abfallszeit-Konstante, welche aus zahlreichen solcher Pulse beobachtet wurden, betragen ca. 10 ns bzw. 40–45 ns.
3 zeigt eine allgemeine funktionale Beschreibung des Spannungspulses. Wie in 3 gezeigt ist, kann der Spannungspuls, wenn das Rauschen ignoriert wird, durch eine schnelle linear ansteigende Flanke, gefolgt von einem langsameren exponentiellen Abfall, angenähert werden. Daher kann ein Spannungspuls, welcher von einem PMT-Detektor 102 erzeugt wurde und welcher entweder über einen Widerstand oder an dem Ausgang eines mit dem Detektor 102 verbundenen Verstärkers mit bescheidener Verstärkung detektiert wurde, mathematisch modelliert werden als:
wobei τ die Abfallszeit-Konstante, eine Kenngröße des Szintillators des PMT-Detektors 102 ist, t_p die Puls-Spitzen-Zeit ist und V_p die Spitzen-Amplitude des Pulses ist. Typischerweise ist t_p << τ.
Das Model kann dann verwendet werden, um drei Pulsparameter, welche Informationen, die in der PET-Ereignis-Detektion benötigt werden, abzuleiten, und zwar die Spitzen-Amplitude V_p des Pulses, die Abfallszeit-Konstante τ und die Spitzen-Zeit t_p. In einem nicht-einschränkenden Beispiel werden als nächstes Gründe erklärt, warum die Spitzen-Amplitude des Pulses V_p, die Abfallszeit-Konstante τ und die Spitzen-Zeit t_p verwendet werden können, um den Spannungspuls zu repräsentieren. Die Spitzen-Amplitude V_p ist proportional zu der Fläche unter V(t), und daher zu der im Szintillator deponierten Energie. Die Abfallszeit-Konstante τ kann Informationen zum Identifizieren des Szintillators, welcher in eine bestimmtes Detektionsereignis einbezogen ist, liefern, wenn mehr als ein Szintillator in einem PET-System verwendet wird. Die Spitzen-Zeit t_p kann genutzt werden um die Ereigniszeit zu liefern, d.h. die Zeitinformation eines Detektierten Ereignisses, die unabhängig von der Pulsamplitude ist. Die Ereignis-Zeit zum Zwecke der Koinzidenz-Detektion wird herkömmlicherweise durch die Verwendung von Constant-Fraction-Diskriminatoren (CFDs) erreicht.
Auf dieses Pulsmodell basierend, können diese drei Pulsparameter leicht aus wenigen Zeitintervallen, welche aus dem Puls V(t) abgeleitet wurden, berechnet werden. Außerdem können diese zeit-Intervalle mittels der Verwendung von relativ kostengünstigen Komparatoren und Zählern erreicht werden.
4 ist ein Flussdiagramm, welche Schritte zum Ableiten der drei Parameter des Spannungspulses darstellt. In Schritt S1 wird eine Referenzspannungsniveau V_i ausgewählt, so dass V_i < V_p ist und dass die Modelgleichung V(t) = V_i zwei Lösungen hat, welche gegeben sind durch: ti (b) = tp(Vi/Vp), (2) ti (e) = tp – τln(Vi/Vp), (3)wobei t_i ^(b) die Zeit ist, zu der V(t) über V_i steigt, und t_i ^(e) die Zeit ist, zu der V(t) unter V_i fällt. Ein Referenzspannungsniveau V_j ist derart gewählt, dass V_j < V_i < V_p ist, so dass t_j ^(e) > t_i ^(e) ist, und ein Zeit-Intervall t_ij ^(e)= t_j ^(e) – t_i ^(e) = τln(V_i/V_j) > 0 ist. In Schritt S2 wird das Zeit-Intervall t_ij ^(e) gemessen. In Schritt S3 kann die Abfallszeit-Konstante berechnet werden zu: τ = tij (e)/ln(Vi/Vj). (4)
In Schritt S4 werden zwei andere Referenzspannungs-Niveaus V_k und V_l gewählt, so dass V_k < V_p ist und V_l < V_p ist. Ferner werden die Intervalle t_k = t_k ^(e) – t_k ^(b) und t_l = t_l ^(e) – t_l ^(b) definiert. Die Zeit t_k ^(b) ist die Zeit, zu der V(t) über V_k steigt und die Zeit t_k ^(e) ist die Zeit, zu der V(t) unter V_k fällt. Die Zeit t_i ^(b) ist die Zeit zu der V(t) über V_l steigt und die Zeit t_i ^(e) ist die Zeit, zu der V(t) unter V_i. fällt. In Schritt 4 werden die beiden Zeit-Intervalle t_k und t_l gemessen. In Schritt 6 wird die Spitzen-Amplitude V_p gemessen.
Die folgenden Gleichungen können aus den Gleichungen (2) und (3) abgeleitet werden: tk + τlnVi = (tp + τlnVp) – Vk(tp/Vp), (5) tI + τlnVl = (tp + τlnVp) – Vi(tp/Vp). (6)
Als nächstes wird die Gleichung (6) von der mit (V_i/V_k) multiplizierten Gleichung (5) subtrahiert, um zu erhalten: (s + 1)tk – tl = s(tp + τln(Vp/Vk)) + τln(s + 1), (7)wobei s = V_l/V_k – 1 ist. Falls t_p in Gleichung (7) vernachlässigbar ist, dann gilt
Da die Zeitkonstante τ in Schritt S3 berechnet wurde, ist diese Näherung nur gültig, wenn t_p << τln(V_p/V_k) = τln((s + 1)V_p/V_l) ist, d.h., unter der Bedingung von
Da die Spannung V_I so definiert ist, dass V_I < V_p gilt, und für viele Szintillatoren t_p << τ gilt, kann die in Gleichung (9) gezeigte Bedingung erfüllt werden, indem ein kleines s verwendet wird. Zum Beispiel wird für t_p = 10 ns und τ = 40 ns V_I gleich 1.3 (V_l/V_p) – 1. Falls V_I als 300 keV definiert ist, korrespondierend mit einem V_p von 350 keV, erfüllt jedes kleine s >> 0.1 die obige Bedingung. Die Bedingung wird sogar gelockerter für Szintillatoren mit kleineren Werten von t_p/τ. Zum Beispiel kann in bestimmten Situationen ein s von annähernd 1 verwendet werden. Es können jedoch auch andere werte verwendet werden, ohne sich vom Prinzip der Erfindung zu entfernen.
In Schritt S7 ist eine andere Referenzspannung V_m definiert, so dass V_m < V_p ist. Eine Zeit t_m ^(b) ist definiert als die Zeit, zu der V(t) über V_m steigt. In Schritt S8 wird ein Zeitintervall t_mi ^(b) = t_i ^(b) – t_m ^(b) gemessen. Schließlich wird in Schritt S9, da V_i = V_p(t_i ^(b)/t_p) ist und V_m = V_p(t_m ^(b)/t_p) ist, die Spitzen-Zeit t_p berechnet als tp = (Vp/(Vi – Vm))tmi (b). (10)
Indem Zeitintervalle verwendet werden, um die drei Parameter de Spannungspulses abzuleiten, werden keine ADCs und CFDs gebraucht. Darüber hinaus ist es, wenn die Berechnungsgeschwindigkeit von Belang ist, ausreichend, nur t_ij ^(e), ((s + 1)t_k – t_I)/t_ij ^(e) und t_mi ^(b) zu erlangen. Diese Werte können dann verwendet werden, um die geschätzten Werte von T, V_p und t_p durch Nachschlage-Tabellen ("lookup tables") (LUTs) zu erlangen.
Als ein anderes nicht-einschränkendes Beispiel, können die Berechnungen in einfacherer Form durchgeführt werden, wenn die Referenzspannungen die Bedingungen V_l/V_k = V_i/V_j = 2 und V_m = V_i/4 erfüllen. Unter diesen Bedingungen ist s = V_l/V_k – 1 = 1 und die Berechnungen in den Schritten S3 und S6 und S) haben die Formen: τ = tij (e)/ln2, (11)
Obwohl nur drei Parameter des Spannungspulses, fünf Referenzspannungs-Niveaus und neun Detektionsschritte in Bezug auf das in 4 gezeigte Verfahren beschrieben sind, ist zu verstehen, dass die Parameter des Spannungspulses, die Referenzspannungs-Niveaus und die Detektionsschritte beispielhaft und nicht-einschränkend gedacht sind. Wie oben gezeigt wurde, können Annahmen angewandt werden, um die Anzahl der Referenzspannungen zu reduzieren. Alternativerweise können andere Parameter und Referenzspannungen hinzugefügt werden oder es können Detektionsschritte hinzugefügt werden oder die Reihenfolge der Schritte kann geändert werden, ohne sich vom Prinzip und aus dem Rahmen der Erfindung zu entfernen.
5 stellt eine konzeptionelle elektronische Implementierung 200 des Digitalisierers 106 gemäß 1 dar. Die Implementierung kann auf jeden geeigneten Typ von Mechanismus, wie zum Beispiel eine kundenspezifische integrierte Schaltung („application specific integrated circuit" (ASIC), ein frei programmierbarer Logikschaltkreis („field programmable gate array" (FPGA), und/oder eine Kombination von Softwareprogrammen und einem Mikroprozessor, basieren. Wie in 5 gezeigt ist, weist ein Digitalisierer 200 auf eine Vielzahl von Widerständen 202-1 bis 202-5, eine Vielzahl von Komparatoren 204-1 bis 204-5, eine Vielzahl von Zählern 206-1 bis 206-4, eine Vielzahl von Invertern 208-1 bis 208-4 und eine Arithmetikeinheit 210. Jeder der Zähler 206-1 bis 206-4 enthält einen "Start"-, einen "Stop"-, einen "Aktivierungs"- und einen "CLK" (Takt)-Eingang und einen "Out"-Ausgang. Die Ausgänge der Inverter 208-1, 208-2, 208-3 und 208-4 sind gekoppelt mit den "Stop"-Eingängen der Zähler 208-1, 208-2, 208-3 bzw. 208-4. Die Ausgänge der Komparatoren 204-1 bis 204-4 sind jeweils gekoppelt mit den Eingängen der Inverter 208-1 bis 208-4. Die Ausgänge der Komparatoren 204-1 und 204-3 sind jeweils gekoppelt mit den "Start"-Eingängen der Zähler 206-1 bis 206-3. Das Ausgang des Inverters 208-2 ist gekoppelt mit dem "Start"-Eingang des Zählers 206-2. Der Ausgang des Komparators 204-5 ist gekoppelt mit dem "Start"-Eingang des Zählers 206-4 und dem "Aktivierungs"- Eingang des Zählers 206-1 bis 206-4, Der jeweilige "CLK"-Eingang der Zähler 206-1 bis 206-4 ist gekoppelt, um eine Systemtakt-Zeit zu empfangen.
Ein erster Eingang von jedem Komparator 204-1 bis 204-5 ist gekoppelt, um die Spannungspulse V(t) zu empfangen. Widerstände 202-1 bis 202-5 sind zwischen einem Eingang zum Empfangen der Referenzspannung V₀ und der Masse in Serie gekoppelt. In einer Implementierung sind die Widerstandswerte der Widerstände 202-1 und 202-2 doppelt so hoch wie die Werte der Widerstände 202-3, 202-4 und 202-5. Ein zweiter Eingang des Komparators 204-1 ist gekoppelt, um die Referenzspannung V₀ durch einen oder mehrere der Widerstände 202-1 bis 202-5 zu empfangen, wie in 5 gezeigt ist. Die jeweiligen Ausgaben der Zähler 206-1 bis 206-4 sind t_i, t_ij ^(e) und t_k, von denen alle vorher definiert wurden. Diese Ausgaben werden auf die Arithmetik-Einheit 210 angewandt, welche die oben beschriebene Rechnung durchführt, um die drei Spannungspuls-Parameter, d.h., die Abfallszeit-Konstante τ, die Spitzen-Amplitude V_p und die Spitzen-Zeit t_p in digitaler Form zu bestimmen.
Der eingegebene Spannungspuls V(t) kann oder kann nicht vorverstärkt werden. Die eingegebene Referenzspannung V₀ bestimmt die niedrigste Photon-Energie, die bestimmt werden kann. Aus der Spannung V₀ können die fünf Referenzspannungen unter Verwendung eines einfachen resistiven Spannungsteilers, der durch die serielle Schaltung von Widerständen 202-1 bis 202-5 gebildet ist, erzeugt werden. Demzufolge empfangen die Komparatoren 204-1 bis 204-5 an deren zweiten Eingängen V_l, V_i, V_k, V_j, bzw. V_m. Zum Erreichen einer flexibleren Wahl von Referenzspannungen können auch programmierbare Widerstände verwendet werden.
Die Widerstände 202-1 bis 202-5 können jede Art von Widerständen sein, variable oder nicht-variable, programmierbare oder nicht programmierbare. Die Widerstände 202-1 bis 202-5 können so gewählt werden, dass die fünf Referenzspannungen, welche mit Bezugnahme auf 4 beschrieben wurden, die Bedingungen V_l/V_k = V_i/V_j = 2, und V_m = V_i/4 erfüllen.
Während des Betriebs des Digitalisierers 200, signalisiert die Anstiegs-Flanke des Ausgangssignals des Komparators 204-5 das Auftreten eines Detektionsereignisses. Außerdem sind alle Zähler 206-1 bis 206-4 nur während der Periode aktiviert, wenn die Ausgabe des Komparators 204-5 positiv ist, d.h., wenn die Eingangsspannung V(t) höher als V_m ist. Jeder von den Zählern 206-1 bis 206-4 ist gekoppelt, so zu arbeiten, dass während einer Aktiv-Periode der Zähler das Zählen auf das erste Auftreten einer Anstiegs-Flanke an seinem "Start-Eingang hin beginnt und das Zählen bis zum letzten Auftreten einer Anstiegsflanke an seinem "Stop-Eingang fortsetzt. Nachdem ein Ereignis beendet ist, werden die Zähler 206-1 bis 206-4 durch die Abfalls-Flanke eines logischen Pulses auf Null zurückgesetzt und sind dann bereit, das nächste Ereignis abzuwickeln. Obwohl jeder von den Zählern 206.1 bis 206-4 mit einem "Reset"-Eingang dargestellt ist, wird die Reset-Logik nicht gezeigt. Die Reset-Logik kann jeden geeigneten Typ einer Reset-Logik enthalten. Die Erzeugung des zurücksetzenden logischen Pulses wird durch die Anstiegs-Flanke der Ausgabe des Komparators 204-5 ausgelöst. Beispielsweise sollte für LSO-Szintillatoren eine Pulsdauer von ca. 100 ns ausreichend sein.
Jeder von den Zähler 206-1 bis 206-4 kann unter Verwendung von zwei Registern implementiert sein. Eines von den zweien Registern speichert die Systemtakt-Zeit des ersten Auftretens einer Anstiegs-Flanke am Zähler-"Start"-Eingang und bleibt unverändert während der gesamten Aktiv-Periode. Das zweite Register speichert die Systemtakt-Zeit wann immer die Anstiegs-Flanke während der Aktiv-Periode an dem Zähler-"Stop"-Eingang auftritt. Die Zähler-Ausgabe gleicht dann der Differenz zwischen den Inhalten der zwei Register. Für einen rauschfreien Spannungspuls wird während einer Aktiv-Periode genau eine Anstiegs- und eine Abfalls-Flanke an dem Ausgang von jedem der Komparatoren 204-1 bis 204-5 erzeugt. Daher liefern die Inhalte von jedem Zähler 206-1 bis 206-4 diskrete Näherungen für die t_ij ^(e), t_l, t_k bzw. t_mi ^(b). Für einen mit Rauschen behafteten Spannungspuls können jedoch viele Anstiegs- und Abstiegs-Flanken während einer Aktiv-Periode an den Ausgang von einem oder mehreren Komparatoren 204-1 bis 204-5 erzeugt werden und die Zähler können das Erzeugen von Zeitintervall-Messungen verhindern, welche viel kürzer sind als die tatsächlichen Zeitdauern der Intervalle.
Beispielsweise können für solche Zwecke geeignete Typen von Hysterese-Komparatoren verwendet werden.
Die Arithmetikeinheit 210 berechnet die Abfallszeit-Konstante τ, die Spitzen-Amplitude V_p und die Spitzen-Zeit t_p aus den Zeitintervallen t_ij ^(e), t_l, t_k und t_mi ^(b), die entsprechend durch die Zähler 206-1 bis 206-4 ausgegeben wurden, durch Verwendung des in 4 beschriebenen Verfahrens. Die Berechnungen können ausgeführt werden durch die Verwendung der oben beschriebenen Gleichungen oder durch die Nachschlag-Tabellen, um den Berechnungsprozess zu beschleunigen.
Für schnelle Szintillatoren, wie zum Beispiel LSO, werden die Werte von t_j, t_l, t_k, and t_I in dem Bereich von 40 – 100 ns erwartet. Daher kann zur genauen Schätzung der benötigten Zeitintervalle eine 1 GHz-Taktrate ausreichend sein. Die Spannung V₀ kann während einer Kalibrierung bestimmt werden. Beispielsweise kann dann, nachdem V_p korrespondierend mit 511 keV erhalten wurde, mit einer Kalibrierungsquelle (z.B. Ge-68) und einem ausreichend kleinem anfänglichen V₀, ein neues V₀, welches mit beispielsweise 300 keV korrespondiert, leicht berechnet werden.
Die verbleibenden 6A – 9 stellen Ergebnisse von Computer-Simulations-Studien dar, die durchgeführt wurden, um die Leistungsfähigkeit einer Ausführungsform, die konsistent mit der Erfindung ist, zu evaluieren. Die Computer-Simulation wurde basierend auf die oben beschriebenen Gleichungen durchgeführt. Die Leistungsfähigkeit kann beeinflusst werden durch mindestens drei Faktoren: (1) Fehler in dem Puls-Model (Modellierungs-Fehler), (2) Rauschen im Puls und (3) die endliche Taktrate. Modellierungsfehler können durch unkorrekte Schätzungen der abgeleiteten Puls-Parameter verursacht werden, Rauschen kann in Zufallssfehlern in den erzeugten Zeitintervallen resultieren und die endliche Taktrate kann Quantisierungsfehler der gemessenen Zeitintervalle einbringen, auch beim Fehlen von Rauschen. Computer-Simulations-Studien wurden durchgeführt, um den Effekte der Faktoren des Rauschens und der endlichen Taktraten zu untersuchen.
Es wird nur das Schrottrauschen ("shot noise") betrachtet, wenn ein mit Rauschen behafteter Ausgangs-Puls für eine Computer-Simulation erhalten wird. Schrottrauschen ist die hauptsächliche Komponente des Rauschens von dem Ladungspuls, der durch einen Szintillator/PMT-Detektor erzeugt wurde. Diese Komponenten des Rauschens ensteht aus der stochastischen Charakteristik der Erzeugung von Szintillations-Photonen und der Elektronen-Verstärkung in der PMT. Andere Rauschquellen, wie zum Beispiel elektronisches Rauschen und thermisches Rauschen, können durch eine geeignete elektronische Gestaltung reduziert werden, sie waren deswegen in den Simulations-Studien nicht enthalten. Dunkelstrom der PMT wurde ebenfalls ignoriert, da er in der Puls-Detektion oft nicht wichtig ist.
Wenn angenommen wird, dass der Spannungspuls V(t) durch direktes Koppeln des PMT-Ausgangs mit einem Widerstand erhalten wird, kann das Schrottrauschen erhalten werden durch Φ(t) = γN(V(t)/V(tp))wobei γ = η/((tp + 2τ)FB) ist, N die Gesamtanzahl der in einem Detektionsereignis erzeugten Szintillations-Photonen, η die Quanteneffizienz der PMT, F die Rauschzahl der PMT und B die Bandbreite des Messungs-Systems ist.
In der Simulation werden typische Werte von η = 0.2 und F = 1.2 für die PMT verwendet. Für den Szintillationslichtpuls wurde wurde die Gesamtanzahl der auf die Deposition von 1 MeV Energie in den LSO bzw. BGO erzeugten Photonen zu 2.7 × 10⁴ bzw. 8.2 × 10³ angenommen. Die Abfallszeit-Konstante und Spitzen-Zeit des Spannungspulses hängt nicht nur von dem Typ des Szintillators ab, sondern auch von der Bandbreite des analogen Teils des Messungs-Systems. Die Abfallszeit-Konstanten von 40 ns bzw. 300 ns wurden für die durch LSO/PMT bzw. BGO/PMT erzeugten Pulse verwendet. Eine Spitzen-Zeit von 10 ns wurde für beide Detektoren angenommen. Im Gebrauch sollte die Bandbreite des Messungs-Systems, B, durch die Bandbreite der Komparatoren beschränkt sein, und aus zwei Gründen wurde ein B von 40 MHz verwendet. Erstens kann diese Bandbreite, welche für Komparatoren als hoch betrachtet wird, die 10 ns Anstiegszeit und die längeren 40 ns und 300 ns Abfalls-Zeiten unterstützen. Zweitens sind zum Bereitstellen dieser Bandbreite relativ kostengünstige Komparatoren erhältlich. Mit diesen Einstellungen wurde die SNR Φ(t) des resultierenden Spannungspulses für LSO/PMT mit γ ≈ 0.05 und für BGO/PMT mit γ ≈ 0.007 bestimmt. Sobald Φ(t) bestimmt wurde, wurde zu einer gegebenen Zeit t eine Gaussches Rauschen mit einer Standardabweichung von V(t)/√Φ(t) zu V(t) hinzugefügt, um einen mit Rauschen behafteten Ausgangspuls zu erhalten. Schließlich wurde die Zeiten des Auftretens der erzeugten Pulse hinsichtlich der Systemuhr zufällig gemacht.
Bei jedem Photon der Energie E zwischen 300 keV bis 700 keV wurden 1000 mit Rauschen behaftete Ereignisse für die LSO/PMT erzeugt. Die 6A, 6B und 6C zeigen die systematischen Fehler ("bias") der geschätzten Resultate als Funktionen der Photon-Energie im Bereich von 350 keV bis 700 keV unter Verwendung von zwei Systemtaktraten von 3.5 GHz bzw. von 1 GHz. 6A zeigt einen systematischen Fehler einer geschätzten Energie für die LSO/PMT als eine Funktion der Photon-Energie, wenn die Abfallszeit-Konstante τ = 40 ns und die Spitzen-Zeit tp = 10 ns beträgt. 6B zeigt einen systematischen Fehler einer geschätzten Spitzen-Zeit t_p für eine LSO/PMT als eine Funktion der Photon-Energie, wenn die Abfallszeit-Konstante τ = 40 ns und die Spitzen-Zeit t_p = 10 ns beträgt. 6C zeigt einen systematischen Fehler einer geschätzten Abfallszeit-Konstanten τ für eine LSO/PMT als eine Funktion der Photon-Energie, wenn die Abfallszeit-Konstante = 40 ns und die Spitzen-Zeit tp = 10 ns beträgt. In den 6A–6C repräsentiert das Sysmbol "*" die bei Verwendung einer 3.5 GHz Taktrate erhaltenden Ergebnisse und das Symbol "♢" repräsentiert die bei Verwendung einer Taktrate von 1 GHz erhaltenen Ergebnisse.
Insgesamt gesagt, waren die systematischen Fehler klein und die Differenzen zwischen den Ergebnissen, bei mit 3.5 GHz und mit 1 GHz Taktraten erhalten wurden, waren nicht signifikant. Es ist anzumerken dass der systematische Fehler der geschätzten Photonenenergie, der unter Verwendung des 3.5 GHz-Taktes erhalten wurde, leicht größer im Betrag ist als der, welcher unter Verwendung des 1 GHz-Taktes erhalten wurde. Außerdem sind die Resultate bei Energien unter 511 keV überschätzt und bei Energien über 511 keV unterschätzt, wenn das Kalibrieren der Photonenenergie bei 511 keV durchgeführt wurde.
Die 7A, 7B und 7C zeigen die Standardabweichungen der geschätzten Resultate als Funktionen der Photonenenergie, unter Verwendung zweier Systemtaktraten von 3.5 GHz bzw. 1 GHz. 7A zeigt die Standardabweichung der geschätzten Energie für eine LSO/PMT als eine Funktion der Photon-Energie, wenn die Abfallszeit-Konstante τ = 40 ns und die Spitzen-Zeit tp = 10 ns beträgt. 7B zeigt die Standardabweichung einer geschätzten Spitzen-Zeit tp für eine LSO/PMT als eine Funktion der Photon-Energie, wenn die Abfallszeit-Konstante τ = 40 ns und die Spitzen-Zeit t_p = 10 ns ist. 7C zeigt die Standardabweichung einer geschätzten Abfallszeit-Konstanten τ für eine LSO/PMT als eine Funktion der Photon-Energie, wenn die Abfallszeit-Konstante τ = 40 ns und die Spitzen-Zeit t_p = 10 ns beträgt. In den 7A – 7C repräsentiert das Symbol "*" die Resultate, welche unter Verwendung einer 3.5 GHz-Taktrate erhalten wurden, und das Sysmbol "♢" repräsentiert die Resultate, welche unter Verwendung einer 1 GHz-Taktrate erhalten wurden.
Die in den 7a–7C gezeigten Resultate geben zu erkennen, dass die Schätzungen, die unter Verwendung der höheren 3.5 GHz-Taktrate erhalten wurden, signifikant kleinere Standardabweichungen haben, als diese, welche unter Verwendung der niedrigeren 1 GHz-Taktrate erhalten wurden. Dies kann zurückgeführt werden auf die Zufälligkeit der Zeit des Auftretens von Ereignissen hinsichtlich des Systemtaktes. Diese Zufälligkeit bringt zufällige Fehler in die gemessenen Zeitintervalle t_ij ^(e), t_l, t_k und t_mi ^(b), und daher in die daraus abgeleiten Größen, hinein. Im Durchschnitt sind die Fehler größer, wenn ein langsamerer Takt verwendet wird. Ferner steigt die Standartabweichung der geschätzten Photon-Energie und der Spitzen-Zeit annähernd linear mit der Photon-Energie an, wobei im Fall der 3.5 GHz kleinere Anstiegsraten gezeigt sind. Dies ist konsistent mit der Tatsache, dass die Energie des Rauschens der Spannungspulse linear mit der Photon-Eneergie ansteigt. Im Gegensatz dazu zeigt die Standardabweichung der geschätzten Abfallszeit-Konstanten keine beobachtbare Abhängigkeit von der Photon-Energie.
Tabelle 1. Die systematischen Fehler ("biases") und FWHMs, erhalten für LSO/PMT (tp = 10 ns und τ = 40 ns) bei E = 511 keV, unter Verwendung von 3.5 GHz- und 1 GHz-Takten.
Tabelle 1 fasst experimentell bestimmte systematische Fehler und Halbwertsbreiten ("full-width-at-half-maxima") (FWHMs) der geschätzten Photon-Energie, Ereignis-Zeit und Abfallszeit-Konstanten, welche bei E = 511 keV erhalten wurden, zusammen. Diese Resultate zeigen, dass die geschätzte Photon-Energie in guter Übereinstimmung mit den tatsächlichen Werten erhalten wurde. Die für die Photon-Energie beobachtete FWHM entspricht einer Energie-Auflösung von ca. 30% und 33% bei 511 keV, wenn eine Taktrate von 3.5 GHz bzw. 1 GHz verwendet wird. Die FWHMs in der Ereignis-Zeit zeigen, dass es möglich ist, ein Koinzidenzfenster von 10 ns und 12 ns einzusetzen, ohne signifikant wahre Koinzidenz-Ereignisse zu verlieren, wenn eine Taktrate von 3.5 GHz bzw. 1 GHz verwendet wird. Schließlich deuten die kleinen FWHMs, welche für die Abfallszeit-Konstante erhalten wurde, darauf hin, dass der in der PMT verwendete Szintillator-Kristall abasierend auf die Abfallszeit-Konstanten identifiziert werden kann.
Tabelle 2. Die Bias und FWHMs, welche für BGO/PMT (tp = 10 ns und τ = 300 ns) bei E = 511 keV erhalten wurden, unter Verwendung eines 1 GHz-Taktes.
Tabelle 2 fasst die systematischen Fehler und die FWHMs der geschätzten Photon-Energie, Ereignis-Zeit und Abfallszeit-Konstanten, erhalten bei E = 511 keV für BGO/PMT unter Verwendung des 1·GHz-Taktes, zusammen. SNR × 10 zeigt die Resultate, welche erhalten werden, falls die SNR des erzeugten Pulses verzehnfacht werden kann. Dieses höhere SNR-Niveau kann erreicht werden, indem eine PMT mit höherer Quanten-Effizienz eingesetzt wird und/oder indem die Bandbreite des Messungs-Systems reduziert wird. Mit dieser höheren SNR können angemessene Resultate erreicht werden. Außerdem kann eine BGO/PMT gewöhnlicher modelliert werden, indem 8.5% des Lichtes mit einer 60 ns Abfallszeit-Konstanten emittiert wird und die verbleibenden 91.5 des Lichtes mit einer 300 ns Abfallszeit-Konstanten emittiert wird.
Tabelle 3. Bias und FWHMs, welche für BGO/PMT (tp = 10 ns und τ = 300 ns) bei E = 511 keV erhalten wurden, unter Verwendung eines 1 GHz-Taktes mit erzeugten Pulsen, die eine 60 ns-Abfall-Komponente und eine 300 ns-Abfall-Komponente enthalten.
Tabelle 3 zeigt die erhaltenen Resultate, wenn das mit der- Erfindung konsistente Verfahren auf Pulse mit Dual-Exponential-Abfall-Komponenten angewandt wird, wobei 8.5% des Lichtes mit einer 60 ns Abfallszeit-Konstanten emittiert wird und die verbleibenden 91.5% mit einer 300 ns Abfallszeit-Konstanten emittiert wird, mit dem × 10 SNR-Niveau. Obgleich das mit der Erfindung konsistente Verfahren aus einem einfach-exponentiellen Model abgeleitet wurde, deuten sie Resultate an, dass immer noch gute Schätzungen erhalten werden können, wenn die SNR des Pulses hinreichend ist.
8 stellt die Standardabweichung der geschätzten Photon-Energie bei E = 511 keV als eine Funktion der Betriebs-Ereignis-Rate dar für eine LSO/PMT unter Verwendung eines 3.5 GHz-Taktes. 9 stellt die Standardabweichung der geschätzten Photon-Energie bei E = 511 keV als eine Funktion der Betriebs-Ereignis-Rate dar für eine BGO/PMT unter Verwendung eines 1 GHz-Taktes mit dem × 10 SNR-Niveau. Bei hohen Zählraten können Ereignis-Anhäufungen ("pileups") nicht-vernachlässigbar werden und zu inkorrekten Messungen der Zeitintervalle führen, besonders für die Zeitintervalle, welche aus dem Verwenden von kleinen Referenzspannungen abgeleitet wurden. Daher wird es in der Anwendung der mit der Erfindung konsistenten Ausführungsformen bei Anwendungen mit hohen Zählraten sinnvoll, höhere Referenzspannungen zu verwenden, um den Effekt der Pileups auf die gemessenen Zeitintervallen zu mildern. Das Erhöhen der Referenzspannungen wird jedoch die Dauer der Zeitintervalle verringern. Demzufolge werden die gemessenen Zeitintervalle, und daher die resultierenden Schätzungen, empfänglicher für Rauschen. Die 8 und 9 zeigen die geschätzten Resultate, die andeuten, dass ein Betriebszählrate mit 20 Millionen Ereignisseen pro Sekunde („million-count-persecond") (MCps) für eine LSO/PMT und 4 Mcps für eine BGO/PMT erreicht werden kann.
Andere Ausführungsformen der Erfindung werden einem Fachmann aus der Betrachtung der Beschreibung und der Anwendung der hierin offenbarten Erfindung offensichtlich. Es ist gedacht, dass diese Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft betrachtet werden, wobei der wahre Rahmen und die Lehre der Erfindung durch die folgenden Ansprüche angezeigt werden.

Claims

Verfahren zur Verwendung in der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) zum Digitalisieren von Gammastrahlen-Energie, aufweisend: Definieren eines Models für einen Spannungspuls, welcher von einem PET-Detektor erzeugt wurde, Bestimmen einer Abfallszeit-Konstanten, einer Spitzen-Amplitude und einer Spitzen-Zeit als Parameter des Spannungspulsmodels, die relevant für eine PET-Ereignis-Detektion sind, und Berechnen der bestimmten Parameter für den erzeugten Spannungspuls.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Definieren des Models ferner aufweist: Modellieren des Spannungspulses durch eine schnell linear ansteigende Flanke, gefolgt von einem langsameren exponentiellen Abfall.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Bestimmen ferner aufweist: Bereitstellen einer Vielzahl von Referenzspannungen, Messen einer Vielzahl von Zeitintervallen, welche aus dem erzeugten Spannungspuls stammen, basierend auf die Referenzspannungen, und Berechnen der bestimmten Parameter des erzeugten Spannungspulses unter Verwendung der Vielzahl von Zeitintervallen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bestimmen ferner aufweist: Definieren des Spannungspulses als V(t), der Abfallszeit-Konstanten als τ, der Spitzen-Amplituden als V_P und der Spitzen-Zeit als t_P, Bestimmen der Abfallszeit-Konstanten τ als t_ij ^(e)/ln(V_i/V_j), wobei V_i und V_j vorbestimmte Referenzspannungs-Niveaus sind, so dass V_j < V_i ist und sowohl V_j als auch V_i kleiner als die Spitzen-Amplitude des Spannungspulses sind, und t_ij ^(e) ein Zeitintervall zwischen einer Zeit, zu welcher der Spannungspuls V(t) unter V_j fällt, und einer Zeit, zu welcher der Spannungspuls unter V_i fällt, ist, Bestimmen der Spitzen-Amplituden V_P durch
vorbestimmte Referenzspannungs-Niveaus sind, so dass sowohl V_I als auch V_k kleiner als V_P sind, t_l ein Zeitintervall zwischen einer Zeit zu welcher der Spannungspuls V(t) unter V_I fällt, und einer Zeit, zu welcher der Spannungspuls V(t) über V_I steigt, und t_k ist ein Zeitintervall zwischen einer Zeit, zu welcher der Spannungspuls V(t) unter V_k fällt, und einer Zeit, zu welcher der Spannungspuls V(t) über V_k steigt, ist, und Bestimmen der Spitzen-Zeit als (V_P/(V_i–V_m)) t_mi ^(b), wobei V_m ein vorbestimmtes Referenzspannungsniveau ist, so dass V_m kleiner als V_p ist und t_mi ^(b) ein Zeitintervall zwischen einer Zeit, zu welcher der Spannungspuls V(t) über V_i steigt, und einer Zeit, zu welcher der Spannungspuls V(t) über V_m steigt, ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, ferner enthaltend Messen der Vielzahl von Zeitintervallen unter Verwendung von Zählern.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Berechnen der bestimmten Parameter ferner aufweist: Ableiten der Abfallszeit-Konstanten unter Verwendung der gemessenen Vielzahl von Zeitintervallen.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Berechnen der bestimmten Parameter ferner aufweist: Bestimmen der Zeitamplitude des Spannungspulses unter Verwendung der gemessenen Vielzahl von Zeitintervallen.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Berechnen der bestimmten Parameter ferner aufweist: Bestimmen der Spitzen-Zeit des Spannungspulses unter Verwendung der gemessenen Vielzahl von Zeitintervallen.
Verfahren in der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) zum Digitalisieren von Gammastrahlen-Energie, aufweisend: Definieren eines mittels eines PET-Detektors erzeugten Spannungspulses als eine schnell linear ansteigende Flanke, die von einem langsameren exponentiellen Abfall gefolgt ist und durch eine Abfallszeit-Konstante, eine Spitzen-Amplitude und eine Spitzen-Zeit charakterisiert ist, Messen einer Vielzahl von Zeitintervallen, die aus einem empfangenen Spannungspuls, welcher von dem PET-Detektor erzeugt wurde, basierend auf eine Vielzahl von Referenzspannungen abgeleitet wurden, Berechnen von mindestens der Abfallszeit-Konstanten, der Spitzen-Amplituden und der Zeit des empfangenen Spannungspulses unter Verwendung einer Vielzahl von Zeitintervallen, und Ausgeben der Resultate des Berechnens in digitalem Format.
Verfahren gemäß Anspruch 9, ferner aufweisend: Durchführen des Berechnens unter Verwendung einer Arithmetikeinheit.
Verfahren gemäß Anspruch 9, ferner aufweisend: Durchführen des Berechnens unter Verwendung von Daten, welche in einer Nachschlage-Tabelle gespeichert sind.
Vorrichtung zur Verwendung in der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) zum Digitalisieren von Gammastrahlen-Energie, aufweisend: eine Vielzahl von Komparatoren, wobei jeder gekoppelt ist, um einen PET-Spannungspuls an einem ersten Eingang und eine erste Referenzspannung an einem zweiten Eingang zu empfangen, eine Vielzahl von Zählern, jeder aufweisend mindestens einen Aktivierungs-Eingang, einen Start-Eingang, einen Stop-Eingang und einen Ausgang, und eine Vielzahl von Invertern, welche zwischen den Ausgängen der Komparatoren und Start- oder Stop-Eingängen eines der Zähler gekoppelt sind, wobei die Ausgänge des einen der Komparatoren mit dem Start- oder Aktivierungs-Eingang des einen der Zähler gekoppelt sind, so dass die Vielzahl der Zähler nur während einer Aktiv-Periode aktiviert sind, wenn ein Ausgangsspannung von einem der Komparatoren, welcher gekoppelt ist, eine niedrigste Referenzspannung zu empfangen, positiv ist, und jeder Zähler während der Aktiv-Periode das Zählen startet auf ein ersten Auftreten einer Anstiegsflanke des Spannungspulses an seinem Starteingang hin und das Zählen fortsetzt bis zu einem letzten Auftreten einer Anstiegsflanke an seinem Stop-Eingang, und die jeweiligen Ausgaben des Zählers digitalisierte Zeitintervalle sind, welche verwendet werden, um die Parameter des PET-Spannungspulses für die Ereignis-Detektion zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, ferner aufweisend: mindestens eine Arithmetikeinheit zum Berechnen und Ausgeben der Parameter des Spannungspulses unter Verwendung der von den Zählern ausgegebenen Zeitintervalle.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Parameter des Spannungspulses die Abfallszeit-Konstante, die Spitzen-Amplitude und die Spitzen-Zeit enthalten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, ferner aufweisend: Mittel zum Liefern eines Satzes von wünschenswerten Referenzspannungen, welche verwendet werden, um die Parameter des Spannungspulses zu berechnen.
PET-System, welche die Vorrichtung gemäß Anspruch 12 enthält.
PET-System, welches das Verfahren gemäß Anspruch 1 verwendet.
Zähler, zur Verwendung in einem Positronen-Emissions-Tomografie (PET)-System, mit mindestens einem Start-Eingang und einem Stop-Eingang, zum Digitalisieren von Zeitintervallen jeweils zwischen Zeitpunkten, an denen eine Anstiegsflanke eines durch einen PET-Detektor erzeugten Spannungspulses eine Referenzspannung erreicht und an denen die Abfalls-Flanke die Referenzspannung erreicht, aufweisend: ein erstes Register zum Speichern einer Systemtakt-Zeit eines ersten Auftreten einer am Start-Eingang empfangenen Anstiegsflanke und zum Unverändertbleiben während der gesamten Aktiv-Periode, und ein zweites Register zum Speichern einer Systemtakt-Zeit, wenn eine Anstiegsflanke am Stop-Eingang auftritt während der Aktiv-Periode, so dass ein Ausgang des Zählers einer Differenz zwischen den in dem ersten und dem zweiten Register gespeicherten Systemtakt-Zeiten gleicht.