DE2254506C2

DE2254506C2 -

Info

Publication number: DE2254506C2
Application number: DE2254506A
Authority: DE
Inventors: Gernd Mount Prospect Ill. Us Muehllehner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-11-09
Filing date: 1972-11-08
Publication date: 1988-04-21
Also published as: FR2159324B1; JPS5618912B2; DE2254506A1; US3745345A; GB1370084A; JPS4859886A; CA962381A; NL7215098A; NL179763C; FR2159324A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus "Kerntechnik", 9. Jahrgang (1967), Heft 12, Seiten 542 bis 545, insbesondere Fig. 5 samt zugehöriger Beschreibung, bekannt.

Während der letzten Jahre wurden viele Verbesserungen für Szintillationskameras der Anger-Bauart (US-Patent 30 11 057) erreicht. Die wichtigsten dieser Verbesserungen lagen auf dem Gebiet der Erhöhung der räumlichen bzw. örtlichen Auflösungsfähigkeit der Kamera, wodurch die diagnostische Verwendbarkeit verbessert wurde. Ein wichtiger Schritt vorwärts bei der Verbesserung der räumlichen Auflösung war 1968 möglich, als Fotovervielfachröhren erhältlich wurden, die Bialkalifotokathoden mit höherer Quanteneffektivität besaßen. Eine andere wichtige Verbesserung für die räumliche Auflösung wurde durch die Verwendung von nicht-linearen Vorverstärkern erreicht, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 21 49 279.5 vom 2. Oktober 1971 offenbart ist. Jedoch begannen diese und andere Verbesserungen bei der Auflösung gewisse inhärente Eigenschaften der Anger- Kamera stärker zu betonen, nämlich die räumlichen Nichtlinearitäten bei der Umsetzung von Szintillationen in elektrische Positionskoordinatensignale.

In der bereits zitierten Literaturstelle "Kerntechnik" ist ausgeführt, daß zur Korrektur von Inhomogenitäten in den Abbildungseigenschaften der Szintillationskamera mit Hilfe eines großen homogenen Aktivitätsphantoms eine Matrix von 32 × 32 Korrekturfaktoren ermittelt wird. Mit dieser Matrix werden alle digitalen Szintigramme korrigiert. Nähere Angaben zur Vorgehensweise fehlen. Es handelt sich vermutlich um eine Energiekorrektur.

Es ist Aufgabe dieser Erfindung, ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren und der eingangs genannten Vorrichtung, die einer Szintillationskamera bei der Umsetzung von Szintillationen in elektrische Positionskoordinatensignale inhärenten räumlichen Nichtlinearitäten zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Verfahrensanspruchs 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 3.

Aus den Verschiebungen des Strahlungsbildes gegenüber der Aperturstruktur der Aperturplatte können Korrekturfaktoren ermittelt werden, die zur Korrektur von Zählinformationen herangezogen werden, die aus einer tatsächlichen, vom Detektorkopf durch einen Kollimator hindurchgeführten Messung an einem radioaktiven Objekt (insbesondere Patient) genommen werden. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung in diesem Sinne ergeben sich aus dem Unteranspruch 2.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht der Hauptbestandteile eines Detektorkopfes einer Szintillationskamera,

Fig. 2 eine Ansicht der Bauteile der Fig. 1 entlang der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 eine Darstellung zur Erklärung einer Betriebsweise der Erfindung,

Fig. 4 eine andere Darstellung zur Erklärung einer anderen Betriebsweise der Erfindung,

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Szintillationskamerasystems,

Fig. 6 ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform eines Systems,

Fig. 7 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Systems,

Fig. 8 eine grafische Darstellung zur Erklärung der Erfindung und

Fig. 9 eine bildliche Darstellung zur Verdeutlichung der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine bekannte Ausführungsform der wesentlichen Bauteile des Detektorkopfes einer Anger-Szintillationskamera dargestellt. Gezeigt ist ein Szintillationskristall 10 in Form einer runden Scheibe aus Thallium- aktiviertem Natriumjodid, eine Glasabdeckung 20, ein Lichtleiter 21 und eine Anordnung von neunzehn Fotovervielfacherröhren. Die Röhren P 8 bis P 11 in Fig. 1 repräsentieren dabei die neunzehn Röhren P 1 bis P 19 der Fig. 2.

Der Kristall 10 und die Glasabdeckung 20 sind in üblicher Weise in einem Aluminiumgehäuse eingeschlossen und hermetisch versiegelt. Diese Anordnung ist im Handel erhältlich und besitzt gewöhnlich einen Durchmesser von 33 cm, wobei sowohl der Kristall 10 als auch die Glasabdeckung 20 ungefähr 1,27 cm dick sind. Der Lichtleiter 21 ist ungefähr 2,54 cm dick, so daß die Fotokathoden der Fotovervielfacherröhren P 1 bis P 19 ungefähr einen Abstand von 3,81 cm von der Oberseite des Kristalls 10 aufweisen. Im Handel erhältliche Szintillationskameras, die diese bekannte Konstruktion verwenden, liefern zufriedenstellende Ergebnisse, obwohl die Effekte der dem Anger-Szintillationskamerasystem innewohnenden Nichtlinearitäten erkennbar sind.

In Fig. 8 und 9 sind die Effekte der bei einer Anger-Szintillationskamera vorhandenen Nichtlinearitäten dargestellt. Die Grafik der Fig. 8 wurde erhalten, indem eine stark kollimierte Gammastrahlenquelle entlang der x-Achse des Kamerasystems vom Mittelpunkt des Kristalls zum Rand bewegt wurde, und indem die mittlere x-Signal-Amplitude als Antwort auf die den Kristall treffenden Gammastrahlen aufgezeichnet wurde. Die Kurve 200 stellt eine theoretische lineare Antwort dar. Die Kurve 201 stellt die Antwort eines Anger-Kamerasystems dar, das einen gewissen Grad von Nichtlinearität aufweist, und Kurve 202 stellt eine Antwort eines Anger-Kamerasystems dar, das eine höhere Nichtlinearität besitzt. Es ist zu erkennen, daß in den Bereichen nahe der Mittellinien der Röhren P 10 und P 11 die Steigung der Kurven 201 und 202 geringer ist als die theoretische lineare Antwort, und daß sie in den Bereichen zwischen den Röhren P 10 und P 11 sowie den Röhren P 11 und P 12 größer ist als die lineare Antwort.

Dies zeigt, daß das System dazu neigt, die Darstellung der Szintillationsereignisse zu den Mittellinien der Fotovervielfacherröhren hin zu verschieben. Dieser Effekt erzeugt eine Darstellung von "heißen Punkten" oder von größeren Konzentrationen von dargestellten Ereignissen in den Gebieten, die den Mittelachsen der Fotovervielfacherröhren entsprechen, wenn ein Kristall gleichförmig mit Gammastrahlen "geflutet" wird, wobei die sieben zentralen "heißen Punkte" in Fig. 9 herausgestellt sind. Mit anderen Worten, die Konzentration von dargestellten Ereignissen ist größer innerhalb der sieben kreisförmigen Bereiche 205, 206, 209, 210, 211, 214 und 215 als in den anderen Bereichen der Darstellung. Wenn die Nichtlinearität des Systems ansteigt, werden die "heißen Punkte" heller, da die dargestellten Ereignisse in einem größeren Ausmaß in der Nähe derjenigen Punkte konzentriert werden, die den Mittellinien der Fotovervielfacherröhren entsprechen.

Gemäß einer Ausführungsform, die in Fig. 1 gezeigt ist, ist der Lichtleiter 21 weggelassen, und die Fotovervielfacherröhren P 1 bis P 19 sind direkt auf die Glasabdeckung 20 montiert. Damit sind die Fotokathoden ungefähr in einem Abstand von 1,27 cm von der oberen Oberfläche des Kristalls 10 entfernt. Diese Konstruktion ergibt ein Anger-Kamerasystem, das eine verbesserte Auflösung hat, aber ohne eine verbesserte Ausgangssignalverarbeitung, leider auch einen höheren Grad an nicht-linearer Antwort besitzt. Nun wird die nicht-lineare Antwort des Kamerasystems kompensiert, indem das Ausgangssignal des Systems in Übereinstimmung mit gemessenen und gespeicherten Werten der nicht-linearen Antwort korrigiert wird. Es wird deutlich, daß die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft ist, wenn sie bei einem Anger-Kamerasystem verwendet wird, bei dem die Fotovervielfacherröhren enger am Kristall angeordnet sind, wodurch sowohl die Auflösung des Systems als auch die Größe der inhärenten Nichtlinearität vergrößert wird.

Verschiedene Lösungsmöglichkeiten zur Kompensation der nicht-linearen Antwort des Kamerasystems sollen in Verbindung mit den Fig. 1 bis 7 beschrieben werden. Allen diesen Lösungen ist ein Lösungsweg gemeinsam, wie die nicht-lineare Antwort des allgemein in Fig. 1 und 2 dargestellten Systems gemessen wird. Eine durchlöcherte Bleiplatte 30 ist angrenzend zum Kristall 10 angeordnet, und eine schichtförmige Quelle 40 aus Gammastrahlen aussendendem radioaktivem Material ist angrenzend zur durchlöcherten Platte 30 angeordnet. Die Öffnungen 31 in der durchlöcherten Platte 30 definieren ein genaues regelmäßiges Muster von Meßpunkten, und Gammastrahlen, die durch die Öffnungen 31 hindurchlaufen, erzeugen Szintillationen im Kristall 10 in einem regelmäßigen Punktemuster. Die Ausgangsantwort des Kamerasystems auf dieses Punktemuster ist eine entsprechende Anordnung von dargestellten Punkten, bei der diese Punkte im allgemeinen von ihren "wahren Stellungen" verschoben sind, d. h. von den Positionen oder Stellungen, die sie einnehmen würden, wenn das System linear wäre. Die Größe der Verschiebung der dargestellten Punkte von ihren wahren Stellungen wird nun für jeden Punkt in dem regelmäßigen Punktemuster gemessen. In der Praxis sind die Öffnungen 31 auf einen Bereich innerhalb des gestrichelten Kreises 11, vgl. Fig. 2, begrenzt, wobei dieser Bereich die ausnutzbare Fläche des Kristalls 10 darstellt, die ungefähr 25,4 cm Durchmesser bei einem typischen Kamerasystem hat. Ein Durchmesser von 3 mm der Öffnungen 31 mit einem Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt von 24 mm führt zu ungefähr 120 Öffnungen 31 in einem Bereich von 25,4 cm Durchmesser. Vier Belichtungen mit der Aperturplatte 30, wobei diese jeweils zwischen den Belichtungen verschoben wird und wobei Ausrichtungslöcher 32 in jeder Ecke verwendet werden, ergeben fast 500 Meßpunkte. Für jeden Meßpunkt wird ein Paar von Koordinatenkorrekturfaktoren berechnet und gespeichert. Aus diesem Satz von Korrekturfaktoren kann jeweils ein Paar von Koordinatenkorrekturfaktoren für Punkte zwischen den tatsächlichen Meßpunkten durch Interpolation ermittelt werden. Damit wird ein Satz von Koordinatenkorrekturfaktorpaaren mittels dieses Verfahrens erhalten, der so groß ist, wie es notwendig oder gewünscht ist. Somit wird ein Satz von Koordinatenkorrekturfaktorpaaren verwendet, um die Ausgangssignale eines Anger-Kamerasystems so zu korrigieren, daß die vorhandenen Nichtlinearitäten kompensiert werden.

Fig. 5 zeigt ein Anger-Kamerasystem, bei dem zunächst ein unkorrigiertes Digitalbild erhalten wird, das dann in Übereinstimmung mit dem gespeicherten Satz von Koordinatenkorrekturfaktoren korrigiert wird. Ein bevorzugter Lösungsweg zur Berechnung und Speicherung eines Satzes von Koordinatenkorrekturfaktoren soll ebenfalls in Verbindung mit dem in Fig. 5 gezeigten System beschrieben werden. Das in Fig. 5 gezeigte System besteht aus einem Detektorkopf 60, einer Detektorelektronik 70, einer Kathodendarstellungsröhre (CRT) 80, einem Analogdigitalumsetzer (ADC) 90, einem Vielkanalanalysator 100 (einschließlich einer Sichtdarstellungseinrichtung), einer Computerbandspeichereinrichtung 110 und einem programmierbaren Datensystem 120.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Detektorkopf ein Anger-Detektorkopf 60, der gemäß Fig. 1 und wie oben beschrieben modifiziert ist. In üblicher Weise werden vier Ausgangssignale, die mit x+, x-, y+ und y- bezeichnet sind, mittels eines Kabels 61 an die Detektorelektronik 70 weitergeleitet, die auf Ausgangsleitungen 71, 72 Ausgangssignale erzeugt, die mit x, y bezeichnet sind. Die x-, y-Signale können auf dem CRT 80 dargestellt werden, oder sie können in dem ADC 90 digitalisiert und in einem der 4096 Kernspeicherplätze des Vielkanalanalysators 100 gespeichert werden. Der Inhalt der Kernspeicher im Vielkanalanalysator 100 wird dann abgetastet, auf ein Magnetband im Computerbandspeichersystem 110 aufgeschrieben und in das programmierbare Datensystem 120 eingegeben.

Währen der vier aufeinanderfolgenden Belichtungen des Detektorkopfes 60 durch Gammastrahlen von der Schichtquelle 40 durch die durchlöcherte Platte 30, wie oben beschrieben, wird jede Belichtung in digitaler Form im Vielkanalanalysator 100 gespeichert. Das Ergebnis wird dann auf Magnetband in der Magnetspeichereinheit 110 abgespeichert und sodann dem Datensystem 120 zugeführt, das so programmiert ist, daß es ein Paar von Koordinatenkorrekturfaktoren für jeden Loch-Meßpunkt berechnet und speichert. Eine Möglichkeit zur Berechnung der Koordinatenkorrekturfaktoren ist die, den Computer so zu programmieren, daß er die Stelle des Mittelpunktes eines jeden Loch-Meßpunktes in dem endgültig gespeicherten Bild findet und dann diese Stelle mit der Stelle vergleicht, die ein solcher Loch-Meßpunkt bei einem linearen System einnehmen würde. Die x- und y-Verschiebungen zwischen der tatsächlichen Stelle und der wahren Stelle können als ein Paar von Koordinatenkorrekturfaktoren betrachtet werden, die mit dem betreffenden Meßpunkt verknüpft sind. Diese Berechnung wird für jeden Meßpunkt ausgeführt, und die sich ergebenden Koordinatenkorrekturfaktoren werden in dem Kernspeicher gespeichert. Die Interpolation zwischen den Meßpunkten kann verwendet werden, um einen Satz von Koordinatenkorrekturfaktoren für jede aktive Kernspeicherstelle in der 64 × 64-Matrix zu erzeugen. Diese Interpolation kann zu der Zeit vorgenommen werden, zu der die Korrekturfaktoren für die Meßpunkte bestimmt werden, oder zu einer späteren Zeit, wenn eine tatsächliche Untersuchung eines radioaktiven Objekts, die von dem Kamerasystem durchgeführt wurde, bearbeitet wird.

Die Korrektur einer tatsächlichen, von der Kamera durchgeführten Untersuchung an einem radioaktiven Objekt, das durch einen Kollimator 50 gesehen wurde, wird erst durchgeführt, nachdem die Korrekturfaktoren bestimmt worden sind unter Verwendung der Schichtquelle 40 und der durchlöcherten Platte 30. Ein unkorrigiertes Digitalbild oder eine "unkorrigierte Karte" wird im Vielkanalanalysator 100 als Zählnummern an den Kernspeicherstellen akkumuliert und dann auf Band in der Bandspeichereinheit 110 aufgeschrieben. Das programmierbare Datensystem 120 nimmt die Zählinformationen von der Bandspeichereinheit 110 auf und verteilt die Zählung einer jeden Kernspeicherstelle in neue Kernspeicherstellen im Vierkanalanalysator 100 in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Paar von Koordinatenkorrekturfaktoren, das mit jeder Kernspeicherstelle der "unkorrigierten Karte" verbunden ist. Nach Fig. 3 besitzt z. B. das Element x(n), y(m) in der "unkorrigierten Karte" die Korrekturfaktoren x = 1,25 und y = 2,50 und weist 200 Zählungen an dieser Kernspeicherstelle auf. Die Koordinatenkorrekturfaktoren zeigen an, daß die richtige Stelle für das Element x(n), y(m) in einem linearen System diejenige Stelle sein würde, die in gestrichelten Linien gezeigt ist und die vier Elemente überlappt. Das Datensystem verteilt somit die 200 Zählungen neu entsprechend dem Grad des Überlappens, so daß 75 Zählungen in jedes der Elemente x(n +1), y(m +3) und x(n +1), y(m +2) sowie 25 Zählungen jeweils in die Elemente x(n +2), y(m +3) und x(n +2), y(m +2) eingegeben werden. Jedes Element oder jede Kernspeicherstelle der "unkorrigierten Karte" wird in entsprechender Weise so bearbeitet, daß eine "korrigierte Karte" erhalten wird, in der die Zählungen räumlich neu verteilt sind, um die bei der Herstellung der "ursprünglichen Karte" entstandenen Nichtlinearitäten zu korrigieren. Die "korrigierte Karte" kann dann auf der Darstellungseinrichtung (üblicherweise eine CRT-Darstellung) in dem Vielkanalanalysator 100 dargestellt werden.

Es ist somit für den Fachmann deutlich, daß die Korrekturfaktorenbestimmung und die Kartenkorrektur auch direkt in einem programmierbaren Datensystem 130 durchgeführt werden können, wie in dem System der Fig. 6 gezeigt ist, vorausgesetzt, daß dieses Datensystem 130 ausreichend Kernspeicherplatz und/oder Peripherieeinrichtungen aufweist, um einen Satz von Korrekturfaktoren, eine "unkorrigierte Karte" und eine "korrigierte Karte" zu speichern. Eine periphere Darstellungseinrichtung 140, wie z. B. eine CRT-Darstellung, ist an das Datensystem 130 angekoppelt, um eine Darstellung der "unkorrigierten" oder der "korrigierten Karte" für eine Sichtuntersuchung oder zum Fotografieren für Dokumentationszwecke zu ermöglichen.

In Fig. 7 ist ein System mit Anwendung von zuvor gemessenen Koordinatenkorrekturfaktoren gezeigt, welche das Koordinatenausgangssignal, das einem jeden Szintillationsereignis entspricht, korrigieren. Ein Datensystem 150 mit durch Verdrahtung festgelegtem Programm erhält ein Paar digitalisierter Koordinatensignale vom ADC 90 und korrigiert die digitalisierten Signale in Übereinstimmung mit Koordinatenkorrekturfaktoren, die in einem Speicher 180 gespeichert sind. Die korrigierten digitalisierten Signale können auf einem Direktbandspeichersystem 190 oder auf jedem anderen bekannten Datenspeichergerät aufgezeichnet werden, oder sie können durch einen Digitalanalogumsetzer (DAC) 160 geleitet und auf einer CRT-Darstellung 170 dargestellt werden. Das Verfahren zur Korrektur eines jeden Paares von Koordinatensignalen soll anhand von Fig. 4 erklärt werden.

Jedes x-, y-Koordinatensignal wird zu einem 8-Bit-Wort digitalisiert, was eine 256 × 256-Matrixanordnung ergeben würde, und wird dann in einem 10-Bit-Register gespeichert, wobei das Wort um 2 Bits nach links verschoben wird (was das gleiche bedeutet, wie eine Multiplikation mit 4), um auf bequeme Weise einen 4-Bit-Korrekturfaktor zu addieren, ohne daß Gleitkomma-Arithmetik angewendet werden muß. Somit kann z. B. das digitalisierte x-Koordinatensignal das folgende binäre Wort sein, nachdem es verschoben wurde:
1000001000.

Dies repräsentiert ein Element x = 130 in einer 256 × 256- Matrixanordnung. Ein Korrekturfaktor, der 0,75 Matrixelementen entspricht, wird nach Multiplikation mit 4 in dezimaler Form durch die Zahl 3 und in binärer Form wie folgt dargestellt:
0000000011.

Die Addition dieses Korrekturfaktors zu der x-Koordinate gibt das folgende Ergebnis:
1000001011.

Um eine Überlappung des verschobenen Elementes zwischen den Elementen in der Originalmatrix zu ermöglichen, wird eine willkürliche Zahl zu der korrigierten Koordinate addiert. Diese zufällig ausgewählte Zahl kann vier Werte zwischen -0,5 und +0,5 Matrixelementen annehmen, oder, was äquivalent dazu ist, zwischen 0 und +1 Matrixelementen. Damit ergeben sich für den erstgenannten Fall die folgenden möglichen zufälligen Zahlen in binärer Form:

-0000000010
-0000000001
+0000000001
+0000000010

Addition jeder dieser Zahlen zu der korrigierten Koordinate 1000001011 ergibt:

1000001001
1000001010
1000001100
1000001101.

Wenn diese vier möglichen Ergebnisse jeweils um 2 Bits nach rechts verschoben werden, wird die korrigierte Koordinate entweder x = 130 oder x = 131 sein, abhängig davon, welcher zufällige Zahlenwert addiert wurde. Da die Koordinatensignale bei einer Anger-Kamera zufällig auftreten, kann die Zufälligkeit dadurch erreicht werden, daß die "zufällige" Zahl um 1 bei jedem Szintillationsereignis erhöht wird. Die endgültig korrigierte Koordinate wird um 2 Bits nach rechts verschoben, um eine 256 × 256-Matrixanordnung zu erhalten. Wenn dagegen die korrigierte Koordinate als Zählung in einer 64 × 64-Matrixanordnung gespeichert werden soll, wird die korrigierte Koordinate um 4 Bits nach rechts verschoben.

Das Addieren von unterschiedlichen zufälligen Zahlen führt in manchen Fällen zu Koordinaten, die zwischen angrenzenden Elementen in der 64 × 64-Matrixanordnung alternieren, wie in dem folgenden Beispiel gezeigt ist:

Claims

1. Verfahren zur Korrektur von Inhomogenitäten in den Abbildungseigenschaften einer Szintillationskamera, die einen Detektorkopf aufweist, bei dem mit Hilfe einer Gammastrahlen aussendenden Eichvorrichtung Korrekturfaktoren zur Korrektur digitaler Szintigramme gewonnen werden, gekennzeichnet durch die Verwendung eines aus einer durchlöcherten Aperturplatte (30) und einer an die Aperturplatte (30) angrenzend angeordneten schichtförmigen Quelle (40) aus Gammastrahlen aussendendem Material bestehenden Eichvorrichtung, wobei die Aperturplatte (30) an den Detektorkopf (60) angrenzend angeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Aperturplatte (30) ein regelmäßiges Muster von Meßpunkten vorgegeben wird und daß ein Paar von Korrekturfaktoren für jeden Meßpunkt gewonnen wird und daß weitere Korrekturfaktoren zwischen den vorgegebenen Meßpunkten durch Interpolation gewonnen werden können.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine am Detektorkopf (60) angrenzend angeordnete Aperturplatte (30) und eine an der Aperturplatte (30) angrenzend angeordnete schichtförmige Quelle (40) aus Gammastrahlen aussendendem Material.