DE2315525A1

DE2315525A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der raeumlichen verteilung einer radioaktiven substanz

Info

Publication number: DE2315525A1
Application number: DE2315525A
Authority: DE
Inventors: Robert William Todd
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1972-03-28
Filing date: 1973-03-28
Publication date: 1973-10-04
Also published as: NL7304208A; JPS4916484A; GB1425574A; US3876882A

Description

national research development corporation

London (Großbritannien)

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Verteilung einer radioaktiven Substanz

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Verteilung einer radioaktiven Substanz, insbesondere, aber nicht ausschließlich, eine für die Verwendung zur medizinischen Diagnose bestimmte Vorrichtung dieser Art.

Es ist üblich geworden, diagnostische Informationen durch Ermittlung der Verteilung einer radioaktiven pharmazeutischen Substanz im menschlichen Körper zu ermitteln. Man wählt die geeignete radioaktive Substanz aus, die eine geeignete Gammastrahlung emittiert. Diese Substanz wird dem Patienten oral oder durch intravenöse Injektion verabreicht und sammelt sich in dem gewählten Organ an, beispielsweise in der Lunge, Leber, HiIz, Bauchspeicheldrüse, Plazenta oder Schilddrüse oder im Gehirn. Zu den verwendeten Substanzen gehören Jod 125, Jod 131, Indium 113m und Technetium 99m. Die Verteilung der G-ammastrahlenenission des Organs ist dann von diagnostischem Wert.

Diese Verteilung ist bisher immer durch Abtasten und Abbilden mit ailfe einer Kamera unter Auswertung der photoelektrischen Viechs el wirkung zwischen Garnmaphot one η und Materie ermittelt worden. Gebräuchliche Kameras sind die Anger-Kamera und in neuerer Zeit iialbleiterkaiaeras. In allen diesen Kameras ist ein Kollimator aus Blei erforderlich, durch dessen Vorhandensein jedoch das räumliche Auflösungsvermögen derartiger Kameras stark eingeschränkt wird.

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ORIGINAL INSPECTEO

Die Erfindung schafft zur Bestimmung der räumliehon Verteilung einer radioaktiven Substanz ein Verfahren, das darin "besteht, daß im Bereich der radioaktiven Substanz ein .Detektor angeordnet wird, daß die stellen ermittelt werden, an denen von der radioaktiven Substanz emittierte Gammaphotonen in den Detektor zum Auftreten des Compton-Effekts führen, sowie die auf diese Oompton-iCffekte zurückzuführenden Energieverluste, und daß von den ermittelten stellen und Energieverlusten Informationen abgeleitet v/erden, welche die räumliche Verteilung der radioaktiven Substanz betreffen.

Die Erfindung schafft ferner zur Bestimmung der räumlichen Verteilung einer radioaktiven Substanz eine Vorrichtung, die einen Detektor besitzt, der im Gebrauch der Vorrichtung im Bereich der radioaktiven Substanz angeordnet wird, ferner eine Einrichtung zum Ermitteln der Stellen, an denen von der radioaktiven Substanz emittierte o-ammaphotonen in dem Detektor zum Auftreten des üompton-Effekts führen, sowie der auf diese Compton-Effekte zurückzuführenden Energieverluste, und eine Einrichtung, die dazu dient, von den ermittelten Stellen und Energieverlusten Informationen abzuleiten, welche die räumliche Verteilung der radioaktiven Substanz betreffen.

Eine derartige Vorrichtung kann für die medizinische Diagnose verwendet v/erden.

Wenn man beispielsweise eine einzige punktförmige Quelle aus einer radioaktiven ^substanz betrachtet, so kann ein von dieser Quelle emittiertes G-ammaphoton in dem Detektor :m einem ersten Zusammenstoß beteiligt sein. Die Stelle diese.is Zusammenstoßes und der darauf zurückzuführende Energieverlueι werden registriert, weil nicht der Photoeffekt, sondern der Joupton-Efiekt ausgewertet wird, ist nach dem Zusammenstoß ein enoL*.;ieärmeres Gammaphoton vorhanden, das an einer zweiten Stelle in dem Detektor an einem zweiten Zusammenstoß beteiligt sein kann, dessen Jtelle ebenfalls registriert wird«, Wenn man dann einen Kegel, dessen Neigungswinkel gleich Compton-^treuwinkel ist,

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rückwärts längs der Geraden projiziert, welche die atellen des ersten und des zweiten Zusammenstoßes verbindet, stellt die ellipsenförmige Schnittlinie zwischen dem Kegel und der Objektebene eine Wahrscheinlichkeitsfunktion dar, die den Ort der punktförmigen Quelle angibt, /eitere von der punktförmigen Quelle emittierte Gammaphοtoneη ermöglichen die Ermittlung weiterer Wahrscheinlichkeitsellipsen in der Objektebene. Der Bereich der stärksten Konzentration der Schnittpunkte dieser Ellipsen gibt die Lage der punktförmigen Quelle an. Diese Lage kann daher durch eine geeignete Dichteanalyse ermittelt werden.

Dieser ganze Vorgang kann elektronisch mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden. Man erhält dabei auf einer Speicherröhre ein Bild, in dem infolge der Anwendung von Austastverfahren nur der die Quelle darstellende, dichte Punkt sichtbar ist. aus zahlreichen Quellenpunkten kann man ein Gesamtbild des Objekts konstruieren.

Da im Rahmen der Erfindung kein Kollimator erforderlich ist, werden die mit den bekannten Vorrichtungen verbundenen Einschränkungen vermieden. Wie aus der nachstehenden Beschreibung hervorgeht, ermöglicht die Erfindung ferner eine verbesserte Energieauflösung, so daß eine räumliche Auflösung von wenigen Millimetern möglich ist. Aus ähnlichen Gründen hat der Detektor einen viel höheren Wirkungsgrad als in den bekannten Anordnungen, do daß hohe Zählfrequenzen möglich sind und erforderlichenfalls mehrere Bilder pro Sekunde erzeugt werden können.

Die Anwendung der Erfindung ermöglicht ferner die Verwendung von Radioisotopen in einem wesentlich größeren Energiebereich von 0,12-2,5 MeV. Diese Tatsache zusammen mit dem hohen Energieauflösun~svermögen von Halbleiterdetektoren ermöglicht es, die Wirkungen von durch das Körpergewebe gestreuten Strahlungen fast völlig zu beseitigen.

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Bin weiterer durch die Erfindung erzielter Vorteil besteht darin^ daß es bei einer geeigneter* geometrischen Anordnung möglich ist₈ durch Einstellung elektronischer Parameter Aktivitätsebenen in dem betrachteter, Bereich zu untersuchen, Dadurch wird eine räumliche Analyse ermöglicht/ die manchmal als tomographische Scintigraphic bezeichnet wird,

Ein Aüsfühnrngsbeispiel 1st Irfinäasg wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen besehriebe:!:, It diesen erläutert

Fig., 1 schematised das allgemeine ü'imfeti ons prinzip der erfinduagsgemäßen Torrichtung.

Pig. 2 zeigt schematised, die Anordnung einer punktförmigen Quelle.

Fig» 3 erläutert schematice« die A-usMl&usg r<xd Wir» ,gsweise eines Detektors,

'Fig. 4 zeigt scheamtlszh άτ^-i. iusajumens^öie eines Gammaphotons in einem Detektor,

Fig. 5 ein Elock&chalthlli. HT₁BT erfindvrf.-^emäSen Vorrichtung und

Fig. 6 schematisch ε·;.ΐ;;-η De\;^>t3i-^-0r:i ^p-.v Vorrichtung gemäß Fig. 5°

Fig. 7 und 8 ze„g-■■■■■ Zoh^^e^^aih i::. -l.i^~> Seitenansicht

Teil des Petektcr^ ί β rc. ?,.,.· ""·::-. ',:■ '.^:.:- ■ "■. ".r-ä -^:" .

Fig. 12 ist ein Blockschaltbild eines Rechenwerks in der Vorrichtung gemäß Fig. 5.

Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip wird nachstehend anhand der Fig. 1 erläutert, in der ein Detektor 1 und eine punktförmige radioaktive Quelle 2 schematisch dargestellt sind. Wenn die Quelle 2 ein Gammaphoton in der richtigen Richtung emittiert, findet an einem Punkt 3 in dem Detektor 1 ein Zusammenstoß statt. Die Lage des Punktes 3 und der auf den Zusammenstoß zurückzuführende Energieverlust werden registriert. Das durch den Zusammenstoß erzeugte, energieärmere Gammaphoton bewegt sich weiter und nimmt an dem Punkt 4 erneut an einem Zusammenstoß teile Die Lage des Punktes 4· wird ebenfalls registriert. Wenn nun von dem Punkt 3 auf die Objektebene ein Kegel 5 zurückprojiziert wird, dessen Neigungswinkel 4 gleich dem Compton-Streuwinkel ist und dessen Achse mit der die Punkte 4 und 3 verbindenden Geraden übereinstimmt, stellt die in der Objektebene erhaltene Ellipse 6 eine Wahrscheinlichkeitsfunktion dar, di* den Ort der Quelle 2 angibt. Aufgrund von weiteren von der Quelle 2 emittierten Gamin* ph ο tonen kann man in der Objektebene weitere Wahrscheinlichkeitsellipsen erhalten, so daß ein Bild der in Fig. 2 gezeigten Art entsteht. Durch eine Dichteanalyse dieses Bildes kann man die Lage der Quelle 2 genau ermitteln. Dieser ganze Vorgang wird elektronisch mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt und führt zum Brzeugen eines Bildes auf einer Speicherröhre, auf der infolge den Anwendung von Abtastverfahren nur der dichte Quellenpunkt sichtbar ist. Aus zahlreichen derartigen Quellenpunkten wird dann ein Bild des Objekts konstruiert.

Der Detektor 1 besteht vorzugsweise aus einem Halbleiterstrahlungsdetektor, der als eine Festkörper-Ionisationskammer angesehen werden kann. Dieser Detektor 1 ist in Fig. 3 ebenfalls schematisch dargestellt. Wenn ein einfallendes Gammaphoton an einem Punkt 9 in dem Detektor 1 mit einem iälektron eines Atoms zusammenstößt, werden sowohl das Elektron als auch das Gammaphoton gestreut. Das gestreute Elektron wird gewöhnlich als Rückstoßelektron bezeichnet und führt zur Erzeugung von Defektelektronenpaaren, die dann unter dem Einfluß eines angelegte!

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elektrischen Feldes zu einer Anode 10 oder einer Kathode 11 wandern, wie β3 durch die Pfeile angedeutet iet_s lan erhält auf diese Weise an einem Anschluß 12 einen A-usgs&gsenergieimpuls· Die Verwendung eines Halbleiterdetektors ermöglicht eine hohe Zählfrequenz und eine ausgezeichnete EasrgießiiflSsung« Silicium und Germanium haben ein so hohes BremsYerjögerir daß man mit einer nur wenige Zentimeter dicken Materials chi eilt eins fc.olie Empfindlichkeit erzielen ktjnn. Bei Silicium tritt der öomptoa-E-ffekt vorwiegend in dem Energiebereich von O₉12-2 _t5 MeY axf„

Hinsichtlich der !^ergäsauflösung und der- praktischen Ausbildung des Detektors ist zu berücksichtigen, daß sowohl bei Silicium als auch bei Germanium nur kleine Str-euström® zwischen der Anode 10 und der Kathode 11 fließsn dürfen_P weil sonst der Rauschpegel unzulässig hoch ist. Man kann di#a®r Forderung entweder durch eine Kompensation des Materials entsprechen, wodurch die wirksame Störstellendichte herabgesetzt wird₉ wie z.B. in lithiumgedrifteten Detektoren oder durch Verwendung einer Diode mit einer Sperrschicht, aas der die freien ladungsträger unter dem Einfluß des angelegten Feldes entfernt werden icönixexu Die zweite Maßnahme wird bevorzugt.

Bei Silicium ist zum Erzeugen eines JDefektelektronenpaars eine Energie von 3,5 eV erf order lieh,, die somit um eine Größenordnung kleiner ist als in einer Proportional-Gaskammer. Bei einem Energieverlust von 100 KeY werden daher 28,5 . 1O^ Defektelektronenpaare freigesetzt. Man kann die statistische Schwankung dieses Yorgangea als die Halbwertsbreite /^-^ des Energieauflösungsvermögens ermitteln. Plese beträgt

1 1
^s 2_?36 <£{%/*>)'- 2* eV

Bei Silicium ist &* - 3_t5* i'eriAer ist

S der auf den Zusairipenetof ^'.iy'^<k&'iiWij?aTi&.e Energie-

verlust und
P der Fano-faktor

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Wenn das einfallende Teilchen in dem empfindlichen Bereich des Detektors zur Buhe kommt, dürfen die Ionisationsereignisse nicht als vollkommen unabhängig voneinander behandelt werden, weil das Primärteilchen genau den Betrag seiner Anfangsenergie verlieren muß. Infolgedessen wird eine nicht-G-außsche Verteilung erhalten und der Wert des mittleren Quadrats der Schwankung der Anzahl der erzeugten Ionenpaare um den Pano-Paktor P herabgesetzt. Durch Messungen wurde festgestellt, daß dieser in Silicium nur 0,1 beträgt.

Es ist ferner der Streustrom zu berücksichtigen, der vor allem darauf zurückzuführen ist, daß in der Sperrschicht Ladungsträger zusätzlich zu dem Diffusionsstrom erzeugt werden. Es ist

2AL
2,36-* ^c

1T 1,6 10"¹^

Darin ist

die Halbwertsbreite der Energieauflösungskoaponente, die auf die Erzeugung von Ladungsträgern in der Sperrschicht zurückzufuhren ist;
der spezifische elektrische Widerstand des Materials;

V die angelegte Vorspannung?

2
A die Fläche in cm ;

die Lebensdauer des Ladungsträgers; und K die Ansprechzeit des Verstärkers» Dieser Effekt wird durch Abkühlung auf -20° C um mehrere Größenordnungen verkleinert.

Um eine genügend genaue Bestimmung der ^-Koordinaten zu ermöglichen, ist der Detektor 1 aus einzelnen, etwa 0,5 miß dicken Scheiben auigebautj, die nachstehend ausführlicher beschrieben sind. Zur Erzielung einer Empfindlichkeit bis zu einer Tiefe von 0,5 mm kann man eine von zwei Maßnahmen anwendem Entweder wird in n-Silicium ein pn-übergang gebildet oder man kann p-Silicium durch Eindriften von Lithium kompensieren, so daß ein pin-Übergang gebildet wird. Das Eindriftea von Lithium hat'

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den Vorteil, daß man eine Etn ^.ιΐι;1Ιίοϋβχτ Ms au einer Tiefe von etwa 1-2 cm erzielen kann, rad"; der man bei Germanium ein ausreichendes Bremsvermögen behält, Aus den Kurven, welche für Germanium und Silicium die Abhängigkeit des linearen Dämpfung Koeffizienten von der Energie darstellen, geit nariror, daß bei Germanium und Silicium, besonders aber bei dem letzteren, jener Bereich der Isotopenenergie, in dem der Ei ο K) effekt überwiegt,, stark eingeschränkt ist, während für den Οοηρΐοη-Sffekfc ein großer Snergiebereich zur Verfügung steh'/.

Die Verwendung ύοπ ':..d shiuaigeiriftot^ii derüiardum hat jedoch den Nachteil, dai3 zum Heral^e >:;βη dos Streustroms der Detektor 1 mit Flüssigstickstoff gekühlt werden "and zu diesem Zweck das Detektorsystem durch ununterbrochenes Pumper unter einem sehr niedrigen Druck gehalten werden muß,

Eine Empfindlichkeit bis zu einer iiefs von 0,5 mm pro Scheibe ist jedoch ausreichend und >ar.n in Silicium mit; hohem spezifischem elektrischem Wider3~.;-s,nd in tier Sperrschicht eines pn-Überganges erzielt werden, jj<i diesem Zweck wird a,if der Oberfläche des Siliciums eine Jehot Cky™3pei^^3iiieh~ s.ng-'-.\-dnet und wird an die Einrichtung ein e].e]c⁴.n.:-a\e?; J*eid auge legt, das so stark ist, daß die Empfindlichkeit ~c±z zu der "rforderlichen Tiefe von 0,5 mm (der Dicke der ooiieibej ar zielt v/ird,

Zur Bestimmung der x- and y-rloordinären li-r Stellen, an denen der -Compton-Effekt aufurltt^ >jum man ^ine d^r nachstehend angegebenen Maßnahmen anwenden;

(a) Man kann auf der Oberfiäoiie des Detektors 1 eine blattförmige Widerstandssohicii"· vorsehen nrA dann Elektroden an geeigneten Stellen anDi'ir.gen, so daß das Impulshöhenverhältnis die Sne^lsn angibt, an dynen der Compton-Effekt auftritt;

(b) man kann auf der Oberfläche des Siliziums zueinander rechtwinklige, diskrete Sperrschichten vorsehen und dann die Schottky-Sp&rrsohichtanordnung mit Hilfe einer Transformator-Matrixanordnung codieren.

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Ein weiterer Vorteil der genannten Maßnahmen besteht darin, daß die Elektrodenkapazität beträchtlich herabgesetzt wird, so daß ein schärferer Impuls erhalten wird und die Rauschwirkungpn herabgesetzt werden. Ferner kann man erforderlichenfalls durch eine Analyse der von dem Detektor abgegebenen Impulse die Tiefe bestimmen, an dem der Compton-Effekt in der Scheibe aufgetreten ist.

Bei jedem mehrschichten System müssen die zwischen den aktiven Schichten auftretenden Verluste berücksichtigt werden. Die Schottky-Sperrschicht hat den besonderen Vorzug, daß der tote Raum in jeder Schicht nur sehr klein ist (etwa 1 um). Bei einem Energieverlust von beispielsweise 140 keV beträgt die Weg-

—4
länge der Rückstoßelektronen 10 m, so daß der Energieverlust pro um

140 . IQ³ . 10*⁶ eV
10"⁴

=1,4 keV

beträgt und bei einem Durchtritt des Rückstoßelektrons durch den Spalt zwischen zwei Scheiben nur ein zulässiger Energieverlust von wenigen keV auftritt.

Bei der vorstehenden Erläuterung des Erfindungsgegenstandes anhand der Fig. 1 wurde angenommen, daß der Energiepegel der Quelle bekannt ist, so daß der Compton-Streuwinke1 mit dem : Energieverlust in eine Beziehung gebracht werden kann. Dabei wurde ferner angenommen, daß es sich um eine monoenergetische Gammastrahlungsquelle 2 handelt. Wenn man jedoch anstatt der beiden ersten die drei ersten Zusammenstöße auswertet, kann man jede beliebige bekannte Energiequelle verwenden. Ein derartiges System ist in der Fig. 4 erläutert.

Es werden die Punkte 20, 21 und 22 ermittelt, an denen die Zusammenstöße stattfinden, sowie die bei dem ersten und dem zweiten Zusammenstoß auftretenden Energieverluste. Zunächst nimmt man an, daß das einfallende Photon (mit den möglichen Energiepegeln A, B und C) den Energiepegel A besitzt. Wenn der am Punkt 20 auftretende Energieverlust gleich P ist, hat das

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- ίο -

am Punkt 21 einfallende Photon den Energiepegel (A-P). Wenn der am Punkt 21 auftretende Energieverlust gleich Q ist, erhält man durch Bestimmung von ((A-P)-Q) den CJcmpton<-3treuwinkel an dem Punkt 21. Der Punkt 22 muß unter diesem Winkel gegenüber dem Vektor 20*21 angeordnet aein«

In der Vektor-Gleichung

1 . 3 = ^RJ . \S\ . cos Q

ist 0 der Winkel zwischen R χιτΛ S. Dieser Winkel wird mit Hilfe der Comptonschen Gleichung

_ -=—- - (1- 203 0)

ermittelt. Darin sind

/\ und )) die Wellenlängen des Photons vor bsw. nach dem

Zusammenstoß und ist
h die Plancksehe Konstante
m die Ruhemasse eines Elektrons und c die Lichtgeschwindigkeit.

Wenn man zur Berechnung von θ mit Hilfe der Vektorgleichung für R den Vektor 20-21 und für 3" den Vektor 21-22 einsetzt, erhält man

= cos 0
(Rl.(Sl

Die Gültigkeit der ursprünglichen Annahme hinsichtlich des Energiepegels kann auf diese Weise bestätigt werden. Wenn für θ nicht der richtige Wert erhalten wird, nimmt man an, daß die Quelle den Energiepegel B hat. Der Vorgang wird wiederholt, bis einer der Energiepegel bestätigt worden ist.

Es wurde ferner angenommen, daß die an den Zusammenstößen teilnehmenden Photonen nach vorn gestreut werden. Dies ist zwar nicht immer der Fall, doch kann man andernfalls mit Hilfe des vorstehend erläuterten Verfahrens den Energiepegel des einfallenden Photons nicht bestätigen. Da rückwärtsgestreute Photonen unbrauchbar sind, wird die Information nicht ausgewertet. Infolgedessen bleiben auch Photonen außer Betracht, die durch das Körpergewebe gestreut worden sind.

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- li -

Natürlich ist die Anzahl der in dem Detektor 1 stattfindenden Zusammenstöße für jedes einfallende Photon verschieden. Eine ideale Zahl ist drei, doch kann man auch vier oder fünf (oder sogar noch mehr) Zusammenstöße durch wiederholte Durchführung eines Rechenvorganges auswerten, der dem vorstehend beschriebenen ähnelt.

• Die Impulsbreite eines in dem detektor 1 auftretenden Compton-Effekts beträgt weniger als 100 ns, so daß Zählfrequenzen ' von 10 MHz theoretisch möglich sind. In der Praxis kann man nicht mit einer so hohen Zählfrequenz arbeiten, weil eine gewisse Zeit für die Berechnung der Stelle des Zusammenstoßes und des dabei auftretenden Energieverlustes usw. erforderlich ist. Man kann jedoch mit Werten zwischen 1 und 5 MHz arbeiten.

Wie vorstehend erwähnt wurde, kann man das Bild des Objekts als aus zahlreichen Quellenpunkten zusammengesetzt ansehen. Jeder dieser Punkte besteht aus den Schnittpunkten von abgeleiteten Währscheinlichkeitsellipsen. Wenn die Objektebene versetzt wird, werden diese Ellipsen nicht mehr scharf abgebildet, so daß kein Bild erzeugt wird. Bei einer dreidimensionalen Quelle kann man daher die Kamera auf mehrere beliebige Ebenen scharf einstellen. Die Dicke jeder Ebene ist ähnlich wie die Schärfentiefe einer normalen optischen Kamera von der geometrischen Anordnung der Quelle in Bezug auf die Achse der Kamera abhängig.

Pig. 5 zeigt ein Blockschaltbild der vollständigen Vorrichtung, mit der eine punktförmige Quelle mit einer Genauigkeit von wenigen Millimetern abgebildet werden kann. Die bisher verwendeten Vorrichtungen haben ein Auflösungsvermögen von 1 cm oder mehr, so daß kleine Defekte in einem Organ leicht unerkannt bleiben und der innere Aufbau des Organs oder des Defekts nicht aufgelöst wird· Diese beiden Schwierigkeiten werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung infolge ihres höheren räumlichen Auf- ' lösungsvermögens vermieden.

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•.»e.;iä;? i"'ig· :^; i-"·i .'*-'" rrr-ich eier mit 2 bezeichneten qu,;:.,,- aia :ieuektorkc C^ 22 .-/..-...--arhalb einer Umschließung 21 angeordnet der on r-seit arairir r-vi me ?t wird. Der Ausgang des Detektors 2ü wird an eine T^rarl ei''eer.esernr L-hrang angelegt, die eine Stufe ei zur 3e3Tiinir,i;;g" :;ίΰ Xgrire. - ~ie-i lee Weges des Photons besitzt, ferKi -eine air einer d~.r'e.e\'-: e ?'i"si. iür Bllipsenparameter vergehen-D:i£e 2^ nr "B;. erire; ee e der Quellenkegelparameter und eine C,ufe Z-¹I- sum Erzeugen der 'hhr? ::';einlichkeitsellipse. Der Ausgang der 7%: rarbsi'U^ig-i einriiih~r.ee 22 oia 2Ψ wird an eine ladungsspeich-rrciri"? Z- ;md τοη ri: :■ ■-.-τ ΐ?ι eine Bilddarstellungseinrichcung 26 angelegt, Die 7..;;;■ i^:■". ■-■.":.--'xr.-.r. re^itat ferner eine Steuereinrichruiig 27, die ins "co son ' ι; -'■ d,^:e 3'';·;-!.lung und geometrische Anordnung des ;De-u5>"uorkopi .;: ' svr^ri, die Auswertung von Streu-3 :rai"i-ung in der S^ufo el ■.«,:."; ·;:·γdrückt und dieser die einfallende Energie betreffenie Inforn^-ilin ^ufunrt, die Einrichtung 23 zwecks Bins te H¹J ng der z\i -,:xz ersuchende η Objektebene steuert und die Punktion der Ladung ε ^ :;;©:. ohsrr ehre 25 steuert. Die Steuereinrichtung ^rn wird iliTcrae.Vtc 7or* einer Bedienungsperson gesteuert, ■welche lie Dilddirstellunii einrichtung 26 betrachtet.

5emäI2 ?ig. =^; i^r der Detektorkopf 20 außer mit dem Detektor 1 lind α ?r UmifClilif i-:- j "1 rr.'J.t Codiertransformatoren 30 versehen, -die im Bereich C.-yc- 5eir^r ·Ιθ3 Detektors 1 angeordnet sincij und ist diese Αηοΐ'ίΐχΐ;:η;^: -ron einer Abschirmung 31 umgeben, aif³ aus Plei ces teilt nnä rr,- 5t^uerun^ des Blickfeldes relativ er des Defekter 1 ν er? te ^1V'"..:." -'.st;,. Von den Transformatoren 30 -j.c---egeVje.ne Signale werden j.r. eir^:a Verstärker 32 verstärkt und in einem Analos-Xlgir^l-U^i'. ~~z*-r. ~^:3 digitalisiert, um den Rauschibsxar:1 zu verceä&em. T^r Verstärker 32 und der Umsetzer 33 sind iii der l^rE;3ohiie£ung- 21 arg- -λ-'-Ine t _s Die auf diese Weise erhaltenen Signale werden τοπ der: D^v;-l-ri ;rkcrx 20 über einen Verbinder 3A-

SeniäiB den Fignr-sr. '⁷ υί3 ·-- "besitzt der Detektor 1 hundert oilici*ims3heiberi ¹K). a,r-.f der.'-n eine Detektoranordnung vorgesehen i£'t_ä Jede rrhe.L''e -0 ".^::_.:·,λ -;i?_: i'oigt hergestellt: Von einem Echoing, der er.re::. Drrch:;^lösi er ycr. ~ ^ hat und aus n-Silicium

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Fig. 10 zeigt einige der- 'Trarsi'o^matcreii 30 für eine scheibe 40, welche der s-Xocriinate r.. entspricht. Insgesamt sind fünfzig Transformatoren für jede Sori-sice ^j;-C vorhanden ι wobei die x-Wicklungen je zwei Windungen und dir y-ϊ/.ΐ cfclungen je eine V/indung haben und alle Wicklungen nie Je einem leiter 41 verbunden sind. Die Ausgangsimpulse werden ν ex c-ir.ar codierten Anschlüssen 50 abgenommen. Die Impulse für die x-X.cprclinaten entsprechen +2 Spannungseinheiten, die Impulse für die y-Koordinaten -1 Spannungseinheit. Daher kann man x- und „ -Inra;.lse voneinander unterscheiden und wird bei einex "^s aminen? ιοί? an der Stelle x^y^ diese durch einen Impuls von +1 Spannungseiniieit angezeigt.

Diese Anordnung ermöglicht jedoch, keine Auflösung von zwei Zuaammenstößen in einer ScLeib;· '¹C« I:i aiesem Fall wird die erhaltene Information von der /erarl:i:/uungseinrichtung 22 bis 24 (,Pig. 5) nicht ausgewertet.

Fig. 11 zeigt, daß die x- xzzA die y-Wicklungen paarweise zwischen einer Zuleitung 60 und einem impulsformendeη Verstärker 61 in Reihe geschaltet sind, _;Ted3 ?3;üiensclialtung enthält einen Widerstand 62. Mit 6:> und 64 -sind die Kapazität der Scheibe 40 (Fig. 9) bzw. die otreifenkapaaicat bezeichnet. Bei jedem Auftreten eines Compton-Effekts gibt der Verstärker 61 an den auch in Fig. 3 gezeigten Anschluß 12 einen Impuls ab, dessen Amplitude den auf den Compton-Effekt zurückzuführenden 3nergieverlust des Gammaphotons anzeigt.

Wie vorstehend anhand der Pig* 6 erwähnt wurde, kann zur Veränderung des Blickfeldes der ü3ΐ-3Ic·-:er 1 relativ su der Bleiabschirmung 31 bev/egt v/erden* Em Sr:ii"Stlung der Relacivstellung kann man einen Sensoi verwenden* .3s sei betont, i.--3 die Bleiabschirmung 31 nicht als Kg 11 ir.ντο:.' '-'-irkt-, sondern der Detektor 1 G-aramaphotonen aus jeäer i..-. -ν. ;,Λ:κ-..: ij.j.okf eld liegenden Richtung empfangen kann.

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Der Detektor 1 gibt daher Lageinformation ^χ*}Ιλ^ζ-\ und Energieinformation ÄE. ab. Die von dem Detektor 1 abgegebenen, binär codierten Impulse haben eine Breite von etwa 50 na und werden parallel an einen Registersatz abgegeben, der die Eingangssignale für die Verarbeitungseinrichtung 22 bis 24 (Pig· 5) erzeugt.

Man kann die vorstehend angegebene Vektorgleichung auch

= cos θ

schreiben. Daher ist'

= cos Q

Vorzugsweise wird die Punktion in etwa 500 ns berech-

2 2 2 net. Zu diesem Zweck kann man zur Bestimmung von χ + y + ζ das logarithmische Rechenwerk verwenden, dessen Aufbau und Funktion in Pig. 12 erläutert sind. In diesem Rechenwerk sind die erforderlichen Logarithmentabellen in Peatspeichern gespeichert. Da das Rechenwerk binär arbeitet, führt eine Verschiebung des üommas um eine Stelle nach links bzw. rechts zu einer Halbierung bzw. Verdoppelung.

Gemäß Pig. 12 wird die Berechnung seriell durchgeführt, doch kann man sie aur Erzielung einer noch höheren Geschwindigkeit auch parallel durchführen.

Gemäß Pig. 5 werden in der Verarbeitungseinrichtung und 24 auch jene Informationen nicht ausgewertet, die Zusammenstoße betreffen, die nicht zu den erwarteten Energiepegeln führen. Die erwarteten Energlepegel werden angesichts der verwendeten Radioaktivität ausgewählt, und es wird jedem Pegel ein geeigneter auswertbarer Energiebereich zugeordnet. Von der Breite dieses Bereichs ist die Unterdrückung von Streustrahlung abhängig.

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Die Ellipsenerzeugungsstufe 24 berechnet die Parameter der Ellipse, in der der Kegel die Quellenebene schneidet. Diese Ellipse wird gemäß ihrer Vektorgleichung

r" = a cos gtx + t sin co t y

berechnet, wobei a und b die große bzw. die kleine Halbachse angeben.

Die Ellipsen werden zunächst in der ladungsspeicherröhre 25 gespeichert, die eine zehnstufige Grauskala auflösen kann. Diese Röhre hat daher hinsichtlich der leuchtdichte einen großen Dynamikumfang. Die Bilddarstellungseinrichtung 26 ist ein Pernsehmonitor, der das Bild darstellt, das von der Speicherröhre 25 abgenommen wird. Diese kann zerstörungsfrei abgelesen werden. Man kann den Fernsehmonitor natürlich durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines dauerhafteren Bildes ergänzen oder ersetzen.

Gegebenenfalls kann man mehrere Detektorköpfe 20 verwenden, damit mehr Information eingegeben werden kann.

Es könnten zahlreiche Beispiele für die Verbesserung von bestimmten Untersuchungen angeführt "werden· Die Unterscheidung zwischen den Organen oder deren -Teilen, wird verbessert, beispielsweise zwischen der Leber und eier Bauchspeicheldrüse in einem Selenmethioninbild, zwischen einzelnen Wirbeln beim Abtasten der Wirbelsäule und zwischen verschiedenen Bereichen des Herzens in der Radioisotopen-Angiographie. In "besonders günstigen Fällen kann man bei der Untersuchung der Durchblutung von verschiedenen Organen sogar die einzelnen Arterien darstellen. Man kann ferner auch kleine Defekte erkennen, z,j3. 'Iumore in einem frühen Entwicklungsstadium. Bei Lungenenibelie oder lebercirrhose kann man auch Einzelheiten von Defekten auflösen» während derzeit die diffuse Aufnahme manchmal nur zur Darstellung weniger Impulse auf einer großen -fläche führt.

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In der kernphyaitalischeη Medizin kann man derzeit allgemein eine Verletzung nur feststellen und angeben, ob sie vorhanden ist oder nicht. Das bessere räumliche Auflösungsvermögen ermöglicht es, die Verletzung in gewissem Maße zu kennzeichnen. Sie Möglichkeit der Bestimmung der Form eines Defekts oder seiner Lage in Bezug auf einen bestimmten Teil der Anatomie stellt eine für den Chirurgen nützliche Information dar.

Da kein Kollimator verwendet wird, kann man mit der vorliegenden Vorrichtung eine viel größere Anzahl von Photonen pro Aktivitätseinheit auswerten als mit dem System, das eine Anger-Kamera besitzt.

Die höheren Zählfrequenzen, die durch die höhere Empfindlichkeit ermöglicht werden, haben vom medizinischen Gesichtspunkt mehrere Vorteile. Man kann Bilder in kürzerer Zeit erzeugen, so daß mehr Patienten untersucht werden können und die Untersuchungszeit für jeden einzelnen Patienten herabgesetzt wird. Die letztere Verbesserung ist bei manchen Untersuchungen besonders vorteilhaft, z.B. beim Abtasten der Lunge unter Erzeugung von mehreren Abtastbildern, was derzeit bis zu einer Stunde dauern kann, wobei der Patient während dieser Zeit vollkommen still liegen muß. Wenn die Zeit nicht begrenzt ist, kann man eine größere Impulsanzahl auswerten, so daß man ein Bild mit einer kleineren statistischen Schwankungsbreite erhält. Man kann aber auch mit einer kleineren Dosis arbeiten, um die Gefahr von Strahlungsschäden herabzusetzen. Schließlich ist die erhöhte .Empfindlichkeit von besonderem Vorteil bei der Beobachtung von Vorgängen, z.B. bei der Radioisotopen-Angiographie oder der Messung der Gehirndurchblutung, wobei es darauf ankommt, die Veränderung der Radioisotopenverteilung in kleinen Zeitabschnitten zu erfassen.

Vom klinischen Standpunkt besteht ein weiterer Vorteil darin, daß tomographische Information erhalten wird. Man kann bei Scharfeinstellung auf verschiedene Ebenen auch Simultanbilder von je einer Ebene des Objekts erzeugen.

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Vor der Erfindung konnte man für die Bilddarstellung nur Isotope verwenden, die Gammastrahlen von weniger als etwa 500 keV emittieren, weil bei höheren Energien die Empfindlichkeit der vorhandenen Bilddarstellungssysteme zu gering ist und die Kollimation sehr schwierig wird« Die Beschränkung auf diese energiearmen Isotope hat den Nachteil, daß die Photonen von dem Körpergewebe beträchtlich gestreut werden, so daß das Bild verschlechtert wird. Man hat schon versucht, das EnergieauflösungST vermögen von Abtastern mit Halbleiterdetektoren zu verbessern und dadurch die Streuwirkungen herabzusetzen und das räumliche Auflösungsvermögen zu verbessern. Dabei konnten jedoch die Streuwirkungen nur herabgesetzt werden, wenn auch die Empfindlichkeit für ungeatreute Photonen herabgesetzt wurde.

Die Erfindung ermöglicht das Arbeiten in einem Energiebereieh bis zu einer Obergrenze von 2-3 MeV im wesentlichen ohne Herabaetaung der Empfindlichkeit. Dies ist auf die Ausnutzung des Compton-Effekts zurückzuführen« Infolge der Verwendung dieser energiereichen Isotope wird auch die streuwirkung des Gewebes herabgesetzt.

Vorstehend wurde die Erfindung anhand der Bestimmung der Verteilung einer radioaktiven Substanz erläutert, die zu Zwecken der medizinischen Diagnose verwendet wird. Die Erfindung kann jedoch allgemein in allen Fällen angewendet werden, in denen die spätere Verteilung einer vorher eingeführten, radioaktiven Substanz ermittelt werden soll, beispielsweise bei zerstörungsfreien metallurgischen Untersuchungen. Ferner kann die Erfindung zur Bestimmung einer natürlich vorkommenden radioaktiven Substanz und daher auch in der Gammaatrahlen-Teleskopie angewendet werden.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind verschiedene Abänderungen möglich.

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Claims

Patentansprüche:

(Iy Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Verteilung einer radioaktiven Substanz mit Hilfe eines im Bereich der radioaktiven Substanz angeordneten Detektors, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellen ermittelt werden, an denen von der radioaktiven Substanz emittierte G-ammaphotonen in dem Detektor zum Auftreten des Compton-Effekts führen, sowie die auf diese Comptön-Effekte zurückzuführenden Energieverluste, und daß von den ermittelten Stellen und Energieverlusten Informationen abgeleitet werden, welche die räumliche Verteilung der radioaktiven Substanz betreffen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiter-Detektor verwendet wird, der mit einer Einrichtung versehen ist, die dazu dient, in einem dreidimensionalen Koordinatensystem die Stelle anzugeben, an der in dem Detektor der Compton-Effekt auftritt, und mit einer Einrichtung zum Anzeigen des auf den Compton-Effekt zurückzuführenden Energieverlustes.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Stellen bestimmt werden, an denen ein und dasselbe Gammaphoton in dem Detektor zum Auftreten des Compton-Effekts geführt hat, und daß eine Wahrscheinlichkeitefunktion in Form einer Ellipse bestimmt wird, die von der Schnittlinie eines Kegels, dessen Neigungswinkel gleich dem Compton-Streuwinkel ist und dessen Achse mit der die beiden genannten Stellen verbindenden Geraden übereinstimmt, mit der Objektebene gebildet wird.
4. Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Verteilung einer radioaktiven Substanz mit einem Detektor, der im Gebrauch der Vorrichtung im Bereich der radioaktiven Substanz angeordnet wird, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ermitteln der ' Stellen, an denen von der radioaktiven Substanz (2) emittierte Gammaphotonen in dem Detektor (l) zum Auftreten des Comptonüffekts führen, sowie der auf diese Compton-Effekte zurückzu-

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führenden Energieverluste, und eine Einrichtung (22-24), die dazu disnt, von den ermittelten Stellen und Energieverlusten Informationen abzuleiten, welche die räumliche Verteilung der radioaktiven Substanz betreffen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (l) ein Halbleiterdetektor und mit einer Einrichtung (30, 50) versehen ist, die dazu dient, in einem dreidimensionalen Koordinatensystem die Stelle anzugeben, an der in dem Detektor der Compton-Effekt auftritt, sowie mit einer Einrichtung (30, 61) zum Anzeigen des auf den Compton-Effekt zurückzuführenden Snergieverluats;
6· Vorrichtung' nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (l) mehrere Scheiben (4-0) besitzt, die aus Halbleitermaterial bestehen und auf ihren Oberflächen mit einer Schottky-Sperrschicht versehen sind.
'-■.■"-.—, .ltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sch*, . : .-+0) auf jeder Hauptfläche mit einer Anordnung von parallelen leiterstreifen (42) versehen ist, die zu den Leiterstreifen auf der anderen Hauptfläche der Scheibe rechtwinklig sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Kernmatrixanordnung (30, X-, bis Xcq, Y-, bis Yen) ^zum ^nzeigen der Stelle, an der in der Scheibe (40) der Compton-Effekt auftritt, durch in den Streifen (42) erzeugte Impulse.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (22), die zur Bestimmung von zwei Stellen dient, an denen ein und dasselbe Gammaphoton in dem

Detektor zum Auftreten des Compton-Effekts geführt hat, und durch eine Einrichtung (23, 24) zur Bestimmung einer Wahrscheinlichkeitsfunktion in Form einer Ellipse, die von der Schnittlinie eines Kegel3, dessen Neigungswinkel gleich dem Compton-Streuwinkel ist und dessen Achse mit der die beiden Stellen verbindenden Geraden übereinstimmt, mit der Objektebene gebildet wird.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Ladungsspeicherröhre (25) zum Speichern mehrerer der Wahrscheinlich^ ei tsfunlrt ionen und durch, eine Einrichtung (26) sum Erzeugen eines die räumliche Verteilung der radioaktiven Substanz (2) in der Objektebene darstellenden Bildes durch Auswahl von Schnittpunkten der Wahrscheinlichkeitsfunktionen.

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