DE2500643A1

DE2500643A1 - Hybrid-szintigraphie-einrichtung

Info

Publication number: DE2500643A1
Application number: DE19752500643
Authority: DE
Inventors: Georges Roux
Original assignee: Koch and Sterzel AG
Current assignee: General Electric CGR Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 1974-01-10
Filing date: 1975-01-09
Publication date: 1975-07-17
Also published as: GB1489652A; CA1021884A; FR2323158A1; ES433668A1; IT1028274B; US3978336A; FR2323158B1; DE2500643C2

Description

Hybrid-Szintigraphie-Einrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hybrid-Szintigraphie-Einrichtung, im wesentlichen bestehend aus einem stabförmigen Szintillationskristall, einem in der Nähe des Szintillationskristalls angeordneten Kollimator, der die von einem Objekt ausgehenden Strahlen auf den Szintillationskristall überträgt sowie niveaumäßig ein lineares, parallel zur Längsachse des Szintillationskrlstails verlaufendes Strahlenfeld festlegt und einer Anzahl von Photomultipliern, deren Photokathoden mittels Lichtleiter mit dem Szintillationskristall verbunden sind, wobei die vom Objekt ausgehenden, einfallenden und in Lichtszintillationen umgesetzten Strahlen durch Abtastung erfaßt werden.

Eine derartige Einrichtung ist z.B. durch die US-PS 3 688 bekannt, wo—bei der Szintillationskristall mit einem kreisförmigen oder rechtwinkligen Querschnitt versehen ist. Die Position der Szintillation in dem Szintillationskristall bezogen auf seine Länge wird mit Hilfe von zwei Photomultipliern bestimmt, die jeweils an jedem Ende des stabförmigen Szintillationskristalls angeordnet sind, und welche das von ihrer Photokathode empfangene Licht in elektrische Impulse umsetzen.

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Damit der Szintillaitonskristall hinsichtlich seiner Länge wie ein Lichtleiter betrachtet werden kann und eine Dämpfung aufweist, die annähernd exponentiell zu dem Licht ist, wird die Summe und die Differenz von den Logarithmen der Amplituden der von den Anoden der Photomultiplier empfangenen Impulse linear gebildet, und zwar für die Summe bei der Amplitude der Szintillation und für die Differenz bei der Position der Szintillation. Diese Größen der Amplitude und der Position der Szintillation sind fundmental, da sie einerseits die Messung der einfallenden Strahlenenergie und in Konsequenz davon die Eliminierung der Streustrahlen erlauben und andererseits die Bestimmung der Verteilung der radioaktiven Substanz in den zu untersuchenden Objekten ermöglichen. Die Präzision der Bestimmung dieser Größen ist jedoch eine fundamentale Charakteristik des Typs der Einrichtung, und zwar ist diese direkt von der Anzahl N der Phtοelektronen abhängig, die von den Photokathoden der Photomultiplier emittiert werden, d.h. es besteht eine Relation, welche die Umkehrung der Quadratwurzel von dieser Anzahl N bewirkt. Das Prinzip dieser vorbekannten Methode schließt obilgatorisch einen exponentiellen Dämpfungspro&eß des Lichtes ein, wobei die Anzahl der die Photokathoden erreichenden Photonen beträchtlich gegenüber denjenigen reduziert ist, die wirklich durch die Szintillation emittiert" werden. Dadurch erscheint der exponentielle Dämpfungskoeffizient in den Formin betreffend die Änderung in den Messungen für die Energie und für die Position als Funktion von der Position der Szintillation. Dies führt zu einer Änderung der räumlichen Auflösung - Präzision der Lokalisation - und der energiemäßigen Auflösung -

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Präzision der Energiemessung - in Funktion von der Position
der Szintillation. Bei einer solchen Einrichtung ist die Länge des Szintillationskristalls durch diese quasi exponentiel-Ie Dämpfung des Lichtes auf eine meistens geringere Dimension als die Dicke eines menschlichen Körpers begrenzt.

Eine andere bekannte Einrichtung dieser Art (FR-PS 1 524 742, US-PS 3 509 34i) umfaßt eine Untersuchungs-Vorrichtung, welche in der Hauptsache ein lineares Gebilde aufweist, das mehrere nebeneinander liegende Kanäle beinhaltet, wovon jeder
mit einem Kollimator, einem Szintillationskristall, einem
Lichtleiter und einem Photomultiplier versehen ist. Die Szintillationskristalle sind voneinander durch das Licht reflektierende Oberflächen getrennt, so daß das in jedem von diesen erzeugte Licht nicht die Photokathode des assoziierten Photomültipliers beeinflussen kann. Die Kollimatoren sind jeweils
auf einen einzigen außen liegenden Punkt fokussiert, und zwar derart, daß das Gebilde, welches das szintigraphische Bild von mehreren untersehiedlich liegenden Brennflecken liefert, auf
einer parallel zu der Achse des Gebildes liegenden Geraden in Abständen sich befindet, die gleich der Breite der Szintillationskristalle sind. Eine solche Einrichtung erlaubt nicht
die Untersuchung von einem Teil oder der Gesamtheit des Körpers mit Hilfe einer einzigen Abtastung senkrecht zu der die
Brennflecke verbindenden Geraden, sondern erfordert Parallelverstellungen dieser Geraden.

Die Einrichtung nach vorliegender Erfindung ermöglicht die
Vermeidung der den vorstehend beschriebenen Einrichtungen an-

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haftenden Nachteile, wobei zudem eine wesentliche Verbesserung der räumlichen und der energiemäßigen Auflösung erzielt wird, so daß infolge keiner Begrenzung der Länge des Szintillationskristalls oder von mehreren nebeneinander liegenden Szintillationskristallen es möglich ist, ein Szintigramm vom ganzen Körper mit Hilfe einer einzigen parallel zum Körper erfolgenden Abtastung herzustellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Szintillationskristall einerseits mit einem parallel zu seiner Längsachse verlaufenden, über seine gesamte Länge sich erstreckenden, vom Kollimator abgewandten, ebenen und lichtdurchlässigen Oberflächenbereich versehen ist und andererseits zumindest einen sich ebenfalls über seine gesamte Länge erstreckenden dem Kollimator mehr oder minder zugewandten Oberflächenbereich aufweist, der mattiert und mit einem lichtzerstreuenden Material überzogen ist, daß der lichtdurchlässige Oberflächenbereich über ein geeignetes lichtdurchlässiges Kopplungsmedium mit dem gegenüberliegenden Bereich des sich entlang des Szintillationskristall erstrekkenden Lichtleiters verbunden ist, daß der Lichtleiter über ein geeignetes lichtdurchlässiges Kopplungsmedium mit den Phaotokathoden der im Abstand voneinander entlang des Lichtleiters angeordneten Photomultipliern verbunden ist, und daß den Photomultipliern eine an sich bekannte elektronische Rechenschaltung zur Lokalisation der entlang des Szintillationskristalls auftretenden Szintillationen in Abhängigkeit der von den Photomultipliern gelieferten Signale zugeordnet ist.

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Zwecks Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der stabförmige Szintillationskristall zwei lichtdurchlässige Kopfflächen aufweist, daß zwei einen gleichen Querschnitt wie der Szintillationskristall aufweisende, zur Eliminierung der Nichtlinearität der Lokalisation der auftretenden Szintillationen vorgesehene Lichtleitteile mit einem in der Nähe des Brechungsindex des Szintillationskristalls liegenden Brechungsindex in beiderseitiger Verlängerung des Szintillationskristalls angeordnet und mit jeweils einer lichtdurchlässigen Kopffläche versehen, sowie jeweils über ein geeignetes lichtdurchlässiges Kopplungsmedium mit jeweils einer der beiden Kopfflächen des Szintillationskristalls verbunden sind, daß die Länge der Lichtteile gleich oder kleiner als die Breite des Szintillationskristalls ist, daß die andere Kopffläche mattiert und mit einem lichtabsorbierenden Material überzogen ist, daß die Lichtleitteile jeweils einen ebenen, sich über ihre gesamte Länge erstreckenden, lichtdurchlässigen Oberflächenbereich aufweisen, daß diese Oberflächenbereiche eine beiderseitige Verlängerung des lichtdurchlässigen Oberflächenbereiches des Szintillationskristalls bilden, daß der oder die andere(n) Oberflächenbereich(e) der Lichtleitteile mattiert und mit einem lichtzerstreuenden Material überzogen ist bzw. sind, daß die lichtdurchlässigen Oberflächenbereiche der Lichtleitteile jeweils mit einem der beiden Endbereiche des Lichtleiters über ein geeignetes lichtdurchlässiges Kopplungsmedium verbunden ist, daß dem Lichtleiter in diesen Bereichen jeweils eine Photokathode eines Photomultipliers zugeordnet ist, und daß der Kollimator die vom Objekt ausgehende Strahlung nur auf den Szintillationskristall

überträgt.

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Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellten Ausführungsformen näher erläutert, und zwar zeigen*

Figur 1, eine Perspektive des stabförmigen Szintillationskristalls der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Figur 2, ein Diagramm, das die relative Quantität des auf dem lichtdurchlässigen Oberflächenbereich des Szintillationskristalls gemessenen Lichtes in Funktion von der parallel zu der Achse des Szintillationskristalls liegenden Koordinate X wiedergibt, und zwar bei Verstellung eines Photomultipliers entlang dieser Oberfläche, wobei eine Szintillation bei einer Distanz X_c von dem einen der Enden des Stabes sich ergibt.

Figur 3, einen Längsschnitt der Einrichtung von der Bahn der Abtastung mit einem Blockdiagramm, das vereinfacht den Ausarbeitungskreis der Szintigramme wiedergibt.

Figur 4, einen Schnitt gemäß der Linie B-B von der Bahn der Abtastung.

Figur 5j in Perspektive einen Teil der Lichtleitteile 9 nach Figur 3.

Figur 6, ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Einrichtung für d±e Hybrid-Szintigraphie, bei welchem eine erste Ausführungsform eines elektronischen Rechenkreises zur Koordinierung verwendet wird.

Figur 7, ein Blockdiagramm der Einrichtung mit einer zweiten an sich bekannten Ausführungsform eines solchen Rechenkreises. /™

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In Figur 1 ist in Perspektive ein stabförmiger Szintillationskristall 1 dargestellt, der aus Natrium-Jodid (Nal) hergestellt ist, das mit Thallium (Tl) aktiviert wurde und homogene Struktur aufweist. Der Szintillationskristall 1 weist eine Länge L die wesentlich größer als seine Breite ¥ und seine Höhe H ist und einen rechteckigen Querschnitt in der hier dargestellten Aus führung s f orm auf. Es ist- zu bemerken, daß der Querschnitt gleichermaßen trapezförmig oder halbkreisförmig ausgebildet sein kann.

Der Szintillationskristall 1 weist einen Oberflächenbereich auf, der eben und lichtdurchlässig ausgeführt ist und der im wesentlichen in optischem Kontakt mit einer transparenten Schutzplatte steht, die aus einem Material besteht, das das Licht zu leiten vermag. Außerdem sind drei andere Oberflächenbereiche 3,^»5 vorgesehen, die mattiert und mit einer Schicht 7 überzogen" sind, die aus einem Material besteht, das das Licht zerstreut, wie z.B. Magnesium-Oxyd (MgO) oder Aluminium-Oxyd

Die Figur 2 zeigt die Verteilung (Kurve A) des von dem lichtdurchlässigen Oberflächenbereich 2 des Szintillationskristalls ausgehenden Lichtes, das mit Hilfe eines nicht dargestellten Photomultipliers erfaßt wird, und zwar von einer kreisförmigen Photokathode, deren Durchmesser ungefähr der Breite ¥ des Szintillationskristalls 1 entspricht, wobei eine Szintillation 6 von einer punktförmigen Gammastrahlenquelle mit Hilfe eines Kollimators (nicht dargestellt) bei einer Distanz X von einem Ende (X=0) des Szintillationskristalls 1 hervorgerufen wird.

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Diese Verteilung - bei der ¥ert A die relative Quantität des Lichtes in Bezug auf seinen maximalen ¥ert anzeigt - stellt sich als eine Kurve von der Form einer schmalen Glocke dar, die auf die Koordinate X der Szintillation zentriert ist. Zur Durchführung dieser Messung wird der Photomultiplier entlang des Szintillationskristalls 1 und parallel zu der Achse desselben verstellt. Wenn ein Lichtleiter zwischen den Szintillationskristall 1 und der Photokathode des Photomultipliers eingefügt wird, um einen größeren Abstand von dem lichtdurchlässigen Oberflächenbereich zu erhalten, so vergrößert sich die Länge von der Kurve A in Funktion von der Distanz zwischen dem Oberflächenbereich 2 und der Photokathode, da die Quantität des von der Photokathode gemessenen Lichtes proportional zu dem Winkel von einem Kegel ist, dessen Spitze mit dem Ort 6 der Szintillation zusammenfällt und dessen Basis durch die Peripherie der Photokathode definiert ist. Dieses Ausweiten der Verteilungskurve gewährleistet die Wiederherstellung der fast vollständigen Linearität der Koordinate X durch die Kombination der elektrischen Signale, welche von einer Mehrzahl von mit dem lichtdurchlässigen Oberflächenbereich 2 gekuppelten Photomultipliern (siehe Figur 3) geliefert werden.

In der Figur 3 ist ein Längsschnitt der Bahn der Abtastung von einer Einrichtung zur Hybrid-Szintigraphie dargestellt, wobei die Einrichtung einen Szintillationskristall 1 - wie oben 'beschrieben und in Figur 1 dargestellt - aufweist, und zwar in Form eines einfachen Blockdiagramms für einen Ausarbeitungskreis der Szintigramme.

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In der Figur 4 ist ein Querschnitt gemäß der Linie B-B von dem Anfang der Abtastung nach Figur 3 dargestellt.

Diese Bahn der Abtastung 8 nach der Erfindung umfaßt einen Szintillationskristall 1 (wie in Figur l) mit einer Länge L, die z.B. 6O cm beträgt, was grundsätzlich für eine Szintigraphie des ganzen Körpers ausreicht. Die zwei Kopfflächen 10,11 (Figur 1) des Szintialltionskristalls 1 sind senkrecht zur Längsachse desselben angeordnet, und lichtdurchlässig ausgeführt. Diese Kopfflächen 10,11 sind mit Hilfe von Kopplungsmedien mit Lichtleitteilen 9 verbunden, wobei dieselben einen Brechungsindex aufweisen, der in der Nähe desjenigen des Szintillationskristalls liegt. Diese in Figur 5 näher dargestellten Teile 9 sind in ihrem Querschnitt identisch mit demjenigen des Szintiallationskristalls 1 und weisen eine geringere oder gleiche Länge wie der Durchmesser von- der Photokathode eines Photomultipliers auf. Sie sind vorzugsweise aus einem Natrium-Jodid-Kristall hergestellt, der nicht aktiv ist, und zwar dann, wenn der Szintillationskristall 1 aus einem durch Tahllium aktiven Natrium-Jodid besteht. Die Oberflächenbereiche von diesen Lichtleitteilen 9> die in Terlängerung der Oberflächenbereiche 3>4,5 des SzintilLationskristalls 1 vorgesehen sind, sind gleichermaßen mattiert und mit der gleichen Streuschicht 7 versehen, die auf den Flächen 3,4,5 zur Anwendung gelangt. Ein weiterer Oberflächenbereich 12 der Teile 9 ist in beiderseitiger Verlängerung des Oberflächenbereichs 2 des Szintillationskristalls vorgesehen und ebenfalls lichtdurchlässig ausgeführt. Die eine Kopffläche 13 der Teile 9, die zur mittels eines klas-

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sisehen Kopplungsmediums (z.B. ein transparenter spezieller Klebstoff aus Kanada-Balsam oder ein Siliconöl) erfolgenden Verbindung mit der einen der Kopfflächen 10 oder 11 (Fig.i) des Szintillationskristalls 1 bestimmt ist, ist gleichermaßen vollkommen lichtdurchlässig während die andere Kopffläche 14, der Lichtleitteile 9» die die Abschlüsse des Gesamtgebildes darstellen, mattiert und mit einer Schicht I5 aus einem das Licht absorbierenden Material (z.B. ein Überzug aus kollodialem Graphit⁷) . JÖxe Verlängerung des Szintillationskristalls 1 durch die nicht szintillierenden aber lichtleitenden Teile 9, welche nicht den Gammastrahlen ausgesetzt sind, bewirkt einerseits die Verbesserung der Linearität als Ergebnis von dem Gebilde der Bahn der Abtastung und zum anderen Teil die Gleichmäßigkeit des Ergebnisses an den Rändern des Empfangsfeldes. Das aus dem Szintillationskristall 1 und den zwei Lichtleitteilen 9 bestehende Gebilde ist in einem geschlossenen, gegen. Feuchtigkeit geschützten Kasten untergebracht (Natrium-Jοdid ist hygroskopisch) der aus dem an den lichtdurchlässigen Oberflächenbereichen 2 und 12 des Szintillationskristalls 1 und der Teile 9 anliegenden rechteckförmig ausgebildeten Lichtleiter 16 und einer metallischen, für Röntgen- oder Gammastrahlen durchlässigen Hülle 17 besteht.

Ein länglicher Kollimator 18, aus einem für Gammastrahlen undurchlässigen Material (z.B. Blei, Wolfram oder dgl.), ist mit einer Anzahl länglicher Öffnungen 19 versehen, die im wesentlichen senkrecht zu der Lämgsachse des Szintillations-

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kristalle 1 und - wie aus den Figuren 3 und 4 auch, senkrecht zu dein unteren Oberflächenbereich h (Fig. 1) verlaufen.

Diese Öffnungen 19 mit rechtwinkliger Ausdehnung sind hierbei jeweils mit Hilfe von vier Außenwänden gebildet, die einen länglichen, horizontal sich erstreckenden, rechteckigen Raum umfassen, dessen Breite^ in Abhängigkeit von der Höhe variiert und wobei mehrere Wände 20 und zahlreiche senkrecht dazu stehende ¥ände 21 vorgesehen sind. Die Länge des Raumes der nach unten hin konisch zuläuft, erstreckt sich über die dem Szintillationskristall 1 entsprechende Länge L, wobei der untere Oberflächenbereich k den oberen Enden dieser Öffnungen gegenüberliegt und die Lichtleitteile 9 den strahlenundurchlässigen Rändern 22 des Kollimators 18 gegenüberstehen.

Die Quersektion des Spaltes wird durch die seitlichen ¥ände des Kollimators 18 begrenzt, welche trapezförmig sind und eine relativ große Basis aufweisen, die ungefähr dem Oberflächenbereich k des Szintillationskristails 1 entspricht. Der Kollimator 18 begrenzt ein lineares Feld C auf das Niveau des radioaktiven Objektes und fokussiert auf eine gerade Linie, die parallel zu der Längsachse des Szintillationsstabes liegt und mit einer Distanz F vom unteren Rand des Kollimators 18 angeodnet ist.

Eine vorbestimmte in Funktion der Länge des Szintillationskristalls 1 gewählte Anzahl von z.B. 12 Photomultipliern 101-112 für einen Szintillationskristall von der Länge von 60 cm sind mit dem lichteedurchlässigen Oberflächenbereich 2 und

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mit dem Oberflächenbereich 12 der Teile 9 durch Zwischenschaltung eines Lichtleiters 16 gekuppelt, wobei für die Verbindung ein geeignetes Kopplungsmedium verwendet wird. Die Bereiche des Lichtleiters 16, welche nicht in Kontakt mit den Photomultipliern, dem Szintillationskristall T und den Teilen 9 stehen, sind für das Licht undurchlässig, und zwar ebenso wie die Glashüllen der Photomultiplier. Die Photomultiplier 101 und 112, die an den beiden Enden der Bahn der Abtastung 8 angeordnet sind, weisen Photokathoden auf, die wenigstens teilweise gegenüber dem lichtdurchlässigen Oberflächenbereich (12, in Fig.5) der Lichtleitteile 9 stehen.

Jeder der Photoinultiplier 101 - 112 weist einen Ausgang auf, der als Ergebnis einer in dem Szintillationskristall 1 auftretenden SzintiHation ein Signal liefert, dessen Amplitude proportional zu der Intensität des von der zugeordneten Photokathode empfangenen Lichtes ist. Die Ausgänge versorgen eine erste Schaltung 30» die Vorverstärker und Einrichtungen aufweist, die die Kombination der von den Photomultipliern ausgehenden Signale ermöglichen, und zwar entweder mit Hilfe von Widerstandsnetzwerken und Additions- sowie Subtraktionssehaltungen, wovon eine Ausführungsform in Fig. 6 dargestellt ist, oder mit Hilfe einer Verzögerungskette und elektronischen Schaltungen zur Messung der Zeit, wovon eine Ausführungsform in Fig. 7 dargestellt ist.

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Die erste Schaltung 30 umfaßt zwei erste Ausgänge 31 ^und 32, die einen Rechenkreis kO versorgen, welcher in Form von elektrischen Signalen die Korodinate X der Szintillation liefert und einen zweiten Ausgang 33 > der einen Analysator oder Diskriminator 50 versorgt, welcher die mit der direkt einfallenden Strahlung korrespondierenden Szintillationen auswählt und die Streuszintillationen ebenso wie diejenigen, die von den Streustrahlungen kommen, eliminiert. Die Amplituden der Impulse, die zu den Szintillationen der direkten Strahlung korrespondieren, befinden sich innerhalb eines vorbestimmten Bereiches, wobei der Analysator 50 Regelungen umfaßt, welche die Wahl dieses Bereiches als Funktion von der Natur des die zu lokalisierende Strahlenquelle bildenden Radioisotops ermöglichen.

Der Amplitudenanalysator 50 liiert Impulssignale zu einem ersten Steuerkreis 60, welcher die einwandfreie Rechnung von der Koordinate X erlaubt, da die Amplitude des empfangenen Impulses sich innerhalb des vorerwähnten Bereiches befindet. Der erste Steuerkreis 6O beliefert zu einem Teil den Rechen— kreis 4o und zum anderen Teil einen zweiten Steuerkreis 70» die eine visuelle Einrichtung 80 mit Steuersignalen versorgen oder die durch die Bahn der Abtastung 8 gemessenen Koordinaten der Szintillation registrieren, wobei eine Verstellung mit einer konstanten Geschwindigkeit senkrecht zu der Längsachse des Szintillationskristalls 1 erfolgt. Die Einrichtung 80 empfängt also korrespondierende Signale zu dex-Koordinate X, die von dem Rechenkreis kO geliefert werden und außerdem Signale, die zu der die Position der Bahn der

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Abtastung 8 anzeigenden Koordinate Y korrespondieren und welche geliefert werden von einem mechanisch-elektrischen Umsetzer 90, der mit einem Mechanismus (nicht dargestellt) zur Durchführung der Verstellung der Bahn gekuppelt ist, welcher nach klassischer Art ausgeführt sein kann.

bei Die Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Schaltung 30» der eine Additions-Schaltung verwendet wird, die ein Widerstandsnetzwerk zur Kombination der von den verschiedenen Photomultipliern 101 - 112 gelieferten Signale umfaßt. Eine Schaltung, die ein analoges Prinzip für die Bestimmung der Koordinaten X, Y verwendet, ist in der US-PS 3 01-1 057 beschrieben, die sich auf eine Szintillationskamera bezieht.

Unter den Vorteilen, die bei Verwendung eines Widerstandsnetzwerkes auftreten, kann hervorgehoben werden, der geringe Aufwand und in Abhängigkeit davon die geringen Kosten der Realisation sowie die große Schnelligkeit der Verarbeitung der Koordinaten, wodurch gewährleistet ist, daß ein solches System mit einer minimalen Totzeit arbeitet.

Der Kombinationskreis nach Fig. 1 beinhaltet im wesntlichen 12 klassische Vorverstärker 31 mit schwachem Rauschen, die jeweils durch die Ausgänge (Anode) der Photomultiplier 101 112 beliefert werden. Der Ausgang von jedem Vorverstärker beliefert zu einem Teil ein Schwellwertorgan 33»32 das z.B. aus einem Differenzverstärker 32 und einer in Kaskade dazu liegendenDiode 33 besteht und zum anderen Teil einen Widerstand 34 mit einem Widerstandswert R34, der mit dem Eingang

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von einem ersten Operationsverstärker 35 verbunden ist, der einen Gegenkupplungswiderstand 36 mit einem Widerstandswert R36 umfaßt. Die 12 Wide-rstände 34 welche ein erstes Additionsnetzwerk bilden, verbinden jeweils die Ausgänge von jedem der Vorverstärker 3I mit dem einzigen Eingang der Operationsverstärker 35 ^und bilden mit diesem einen ersten Additionskreis wovon der Ausgang 35® ein Signal liefert, das proportional zu der Summe der Signale S der Photomultiplier und damit proportional zu der die Szintillationen hervorrufenden Gammastrahlenenergie ist.

Dieses proportional zu der Strahlenenergie sich darstellende Signal S ist.einem Amplituden-analysator 50 zwecks Einspeicherung der Szintillationen zugeführt, deren Lichtintensität sich innerhalb des Energiebereichs befindet, der zu dem benutzten Radioisotop korrespondiert.

Die 12 negativen Eingänge der Differenzverstärker 32 sind an die Ausgänge der 12 Vorverstärker 31 gelegt, während ihre parallel geschalteten positiven Eingänge mit der positiven Klemme von einer eine Spannung E_c liefernden Spannungsquelle verbunden sind. Sie liefern an ihren Ausgängen positive Spannungen, falls die von ihren Eingängen empfangenen Spannungssignale einen absoluten Wert der Spannung E überschreiten oder eine negative Spannung, wenn ihr Eingangssignal geringer ist als der absolute Werir dieser Spannung E„. Die den Verstärkern nachgeschalteten Dioden 33 eliminieren die negativen Spannungen und lassen auch nicht zu, daß die Spannung der Amplituden am Eingang größer ist als E_g. Somit werden die von den Photomultipliern ausgehenden Signale, die weit vom Ort der Szintillation entfernt und demgemäß schwach in-

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folge Schwankungen der emittierten Photoelektronen sind, sowie die Storsignale und das Rauschen, die durch die Streuung des Lichtes und der Gammastrahlen im Szintillationskristall 1 verursacht und mit dem Lokalisationskoeffizienten vervielfacht werden, d.h. eine Fehlerquelle bei der Berechnung der Koordinate X darstellen, weitgehend beseitigt. Der Verstärker multipliziert folglich das Signal von dem Eingang S2 mit einem Koeffizienten K. (i = 1 - 12) welcher den Wert O oder +1 gemäß der Amplitude von S. annimmt. Es ist andererseits möglich, auf jeden der Verstärker 32 verschiedene Schwellwertspannungen zu geben. Die zwölf Dioden 33» deren Kathoden die jeweiligen Ausgänge der Verstärker 32 bilden, beliefern Additions-Wider Standsnetzwerke , und zwar ein erstes 300 und ein zweites 38O. Das erste Additionsnetzwerk weist zwölf Widerstände 301-312 mit verschiedenen Werten R301 - R312 auf, die in Funktion von der Position X. (i = 1 - 12) der Photomultiplier 101-112 gewählt sind, von denen sie über die Elemente 31»32 und 33 versorgt werden. Die Widerstände 301 - 312 sind jeweils über die Dioden 33 mit dem einzigen Eingang von einem zweiten Operationsverstärker37 verbunden, der einen Gegenkopplungswiderstand 39 mit einem Wert R39 aufweist. Jedes der Signale S., das von den Schwellwertorganen geliefert wird, ist zudem mit einem Lokalisationskoeffizienten a. = R39/Ri, (i = 1 - 12)

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multipliziert, welcher/zu der Position Xi der jeweiligen Zentren der Photokathoden der Photomultiplier 101 - 112 ist, d.h. a.= b . Xi, wobei b eine Konstante ist und die Signale Xi zudem am Ausgang mit einem Koeffizienten multipliziert werden, der proportional zu der Koordinate Xi ist, die die Position

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des liefernden Phot omul tiplie rs repräsentiert. Der z-weite operationsverstärker liefert dann ein Signal

_AT 12 . , 12 , _{v α}

in — ^^L. ϊ * x · ^i "~ i * ^Λι * °i

Das zweite Additionsnetzwerk 38Ο ist Aus zwölf Widerständen mit gleich großen Werten R 38Ο gebildet, welche jede der Dioden 33 mit dem einzigen Eingang von einem dritten Operationsverstärker 38 verbinden, der einen Gegenkopplungswiderstand R 38I aufweist. Der dritte Operationsverstärker 38 liefert an seinem Ausgang ein Signal

— R 381

D = c V . ki . Si; oder c = ■ ''' = konstant

' i= 1

Es ist festzustellen, daß die Beziehung Q = N/D der jeweils von den Operationsverstärkern 37»38 gelieferten Signale N und D, d.h.

η λ ^k a » ^xi · ^S3- * + ^ki2 ' ^xi2 · ^si2

k^ . S₁ + + ^ki2 . S₁₂

wobei d = b/c Konstanten sind, eine quasi lineare Relation der Koordinate X der Szintillation darstellt.

Die Ausgänge 371 und 382 liefern jeweils die Signale N und D und versorgen jeweils zwei Eingänge von einer analogen Divisions-Schaltung k\, die durch Teilung der Eingangssignale die Rechnung hinsichtlich Q und in Abhängigkeit davon die der Koordinate X der Szintillation durchführt.

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Die Figur 7 zeigt einen Kombinationskreis 30 und einen Kalkulationskreis 42, wobei der Kombinationskreis 30 mit einer Verzögerungskette für die Kombination der von den Photomultipliern ausgehenden Signale versehen ist, wovon das Prinzip bereits in der US-PS 3 69 1 379 beschrieben ist.

Bei Verwendung von Verzögerungsketten wird die Koordinationsrechnung vermieden. Außerdem brauchen die Photomultiplier nicht vom Szintillaitonsort entfernt werden, wodurch keine Multiplikation des Rauschens und der von den Photomultiplier ausgehenden schwachen Störsignale auftritt. Es ergeben sich aber Totzeiten, die durch die Ausbreitungszeiten der Impulse in der Verzögerungskette bestimmt sind.

In dem Kreis nach Figur 7 versorgen die Photomultiplier 101 112 gleichermaßen die Vorverstärker 31» deren Ausgänge jeweils einerseits einen ersten Additionskreis 34, 35» 3°^ (analog zu dem Kreis nach Fig. 6) und andererseits Stromgeneratoren 331 ~ beliefern.

Jeder von diesen Stromgeneratoren hat eine hohe Ausgangsimpedance, um eine Fehlanpassung der Verzögerungskette 34O zu verhindern,welche von diesen über eins der Nebenschlußelemente oder Abgriffe 351 - 362 beliefert wird. Diese Abgriffe 351 362 der Verzögerungskette 34o sind getrennt, derart, daß der Verzögerungsintervall der durch die injizierten Signale beim Durchqueren hervorgerufen wird, proportional zu den Koordinaten Xi der jeweiligen Zentren der Photokathoden der Photomultiplier 101 - 112 ist.

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Die Klemmen 3^3 und 3^4, die an den beiden Enden von der zögerungskette 3^0 angeordnet sind, bilden die jeweiligen Ausgänge von derselben, die jeweils mit den Widerständen 3^5 und 366 belastet sind, deren Wert der charakteristischen Impedance Z der Verzögerungskette 3^0 entspricht. Dies sind die Photo-

multiplier, die ganz nahe bei der Szintillation liegen, welche Signale mit großer Amplitude hervorrufen, wobei das Gebilde zwei Impulse an den Ausgängen 3^5 und 366 der Verzögerungskette 3^0 hervorruft, bei denen die Augenblicke £1 + ±2 des Auftretens der Maxima in Funktion von der Position der Szintillation in dem Kristall stehen.

Die Ausgänge 365 und 366 beliefern jeweils Impulsformer 376 und 3^8, welche die einpoligen Signale in symmetrische zweipolige Signale mit Hilfe eines Verzögerungsketten aufweisenden Netzes (siehe US-PS 3 69I 379) oder eines Differenzialkreises umformt um bei jedem der Signale eine Passage durch Null zu erreichen, die zu der Zeit von den Augenblicken ti und t2 des Auftretens der Maxima der Amplitude der Signale von dem Ausgang der Verzögerungskette 3^0 korrespondiert, und zwar um diese Augenblicke mit Präzision zu bestimmen. Diese Impulsformer 36?" und 368 beliefern jeweils zwei Nulldurchgangsdetektoren 369 und 370, welche Impulse in Augenblicken des Nulldurchgangs ihrer Eingangssignale liefern, d. h. zu den Augenblicken ti und 12.

Die Nulldurchgangsdetektoren 369 und 37O beliefern einen Rechenkreis für die Differenz der Zeit k2, die zwischen den

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Augenblicken ti und t2 auftritt, wobei diese Differenz t2 minus ti proportional zu der Koordinate X der Szintillation ist. Der Rechenkreis 42 empfängt andererseits von dem Amplitudenanal ysator 5° (über den Steuerkreis 6o) einen Impuls in dem Augenblick tO; dieser Impuls resultiert aus der Addition der Signale von allen Photomultipliern 101 - 112, wobei die Zeit tO zu dem Augenblick der Produktion der Szintillation in dem Kristall korrespondiert.

Zur Berechnung der Zeitdifferenz weist derRechenkreis 42 Zeitamp4-itudenumsetzer auf, die z.B. einen Sägezahn-Generator umfassen und Signale liefern deren Amplitude proportion! ist zu der Zeitabweichung zwischen dem Signal in dem Augenblick tO, die den Anfang des linearen Sägezahnes steuert und einen Impuls liefert in dem Augenblick ti und/oder t2 durch den einen der Nulldurchgangsdetektoren 369 oder 370» d.h. daß ein Differenzverstärker ein proportionales Signal zu der Differenz der jeweiligen Amplituden des Sägezahngenerators bei den Augenblicken t.1 und t2 liefert.

Es ist festzustellen, daß es zur Bestimmung der Koordinate von der Szintillation genügt, den einen der Ausgänge von der Verzögerungskette 34o einen Impulsformer und einen Nulldurchgangsdetektor zu verwenden, wobei der Rechenkreis 42 allein die Zeitamplitudenumwandlung für ti - to vornimmt.

Es ist gleichermaßen festzustellen, daß die Einrichtung 80 zur Sichtbarmachung und zur Einspeicherung der Koordinate

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nach, klassischer Art verwirklicht ist und folglich einen Oszillographen umfassen kann, dessen Ablenkplatten jeweils die Koordinate X vom Rechenkreis (4o in Fig. 3 bzw. 41 in Fig.6 oder 42 in Fig. 7) und die Koordinate Ύ vom mechanisch-elektrischen Umwandler 9-0 empfangen, der mit dem Mechanismus der Abtastung gekuppelt ist, und daß das Steuersignal des Strahlenbündels durch den Amplituden-ananlysator 50 gegeben wird, welcher die Freigabe des Elektronenstrahles der Röhre mit kathodischen Strahlen von dem Oszillograph ermöglicht. Die Einrichtung 80 kann gleicherm ßen einen elektronischen Rech-

ner umfassen mit einem Speicher, der die Speicherung der Koordinaten von der Szintillation unter einer numerischen Form ermöglicht.

Die oben beschrieben und in den Figuren 3,6 und 7 dargestellkann te Hybrid-Szintigraphie-Einrichtung mit Abtastung welelae zur Lieferung eines Bildes von der Verteilung eines Radiosotops verwendet werden feajaa, und zwar um Verletzungen oder Knochenmetastasen zu ermitteln.

Die Konstruktion einer solchen Einrichtung ist einfach, da nur eine mechanische Bewegung notwendig ist, weil die Empfangsbahn an einem auf zum Bett des Patienten parallelen Schienen beweglichen Wagen vorgesehen ist. Die beschriebene Einrichtung kann verwendet werden für jede Anwendung, wo die Verteilung einer radioaktiven Substanz in den großen Dimensionen eines Körpers mit Präzision bestimmt werden soll.

- Patentansprüche -

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Claims

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Patentansprüche

ί 1 . )} Hybrid-Szintigraphie-Einrichtung, im wesentlichen bestehend aus einem stabförmigen Szintillationskristall, einem in der Nähe des Szintillationskristall angeordneten Kollimator, der die von einem Objekt ausgehenden Strahlen auf den Szintillationskristall überträgt sowie niveaumäßig ein lineares, parallel zur Längsachse des Szintillationskristalls verlaufendes Strahlenfeld festlegt und einer Anzahl von Photomultipliern, deren Photokathoden mittels Lichtleiter mit dem Szintillationskristall verbunden sind, wobei die vom Objekt ausgehenden einfallenden und in Lichtszintillationen umgesetzten Strahlen durch Abtastung erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Szintillationskristall (i) einerseits mit einem parallel zu seiner Längsachse verlaufenden, über seine gesamte Länge sich erstreckenden, vom Kollimator (18) abgewandten, ebenen und lichtdurchlässigen Oberflächenbereich (2) versehen ist und andererseits zumindest einen sich ebenfalls über seine gesamte Länge erstreckenden, dem Kollimator mehr oder minder zugewandten Oberflächenbereich (3j^»5) aufweist, der mattiert und mit einem lichtzerstreuenden Material (7) überzogen ist, daß der lichtdurchlässige Oberflächenbereich (2) über ein geeignetes lichtdurchlässiges Kopplungsmedium mit dem gegenüberliegenden Bereich des sich entlang des Szintillationskristalls (i) erstreckenden Lichtleiters (16) verbunden ist, daß der Lichtleiter über ein geeignetes lichtdurchlässiges Kopplungsmedium mit den Photokathoden der im Abstand voneinander entlang des Lichtleiters (i6) angeordne-

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ten Photomultipliern (102 - 111) verbunden 1st, und.

Phot omul tipliern (1O2 - 111) eine an sich bekannte elelctr .-

/der entlang nische Rechenschaltung zur Lokalisation/des Szintillationskristalls (i) auftretenden Szintillationen in Abhängigkeit der von den Photomultipliern (102 - 111) gelieferten Signale züge ordne t ist.
2.) Hybrid-Szintigarphie-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Szintillationskristall (1) zwei lichtdurchlässige Kopfflächen (10,1i) aufweist, daß zwei eine gleichen Querschnitt wie der Szintillationskristall (i) aufweisende, zur Eliminierung der Nichtlinearität der Lokalisation der auftretenden Szintillationen vorgesehene Lichtleitteile (9) mit einem in der Nähe des Brechungsindex des Szintillationskristalls (1) liegenden Brechungsindex in beiderleitiger Verlängerung des Szintillationskristalls (1) angeordnet und mit jeweils einer lichtdurchlässigen Kopffläche (13) versehen sowie jeweils über ein geeignetes lichtdurchlässiges Kopplungsmedium mit jeweils einer der beiden Kopfflächen (10,11) des SzintüLafcionskristalls (i) verbunden

oder sind, daß die Länge der Lichtleitteile (9) gleich kleiner als die Breite des Szintillationskristalls (1) ist, daß die andere Kopffläche (14) mattiert und mit einem lichtabsorbierenden Material (I5) überzogen ist, daß die Lichtleitteile (9) jeweils einen ebenen, sich über ihre gesamte Länge erstreckenden, lichtdurchlässigen Oberflächenbereich (12) aufweisen, daß diese Oberflächenbereiche (12) eine beiderseitige Verlän-

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öen

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gerung des lichtdurchlässigen Oberflächenbereiches (2) des Szintillationskristalls (1) bilden, daß der oder die andere (n) oberfMächenbereich(e) der Lichtleitteile (9) mattiert und mit einem lichtzerstreuenden Material (7) überzogen ist, bzw. sind, daß die lichtdurchlässigen Oberflächenbereiche (12) der Lichtleitteile (9) jeweils mit einem der beiden Endbereiche des Lichtleiters (i6) über ein geeignetes lichtdurchlässiges Kopplungsmedium verbunden ist, daß dem Lichtleiter (16) in diesen Bereichen jeweils eine Photokathode eines Pho— tomultipliers (101,112) zugeordnet ist, und daß der Kollimator (18) die vom Objekt ausgehende Strahlung nur auf den Szintillationskristall (1) überträgt.

3·) Hybrid-Szintigraphie-Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den PhotomultipLiern (ΙΟΙ - 112) Vorverstärker (31) nachgeschaltet sind, die mit einer ersten, ein Widerstandsnetzwerk (3^) m±t gleich großen Widerstandswerten umfassenden Additions-Schaltung (3^>35>36) verbunden sind, daß der Additions-Schaltung (3^t35_f3^) ⁰^¹¹ die Signale - deren AMpIitude sich in einem vorbestimmten, zu den einfallenden und in LichtszintilJa. tionen umgesetzten Strahlen korrespondierenden Bereich darstellen - selektioniernder Amplitudenanalysator (5°) zugeorndet ist, daß den Vorverstärkern (31) jeweils Schwellwertoigane (3^y33) nachgeschaltet sind, die bei Überschreitung eines vorgegebenen Wertes durch die Amplitude der von den Photomultipliern (ΙΟΙ - 112) ausgehenden Signale durchschalten, daß den Schwellwertorganen (32,33) eine zweite Additons-Multiplikations-Schaltung (300,37,39) nachgeordnet ist, die einen Operations-Verstärker (37) van-

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faßt, dessen Eingang über ein zweites Widerstandnetzwerk (300) mit den Ausgängen der Schwellwertorgane (32,33) verbunden ist, wobei die Widerstand werte in Funktion der Positionen der Photomultiplier (ΙΟΙ - 112) entlang des Szintillationskristalls (1) gewählt sind, und zwar um die Signale der Photomultiplier (ΙΟ! - 112) mit den Koeffizienten zu multiplizieren, die proportional zu der Koordinate der Lokalisation der Zentren ihrer jeweiligen Photokathoden sind, daß den Schw llwertorganen (32,33) eine dritte Additions-Schaltung (38,380,381) nachgeordnet ist, die einen weiteren Operations-Verstärker (38) mfaßt, dessen 'Eingang über ein drittes Widerstandsnetzwerk (38O) mit gleich großen Widerstandswerten mit den Ausgängen der Schwellwertorgane (32,33) verbunden ist und daß der zweiten und dritten Schaltung (300,37,39 und 38 380,381) eine analoge Divisions-Schaltung (^1) nachgeordnet ist, die die Aufteilung der Amplituden der jeweils von diesen Schaltungen gelieferten Signale vornimmt, wobei die Beziehung zwischen diesen beiden Amplituden proportional zu der Koordinate der durch die Strahlen hervorgerufenen Szintillation ist.

Hybrid-Szintigraphie-Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Photomultipliern (ΙΟΙ - 112) Vorverstärker (31) nachgeschaltet sind, die mit einer ein Widerstandsnetzwerk (3^-) mit gleich großen Widerstandswerten umfassenden Additions-Schaltung (3^,35»36) verbunden sind, daß der Additions-Schaltung (3^,35,36) ein Amplitudenanalysator (50) nachgeordnet ist, der ein Signal im Augenblick (to) der Erzeugung einer Szintillation im Szintillationskristall (i)

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liefert, und zwar, wenn die Energie von dieser mit der einfallenden, zu bestimmenden Strahlung korrespondiert, daß
außerdem eine an ihren beiden Enden angepaßte Verzögerungskette (3^0 ) vorgesehen ist, deren Abgriffe (351 - 362) über Stromgeneratoren (321 - 332) mit hoher Ausgangsimpedanz mit den Vorverstärkern (31) verbunden sind, wobei die Abgriffe
(351 - 362) derart gleichmäßig entlang der Verzögerungskette (3^O) vorgesehen sind, daß die Verzögerungen, welche die verschiedenen Signale durch Zwischenschaltung" der Abgriffe
(351 - 362) erfahren, jeweils proportional zu den Koordinaten der Lokalisation der Zentren von den Photokathoden der
Photomultipliern (ΙΟΙ - 112) und daß die Ausgänge (363, 364)
der Verzögerungskette (3^O) Signale liefern, die das jeweilige Maximum in den Augenblicken (ti und t2) darslfefellen,
deren Zeitabweichungen in Bezug auf den Augenblick (to) der Erzeugung der Szintillation jeweils proportional zu den Abständen zwischen dem Ort der Erzeugung der Szintillation
und den Enden des Szintillationskristalls (1) sind.

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