DE2659619C3 - Szintillationskamera mit einer Photokathode, von der Elektronen entsprechend einer Verteilung ausgehen und unter Beschleunigung auf eine Auftreffscheibe abgebildet werden, sowie mit vier Elektroden, die dem Ort jedes Elektrons entsprechende Signale liefern - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Szintillationskamera zum Erfassen der Verteilung einer radioaktiven Substanz in einem Objekt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Szintillationskamera dieser Art ist aus der DE-OS 19 36 995 bekannt.

Im folgenden sei an einige Grundlagen der szintigraphischen Beobachtung erinnert.

Zum Zweck der Sichtbarmachung des Aibeitens von gewissen Organen injiziert man einem Patienten Stoffe, die durch ein radioaktives Element markiert sind, das entweder die Eigenschaft hat, sich selektiv in diesem Organ festzusetzen oder im Gruppierungszustand durch dieses Organ durchzugehen.

Die Szintillationskamera gestattet, unter Ausnutzung der radioaktiven Emission (im allgemeinen der Gammaemission), der Markierungselemente ein Biid des zu untersuchenden Organs anzufertigen. Sie empfängt die Impulse, die in unbestimmter Weise durch das zu beobachtende Organ ausgesandt werden, das durch die radioaktive Substanz markiert worden ist. Sie empfängt jeweils die Impulse eines einzelnen Punktes. Ein anzugebender wichtiger Faktor bei der Bildung eines Bildes durch Gammasstrahlen besieht darin, daß das Bild sich aus der Primärgammastrahlung ergeben soll, d. h. aus der Strahlung, die direkt durch die Markierungselemente ausgesandt wird, unter Auiscirluß der Sekundärgammastrahlurig, die durch den Compton-Effekt in dem Nachbarbereich der zu untersuchenden Zone erzeugt wird. Die Kamera soll in der Lage sein, die Gammastrahlenenergieselektion vorzunehmen.

Die Gammastrahlen, die aus dem zu unterruchenden Organ stammen, gehen durch einen Kollimator hindurch und werden von einem Detektorkristall empfangen, der sie in optische Photonen umwandelt. Der Kollimator, der aus einem einzigen Loch oder aus einem Bündel paralleler Kanäle besteht, stellt eine umkehrbar eindeutige Entsprechung zwischen den Punkten des Detektorkristalls und der Projektionsebene des sichtbarzumachenden Organs her.

Der Detektorkristall ist bei bekannten Szintillationskameras mit dem Eingang einer Röhre oder eines mehrere Bildverstärkerröhren enthaltenden Röhrenteils verbunden. Ein solcher Röhrenteil verstärkt den Lichtimpuls, der ΐ-ich aus der Einwirkung eines Gammaphotons auf den Detektorkristall ergibt, und erzeugt auf dem Ausgangsschirm einen Lichtfleck, dessen Position von der Position des Gammasenders abhängig ist.

Bei der Szintillationskamera nach der DE-OS 19 36 995 wird ein Ausgangs-Leuchtschirm einer Bildverstärker-Röhre durch vier Photoelektronenvervielfacherröhren beobachtet. Die Photokathoden dieser vier Röhren sind in ein und derselben Ebene angeordnet, die zu der Ebene des Ausgangs-Leuchtschirms parallel ist. Die Mittelpunkte dieser Photokathoden sind in den Ecken eines Quadrats angeordnet, wobei die die Mittelpunkte der Photokathoden mit dem Mittelpunkt des Schirms verbindenden Geraden im wesentlichen einen Winkel von 45° mit der Achse bilden. Unter diesen Bedingungen ist die Summe der Signale der vier Photoelektronenvervielfacher proportional zu der Lichtmenge, die von einem Punkt des Schirms emittiert wird, und unabhängig von der Position dieses Punktes. Außerdem sind, wenn man mit A, B, C, D der Reihe nach die von den vier Photoelektronenvervielfachern abgegebenen Signale bezeichnet, die Verhältnisse (A -C)Z(A + C) und (B-D)Z(B+ D) unabhängig von der Lichtmenge, die von dem Lichtpunkt emittiert wird, und proportional zu den Koordinaten des Schwerpunktes des Lichtflecks.

In einer solchen Struktur ist die Genauigkeit der Berechnung der Koordinaten eines Punktes mit dem Signal/Rausch-Verhältnis der Photoelektronenvervielfacher verknüpft, d. h. mit dem Helligkeitswert des Ausgangsschirms der Röhre. In der Praxis ist eine Photonenverstärkung von ungefähr 400 erforderlich, um eine Einzelheit von 5 mm in dem Eingangsfeld aufzulösen. Eine solche Verstärkung ist mit Röhren herkömmlicher Bauart und mit schnell ansprechenden Schirmen schwierig zu erzielen. Es sind drei durch Lichtleiter gekoppelte Stufen erforderlich.

Bei der bekannten Szintillationskamera wird bei dem Prinzip der Wiedergabe der räumlichen Koordinaten und der Energieselektion das Auffangen von optischen

Photonen durch vier Kathoden gemäß dem Lambertschen Gesetz angewandt. Dabei werden zwei entgegengesetzte Umwandlungen ausgeführt, nämlich eine Elektronen-Photonen-Umwandlung durch den Ausgangs-Leuchtschirm der Bildverstärkerröhre, in deren Verlauf die Energie von schnellen Elektronen in Lichtphotonen umgewandelt wird, die von dem Schirm zu den Photoelektionenvervielfachem emittiert werden, und eine Photonen-Elektronen-Umwandlung in den Photoelekfronenvervielfachern. Diese Umwandlungen erfolgen jeweils mit einem bestimmten Wirkungsgrad, deren Produkt einen in der Praxis nicht zu überschreitenden Gesamtwirkungsgrad definiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Szintillationskamera der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so auszubilden, daß lediglich eine einmalige Licht-Elektronen-Umwandlung erfolgt und dabei die Verteilung der von der Auftreffplatte ausgehenden Strahlung nach dem Lambertschen Gesetz erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Dabei erfolgt die Umwandlung von schnellen Elektronen in langsame Elektronen also direkt, d. h. ohne Zwischenschaltung einer Umwandlung in Photonen und erneuten Umwandlung in Elektronen. Dadurch kann der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden.

Die Beibehaltung der Verteilung der von der Auftreffplatte ausgehenden Strahlung nach dem Lambertschen Gesetz hat den Vorteil, daß die Position und die Intensität des Emissionspunktes in dem beobachteten Gegenstand mit Präzision bestimmt werden kann, obwohl die Elektroden nur einen Teil dieser Strahlung auffangen. Dagegen ist es bei anderen bekannten Anordnungen (US-PS 32 09 201 und DE-OS 17 64 655) erforderlich, die Gesamtheit der Sekundärelektronen, die in der Gamma-Kamera nach der DE-OS 17 64 655 in einer Kanal-Sekundärelektronenvervielfacherplatte erzeugt werden, zu erfassen, wozu eine Vielzahl von aneinandergefügten Elektroden erforderlich ist, die voneinander isoliert sein müssen. Eine solche Anordnung ist aufwendig und mit hohen Herstellungskosten verbunden; bei einem Kurzschluß zwischen zwei nebeneinanderliegenden Elektroden wird d-e gesamte Anordnung unbrauchbar. Demgegenüber zeichnet sich die erfindungsgemäße Szintillationskamera durch einfaehe Herstellung und hohe Zuverlässigkeit aus.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden ausgehend von dem im Oberbegriff vorausgesetzten Stand der Technik und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Teils einer bekannten Szintillationskamera, von der die Erfindung ausgeht,

F i g. 2 eine vergrößerte Einzelheit der Jzintillationskamera nach Fig. I, und

F i g. 3 eine schematische Darstellung, die den gemäß der Erfindung modifizierten Teil der in den F i g. I und 2 dargestellten Szintillationskamera zeigt.

Fig. I zeigt schematisch die aufeinanderfolgenden Elemente desjenigen Teils einer bekannten Szintillationskamera, der sich zwischen einem Objekt 1 und einer Anordnung 5 von Photoelektronenvervielfachern erstreckt. Die von dem Objekt 1 emittierten Gammastrahlen treten du^rch einen Kollimator 2, der aus fJleirohren besteht und dazu dient, jedem Punkt des Objekts einen Punki auf einem Eingangsschirm 3 einer Verstärkeranordnui'g 4, cie mehrere Röhren enthalten kann, zuzuordnen. Der .schirm 3 weist einen Szintillator auf, der die Gammastrahlen in Photonen umwandelt, für die eine Photokathode empfindlich ist, bei welcher es sich um einen integrierenden Bestandteil dieses Eingangsschirms 3 handelt, dessen verschiedene Teile in Fig. 1 nicht im einzelnen dargestellt worden sind. Die Verstärkeranordnung 4 ist am Ende eines Halses 8 durch einen ebenen Kathodolumineszenzschirm 6 abgeschlossen, auf dem die Elektronen, die durch die verschiedenen Punkte der Photokathode des Schirms 3 emittiert werden, die wiederum Abbilder der Punkte des Objekts sind, aufprallen. Unter der Einwirkung dieses Aufpralls emittiert der Kathodolumineszenzschirm 6 Photonen zu der Anordnung 5 aus vier Photoelektronenvervielfachern 50, die das gesamte Feld des Schirms überdecken und, wie F i g. 1 zeigt, mit ihren Mittelpunkten in den Ecken eines Quadrats angeordnet sind. Die Photokathoden 51 dieser Photoelekironenvervielfacher sind eben und ihre Ebenen sind zu der des Schirms 6 parallel. Die Strahlen, die den Mittelpunkt des Schirms 6 mit den Mittelpunkten dieser Photok r. moden verbinden, bilden mit der Achse XX des gesamten Anzeigeteils Winkel von 45°, wie deutlicher in Fig.2 gezeigt Das Auffangen des von dem Kathodolumineszenzschirm 6 abgegebenen Licht-Flusses durch die Photokathoden 51 gemäß dem Lambertschen Gesetz erfolgt mit einem Wirkungsgrad von ungefähr 7,5%. Bei einer Röhre, die die letzte Stufe der Verstärkeranordnung 4 bildet, mit 15 kV gespeist wird und einen Schirm mit großer Ansprechempfindlichkeit hat, erzeugt ein Elektron auf dem Kathodoluminenszenzschirm 6 ungefähr 30 Photonen, also, unter Berücksichtigung des vorgenannten Wirkungsgrades 2,25 Photonen für jedes Elektron in jedem Photoelektronenvervielfacher. Nimmt man außerdem an, daß die Photokathoden 51 einen Wirkungsgrad von 16% haben, so ist zu erkennen, daß für 100 Elektronen, die an dem Kathodolumineszenzschirm 6 ankommen, sich 2,25 χ 16 = 36 Photoelektronen ergeben. Schließlich ergibt sich für den Gessmtwirkungsgrad eines solchen Anzeigeteils nach vorstehendem ein Wert von 36%, der aus dem Produkt der drei GIi .der resultiert, nämlich 30 (Photonen, emittiert pro Elektron, das auf den Ausgangsschirm der Verstärkeranordnung 4 auftrifft), 7,5% (Auffangen dor vorgenannten Photonen durch die Photoelektronenvervielfacher 50) und 16% (Verhältnis der von den Photoelektronenvervielfachern abgegebenen Photoelektronen zu der Anzahl von empfangenen Photonen), die man zu 30 χ 0,16 = 4,8 einerseits zusammenfassen kann, was die Anzahl von Photoelektronen an dem Ausgang der Photoelektronenvervielfacher für ein auf den Schirm 6 auftreffendes Elektron darstellt, und andererseits zu 7,5%.

Es ift aber bekannt, daß die Unsicherheit der Lokalisation der Punkte des Objekts von der Photoelektronenzahl pro auf den Szintillator des Eingangsschirms 3 fallendem Gammaimpuls abhängig ist. Diese Unsicherheit ist umso geringer und die Lokalisation ist unter im übrigen sonst gleichen Bedingungen umso besser, je größer die Anzahl dieser Photoelektronen ist.

Das letz.e der beiden Glieder, das geometrischer Natur ist, bleibt in der erfindungsgemäß ausgebildeten Szintillationskamera unverändert. Dagegen wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung das erste Glied sehr entscheidend verbessert.

In der gemäß der Erfindung ausgebildeten Szintillationskamera empfängt eine Sekundäremissionselektrode die ein elektronisches Bild der einfallenden Strahlung

darstellenden schnellen Elektronen der let/ten Stufe der Verstärkeranordnung 4 Sie ist in der let/ten Röhre dieser Anordnung praktisch auf der Höhe angeordnet, wo sich der Kathodolumineszenzschirm 6 befand, wie in der schcmalischen und vergrößerten Teilansicht von F i g. 3 dargestellt, die die Verbindung mit dem übrigen Teil des bekannten Anzeigeteils zeigt. Die dem Aufprall der schnellen Elektronen ausgesetzte Sekundäremissionselektrode emittiert Sekundärelektronen unter dem Aufprall der in dieser Röhre erzeugten schnellen Elektronen, und zwar mit einem Multiplikationsfaktor von größer als I. der von der Art der Sekundäremissionselektrode abhängig ist und von 30 bis 10' und sogar bis 10"' gehen kann. Dieser Sekundäremissionselektrode sind Einrichtungen zugeordnet, die aus zwei Gittern bestehen, von denen das erste die Aufgabe hat. die Sekundärelektronen mit einem elektrischen Feld in der Größenordnung von einigen hundert Volt pro Millimc-Szintillationskamera nach der Erfindung besteht die Sekundäremissionselektrode des Teils 7 aus einer Kanal-Sekundärelektronenvervielfacherplatic mit mikroskopischen Kanälen. Die beiden Gitter, die das Teil 7 vervollständigen, sind ebene Gitter, die in der Nähe der Sekundäremissionselektrode auf der Seite der leitenden Platten 13 angeordnet sind. d. h. auf der Elektronenaufprallscitc abgewandten Seite der Sekundäremissionselektrode. Mit den Vervielfachcrn mit mikroskopischen

in Kanälen, über die man gegenwärtig verfügt, liegt die erzielte Elektronenverstärkung in der Größenordnung von W.

In einer anderen Ausführungsform der Szintillationskamera nach der Erfindung besieht die Photokathode

Ii des Teils 7 aus einem Altiminiumträger mit einer Dicke von ungefähr 20 nm. der auf seiner den Platten Π zugewandten Seite mit einer Aluminiumoxidschicht bedeckt ist. deren Dicke in der Größenordnung von <ΐη nm lioiTl Γ»!*» A nr*rr\

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wesentlichen auf dem Potential der Sekundäremissionselektrode ist. bremst die Elektronen, so daß sie dem I.ambertschen Gesetz gehorchen.

Die aus einer ebenen Scheibe bestehende Sekundär emissionselektrode sowie die beiden bewußten Gitter sind in F i g. 3 insgesamt durch ein Teil 7 dargestellt. Diese Anordnung ist in einem Teil 9 einer Glashülle untergebracht, der auf den Hals 8 folgt und in dem wie in diesem ein Vakuum herrscht. Der Teil 7 ist durch irgendeine Vorrichtung abgestützt, von der zwei Elemente 10 dargestellt sind. Der kegelstumpfförmige Teil 9 wird durch eine Fläche 12 abgeschlossen, in die in dem Beispiel leitende ebene Platten 13 eingeschmolzen sind, die die Sekundärelektronen auffangen. Diese Platten sind in einer zu der Ebene des Teils 7 parallelen Ebene, wie F i g. 3 zeigt, in ähnlicher Weise in bezug auf die Anordnung wie die Photokathoden 51 in bezug auf den Kathodenlumineszenzschirm 6 nach F i g. 2 angeordnet. Sie werden im Betrieb auf das Potential der Sekundäremissionselektrode gebracht. An Verbindungen 11 der Platten 13 mit dem Äußeren der Hülle wird ein von den .Sekundärelektronen herrührendes Signal abgenommen. Die an diesen Platten gewonnenen Signale werden benutzt, um den übrigen Teil des Anzeigeteils unter im wesentlichen gleichen Bedingungen wie im Fall der Signale der Photoelektronenvervielfacher in der bekannten Szintillationskamera zu speisen. Auf diese Bedingungen wird hier nicht näher eingegangen, da sie bekannt sind. Aus demselben Grund sind weder sämtliche Einrichtungen, insbesondere die Potentialquellen, die dieser Art von Anzeigeteil zugeordnet sind noch die Einzelheiten der Schaltung der Sekundäremissionselektrode und ihrer Gitter dargestellt worden. In einer der Ausführungsformen der Elektronen der letzten Verstärkerstufe durchlässig. Die Aluminiumschicht ist mit einem Casiumjodidbclag überzogen, der durch irgendein bekanntes Verfahren hergestellt worden ist, beispielsweise durch Aufdampfen im Vakuum, und der einen Film mit einer Dicke von

2-, einigen zehn nm darstellt und durch Spuren von Cäsium aktiviert ist. Das Extraktionsgitter und das Bremsgitter sind in der Nähe der Sekundäremissionselektrode angeorlnet. wie in dem vorhergehenden Fall. Mit Gittern, die eine gute Durchlässigkeit in der Größenordnung von 85% haben, wie sie gemäß dem Stand der Technik herstellbar sind, betrag' die Verstärkung von langsamen Elektronen bezogen suf schnelle Elektronen ungefähr 30. Der Teil 9 und die Fläche 12 sind mit einem leitenden Film überzogen, der gestattet, ihre Potentiale

j5 festzulegen.

Aufgrund der vorstehenden Zahlen ist zu erkennen, daß bei der Szintillationskamera nach der Erfindung dieselbe Genauigkeit in der räumlichen Lokalisation wie in den bekannten Kameras mit Verstärkerstufen erzielt werden kann, die eine geringere Verstärkung haben. Diese Verstärkung kann, unter sonst gleichen Verhältnissen, um den Multiplikationsfaktor reduziert werden, den die Sekundäremissionselektrode der nach der Erfindung ausgebildeten Kamera mit sich bringt. Das bildet einen der Vorteile der Erfindung, da sie die teueren Verstärkersysteme mit großer Stufenzahl zu vermeiden gestattet. Gleichzeitig werden die den Systemen mit großer Stufenzahl innewohnenden Fehler vermieden, nämlich insbesondere die geometrische

in Verzerrung und die große Änderung der Verstärkung der Szintillationskamera zwischen dem Rand u;.J dem Mittelpunkt des Bildes, die die Möglichkeiten der Energieselektion beträchtlich begrenzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Szintillationskamera zum Erfassen der Verteilung einer radioaktiven Substanz in einem Objekt, mit einem Szintillator, der SzintiHationen mit einer der Verteilung der vom Objekt ausgehenden Strahlung der radioaktiven Substanz entsprechenden flächenhaften Verteilung erzeugt, mit einer in einer Vakuumröhre angeordneten, mit dem Szintülator optisch gekoppelten Photokathode, die eine der Szintillationsverteilung entsprechende Verteilung von Elektronen erzeugt, welche unter Beschleunigung der Elektronen auf eine ebene Auftreffscheibe abgebildet wird, mit vier elektrisch leitenden Elektroden, die einen Teil einer durch die schnellen Elektronen auf der Auftreffscheibe ausgelösten Strahlung auffangen und die dem Ort des auslösenden Elektrons entsprechende, an entsprechenden Verbindungen abnehmbare elektrische Signalu liefern, wobei die vier Elektroden mit ihren Mittelpunkten auf den Ecken eines Quadrats liegen und die den Mittelpunkt der Auftreffscheibe mit den Mittelpunkten der vier Elektroden verbindenden Linien jeweils Winkel von 45° gegen die Normale der Ebene der Auftreffscheibe bilden, sowie mit einer Sekundärelektronenemissionselektrode, die beim Aufprall schneller Elektronen Sekundärelektronen mit einem über 1 liegenden Multiplikationsfaktor erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärelektronenemissionselektrode die Auftreffscheibe (7) bildet, daß in Elektronenflugrichtung hinter der Sekundäreleketronenemissionselektrode zwei ebene Gitter um Extrahieren und Abbremsen der Sekundärelektronen angeordnet sind, daß die von den vit. Elektroden (13) aufgefangene Strahlung aus den Sekundärelektronen besteht und die Verbindungen (11) zum Abnehmen der Signale mit den vier Elektroden verbunden sind.

2. Szintillationskamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafl die Sekundärelektronenemissionselektrode aus einer Kanal-Sekundärelektronenvervielfacherplatte besteht.

3. Szintillationskamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärelektronenemissionselektrode einen mit Cäsium aktivierten Cäsiumjodiffilm aufweist.