DE3022360A1

DE3022360A1 - Transaxialer positronemissionstomograph

Info

Publication number: DE3022360A1
Application number: DE19803022360
Authority: DE
Inventors: Michel Jatteau
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-06-18
Filing date: 1980-06-14
Publication date: 1981-01-29
Also published as: BR8003726A; IT8022749A0; ES492483A0; IT1201935B; JPS566176A; ES8103641A1; NL8003473A; FR2459487B1; AU5933180A; SE8004445L; FR2459487A1; GB2052207A

Description

K₁ V. Philips' 3!ού larnponlabrieken, Eindhoven .-..-■ ■·--·■

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Transaxialer Po si tr onemls si ons tomograph.

Die Erfindung betrifft einen trantsaxialen Positronemissionstomographen mit einem aus einem Polygon von Detektormatrizen zusammengesetzten Detekioranordnungssatz, der ein zu untersuchendes Objekt umschliesst, und mit einer Koinzidenz-, Integrations- und DiskriminatorHchaltungen enthaltenden elektronischen SignaJverarbeitimgsanordnung zur Bildung -von QuerschnittsbiJ dern des Objekts.

Eine derartige Anordnung ist aus der US-PS-3-970853 bekannt und eignet sich insbesondere ζχλγ Herstellung von Querschnittsbildern für die Diagnostik mit Hilfe von Elektron-Positron Zerstrahlungsmessungen. Hierbei wird in einen zu untersuchenden Körperteil ein radioaktives Präparat eingebracht, das durch Anihilation das Aussenden jeweils zweier Photonen vcn 0,511 MeV bewirkt. Bekannte Stoffe dazu sind beispielsweise C11, NI3, 015, und FI8.

Diese Stoffe haben die JCigenschaf t, sich in Anomalitäten im Körper zu konzentrieren. Durch Drehung der Detektoranordnung um den zu untersuchenden Körper und durch die Messung der Photonenemission in vielen Richtungen kann mit Hilfe eines Computers eine Dichteverteilung des Präparats in der betreffenden Querschnittesehicht des Körpers errechnet und beispielsweise auf einem Monitor dargestellt werden.

In "Journal Nuclear Medicine", Vol.16, Wr. 12, S. 1166 - 1173» wird ein entsprechendes Gerät beschrieben, bei dem ein Detektorrin^ um den zu untersuchenden Patienten gelegt ist.

Durch die Abmessungen seiner einzelnen Detektoren ist das Auflösungsvermögen eines derartigen Geräts für viele Untersuchungen zu gering. Die Detektionsausbeute

³" dieses Typs ist aber wesentlich besser als die eines Geräts mit rotierenden Detektoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile beider Typen von Geräten zu kombinieren, ohne dass

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Nachteile eines jeden der beiden Typen auftreten. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein transaxialer Positronemissionstomograph der eingangs erwähnten Arb dadurch gekennzeichnet j dass jeder De ιektormatrix ein für die Detektoren der Matrix gemeinsames Pliotoneinfangelemen b zugeordnet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht jede Detektorniatrix (Detektoranordnung) aus einer Gammakamera mit einem an die zu detektierende Strahlung angepassten Photoneneinfangelement sowie einer angepassten Signalverarbeitungsanordnung. Eine derartige Gammakamera ist beispielsweise in der GB-PS I529823 beschrieben, kann jedoch auch aJs Kreuzbalkenkamera gemäss der Beschreibung in der GB-PS 1159347 ausgeführt sein.

Für eine wirksame Verwendung der Detektoren ist es vorteilhaft , die bei Koinzidenz auftretenden Signale der Signalverarbeitungsanordnun,·; für die Positionsberechnung (der Zerstrahlung) zuzuführen und danach die Positionsberechnungsanordnung wieder in einen Nullzustand zurückzuführen. Die Integration der zu messenden Signale wird also erst in der Anordnung durchgeführt.

Die Detektoranordnun^ kann sowohl eine gerade

als auch eine ungerade Anzahl von Detektormatrizen enthalten. Bei einer geraden Anzahl befindet sich eine Koinzidenzschaltung zwischen einander gegenüber liegenden Detektormatrizen, bei einer ungeraden Anzahl vorzugsweise jeweils zwischen einer Matrix und zwei inöglicht gegenüber einander liegenden Matrizen. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, dass die " Detektormatrizen eine einfache Detektorelementreihe enthalten.

Ein Ausführungsbeisplel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung; näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die nach einem regelmässigen Sechseck aufgestellten Detektoranordnungen(Detektormatrizen) und die damit zusammenarbeitende Schaltungen, Fig. 2 weitere Einzelheiten einer der Detektoranordnungen, und

Fig. 3 das mit Hilfe eines Computers arbeitende Behandlungssystem, das mit den Hexagonal aufgestellten

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Detektoranordnungen verbunden Ist.

Gemäss dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel enthält der erfindungsgemäss verwirklichte Tomograph im wesentlichen einen Satz von sechs Detektoranordiiungen 1 ... 6, die je eine bestimmte Seite einer regelmässigen Sechseckstruktur belegen. Diese sechs Anordnungen I ... 6, die unbeweglich angeordnet sind, enthalten gemäss Fig. 2 je einen Szintillationskristall CS. (Photoneinfangelernet), der über einen optischen Leiter GO. mit einer bestimmten Anzahl von - in diesem Fall acht - Photo\ervielfacherröhren

TPM. . verbunden ist, bei denen der Index . zwischen 1 und ό x J J

je nach der herangezogenen Detektoranordnung schwanken kann, während der Index i zwischen 1 und 8 schranken kann, wenn acht Röhren benutzt werden. Über Verstärkerschaltungen AM..,

Trennstufen ES. . und Widerstände R. . sind die Ausgänge der

i J 1J

acht Röhren TPM. . mit eLner Recheneinheit CA. zum Berechnen

XJ X

der Position und der Energie der Strahlung verbunden. Die genannte Recheneinheit enthält eine Schaltung CI. zum Integrieren der von den 8 Röhren TPM. . erzeugten Signale, eine

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Schaltung CP. zum GewicJitskombinieren der erwähnten Signale sowie eine Energiediskriminatorschaltung CDE. zum Unterdrücken der Signale, deren Energie ausserhalb eines Energiebereichs mit zentralem Energiewert von 0,511 MeV liegt. Die Detektoranordnungen 1 ... 6 arbeiten mit neun ZeitkoinzidenzschaJ tungen CCT , CCT ^, CCT , CCT₂^, CCT₂ , CCT₂g, CCT_ , CCT , und CCT., zusammen (vgl. Fig.1 sowie Fig. 2 mit einer der Verbindungen L zwischen den erwähnten Koinzidenzschaltungen und den von den Detektoranordnungen und den damit zusammenarbeitenden Recheneinhexten gebildeten Einheiten). Der Doppelindex nach der Bezeichnung CCT deutet eiuf die Detektoranordnungen (1 ... 6) hin, zwischen denen sich die erwähnten Koinzidenzschaltungen befinden: Die Schaltung CCT₂^ beispielsweise muss nur dann ein gültiges Signal erzeugen, wenn die De i.ektoranordnungen 2 und k gleichzeitig Strahlung detektiert haben. Wenn diene Bedingung erfüllt ist, wird das von der S-haltung COT₂K (in diesem Beispiel) ausgesandte gültige ügnal, das also in den Detektoranordnungen 2 und k- erhalten wird, den er-

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wähnten Positionsrecheneinheiten CA„ und CA^ der koinzidii·- renden Detekttranordnungen direkt zugeführt, um die Berechnung der Adre;sen der detektierben Signale zu beenden; wenn die erwähnte irimultandetektion erfolgt, werden die Ausgangssignale der Detektoranordnungen nicht berücksichtigt. Die Bezeichnung ADD. gibt einen Addierer an, dessen Eingänge über- Trennstulen ES. . mit den Ausgängen der Verstärker AM. .

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und dessen Ausgang mit den Zeitkoinzidenzschaltungen verbunden sind, die mit der herangezogenen Detektoranordnung zusammenarbeiten.

Bei Signalgültigkeit wird die von den Schaltungen CI. durchgeführte Integration bis zum Ende geführt. Wenn es keine gültigen Signale gibt, wird die Integration nahezu sofort unterbrochen. In beiden Fällen muss die Entladung der integrierten Schaltungen CI. schnell erfolgen, um dafür zu sorgen, dass die Detektoranordnungen möglichst schnell erneut für Neudetektionen verfügbar werden. Dazu kann beispielsweise jeder Integrationss<-haltung eine Entladeschaltung zugeordnet werden, beispielsweise vom Typ der Entladeschaltungen, dLe in der französischen Patentanmeldung 7 835 6OO beschrieben sind^und in der die Entladung den Vorteil des schnellen Auftretens bietet, von der detektierten Signalamplitudo unabhängig und ausserdem vollständig ist (ohne Restladung, die die danach erfolgte Integration verfälschen könnte).

Die beiden berechneten Adressen, die jeweils einem detektierten Photon entsprechen, bilden einen Datensatz, der einem Pufferspeicher M über eine Analog-Digital-Umsetzstufe zugeführt wird, die auch zum Regeln des Datenflus.ses dient. Am Ende der allgemeinen Tomographieuntersuchung ist es durch das Lesen der Daten des Pufferspeichers M möglich, eine Übersicht über die Anzahl der Auftreffposit.Lonc-n der Phononen zu erhalten, die unter jeweils einer RLchl.ung aufgetreten sind, und das Bild der herangezogenen Körperschicht au rekonstruieren. Das auf diese ¥eise im Pufferspeicher M gespeicherte Datenpaket dient insbesondere in einem SignaJ behandlungssysteni, beispielsweise nach Fig. 3» für die- Rekonstruktion des Bildes der untersuchten

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Körperschicht oder der Bilder der untersuchten Körperschichten mit Hilfe eines der üblichen RekonstruktLonsalgorithmen.

Das erwähnte Behandlungssysteni enthält Lnsbesondere einen Computer 21 für die Behänd Lung der aus der Sechseckstruktur 20 heirührenden Informal.ion sowie die Detektoranordnungen, die damit zusammenarbeitenden Schaltungen und die nachstellend erwähnten peripheren Organe, insbesondere einen Plattenspeicher 22, e;nen Magnetbandspeicher 23, einen Drucker 2k, ein Steuerpult 25 sowie eine Abbildungseinheit 25, mit der es möglich ist, photographisehe Aufnahmen zu machen, enthält.

In dem anhand der Fig. 1 bis Ί beschriebenen Beispiel ist jede Detektoranordnung 1 ... 6 eine Gamraakamera, wobei die mit den von der Photoncndetektioii gebildeten Erscheinungen verknüpfte Energie durch diii gewichtete Kombination der von den Photovervielfacherröhren TPM. . der Kamera herrührenden Signale aufgewertet wird, (s. US-PS 3978336) und wobei für jede De 1 ektoranorclnung die erwähnte Berechnung in der Recheneinheit CA. erfolgt, die der Anordnung zugeordnet ist (siehe J¹Xg. 2, in der die Informationen in bezug auf die Energie auf der Lei lung E und die Informationen über die Position auf der Leitung P verfügbar sind).

Die Erfindun;; beschränkt sich selbstverständlich nicht auf das beschriebene und dargestellte Beispiel,das als Basis für andere Ausführungsformen uiid andere Betriebsarten dienen kann.

Statt Gammakameras ist es mögJ ich, als Detektoranordnungen mit stetiger Ortung Detektoren vom Drahtkameratyp, die mit einem Ener,";iewandler ausgerüstet ist, oder vom Gammakameratyp mit Testern Detektor zu verwenden, die sich ebenfalls zur Bildung der VieleckdelektionHstruktur eignen (oder Vieleckdetektionwstrukturen, wenn gemäss der Beschreibung mehrere zusammengefügt werden).

Es sei ebenfalls bemerkt, dass die Wahl der

Anzahl von Detektoranordnungen, zwischen denen Zeit koinzidenzschal tungen angebracht werden, von metireren Faktoren

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abhängig Ist. ¥enn beispielsweise (wie im beschriebenen Beispiel) die Vieleckstruktur eine gerade Seitenanzahl hai, wäre die einfuchste Verwirklichung die Möglichkeit einer ausschliesslii hen Zeitkoinzidenz zwischen Detektoranordnunfven, die zvei einander gegenüber liegende Seiten der VieJeckstruktur belegen. (Bei einer Sechseckstruktur Ist dies also der Fall zwischen den Anordnungen 1 und 4, 2 und 5» 'j und 6, während dies bei einer Achteckstruktur also der FaIJ ist zwischen den Anordnungen 1 und 5> 2 und 6, 3 und 7»

^ 4 und 8 usw.). In der im obigen Beispiel beschriebenen Verwirklichung ist also faktisch eine vollständige Deckung des Bildfelds des Geräts verwirklicht, so dass von den Zei 1.koinzidenzschaltungen Photonen aufgrund der Elektron-Pos jtron-Zersιrahlung einerseits zwischen einer Detektor-

'° anordnung an finer beliebigen Seite der gewählten Sechseckstruktur und zum anderen (zumindest) von zwei Detektor— anordnungen berücksichtigt werden können, die sich in der erwähnten Struktur an zwei der gegenüber der erwähnten beliebigen Se.i te liegenden Seiten befinden. (Auch ist es

mögJich, mehr als zwei Detektoren vorzusehen, wenn die ZahJ der Seiten der Polygonalstruktur gross genug ist). Bei einer Sechseckstruktur können die Zeitkoinzidenzen zwischen den Anordnungen (1 und 3_f 4, 5)> (² und 4, 5> 6), usw. auftreten. Bei einer Vieleckstruktur mit einer ungeraden Anzahl von Seiten (2n +1) würden die ZeitkoinzidenzniögJ ichkeiten beispielsweise zwischen den Anordnungen ( 1 und n, n + l, n+2, η '+ 3)» (2 und n+1.n + 2, η + 3» η + 4), usw. vorgesehen sein.

BeJ geeigneter Wahl der Detektoranordnungen,

zwischen denen Zeitkoinzidenzmöglichkeiten bestehen, ist os auf diese Weise möglich, die meisten Elektron-Positron-Zerstrahlungsereignisse zu berücksichtigen, die im Inneren des Bereichs des untersuchten Organs auftreten. Es ist sogar eine we.i tere Ausführungsform möglich, bei der die

Zerf- trahlungs« reignisse berücksichtigt werden, die durch Zeiikoinziden: zwischen benachbarten Detektoranordnungen detektiert weiden, um auf diese Weise den Effekt der erwähnten Zersti ahlungsereignisse vom Einfluss der Zerstrah-

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lungsereignisse zwischen einander gegenüber liegenden Detektoranordnungen zu subtrahieren. Es ist annehmbar, dass die Anzahl der erwähnten Koinzidenzen zwischen benachbarten Anordnungen und entsprechend auftretenden Zerstrahlungen auf Grund der reLativen Stellung der herangezogenen Anordnungen ausserhalb des Bereichs des untersuchten Organs ungefähr gleich der Anzahl beliebiger Ze.i.tkoinzideiizen (also Streukoinzidenzen) ist, die im Inneren des Gebiets oder des untersuchten Organs wahrgenommen werden und das Endergebnis der tomographischen Untersuchung verfälschen. Dies gibt ein einfaches Mittel zum Unterdrücken der erwähnten störenden Zeitkoinzidenzen.

Hinsichtlich des anhand der F.ig. 1 bis .'3 beschriebenen Beispiels könnte die erwähnte vorteilhafte Eigenschaft dazu führen, Zeitkoinzidenzmüglichkeiten zwischen den Detektoranordnungen (1 und 2, <>) , (2 und 3» i)» (<3 und k, 2), usw. der Sechseckstruktur vorzusehen.

Das beschriebene Gerät und die Ausführungsabwandlungen eines derartigen Geräts, die bereits beschrieben sind, ermöglichen e.s, in einer Richtung senkrecht auf der Achse die Untersuchung einer verhältnismässig dünnen Scheibe eines Bereichs eines Körpers oder eines Orfjans durchzuführen. Wenn mehrere identische Vieleckstrukturen nebeneinander angebrach L oder wenn zweid.i mensoinale Detektoranordnungen mit stetLger Ortung vorgesehen werden, entsteht ein Gerät, das die Rekonstruktion der Bilder mehrerer paralleler Scheiben statt eines einzigen Uilds des untersuchten Gebiets erlaubt. Wenn et- sich um ein Gerät mit mehreren identischen Vieleckstrukturen handelt, ist es möglich, zwischen den erwähnten Sirukturen Schirme zur Gewährleistung einer guten Trennung der Bereichsscheiben anzuordnen, die mit Hilfe einer jeden der erwähnten Strukturen untersucht werden, und es ist möglich, Zeitkoinzidenzschaltungen wie in der obif.en Beschreibung im Inneren einer gleichen Polygonalstruk1ur zwischen Detektoranordnungen vorzusehen, die einander gegenüber liegenden Seiten oder nahezu einander gegenüber liegenden Seiten zweier nebeneinander liegender Strukturen oder sogar

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nebeneinander angeordneter Strukturen zugeordnet sind, Je nachdem, öl alle im untersuchten Bereich, wahrgenommenen Zeitkoliizidenyen berücksichtigt werden oder ausserdem beliebige Streukoinzidenzen nach obiger Beschreibung unterdrückt werden.

Wenn es sich um ein Gerät mit zweidimensionalen Detektoranordnungen handelt, kann darin vorgesehen werden, das;-, das geonu trische Auflösungsvermögen in einer bestimmten Richtung ^ich vom geometrischen Auflösungsvermögen in der anderen Richtung unterscheidet, wobei das erste beispielsweise besser in der Richtung senkrecht auf der Achs* als in der axialen Richtung ist.

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PATENTANSPRÜCHE

Λ J Transaxialei- Positronemissionstomograph mit einem aus einem Polygon von DetektormatrLzen zusammengesetzten Detektoranordnungssatz, der ein au untersuchendes Objekt umschliesst, und mit einer Koinzidenz-, Integrations- und Diskriminatorschaltungen enthaltenden elektronischen Signalverarbeitungsanordnung zur Bildung von Querschnittsbildern des Objekts, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Detektormatrix (1, ... 6) ein für die Detektoren der Matrix gemeinsames Photoneinfangelement zugeordnet ist.
2. Tomograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Detektormatrix als eine Gammakamera mit einem an die zu detektierende Strahlung angepassten Photoneinfangelement und mit einer Signalverarbeitungsanordnung ausgeführt ist.
3· Tomograph nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Detektormatrix aJs Kreuzbaikenkamera ausgeführt ist.
h. Tomograph nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Koinzidenzschaltungsausgang mit einer momentan auslesenden Eingangsschaltung für eine Recheneinheit verbunden ist.
5. Tomograph nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sith zwischen jeder Detektormatrix und einer oder zwei möglichst gegenüber liegenden Matrizen eine Koinzidenzschaltung befindet.
6. Tomograph nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Detektormatrix eine in einer Detektorebene liegende Linearreihe von Detektoren enthält.

^ 7· Tomograph nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Detektormatrix mehrere in einer Richtung quer zu einer Detektorebene gegeneinander geordneter Linearreihen von Detektoren enthält.

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8. Tomograph nach einem der vorangehenden Ansprüche I bis 7> dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere gegeneinander abgeschirmte Polygone von Detektormatrizen enthält.

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