DE4018859A1 - Bildgebender detektor fuer (gamma)-strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Durchleuchtung fester oder flüssiger Körper (Stoffe oder Lebewesen) wird durchdringende Strahlung verwendet in Zusammenhang mit einem Bildaufnahmesystem (Detektor), der ein Film sein kann oder ein elektronisch ausgelesener ortsauflösender Detektor.

Das Prinzip der Abbildung mit durchdringender Strahlung beruht darauf, daß bestimmte Teile des Objektes die Strahlung stärker absorbieren als andere und daher die örtliche Menge der durchgelassenen Strahlung die Größe µ · x mit µ dem Absorptionskoeffizienten und x der Flächendichte der durchstrahlten Materie im Objekt wiederspiegelt. Bei Verwendung stark durchdringender Strahlung (γ-Strahlen) werden die Unterschiede in µ für verschiedene Materialien sehr klein, so daß das Bild an Kontrast verliert. Darüber hinaus wird auch ein großer Bruchteil der Strahlung nur gestreut, so daß diese stark ungerichtete Strahlung nach Auftreffen auf den Detektor den Kontrast weiter vermindert. Auch Compton Elektronen, erzeugt im Objekt oder in dem Strahlenweg vor dem Detektor, werden in dem Detektor Signale erzeugen, die den Kontrast weiter verringern.

Bei bestimmten Aufgaben (Bildfeldkontrollaufnahme bei der Strahlentherapie) werden sehr hohe momentane Strahlintensitäten verwendet. Allgemein wird auch angestrebt mit hohen Strahlintensitäten und kurzen Aufnahmezeiten zu arbeiten. Gleichzeitig wird ein möglichst großer dynamischer Bereich, hohe Genauigkeit der Intensitätsmessung und ausreichende Genauigkeit der Ortsmessung gefordert.

Bisher werden für diese Aufgaben Detektoren nach dem Prinzip des photographischen Films (1), der Szintillatoren (2), der Ionisationskammer (3) oder Proportionalkammern (4) verwendet, die entweder über den Zeitraum der Bildaufnahme das Gesamtsignal durch kontinuierliche Integration der Analogsignale gewinnen (1, 2, 3) oder durch Zählen der Einzelsignale die Intensität in einem Bildelement bestimmen (4). Die Hauptnachteile des Films bestehen darin, daß nur ein begrenzter dynamischer Bereich zur Verfügung steht, die Empfindlichkeit gering ist und ein weiterverarbeitbares Bild in digitaler Form erst nach einer weiteren aufwendigen Abtastprozedur erhalten werden kann. Der Aufwand, bei integrierenden Detektoren einen hohen dynamischen Bereich mit hoher Genauigkeit zu erreichen, ist so groß, daß bei der geforderten großen Zahl gleichzeitig auszulesender Bildelemente wesentliche Abstriche an die Leistungsfähigkeit gemacht werden müssen, so daß Bilder nur mit ungenügender Qualität erzeugt werden können. Bei den Detektoren, die Einzelsignale von einzelnen Strahlquanten registrieren (4), ist die maximal verarbeitbare Zählrate limitiert, so daß eine Anwendung in der Strahlentherapie ausgeschlossen ist und auch für andere Bildaufnahmen die Intensität soweit reduziert werden muß, daß eine Bildaufnahme genügender Qualität entsprechend längere Zeit in Anspruch nimmt. Darüber hinaus wird bei allen bisher üblichen Detektoren die Streustrahlung durch Verwendung von Kollimatoren unterdrückt, was bei höheren Energien ineffizient wird und die nützliche Zählrate gleichzeitig stark verringert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die örtliche Verteilung hoher γ-Strahlintensitäten mit hoher Genauigkeit, großem dynamischem Bereich bei aktiver Streustrahlunterdrückung in kurzen Aufnahmezeiten zu vermessen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Nachweis der γ-Quanten durch die in einem Konverter erzeugten Compton Elektronen erfolgt, deren Spur in einer Anordnung von ortsauflösenden Proportionalzählern in mindestens zwei Punkten vermessen wird (Abb. 1). Von direkt von der Quelle kommenden γ-Quanten wird dieses Compton Elektron vorzugsweise in Vorwärtsrichtung ausgesandt, so daß eine Selektion dieser Ereignisse auch eine Selektion der gewünschten γ-Quanten ergibt. Der Effekt wird durch eine zusätzliche Unterdrückung der niederenergetischen Compton Elektronen verstärkt, indem verlangt wird, daß die Elektronen einen oder mehrere Absorber durchquert haben müssen und in der jeweils dahinterliegenden Kammer nachgewiesen wurden.

In einer konsequenten Erweiterung des Prinzips ist eine apparative Unterscheidung zwischen Absorber- und Konverterfolie nicht mehr nötig. Ein System aus einer größeren Zahl von Detektorebenen, von denen je ein Paar durch Absorberfolien unterbrochen wird, wirkt in der Weise, daß γ-Quanten, die in einer Folie ein Compten Elektron produzierten, dadurch nachgewiesen werden, daß die Spur des Elektrons jeweils in den folgenden Detektorebenen gemessen werden und die dann folgenden Folien mit den darauf folgenden Detektorebenen als Reichweiten- und damit Energieteleskop wirken (Abb. 2). Bei entsprechender Auslegung des Detektors können auch das Detektorgas und das Elektrodenmaterial selbst als Konverter und Absorber dienen, so daß der ganze Detektor nur aus einer gasgefüllten Elektrodenanordnung besteht (Abb. 3).

Eine effektive Segmentierung des Detektors in Strahlrichtung kann auch durch Verwendung der Zeit-Orts-Relation, hervorgerufen durch die durch das elektrische Feld erzeugte Driftgeschwindigkeit der durch Ionisation freigesetzten Elektronen, erreicht werden (Abb. 4). Die zeitliche Abfolge der Anoden-Kathoden- oder Potentialdrahtsignale entspricht dann der räumlichen Anordnung der Ionisation und stellt somit ein Abbild der Spur des Compton Elektrons dar. Die Auslese und Weiterverarbeitung der Signale erfolgt mit geeigneten elektronischen Schaltkreisen (z. B. Transientenrekordern).

Die Ortsbestimmung senkrecht zur Spannrichtung der Anoden wird dadurch erreicht, daß in den Detektorebenen die im Abstand s gespannten Anodendrähte Zellen der Breite s definieren. Die durch Ionisation an den Anoden hervorgerufenen Signale werden der Zelle zugeordnet und definieren das Ortsintervall. Da Compton Elektronen häufig in dem Grenzbereich zwischen zwei Zellen erzeugt werden, gibt es entsprechend viele "Doppelsignale". Um eine gleichmäßige Ansprechwahrscheinlichkeit auch dieser Signale sicherzustellen, werden daher zusätzlich zu den Einzelanodensignalen durch elektronische Mischung (z. B. mit einem Widerstandsnetzwerk, Abb. 5) "Summensignale" erzeugt, die einen zusätzlichen Auslesekanal und damit eine Verdopplung der Ortsintervalle darstellen.

Compton Elektronen, die in dem Objekt oder in der sich vor dem Detektor befindenden Luftschicht erzeugt werden und im Detektor nachgewiesen werden, würden durch Rückprojektion auf die erste Kammerebene einen Ortsfehler hervorrufen. Durch eine zusätzliche Detektorebene vor dem ersten Konverter in Antikoinzidenz werden diese Ereignisse unterdrückt.

Die weitere Verarbeitung erfolgt je nach Anwendung und Selektionskriterium. Bei relativ geringen Zählraten werden die analogen Signale mit schnellen ADCs digitalisiert und in programmierbaren Prozessoren Auswahlkriterien und Ortszuordnung durchgeführt. Bei sehr hohen Zählraten werden die analogen Signale mit Hilfe von Diskriminatoren in logische Signale umgewandelt. Diese werden dann in einer hartverdrahteten Gatterelektronik selektiert, so daß an n Ausgängen, die n Ortsintervallen entsprechen, die selektierten Ereignisse als Zählrate zur Verfügung stehen.

Mit dem oben beschriebenen System ist eine Ortsbestimmung des γ-Quants mit einer Genauigkeit von höchstens s/2 möglich. Eine Steigerung der Auflösung darüber hinaus wird durch zusätzliche Messung der influenzierten Signale an der die Zelle begrenzenden Potentialdrähte erreicht (Abb. 6). Das Differenzsignal oder das Verhältnis der Signale ist ein Maß für den mittleren Ort der Spur in der Zelle. Durch Verwendung der Winkelinformation aus den folgenden Kammern kann noch auf kleine geometrische Abweichungen korrigiert werden.

Die Ortsbestimmung der zweiten Koordinate (z. B. parallel zur Spannrichtung der Anoden) erfolgt durch Auslese von influenzierten Signalen auf Elektroden (Kathodenstreifen), die unter einem frei wählbaren Winkel ≠0 zur Spannrichtung der Anoden, vorzugsweise unter 90° angeordnet werden. Schwerpunktsbildung erhöht die Genauigkeit der Auslese über das Maß der Streifenbreite hinaus. Die Weiterverarbeitung der Signale erfolgt entsprechend denen der Anodensignale.

Das zweidimensionale Bild entsteht durch das zeilenweise Abtasten des Objektes mit einem "eindimensionalen" Detektor. Der Detektor wird dann in der Höhe eingeschränkt und mit einem Schlitzkollimator versehen, der Streustrahlung ohne Verluste in der senkrechten Projektion bereits unterdrückt. Die Auslese der Kathodenstreifen wird nur zur Winkelmessung der Compton Elektronen verwendet oder ganz weggelassen.

Eine andere Methode der Bilderzeugung wird durch Verwendung eines zweidimensionalen Detektors erreicht (Flächendetektor), bei dem mit Hilfe der Signale von den Anoden und Kathoden der Ort und die Richtung der Compton Elektronen im Raum vermessen werden, wobei der projizierte Entstehungsort einem Bildelement zugeordnet wird. Winkel- und Reichweitenmessung dienen in gleicher Weise, wie oben beschrieben, zur Ereignisselektion.

Für die Gasfüllung im Detektor empfiehlt sich die Verwendung eines Gases mit geringer Ordnungszahl (Z), um Photoabsorption niederenergetischer Röntgenquanten zu vermeiden. Es sollte aber eine möglichst große Dichte aufweisen, um bei der kleinen Zellgröße noch genügend Ionisation von den Compton Elektronen zu erhalten (z. B. schwere Kohlenwasserstoffe, i-C₄H₁₀ etc.).

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß durch Parallelverarbeitung der von Einzelquanten hervorgerufenen Signale aus Einzelzellen hohe Intensitäten verarbeitet werden können, wobei durch Verwendung mehrerer Ebenen und Nachweis von Spurpunkten der Compton Elektronen Selektionen vorgenommen werden können, die Streustrahlung unterdrücken und hohe Ortsauflösung durch Interpolation erlauben.

Die gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung umfaßt den gesamten Bereich von bildgebenden Systemen mit Detektoren für γ-Strahlung. Hierzu gehört der medizinische Bereich, insbesondere die Anwendung zur Herstellung von Bildfeldkontrollaufnahmen bei der Strahlentherapie. Anwendungen zur zerstörungsfreien Materialuntersuchung, insbesondere zur Durchleuchtung dickerer oder dichter Proben bietet sich an, wobei die durch die Spurrekonstruktion ermöglichte hohe Ortsgenauigkeit hier sogar neue Anwendungsgebiete erschließen kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen 7 und 8 dargestellt. Es handelt sich dabei um eine Ebene mit Konverter, Potentialdraht- und Kathodenstreifenauslese. Mindestens 3 von diesen Modulen werden hintereinander angeordnet, wobei vor der dritten wieder die Kathodenfolie durch eine Absorberfolie verstärkt wird. Die Anti-Kammer wird durch ein Paket ohne verstärkte Kathode vor dem ersten Konverter realisiert.

Ad Abb. 7: Eine Ausleseebene (AE) besteht aus einem Rahmen aus Isolationsmaterial, auf den Anodendrähte A (⌀=10 µm, Wolfram vergoldet) und Potentialdrähte P (⌀=30 µm, Kupferbronze) im Abstand von je 500 µm aufgeklebt sind. Zuführungen zu den Verstärkern (VST) werden durch geätzte Platinen hergestellt. Nach oben (zur Strahlquelle hin) wird ein Rahmen (KE) aufgesetzt, der die Konverterfolie (KV, z. B. 200 µm Hostaphan) und die leitfähige Kathode als aufgedampfte Aluminiumschicht enthält. Nach unten schließt sich ein Zwischen- und Abstandsstück (ZW) an mit Gaszu- und -abführung (GZ). Geschlossen wird die erste Gruppe durch eine weitere Kathodenebene mit einer dünnen aluminisierten Hostaphanfolie (10 µm) als Kathode, die in Streifen unterteilt ist. Diese Streifen stehen jeweils in Kontakt mit Ausleseverstärkern (VST).

Ad Abb. 8: Eine aus ECL-Gattern aufgebaute Logik zeigt die Verknüpfung der Signale aus den Ebenen, nachdem sie in logische Signale durch Diskriminatoren umgewandelt worden sind. Hier werden nur die Anodensignale gezeigt, um das Prinzip zu veranschaulichen. Die Signale der ersten Ebene (A_{1, ν}) werden zunächst in Antikoinzidenz mit den Summensignalen (S_{0, μ}) der Anti-Kammer geschaltet. Eine Reihe weiter links findet die Verknüpfung mit jeweils drei Signalen (A_{2, λ}) der 2. Kammer statt (Winkeleinschränkung). Eine Reihe weiter nach links wird durch Koinzidenz mit jeweils 3 Signalen (A_3, ) der dritten Kammer die Reichweite abgefragt.

Literatur

1) R. Halmshaw "Industrial Radiology", Applied Science Publishers LTD, Barking, 1982; p. 155.
2) Philips Medical Systems, SRI 100 Radiotherapy Imaging System.
3) H. Meertens, M. van Herk and J. Weeds, Phys. Med. Biol., 30 (85) 313.
4) I. Dorion et al., IEEE Trans. Nucl. Sci. (87) 442.

Claims (13)

1. Bildgebender Detektor nach dem Prinzip der Proportionalkammer für γ-Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Gas als aktivem Medium gefüllte Vielelektrodendetektoranordnung, vorzugsweise in mehreren Ebenen angeordnet, in der Operationsweise von Proportionalkammern in einem Gasbehälter unter frei wählbarem Druck betrieben wird und mehrere, mindestens jedoch zwei Signale des Detektors, hervorgerufen durch ein einzelnes von einem γ-Quant in einem Compton Stoß freigesetztes Compton Elektron, ausgelesen und in einer dafür geeigneten Entscheidungselektronik kombiniert werden, in der Weise, daß der Entstehungsort des Compton Elektrons rekonstruiert wird und Selektionen nach weiteren Signalkritererien vorgenommen werden. Die Häufigkeiten der Ereignisse in einem Ortsintervall bilden das Intensitätssignal zur Bilddarstellung.

2. Bildgebender Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Compton Elektron in einer oder mehreren Konverterfolien vor oder zwischen den Detektorebenen erzeugt wird.

3. Bildgebender Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Compton Elektron im aktiven Gas des Detektors selbst erzeugt wird.

4. Bildgebender Detektor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens zwei Ebenen die Richtung des Compton Elektrons gemessen wird und als Selektionskriterium verwendet wird.

5. Bildgebender Detektor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mindestens zwei Detektorebenen ein Absorbermaterial eingeführt wird und damit durch eine zusätzliche Energiebestimmung des Compton Elektrons durch Reichweitenmessung ein weiteres Selektionskriterium erhalten wird.

6. Bildgebender Detektor nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Selektionskriterien zur Unterdrückung von Streustrahlung verwendet werden, indem nur ein Maximalwinkel zugelassen wird und/oder eine Minimalenergie gefordert wird.

7. Bildgebender Detektor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ortsauslese zellenweise aus den verwendeten Anoden oder Kathodenstreifen erhalten wird.

8. Bildgebender Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Zellen vor oder nach einer elektronischen Verstärkung so verknüpft werden, daß jeweils zusätzlich zu den Einzelsignalen das Summensignal zwei benachbarter Elektroden zur Verfügung steht.

9. Bildgebender Detektor nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel- und Summensignale durch elektronische Pulsformer (z. B. Diskriminatoren) in logische Signale umgeformt werden, die dann in einer geeigneten Gatteranordnung in einer Ausleseebene und in Zusammenhang mit anderen Ausleseebenen die Selektionsbedingungen für den Winkel und die Energie des Compton Elektrons ergeben.

10. Bildgebender Detektor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfülllung aus Gas mit geringer Ordnungszahl besteht.

11. Bildgebender Detektor nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort des Compton Elektrons in jeder Ebene durch Auslese der Differenz der influenzierten Signale auf zwischen den Anodendrähten angeordneten Potentialdrähten bestimmt wird, und die Winkelmessung zur geometrischen Korrektur verwendet wird.

12. Bildgebender Detektor nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Konverterfolie oder der Konverterkammer eine weitere Kammer angebracht wird, deren Signale pro Ortsintervall mit den Signalen der folgenden Kammern der entsprechenden Ortsintervalle in Antikoinzidenz geschaltet werden.

13. Bildgebender Detektor nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Abfolge des Signals aufgrund der verschiedenen Driftzeiten der durch Ionisation entstandenen Elektronen als Tiefeninformation verwendet wird.