DE69534284T2

DE69534284T2 - Halbleiter-gammastrahlungskamera und medizinisches bildgebungssystem

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Publication number: DE69534284T2
Application number: DE69534284T
Authority: DE
Inventors: L. Clinton LINGREN; J. Stanley FRIESENHAHN; F. Jack BUTLER; Patrick F. DOTY; L. William ASHBURN; L. Richard CONWELL; L. Frank AUGUSTINE; Boris Apotovsky
Original assignee: Digirad Corp
Current assignee: Digirad Corp
Priority date: 1994-12-23
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2015-12-22
Also published as: EP0871902B1; JPH10513550A; MX9704632A; BR9510290A; US6080984A; EP1249713A2; JP2001318151A; WO1996020412A1; EP0871902A1; JP3358817B2; EP1258740A2; US6172362B1; JP2001296369A; US6541763B2; AU706101B2; US6091070A; DE69534284D1; US20020148957A1; US5847396A; US20010025928A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das allgemeine Gebiet der Strahlungsbildgebung mit Betonung medizinischer Anwendungen in der Radiologie und besonders in der Nuklearmedizin. Insbesondere bietet die Erfindung eine verbesserte Vorrichtung für die Strahlungsdetektion und den Aufbau eines der räumlichen Verteilung ihrer Quelle entsprechenden Bildes für die Nuklearmedizin und andere Anwendungen.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Die medizinische diagnostische Bildgebung begann mit der Entdeckung von Röntgenstrahlen durch W. C. Roentgen im Jahre 1895 und schließt heute die Radiographie, nuklearmedizinische Bildgebung, Ultraschallbildgebung, computertomographische Bildgebung und Magnetresonanzbildgebung ein. Allgemein besteht das Ziel jeder Art von medizinischer Bildgebung darin, eine räumliche Abbildung eines Parameters, Merkmals oder innerhalb eines Patienten ablaufenden Prozesses zu liefern.
In der Radiologie und der Computertomographie wird Strahlung von einer Röntgenstrahlungsquelle durch den Patienten auf einen geeigneten Detektor gestrahlt, wie z. B. einen Film oder eine Platte. Der Detektor mißt die Intensitätsverteilung des einfallenden Röntgenstrahls und liefert ein Bild, das die Schwächung der Strahlung darstellt, die aus der Absorption und Streuung im Körper des Patienten resultiert.
Die Nuklearmedizin erfordert die Injektion eines Radiopharmazeutikums in einen Patienten und die Messung der Intensitätsverteilung der vom Körper des Patienten emittierten Gammastrahlung. Radiopharmazeutika werden durch Anlagern eines radioaktiven Tracers bzw. Indikators an ein Pharmazeutikum hergestellt, von dem bekannt ist, das es sich bevorzugt in dem interessierenden Organ ansammelt. Daher ist das Strahlungsmuster ein Maß für die Durchblutung, den Stoffwechsel oder die Rezeptordichte innerhalb des interessierenden Organs und liefert Informationen über die Funktion des Organs. Es kann entweder ein einzelnes Projektionsbild des Strahlungsmusters aufgenommen werden (planare Abbildung), oder viele Projektionsbilder können aus verschiedenen Richtungen aufgenommen und zur Berechnung der dreidimensionalen Emissionsverteilung benutzt werden (Single-Photon-Emissionscomputertomographie oder SPECT). In der Nuklearmedizin benutzte Strahlungsbildgebungssysteme werden oft als "Gammastrahlungskameras" bezeichnet.
Bahnbrechende bildgebende Systeme in der Nuklearmedizin verwendeten Abtastverfahren zur Erzeugung von Bildern. Solche wegbereitenden Systeme verwendeten im allgemeinen einen Gammastrahlungsdetektor vom Szintillationstyp, der mit einem fokussierenden Kollimator ausgestattet war, der sich kontinuierlich in ausgewählten Koordinatenrichtungen bewegte, d. h. in einer Reihe von parallelen Durchläufen, um interessierende Bereiche abzutasten. Ein Nachteil dieser frühen bildgebenden Systeme waren die sehr langen Exponierungszeiten, die für die Gewinnung eines Bildes des zu prüfenden Systems oder Organs erforderlich waren. Außerdem war es oft schwierig, dynamische Untersuchungen solcher Organe zu erhalten.
Ein anderer Typ eines Strahlungserfassungssystems nach dem Stand der Technik nutzt eine Gamm-Szintillationskamera vom "Anger"-Typ (benannt nach ihrem Erfinder H. O. Anger, siehe "A New Instrument for Mapping Gamma Ray Emitters" (Ein neues Gerät zur Abbildung von Gammastrahlern), Biology and Medicine Quarterly Report, U.C.R.L. – 3653, 1957) zur Bestimmung des vom Körper eines Patienten emittierten Strahlungsmusters. Diese Bildsensoren in der Nuklearmedizin verwenden große Natriumiodid-Szintillationskristalle in Verbindung mit einem Satz von Photovervielfachern (PMT). Eine Kollimatorblende vor dem Szintillationskristall fokussiert die Gammastrahlen auf den Kristall, und Gammastrahlen von einem dem Patienten injizierten Radiopharmazeutikum erzeugen Lichtblitze (Szintillationen) in dem Kristall, die durch die Photovervielfacher (PMT) in e lektrische Signale umgewandelt werden. Abschirmmaterial von hoher Dichte, typischerweise Blei, wird zum Abdecken der Seiten und Detektionselement-Ereignis Rückseite der Strahlungsdetektoreinheit verwendet, um zu verhindern, daß Strahlung auf irgendeinem anderen Weg als durch den Kollimator in den Detektor eintritt. Ein Computer lokalisiert jeden Lichtblitz von den relativen Stärken der PMT-Signale. Die Kristalle haben typischerweise eine Fläche von 1290 bis 2580 cm² (200 bis 400 Quadratzoll).
Beschränkungen der Anger-Kamera rühren vom Umwandlungsprozeß der Szintillationen in elektrische Signale her. Verzerrungsquellen sind unter anderem: 1) Veränderung des Gesichtsfeld-Öffnungswinkels der Photovervielfacher mit der Entfernung von dem Szintillationsereignis, 2) Brechung und Lichtführung wegen Fehlanpassungen der Brechungsindizes, 3) unvermeidbare Totbereiche zwischen Photovervielfachern, 4) höhere effektive Dichte (und daher stärkere Gewichtung) von entfernten Photovervielfachern, 5) ungleichmäßiges räumliches Ansprechverhalten von einzelnen Photovervielfachern, 6) Veränderung des Ansprechverhaltens von einem Photovervielfacher zum anderen, 7) zeitliche Änderung des Photovervielfacher-Ansprechverhaltens, und 8) unvermeidlicher, mehrere Zentimeter breiter toter Rand am äußeren Umfang, bedingt durch die Unfähigkeit, Positionen außerhalb der Mitte der äußeren Photovervielfacher zu bestimmen. Weitere Fehler sind auf Instabilitäten in den Photovervielfachern und die Zerbrechlichkeit und die hygroskopische Natur des Szintillationskristalls zurückzuführen.
Ungünstigerweise werden wegen der Größe der Detektionseinheit, die aus der Kombination von Szintillator, Lichtleiter und Photovervielfachern resultiert, das Gewicht und die Kosten von Anger-Kameras durch die Bleiabschirmung drastisch erhöht. Ferner erschwert der unempfindliche (tote) Rand am äußeren Umfang der Anger-Kamera die adäquate Abbildung von kleinen Organen und bestimmten Körperteilen (zum Beispiel der Brust). Außerdem verhindern die Größe der Anger-Kamera und ihr Gewicht ihren effektiven Einsatz an Orten wie z. B. in Operationsräumen, Intensivstationen oder am Bett des Patienten.
Das der Angerschen Kamerakonstruktion eigene Szintillationsdetektionselement ist in einer Ebene ausgebildet. Für bestimmte Anwendungen könnte es sehr vorteilhaft sein, die Detektionselemente in einer Gestalt auszubilden, die derjenigen eines abzubildenden Objekts genauer entspricht.
Um Probleme mit Anger-Kameras zu lösen, sind Halbleiterdetektoranordnungs-Bildwandler vorgeschlagen worden, siehe z. B. US-A-4 292 645; US-A-5 132 542; IEEE Transactions on Nuclear Science, Bd. NS-27, Nr. 3, Juni 1980, "Semiconductor Gamma Cameras in Nuclear Medicine" (Halbleiter-Gammastrahlungskameras in der Nuklearmedizin), und IEEE Transactions on Nuclear Science, Bd. NS-25, Nr. 1, Februar 1978, "Two-Detector, 512 Element, High Purity Germanium Camera Prototype" (Kamera-Prototyp aus hochreinem Germanium mit zwei Detektoren, 512 Elementen). Man hat seit langem erkannt, daß Halbleiterdetektoranordnungen wegen ihrer sehr geringen Größe und ihres sehr geringen Gewichts, ihrer hervorragenden räumlichen Auflösung, der direkten Umwandlung von Gamma-Photonen in elektrische Signale, der eingebauten Signalverarbeitungsfähigkeit, hohen Stabilität und Zuverlässigkeit möglicherweise attraktiv für die Bildgebung in der Nuklearmedizin sind. Bei Anwendung dieser Technik erzeugt in einem Halbleiter absorbierte Gammastrahlung Löcher und Elektronen innerhalb des Detektormaterials, die sich unter dem Einfluß einer Vorspannung trennen und sich entsprechend ihren jeweiligen elektrischen Ladungspolaritäten zu entgegengesetzten Oberflächen des Halbleitermaterials bewegen. Die Elektronen- und Löcherströme werden dann durch elektronische Schaltungen verstärkt und aufbereitet, um elektrische Signale zu erzeugen, die verarbeitet werden, um den Ort und die Intensität der entsprechenden Gammastrahlung anzuzeigen.
Halbleiterdetektoranordnungs-Kameraprototypen, welche diese Prinzipien verwirklichen, sind mit unterschiedlichem Erfolg entwickelt worden. Zum Beispiel sind Versuche zur Verwendung zweidimensionaler Detektoranordnungen aus tieftemperaturgekühlten Germaniumdetektoren und bei Raumtemperatur arbeitenden HgI₂-Detektoren wegen der mit der Tieftemperaturkühlung verbundenen Probleme und praktischer Schwierigkeiten mit der HgI₂-Technologie im allgemeinen auf das wissenschaftliche Labor beschränkt worden. Eine frühe Durchführbarkeitsstudie eines Bildgebungssystems, das auf einer rotierenden linearen bzw. zeilenförmigen Anordnung von Cadmiumtellurid-(CdTe-) Detektoren basierte, hat sich ebenso nicht als befriedigende Lösung erwiesen und wurde offenbar aufgegeben.
Ein Beispiel einer Halbleiter-Gammastrahlungskamera nach dem Stand der Technik wird in US-A-4 292 645 von Schlosser et al. beschrieben. Schlosser lehrt ein verbessertes Verfahren zum Herstellen des notwendigen elektrischen Kontakts zu dotierten Bereichen eines Halbleiter-Gammastrahlungsdetektors, der hauptsächlich aus Germanium besteht. Eine Schicht aus Widerstandsmaterial kommt in Kontakt mit den leitfähigen Streifen auf der Detektoroberfläche, und zwei Auslesekontakte an den Seiten der Widerstandsschicht, die parallel zu den Streifen verlaufen und mit zwei Verstärkern verbunden sind, ermöglichen die Identifikation des Streifens, wo Gammastrahlung absorbiert wird. Die gegenüberliegende Seite des Detektors ist ebenso angeordnet, außer daß die Streifen orthogonal zu denen an der Oberseite sind. Die räumliche Position eines Ereignisses ist der Schnittpunkt der identifizierten orthogonalen Streifen. Zwei Verstärker für die Oberseite und zwei Verstärker für die Unterseite verarbeiten alle Ereignisse im gesamten Bildwandler. Obwohl dadurch der Zählwert in der elektronischen Komponente klein gehalten wird, ist die Verwendung des gesamten Kristalls für die Detektion jedes Gammastrahls ein Nachteil. Infolgedessen verschlechtert sich die Auflösung, und die erreichbare Zählrate nimmt mit zunehmender Größe des Detektors ab.
Ein weiteres Beispiel eines bildgebenden Gammastrahlungssystems nach dem Stand der Technik mit Verwendung einer Halbleiterdetektoranordnung wird beschrieben in Materials Research Society Symposium Proceedings, Bd. 302 (Materials Research Society, 1993, S. 43–54, "Multi-Element Mercury Iodide Detector Systems for X-Ray and Gamma-Ray Imaging" (Bildgebende Quecksilberiodid-Mehrelementdetektorsysteme für Röntgen- und Gammastrahlung) von Bradley E. Patt. Patt lehrt die Verwendung von orthogonalen Streifen auf gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkristalls zur Definition der Halbleiterdetektoranordnungs-Pixel, wobei für jeden Streifen ein Verstärker benutzt wird. Die Koinzidenz von Signalen von orthogonalen Streifen wird zur Definition der Position benutzt, in der ein Gammastrahl innerhalb des Kristalls absorbiert wird. Mit zunehmender Fläche des Detektors und zunehmender Länge der Streifen nehmen ungünstigerweise die mit dem Streifen verbundene Kapazität und der vom Detektor ausgehende Leckstrom im Streifen zu. Sowohl die Kapazität als auch der Leckstrom vermindern die Auflösung der Impulsenergie, wodurch sich die Leistung des Bildwandlers verschlechtert.
US-A-3 717 762 betrifft einen Radioaktivitätsverteilungsdetektor, bei dem eine Anordnung von Lichtleitern, die beabstandet von mehreren Strahlungsquellen für sichtbares Licht angeordnet sind, die ein Gitternetz definieren, zur Identifikation und genauen Ortsangabe eines aktiven oder lichterzeugenden Strahlers vorgesehen ist. Die Lichtleiter sind in mehreren Zeilenpaaren angeordnet, wobei die erste Zeile des Paars so beabstandet und versetzt bezüglich der zweiten Zeile des Paars angeordnet ist, daß sie diese halbiert. Es werden typische Strahler in ausschließlicher räumlicher Beziehung mit ausgewählten Lichtleitern offenbart, und andere Strahler stehen in räumlicher Beziehung zu einer bestimmten Kombination von Lichtleitern, wodurch jeder Strahler entweder durch einen einzigen Lichtleiter oder durch eine einzigartige Lichtleiterkombination identifiziert wird.
Dem Stand der Technik fehlt es an einer Halbleiterdetektoranordnung, die ausreichend groß ist, um die Anforderungen von nuklearmedizinischen Anwendungen zu erfüllen, oder die bei Raumtemperatur arbeitet. Daher besteht ein Bedarf für einen Detektor, der die Nachteile der Anger-Kamera überwindet, eine für die medizinische Bildgebungsanwendung geeignete aktive Fläche, am äußeren Umfang einen vernachlässigbaren Totbereich aufweist und bei Raumtemperatur arbeitet. Es besteht ein Bedarf für eine kostengünstige Einrichtung zur Herstellung solcher Detektoren für die Nuklearmedizin und andere Anwendungen.
Eine Halbleiterdetektoranordnung kann realisiert werden, indem viele einzelne Detektorelemente miteinander kombiniert werden. Wenn jedoch die einzelnen Detektorelemente ausreichend klein ausgelegt werden, um Anforderungen an die räumliche Auflösung zu erfüllen, wird die Anzahl der zur Verstärkung der Signale benötigten Verstärker sehr groß. Für Infrarot- und energiearme Röntgenstrahlungsanwendungen kombinieren bekannte Brennebenen-Anordnungen und Siliciumstreifendetektoren Verstärker für jedes Element und einen Multiplexer, der ein einziges Ausgangssignal für eine große Anzahl von Eingangssignalen liefert (siehe Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Bd. 226, 1984, S. 200–203; und IEEE Transactions on Nuclear Science, Bd. NS-32, Nr. 1, Februar 1985, S. 417). Diese Schaltungen nach dem Stand der Technik sind nicht ausreichend für die Verarbeitung von Signalen, die durch Gammastrahlungsdetektoren erzeugt werden, wie z. B. durch CZT-Detektoranordnungen, die für die Bildgebung in der Nuklearmedizin erforderlich sind.
Außerdem besteht wegen Ansprechbarkeitsschwankungen zwischen einzelnen Detektorelementen und zwischen einzelnen Verstärkern ein Bedarf für ein Verfahren zur Normierung der Verstärkung und des Wirkungsgrads jedes Detektionselements und des dazugehörigen Verstärkers.
Die vorliegende Erfindung stellt eine derartige Halbleiter-Gammastrahlungskamera und ein Bildgebungssystem bereit, in denen sowohl ebene Bilder als auch SPECT-Bilder gewonnen werden können. Das Bildgebungssystem umfasst: einen Detektor zur Erfassung von Strahlung, die von einem zu untersuchenden Objekt emittiert wird, Elektronik zur Aufbereitung und Verarbeitung der erfaßten Strahlungssignale, einen Computer zur Steuerung des Erfassungsprozesses und zur Erzeugung und Anzeige von Bildern, die auf den durch die Detektoren erzeugten Signalen basieren, und Ausgabegeräte für die Anzeige der Bilder und die Bereitstellung von Daten für einen Benutzer.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche definiert, wobei sich die abhängigen Ansprüche auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beziehen.
Es wird ein Bildgebungssystem beschrieben, das einen Bildgebungskopf, einen Signalprozessor, ein Datenerfassungssystem und einen Bildverarbeitungscomputer aufweist. Der Bildgebungskopf weist vorzugsweise einen Röntgen- oder Gammastrahlungsdetektor und eine Eintrittsöffnung auf, wie z. B. einen Kollimator oder eine Lochblende, um die Strahlen auf den Detektor zu richten. In den bevorzugten Ausführungsformen weist der Detektor mehrere dichtgepackte Detektionsmodule auf. Jedes Detektionsmodul weist mehrere auf einem Schaltkreisträger montierte Detektionselemente auf. Die Detektionselemente erzeugen elektrische Impulse mit Amplituden, welche die Stärke der durch die Detektionselemente absorbierten Strahlung anzeigen. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Detektionselemente mit einem im Bildgebungskopf enthaltenen Schaltkreisträger gekoppelt. Der Schaltkreisträger weist Schaltungen zur Aufbereitung und Verarbeitung der durch die Detektionselemente erzeugten Signale und zur Vorbereitung der verarbeiteten Signale für die Weiterverarbeitung durch den Signalprozessor auf. Jedes Detektionselement weist einen entsprechenden Aufbereitungs- und Verarbeitungskanal auf. Die Detektionselemente weisen vorzugsweise Cadmium-Zinktellurid-Material auf.
Gemäß der vorliegenden Erfindung speichert jeder Aufbereitungs- und Verarbeitungskanal die Amplituden der elektrischen Impulse des Detektionselements, die einen vorgegebenen Schwellwert übersteigen. Wenn ein Detektionselement ausreichend Strahlung absorbiert, um einen elektrischen Impuls mit einer Amplitude zu erzeugen, die den Schwellwert übersteigt, zeichnet der dem Detektionselement zugeordnete Kanal ein gültiges Detektionselement-"Ereignis" auf. Die Detektionsmodule verwenden eine sogenannte Fall-Through-Schaltung, die automatisch nur diejenigen Detektionselemente findet, die einen gültigen Treffer aufgezeichnet haben. Bei einer Aufforderung durch den Signalprozessor sucht die Fall-Through-Schaltung nach dem nächsten Detektionselement und dem zugeordneten Kanal, die ein gültiges Ereignis aufweisen. Nach Auffinden des nächsten aufgezeichneten Ereignisses erzeugt das Detektionsmo dul die Adresse des Elements und die Amplitude des elektrischen Impulses, der das gültige Ereignis erzeugt hat. Die Adresse jedes Detektionselements und die Amplitude werden zur Weiterverarbeitung zum Signalprozessor übermittelt.
Der Signalprozessor erfaßt Daten von den Aufbereitungs- und Verarbeitungskanälen, normiert und formatiert die Daten und speichert sie in Speicherblöcken für den Zugriff durch den Datenerfassungscomputer. Außerdem stellt der Signalprozessor eine Vorspannung für den Detektor bereit und liefert die Ereignisschwellenspannung, die von den Detektionsmodulen zur Unterscheidung gültiger Ereignisse benutzt wird. Der Signalprozessor führt eine Diagnose, eine Normierung des Verstärkungsfaktors und Normierungsfunktionen für die Ansprecheffizienz aus.
Das Datenerfassungssystem weist Hardware und Software auf, die mit dem Signalprozessor und dem Bildverarbeitungscomputersystem kommunizieren. Das Datenerfassungssystem steuert die Erfassung und Verarbeitung von Daten, die von den Aufbereitungs- und Verarbeitungskanälen empfangen werden, erzeugt auf den Ereignisdaten basierende Bilddaten in einem Format, das mit vorhandenen Bildgebungskameras kompatibel ist, und überträgt die Daten zum Bildverarbeitungscomputer. Das Datenerfassungssystem stellt außerdem einen Mechanismus zur Unterhaltung von Detektionselement-Ereignishistogrammen und Impulshöhenverteilungsdaten bereit. Das Datenerfassungssystem kann Bilder in einem Standardformat erzeugen, um die Anzeige von Bildern mit handelsüblichen Bildgebungssystemen zu ermöglichen.
Der Bildverarbeitungscomputer zeigt Bilder an, die auf den durch die Detektionselemente erzeugten Signalen basieren. Der Bildverarbeitungscomputer baut Bilder auf, die auf den verarbeiteten Signalen basieren, und zeigt die aufgebauten Bilder auf Sichtgeräten an. Der Bildverarbeitungscomputer stellt eine Schnittstelle zu einem Bediener bereit, steuert Datenerfassungsmodi, empfängt Bilder vom Datenerfassungssystem, zeigt Bilder in Echtzeit auf einem Sichtgerät an und kommuniziert mit dem Sichtgerät und anderen Ausgabegeräten. Der Bildverarbeitungscomputer stellt außerdem eine Einrichtung zum Einstellen von Betriebsparametern bereit, die innerhalb des Bildgebungssystems verwendet werden.
Die Details der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den beigefügten Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargestellt. Wenn die Details der Erfindung bekannt sind, werden zahlreiche weitere Neuerungen und Änderungen für den Fachmann offensichtlich sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt die Kamera und das Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt die Kamera und das Bildgebungssystem gemäß 1 und stellt einen Detektor, einen Signalprozessor, ein Datenerfassungssystem und einen Bildverarbeitungscomputer gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
3a zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Detektionsmoduls, das in dem in 2 dargestellten Detektor verwendet wird.
3b zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des in 2 dargestellten Detektionsmoduls.
4 zeigt ein Blockschaltbild der in 2 dargestellten Detektionsmodulleiterplatte.
5a zeigt ein Blockschaltbild der Detektionsmodule, die in der in 4 dargestellten Detektionsmodulleiterplatte verwendet werden, und stellt die Verbindung von Signalen zwischen analogen und digitalen anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC) dar, die zur Implementierung der Detektionsmodulfunktionen verwendet werden.
5b zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Fall-Through-Schaltung, die zum Auslesen gültiger Ereignisse benutzt wird, die in den Aufbereitungs- und Verarbeitungskanälen der Detektionselemente gemäß der vorliegenden Erfindung aufgezeichnet sind.
6 zeigt ein Blockschaltbild der in 5a dargestellten analogen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC).
7 zeigt ein Blockschaltbild der in 5a dargestellten digitalen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC).
8 zeigt ein Funktionsdiagramm des in 2 dargestellten Signalprozessors.
9 zeigt weitere Details des Signalprozessors von 8.
Gleiche Bezugszeichen und Bezeichnungen in den verschiedenen Zeichnungen beziehen sich auf gleiche Elemente.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der gesamten vorliegenden Beschreibung sind die bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele als typische Beispiele und nicht als Einschränkungen der Erfindung zu betrachten. In der nachstehenden Beschreibung wird die Erfassung von Gammastrahlen beschrieben, jedoch kann ebenso die Erfassung von Röntgenstrahlen betrachtet werden. Viele Röntgenstrahlungsanwendungen würden andere Abmessungen der Unterkomponenten erfordern.
Die halbleitergestützte Gammastrahlungskamera und das medizinische Bildgebungssystem, die nachstehend als "Kamera" bezeichnet werden, sind in 1 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Wie unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die 1 und 2 erkennbar, weist die Kamera 100 auf: einen Gammastrahlungsdetektor 200, eine Eintrittsöffnung 205, wie z. B. einen Kollimator oder eine Lochblende, um die Gammastrahlen auf den Detektor zu richten, einen Signalprozessor 300, einen Datenerfassungscomputer 400, ein Bildverarbeitungscomputersystem 450 und ein Portal 500, um die Kamera in der Nähe eines Patienten, eines Organs oder eines anderen Objekts 102 zu positionieren. Der Detektor 200 dient zum Erfassen von Strahlung, die von einem Objekt 102 emittiert wird. Die durch den Detektor 200 erzeugten Signale werden unter Anwendung irgendeines zweckmäßigen Mittels, vorzugsweise einer digitalen Kommunikationsverbindung 202, zum Signalprozessor 300 übertragen.
Wie in 2 dargestellt, weist die Kamera 100 außerdem vorzugsweise mehrere Eingabe/Ausgabe-Geräte auf, um gewon nene Bilder des Objekts 102 sowohl zu Benutzern der Erfindung am Einsatzort als auch zu entfernten Benutzern zu übertragen und anzuzeigen. Zum Beispiel weist die vorliegende Kamera 100 vorzugsweise mindestens einen Eingang von einem Gerät wie etwa einem Elektrokardiographen und einem Sichtgerät 604 (nicht dargestellt) zur Anzeige von Bildern des Objekts 102 für Benutzer am Einsatzort auf. Bilder können jedoch auch mit Hilfe eines Faxgeräts 600 oder eines Modems 602 oder eines direkten Digitalnetzes (nicht dargestellt) zu Benutzern außerhalb des Einsatzorts oder entfernten Benutzern übertragen werden. Die Kamera 100 kann unter Verwendung mehrerer Papier-Endgeräte "Hartkopien" bzw. Ausdrucke von Bildern herstellen. Zum Beispiel kann die Kamera 100 einen Laserdrucker 606, einen Matrixdrucker 608 und einen Plotter 610 aufweisen, um Papier- oder Filmkopien eines Bildes bereitzustellen. Die Kamera 100 kann auch digitalisierte Bilder des Objekts 102 in einem magnetischen Datenspeichergerät 614 und/oder einem optischen Datenspeichergerät 612 speichern.
Mit Hilfe der vorliegenden Kamera 100 kann man sowohl planare als auch durch Single-Photon-Emissionscomputertomographie (SPECT) aufgenommene Bilder der Strahlung der Radioisotope erhalten. Die Kamera 100 ist so konstruiert, daß sie Bilder von Bereichen liefert, die unter Verwendung herkömmlicher Gammastrahlungskameras schwer zugänglich und schwer abzubilden sind. Die Kamera 100 ist außerdem so konstruiert, daß sie Bilder liefert, die herkömmlicherweise in der Nuklearmedizin aufgenommen werden. Wie in 2 dargestellt, weist der Gammastrahlungsdetektor 200 vorzugsweise eine Anordnung 204 von Detektionsmodulen 206 auf, die auf einer Detektionsmodulleiterplatte 208 montiert sind. Die Modulleiterplatte 208 überträgt die durch die Detektionsmodule erzeugten Signale zur Verarbeitung zum Signalprozessor 300. Wie weiter unten unter Bezugnahme auf die 3–4 ausführlicher beschrieben wird, umfasst jedes Detektionsmodul 206 eine Detektionselementanordnung 212, die Halbleitermaterial aufweist, das Gammastrahlung mit akzeptierbarer Leistung bei Raumtemperatur nachweisen kann. Außerdem weist jedes Detektionsmodul 206 funktionsfähig mit den Detektionselementen 212 gekoppelte integrierte Schalt kreise (Ics) in einem Träger 214 auf, welche die von den Detektionselementen erzeugten Signale für die Übertragung zum Signalprozessor 300 verstärken, aufbereiten und verarbeiten. Der Signalprozessor 300 erfaßt die Signale von dem Gammastrahlungsdetektor 200, nimmt Korrekturen an den Daten vor und speichert die Daten im Speicher zur Verwendung durch den Datenerfassungscomputer 400, um Bilder des Objekts 102 zu erzeugen. Die Bilder werden an dem Sichtgerät 604 angezeigt und unter Verwendung der anderen in 2 dargestellten Ausgabegeräte gespeichert, gedruckt oder übertragen. Die wesentlichen Komponenten der Kamera 100 werden nachstehend in entsprechenden Unterabschnitten beschrieben.
Gammastrahlungsdetektor
Der erfindungsgemäße Gammastrahlungsdetektor 200 weist eine Anordnung von dichtgepackten Detektionsmodulen 206 auf, die auf der Modulleiterplatte 208 montiert sind. Die Modulleiterplatte 208 überträgt die durch die Detektionsmodule 206 erzeugten Signale zum Signalprozessor 300. Der Detektor 200 weist vorzugsweise eine 8 × 8-Matrix von Detektionsmodulen 206 auf. Der bequemen Darstellung halber zeigt 2 eine 4 × 5-Matrix von Detektionsmodulen 206. Die Detektionsmodule 206 haben vorzugsweise quadratische Abmessungen von 2,54 cm × 2,54 cm (1 Zoll × 1 Zoll). Daher weist die bevorzugte Ausführungsform des Gammastrahlungsdetektors 200 eine "aktive" Abtastfläche von 413,0 cm² (64 Zoll²) auf.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Detektionsmodule 206 in einer anderen Form als einer Ebene montiert, um eine Detektionsfläche zu bilden, die für die Abbildung bestimmter Objekte besser geeignet ist. Außerdem beschreiben die dargestellten Ausführungsformen zwar einen Detektor 200 mit Detektionsmodulen 206, die in einem Matrixformat angeordnet sind, aber bei der vorliegenden Erfindung werden auch Detektoren 200 in Betracht gezogen, die in anderen Konfigurationen angeordnete Detektionsmodule 206 aufweisen. Zum Beispiel können die Module 206 linear oder in einem Kreis oder in irgendeiner anderen zweckdienlichen Konfiguration angeordnet sein.
Die Modulleiterplatte 208 und die Detektionsmodule 206 des Detektors 200 sind in einem lichtdichten Gehäuse untergebracht. Hinter der Leiterplatte 208 und den Detektionsmodulen 206 und an deren Seiten ist Abschirmmaterial, vorzugsweise Blei, angeordnet, um zu verhindern, daß das erfaßte Bild durch Streustrahlung beeinträchtigt wird. Alternativ sind die Abschirmungen aus Wolframcarbid oder einem anderen hochdichten Material und haben eine ausreichende Masse, um zu verhindern, daß unerwünschte Streustrahlung die Detektionselemente erreicht und dadurch die Qualität der durch die Kamera 100 erzeugten Bilder verschlechtert. Da Gehäuse (nicht dargestellt) weist außerdem vorzugsweise ein dünnes Aluminiumfenster auf, das über der Vorderseite der Detektionsmodule 206 angebracht ist. Das Fenster schützt die Detektionsmodule vor Licht und physischer Beschädigung, läßt aber zu, daß von dem zu prüfenden Objekt 102 emittierte Gammastrahlung durch das Fenster eindringt und in den Detektionselementen 212 absorbiert wird. Alternativ kann das Fenster aus irgendeinem Niedrig-Z-Material (Material mit niedriger Kernladungszahl Z) bestehen, das keine nennenswerte Menge der abgebildeten Strahlung absorbiert.
Das Gehäuse ist mit Schrauben oder anderen Befestigungsmitteln rund um die Modulleiterplatte 208, die Detektionselemente 206 und das Abschirmmaterial befestigt. Die digitale Kommunikationsverbindung 202 tritt durch eine an einem Ende ausgebildete Bohrung oder einen Schlitz (nicht dargestellt) in das Gehäuse ein. Der Schlitz und die Gehäusekanten sind vorzugsweise lichtdicht ausgebildet. Das Gehäuse wird vorzugsweise unter Anwendung von Vibrationsdämmverfahren von dem Portal 500 unterstützt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Temperatur innerhalb des Gehäuses durch ein Kühlsystem geregelt, das Wärme aus dem Gehäuse abführt.
Der Totbereich rund um die aktive Oberfläche an dem Detektor ist klein. Er besteht aus dem Abschirmmaterial an den Seiten des Detektors und dem Traggehäuse und ist typischerweise kleiner als 1,27 cm (0,5 Zoll).
Detektionsmodule
3a zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Detektionsmoduls 206. Wie in 3a dargestellt, weist das Detektionsmodul 206 einen integrierten Schaltkreis auf, der in einem Keramik- oder Kunststoffträger von 6,45 cm² (1 Zoll²) montiert ist. Das Halbleiterdetektionsmaterial, die Teilkomponente 210 des Detektionsmoduls 206, weist eine Matrix von Detektionselementen 212 auf. Die Detektionselemente 212 sind vorzugsweise in einer 8 × 8-Matrix konfiguriert. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Detektionselemente 212 mehrere Cadmium-Zinktellurid (CZT-) Gammastrahlungsdetektionsbereiche auf, die an der Unterseite der Teilkomponente 210 ausgebildet sind. Die Kristalle können alternativ Cadmiumtellurid, Quecksilberiodid, Germanium, Silicium oder andere röntgen- oder gammastrahlungsempfindliche Materialien aufweisen. Wie dem Fachmann bekannt ist, bieten CZT-Kristalle eine gute Energie- und räumliche Auflösung, können bei Raumtemperatur arbeiten und können in großen Mengen in verschiedenen Abmessungen hergestellt werden. Die CZT-Kristalle wandeln von einem zu untersuchenden Objekt 102 (1) empfangene Gammastrahlung in elektrische Ladungsimpulse um. Die Amplitude der elektrischen Impulse zeigt die Energie der absorbierten Gammastrahlung an.
Die in 3a dargestellten Detektionsmodule 206 werden mit dünnen Platten montiert, die sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite der Teilkomponente 210 angeordnet sind. Die obere Platte (nicht dargestellt) bietet ein Mittel zum Anlegen einer Vorspannung an die Detektionsmodule 206, isoliert die Vorspannung vom Detektorgehäuse und bietet körperlichen Schutz für die CZT-Kristalle. Die obere Platte ist so konstruiert, daß sie zuläßt, daß die vom Objekt 102 emittierten Gammastrahlung die Platte durchdringt und in den Detektionselementen 212 absorbiert wird. In der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Platten aus 0,5 mm dickem Aluminiumoxid. Alternativ können die oberen und/oder unteren Platten aus einer Glas/Epoxid-Leiterplatte oder einem anderen Isoliermaterial bestehen. Eine untere Platte 230 bietet das Mittel zum Anschluß der Detektionselemente 212 an den Schaltkreisträger 214. Die untere Platte 230 weist mehrere Kontaktstellen 232 auf, deren Positionen den Positionen der Detektionselemente 212 entsprechen. Die mehreren Kontaktstellen 232 sorgen für die elektrische Verbindung jedes Detektionselements 212 mit einer entsprechenden Eingangskontaktstelle an der Oberseite des Schaltkreisträgers 214. Die Kontaktstellen 232 sind elektrisch voneinander isoliert.
Der Schaltkreisträger 214 nimmt die Ics und die passiven Komponenten auf und sorgt für Zwischenverbindungen von den ICs zu den Detektionselementen 212 und zur Modulleiterplatte 208. Der Schaltkreisträger 214 weist vorzugsweise Keramik oder Kunststoff auf. In der bevorzugten Ausführungsform koppeln Dickschichtwiderstände und -kondensatoren im Schaltkreisträger 214 die Signale von den Detektionselementen 212 zu den Eingängen der ICs und erden den Detektorleckstrom.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Elektroden der Teilkomponente 210 durch eine Goldschicht auf dem Cadmium-Zinktellurid (CZT) gebildet. Alternativ können Platin, Kohlenstoff oder andere leitende Materialien verwendet werden. Die Detektionselemente 212 werden durch eine Elektrodenmatrix an der Unterseite der Teilkomponente 210 gebildet. Die räumliche Auflösung des Gammastrahlungsdetektors 200 (1) wird zum großen Teil durch die Größe der Detektionselemente 212 bestimmt. Leistung und Langzeitstabilität werden durch Passivieren der CZT-Kristallflächen zwischen den Elektroden verbessert.
In einer alternativen Ausführungsform weist die im Detektionsmodul 206 ausgebildete Anordnung von Detektionselementen 212 getrennte CZT-Kristalle auf, die in 3a als vier CZT-Kristalle 218, 220, 222 und 224 dargestellt sind. Die dargestellten Kristalle haben vorzugsweise Abmessungen von 12,7 mm × 12,7 mm × 3 mm Dicke und weisen spektroskopisch reines CZT auf. An den Ober- und Unterseiten jedes Kristalls 218–224 sind Goldkontaktfilme oder -schichten angebracht. Die Elektroden an der Unterseite jedes Kristalls bilden eine Struktur von Goldquadraten, je ein Quadrat für jedes Detektionselement. In der bevorzugten Ausführungsform haben die Goldquadrate eine Seitenlänge von etwa 3 mm. Die Trennlinien 216 zwischen den Quadraten werden vorzugsweise passiviert und bieten dadurch einen Isolationswiderstand von mehr als 100 Megaohm zwischen den Detektionselementen.
In der bevorzugten Ausführungsform wird leitfähiges Epoxidharz benutzt, um die Elektroden der Detektionselemente 212 an die Kontaktstellen der unteren Platte und die Kontakte der unteren Platte an die Eingangskontaktstellen des Schaltkreisträgers 214 zu bonden. Alternativ können andere leitfähige Bondmittel benutzt werden, wie z. B. Bonden mittels Indium-Kontakthöcker.
Auf diese Weise werden die Detektoreingänge über die Oberseite des Trägers 214 mit den ICs in dem Schaltkreisträger 214 verbunden. Andere Eingänge und Ausgänge werden über mehrere Stifte 240 an der Unterseite des Schaltkreisträgers 214 mit den ICs verbunden. Die mehreren Stifte 240 sind so konstruiert, daß sie in Steckfassungen oder Steckverbinder passen, die an der Modulleiterplatte 208 (2) befestigt sind. Wie oben beschrieben, werden Baugruppen von Halbleiterstrahlungsdetektoren nach dem Stand der Technik typischerweise so an elektronische Aufbereitungsschaltungen angeschlossen, daß die Baugruppen an höchstens drei Seiten aneinandergefügt werden können. Die Konfiguration des in 2 dargestellten Detektionsmoduls 206 ermöglicht günstigerweise ein Anfügen des Detektionsmoduls 206 an allen vier Seiten. Daher stellt das vorliegende Detektionsmodul 206 vorteilhafterweise ein modulares Element bereit, das auf mehrere Arten mit anderen Detektionsmodulen 206 kombiniert werden kann, um einen nuklearmedizinischen Bildwandler mit einer gewünschten Konfiguration herzustellen.
Alternativ stellt 3b das gleiche Detektionsmodul 206 dar, aber mit einer Matrix von Halbleiterdetektionselementen 213, die durch orthogonale Streifen an den Ober- und Unterseiten der Teilkomponente 210 gebildet wird. Ein Vorteil der Verwendung von orthogonalen Streifen ist, daß die Anzahl der Signalaufbereitungskanäle für die gleiche räumliche Auflösung kleiner ist oder die räumliche Auflösung mit der gleichen Anzahl von Signalaufbereitungskanälen verfeinert werden kann.
In dieser Ausführungsform werden die Signale von der Oberseite über ein Kondensator- und Widerstandsnetzwerk mit den Eingängen der integrierten Schaltkreise verbunden. Die in 3b dargestellte alternative Ausführungsform weist vorzugsweise 32 obere Streifen und 32 untere Streifen auf 1 mm-Mittelpunkten in einem Modul mit äußeren Abmessungen von etwa 32 mm × 34 mm auf. Das Modul weist einen kleinen Totraum an nur einer Kante auf und ist so konstruiert, daß dieser Totraum minimiert wird, um das volle Aneinanderfügen des Moduls an 3 Seiten und das Aneinanderfügen an 4 Seiten mit einem kleinen Totraum an nur einer Seite zu ermöglichen. Das Halbleitermaterial ist aus einem oder mehreren Elementen mit auf den Oberflächen ausgebildeten Streifen, die nach Bedarf miteinander zu der Gesamtanordnung verbunden werden.
CZT-Kristalle sind seit Ende der achtziger Jahre von Aurora Technologies Corporation, San Diego, Californien, und seit 1993 von eV Products, Saxonburg, Pennsylvania, im Handel erhältlich. Cadmiumtellurid ist von Lieferanten in den USA, Asien und Europa beziehbar.
Passivierung von CZT-Detektoren
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Passivierungsbereiche auf den Oberflächen der CZT-Teilkomponente 210 durch Ausbilden einer Isolierschicht auf dem CZT erzeugt. In der bevorzugten Ausführungsform läßt man von einem Substrat aus Cadmium-Zinktellurid nach der Abscheidung der Metallschicht auf den Substratoberflächen eine Eigenoxidschicht aufwachsen. Das Aufwachsen einer Eigenoxidschicht bietet ein Mittel, um sicherzustellen, daß der Widerstand zwischen im Substrat ausgebildeten Metallinseln oder -leitungen erhöht und auf einem hohen Wert gehalten wird.
Die Isolierfilmschicht 216 (2) wird in einer CZT-Oberfläche durch Behandeln der CZT-Oberfläche mit einer Wasserstoffperoxidlösung bei niedrigen Temperaturen ausgebildet. Nach Abscheidung der Metallschicht läßt man eine Eigenoxidschicht aufwachsen, indem das CZT-Substrat bei Temperaturen von etwa 20°C bis 60° temperaturabhängig etwa zwei Sekunden bis eine Stunde lang einer wäßrigen Wasserstoffperoxidlösung mit einer Konzentration von etwa 3% bis 30% ausgesetzt wird. Zum Beispiel wird die CZT-Detektionselementmatrix vorzugsweise zunächst metallisiert und strukturiert, bevor sie der wäßrigen Wasserstoffperoxidlösung ausgesetzt wird. Typischerweise wird die CZT-Teilkomponente 210 etwa 30 Minuten bei 60°C in eine wäßrige Wasserstoffperoxidlösung mit einer Konzentration von annähernd 3% eingebracht. Die Temperatur kann jedoch in Abhängigkeit von der gewünschten Tiefe der Oxidschicht und der Geschwindigkeit, mit der die Oxidschicht aufwachsen soll, variieren. Nach der beschriebenen Exponierung des CZT-Substrats entsteht auf der Oberfläche des CZT-Substrats eine schwarze, hochohmige Oxidschicht, die Oberflächenleckströme zwischen den Detektionselementen 212 wesentlich vermindert. Durch Tempern der passivierten Detektionselemente 212 in einer Sauerstoff-Stickstoff-Umgebung bei relativ niedrigen Temperaturen kann der Leckstrom weiter vermindert werden. Zum Beispiel werden die passivierten Detektionselemente typischerweise etwa 30 Minuten bei einer Temperatur von etwa 60°C in Luft getempert.
Die Oxidschicht 216 zwischen den Detektionselementen 212 ist in Chlorwasserstofflösungen löslich. Die Schicht kann auch in einem sauren wäßrigen HAuCl₄-Elektrolytbad gelöst werden, das typischerweise zur Kontaktmetallisierung verwendet wird. Wichtig ist, daß man die Oxidschicht auflösen kann, wenn die CZT-Detektoren durch Passivieren der CZT-Wafer vor dem Metallisieren hergestellt werden. Außerdem ist das Auflösen der Oxidschicht beim selektiven Entfernen der Oxidschicht für die Metallabscheidung und in einem kombinierten Oxidätzungs/Metallisierungsprozeß nützlich.
Das vorliegende Verfahren zum Passivieren der CZT-Detektionskristalle löst aus mehreren Gründen bekannte Probleme, die mit der Photolithographie zusammenhängen. Monolithische Matrixstrukturen, die durch Photolithographie erzeugt werden, leiden unter einem niedrigen Oberflächenwiderstand zwischen metallisierten Kontakten, offenbar infolge einer Änderung der Stöchiometrie und anderer chemischer Effekte. Durch Photolithographie erzeugte Oberflächeneffekte sind in Bauelementen mit monolithischer Matrix unangenehm. Außerdem erhöht die Passivierung der Ränder die Fähigkeit eines Einzelelement detektors oder eines Anordnungsdetektors, bei hohen Spannungen zu arbeiten, und vermindert Leckströme. Die durch Photolithographie entstandenen Probleme werden durch das oben beschriebene chemische Passivierungsverfahren gemildert. Durch chemische Passivierung der CZT-Oberfläche bietet die vorliegende Erfindung wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Beispielsweise beseitigt eine aufgewachsene Isolierschicht die Probleme, die mit der Abscheidung einer Oxidschicht auf dem CZT-Substrat verbunden sind. Außerdem können CZT-Kristalle mit einer Eigenoxidschicht leicht und kostengünstig hergestellt werden. Die Oxidschichten bieten einen hohen spezifischen Widerstand und einen verminderten Oberflächenleckstrom zwischen den Detektionselementen 212. Ferner ist das Eigenoxid chemisch mit dem CZT-Substrat verträglich.
Detektionsmodulleiterplatte
4 zeigt ein Blockschaltbild der in 2 dargestellten Detektionsmodulleiterplatte 208. Die Detektionsmodulleiterplatte umfasst eine Anordnung von Stecksockeln, in die jedes in 2 dargestellte Detektionsmodul 206 eingesteckt wird. Alternativ können die Module in die Modulleiterplatte gelötet werden. 4 zeigt die Verbindung der Eingangs-/Ausgangsstifte der Detektionsmodule. In einer Ausführungsform weist der Gammastrahlungsdetektor 200 35 Detektionsmodule auf, die in einer 5 × 7-Matrix angeordnet sind. Die in der dargestellten Ausführungsform verwendete Matrixgröße wird jedoch nur als Beispiel angegeben und ist nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung aufzufassen. Der erfindungsgemäße Gammastrahlungsdetektor 200 kann X Detektionsmodule 206 aufweisen, die als N × M-Matrix oder in beliebiger Form oder Größe angeordnet sind. Der einzige Unterschied zwischen einer solchen N × M-Matrix-Kamera und der dargestellten Ausführungsform ist die Art und Weise, in der die Module in dem Bild abgebildet werden, und die erforderliche Anzahl der Adressenleitungen. Zum Beispiel spezifizieren in einer Ausführungsform sechs Adressenleitungen den Ort von vierundsechzig Detektionsmodulen 206, die in einem quadratischen Muster angeordnet sind. Die gleichen vierundsechzig Elemente könnten auch in irgendeiner anderen gewünschten Form angeordnet werden, wie z. B. in rechteckiger oder Kreisform, als Schrägring oder Kreuz. In einer Ausführungsform mit einer 16 × 16-Matrix von Detektionsmodulen sind am Moduladressenbus 256 acht aktive Leitungen erforderlich.
Für jedes in 4 dargestellte Detektionsmodul 206 wird der Kontakt zu einem entsprechenden Stecksockel (nicht dargestellt) hergestellt, der an die Modulleiterplatte 208 angelötet oder auf andere Weise daran befestigt und elektrisch mit ihr gekoppelt wird. Die Stecksockel sind zusammen auf der Modulleiterplatte 208 dicht gepackt, wobei die Detektionsmodule 206 an allen vier Seiten aneinandergefügt sind, wenn die Module im vollen Eingriff und im Kontakt mit den Stecksockeln sind. Die Modulleiterplatte weist vorzugsweise in jeder Modulposition "Stecklöcher" (nicht dargestellt) auf, die ermöglichen, daß ein Techniker die Module 206 während der Prüfung und Wartung ohne Beschädigung in den Sockeln installiert oder daraus entfernt.
Sowohl Digital- als auch Analogsignale werden auf bekannte Weise über Leiterbahnen in der Modulleiterplatte 208 jedem Stecksockel zugeführt, wie schematisch in 4 dargestellt. Die Digitalsignale und Versorgungsleitungen werden über Eingangs- und Ausgangskanäle, die mit der digitalen Kommunikationsverbindung 202 (2) verbunden sind, der Modulleiterplatte 208 zugeführt. Wie in 2 dargestellt und weiter unten unter Bezugnahme auf 8 ausführlicher beschrieben, ist die digitale Kommunikationsverbindung 202 mit dem Signalprozessor 300 verbunden. Die durch jedes Detektionsmodul 206 ausgegebenen Analogsignale werden in Busleitungen auf der Modulleiterplatte 208 zusammengeführt und über lineare Puffer 250, 252 über eine Analogverbindung 203, vorzugsweise ein konzentrisches Kabel mit zwei Innenleitern bzw. Twinaxkabel, zum Signalprozessor 300 (2) weitergeleitet. Die Kreuzkopplung zwischen den Analog- und Digitalsignalen wird dabei durch Aufbereitung und Abschirmung der analogen Ausgangssignale und durch Übertragung der Analog- und Digitalsignale über getrennte Kommunikationsverbindungen 202, 203 stark vermindert.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform weisen die Detektionsmodule mehrere Eingangs-/Ausgangsstifte 240 (3a) auf, die den Kontakt zu entsprechenden Steckverbindern in den Modulstecksockeln herstellen, die an der Modulleiterplatte 208 befestigt sind. Die Liste der Stiftfunktionen für jeden Modulstecksockel der dargestellten Ausführungsform wird nachstehend in Tabelle 1 angegeben. Die unten aufgeführten Stifte und Funktionen weisen eine entsprechende Eingangs-/Ausgangsfunktionalität des integrierten Schaltkreises auf, wie weiter unten unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wird.
Masseverbindungen, Vorspannungssignale und Versorgungsspannungen werden über innere Schichten der Detektionsmodulleiterplatte 208 den Detektionsmodulen 206 zugeführt. Anschlußstifte für Stromversorgung werden mit Überbrückungskondensatoren (nicht dargestellt) verbunden, welche die Stromversorgungen zu entsprechenden Masseebenen überbrücken. Digitale und lineare Signale werden sowohl an der Modulleiterplatte 208 als auch am Signalprozessor 300 (2) gepuffert. Tabelle 2 zeigt die Liste der Stiftfunktionen für die digitale Kommunikationsverbindung 202, welche die Modulleiterplatte 208 mit dem Signalprozessor 300 koppelt.
Tabelle 1 – Detektionsmodul Anschlußstiftfunktionsliste
Tabelle 2 – Verdrahtungsliste für Verbindung 202
In der bevorzugten Ausführungsform umfassen die vom Signalprozessor 300 zur Detektionsmodulleiterplatte 208 übermittelten Signale Spannungs- und Massebezugssignale und das "Weiter"-Signal. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben, werden die Adressen- und "Gültig"-Signale und die analogen Ausgangssignale von der Detektionsmodulleiterplatte 208 zum Signalprozessor 300 übermittelt, wenn eine Fall-through-Adressierung ein gültiges Ereignis in einem Detektionselement 212 identifiziert. Diese Signale werden über Busleitungen zu jedem Detektionsmodul 206 auf der Modulleiterplatte 208 übermittelt. Zum Beispiel werden alle Gültig-Leitungen der Detektionsmodule 206 auf Leitung 260 als Busleitung zusammengeführt. Die Vorspannung (vorzugsweise 200–500 V) wird an die Oberseite jedes Detektionsmoduls angelegt und erregt die Detektionselemente 212 während des Kamerabetriebs.
Sowohl Modul- als auch Elementadressen werden dem Signalprozessor 300 über gemeinsame Adressenleitungen 256, 262 zugeführt, die von jeder Detektionsmodulposition auf der Modulleiterplatte 208 geschaltet werden. Der Moduladressenbus 256 und der Elementadressenbus 262 werden logisch verknüpft, um einen n Bits breiten Adressenbus zu erzeugen. In der bevorzugten Ausführungsform ist der zum Signalprozessor 300 übertragene Adressenbus 14 Bits breit. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Moduladressenleitungen 256 durch den Signalprozessor 300 als höchstwertige Adressenbits behandelt, und die Elementadressenleitungen 262 werden als niedrigstwertige Adressenbits behandelt. Die Adressenbusse 256, 262 werden durch Dreizustandspuffer in jeder Detektionsmodul-Position angesteuert. Zu einem gegebenen Zeitpunkt steuert nur ein Detektionsmodul 206 eine Adresse auf den Adressenbussen 256, 262 an.
In der bevorzugten Ausführungsform wird die Moduladresse jedes Detektionsmoduls 206 in einem Dreizustands-Sender-Empfänger "fest verdrahtet", der in jedem Modul auf der Modulleiterplatte 208 angeordnet ist. Das heißt, die Binäradresse für jeden Modulstecksockel wird vorverdrahtet, indem die entsprechenden Bits an digitale Masse und Stromversorgung gelegt werden. Wie weiter unten anhand der 5–7 ausführlicher beschrieben, gibt bei Ankunft einer Fall-through-Adressierung an einem Detektionsmodul mit gültigen Daten dieser Modul ein Analogsignal (über eine lineare Signalausgangsleitung 270), ein Signal "Gültig", ein Signal "Adressenfreigabe" sowie die Adresse aus, die das Detektionselement 212 eindeutig identifiziert. Der digitale integrierte Schaltkreis (IC) in dem Detektionsmodul 206 aktiviert die Detektionselementadresse auf dem Adressenbus 256, und ein Dreizustands-Adressenpuffer am Ort dieses Moduls aktiviert die Detektionsmoduladresse auf dem Bus 262, wenn ein "Adressenfreigabe"-Signal aktiviert bzw. auf logisch wahr gesetzt wird. Die Detektionsmodule 206 sind daher vollständig austauschbar konstruiert. Die Detektionsmodule 206 werden daher nicht durch den Datenerfassungscomputer 400 im herkömmlichen Sinne "adressiert". Statt dessen, wie weiter unten anhand der 5–7 ausführlicher beschrieben, initiie ren die Module 206 die Adresse, wenn ein Ereignis eintritt. Wie in 4 dargestellt, werden die Detektionsmodule 206 in einer "Kaskaden"-Konfiguration miteinander verknüpft, indem das "Fall-out"-Ausgangssignal von einem Modul (z. B. das Fall-out-Signal 280) zum "Fall-in"-Eingangsignal eines folgenden Moduls (z. B. dem Fall-in-Signal 282) gekoppelt wird. Wie weiter unten beschrieben, werden die "Fall-in"- und "Fall-out"-Signale verwendet, um das "Fall-through"-Datenschema der vorliegenden Erfindung zu implementieren.
Wenn ein Detektionsmodul 206 auf der Leitung 260 ein Gültig-Signal aktiviert, wie weiter unten ausführlicher beschrieben, dann liest und verarbeitet der Signalprozessor 300 die Adresse dieses Detektionselements auf den "Adressen"-Leitungen und das Analogsignal auf der Leitung "linearer Ausgang". Der Signalprozessor 300 initiiert dann erneut den Fall-through-Adressierungs- und Datenerfassungsprozeß, indem er ein Signal "Weiter" erzeugt und über die digitale Kommunikationsverbindung 202 sendet.
Detektionsmodule – Verbindung der analogen und digitalen integrierten Schaltungen
Der Schaltkreisträger 214 umfasst vorzugsweise drei integrierte Schaltungen, zwei identische analoge anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) und eine digitale ASIC. Die beiden analogen ASICs verstärken und formen die Analogsignale für die Verarbeitung durch die digitale ASIC. Die digitale ASIC vergleicht die durch die analogen ASICs erzeugten Analogsignale mit einer Bezugs- oder Schwellenspannung. Wenn das Signal größer als der Schwellwert ist (ein "gültiger Treffer"), wird ein Signalspeicher bzw. Latch gesetzt, das veranlaßt, daß der Analogwert in einer Peak-Detektionsschaltung gespeichert wird. Wenn die digitale ASIC durch ein Fall-through-Signal aktiviert wird, erzeugt sie ein Signal "Gültig" und ein Signal "Adressenfreigabe". Verbindungen innerhalb des Detektionsmoduls 206 zwischen den beiden analogen ASICs 700 und einer digitalen ASIC 800 sind in dem Blockschaltbild von 5a dargestellt. Die 64 Signale von den Detektionselementen 212 werden über Dickschichtkondensatoren im Träger 214 an die Eingänge der analogen ASICs angelegt. Der Leckstrom von jedem Detektionselement 212 wird über gleichfalls auf dem Träger 214 lithographierte Dickschichtwiderstände nach Masse geleitet.
Die vorliegende Erfindung ist zwar mit zwei analogen ASICs 700 in jedem Detektionsmodul 206 dargestellt, aber der Fachmann wird erkennen, daß die durch die analogen ASICs 700 ausgeführten Signalaufbereitungsfunktionen in einer alternativen Ausführungsform innerhalb einer ASIC 700 implementiert werden können, und daß die Anzahl von analogen Kanälen in einer ASIC 700 entweder größer oder kleiner als 32 sein könnte. Ferner wird eine Kombination der analogen und digitalen Verarbeitungsfunktionen in einer einzigen integrierten Schaltung in Betracht gezogen.
Da die Detektionselemente 212 elektrische Impulse mit niedriger Amplitude erzeugen, wenn sie bestrahlt werden, kann irgendein Rauschen, das während der Verarbeitung dieser Signale erzeugt wird, das resultierende Bild beeinträchtigen. Kreuzkopplung und Rauschen werden durch Trennung der analogen und digitalen Schaltungen in getrennte ASICs wesentlich reduziert.
Einige bildgebende Geräte nach dem Stand der Technik verwenden ASICs, die erfordern, daß der mit jedem Detektionselement 212 verbundene Vorverstärker periodisch zurückgesetzt wird, um Detektor- und Verstärkereingangsströme zu kompensieren. Dieses Rücksetzen erfolgt typischerweise mit einem parallel zum Rückkopplungsweg des Vorverstärkers geschalteten Analogschalter. Die Betätigung des Schalters verursacht große Störsignale und setzt den Verstärker vorübergehend außer Betrieb. Passive Rückkopplungsnetze sind schwer zu implementieren, da hohe Widerstandswerte verwendet werden müssen, um die Rauschpegel wirksam zu reduzieren. Die Herstellung von Widerständen mit so hohen Werten ist gegenwärtig nicht möglich. Wie in 5a dargestellt, eliminiert die vorliegende Erfindung den Detektorstrom-Teil dieses Problems, indem sie zwischen einem Eingangskanal 704 und seiner dazugehörigen Eingangskontaktstelle 706 an jedem Eingang der analogen ASIC 700 ein Widerstand/Kondensator-Netzwerk 702 einfügt. Das Widerstand/Kon densator-Netzwerk 702 leitet einen Leckstrom vom Detektionselement 212 zu einer analogen Masse 712 auf der Modulleiterplatte 208 ab, bevor der Leckstrom in die analoge ASIC 700 eintritt. Typische Werte für den Widerstand 708 und den Kondensator 710 des Widerstand/Kondensator-Netzwerks 702 sind 200 MΩ bzw. 100 pF. Der Verstärkereingangsstrom wird kompensiert, indem ein Verstärker mit hoher Ausgangsimpedanz als Rückkopplungselement um den Vorstärker herum verwendet wird. Jedes Detektionselement 212 der 8 × 8-Matrix jedes Detektionsmoduls 206 ist elektrisch mit einem Eingangskanal 704 auf dem Schaltkreisträger 214 gekoppelt. Die durch die Detektionselemente 212 erzeugten und zu den 64 Eingangskanälen 704 übertragenen Signale sind relativ schwache Signale mit Werten im Bereich von 6000 bis 60000 Elektronen.
Die Aktivierung der Gültig-Leitung 260 durch eines der Detektionsmodule 206 zeigt an, daß mindestens eines seiner Detektionselemente 212 einen Treffer empfangen hat, der verarbeitet werden muß, und daß es durch die Fall-through-Adressierung ausgewählt wurde. Im Anschluß an einen gültigen Treffer und nach Abwarten einer kurzen Zeitspanne, die ausreicht, um eine Stabilisierung des linearen Signals innerhalb des Peak-Detektors zu ermöglichen, aktiviert die digitale ASIC 800 ein internes Gatter und wartet auf die Aktivierung durch ein Fall-through-Signal, das weiter unten ausführlicher beschrieben wird. Gültige Treffer können gleichzeitig für alle Detektionselemente 212 in dem Detektionsmodul 206 durch die digitale ASIC gespeichert werden. Nachdem ein Detektionselement 212 einen gültigen Treffen empfängt, wartet es auf die Aktivierung durch ein Fall-through-Signal. Die ASIC 800 aktiviert dann ein "Gültig"-Signal auf der Ausgangsleitung 260 und ein Adressenfreigabesignal am Ausgangskontakt 831. Wie oben beschrieben und in 4 dargestellt, sind die Gültig-Leitungen 260 aller Detektionsmodule 206 elektrisch miteinander gekoppelt, und das Gültig-Signal wird über die digitale Kommunikationsverbindung 202 zum Signalprozessor 300 übertragen.
Wenn daher irgendeines der Detektionselemente in dem Gammastrahlungsdetektor 200 einen gültigen Treffer erzeugt, werden die Gültig- und Adressenfreigabesignale für dieses Detektionselement aktiviert, wenn es durch das Fall-through-Signal freigegeben wird. Ein Peak-Detektor in jedem Kanal der digitalen ASIC 800 speichert die Amplitude des vom Detektionselement 212 empfangenen Ladungsimpulses, bis diese durch den Signalprozessor 300 gelesen wird. Wie in 5a dargestellt, wird das gespeicherte Analogsignal über einen Analogkontakt 817, der mit dem linearen Bus 270 gekoppelt ist, zum Signalprozessor 300 übermittelt. Der Treffer wird in der digitalen ASIC 800 gehalten, bis er gelesen, verarbeitet und durch ein vom Signalprozessor 300 erzeugtes Weiter-Signal 258 gelöscht wird. Jeder Peak-Detektor innerhalb der digitalen ASIC 800 speichert die höchste Amplitude von aufeinanderfolgenden Treffern, die durch ein Detektionselement 212 erzeugt werden, bis er durch den Signalprozessor 300 zurückgesetzt wird. Der "Abfall der Haltespannung" des Peak-Detektors ist vorzugsweise nicht größer als 0,0001% pro Mikrosekunde.
Wenn der Signalprozessor 300 die Verarbeitung des Ereignisses beendet, aktiviert er ein "Weiter"-Signal auf der Weiter-Signalleitung 258. Wie in 4 dargestellt, sind die Weiter-Signalleitungen 258 jedes Moduls 206 elektrisch miteinander gekoppelt. Wenn die Weiter-Leitung 258 aktiviert bzw. auf logisch wahr gesetzt wird, löscht das aktive Detektionsmodul 206 (d. h. das Detektionsmodul, das gegenwärtig die Steuerung über die Adressenbusse 256, 262 und den linearen Bus 270 hat) die aktiven Ausgangsleitungen (Gültig-Leitung, Adressenleitungen und lineare Signale) und läßt das Fall-through-Signal zum nächsten gehaltenen Detektionselement vorrücken.
Fall-through-Schaltung
Die ASIC 800 weist für jedes Detektionselement eine Fall-through-Schaltung auf. Ein vereinfachtes Blockschaltbild der Fall-through-Schaltung ist in 5b als eine Reihe von zusammengeschalteten UND- und ODER-Gattern dargestellt. Diese Abbildung der Fall-through-Schaltung wird einfach zur Beschreibung ihrer Funktion angegeben. Jedes Detektionselement 212 weist innerhalb der ASIC 800 einen entsprechenden Signalspeicher bzw. ein Latch zum Speichern von gültigen Treffern auf, die durch das Detektionselement 212 empfangen werden. Wie in 5b dargestellt, speichert z. B. das Latch 808 einen Treffer, der durch das erste Detektionselement (DE 0) empfangen wird, das Latch 810 speichert einen Treffer, der durch das zweite Detektionselement (DE 1) in der 8 × 8-Matrix empfangen wird, und so weiter. Die Latch-Ausgänge sind mit entsprechenden Fall-through-Blöcken 812, 814 gekoppelt. Der Block 812 weist einen ersten Eingang an seinem ODER-Gatter 816 auf, der mit der Fall-in-Signalleitung 282 gekoppelt ist. Die Fall-in- und Fall-out-Signalleitungen der Detektionsmodule 266 auf der Leiterplatte 208 sind "in Kaskade" zusammengeschaltet (4). Zum Beispiel ist die Fall-out-Signalleitung 280 des Detektionsmoduls 266 mit dem Fall-in-Eingang 282 des nächsten Detektionsmoduls 268 gekoppelt. Die Fall-out-Leitung 280 des letzten Detektionsmoduls 284 der Matrix von Detektionsmodulen 206 ist mit einem NICHT-ODER- bzw. NOR-Gatter 286 gekoppelt. Der Ausgang des NOR-Gatters 286 ist mit dem Fall-in-Eingang 282 des ersten Detektionsmoduls 266 gekoppelt.
Daher sind die Fall-through-Schaltungen innerhalb jedes Detektionsmoduls 206 des Gammastrahlungsdetektors 200 alle zusammengeschaltet und bilden eine ringförmige bzw. geschlossene Fall-through-Schleife. Das NOR-Gatter 286 ermöglicht die Initialisierung des Fall-through-Systems während einer Einschaltsequenz. Zum Beispiel wird beim Einschalten ein PWR UP-Signal (Strom-ein-Signal) 288 auf H gesetzt, was dazu führt, daß ein monostabiler Multivibrator 290 einen logischen 0- bzw. L-Impuls auf der Fall-in-Signalleitung 282 des ersten Detektionsmoduls 266 deaktiviert. Wie wieder aus 5b erkennbar ist, gibt das ODER-Gatter 816 einen logischen L-Wert aus, wenn das Latch 808 des ersten Detektionsmoduls 266 nicht gesetzt ist (d. h. wenn das erste Detektionselement 212, das mit dem Latch 808 verbunden ist, keinen gültigen Treffer empfangen hat). Das logische L wird in ein ODER-Gatter 818 des nächsten Fall-through-Blocks 814 eingegeben, das dem nächsten Detektionselement 212 der 8 × 8-Matrix von Detektionselementen 212 zugeordnet ist (z. B. "DE 1") . Wenn das Latch 810 des nächsten Detektionselements nicht gesetzt ist (d. h. das dem Latch 810 zugeordnete zweite Detektionselement 212 hat keinen gültigen Treffer empfangen), gibt das ODER-Gatter 818 gleichfalls einen logischen L-Wert aus. Die nachfolgenden Fall-through-Blöcke erzeugen auf ähnliche Weise weiterhin einen logischen L-Wert, der sich durch die Kette von Fall-through-Blöcken fortbewegt, bis ein Detektionselement gefunden wird, das einen Treffer empfangen und dadurch sein entsprechendes Latch gesetzt hat. Wenn kein Detektionselement 212 innerhalb eines Detektionsmoduls 266 einen gültigen Treffer empfangen hat, d. h. wenn die digitale ASIC 800 des Detektionsmoduls 266 kein Latch gesetzt hat, dann gibt das Detektionsmodul aus seiner Fall-out-Signalleitung 280 ein logisches L aus. Der L-Wert wird in die Fall-in-Eingangsleitung 282 des nächsten Moduls 268 eingegeben. Auf diese Weise bewegt sich das logische L vorwärts durch die ODER-Gatter jedes nachfolgenden Moduls, bis ein Element angetroffen wird, das ein zur verarbeitungsbereites Ereignis aufweist, oder bis das Signal aus dem letzten Modul austritt und wieder in das erste eintritt.
Ein logisches H, das in irgendein ODER-Gatter (d. h. in die ODER-Gatter 816, 818 usw.) eingegeben wird, stoppt den Fall-through-Prozeß. Sobald ein Ereignis gefunden wird, aktiviert die digitale ASIC 800 Dreizustandspuffer (nicht dargestellt), wodurch die ASIC die Steuerung sowohl der digitalen Adressenbusse 256, 262 als auch der linearen Signalleitung 270 (4) übernehmen kann. Die Adresse des Detektionselements 212, das den Treffer empfangen und anschließend die Fall-through-Schaltung angehalten hat, wird durch die ASIC 800 zu den Elementadressen-Busleitungen 262 ausgegeben. Die Adresse des Detektionsmoduls 206 der ASIC wird gleichfalls von der Sende-Empfangs-Einrichtung aus durch die Adressenfreigabeleitung 832 auf den Modul-Adressenleitungen 256 freigegeben bzw. aktiviert. Wie oben beschrieben, ist die Moduladresse auf der Modulleiterplatte 208 in einem 8-Bit-Sender-Empfänger festverdrahtet, der durch das Adressenfreigabesignal freigegeben wird. Das Analogsignal des Detektionselements 212, das den Fall-through-Prozeß angehalten hat, wird unter Verwendung des Adressenausgangs 262 des Detektionselements der digitalen ASIC 800 ausgewählt.
Das von einem Treffer herrührende Gültig-Signal veranlaßt, daß der Signalprozessor 300 die Adresse und das Analogsignal liest und verarbeitet. Auf die Busleitungen kann kein anderes Detektionsmodul zugreifen, da die Fall-through-Konfiguration sicherstellt, daß zu einem Zeitpunkt jeweils nur ein Detektionsmodul 206 aktiviert ist. Der Fall-through-Prozeß bleibt im Haltezustand, bis der Signalprozessor 300 die Verarbeitung des Ereignisses beendet und ein "Weiter"-Signal über die Weiter-Signalleitung 258 aktiviert, die durch jedes Detektionsmodul gemeinsam genutzt wird. Wenn das aktive Detektionsmodul ein Weiter-Signal empfängt, führt es der Reihe nach die folgenden Funktionen aus: es setzt den gegenwärtig adressierten Peak-Detektor zurück; es deaktiviert das Gültig-Signal, was dazu führt, daß die Gültig-Signalleitung 260 einen logischen L-Wert annimmt; es deaktiviert das Adressenfreigabesignal; es deaktiviert seine Dreizustandspuffer und gibt dadurch die Adressen- und Signalbusse frei; und es deaktiviert einen logischen L-Impuls über seine Fall-out-Leitung. Der Fall-through-Prozeß beginnt von neuem mit dem nächsten Fall-through-Block in der digitalen ASIC 800.
Da das Fall-through-System Detektionselemente nacheinander abtastet, können Detektionselemente 212, die einen gültigen Treffer empfangen, die Abtastung anderer Detektionselemente nicht beeinflussen oder unterbrechen. Alle Elemente werden "ausgeklinkt" oder gesperrt, bis sie während einer nachfolgenden Fall-through-Abtastung gelesen werden. Auf diese Weise erhält jedes Detektionselement 212 jedes Moduls 206 die gleiche Gelegenheit, durch den Signalprozessor 300 abgearbeitet zu werden.
Integrierte Schaltungen (ICs)
6 zeigt ein Blockschaltbild der analogen ASIC 700 von 5a. Vorzugsweise umfasst jede analoge ASIC 700 zweiunddreißig Kanäle. Jeder Kanal weist vorzugsweise einen Eingangskontakt 706 zum Empfang und zur Aufbereitung des Analogsignals auf, das durch sein zugeordnetes Detektionselement 212 erzeugt wird, wenn ein Gammastrahl absorbiert wird. Jeder Kanal weist einen Ladungsverstärker 718 und einen signalformen den Verstärker 720 auf. Der Vorverstärker umfasst einen stromabgebenden Verstärker (angedeutet durch den Widerstand 738 in 6), um die Gleichstromstabilität der Schaltung aufrechtzuerhalten. Die Anstiegs- und Abfallzeiten des signalformenden Verstärkers werden durch Widerstände außerhalb der ASIC 700 eingestellt.
Der bevorzugte Wert des Kondensators 740 wird so gewählt, daß er eine gewünschte Verzögerungszeit liefert. Die Verstärker 718 werden so ausgelegt, daß sie die durch die Detektionselemente 212 erzeugten Impulse auf Pegel verstärken, die Komparatoren innerhalb der digitalen ASIC 800 auslösen können. Vorzugsweise verstärken die Verstärker 718 die Analogsignale auf Pegel von etwa 1 Volt.
Die Anstiegszeit bis zum Erreichen des Peaks und die Abfallzeit des signalformenden Verstärkers 720 werden so gewählt, daß Beiträge des weißen Rauschens und des 1/f-Rauschens minimiert werden und eine gute Wiederherstellung der Nullinie erreicht wird. Vorzugsweise beträgt die Anstiegszeit bis zum Erreichen des Peaks 0,1 bis 1,0 Mikrosekunde mit Abfallzeiten von 1 bis 10 Mikrosekunden. Die Ausgänge der signalformenden Verstärker 720 sind mit den Eingängen der entsprechenden Peak-Detektoren in der digitalen ASIC 800 gekoppelt.
Wie in 7 dargestellt, weist die digitale ASIC 800 vorzugsweise vierundsechzig parallele Kanäle auf, die den vierundsechzig Detektionselementen 212 entsprechen, die jedem Detektionsmodul 206 zugeordnet sind. Jeder Kanal umfasst einen Peak-Detektor 820, einen Komparator 822, ein Ereignis-Latch 824, UND-Gatter 826, 828, einen Fall-through-Block 830 und einen Adressencodierer 832.
Wie oben unter Bezugnahme auf 5a beschrieben, führen die Peak-Detektoren 820 eine analoge Peak-Detektionsfunktion aus, indem sie von aufeinanderfolgenden Impulsen, die durch die Detektionselemente 212 erzeugt werden, den höchsten Impuls speichern, bis ein Gültig-Signal etwaige später erzeugte Impulse "blockiert". Die später erzeugten Impulse werden "blockiert", bis der Spitzenwert gelesen wird. Der Schalter 814 ermöglicht die Übertragung des Analogsignals von dem ausgewählten Peak-Detektor zum Signalprozessor 300 über die line are out sig-Leitung (Ausgangssignalleitung) 817, wenn die Adresse dieses Detektionselements gültig ist.
Wie in 7 dargestellt, weisen die Peak-Detektoren 820 Steuerleitungen 833 auf, die von den Fall-through-Blöcken (830, 836, 838) zu den Schaltern 814 gekoppelt sind. Die Schalter 814 koppeln den Ausgang eines ausgewählten Peak-Detektors 820 zum Signalpuffer 812, wenn sie durch eine Steuerleitung 833 betätigt werden. Die durch irgendeinen Peak-Detektor 820 gespeicherte analoge Spannung wird durch das Weiter-Signal 842 dann und nur dann zurückgesetzt, wenn die Adresse dieses Elements freigegeben wird. Das heißt, wenn ein Schalter 814 durch einen Fall-through-Block (z. B. 830) aktiviert wird, dann wird der mit dem aktivierten Schalter 814 verbundene Peak-Detektor zurückgesetzt, wenn das Weiter-Signal 842 aktiviert ist. Nachdem der Signalprozessor 300 ein durch einen Peak-Detektor gespeichertes Ereignis verarbeitet, löscht er daher den ausgewählten Peak-Detektor 820, um zu ermöglichen, daß dieser nachfolgende Treffer akkumuliert.
Der Puffer/Treiber 812 ist mit dem Schalter 810 gekoppelt. Der Schalter 810 wird durch eine "Adresse gültig"-Signalleitung 848 gesteuert. Die Adresse-gültig-Signalleitung 848 wird weiter unten unter Bezugnahme auf die Freigabesignale für die Fall-through-Blöcke ausführlicher beschrieben. Das Ausgangssignal des Puffers/Treibers 812 wird zum out sig-Ausgangskontakt 817 gekoppelt, der über die lineare Ausgangssignalleitung 270 mit dem Signalprozessor 300 verbunden ist (4 und 5).
Wie in 7 dargestellt, wird ein erstes Eingangssignal zum Komparator 822 über den Eingangskontakt 802 bereitgestellt. Ein zweites Eingangssignal zum Komparator 822 wird über eine Schwellenspannungs-(V_TH-)Eingangsleitung 804 bereitgestellt, die allen Modulen im System gemeinsam ist. Wenn die Signalamplitude des Detektionselements eine Spannung aufweist, die niedriger als die Schwellenspannung ist, wird das Ereignis nicht aufgezeichnet. Wenn jedoch die Signalamplitude des Detektionselements größer ist als die Schwellenspannung (V_TH), aktiviert der Komparator 822 seinen Ausgang (vorzugsweise durch Aktivieren eines logischen H-Werts an seinem Ausgang), um das entsprechende Latch 824 zu setzen. Das Signal bleibt in dem Ereignis-Latch 824 aufgezeichnet, bis es durch den Signalprozessor 300 verarbeitet und zurückgesetzt wird, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird.
Die UND-Gatter 826, 828 erfüllen zwei verschiedene Zeitsteuerungsfunktionen. Das UND-Gatter 826 wird benutzt, um sicherzustellen, daß der durch ein Detektionselement 212 erzeugte Impuls sich innerhalb des diesem Detektionselement 212 zugeordneten Peak-Detektors 820 (7) stabilisieren kann, bevor das Gültig-Signal erzeugt wird. Die logische Eins wird invertiert, bevor sie in das UND-Gatter 826 eingegeben wird, was dazu führt, daß das Ausgangssignal des UND-Gatters in einen logischen L-Wert übergeht. Der Ausgang des UND-Gatters 826 wird weiter auf einem logischen L-Wert gehalten, bis der durch den Eingang 802 empfangene Impuls in einen Wert unterhalb der Schwellenspannung übergeht. Das UND-Gatter 826 verhindert daher den Durchgang des Ausgangssignals vom Ereignis-Latch 824 durch das UND-Gatter 826 zum UND-Gatter 828, bis der Impuls zu einem Pegel unterhalb der Schwellenspannung zurückkehrt. Durch diese Verzögerung wird sichergestellt, daß sich der Peak-Detektor 820 stabilisieren kann, bevor ein Treffer zum Fall-through-Block 830 weitergeleitet wird. Dies gewährleistet, daß das durch den Peak-Detektor 820 über den out sig-Kontakt 817 erzeugte Analogsignal der Spitzenamplitude des Impulses entspricht.
Das UND-Gatter 826 wird in Verbindung mit dem Fall-through-Block 830 verwendet, um das oben beschriebene Fall-through-System zu erleichtern. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben, verhindert das UND-Gatter 828 die Unterbrechung des Fall-through-Prozesses durch ein Detektionselement 212, das einen Treffer empfängt, bis das Detektionselement durch die Fall-through-Schaltung abgetastet wird. Das UND-Gatter 828 gewährleistet zusammen mit den Fall-through-Blöcken, daß jedes Ereignis-Latch 824 der Reihe nach abgetastet wird und jedes Detektionselement die gleiche Gelegenheit hat, durch den Signalprozessor 300 abgearbeitet zu werden.
Wie oben unter Bezugnahme auf 5a beschrieben, wird bei Aktivierung des "Weiter"-Signals 258 am Weiter-Eingabe kontakt 842 das abgetastete Ereignis-Latch 824 über die Rücksetzleitung 844 zurückgesetzt. Wie in 7 dargestellt, wird die Rücksetzleitung 844 des aktivierten Latchs 824 mit dem Prioritätswahl/Fall-through-Block 830 verbunden. Wenn ein ausgewählter Block 830 ein Weiter-Signal 842 empfängt, setzt der Block 830 das Latch 824 über die Rücksetzleitung 844 zurück.
Die Fall-through-Blöcke weisen "Freigabe"-Ausgangssignale auf, die mit mehreren Adressencodierern (d. h. mit 832, 870, 890 usw.) verbunden werden. Ein Freigabe-Ausgangssignal eines ausgewählten Fall-through-Blocks wird jedesmal dann aktiviert, wenn das mit dem ausgewählten Prioritätswahl-Block gekoppelte Ereignis-Latch 824 ein Ereignis enthält und der ausgewählte Prioritätswahl-Block gerade abgetastet wird (d. h. wenn der Fall-through-Prozeß den ausgewählten Prioritätswahl-Block erreicht hat). Die Freigabe-Ausgangssignale bewirken dadurch, daß einer der Adressencodierer (z. B. 832) eine Adresse auf einen internen Adressenbus 846 gibt, die das gewählte Detektionselement 212 anzeigt, das einen gültigen Treffer enthält. Dann wird ein gültiges Adressensignal 848 aktiviert, das das Schließen eines analogen Schalters 850 bewirkt. Dann wird die Adresse des Detketionselements auf dem Detektionselement-Adressenbus 262 aktiviert und zum Signalprozessor 300 übertragen.
Wie oben unter Bezugnahme auf die 5–7 beschrieben, weist jedes Detektionsmodul 206 eine analoge ASIC 700 auf, welche die durch die Detektionselemente 212 erzeugten Analogsignale verstärkt und die Analogsignale mit einer Ereignisschwellenspannung vergleicht, die allen Detektionsmodulen 206 gemeinsam ist. Die Ereignisschwellenspannung wird vorzugsweise oberhalb des Rauschpegels festgesetzt. Wenn das durch ein Detektionselement 212 erzeugte Analogsignal die Ereignisschwellenspannung übersteigt und dieses Detektionselement durch das Fall-through-System "adressiert" wird, wie oben beschrieben, dann erzeugt die digitale ASIC 800 ein Gültig-Signal 260, das den Computer-Signalprozessor 300 informiert, daß mindestens ein Detektionselement 212 einen Treffer empfangen hat, der verarbeitet werden muß. Die digitale ASIC 800 übernimmt die Steuerung der linearen und Adressenbusse und gibt sowohl die Adresse des Detektionselements 212 als auch die Größe des verstärkten Signals aus. Die ASICs 700, 800 löschen das Flag-Bit und das durch das adressierte Detektionselement 212 erzeugte lineare Signal, sobald der Signalprozessor das Ereignis liest und verarbeitet. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird, zeigt der Signalprozessor 300 die erfolgte Verarbeitung eines Ereignisses an, indem er das "Weiter"-Signal über die Weiter-Signalleitung 258 aktiviert.
Folglich erscheint der Gammastrahlungsdetektor 200, und konkreter die Modulleiterplatte 208, für den Signalprozessor 300 als eine sehr einfache Analog/Digital-Eingabevorrichtung, die eine Anordnung von Detektoren aufweist, die Impulshöhen- und Adresseninformationen erzeugen und diese Informationen speichern, bis vom Signalprozessor 300 eine Bestätigungsmeldung "Lesen ausgeführt" übermittelt wird. Wenn der Signalprozessor 300 die Verarbeitung der Adresse eines Detektionselements und das Lesen des linearen Signals des Elements abgeschlossen hat, erzeugt das System ein Weiter-Signal 258 und ermöglicht so das Adressieren des nächsten nicht quittierten, zu adressierenden Detektionselements. Das nächste Element in der Detektionsmodulmatrix, das einen nicht quittierten Treffer aufweist, erzeugt seine Adresse, sein Analogsignal und ein Gültig-Flag. Der Signalprozessor 300 wird dadurch von der zeitaufwendigen Aufgabe befreit, jedes Detektionselement 212 periodisch abzufragen, einschließlich Detektionselemente, die keine nicht quittierten Treffer aufweisen. Bei Anwendung des oben anhand der 5–7 beschriebenen Fall-through-Systems erfolgt die Adressierung tatsächlich unabhängig von der durch den Signalprozessor 300 ausgeführten Verarbeitung. Der Signalprozessor 300 beaufschlagt einfach seine Weiter-Signalleitung 258 mit Impulsen, wenn er die Ereignisdaten des Detektionselements gelesen hat. Wie in 2 dargestellt, ist der Signalprozessor 300 auf einer Leiterplatte untergebracht, die über eine Schnittstelle mit dem Datenerfassungscomputer 400 gekoppelt ist. Die gesamte Kommunikation zwischen dem Signalprozessor 300 und dem Detektor 200 erfolgt über die Kommunikationsverbindungen 202 und 203.
Signalprozessor 300
Der Signalprozessor 300 erfaßt Daten von dem Gammastrahlungsdetektor 200, normiert und formatiert die Daten und speichert sie in Speicherblöcken für den Zugriff durch den Datenerfassungscomputer 400. Außerdem liefert der Signalprozessor 300 die Vorspannung für den Detektor 200 und liefert die Ereignisschwellenspannung, die durch das Detektionsmodul 206 zur Unterscheidung gültiger Gammastrahlungsimpulse genutzt wird.
8 zeigt ein Funktionsdiagramm des Signalprozessors 300. Der Signalprozessor 300 weist vorzugsweise auf: ein frei programmierbares Verknüpfungsfeld (FPGA) 302; einen Analog/Digital-Parallelumsetzer (ADC) 304 mit sehr kurzen Umsetzungszeiten; einen schnellen Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 306, der zur Verstärkungsnormierung benutzt wird; einen Schwellwert-DAC 316 zum Setzen der Ereignisschwellenspannung; einen Eingabe-Ausgabe-Kanal 318 zur Kommunikation mit dem Datenerfassungscomputer 400; einen gattergesteuerten Sender-Empfänger 314; einen Digitalfensterblock 322 mit einem L-Kanal 324 und einem H-Kanal 326; ein Latch 328; einen Prüfsignalgeber 370; einen 1-Millisekunde-Taktgeber 372 und eine Vorspannungsversorgung 254. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben, weist der Signalprozessor 300 außerdem einen Direktzugriffsspeicher (RAM) auf, der auf mehrere Blöcke verteilt ist: einen Verstärkungs-Speicherblock 308, einen Histogramm-Speicherblock 310 und einen Impulshöhenverteilungs-Speicherblock 312, die nach dem Typ der darin gespeicherten Informationen benannt sind. Wie weiter unten unter Bezugnahme auf 9 ausführlicher beschrieben, weist der Signalprozessor ferner zwei "Pingpong"-Puffer 346, 348 auf, die Adressen speichern, die im "Streaming"- bzw. Datenstrom-Modus der Datenspeicherung verwendet werden.
Alle Kommunikationssignale und die Stromversorgung zwischen dem Signalprozessor 300 und der Modulleiterplatte werden über Kommunikationsverbindungen 202 und 203 übertragen. Wie zum Beispiel in 8 dargestellt, ist die lineare Eingabeleitung 270 über die analoge Kommunikationsverbindung 203 mit den linearen Ausgängen aller Detektionsmodule 206 verbunden.
Die Adresseneingangssignale zu dem frei programmierbaren Verknüpfungsfeld (FPGA) 302 werden über Adressenleitungen 256 und 262 zugeführt; die Gültig-Leitung ist mit der Gültig-Signalleitung 260 gekoppelt; das Weiter-Signal wird über die Weiter-Signalleitung 258 bereitgestellt; die Schwellenspannung wird über die Schwellwertsignalleitung 272 übertragen; die Test-Signale werden über die Testsignalleitung 274 übertragen; und die Vorspannung wird über die Vorspannungssignalleitung 254 bereitgestellt, alle über die Analogverbindung 203.
Das frei programmierbare Verknüpfungsfeld (FPGA) 302 ermöglicht, daß die Funktionen des Signalprozessors 300 über Software steuerbar sind. Nach der Initialisierung überträgt der Datenerfassungscomputer 400 Konfigurationsinformationen über den parallelen Eingabe-Ausgabe-Kanal 318 zum Signalprozessor 300. Diese Konfigurationsinformationen kennzeichnen den Datenerfassungsmodus. Zum Beispiel kann der Signalprozessor 300 das FPGA 302 so konfigurieren, daß es Ereignisdaten, die eine softwaregesteuerte Schwellenspannung übersteigen, im Histogramm-Speicherblock 310 speichert. Alternativ können mehrere Impulshöhenfenster spezifiziert werden, und für jedes Fenster kann ein separates Histogramm im Histogramm-Speicherblock 310 akkumuliert werden. Außerdem kann eine von jedem Detektionselement 212 empfangene Impulshöhenverteilung oder ein Spektrum im Impulshöhen-Speicherblock 312 gespeichert werden. Jeder dieser Modi kann nach Initialisierung des FPGA 302 separat spezifiziert werden.
Wenn die Gültig-Signalleitung 260 den Wert H annimmt, wird die Detektionselementadresse von den Adressenleitungen 256, 262 eingelesen. Diese Adresse wird benutzt, um einen Speicherplatz zu adressieren, der einen Verstärkungsnormierungsfaktor für das Element enthält. Diese Information wird zum Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 306 übertragen, der eine zur Verstärkung des Elements proportionale Spannung ausgibt. Die durch den Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 306 ausgegebene Spannung wird vom Analog-Digital-Umsetzer (ADC) 304 bei der Normierung und, Umsetzung des Analogsignals verwendet, das durch den ausgewählten Verarbeitungskanal erzeugt und auf der Leitung 270 bereitgestellt wird.
Die Elementadresse dient außerdem zur Abbildung der Impulshöhenamplitude in den Histogramm-Speicherblock 310 oder alternativ in den Impulshöhenverteilungs-Speicherblock 312. Während einer Anfangsmessung werden die Verstärkungsnormierungsfaktoren auf eins gesetzt, und eine Isotopenquelle wird zur Messung des Ansprechverhaltens der einzelnen Elemente verwendet. Dieses Ansprechverhalten werden dann durch den Hauptrechner analysiert, um die Verstärkungsfaktoren zu erhalten, die während der Bilderzeugung verwendet werden. Auf diese Weise werden Abweichungen in dem Ansprechverhalten der Elemente beseitigt, wodurch die Bildqualität stark verbessert wird. Wenn das Ereignis erfaßt, normiert und gespeichert worden ist, wird ein Weiter-Signal auf der Leitung 258 erzeugt, das den Gammastrahlungsdetektor 200 zum nächsten Detektionselement vorrücken läßt, das einen gültigen Treffer aufweist.
Wie oben beschrieben, ist eine wichtige Funktion, die durch den Signalprozessor 300 ausgeführt wird, die Verstärkungsnormierung der Detektionselemente. Der Signalprozessor nutzt den Verstärkungs-Speicherblock 308 zur Ausführung dieser Verstärkungsnormierungsfunktion. Der Verstärkungs-Speicherblock 308 umfasst einen Verstärkungsnormierungsfaktor für jedes Detektionselement im Gammastrahlungsdetektor 200. In der bevorzugten Ausführungsform gibt es nicht weniger als 256 Detektionsmodule 206 und 64 Detektionselemente 212 pro Modul. Jede Impulshöhenverteilung weist 128 Kanäle mit einer Tiefe von zwei Bytes auf. Daher weist in diesem Beispiel der Verstärkungs-Speicherblock 256 × 64 × 128 × 2 oder 4.194.304 Byte-Speicherplätze auf. Wenn ein Ereignis eintritt, wird der Verstärkungs-Speicher 308 adressiert, und die Daten werden zum Verstärkungsnormierungs-Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 306 übertragen. Dieser steuert seinerseits den momentanen Vollaussteuerungsbereich des Analog-Digital-Umsetzers (ADC) 304. Das Ausgangssignal des ADC 304 ist daher "verstärkungsnormiert". Das ADC-Signal 344 "ausgeführt" bewirkt den Ablauf des Datenspeicherungsvorgangs.
Die Verstärkungsnormierungsfaktoren erhält man anfänglich, indem die Faktoren zunächst auf eins gesetzt werden. Der Signalprozessor 300 akkumuliert dann eine Impulshöhenvertei lung jedes Detektionselements im Impulshöhen-Speicherblock 312. Die Impulshöhenverteilung wird durch den Datenerfassungscomputer 400 analysiert, um die relative Verstärkung für jedes Element zu erhalten; eine zu diesem Wert proportionale Zahl wird als Verstärkungsnormierungsfaktor für jedes Detektionselement im Verstärkungs-Speicherblock 308 gespeichert. Die dadurch erhaltenen Verstärkungsnormierungsfaktoren werden benutzt, um die später während der Datenerfassung von jedem Detektionselement 212 empfangenen Analogsignale zu normieren.
Im Impulshöhenmodus werden die Elementadressen und das Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers (ADC) benutzt, um den Impulshöhen-Speicherblock 312 über Adressenleitungen 340 und Ausgangsleitungen 338 beim Aufbau eines Impulshöhenspektrums jedes Detektionselements 212 zu adressieren. Daher wird jede Elementadresse mit einem 120-stelligen Histogramm verknüpft. Die oberen sieben Bits des Analog-Digital-Umsetzers (ADC) spezifizieren die "Adressen" dieser 128 Stellen. Jede Stelle (Säule) in dem Histogramm wird um eins erhöht, wenn ihre Adresse am Analog-Digital-Umsetzer (ADC) erscheint. Zur Verbesserung der statistischen Genauigkeit können an jeder Stelle mehr als ein Speicher-Byte spezifiziert werden. Demgemäß akkumuliert der Impulshöhenspeicher 312 für jedes Detektionselement 212 im Gammastrahlungsdetektor 200 ein Impulshöhenspektrum. Dieses Spektrum kann durch den Datenerfassungscomputer 400 durch Zugriff auf des Impulshöhenspeicher 312 analysiert werden.
In den Bilderfassungsmodi ist die Adresse jedes Detektionselements vier Speicher-Bytes tief und wird jedesmal, wenn die Adresse an den Adressenleitungen anliegt und das ADC-Ausgangssignal die richtige Amplitude aufweist, um eins erhöht. Demgemäß können entsprechend der erfaßten Gammastrahlungsenergie Histogramme der eingehenden Daten erzeugt werden. Wie in 8 dargestellt, werden die Adressen und die Ereignisamplituden über die Adressensignalleitungen 340 und 338 an den Digitalfensterblock 322 angelegt. Der Digitalfensterblock weist einen H-Kanal 326 und einen L-Kanal 324 auf. Der Datenerfassungscomputer 400 setzt die diesen Kanälen zugeführten Werte fest, indem er über den Computer-Bus 320 einen L- und einen H-Amplitudenwert in die L- und H-Kanäle 324, 326 einschreibt. Das Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers (ADC) 304 wird mit dem in den L- und H-Kanälen 324, 326 gespeicherten Wert verglichen. Wenn der Wert der Amplitudenleitungen 338 zwischen den L- und H-Werten liegt, die in den L- und H-Kanälen 324, 326 des Digitalfensters gespeichert sind, wird die auf den Adressenleitungen 340 anliegende Elementadresse benutzt, um den Histogrammspeicher 310 zu adressieren. Der Wert unter der Elementadresse im Histogrammspeicher 310 wird um eins erhöht und wieder in diese Adresse eingeschrieben.
Im Modus "Auflisten" erhält jedes Ereignis eine "Zeitmarkierung". Die Adresseninformation wird mit den acht Bits aus dem Analog-Digital-Umsetzer (ADC) und drei Bits aus einem Taktgeber kombiniert und in einem Puffer eines Pingpongspeicher-Pufferpaars gespeichert. Diese Puffer sind so bemessen, daß eine leichte Datenübertragung bei hohen Datenerfassungsgeschwindigkeiten ermöglicht wird. Wenn sich ein Puffer füllt, wird die Datenübertragung auf den andern Puffer umgeschaltet, und es wird ein Interrupt- bzw. Unterbrechungssignal erzeugt, das eine Übertragung mit direktem Speicherzugriff (DMA) des vollen Puffers zu einer Festplatte auslöst, die wahlweise entweder mit dem Datenerfassungscomputer 400 oder dem Bildverarbeitungscomputersystem 450 gekoppelt ist. Ein Ausgangssignal von einem Kanal erzwingt das Ausräumen der Puffer bei Beendigung der Datenerfassung.
Für 256 Module, die über acht Adressenleitungen im Gammastrahlungsdetektor 200 adressierbar sind, erfordert jedes Bildhistogramm einen Speicherblock von 65.536 Bytes (256 × 64 × 4). Der Signalprozessor verwendet Speicher mit zwei Kanälen, so daß sowohl das frei programmierbare Verknüpfungsfeld (FPGA) 302 als auch der Datenerfassungscomputer 400 CPU gleichzeitig auf den Verstärkungs-Speicher zugreifen können.
Sobald die Speicher 310, 312 mit den Daten des Detektionselements beschrieben sind, aktiviert das frei programmierbare Verknüpfungsfeld (FPGA) 302 über die Weiter-Signalleitung 258 das Weiter-Signal, welches das Anlegen des nächsten Ereignisses an die Ereignisadressenleitungen 256, 262 und die line are Eingangsleitung 270 ermöglicht. Wie oben anhand der 5–7 beschrieben, werden die Detektionsmodule 206 nacheinander abgetastet, bis ein Modul mit einem gültigen Treffer gefunden wird. Der Signalprozessor 300 liest die Adresse und die linearen Daten des gültigen Treffers. In der bevorzugten Ausführungsform dauert die Abtastung aller Detektionsmodule 206 etwa 2,5 Mikrosekunden, wenn kein gültiger Treffer vorhanden ist, und die Verarbeitung jedes Treffers eines Detektionselements dauert etwa 2 Mikrosekunden. Bei etwa 220.000 Zählimpulsen pro Sekunde liest der Signalprozessor 300 im Mittel einen Datenpunkt pro Gesamtabtastung ein, und seine maximale Lesegeschwindigkeit beträgt etwa 500.000 Zählimpulse pro Sekunde.
Das Bildgebungssystem 450 kann Momentanzeigen der Gammastrahl-Impulshöhenverteilungen oder Histogramme von Ereignissen erzeugen, die zwischen vordefinierten Impulshöhen eintreten. Außerdem kann der Datenerfassungscomputer 400 auf der Basis der Daten in den Speicherblöcken 310, 312 Diagnosefunktionen ausführen. Zum Beispiel wird in einer vorbereitenden Messung der Bildwandler einem gleichmäßigen Strahlungsfeld von dem Isotop ausgesetzt, das bei der Bildgebung verwendet werden soll. Die Datenübertragungsgeschwindigkeit wird für jedes Element in dem System aufgezeichnet, und die relative Zählrate in jedem Element wird benutzt, um einen Erfassungsleistungsfaktor für das Element zu ermitteln. Die nachfolgende Analyse des Bildes verwendet diese Faktoren, um zufällige Abweichungen in den Erfassungsleistungen des Elements zu korrigieren.
Wie in 8 dargestellt, weist der Signalprozessor 300 außerdem einen Schwellwert-Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 316 auf, der unter Software-Steuerung eine Einstellung der Schwellenspannung ermöglicht, die über Schwellenspannungsleitungen 272 zu den Detektionsmodulen 206 übermittelt wird. Das Eingangsignal für den Schwellwert-Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 316 wird über den Computer-Bus 320 bereitgestellt.
In der bevorzugten Ausführungsform weist der Signalprozessor 300 ferner die in 9 dargestellten Blöcke auf. Der Signalprozessor 300 weist zwei Speicheradressenpuffer 346, 348, einen Pufferzeiger 350 und einen 1-Millisekunde-Taktgeber 352 auf. Unter Verwendung der in 9 dargestellten Hardware kann der Signalprozessor 300 außer der Erzeugung von Histogrammen und der Speicherung von Histogrammdaten im Histogrammspeicherblock 310, wie oben beschrieben, Adresseninformationen in den Speicheradressenpuffern 346, 348 speichern. Die Adresseninformationen werden innerhalb der Speicheradressenpuffer 346, 348 zusammen mit Zeitsteuerungsinformationen gespeichert, die durch den Taktgeber 352 erzeugt werden. Wenn der erste Speicherpuffer 346 voll wird, werden die Adressen durch den Pufferzeiger 350 zum zweiten Speicherpuffer 348 geleitet. Wenn der erste Speicherpuffer 346 voll wird, übermittelt der Pufferzeiger 350 außerdem ein Plattenschreibunterbrechungssignal über die Steuerleitung 362 zum Datenerfassungscomputer 400. Wie in 9 dargestellt, ist die Steuerleitung 362 mit dem Computerbus 320 gekoppelt. Wenn der Pufferzeiger ein Unterbrechungssignal auf der Steuerleitung 362 aktiviert, beginnt der Datenerfassungscomputer 400 mit der Ausführung eines ersten Unterbrechungsprogramms, um die Daten aus dem ersten Speicherpuffer 346 zu einer Datenplatte (z. B. dem Datenspeichergerät 614, 1) zu übertragen. Wenn der zweite Speicherpuffer 348 voll wird, erzeugt der Pufferzeiger 350 ein zweites Plattenschreibunterbrechungssignal, das bewirkt, daß der Datenerfassungscomputer 400 ein zweites Unterbrechungsprogramm ausführt, um die Daten aus dem zweiten Puffer 348 zur Datenplatte zu übertragen. Anschließend werden Adresseninformationen in den ersten Puffer 346 geladen. Dieser "Streaming-Modus" zum Speichern von Adressen- und Zeitsteuerungsinformationen wird durch den Datenerfassungscomputer 400 durch Software gesteuert, die in der Zentraleinheit (CPU) ausgeführt wird.
Um die Adressen und Daten mit dem Auftreten von externen Ereignissen zu synchronisieren, erleichtert der Signalprozessor 300 die Markierung des Ereignisses mit den in den Speicheradressenpuffern 346, 348 gespeicherten Adresseninformationen. Um beispielsweise die in den Speicherpuffern 346, 348 gespeicherten Adressen mit einem Ereignis wie z. B. einer Herzkontraktion zu synchronisieren, wird ein Eingangssignal von einem Herzüberwachungssensor bereitgestellt. Das Logikpegel-Eingangssignal wird über die Signalleitung 364 zugeführt. Wenn ein externes Ereignis eintritt, wird die Signalleitung 364 aktiviert, die das Einfügen eines speziellen Markierung innerhalb des in die Puffer 346, 348 eingegebenen Adressendatenstroms veranlaßt. Zum Beispiel kann ein Ereignis das Setzen oder Löschen eines der Adressenbits veranlassen und kann daher als Flag bzw. Markierungsbit benutzt werden. Wenn die Daten zu Zeitvielfachen verarbeitet werden, können die Markierungszeitereignisse in aufeinander abgestimmte Zeitscheiben unterteilt werden. In einer alternativen Ausführungsform können die in 9 dargestellten Speicherpuffer 346, 348 Adressen-, Impulshöhendaten und Zeitsteuerungsinformationen aufnehmen.
Solche Streaming-Daten können dann von der Festplatte wieder ausgelesen und in Zeitkategorien sortiert werden, die sich auf die externe Ereignismarkierung beziehen. Auf diese Weise kann ein zeitlicher Verlauf der Herzkontraktionen oder anderer sich wiederholender Ereignisse erstellt werden. Alternativ können die Taktgeberinformationen durch Impulse von einem externen Positionscodierer ersetzt werden, der die Akkumulation positionsabhängiger Bilder für tomographische Anwendungen ermöglicht.
Der Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 356 arbeitet mit dem Regler 358 und dem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 360 zusammen, um eine geregelte Spannungsquelle für die Vorspannung 254 bereitzustellen. Das Eingangssignal zu dem Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 356 wird durch Software-Steuerung über den Computerbus 320 bereitgestellt. Ein Bruchteil der Wandlerausgangsspannung wird als Vergleichseingangssignal für einen Hochleistungs-Operationsverstärker verwendet. Der Verstärker steuert das Ansteuerungssignal für den Wandler, um die Betriebsvorspannung auf dem gewünschten Wert zu halten.
Wenn ein Ereignis eintritt, wird die Adresse des Detektionselements 212, welches das Ereignis verursacht hat, benutzt, um über die Verstärkungs-Adressenbusleitungen 332 den Verstärkungs-Speicherblock 308 zu adressieren. In der dargestellten Ausführungsform vereinigt das frei programmierbare Verknüpfungsfeld (FPGA) 302 den Moduladressenbus 256 mit dem Detektionselementadressenbus 262 zu dem Verstärkungsadressenbus 332. Wie oben beschrieben, behandelt das frei programmier bare Verknüpfungsfeld (FPGA) 302 die Moduladresse als höchstwertige Adressenbits und die Elementadresse als niedrigstwertige Adressenbits. Wenn der Verstärkungs-Speicherblock 308 durch die FPGA 302 über die Adressenleitungen 332 adressiert wird, dann wird der zuvor berechnete Verstärkungsnormierungsfaktor für das anstehende Detektionselement 212 an die Verstärkungsnormierungssignalleitungen 334 angelegt. Der zuvor gespeicherte Verstärkungsnormierungsfaktor für das anstehende Detektionselement 212 wird dann in das Verstärkungsnormierungs-Latch 328 zwischengespeichert. In der dargestellten Ausführungsform verwendet der Signalprozessor 300 einen 8-Bit-Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 306, der den 8-Bit-Verstärkungsnormierungsfaktor von dem Latch 328 übernimmt. Beim Zwischenspeichern des ausgewählten Verstärkungsnormierungsfaktors in das Latch 328 wird durch den Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 306 ein analoger Bezugswert erzeugt, der dem 8-Bit-Verstärkungsnormierungsfaktor entspricht. Die Verstärkungsbezugsspannung wird auf der Bezugsspannungsleitung 336 ausgegeben, die mit dem Parallel-Analog/Digital-Umsetzer (ADC) 304 gekoppelt ist. Die durch den Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 306 erzeugte Bezugsausgangsspannung dient als Bezugswert für den Parallel-Analog/Digital-Umsetzer (ADC) 304. Die Eingangsspannung für den Parallel-Analog/Digital-Umsetzer (ADC) 304 wird von der linearen Ausgangsleitung 270 der Detektionsmodulleiterplatte 208 bereitgestellt. Da der Flash ADC 304 ein Analog-Digital-Umsetzer vom radiometrischen Typ ist, ist das Ausgangssignal des Parallel-Analog/Digital-Umsetzers (ADC) 304 proportional zum Verhältnis des an der linearen Eingangsleitung 270 empfangenen Eingangssignals zu der Bezugsspannung, die durch den Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 306 über die Bezugsspannungsleitung 336 angelegt wird. Daher erzeugt der Parallel-Analog/Digital-Umsetzer (ADC) 304 eine digitale Darstellung der Amplitude des linearen Eingangssignals, das von dem Detektionselement (das den Treffer empfangen hat) generiert und durch den im Verstärkungsspeicher 308 (für dieses Detektionselement 212) gespeicherten Verstärkungsnormierungsfaktor modifiziert wird. Der Analog/Digital-Umsetzer (ADC) 304 erzeugt daher ein 8-Bit-Ausgangssignal auf der Amplitudenleitung 338, das von den jeweiligen Verstärkungsabweichungen in jedem der Detektionselemente 212 und den Abweichungen in den entsprechenden Verstärkungs- und Aufbereitungsschaltungen unabhängig ist.
Das frei programmierbare Verknüpfungsfeld (FPGA) 302 wartet kurze Zeit bis zum Abklingen des Ansteuerimpulses des Latchs 328 und des Ausgangssignals des Digital-Analog-Umsetzers (DAC) 306, bevor es ein Umwandlungssignal an den Parallel-Analog/Digital-Umsetzer (ADC) 304 ausgibt. Das Umwandlungssignal wird über die Umwandlungssignalleitung 342 angelegt und veranlaßt den Parallel-Analog/Digital-Umsetzer (ADC) 304, ein digitales Ausgangssignal auf der Amplitudenleitung 338 zu erzeugen. Der Parallel-Analog/Digital-Umsetzer (ADC) 304 führt die Analog/Digital-Umsetzung in etwa 50 Nanosekunden oder weniger aus, und die Gesamtumsetzungszeit von der Aktivierung des Umwandlungssignals auf der Signalleitung 342 bis zur Erzeugung eines Ausgangssignals auf den Amplitudenleitungen 338 beträgt etwa 300 Nanosekunden. Der Parallel-Analog/Digital-Umsetzer (ADC) 304 aktiviert ein Signal 'Analog-Digital-Umsetzung ausgeführt' über die Signalleitung 344, um das frei programmierbare Verknüpfungsfeld (FPGA) 302 zu informieren, sobald die Umsetzung abgeschlossen ist. Wenn das Signal 'Analog-Digital-Umsetzung ausgeführt' auf der Signalleitung 344 aktiviert wird, aktiviert das frei programmierbare Verknüpfungsfeld (FPGA) 302 das Weiter-Signal auf der Weiter-Signalleitung 258, welches das aktive Detektionsmodul 206 freigibt, um mit dem Auffinden des nächsten anstehenden Detektionselement-Ereignisses fortzufahren. Der Histogrammspeicher 310 kann aktualisiert werden, während die Verarbeitung des nächsten Detektionselement-Ereignisses eingeleitet wird.
Datenerfassungscomputer
Der Datenerfassungscomputer 400 weist Hardware und Software auf, die mit dem Signalprozessor 300 und mit dem Bildverarbeitungscomputersystem 450 kommunizieren. Der Datenerfassungscomputer 400 steuert die Erfassung und Verarbeitung von Daten, die von der Anordnung von Detektionsmodulen 206 empfangen werden, erzeugt auf den Ereignisdaten basierende Bilddaten in einem Format, das mit den vorhandenen Bildgebungskameras kompatibel ist, und überträgt diese Daten zum Bildverarbeitungscomputersystem 450. Der Datenerfassungscomputer 400 bietet außerdem einen Mechanismus zum Unterhalten von Detektionselement-Ereignishistogrammen und Impulshöhenverteilungsdaten und kann Bilder in einem Standardformat erzeugen, um die Anzeige der Bilder mit handelsüblichen Bildgebungssystemen für den Bildverarbeitungscomputer 450 zu ermöglichen. In einer bevorzugten Ausführungsform übermittelt beispielsweise der Datenerfassungscomputer 400 Bildhistogramme über eine schnelle Datenverbindung zu einem Bildverarbeitungscomputer. In einer zweiten Ausführungsform werden die relative Position jedes Ereignisses und die Signalamplitude über eine Parallelverbindung zum Bildverarbeitungscomputer übertragen. In dieser letzteren Ausführungsform würde der Bildverarbeitungscomputer die Aufgabe der Erzeugung von Histogrammen übernehmen.
Bilder können mit jeder gewünschten, durch den Taktgeber auflösbaren Geschwindigkeit zeitlich markiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Daten mit einer Geschwindigkeit von 30 Bildern pro Sekunde markiert. Wenn daher Daten mit etwa 300.000 Zählimpulsen pro Sekunde erfaßt werden, enthält jedes zeitmarkierte Bild etwa 10.000 Datenpunkte.
Der Datenerfassungscomputer 400 erhöht zusammen mit dem Signalprozessor 300 die Flexibilität und senkt die Kosten des Detektors 200 durch Ausführen von Detektionselementverstärkungs- und Detektionselementleistungsnormierungsfunktionen. Dieser Vorteil resultiert aus weniger strengen Anforderungen an die Qualität der Detektionselemente und aus dem Wegfall der Notwendigkeit, die Verstärkungen der Detektionselement-/Verstärkungs-/Peak-Detektions-Ketten anzupassen.
Der Datenerfassungscomputer 400 analysiert die relative Leistung jedes Detektionselements 212 und führt an den empfangenen Daten ein Normierungsfunktion durch, um sicherzustellen, daß eine gleichmäßige Strahlungsexponierung ein Bild mit gleichmäßiger Intensität erzeugt (d. h. gleich bestrahlte Detektionselemente erzeugen für jeden Bildpunkt den gleichen Grauton). Nach der Initialisierung gewährleisten daher der Si gnalprozessor 300 und der Datenerfassungscomputer 400, daß bei gleicher Bestrahlung jedes Detektionselement 212 eine identisch angezeigte Reaktion hervorbringt, die von der tatsächlichen, durch das Detektionselement 212 hervorgebrachten Reaktion unabhängig ist. Dieses Normierungsmerkmal senkt die Kosten, die mit der Herstellung von Detektionselementen 212 und Detektionsmodulen 206 mit einheitlichen Ansprech- und Verstärkungscharakteristiken verbunden sind. Diese Merkmal beseitigt die Notwendigkeit, die Verstärkungen jedes Detektionselements 212 und seiner zugeordneten Verstärkungs- und Signalaufbereitungsschaltungen zu regulieren. Dieses Merkmal ermöglicht außerdem eine verbesserte Energieauflösung jedes Detektionselements 212 und eine verbesserte Zurückweisung von Compton-gestreuten Ereignissen. Es verbessert auch die Langzeitstabilität des Bildgebungssystems. Diese Merkmale werden ohne merkliche Verringerung des Datendurchsatzes erzielt: durch den vorliegenden Datenerfassungscomputer 400 können Gesamtzählraten von 500.000 Zählimpulsen pro Sekunde verarbeitet werden.
Der Signalprozessor 300 und der Datenerfassungscomputer 400 bieten außerdem erhöhte Flexibilität, indem sie die Änderung von Funktionen unter Software-Steuerung zulassen, wodurch kostspielige Neukonstruktionen von Leiterplatten vermieden werden, wenn eine zusätzliche Funktionalität erforderlich oder erwünscht ist.
Bildverarbeitungscomputersystem
Das Bildverarbeitungscomputersystem 450 stellt eine Schnittstelle zum Bediener bereit, steuert Datenerfassungsmodi, empfängt Bilddaten vom Datenerfassungscomputer 400, zeigt Bilder in Echtzeit auf dem Sichtgerät 604 an und kommuniziert mit dem Sichtgerät und den Ausgabegeräten. Es bietet außerdem eine Einrichtung zur Einstellung von Betriebsparametern, wie z. B. der vom System benutzten Gammastrahlungsenergiegrenzwerte und Eichparameter. Die Kommunikation mit dem Datenerfassungscomputer 400 erfolgt über eine Standardschnittstelle, wie z. B. Ethernet oder SCSI-2, unter Anwendung eines Datenprotokolls, das vom jeweils verwendeten Bildverarbeitungscomputersystem 450 bevorzugt wird. Das Bildverarbeitungscomputersystem liefert Bildanzeige, Drehung, Scheibenunterteilung, Hervorhebung von interessierenden Bereichen usw. unter Bedienersteuerung.
Wie in 2 dargestellt, kann das Bildverarbeitungscomputersystem 450 auch Bilder auf einem der anderen Sichtgeräte anzeigen, die mit ihm gekoppelt sind. Dieses System enthält sowohl Software als auch Hardware zur Steuerung der in 2 dargestellten Eingabe- und Ausgabegeräte.
Demgemäß ist ein nuklearmedizinisches Bildgebungssystem beschrieben worden, wobei das Bildgebungssystem einen Abbildungskopf 200, einen Signalprozessor 300 und einen Datenerfassungscomputer 400 aufweist. Der Abbildungskopf umfasst eine Anordnung von dichtgepackten Detektionsmodulen. Jedes Detektionsmodul weist eine Anordnung von Halbleiterdetektionslementen auf, die auf einem Schaltkreisträger montiert sind, wobei der Schaltkreisträger Schaltungen zur Aufbereitung und Verarbeitung der durch die Detektionselemente erzeugten Signale und zur Aufbereitung der verarbeiteten Signale zur Weiterverarbeitung durch den Signalprozessor umfasst. Das Bildgebungssystem entwickelt auf den verarbeiteten Signalen basierende Bilder und zeigt die entwickelten Bilder auf einem Sichtgerät an. Die Detektionsmodule weisen vorzugsweise Cadmium-Zinktellurid-Material auf. Die Adresse jedes Detektionsmoduls und -elements wird zum Signalprozessor übermittelt, wenn das Detektionselement einen Gammastrahl mit einer Energie absorbiert, die größer ist als ein durch den Signalprozessor gesteuerter Schwellwert (ein gültiger Treffer). Die Detektionsmodule verwenden ein Fall-through-Schema, um nur diejenigen Detektionselemente der Reihe nach automatisch auszulesen, die einen gültigen Treffer empfangen haben, und die Adressen dieser Elemente und die Größe des absorbierten Photons zu erzeugen. Der Signalprozessor führt Diagnoseprogramme, Verstärkungsnormierung, eine Normierung der Ansprechleistung und Datenerfassungsfunktionen aus. Das Bildgebungssystem zeigt Bilder an, die auf den durch die Detektionselemente erzeugten Signalen basieren.
Es sind eine Anzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden. Nichtsdestoweniger versteht es sich, daß verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel könnten andere zusammenfügbare Formen für die Detektionsmodule 206 benutzt werden, wie etwa dreieckige, rechteckige oder hexagonale Formen. Entsprechend könnten die Detektionselemente 212 außer der quadratischen Form andere Formen aufweisen. Außerdem können, wie oben beschrieben, die zwei analogen anwendungsspezifischenen integrierten Schaltungen (ASICs) jedes Detektionsmoduls zu einer einzigen ASIC kombiniert werden. Ähnlich können sowohl die digitalen als auch die analogen Funktionen mit einer ASIC implementiert werden. Außerdem könnte das Verstärkungsnormierungsverfahren nach der Umsetzung der analogen in digitale Werte vollständig in Software ausgeführt werden. Dementsprechend versteht es sich, daß die Erfindung nicht durch die konkreten dargestellten Ausführungsformen eingeschränkt werden soll, sondern nur durch den Umfang der beigefügten Patentansprüche.

Claims

Bildgebungssystem (100, 450) zum Erhalten eines Bildes des Ortes und der Intensität der von einer Quelle emittierten Strahlung, wobei das System aufweist: einen Bildgebungsdetektor (200) zur Erfassung der Energie und Einfallsposition von Strahlung mit mehreren Detektionsmodulen (206, 266, 268), die jeweils eine Bestrahlungsfläche, eine der Bestrahlungsfläche gegenüberliegende Fläche und mehrere Seiten aufweisen, wobei die Bestrahlungsfläche im wesentlichen mit einem Strahlungsnachweismaterial bedeckt ist und wobei jedes Detektionsmodul (206) an allen Seiten mit benachbarten Nachweismodulen (206, 266, 268) so aneinanderreihbar ist, daß der Bildgebungsdetektor im wesentlichen keine Totbereiche zwischen aneinandergereihten Detektionsmodulen (206, 266, 268) aufweist, und wobei jedes Detektionsmodul (206, 266, 268) ferner mehrere Halbleiterdetektionselemente (212) aufweist, um elektrische Impulse zu erzeugen, welche die Strahlungsenergie energiereicher Photonen anzeigen, die auf die Bestrahlungsfläche auftreffen.
Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei die Nachweismodule (206) in einer N × M-Matrix konfigurierbar sind.
Bildgebungssystem nach Anspruch 1, das ein nukleares bildgebendes System ist und aufweist: a. eine Strahlungsleitstruktur, die einen Kollimator oder ein feines Loch aufweist; und b. wobei der Bildgebungsdetektor in der Nähe der Strahlungsleitstruktur angeordnet ist, wobei das System ferner aufweist: eine funktionsfähig mit den Detektionselementen gekoppelte Aufbereitungsschaltung zur Aufbereitung der Impulse, wobei die Aufbereitungsschaltung eine rauscharme Verstärkung der Impulse liefert, und wobei die elektrischen Impulse eine Amp litude aufweisen, welche die Strahlungsenergie energiereicher Photonen anzeigt.
Bildgebungssystem nach Anspruch 3, wobei die Aufbereitungsschaltung ferner eine Impulsformung bereitstellt.
Bildgebungssystem nach Anspruch 4, wobei der Bildgebungsdetektor ferner einen funktionsfähig mit der Aufbereitungsschaltung gekoppelten Ereignisprozessor zur Verarbeitung der Impulse aufweist, wobei der Ereignisprozessor: a. unter Anwendung der Amplitudendiskrimination gültige Ereignisse identifiziert; und b. Ereignisadressen erzeugt, die gültigen Ereignissen entsprechen.
Bildgebungssystem nach Anspruch 5, wobei der Ereignisprozessor eine Spannung speichert, die den Energiebetrag einfallender Photonen repräsentiert.
Bildgebungssystem nach Anspruch 5, das ferner aufweist: a. einen Datenprozessor, wobei der Datenprozessor auf ein gültiges Ereignis reagiert, indem er (1) die dem gültigen Ereignis entsprechende Adresse speichert; (2) eine normierte Ereignisamplitude ableitet; und (3) das Ereignis in einer ausgewählten Speicherbank speichert.
Bildgebungssystem nach Anspruch 7, das ferner ein mit dem Datenprozessor gekoppeltes Computerbildgebungssystem aufweist, wobei das Computerbildgebungssystem auf die in der gewählten Speicherbank gespeicherten Daten zugreift und den Modus der Bildgebungsdaten steuert, und wobei das Computerbildgebungssystem die Daten zu Bildern formatiert und die Bilder auf Anzeigemedien darstellt.
Bildgebungssystem nach Anspruch 3, wobei die Detektionsmodule so konfiguriert sind, daß sie einer nichtebenen Oberfläche entsprechen, wie z. B. einem Kopf oder einer Brust.
Bildgebungssystem nach Anspruch 3, wobei die Detektionselemente mindestens einen Halbleiterwafer aufweisen, der so unterteilt ist, daß er eine Anordnung von Detektionselementen bildet.
Bildgebungssystem nach Anspruch 10, wobei mehrere Halbleiterwafer fliesenartig zusammengefügt sind.
Bildgebungssystem nach Anspruch 10, wobei jeder Halbleiterwafer eine Elektrode aufweist, die mit einer energiereichen Photonen ausgesetzten Seite des Wafers gekoppelt ist, und wobei jeder Halbleiterwafer außerdem eine Anordnung von Elektroden aufweist, die mit der gegenüberliegenden Seite des Wafers gekoppelt sind.
Bildgebungssystem nach Anspruch 12, wobei der Halbleiter Cadmium-Zink-Tellurid (CZT) aufweist und die Elektroden ein Metall aufweisen, und wobei die Elektroden in einer Dünnschicht auf den CZT-Wafer aufgebracht sind, und wobei ein nicht von Elektrodenmetall bedeckter Abschnitt des CZT-Wafers mit einer auf der Oberfläche ausgebildeten passivierenden Schicht bedeckt wird.
Bildgebungssystem nach Anspruch 3, wobei die Detektionselemente mindestens einen fliesenartig zusammengefügten CZT-Kristall aufweisen, wobei die CZT-Kristalle mit Leiterbereichen strukturiert sind, die getrennte Detektionselemente definieren, und wobei die Leiterbereiche durch Passivierungsbereiche getrennt sind, und wobei die Passivierungsbereiche durch Behandeln von Bereichen zwischen den Leiterbereichen mit einer Wasserstoffperoxidlösung gebildet werden.
Bildgebungssystem nach Anspruch 5, wobei der Ereignisprozessor eine Peakerkennungsschaltung und eine Vergleichsschaltung aufweist, und wobei die Aufbereitungsschaltung sowohl mit der Peakerkennungsschaltung als auch mit der Vergleichsschaltung gekoppelt ist, und wobei der Ereignisprozessor ferner mehrere mit der Vergleichsschaltung gekoppelte Latches aufweist, und wobei die Vergleichsschaltung die Amplitude von Detektionselementimpulsen mit einem Bezugswert vergleicht, und wobei die Vergleichsschaltung auf der Basis des Vergleichs ein ausgewähltes Latch setzt.
Bildgebungssystem nach Anspruch 15, wobei der Ereignisprozessor ein Fall-Through- bzw. Durchfallverfahren zur Verarbeitung der gesetzten Latches nutzt, und wobei alle gesetzten Latches in einer vorgegebenen Reihenfolge gelesen werden.
Bildgebungssystem nach Anspruch 3, wobei mehrere Widerstände und Kondensatoren funktionsfähig zwischen die Detektionselemente und die Aufbereitungsschaltung gekoppelt werden.
Bildgebungssystem nach Anspruch 13, wobei die Detektionsmodule ferner einen Schaltkreisträger mit mehreren Zwischenverbindungen aufweisen, die den CZT-Wafer mit der Aufbereitungsschaltung koppeln.
Bildgebungssystem nach Anspruch 3, wobei die Detektionsmodule ferner einen Schaltkreisträger aufweisen, und wobei das Material des Trägers einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der im wesentlichen gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizient von CZT ist.
Bildgebungssystem nach Anspruch 3, wobei das Bildgebungssystem für computertomographische Anwendungen mit Einzelphotonenemission (SPECT) eingesetzt wird.
Bildgebungssystem nach Anspruch 10, wobei jeder Halbleiterwafer so unterteilt wird, daß er eine erste und eine zweite Gruppe von parallelen Streifen bildet, wobei die erste Streifengruppe auf der Bestrahlungsfläche des Detektionsmoduls angeordnet ist, wobei die zweite Streifengruppe auf der Fläche gegenüber der Bestrahlungsfläche des Detektionsmoduls angeordnet ist, und wobei die zweite Streifengruppe orthogonal zur ersten Streifengruppe ist.
Bildgebungssystem nach Anspruch 21, wobei die Detektionselemente an der Schnittstelle der ersten und der zweiten Gruppe orthogonaler Streifen ausgebildet sind.
Bildgebungssystem nach Anspruch 1, das ferner eine Trägerstruktur aufweist, welche mechanische Unterstützung, Abschirmung gegen elektrisches Rauschen, Abschirmung gegen Photonenstreustrahlung und eine elektrische Zwischenverbindung für die Detektionsmodule bereitstellt.
Bildgebungssystem nach Anspruch 2, das ferner eine Aufbereitungsschaltung zur Verarbeitung eines Photon-Ereignisses aufweist, wobei die Aufbereitungsschaltung funktionsfähig mit den Detektionselementen gekoppelt ist, und wobei die Aufbereitungsschaltung für eine rauscharme Verstärkung und Formung der durch die Detektionselemente erzeugten Impulse sorgt.
Bildgebungssystem nach Anspruch 24, das ferner einen funktionsfähig mit der Aufbereitungsschaltung gekoppelten Ereignisprozessor zur Verarbeitung der aufbereiteten Photon-Ereignisse aufweist, wobei der Ereignisprozessor: a. unter Anwendung der Amplitudendiskrimination gültige Ereignisse identifiziert; und b. Ereignisadressen erzeugt, die gültigen Ereignissen entsprechen.
Bildgebungssystem nach Anspruch 25, wobei der Ereignisprozessor ferner eine Spannungsdarstellung des Energiebetrags jedes einfallenden Photons speichert.
Bildgebungssystem nach Anspruch 25, das ferner einen funktionsfähig mit dem Ereignisprozessor gekoppelten Datenprozessor aufweist, wobei der Datenprozessor auf ein gültiges Ereignis reagiert, indem er: a. die Ereignisadresse des gültigen Ereignisses speichert; b. eine normierte Ereignisamplitude ableitet, und c. das Ereignis in einer ausgewählten Speicherbank speichert.
Bildgebungssystem nach Anspruch 2, wobei die Detektionselemente mindestens einen Halbleiterwafer aufweisen, der so unterteilt ist, daß er eine n × m-Matrix von Detektionselementen bildet.
Bildgebungssystem nach Anspruch 28, wobei mehrere Halbleiterwafer fliesenartig aneinandergefügt sind.
Bildgebungssystem nach Anspruch 28, wobei jeder Halbleiterwafer so unterteilt ist, daß er eine erste und eine zweite Gruppe von parallelen Streifen bildet, wobei die erste Streifengruppe auf der Bestrahlungsfläche des Detektionsmoduls angeordnet ist, wobei die zweite Streifengruppe auf der Fläche gegenüber der Bestrahlungsfläche des Detektionsmoduls angeordnet ist, und wobei die zweite Streifengruppe orthogonal zur ersten Streifengruppe ist.
Bildgebungssystem nach Anspruch 30, wobei die Detektionselemente an der Schnittstelle der ersten und der zweiten Gruppe orthogonaler Streifen ausgebildet sind.
Bildgebungssystem nach Anspruch 28, wobei jeder Halbleiterwafer eine Elektrode aufweist, die mit einer energiereichen Photonen ausgesetzten Seite des Wafers gekoppelt ist, und wobei jeder Halbleiterwafer außerdem eine Elektrodenmatrix aufweist, die mit der gegenüberliegenden Seite des Wafers gekoppelt ist.
Bildgebungssystem nach Anspruch 32, wobei jeder Halbleiter Cadmium-Zink-Tellurid (CZT) aufweist und die Elektroden ein Metall aufweisen, und wobei die Elektroden in einer Dünnschicht auf den CZT-Wafer aufgebracht sind, und wobei ein nicht von Elektrodenmetall bedeckter Abschnitt des CZT-Wafers mit einer auf der Oberfläche ausgebildeten passivierenden Schicht bedeckt wird.
a. Detektionsmodul (206, 266, 268), der aufweist: b. einen Halbleiterstrahlungsdetektor (200) mit einer Oberseite und einer Unterseite, wobei die Unterseite zu mehreren Detektionselementen (212) strukturiert ist, die durch Strukturieren von ausgewählten Abschnitten der Oberfläche mit Leiterbereichen definiert werden, und wobei jedes Detektionselement (212) einen elektrischen Ladungsimpuls des Detektionselements erzeugt, der die von jedem Element empfangenen Strahlungsintensität anzeigt, und wobei der Detektionselementimpuls zu einer mit der Unterseite jedes Elements gekoppelten Elektrode übertragen wird; und c. einen mit dem Detektor (200) mechanisch gekoppelten elektronischen Schaltkreisträger (214), wobei der Träger (214) Schaltkreise zur Verarbeitung der Detektionselementimpulse aufweist, und wobei die Schaltkreise mindestens einen Kanal zur Aufbereitung und Verarbeitung der an jedes Detektionselement (212) angekoppelten Detektionselementimpulse aufweisen.
Detektionsmodul nach Anspruch 34, das ferner eine zwischen dem Detektor und dem Träger montierte Leiterplatte aufweist, wobei die Leiterplatte die Elektrode von der Unterseite jedes Elements mit einem Aufbereitungs- und Verarbeitungskanal für jedes Element koppelt.
Detektionsmodul nach Anspruch 34, wobei der Kanal die Detektionselementimpulse verstärkt, aufbereitet und verarbeitet, und wobei der Aufbereitungs- und Verarbeitungskanal eine Amplitude und eine Adresse der Detektionselementimpulse speichert, die einen Vergleichsschwellwert übersteigen.
Detektionsmodul nach Anspruch 36, wobei der Kanal die gespeicherte Amplitude und Adresse überträgt, wenn er durch eine Fall-Through- bzw. Durchfalleinrichtung freigegeben wird, und wobei die Durchfalleinrichtung den Kanal nach Verarbeitung eines Aufwärtskanals freigibt.
Detektionsmodul nach Anspruch 36, wobei der Aufbereitungs- und Verarbeitungskanal ferner eine Leckstromkompensationseinrichtung aufweist, und wobei die Leckstromkompensationseinrichtung im wesentlichen große und veränderliche Leckströme kompensiert, die durch die Detektionselemente erzeugt werden.
Detektionsmodul nach Anspruch 34, wobei jedes Detektionselement Impulse generiert, die der Energie eines absorbierten Photons der Strahlung, die von jedem Element empfangen wurde, entspricht, wobei der Verarbeitungskanal jedesmal, wenn ein Detektionselementimpuls einen Vergleichsschwellwert übersteigt, ein Markierungszeichen erzeugt.
Bildgebungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 33 oder Detektionsmodul nach einem der Ansprüche 34 bis 39, die ferner eine elektronische Schaltung zur Verarbeitung von Impulsen aufweisen, die von mehreren Gammastrahlungs-Detektionselementen empfangen werden, wobei die Schaltung aufweist: a. mehrere Analogkanäle, die jeweils einem eindeutig bestimmten Detektionselement entsprechen, wobei jeder Analogkanal mit dem entsprechenden Element gekoppelt ist, und wobei jeder Analogkanal die durch das entsprechende Detektionselement erzeugten Impulse verstärkt, formt und integriert; b. mehrere Digitalkanäle, die jeweils einem eindeutig bestimmten Analogkanal entsprechen, wobei jeder Digitalkanal mit dem entsprechenden Analogkanal gekoppelt ist, und wobei der Digitalkanal die Amplitude der durch das entsprechende Detektionselement erzeugten Impulse mit einem Schwellwert vergleicht, wobei der Digitalkanal das Vergleichsergebnis zwischenspeichert, und wobei der Digitalkanal die Adresse des entsprechenden Detektionselements und die entsprechende Impulsamplitude für den Zugriff durch ein Bildgebungssystem bereitstellt.
Schaltung nach Anspruch 40, wobei die Analog- und Digitalkanäle physikalisch voneinander getrennt sind, um die Rauschunempfindlichkeit zu verbessern und das Nebensprechen zu verringern.
Bildgebungssystem nach Anspruch 3 für von einem zu prüfenden Objekt emittierte bildgebende Strahlung, wobei das System ferner aufweist: a. einen innerhalb der Detektionsmodule montierten Ereignisprozessor zur Verarbeitung der Impulse, wobei der Ereignisprozessor Ereignisse durch ein Markierungszeichen kennzeichnet, die dem jeweiligen Detektionselement entsprechen, das einen Impuls erzeugt, der einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt; b. einen mit dem Ereignisprozessor gekoppelten Datenprozessor zum fortlaufenden Lesen der mit einem Markierungszeichen gekennzeichneten Ereignisse; und c. ein mit dem Datenprozessor gekoppeltes Computerbildgebungssystem, wobei das Bildgebungssystem auf den Datenprozessor zugreift, um die aufeinanderfolgenden, durch Markierungszeichen gekennzeichneten Ereignisse zu lesen, und wobei das Bildgebungssystem die Impulse der Detektionselemente, die den durch Markierungszeichen gekennzeichneten Ereignissen entsprechen, zu Bildern formatiert und die Bilder an einem Display darstellt.
Bildgebungssystem nach Anspruch 3, das ferner ein Fall-Through- bzw. Durchfallereignissystem zur Auswahl von Ereignissen aufweist, die durch mehrere Signalaufbereitungs- und -verarbeitungskanäle erzeugt werden, wobei jeder Kanal mit einem entsprechenden Detektionselement gekoppelt ist, jeder Kanal durch das entsprechende Detektionselement erzeugte elektrische Impulse aufbereitet und verarbeitet, und wobei jeder Kanal jedesmal, wenn das entsprechende Detektionselement einen Impuls erzeugt, der einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, ein gültiges Element erzeugt; wobei das System aufweist: a. eine Einrichtung zum Abtasten der Kanäle, wobei die Abtasteinrichtung jeden Kanal in einer vorgegebenen Reihenfolge abtastet, bis sie ein gültiges Ereignis findet, und nach dem Auffinden eines gültigen Ereignisses den Kanal freigibt, der das gültige Ereignis enthält, und den Empfang eines Fortschaltsignals abwartet, bevor sie weitere Kanäle in der Reihenfolge abtastet.
Bildgebungssystem nach Anspruch 43, wobei jeder Kanal selbständig die durch das entsprechende Detektionselement erzeugten elektrischen Impulse aufbereitet und verarbeitet.
Bildgebungssystem nach Anspruch 43, wobei jeder Kanal die durch das entsprechende Detektionselement zu zufälligen Zeitpunkten erzeugten elektrischen Impulse empfängt.
Bildgebungssystem nach Anspruch 43, wobei jeder Kanal auf der Basis der Amplitude des durch das entsprechende Detektionselement erzeugten elektrischen Impulses ein gültiges Ereignis erzeugt.
Bildgebungssystem nach Anspruch 43, wobei jeder Kanal die Amplituden der elektrischen Impulse speichert, die einen vorgegebenen Schwellwert übersteigen.
Bildgebungssystem nach Anspruch 47, wobei der durch die Leseeinrichtung freigegebene Kanal ein gültiges Ereignis erzeugt, eine mit dem freigegebenen Kanal verknüpfte Adresse ausgibt und die durch den freigegebenen Kanal gespeicherte Amplitude ausgibt.
Bildgebungssystem nach Anspruch 48, wobei nach Empfang des Fortschaltsignals der freigegebene Kanal die Ausgabe des gültigen Signals, der dazugehörigen Adresse und der Amplitude einstellt, und wobei der freigegebene Kanal die durch den freigegebenen Kanal gespeicherte Amplitude zurücksetzt.
Bildgebungssystem nach Anspruch 48, wobei der freigegebene Kanal eine Digitaldarstellung der durch den freigegebenen Kanal gespeicherten Amplitude erzeugt.
Bildgebungssystem nach einem der Ansprüche 3, 43 bis 50, das ferner einen Signalprozessor zur Verarbeitung von Signalen aufweist, die durch mehrere Aufbereitungs- und Verarbeitungskanäle erzeugt werden, wobei jeder Kanal funktionsfähig mit einem entsprechenden Detektionselement verbunden ist, das elektrische Impulse erzeugt, welche die Intensität der durch das Detektionselement absorbierten Strahlung anzeigen, wobei jeder Kanal eine Amplitude des elektrischen Impulses speichert, der einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, und wobei jeder Kanal jedesmal, wenn der elektrische Impuls einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, ein Ereignis erzeugt; wobei das System aufweist: a. eine Einrichtung zum Abtasten einer gespeicherten Amplitude eines Kanals, der ein Ereignis erzeugt; b. eine funktionsfähig mit der Abtasteinrichtung verbundene Einrichtung zum Normieren der durch den Kanal und das entsprechende Detektionselement eingeführten Verstärkung, wobei die Normierungseinrichtung die abgetastete Amplitude normiert; und c. eine mit der Normierungseinrichtung gekoppelte Einrichtung zum Speichern der normierten Amplitude.
Bildgebungssystem nach Anspruch 51, wobei jedes Detektionselement eine eindeutig bestimmte Adresse aufweist, und wobei jeder Kanal, der ein Ereignis erzeugt, eine Adresse des entsprechenden Detektionselements zum Signalprozessor überträgt, und wobei der Signalprozessor ferner eine mit, der Abtasteinrichtung gekoppelte Einrichtung zum Lesen der übertragenen Adresse aufweist.
Bildgebungssystem nach Anspruch 52, wobei der Signalprozessor nach dem Speichern der normierten Amplitude ein Fortschaltsignal erzeugt.
Bildgebungssystem nach Anspruch 52, wobei der Signalprozessor ferner eine mit der Abtasteinrichtung gekoppelte Einrichtung aufweist, um die übertragene Adresse und normierte Amplitude mit einer Zeitmarkierung zu versehen, und wobei die Adresse, die Amplitude und die Zeitmarkierung zusammen in einer mit dem Signalprozessor gekoppelten Speichereinheit gespeichert werden.
Bildgebungssystem nach Anspruch 54, wobei die in der Speichereinheit gespeicherten Adressen, Amplituden und Zeitmarkierungen in Zeitzonen sortiert werden, die auf eine externe Ereignismarkierung bezogen sind.
Bildgebungssystem nach Anspruch 51, wobei die Normierungseinrichtung aufweist: a. einen Analog-Digital-Wandler mit einem Bezugssignaleingang und einem Analogeingang, wobei der Analogeingang mit der abgetasteten Amplitude gekoppelt ist; und b. eine mit dem Bezugssignaleingang gekoppelte Einrichtung zum Speichern mehrerer Verstärkungsnormierungsfaktoren, wobei jedes Detektionselement einen entsprechenden, zuvor gespeicherten Verstärkungsnormierungsfaktor aufweist, und wobei die Speichereinrichtung einen Verstärkungsnormierungsfaktor des Detektionselements, das mit dem das Ereignis erzeugenden Kanal gekoppelt ist, zum Bezugssignaleingang ausgibt und dadurch bewirkt, daß der Analog-Digital-Wandler ein normiertes Signal erzeugt.
Bildgebungssystem nach Anspruch 3, das ferner eine Schaltung zur Normierung der Verstärkung von Signalen aufweist, die durch mehrere Verarbeitungskanäle erzeugt werden, wobei das System aufweist: a. einen Analog-Digital-Wandler mit einem Bezugssignaleingang und einem Analogeingang, wobei der Analogeingang mit einem Signal gekoppelt ist, das durch einen ausgewählten Kanal erzeugt wird; und b. eine mit dem Bezugssignaleingang gekoppelte Einrichtung zum Speichern mehrerer Verstärkungsnormierungsfaktoren, wobei jeder Kanal einen entsprechenden, zuvor gespeicherten Verstärkungsnormierungsfaktor aufweist, und wobei die Speichereinrichtung einen dem gewählten Kanal entsprechenden Verstärkungsnormierungsfaktor an den Bezugssignaleingang ausgibt und dadurch bewirkt, daß der Analog-Digital-Wandler ein verstärkungsnormiertes Signal erzeugt.
Bildgebungssystem nach Anspruch 57, wobei die verstärkungsnormierten Signale in Echtzeit erzeugt werden.