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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Sammeln, Codieren und Verarbeiten
von Signalen, die von Fotodetektoren stammen.
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Die Erfindung betrifft insbesondere
das Sammeln und Codieren der durch Fotovervielfacher gelieferten
Signale, mit denen Gammakameras ausgerüstet sind. Unter Gammakamera
versteht man eine Kamera, die empfindlich ist für Gammastrahlung (γ-Strahlung). Solche
Kameras werden insbesondere zu Zwecken der medizinischen Bildherstellung
verwendet.
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Stand der Technik
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Die meisten der gegenwärtig in
der Nuklearmedizin benutzten Gammakameras sind Kameras, die nach
dem Prinzip der Kameras des Anger-Typs funktionieren. Zu diesem
Thema kann man sich auf das Dokument (1) beziehen, dessen Referenz
am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben ist.
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Die Gammakameras ermöglichen
vor allem, die Verteilung von Molekülen in einem Organ zu visualisieren,
die durch ein dem Patienten vorher injiziertes radioaktives Isotop
markiert worden sind.
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Die Struktur und die Funktionsweise
einer bekannten Gammakamera werden anschließend mit Bezug auf die beigefügten 1, 2A und 2B erklärt und zusammengefasst.
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Die 1 zeigt
einen Detektionskopf 10 einer Gammakamera, angeordnet vor
einem Organ 12, das mit einem radioaktiven Isotop markierte
Moleküle enthält.
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Der Detektionskopf 10 umfasst
einen Kollimator 20, einen Szintillatorkristall 24,
einen Lichtleiter 22 und eine Vielzahl so aneinandergrenzender
Fotovervielfacherröhren 26,
dass sie eine zum Szintillatorkristall 24 entgegengesetzte
Seite des Lichtleiters 22 bedecken. Der Szintillator ist
zum Beispiel ein Kristall des Typs Nal(Tl).
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Der Kollimator 20 hat die
Funktion, aus allen von dem Organ 12 abgestrahlten Gammastrahlen 30 diejenigen
zu selektieren, die den Detektionskopf unter im Wesentlichen normalem
oder senkrechtem Einfallwinkel erreichen. Der selektive Charakter
des Kollimators ermöglicht,
die Auflösung
und Klarheit des erzeugten Bildes zu verbessern. Jedoch erfolgt die Verbesserung
der Auflösung
auf Kosten der Empfindlichkeit. Zum Beispiel wird von ungefähr 10 000 von
dem Organ 12 emittierten Gammaphotonen effektiv ein einziges
Photon detektiert.
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Die Gammaphotonen erreichen nach
Durchquerung des Kollimators den Szintillatorkristall 24, wo
quasi jedes Gammaphoton umgewandelt wird in eine Vielzahl von Lichtphotonen.
In der Folge des Textes wird jede eine Szintillation erzeugende
Wechselwirkung eines Gammaphotons mit dem Kristall als Ereignis
bezeichnet.
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Die Fotovervielfacher 26 sind
so konzipiert, dass sie einen elektrischen Impuls erzeugen, der
proportional ist zu der Anzahl der Lichtphotonen, die der Szintillator
bei jedem Ereignis empfängt.
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Damit ein Szintillationsereignis
genauer lokalisiert werden kann, sind die Fotovervielfacher 26 nicht
direkt auf dem Szintillatorkristall 22 angeordnet, sondern
von diesem letzteren durch den Lichtleiter 22 getrennt.
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Die Fotovervielfacher senden ein
Signal, dessen Amplitude proportional ist zu der Gesamtmenge des
in dem Szintillator durch eine Gammastrahlung erzeugten Lichts,
das heißt
proportional zu dessen Energie. Jedoch hängen die individuellen Signale
jedes Fotovervielfachers auch von dem Abstand ab, der ihn von dem
Punkt der Wechselwirkung 30 der Gammastrahlung mit dem
Material des Szintillators trennt. Jeder Fotovervielfacher liefert
nämlich einen
Stromimpuls, der proportional ist zu dem Lichtfluss, den er empfangen
hat. In dem Beispiel der 1 zeigen
kleine Graphiken A, B und C, dass Fotovervielfacher 26a, 26b und 26c mit
unterschiedlichen Abständen
von einem Wechselwirkungspunkt 30 Signale mit unterschiedlichen
Amplituden liefern.
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Die Position des Wechselwirkungspunkts 30 eines
Gammaphotons wird in der Gammakamera aufgrund der Signale berechnet,
die von der Gesamtheit der Fotovervielfacher stammen, indem eine
baryzentrische Gewichtung der Beiträge aller Fotovervielfacher
erfolgt.
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Das Prinzip der baryzentrischen Gewichtung,
so wie angewandt in den Kameras des Anger-Typs, geht deutlicher
aus den beigefügten 2A und 2B hervor.
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Die 2A zeigt
die elektrische Leitungsführung
eines Detektionskopfs 10 einer Gammakamera, die diese Kamera
mit einer digitalen Bildherstellungseinheit verbindet. Der Detektionskopf
umfasst eine Vielzahl Fotovervielfacher 26.
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Wie die 2B zeigt, umfasst jeder Fotovervielfacher 26 des
Detektionskopfs vier Widerständen RX–,
RX+, RY– und
RY+. Die Werte dieser Widerstände sind
für jeden
Fotovervielfacher charakteristisch und hängen von der Position des Fotovervielfachers in
dem Detektionskopf 10 ab.
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Die Widerstände RX–,
RX+, RY– und
RY+ jedes Fotovervielfachers sind mit dem
Ausgang 50 dieses Fotovervielfachers verbunden, dargestellt
in der 2B mittels eines Stromgeneratorsymbols.
Sie sind außerdem
in der 2A jeweils mit
gemeinsamen Sammelleitungen LX–, LX+,
LY–,
LY+ verbunden.
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Die Leitungen LX–,
LX+, LY– und
LY+ sind ihrerseits jeweils mit Analogintegrierern 52X– , 52X+ , 52Y– , 52Y+ verbunden und mittels diesen mit Analog-Digital-Umsetzern 54X– , 54X+ , 54Y– , 54Y+ . Der Ausgang der Umsetzer 54X– , 54X+ , 54Y– , 54Y+ ist mit einem Digitaloperator 56 verbunden.
Die Leitungen LX–, LX+,
LY–,
LY+ sind außerdem mit einem gemeinsamen
Pfad verbunden, Energiepfad genannt. Dieser Pfad umfasst ebenfalls
einen Integrierer 57 und einem Analog-Digital-Umsetzer 58 und
sein Ausgang ist auch mit einem Eingang des Operators 56 verbunden.
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Dank der Vorrichtung der
2 berechnet man die Position
der Wechselwirkung nach den folgenden Gleichungen:
in denen X und Y die Koordinaten
in zwei rechtwinkligen Richtungen mit der Wechselwirkungsposition als
Nullpunkt angeben, und in denen X
+, X
–,
Y
+ und Y
– jeweils
die gewichteten Signale angeben, die die Integrierer
52X+ ,
52X– ,
52Y+ und
52Y– liefern.
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Die Werte von X und Y sowie die Gesamtenergie
E der mit dem Kristall wechselwirkenden Gammastrahlung werden durch
den digitalen Operator 56 ermittelt. Diese Werte werden
anschließend
zur Herstellung eines Bildes benutzt.
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Zu diesem Thema kann man sich auf
die Dokumente (2), (3) und (4) beziehen, deren Referenzen am Ende
der vorliegenden Beschreibung angegeben sind.
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Die Berechnung der Wechselwirkungsposition
weist eine Unsicherheit auf, die mit den statistischen Poisson-Fluktuationen
der bei jedem Ereignis, das heißt
jedem detektierten Gammaphoton erzeugten Lichtphotonenanzahl und
Fotoelektronenanzahl zusammenhängen.
Die typische Fluktuationsabweichung ist um so kleiner, je größer die
Anzahl der Photonen oder Photoelektronen ist. Aufgrund dieses Phänomens empfiehlt
es sich, das Licht so sorgfältig wie
möglich
zu sammeln. Die intrinsische räumliche Auflösung der
Kamera ist gekennzeichnet durch die Breite der Verteilung der berechneten
Positionen in halber Höhe
für eine
selbe kollimatierte punktförmige,
auf den Szintillatorkristall angeordnete Quelle.
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Für
Gammastrahlungen mit einer Energie von 140 keV beträgt die Auflösung generell
ungefähr 3
bis 4 mm.
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Die Energie eines detektierten Gammaphotons
wird berechnet, indem die Summe der Beiträge aller Fotovervielfacher,
die Licht empfangen haben, berechnet wird. Auch sie ist von einer
statistischen Ungenauigkeit betroffen. Die Energieauflösung der Kamera
bei einer selben Quelle ist gekennzeichnet durch das Verhältnis der
Breite der Verteilung der berechneten Energien zu dem Durchschnittswert
der Verteilung auf halber Höhe.
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Die Energieauflösung beträgt generell ungefähr 9 bis
11% für
Gammastrahlungen mit einer Energie von 140 keV.
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Schließlich hat eine Gammakamera
des Anger-Typs den Vorteil, die Echtzeit-Berechnung des Baryzentrums der Signale
der Fotovervielfacher mit sehr einfachen Mitteln zu ermöglichen.
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Das vorhergehend beschriebene System umfasst
nämlich
nur eine begrenzte Anzahl von Bauteilen. Zudem kosten die Widerstände, die
benutzt werden, um das Signal der Fotovervielfacher in die Kollektorleitungen
einzuspeisen, nur sehr wenig.
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Eine solche Kamera hat jedoch auch
einen Hauptnachteil, nämlich
eine niedrige Zählrate.
Unter Zählrate
versteht man die Anzahl der Ereignisse, das heißt der Wechselwirkungen zwischen
einem Gammaphoton und dem Szintillator, welche die Kamera pro Zeiteinheit
verarbeiten kann.
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Die der Begrenzungen der Zählrate kommt von
der Tatsache, dass die Kamera unfähig ist, zwei Ereignisse zu
verarbeiten, die im Wesentlichen gleichzeitig an zwei verschiedenen
Punkten des Szintillatorkristalls stattfinden.
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Simultane aber geometrisch unterschiedliche
Ereignisse verursachen nämlich
elektrische Signale, die sich in den Kollektorleitungen LX–,
LX+ , LY– und
LY+ stapeln bzw. stauen und die nicht mehr
unterschiedenen werden können.
Diese Ereignisse sind also "verloren" für die Herstellung
eines Bildes. Das Dokument (6), dessen Referenz am Ende der vorliegenden
Beschreibung angegeben ist, beschreibt eine Entkonvolutions- bzw.
Dekonvolutionsmethode der gestapelten Impulse, um sie zu trennen
und die Zählrate
zu verbessern.
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Die Begrenzung der Zählrate ist
bei den traditionellen medizinischen Bildherstellungstechniken keine
zu große
Einschränkung.
Wie oben angegeben, stoppt der Kollimator nämlich eine sehr große Anzahl
von Gammastrahlen und es wird effektiv nur eine kleine Anzahl von
Ereignissen detektiert.
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Die Gammakameras werden jedoch auch bei
zwei anderen medizinischen Bildherstellungstechniken benutzt, bei
denen die Begrenzung der Zählrate
eine inakzeptable Einschränkung
ist.
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Diese Techniken sind Techniken der
Typen "Transmissionsdämpfungskorrektur" und "Koinzidenz-PET (Position
Emission Tomography)".
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Die Technik der Transmissionsdämpfungskorrektur
besteht darin, bei der Herstellung eines medizinischen Bildes die
Eigendämpfung
des das Organ umgebenden Gewebes des Patienten zu berücksichtigen.
Um diese Dämpfung
zu kennen, misst man die Transmission der Gammastrahlungen in Richtung einer
Gammakamera durch den Körper
des Patienten hindurch. Zu diesem Zweck platziert man den Patienten
zwischen einer sehr aktiven externen Quelle und dem Detektionskopf
der Gammakamera. Die Aktivität
der Quelle muss sehr hoch sein, damit die Erfassung mit einer ausreichenden
Statistik in einer ausreichend kurzen Zeit erfolgt, um die Dauer
der Untersuchung nicht zu verlängern.
Während
der Messung der Transmissionsstrahlung findet in dem Szintillatorkristall
eine hohe Anzahl von Ereignissen statt. Die hohe Anzahl Ereignisse
pro Zeiteinheit erhöht
auch die Wahrscheinlichkeit, mehrere im Wesentlichen simultane Ereignisse
zu erhalten. Eine klassische Kamera des Anger-Typs erweist sich dann
als ungeeignet.
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Die PET-Technik besteht darin, dem
Patienten ein Element wie F18 zu injizieren,
das Positronen emittiert. Die Annihilation eines Positrons und eines Elektrons
setzt zwei Gammaphotonen frei, die in entgegengesetzten Richtungen
emittiert werden und eine Energie von 511 keV haben. Dieses physikalische
Phänomen
wird in der PET-Bildherstellungstechnik ausgenützt. Bei dieser Technik verwendet man
eine Gammakamera mit wenigstens zwei Detektionsköpfen, die auf beiden Seiten
des Patienten angeordnet werden. Die benutzten Detektionsköpfe sind
nicht mit Kollimatoren ausgerüstet.
Eine elektronische Verarbeitung der Informationen, Koinzidenz-Verarbeitung
genannt, ermöglicht
nämlich,
unter den Ereignissen diejenigen zu selektieren, die zeitlich zusammenfallen,
und so die Bahn der Gammaphotonen zu berechnen.
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Die Detektionsköpfe werden folglich großen Gammastrahlungsflüssen ausgesetzt.
Die klassischen Gammakameras des Anger-Typs haben generell eine
zu begrenzte Zählrate
für eine
solche Anwendung.
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Eine Kamera des Anger-Typs kann zum
Beispiel mit einer Detektion von 1,5·105 bis
2·105 Ereignissen pro Sekunde arbeiten, während man
in der PET-Bildherstellungstechnik wenigstens 1 bis 2·106 Ereignisse pro Sekunde für einen
Normalbetrieb benötigt.
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Eine weitere Begrenzung der oben
beschriebenen Gammakameras des Anger-Typs beruht auf der Tatsache, dass die
Berechnung des Baryzentrums eines Ereignisses definitiv festgelegt
wird durch die Konstruktion des Detektionskopfs und insbesondere
durch die Wahl der Widerstände
RX–,
RX+, RY–, RY+ für
jeden Fotovervielfacher.
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Eine weitere Begrenzung der Kameras
des Anger-Typs kommt von der Tatsache, dass man, um große statistische
Schwankungen zu vermeiden, das Signal der Fotovervielfacher über einen
ziemlich langen Zeitraum integrieren muss, der etwa dem Vierfachen
der Abnahmezeit dieses Signals entspricht (Abnahmezeitkonstante
des Lichts in dem Kristall = 240 ns). Praktischerweise wird das
Signal über
1 μs integriert.
Diese Integrationszeit begrenzt auch die Zählrate.
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Die Dokumente (7), (8) und (9), deren
Referenzen am Ende der Beschreibung angegeben sind, beschreiben
Szintillationsvorrichtungen, die im Wesentlichen dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 entsprechen.
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Die Patentanmeldung WO-93/15420 beschreibt
ein Erfassungsgerät
für Szintillationsdaten, zu
benutzen mit einer Szintillationskamera und Verarbeitungseinrichtungen
dieser Daten. Diese Vorrichtung umfasst einen Addierer, um diese
von allen Detektoren stammenden Daten, solange sie noch analog sind,
zu addieren und festzustellen, ob es sich wirklich um einen Impuls
handelt, der einer Szintillation entspricht. Die Analog-Digital-Umsetzung erfolgt nur
für den
Fall, dass die Szintillation sich bestätigt als Resultat einer Wechselwirkung
eines Gamma-Photons mit dem Material des Szintillators. Das bestätigte Signal
wird anschließend
normal verarbeitet, um die Position des Stoßereignisses zu bestimmen.
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Auch das Patent EP-A-0 277 391 beschreibt eine
Verbesserung der Kamera des Anger-Typs mit dem Ziel, die Zählleistung
zu erhöhen.
Bei der zum Beispiel in der 2 dargestellten
und ab Seite 7 oben dieses Dokuments beschriebenen Ausführungsart
umfasst die Kameraa einen Szintillationskristall 10. Dieser
Kristall 10 ist mittels eines Lichtleiters 30 mit
dem Eingangsfenster von P Fotodetektoren 50 gekoppelt.
Nach Verstärkung
durch Verstärker 61 wird
das Signal in Umsetzungs- und Integrationseinrichtungen 63 eingespeist,
die nacheinander die Abtastung der Ausgangssignale der Schaltung 61 und
die Analog-Digital-Umsetzung
der erhaltenen Abtastwerte sowie deren Summierung ausführen. Eine
Detektions-, Sequenzierungs- und Speichereinrichtung, dargestellt
in der 3, empfängt die
analogen Signale am Ausgang jedes Verstärkers 61 und summiert
die Gesamtheit dieser Signale. Aufgrund dieser Summierung wird eine
Mindestschwelle festgelegt. Der Vergleich des von jedem der Fotodetektoren
stammenden Werts mit dem Schwellenwert ermöglicht, in einer Schaltung 190 zu
bestimmen, ob der von einem Detektor stammende Wert zu den Verarbeitungseinrichtungen 200 übertragen
wird oder nicht. Derart eliminiert man P' Detektoren, deren unzureichende Beleuchtung
dafür sorgt,
dass sie nicht berücksichtigt
werden.
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Ein Artikel von Mankoff Da et al.,
erschienen in der Zeitschrift "Physics
in Medicine and Biology", beschreibt
einen zweidimensionalen Positionsdetektor mit hoher Zählrate für die Positronenemissions-Tomographie.
Dieser Artikel betrifft im Wesentlichen die verschiedenen Verarbeitungen,
die man auf Signale anwenden kann, die von den Detektoren einer
Gammakamera stammen. Die vor dem Rechner befindliche Detektionsvorrichtung
wird in Paragraph 2.1, Seite 439, kurz beschrieben in Verbindung
mit der 1, Seite 440.
Dieser Detektor umfasst einen mit einer Fotovervielfacher-Matrix
gekoppelten Kristall. Die Impulse jedes der Fotovervielfacher sind bzw.
werden verkürzt.
Die verkürzten
Impulse werden vorverstärkt
und speisen eine Vorrichtung, die einen Analog-Digital-Umsetzer
und einen Addierer umfasst, so dass eine Integration der besagten
digitalisierten Signale realisiert wird.
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Der Artikel überprüft anschließend die Resultatdifferenzen
und die Zählraten,
die man in Abhängigkeit
von insbesondere der Dauer der besagten verkürzten Impulse erhalten kann.
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Darstellung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung hat die
Aufgabe, eine Sammel- und Codiervorrichtung der Signale einer Vielzahl
von Fotodetektoren einer Kamera vorzuschlagen, welche die oben erläuterten
Einschränkungen
nicht aufweist.
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Eine Aufgabe besteht insbesondere
darin, eine solche Vorrichtung für
Gammakameras vorzuschlagen, die eine größere Zählrate als die der oben beschriebenen
Kameras des Anger-Typs ermöglichen.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht
noch darin, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die ermöglicht, eine
Vielzahl von simultanen Detektionsereignissen zu verarbeiten.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der es möglich ist,
den Ort der Ereignisse gemäß verschiedenen
Rechenalgorithmen zu bestimmen.
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Außerdem hat die Erfindung die
Aufgabe, eine schnelle Vorrichtung zur Verarbeitung der durch die
Fotovervielfacher gelieferten Daten zu ermöglichen, deren Herstellungskosten
niedrig sind.
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Zur Lösung dieser Aufgaben hat die
Erfindung eine Vorrichtung zum Sammeln, digitalen Codieren und Verarbeiten
von Signalen einer Vielzahl von Fotodetektoren einer Kamera zum
Gegenstand. Diese Vorrichtung umfasst: eine Vielzahl digitaler Codiereinheiten,
wobei jede digitale Codiereinheit der genannten Vielzahl von Codiereinheiten
jeweils einem individuellen Fotodetektor der genannten Vielzahl
von Fotodetektoren zugeordnet ist und eine gemeinsame Verarbeitungseinheit
mit jeder der Codiereinheiten verbunden ist, und jede der Codiereinheiten,
ausgehend vom dem zugeordneten Fotodetektor, in Reihenfolge, einen
Analog-Digital-Umsetzer mit einem Auflösungsvermögen von 7 Bits oder mehr, fähig ein
durch den Fotodetektor empfangenes analoges Detektionssignal in
ein digitales Detektionssignal umzusetzen, eine Dekonvolutionseinheit,
einen digitalen Summieren, fähig
das digitale Detektionssignal zu summieren und einer gemeinsamen
Verarbeitungseinheit ein Summensignal zu liefern, die einzeln mit
jeder der Codiereinheiten verbunden ist, und ein Port, gesteuert
durch eine Steuereinheit, um der Verarbeitungseinheit jedes Mal
eine Gleitsumme von Abtastwerten zuzuführen, wenn eine bestimmte Anzahl
Abtastwerte eines Impulses summiert ist, wobei die Steuereinheit
einen Signalkomparator, fähig
das Signal in Bezug auf eine Geräuschschwelle
zu vergleichen, einen Abtastwert-Komparator, fähig den Abtastwert N + 1 mit
dem vorhergehenden Abtastwert N zu vergleichen, während das
Signal höher
ist als die genannte Geräuschschwelle,
sowie einen Zähler
umfasst, um zu verifizieren, dass die Dauer der detektierten Impulse
einer bestimmten physischen Standardform entspricht.
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Unter digitaler Codierungseinheit
versteht man eine Funktionseinheit in Form einer elektronischen
Schaltung, die fähig
ist, das durch den verbundenen Fotodetektor gelieferte Signal zu
formen, die Gleitsumme des Signals zu realisieren und schließlich repräsentative
digitale Daten dieses Signals zu liefern. Die digitalen Daten werden
anschließend
zu einer Verarbeitungseinheit übertragen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht,
eine "Flash"-Codierung der Impulse
mit einer kleinen Bitzahl und mit einer Online-Dekonvolution zu
realisieren. Das Port, gesteuert durch die Steuereinheit, ermöglicht,
eine Gleitsumme von Abtastwerten eines Impulses zu der Verarbeitungseinheit
zu leiten, ausgelöst
durch das Erkennen der Form des Impulses.
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Aufgrund der durch die Gesamtheit
der digitalen Codiereinheiten gelieferten digitalen Daten ist die
digitale Verarbeitungseinheit fähig,
die Position und die Energie des Ereignisses zu berechnen, das heißt der Wechselwirkungen
einer Gammastrahlung und dem Material des Szintillators.
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Die Verarbeitungseinheit kann auch
so konzipiert sein, dass sie aus Positionen und Energien, berechnet
aus Ereignissen, ein Gamma-Bild genanntes Bild formt.
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Dank der Vorrichtung der Erfindung
können mehrere
gleichzeitig in dem Szintillator stattfindenden Ereignisse simultan
verarbeitet werden. Da das analoge Signal jedes Fotodetektors lokal
durch digitale Codiereinheiten verarbeitet wird, sind Vermischungen
und Überlagerungen
der von unterschiedlichen Fotodetektoren stammenden analogen Signale
ausgeschlossen.
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Diese vorteilhafte Charakteristik
ermöglicht, den
Detektionskopf aktiveren Quellen auszusetzen, oder ermöglicht,
den Kollimator wegzulassen. Auch ist eine hohe Zählrate möglich, da die Integration des Signals
nicht kollektiv ist.
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Außerdem wird die Gefahr einer
Stapelung zweier zeitlich naher Ereignisse wegen der Integrationszeit
eines analogen Integrators vermieden: die Codierung und Integration
finden permanent statt.
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Außerdem indem man ein von jeder
Codiereinheit stammendes Signal direkt einsammelt, ist es möglich, eine
Position des Ereignisses gemäß einem in
der digitalen Verarbeitungseinheit programmierten Algorithmus nach
Wahl zu berechnen.
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Die Positionsberechnung wird nicht,
wie bei den bekannten Kameras des Anger-Typs, durch ein Widerstände- und
Verkabelungsnetzwerk definitiv fixiert.
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Die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene
Dekonvolutionseinheit ermöglicht,
Signale zu trennen, die sich zeitlich zu nahe sind. Diese Einheit
wird hier nicht im Detail beschrieben. Es handelt sich um Vorrichtung,
deren Funktionsweise an sich bekannt ist. Zu diesem Thema kann man
sich auf das Dokument (5) beziehen, dessen Referenz am Ende der
vorliegenden Beschreibung angegeben ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren
zum Sammeln, digitalen Codieren und Verarbeiten von Signalen einer
Vielzahl von Fotodetektoren, nach dem man eine individuelle Analog-Digital-Umsetzung
jedes Signals, um jeden Impuls des Signals in einer bestimmten Anzahl
von Abtastwerten zu codieren, eine Dekonvolution und eine Gleitsumme
der Abtastwerte des Signals jedes Fotodetektors realisiert und ein
der Gleitsumme entsprechendes digitales Signal einer gemeinsamen
digitalen Verarbeitungseinheit zuführt, wobei dieses Verfahren
dadurch gekennzeichnet ist:
- – dass man
vor der Summierung eine Dekonvolution durchführt, und dadurch,
- – dass
man, bevor man der gemeinsamen Verarbeitungseinheit die Gleitsumme
zuführt,
folgende Operationen ausführt:
- – eine
Detektion des Durchlaufens eines Maximums des von einem Fotodetektor
stammenden digitalen Signals,
- – eine
Verifizierung, dass die Dauer der detektierten Impulse einer bestimmten
physischen Standardform entspricht,
und dadurch, dass
die besagte Gleitsumme jedes Mal der Verarbeitungseinheit zugeführt wird,
wenn die Gesamtheit der Abtastwerte oder eine bestimmte Anzahl von
Abtastwerten eines einem Ereignis entsprechenden Impulses summiert
ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung
hervor, die sich auf die rein beispielhaften und nicht einschränkenden
Figuren der beigefügten
Zeichnungen bezieht.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die 1,
schon beschrieben, ist ein schematischer Schnitt eines Detektionskopfes
einer bekannten Kamera des Anger-Typs.
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Die 2A und 2B, schon beschrieben, zeigen
schematisch eine Vorrichtung zum Sammeln und Codieren von Signalen,
die von den Fotovervielfachern des Detektionskopfes der 1 stammen.
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Die 3 ist
eine schematische Teilansicht einer Vorrichtung zum Sammeln und
digitalen Codieren von Signalen von Fotodetektoren entsprechend einer
speziellen Ausführungsart
der Erfindung.
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Die 4 ist
eine Graphik, die ein durch den Fotodetektor geliefertes Signal
nach der Anpassung durch einen Strom-Spannungswandler zeigt.
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Die 5 ist
ein Schaltplan einer Kamera, ausgerüstet mit einer Vorrichtung
zum Sammeln und digitalen Codieren nach der 3.
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Detaillierte Darstellung
von Ausführungsarten
der Erfindung
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Die 3 zeigt
eine spezielle Ausführungsart
der Vorrichtung der Erfindung.
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Sie stellt eine Teilansicht der Vorrichtung
dar, die einem einzigen Fotodetektor entspricht.
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Bei der Ausführungsart der 3 ist der Fotodetektor ein Fotovervielfacher 100,
der mit einem Strom-Spannungswandler 102 verbunden ist.
Als Reaktion auf ein durch den Fotovervielfacher detektiertes Ereignis
erhält
man an dem Ausgang 104 des Strom-Spannungswandlers 102 ein der 4 entsprechendes Signal.
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Die 4 ist
eine Graphik, die als Ordinate die Amplitude des von einem Fotodetektor
gelieferten, dem Impuls entsprechenden Signals angibt und als Abszisse
die Zeit. Die Amplitude des Signals und die Zeit sind in willkürlichen
Maßstäben angegeben. In
der 4 gibt t0 den Anfangszeitpunkt des durch den Fotovervielfacher
gelieferten Signals wieder und t1 den Zeitpunkt,
wo der Impuls wieder quasi null geworden ist, nachdem er ein Maximum
durchlaufen hat.
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Beispielsweise entspricht das Intervall
t1 – t0 ungefähr
einer Mikrosekunde.
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Wieder in 3 wird das am Ausgang 104 vorhandene
Signal nicht in einen analogen Integrierer eingespeist, sondern
in ein in einem Analog-Digital-Umsetzer 118a. Der Analog-Digital-Umsetzer
zerlegt jeden Impuls des Signals in eine bestimmte Anzahl Abtastwerte,
mit n bezeichnet.
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Zum Beispiel liefert der Umsetzer
von jedem Signal 10 Abtastwerte. In einem solchen Fall
macht der Analog-Digital-Umsetzer bei einem Signal von 1 μs alle 100
ns eine Abtastung.
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Es wird also deutlich, dass der Analog-Digital-Umsetzer 118a vorzugsweise
ein schneller Umsetzer des "Flash"-Typs ist, der mit
einer Frequenz in der Größenordnung
von 10 bis 20 MHz arbeitet. Die Auflösung des Umsetzers beträgt 7 Bits
oder mehr. Zum Beispiel kann die Auflösung 8 Bit betragen.
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Das von dem Analog-Digital-Umsetzer 118a gelieferte
Signal wird einem digitalen Summierer 108a zugeleitet.
Der digitale Summierer realisiert eine Gleitsumme der Abtastwerte,
die ihm der Analog-Digital-Umsetzer liefert. Die Gleitsumme wird
aus einer bestimmten Anzahl von Abtastwerten realisiert. Diese vorher
festgelegte Anzahl beträgt
zum Beispiel 10, bei einer Abtastung alle 100 ns.
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Der Wert der Gleitsumme wird jedes
Mal dann in eine Recheneinheit 122 eingespeist, wenn die
Gesamtheit der Abtastwerte oder eine bestimmte Anzahl von Abtastwerten
eines einem Ereignis entsprechenden Impulses summiert wird.
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Die Vorrichtung der 3 umfasst zu diesem Zweck ein Port 128,
gesteuert durch eine Steuereinheit 130.
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Die Steuereinheit 130, auch
mit dem Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers verbunden, kann zum
Beispiel so konzipiert oder programmiert sein, dass sie den Zeitpunkt
des Durchlaufens eines Maximums des am Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers 118a verfügbaren Signals
feststellen kann und eine bestimmte Anzahl Taktschritte später die
Speicherung des durch den Summierer 108a gelieferten digitalen
Signals in der Recheneinheit 122 auslösen kann. Das Durchlaufen eines
Maximums des digitalen Signals ermöglicht nämlich, das Vorhandensein eines
einem Ereignis entsprechenden Impulses zu detektieren.
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Die Steuereinheit umfasst:
- – einen
Signalkomparator, um das Signal in Bezug auf eine Rauschschwelle
zu vergleichen,
- – einen
Abtastkomparator, um den Wert eines Abtastwerts N + 1 mit dem Abtastwert
N zu vergleichen, während
das Signal größer ist
als besagte Rauschschwelle,
- – einen
Zähler,
um zu verifizieren, dass die Dauer der detektierten Impulse einer
bestimmten physischen Standardform entspricht.
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Diese Lösung hat den Vorteil, sehr
einfach zu sein. Sie ist jedoch ziemlich ungenau, wenn die Amplitude
der durch den Fotovervielfacher gelieferten Impulse klein ist.
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Es können auch alle Kanäle der Sammelvorrichtung
eine gemeinsame Steuereinheit haben. Nach dieser Variante kann sie
so konzipiert oder programmiert sein, dass sie das Durchlaufen eines
Maximums des Summensignals aller Fotovervielfacher (Energie) feststellt
und die Speicherung der digitalen Integrale aller Fotovervielfacher
eine bestimmte Anzahl von Taktschritten später auslöst.
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Diese Lösung ermöglicht eine besonders genaue
Auslösung
des Lesens der Summe. Sie eignet sich insbesondere für Bildherstellungsanwendungen des
Koinzidenz-PET-Typs.
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Nach einer anderen Variante kann
die Einheit 130 konzipiert und programmiert werden, um
das Durchlaufen eines Maximums eines von einem Fotovervielfacher
stammenden Signals mit großer
Amplitude festzustellen und den Transfer des digitalen Integrals
des Signals dieses Fotovervielfachers und der benachbarten Fotovervielfacher
auszulösen,
die Signale mit schwächerer
Amplitude haben. Diese Lösung
ist ebenfalls genau, erfordert aber den Vergleich zwischen Signalen
verschiedener Fotovervielfacher.
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Nach einer anderen vorteilhaften
Perfektionierung ist die Vorrichtung der 7 mit
einer Dekonvolutionseinheit 140 ausgerüstet, angeordnet zwischen dem
Analog-Digital-Umsetzer 118a und
dem digitalen Integrierer 108a.
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Diese Dekonvolutionseinheit 140 ermöglicht, die
Signale zu trennen, die zwei Impulsen entsprechen, die durch einen
selben Fotovervielfacher von zwei zeitlich und räumlich nahen Ereignissen (im Szintillator)
geliefert werden.
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Die Einheit 140 ermöglicht also,
gestapelte Signale zu verarbeiten. Zu diesem Thema kann man sich
auf die Dokumente (5) und (6) beziehen. Die Dekonvolution erfolgt
mittels einer zu der durch den Kristall, den Fotovervielfacher und
den Strom-Spannungswandler 102 gebildeten
Einheit inversen Transferfunktion.
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Die Vorrichtung der 3 ermöglicht,
wie oben angegeben, sehr kurz nacheinander eintretende und in dem
Szintillationskristall räumlich
nahe beieinander liegende Ereignisse getrennt zu verarbeiten.
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Außerdem finden das Codieren
und das Summieren kontinuierlich statt, und es ist nicht nötig, eine
Sequenzierung der Integration des analogen Signal vorzusehen.
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Schließlich ist es bei gleicher Genauigkeit möglich, einen
Analog-Digital-Umsetzer 118a zu verwenden, dessen Auflösung √n-mal weniger
groß ist als
die eines Analog-Digital-Umsetzers,
der sich vor dem Integrierer befindet, wobei n die Anzahl der Abtastwerte
ist, die benutzt werden um einen Impuls des Signals zu codieren.
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Insbesondere, wenn eine 10-Bit-Auflösung genügt, um ein
durch einen analogen Integrierer geliefertes analoges Signal digital
zu codieren, genügt eine
8-Bit-Auflösung,
um den Impuls des Fotovervielfachers am Ausgang des Vorverstärkers 102 im
Falle der 3 direkt zu
codieren. Dies ist der Fall, wenn n gleich ungefähr 10 ist.
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Dieser Aspekt ist besonders vorteilhaft.
Die Codierer mit einer 8-Bit-Auflösung sind standardisiert und
existieren in der ASIC-Bibliothek. Es ist also möglich, die gesamte Sammel- und Digitalcodierungsvorrichtung
in Form einer integrierten Schaltung leicht und kostengünstig herzustellen.
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Die 5 zeigt
die Verkabelung eines Detektionskopfes 10 einer mit der
erfindungsgemäßen Sammel-
und Codiervorrichtung ausgerüsteten
Kamera. Der Detektionskopf 10 umfasst eine Vielzahl Fotovervielfacher 100,
deren Ausgang jeweils als eine Stromquelle 50 symbolisiert
ist. Der Ausgang jedes Fotovervielfachers 100 ist mit einer
Sammel- und Digitalcodierungseinheit 99 ausgestattet, um
das Signal jedes Fotovervielfachers individuell zu verarbeiten.
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Jede Einheit 99 kann als
ein Kanal der Sammel- und Digitalcodierungsvorrichtung der Erfindung betrachtet
werden. Alle Einheiten 99 sind identisch aufgebaut, zum
Beispiel nach dem schon beschriebenen Schaltplan der 3 oder nach dem Schaltplan
der weiter oben beschriebenen 7. Die
Sammel- und Codierungseinheiten sind durch elektrische Verbindungen
L individuell mit der digitalen Recheneinheit 122 verbunden.
Diese Recheneinheit 122 ist zum Beispiel mittels Software
so programmiert, dass sie die Position, die Koordinaten und die
Energie eines in dem Detektionskopf detektierten Ereignisses bestimmt.
Die Recheneinheit kann auch programmiert werden, um ein durch die
Kamera gesehenes Bild aufgrund der Positionen und Energien der Ereignisse
herzustellen.
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IN DER BESCHREIBUNG
GENANNTE DOKUMENTE
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- (1) US-A-3 011 057
- (2) FR-A-2 669 439
- (3) US-A-4 900 931
- (4) US-A-4 672 542
- (5) FR-A-2 665 770 (≡ EP-A-0
470 909)
- (6) US-A-5 276 615
- (7) Mankoff D A et al.: "The
High Count Rate Performance of a Two-Dimensionally Positionsensitive
Detector For Positron Emission Tomography", Physics in Medicine and Biology, Vol.
334, Nr. 4, April 1989, Seiten 437–465, XP000005971
- (8) WO-A-93 15420
- (9) EP-A-0 277 391