DE69816626T2

DE69816626T2 - Verfahren und vorrichtung zum verhindern von 'pile-up'bei der detektion ankommender energiesignale

Info

Publication number: DE69816626T2
Application number: DE69816626T
Authority: DE
Inventors: Wai-Hoi Wong; Hondi Li
Original assignee: University of Texas System
Current assignee: University of Texas System
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1998-05-07
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2018-05-08
Also published as: AU7566198A; JP2001524217A; US6310349B1; ATE245820T1; CA2288788A1; DE69816626D1; EP1007988A1; EP1007988B1; ES2202859T3; US20020121603A1; US6525322B2; PT1007988E; WO1998050802A1

Description

1. Gebiet der Erfindungü
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet der Strahlungsdetektion und der Bildgebungstechnologie.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Wenn ein Strahlungspartikel (Gammastrahl, Neutron, Elektron, usw.) in einem Szintillationsdetektor detektiert wird, emittiert der Szintillationsdetektor Licht, welches dann durch einen Photosensor (z. B. eine Photovervielfacherröhre oder Photodiode) in ein elektronisches Signal umgewandelt wird. Dieses elektronische Signal kann dann von elektronischen Schaltungen aufgenommen und verstärkt werden. In der Periode nach dem Auftreffen der Strahlung auf den Szintillationsdetektor fällt das Szintillationslicht exponentiell mit einer Zeitkonstante r (die Zeit, wenn der Lichtpegel auf 37 des Anfangspegels abgefallen ist) gemäß Darstellung in 1 ab.
1 stellt die Energieabgabe von zwei Gammastrahlpartikeln über der Zeit dar. Da die Gesamtmenge des von dem Szintillationsdetektor dargestellten Lichts linear die von dem Strahlungspartikel in dem Detektor abgeschiedene Energie repräsentiert, ist die Fläche oder das Integral unter den Kurven in 1 ein Maß für die Partikelenergie. Gemäß Darstellung in Fig. 1 definieren die Fläche 5 und die Fläche 10 ein Maß der Partikelenergie der Gammastrahlpartikel. Ferner ist die Anfangsspitze in dem Lichtpegel ebenfalls proportional zu der Strahlungsenergie. Somit können sowohl die Fläche 5, als auch die Spitze V1 in 1 zum Messen der Energie des Gammastrahls oder des Sprahlungspartikels verwendet werden. Da die Fläche unter der Kurve (das Integral des Lichts) wesentlich mehr Lichtsignale beinhaltet als der momentane Spitzenlichtpegel wird das Integral (die Gesamtmenge des emittierten Lichts) im allgemeinen zum Messen der Strahlungsenergie verwendet.
Wenn der Strahlungsfluß zunimmt, wird es zunehmend wahrscheinlicher, daß das nächste Strahlungspartikel an dem Detektor ankommen kann, während alle vorherigen Ereignisse noch Licht emittieren (2). In diesem Falle geht die Identität jedes einzelnen Strahlungspartikels verloren und mehrere Partikel vereinigen sich in ein großes Signal, wie es in 2 dargestellt ist. In diesem Falle können weder der Spitzenpegel (V1 oder V2 von 1) noch die Integralinformation (Fläche 5 oder Fläche 10 von 1) zum Trennen oder Messen der Energie jedes Partikels verwendet werden. In diesen Situationen reagiert das Detektionssystem aufgrund einer fehlerhaften Messung nicht korrekt.
Es ist bekannt, daß eine Zeitdauer von angenähert 4τ erforderlich ist, um 98% des Szintillationslichts aus jedem Strahlungsanregung zu sammeln. Somit wird, wenn das nächste Ereignis zu einem Zeitpunkt t > 4τ auftritt, der Überlagerungsenergiefehler bei dem nächsten Ereignis kleiner als 2%. Somit ist es, um den Überlagerungsfehler klein zu halten, er- wünscht, die Möglichkeit zu minimieren, daß zwei Ereignisse (Strahlungsanregungen) innerhalb einer Zeitdauer < 4τ auftreten. Da der Zeitabstand zwischen zwei Ereignissen eine Zufallsverteilung zentriert um die "mittlere Ankunftszeit" ist (d. h., der Zeitabstand zwischen zwei Ereignissen eine Zufallsvariable ist), wird es nach dem Stand der Technik im allgemeinen praktiziert, den Detektor so zu betreiben, daß.
die "mittlere Ankunftszeit" 10 × (4τ) = 40τ ist, und die Zu fallsmöglichkeit zu verringern, daß zwei Ereignisse sich näher 4τ kommen. Mit diesen 10x "Freiraum" ist die Wahrscheinlichkeit, daß zwei Ereignisse sich näher a1s 4τ kommen (unter Verwendung von Poisson-Statistiken) angenähert 10%. Der Freiraumfaktor, als eine Funktion des Überlagerungsprozentsatzes ist in der nachstehenden Tabelle 1 dargestellt:
Tabelle 1 Freiraumfaktor und Überlagerungen
Somit ist ein 10x Freiraum eine vernünftige Wahl und wird im allgemeinen nach dem Stand der Technik praktiziert. In Verbindung mit einer 4r-Lichtsammelzeit (Systemtotzeit) liefert ein derartiger Detektor nach dem Stand der Technik einen gemessenen Energiefehler (aufgrund von Überlagerung) von weniger als ängenähert 2% für angenähert 90% der Zeit und einen Energiemeßfehler (Energieauflösung) größer als 10% für angenähert 10% der Zeit. Diese minimale 10x Freiraum (40τ) Zeitanforderung bedeutet, daß die maximale Detektionsrate gleichfalls 1/(40τ) für den Szintillationsdetektor sein sollte.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht einem Szintillationsdetektorsystem bei wesentlich höheren Ereignisraten (Zählraten) zu arbeiten, indem der 10x Freiraumfaktor ohne Überlagerung vermieden wird. Die vorliegende Erfindung erlaubt eine größere Ereignisrate mit einem geringen Opfer in der Gesamtmenge des gesammelten Szintillationslichts, insbesondere bei einem 10-fach höheren Strahlungsfluß mit einem, geringem oder keinem Opfer in der Meßgenauigkeit. Wenn der Anteil des gesammelten Szintillationslichts reduziert werden. kann (d. h., wenn ein Benutzer willens ist, ein Kompromiß bei der Meßgenauigkeit einzugehen) ermöglicht die vorliegende Erfindung dem Detektor bei angenähert 20-fach höheren Zählraten als herkömmliche Verfahren zu zählen.
Das US Patent Nr. 3,747,001 offenbart ein Impulszählsystem mit zwei Kanälen, zur Impulsverarbeitung bei unterschiedlichen Raten und einen Impulsüberlagerungsdetektor, um auszuwählen, welcher Kanal verwendet wird. Die Impulseingabe wird verzögert, bis der Überlagerungsdetektor entscheiden känn, ob irgend einem Impuls so zeitlich nahe ein zweiter Impuls folgt, daß eine Impulsüberlagerung entsteht. Wenn keine Impulsüberlagerung detektiert wird, wird der langsamere Kanal ausgewählt. Wenn eine Impulsüberlagerung vorhergesagt wird, wird der schnelle Kanal mit entsprechender kürzerer Impulsbreite ausgewählt, um die zeitliche Auflösung zu verbessern.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Detektion der Energie von ankommenden Signalen ohne Überlagerung vorheriger ankommender Signale gemäß Definition in den Ansprüchen 1 und 13 bereitgestellt: Entsprechende Verfahren zum Erzielen von Energieinformation von ankommenden Signalen werden gemäß Definition in den Ansprüchen 18 und 22 bereitgestellt. Die Vorrichtung und gemäß der Erfindung weist auf: eine Verzögerungsschaltung zum Empfangen, Halten und Durchführen eines ankommenden Signals; eine Berechnungsschaltung zum Ermitteln eines gewichteten Wertes des ankommenden Signals; eine Abtastschaltung zum Empfangen, des gewichteten Wertes. Die Abtastschaltung leitet den gewichteten Wert (welcher an einen A/D-Wandler weitergegeben werden kann) nach dem Empfang eines Auslösesignals weiter, was dem Empfang eines nächsten ankommenden Signals bei einer Auslöseschaltung entspricht. Die Berechnungsschaltung weist einen Verstärker, einen Integrator und einen Addierer auf. In einer exemplarischen Ausführungsform ist der gewichtete Wert eine Summe eines integrierten Wertes und eines Momentanwertes und kann im wesentlichen ein konstanter Wert sein.
Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch eine Glättungsschaltung enthalten, welche mit der Schaltung verbunden und dafür angepaßt ist, das ankommende Signal zu empfangen. Die Vorrichtung weist auch eine Restsubtraktionsschaltung auf, um den gewichteten Wert um einen Restsignalwert zu verringern. Die Abtastschaltung entlädt den gewichteten Wert nach der Eingabe des Auslösesignals.
Die vorliegende Erfindung kann in Verbindung mit nuklear medizinischen Anwendungen, wie z. B. als eine PET- oder Gamma-Kamera verwendet werden und kann dazu genutzt werden, sowohl Energie als auch Positionsinformation zu ermitteln. Eine derartige Vorrichtung gemäß Definition in 13 weist eine Vielzahl von Verzögerungsschaltungen, eine Vielzahl von Berechnungsschaltungen und eine Vielzahl von Abtastschaltungen auf, wobei jede von den Verzögerungsschaltungen ein anderes ankommendes Signal aus einem anderen Ausgang einer Gamma-Kamera empfängt. Die Verzögerungsschaltung, Berechnungsschaltung und Abtastschaltung weisen eine Überlagerungs-Verhinderungsschaltung auf.
Spezielle Ausführungsformen weisen eine Vielzahl von Überlagerungs-Verhinderungsschaltungen auf und können einen digitalen Signalprozessor und eine mit jeder von den Überlagerungs-Verhinderungsschaltungen verbunden schnelle Auslöseeinrichtung enthalten. Eine derartige Ausführungsform kann auch eine mit der schnellen Auslöseeinrichtung verbundene Zwischenzonen-Detektionsschaltung aufweisen und einen mit der Zwischenzonen-Detektionsschaltung verbunde nen Multizonen-Auslöseprozessor, die eine Schwerpunktmittelung ausführen kann. Eine exemplarische Ausführungsform kann eine Vielzahl von schnellen Auslöseeinrichtungen enthalten.
Ein Verfahren zum Verhindern einer Signalüberlagerung gemäß Definition in Anspruch 18 umfaßt: Verzögern eines ankommenden Signals für eine vorgewählte Zeit vor einer Weiterleitung des ankommenden Signal; Berechnen eines gewichteten Wertes des ankommenden Signals; Abtasten des gewichteten Wertes nach dem Empfang eines Auslösesignals von den nächsten Strahlungspartikel und dadurch Verhindern einer Signalüberlagerung. Das Berechnen umfaßt das Verstärken des ankommenden Signals, um ein verstärktes Signal zu erhalten, die Integration des ankommenden Signals, um ein integriertes Signal zu erhalten und das Addieren des verstärkten Signals und des integrierten Signals, um den gewichteten Wert zu erhalten. Dieses Verfahren erzeugt dadurch eine variable Signalsammelzeit.
Die vorliegende Erfindung weist auch eine Vorrichtung, gemäß Definition im Anspruch 13 zum Detektieren von Positionsund Energieinformation von jedem einzelnen einer Vielzahl von ankommenden Signalen, die von einer Gamma-Kamera empfangen werden, ohne Überlagerung vorheriger von der Vielzahl ankommender Signale auf, indem sie enthält: eine erste Verzögerungsschaltung, die zum Empfängen eines ersten ankommenden Signals aus der Gamma-Kamera geschaltet ist, um das erste ankommende Signal von einem Eingang zu einem Ausgang der ersten Verzögerungsschaltung nach einer ersten Verzögerungszeit weiterzuleiten; eine zweite und dritte Verzögerungsschaltung, diewie die erste Verzögerungsschaltung angeordnet sind, um zweite und dritte ankommende Signale zu empfangen, verzögern und weiterzuleiten; eine Auslöseschaltung, die zum Empfängen des dritten ankommenden Signals aus der Gamma-Kamera und zum Erzeugen eines Auslösesignals und einer Zeitmarkierung nach dem Empfang eines bei der Auslöseschaltung ankommenden nächsten dritten ankommenden Signals geschaltet ist; erste, zweite und dritte Berechnungsschaltungen, wobei jede zum Empfangen eines Ausgangssignals von einer entsprechenden von den ersten, zweiten und dritten Verzögerungsschaltungen geschaltet ist, und zum Ermitteln eines entsprechenden gewichteten Wertes für jedes von den ersten, zweiten und dritten ankommenden Signalen; erste, zweite und dritte Abtastschaltungen, wobei jede von den Abtastschaltungen zum Aufnehmen eines entsprechenden von den ersten, zweiten und dritten gewichteten Werten geschaltet ist, und Schaltungen, um den entsprechenden gewichteten Wert nach dem Empfang des Auslösesignals weiterzuleiten; und einen digitalen Signalprozessor der zum Aufnehmen der ersten, zweiten und dritten gewichteten Werte geschaltet ist, und zum Subtrahieren von Restsignalwerten, die gewichteten Restwerten von vorherigen von den ersten, zweiten und dritten ankommenden Signalen entsprechen undzum Bereitstellen eines Ausgangssignals, das einem Positionswert der ersten und zweiten ankommenden Signale und einem E- nergiewert des dritten ankommenden Signals entspricht.
Die vorliegende Erfindung beruht auch auf einem Verfahren gemäß Definition in Anspruch 22 zum Erzielen von Energieinformaton für jedes Einzelne von einer Vielzahl von einem Detektor empfangen ankommender Signale ohne Signalüberlagerung mit den Schritten: Verzögern eines ankommenden Signals für eine vorbestimmte Zeit; Berechnen des gewichteten Wertes des Signals nach der vorbestimmten Zeit; Abtasten des gewichteten Wertes nach dem Empfang eines nachfolgenden Signal; und Subtrahieren eines Restsignalwertes von dem gewichteten Wert, um die Energieinformation zu erhalten. Der Restsignalwert entspricht einem gewichteten Restwert von wenigsten einen vor hergehenden Restwert von wenigstens einem vorhergehenden ankommenden Signal, und verhindert dadurch eine Signalüberlagerung.
Die Verfahren der vorliegenden Erfindung können dazu genutzt werden, Gamma-Kameras (oder ändere Strahlungsdetektoren) in Situationen mit sehr hoher Zählrate zu betreiben. Die vorliegende Erfindung umfaßt die nachstehenden Merkmale: (a) keinen Kompromiß bei der gemessenen Energieauflösung bei niedrigen Zählraten; (b) Zählimpulsrückgewinnungen und genaue Energiemessung sogar für Gamma-Strahlen innerhalb einer mehrere Gamma-Strahlen beinhaltenden Überlagerung; (c) optimale Szintillationslichtsammlung in Situationen mit sehr hoher Zählrate; und (d) Fähigkeit in eine Mehrzonenarchitektur überzugehen, um die Zählratenfähigkeit noch weiter zu erhöhen. Die vorliegende Erfindung enthält Algorithmen, welche auf alle auslösenden Gamma-Strahlen zutreffen (es dürfte sich verstehen, daß, obwohl Gamma-Strahlen hierin diskutiert werden; die vorliegende Erfindung auf alle Arten von Strahlung detektoren zutrifft), um die korrekte Energie und Position jedes auslösende Gamma-Strahls zu extrahieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die nachstehenden Zeichnungen bilden einen Teil der vorliegenden Beschreibung und sind beigefügt, um bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung weitergehend darzustellen. Die Erfindung wird besser unter Bezugnahme auf eine oder mehrere von diesen Zeichnungen in Verbindung mit der detaillierten Beschreibung hierin dargestellter spezifischer Ausführengen verständlich. In den Zeichnungen ist, bzw. sind:
1 eine graphische Darstellung der Szintillator1ichtabgabe von Gamma-Strahlen über der Zeit.
2 eine graphische Darstellung einer Szintillatorlichtabgabe von einer Vielzahl von Strahlungspartikeln mit Überlagerung.
Fig. 3A eine graphische Darstellung des exponentiellen Abfalls eines Strahlungspartikels über der Zeit.
3B eine graphische Darstellung der gesamten integrierten Energie aus einem Strahlungspartikel.
4A eine graphische Darstellung eines gewichteten momentanen und integrierten Signals eines Strahlungspartikels gemäß der vorliegenden Erfindung.
4B eine graphische Darstellung einer gewichteten Summe eines momentanen Signals und eines integrierten Signals eines Strahlungspartikels gemäß der vorliegenden Erfindung.,
5A eine Blockdarstellung einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5B eine Blockdarstellung einer weiteren exemplarisehen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 eine Blockdarstellung einer exemplarischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 eine Darstellung einer PMT-Konfiguration, welche gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
8 eine Darstellung einer Grenzartefakterzeugung.
9 eine Blockdarstellung einer exemplarischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
10 eine Darstellung von Untersuchungsergebnissen gemäß der vorliegenden Erfindung.
11 eine graphische Darstellung einer Szintillatorlichtabgabe von einer Vielzahl von Strahlungspartikeln mit zusammenhängenden Überlagerungen.
12A–12B graphische Vergleiche von Energiespektren für Zählraten herkömmlicher Verfahren ( 12A) und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung (12B).
13A–13D graphische Darstellungen eines Energiespektrums einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bei sehr hohen Zählraten.
14 eine graphische Darstellung der Energieauflösung (prozentualer Fehler) als eine Funktion von Zählraten herkömmlicher Verfahren und von Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
15 eine graphische Darstellung von detektierten Zählraten als eine Funktion von Zählraten herkömmlichen Verfahren und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
16 eine graphische Darstellung des Energiespektrums eines Verzögerungsleitungs/Impulsbegrenzungs-Verfahrens.
17A bis 17F graphische Darstellungen des Energiespektrums von einer ^99mTC -Quelle mit und ohne Restsubtraktion.
18A eine Darstellung eines Monte Carlo Ergebnisses gemäß der vorliegenden Erfindung.
18B eine Darstellung eines Monte Carlo Ergebnisses eines Impulsbegrenzungsverfahrens.
Fig. 18C eine Darstellung eines Monte Carlo-Verfahrens eines herkömmlichen Verfahrens mit fester Integration.
19A ein Flußdiagramm eines exemplarischen Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung..
19B ein Flußdiagramm eines weiteren exemplarischen Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG VERANSCHAULLCHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung umfaßt in einem breiten Aspekt eine dynamiche Überlagerungs-Verhinderungstechnik zum Steigern der Zählratenfähigkeit von Szintillationsdetektoren. In einer Ausführungsform kann ein NaI(T1)-Szintillator zum Veranschaulichen des Verfahrens verwendet werden. Obwohl hierin NaI(T1)-Szintillatoren hierin diskutiert werden, ist die vorliegende Erfindung auch auf andere Detektoren, wie z. B. BGO, GSO, LSO, Kunststoff und CsI anwendbar. Die dynamische Überlagerungstechnik der vorliegenden Erfindung besitzt eine variable Detektorsignal-Sammelzeit (Totzeit), wäh- rend herkömmliche Systeme typischerweise eine feste Totzeit von T μs (4τ) für NaI(T1)-Szintillatoren besitzen. Der Grund; daß 1 μs im allgemeinen als eine feste Totzeit verwendet wird, besteht darin, daß das Szintillationslicht aus einem. NaI(T1)-Szintillator exponentiell mit einer Zeitkonstante von 0,24 μs abfällt. Somit wird etwa 98% des Lichts in einer Signalsammelzeit von 1 μs gesammelt. Somit wird der Energiemeßfehler (Energieauflösung) minimiert.
Aus der Poisson-Statistik ergibt sich, wenn ein System mit einer Rate R = 10⁶ Zählimpulsen pro Sekunde (cps) zählt und wenn die Signalintegrations-(Sammel)-Zeit 1 μs ist, daß der Anteil von sich nicht überlagernden Zählimpulsen nur e^-Rτ 37% beträgt. Somit sind angenähert 2/3 der Zählimpulse Überlagerungsereignisse. Obwohl eine Verkürzung der Signalsammelzeit unter 1 μs den Anteil von Nicht-Überlagerungsereignissen verbessern würde, würde sie auch zwei Probleme bewirken. Erstens könnte die Verkürzung der Zeit die Energieauflösung oder den Fehler vergrößern (eine gute oder kleine Energieauflösung ist für die Unterdrückung von Streurauschen notwendig), da die Energieauflösung invers proportional zu der Quadratwurzel der Lichtsammlung ist. Zweitens würde, selbst wenn die Sammelzeit elektronisch verkürzt wird, das Ventilationslicht weiter von dem Detektor von den zuvor detektierten Gammastrahlenpartikeln emittiert. Diese Restsignale würden fehlerhaft auf das Signal des nachfolgenden Gammastrahlpartikels addiert.
Positionsempfindliche Detektoren mit Anger-Dekodierungsalgorithmen werden in SPELT-Kameras und PET-Kameras (NaI(T1), BGO und LSO-Systemen) verwendet, um die Herstellungskosten zu- reduzieren. Ein Nachteil von Anger-Detektoren sind die niedrigeren Detektionsraten, da alle in der Lokalisierung eines Einfallsereignisses beteiligten Photovervielfacher (PMT'5) an der Signalsammlung für eine feste Zeitdauer beteiligt sind und dadurch verhindern, daß das Detektionssystem ein zweites Ereignis verarbeitet, welches innerhalb dieser Zeitdauer auftritt: Aus Betrachtungen hinsichtlich Energie und räumlicher Auflösung wird eine feste Signalsammelzeitdauer von 2τ_s bis 3τ_s bevorzugt, wobei τ_s die Zeitkonstante des Szintillationsabfalls ist. Aufgrund der räumlichen Verteilung des Zeitabstandes zwischen zwei Ereignissen sollte der mittlere Zeitabstand zwischen zwei Ereignissen das 10-fache der S gnalsammelzeit (20τ_s bis 30τ_s) sein, um die Möglichkeit einer Signalüberlagerung auf 10% zu reduzieren. Für NaI(T1)- und BGO-Detektoren wäre dieser einschränkende mittlere Zeitabstand 5 bis 9 μs, was einer maximalen Zählrate von 110 bis 200.000 Zählimpulsen/Sekunde (Kcps) pro Kristall oder Kristallblock entspricht, was für viele Jahre die maximalen Zählraten für die meisten Gamma-Kameras und BGO-Blockdetektoren waren. Jedoch werden für bestimmte Anwendungen höhere Betriebszählraten bevorzugt.
In letzter Zeit wurde mit dem Aufkommen von Koinzidenzpositron-Bildgebungs-Gamma-Kameras der Bedarf für zunehmende Kamerazählraten deutlicher. Derzeit werden zwei Lösungswege zur Erhöhung der Zählraten von Gamma-Kameras verfolgt:

(a) das dynamische Integrationsverfahren, welche das erste Signal integriert bis ein nächstes Ereignis (Über- lagerung) eintrifft. Eine geschätzte Signalergänzung wird dann auf dem ersten Impuls hinzuaddiert, um das Signalsammeldefizit zu korrigieren und dasselbe Korrektursignal wird von dem nächsten Impuls zur Korrektur des Restlichts aus dem vorhergehenden Impulse subtrahiert (Lewellen et al., 1989). Dieses Verfahren ist für eine Überlagerung von zwei Impulsen re1ativ einfach, ist aber für eine Überlagerung mehrerer Impulse komplizierter, wobei eine zusätzliche Schaltung für jede höhere Vielfachheit der Überlagerung benötigt wird.
(b) ein Verzögerungsleitungs/Impulsbegrenzungs-(DLPC)-Verfähren, welches bereits auf NaI(T1)-PET-Kameras angewendet worden ist (Card et al., 1986). Diese Technik wurde vor kurzem auf Koinzidenzbildgebungs-Gamma-Kameras angepaßt. Im allgemeinen reduziert das DLPC-Verfahren die Szintillationsimpulsbreite auf τ (von 3τ aus), was die maximalen Kameräzählraten um etwa das 3-fache erhöht. Ein Vorteil dieses Verfah- rens besteht darin, daß es in eine Multizonenarchitektur integriert werden kann, welche einen NaI(T1)-Kristall in mehrere pseudo-unabhängige Zonen aufteilt (als ob er mehrere pseudo-unabhängige Kristalle enthalten würde), um die maximalen Kamerazählraten weiter zu erhöhen. Es ist bekannt, daß die DLPC-Technik (Muehllehner and Karp,. 1968; Karp et al., 1986; Tanaka et al., 19,79; Miyaoka et al., 1996) verwendet werden kann, um das Restsignalproblem zu verkleinern, daß aber ein derartiges Verfahren jedoch nicht das Problem der verschlechterten Energieauflösung beseitigt. Ferner verschiebt dieses Verfahren den Beginn der Überlagerung nur auf eine mäßig hohe Zählrate.

Ein weiterer vorgeschlagener Lösungsansatz, der in dem US Patent Nr. 5,430,406, welches hiermit durch Bezugnahme bein haltet ist, offenbart ist, verwendet einen dynamischen Lösungsansatz, um eine gewichtete Summe des momentanen Signals und des integrierten Signals au erhalten, um die Energie für das erste Ereignis ineiner Überlagerung von zwei Ereig- nissen anzugeben. Das zweite Ereignis in dieser Überlagerung von zwei Ereignissen wurde nur zur Detektion eines Überlagerungszustandes verwendet, um das erste Ereignis zu verarbeiten, und dieses zweite Ereignis wird nicht weiter für Rückgewinnungsversuche verarbeitet. Somit kann dieses Verfahren ein gutes Spektrum bei bescheiden hohen Raten garantieren, wenn die meisten Überlagerungen, Überlagerungen von zwei Ereignissen sind, wobei aber der Zählimpulsverlust aufgrund des Verlusts des zweiten Ereignisses hoch ist. Zweitens kann theore- tisch gezeigt werden, daß die gewichtete Summe im allgemeinen nicht gleich der Energie eines auftreffenden Ereignisses ist (siehe Anhang), da sie auch das Restlicht von allen vorhergehenden Ereignissen enthält. Die gewichtete Summe ist nur gleich der Ereignisenergie, wenn das erste Ereignis in der. Überlagerung von zwei Ereignissen nicht eine Überlagerung auf vorherigen Ereignissen ist, welches eine sich widersprechende Bedingung in Situationen mit sehr hohen Zählraten ist, in welchen die meisten Ereignisse sich auf dem Signal von einem oder mehreren vorausgehenden Ergebnissen befinden. Somit sind die Fehler in desen Energiemeßverfahren in Situationen mit hoher Zählrate sehr hoch, wenn viele Ereignisse Teil von Überlagerungen mehrerer Ereignisse sind), wie es aus der nach- stehenden Tabelle dargestellt wird, welche aus Poisson- Statistiken für NaI(T1) für die Wahrscheinlichkeiten von Überlagerungen mehrerer Ereignisse innerhalb 1 μs abgeleitet wurden:
Tabelle 2 Überlagerungsanteile als Funktion von Zählraten
Die vorliegenden Erfindung stellt einen neuen Lösungsansatz für die Verhinderung einer Signalüberlagerung, nämlich, ein hybrides Signalverarbeitungsverfahren auf der Basis verschiedener Konzepte bereit. Es ist bekannt, daß, nachdem ein Szintillationskristall einen Gammastrahl detektiert, die Lichtabgabe exponentiell abfällt. Dieses Signal ist in Fig. 3A zusammen mit ihren Fehlergrenzen der Einfachstandardabweichung(±σ) dargestellt. Zu Beginn werden etwa 40 Elektronen pro 10 ns Dauer von einer 140 KeV Energieabscheidung aus "^99mTe" erzeugt. Das gesamte integrierte Signal über eine Dauer von 1 μs beträgt etwa 1000 Elektronen aus diesen 140 KeV-Energieabscheidungsereignis, gemäß Darstellung in 3B. Für einen gestreuten Gammastrahl mit 70 KeV Energieabscheidung wäre das Anfangssignal 20 Elektronen pro 10 ns Dauer und das gesamte integrierte Signal wäre 500 Elektronen. Obwohl diese Zahl für von einem NaI(T1)-Szintillationsdetektor detektierte Gammastrahlen spezifisch ist, treffen dieselben allgemeinen Prinzipien und allgemeinen Kurven, die in 3A und 3B dargestellt sind, auf andere Strahlungspartikel und andere Strahlungsdetektoren zu. Somit können sowohl das momentane Signal, als auch das integrierte Signal zum Ermitteln der detektierten Gammaenergie verwendet werden. Jedoch ist der prozentuale Fehler bei dem über 1 μs gesammelten integrierten Signal wesentlich geringer, wie es in 3B dargestellt ist. Aus diesem Grunde wird herkömmlicherweise nur die Technik des integrierten Signals verwendet.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine hybride Signalverarbeitungstechnik, welche sowohl das momentane Signal, als auch das integrierte Signal zusammen verwendet, um zur Ableitung der Strahlungsenergie beizutragen, da beide Signale Strahlungsenergieinformation enthalten.
In einer exemplarischen Ausführungsform kann das momentane Szintillationssignal aus der Photovervielfacherröhre (PMT) mit einem Filter geglättet werden, beispielsweise mit einem RC-Filter mit einer Zeitmittelung von 10 ns. Dieses geglätteto momentane Signal und das integrierte Signal sind in den 3A und 3B dargestellt. Das geglättete momentane Signal ist auf ein Äquivalent von 1000 Elektronen zum Zeitpunkt Null verstärkt und dieses verstärkte summierte Signal wird mit dem integrierten (nicht verstärkten) Signal gemäß Darstellung in 4A summiert. Obwohl die hierin beschriebene spezifische Ausführungsform dieses Signal auf einen bestimmten Pege1 von 1000 Elektronen verstärkt, dürfte es sieh verstehen, daß das geglättete momentane Signal auf verschiedene Pegel abhängig von den Typ der Strahlung und dem Detektor verstärkt werden kann. In bestimmten Ausführungsformen muß das geglättete momentane Signal nicht einmal verstärkt werden.
Das sich ergebende gewichtete Summensignal des momentanen Signals und des integrierten Signals ist eine Konstante und ist immer ein Maß der Strahlungsenergie, wenn das Ereignis. keine Überlagerung auf vorherigen Ereignissen ist, unabhängig davon, wann das Summensignal abgetastet wird. In einer exemplarischen Ausführungsform kann die abgetastete Signalampli tude immer 1000 Elektronen betragen, was äquivalent zu einer Energieabscheidung von 140 KeV ist. Die gewichtete Summe ist zeitlich konstant, da das verstärkte (gewichtete momentane Signal mit r (E₀e^–t/τ/τ) ist = E₀e^–t/τ (eine Eigenschaft von NaI(T1) und anderen Szintillatoren) abnimmt, und das integrierte Signal mit E₀(1-E^–t/τ), der mathematischen Eigenschaft der Integration einer Exponentialfunktion, zunimmt. Somit ist die gewichtete Summe unabhängig von dem Zeitpunkt, an welchem das Signal von den Komponenten der vorliegenden Erfindung abgetastet wird. Eine Kombination des momentanen Signals und des integrierten Signals leitet die gewichtete Summe gemäß der nachstehenden Gleichung ab.
Gewchtete Summe = E0e–t/ τ + Ea (1-E–t /τ) = E0 (1)
Durch die Vorgabe dieser Gleichung für das gewichtete Summensignal kann man sehen, daß an bestimmten Zeitpunkten mehr von dem Signal aus dem momentanen Signal stammt, während zu anderen Zeitpunkten mehr von dem Signal aus dem exponentiellen Signal stammt. Wenn die gewichtete Summe zu früheren Zeitpunkten abgetastet wird, ist die Varianz der Messung höher, da mehr Informationsgewicht durch das momentane Signal gegeben ist, wie es in den 4A–4B dargestellt ist. Wenn das Summensignal bei 1 μs abgetastet wird, konvergiert die Summe auf die des integrierten Signals mit einer kleineren Varianz gemäß Darstellung in Fig. 4B.
In der vorliegenden Erfindung wird, wenn kein Gammastrahl nnerhalb der herkömmlichen Integrationszeitdauer, beispielsweise 1 μs, detektiert wird, das in der Dauer des vorliegenden Ereignisses erzielte Summensignal abgetastet. Wenn ein nächster Gammastrahl innerhalb 1 μs eintrifft, wird das Signal (Summe) in der Dauer des momentanen Gammastrahls sofort abgetastet; bevor das Szintillationssignal des nächsten Gammastrahls die Signalmeßschaltung erreicht: Somit schließt die gemessene Signalsumme, welche den momentanen Gammastrahl betrifft, das fehlerhafte Überlagerungssignal aus dem nächsten Gammastrahl aus. Jedoch kann die Signalsumme immer noch Signale aus vorherigen Ereignissen enthalten.
Ein Flußdiagramm eines Algorithmus gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 19A dargestellt: Gemäß Darstellung in 19A wird ein detektiertes Signal im Schritt 210 integriert, im Schritt 220 verstärkt und bewirkt ein Auslösesignal im Schritt 230. Der integrierte Wert des detektierten Signals und der verstärkte Wert des detektierten Signals werden im Schritt 240 summiert. Der summierte Wert wird im Schritt 250 gespeichert und an die Restsubtraktionsschaltung zur Verwendung bei der Verarbeitung gesendet.
Zusätzlich wird das Auslösesignal aus dem Schritt 230 gesendet, um den Zeitabstand zwischen dem momentan detektierten Signal und dem zuvor detektierten Signal im Schritt 260 zu bestimmen. Die Summe des zuvor detektierten Signals wird mit einer Exponentialgröße des Zeitabstandes im Schritt 280 multipliziert. Dieser Wert wird dann von dem momentan detektierten Signalsummenwert im Schritt 270 subtrahiert. Das Ausgangssignal des Schrittes 270 ist das detektierte Energiesignal E_i gemäß Darstellung im Schritt 290.
Eine Blockdarstellung einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die dieses Verfahren imiplementiert ist in 5A dargestellt. Gemäß Darstellung in Fig. 5A empfängt die exemplarische Überlagerungs-Verhinderungsschaltung 10D elektrische Signale aus einem (in Fig. 5A nicht dargestellten) Photosensor, der mit dem Eingang der Schaltung verbunden ist. Die Überlagerungs-Verhinderungsschaltung (PPC – pile-up prevention circuit) 100 enthält eine Zeitauslöseeinrichtung 110, welcher ein Signal an die Abtastund Entlade-Steuerschaltung 170 und die Restsubtraktions schaltung 190 nach dem Empfang eines Signals liefert. In einer exemplarischen Ausführungsform kann die Zeitauslöseeinrichtung 110 ein einfacher Schwellendiskriminator oder ein Verzögerungsleitungs/Begrenzungs-Diskriminator sein, welcher eine Nachauslösung durch das Restsignal desselben Partikels minimiert. Alternativ kann die Zeitauslöseeinrichtung 110 eine weitere geeignete Auslösevorrichtung sein, wie z. B. ein Schmitt-Trigger sein. Die PPC 100 enthält auch eine Giättungsschaltung 120, um das empfangene Signal zu. glätten. In einer exemplarischen Ausführungsform kann die Glättungsschaltung 120 ein Filter, wie z. B. ein Tiefpaß-RC-Filter oder ein langsamer Verstärker sein. Ferner kann in bestimmten Ausführungsformen eine Glättungsschaltung nicht notwendig sein. Dieses geglättete Signal passiert eine Verzögerungsschaltung 130, welche dem Signal eine gewünschte Verzögerung vor dem Anlegen an den Berechnungsabschnitt der Schaltung verleiht. In einer exemplarischen Ausführungsform kann die Verzögerungsschaltung 130 ein Verzögerungskabel oder eine integrierte Schaltung mit einer analogen Verzögerungsleitung sein. Die Verzögerungsschaltung 130 kann beispielsweise eine Verzögerung zwischen etwa 1 bis 100 ns und bevorzugter zwischen etwa 5 bis 50 ns bereitstellen.
Gemäß Darstellung in 5A enthält der Berechungsabschnitt der PPC 100 einen Verstärker 140, einen Integrator 150 und einen Addierer 160. Der Verstärker 140 verstärkt das geglättete Signal und stellt dadurch einen Gewichtungsfaktor für das Signal bereit. Wie vorstehend diskutiert verstärkt der Verstärker 144 in einer exemplarischen Ausführungsform das Signal auf 1000 Elektronen. In geeigneten Ausführungsformen muß ein Verstärker nicht erforderlich sein. Der Integrator 150 führt eine Integration des Signals über dem exponentiellen Abfall des Signals aus. Die Ausgangssignale des Verstärkers 140 und des Integrators 150 werden in die Addierer schaltung 160 eingegeben, welcher die Summe dieser Signale erzeugt. Die sich ergebende Summe wird an die Abtastund Entladesteuerschaltung 170 weitergeleitet.
In einer exemplarischen Ausführungsform kann die Abtastund Entladesteuerschaltung 170 aus einem Register oder dergleichen und einer Steuerschaltung, wie z. B. einem schnellen analogen Schalter, einem FET-Transistor oder dergleichen bestehen. Nach einem Signal durch die Zeitauslöseschaltung 110 leitet die Abtast- und Entladesteuerschaltung 170 die sich ergebende Summe an den Analog/Digital-Wandler (ADC) 180 weiter. Der ADC 180 wandelt die Summe in ein digitales Signal um, welches dann als das gewichtete Summensignal an die Restsubtraktionsschaltung 190 weitergeleitet wird, welches jedes Restsignal aus vorherigen Strahlungsereignissen subtrahiert.
Gemäß Darstellung in 5A enthält die Restsubtraktionsschaltung 190 einen Abstandszeitgeber 192, welcher ein ΔT (oder Zeitdifferenz) ermittelt, welche der Zeit zwischen dem Empfang von zwei detektierten Signalen entspricht. Die Restsubtraktionsschaltung 190 enthält auch eine Nachschlagetabelle 194, welche einen Exponentialwert auf der Basis der Zeitdifferenz festlegt. Dieser Exponentialwert wird dann mit dem vorherigen (nicht dargestellten) Summensignal S_i-1 multipliziert. Zum Schluß subtrahiert ein Subtrahierer 196 dieses Restsummensignal von den Summensignal S_i i, Zusammenhang mit dem momentan detektierten Signal, um dadurch ein digitales Signal Ei auszugeben, das dem Energiewert des momentanen Signals entspricht.
Nach dem Abtasten entlädt die Abtast- und Entladesteuerschaltung 170 das Ausgangssignal des Integrators 150 unmittelbar auf Null, indem sie ein Steuersignal nach dem Empfang des Signals aus der Zeitauslöseeinrichtung 110 an einen dem Integrator 150 zugeordneten (nicht dargestellten) Kondensator und Schalter sendet.
Im Betrieb erfaßt der Zeitauslöseeinrichtung 110 die Ankunft der Anfanggruppe von Szintillationselektronen aus irgendeinem Gammastrahl. Sofort sendet die Zeitauslöseeinrichtung 110 ein Signal an die Abtast- und Entladesteuerschaltung 170, um die gewichtete Summe des vorherigen Gammastrahls abzutasten und das Summensignal an den ADC 180 zu senden. Da die Zeitauslöseeinrichtung 110 keine Verzögerung besitzt, während der Summensignalverarbeitungszweig (in einer exempla- rischen Ausführungsform kann die Verzögerung zwischen etwa 1 und 100 ns, und bevorzugter zwischen etwa 5 und 50 ns, betragen) mit einer Verzögerungsschaltung 130 verzögert wird, wird das gewichtete Summensignal vor der Ankunft des Energiesignals aus dem nächsten Gammastrahl abgetastet. Die Verzögerung wird angewendet; um sicherzustellen, daß die gewichtete Summe des momentanen Ereignisses ausreichend entladen wird, bevor das nächste Ereignis in den Integrator 150 eintritt.
Somit wird die Überlagerung des nächsten Signals auf das momentane verhindert und die gewichtete Summe enthält nicht die Energie des nächsten Gammastrahls. Die Verzögerung stellt auch ausreichend Verzögerungszeit bereit, damit die Abtastund Entladesteuerschaltung 170 das zuvor integrierte Signal aus dem Integrator 150 vor der Ankunft des nächsten Signals (auf Null) entladen kann, was den Integrator 150 für das nächste Signal vorbereitet. Die Entladung vermeidet ein Überlagern des alten integrierten Signals über das neue integrerte Signal.
Da es eine begrenzte Zeit dauert bis das Ausgangssignal der elektrischen Ladung des Integrators 150 vollständig auf Null entladen ist, insbesondere wenn das vorhergehende Ereignis eine hohe Energie besitzt, ist diese Entladezeit die letztliche praktische Beschränkung (Verarbeitungstotzeit), welche das maximale Zählraten-Verhalten der vorliegenden Erfindung beschränkt. In einer exemplarischen Aasführungsform, gemäß Darstellung in 5B, kann eine Doppel-Integratorkonstruktion ("Ping-Pong") als Integrator verwendet werden, wobei jeder Integrator 150A und 150B an der Verarbeitung jedes aufeinanderfolgenden Ereignis wie folgt teilnimmt: Wenn ein vorhandenes Ereignis detektiert wird, wird die Schaltung über den Schalter 145 an den Integrator 150A geschaltet, um das Signal des vorhandenen Ereignisses zu integrieren; wenn das nächste Ereignis detektiert wird; beendet der Integrator 150A die Integration des vorhandenen Ereignisses und das Integratorausgangasignal wird abgetastet. Zur gleichen Zeit schalten die Schaltungen das zweite Signal an den Integrator 150B zur Integration an, ohne auf die Entladung des Integrators 150A zu warten. Somit wird der Integrator 150A in seinem freien Betriebszyklus entladen, wenn die Integration des nächsten Ereignisses durch den Integrator 150B durchgeführt wird. Dieses stellt mehr als ausreichend Zeit für die vollständige Entladung des Integrators 150A bereit.
Wenn ein drittes Sgnal detektiert wird, wird das Signal auf den Integrator 150A, welcher vollständig entladen ist, zur Integration zurückgeschaltet und der Integrator 150B wird während seiner freien Zeit entladen. Somit wird mit einer Doppel-Integratorkonstruktion ("Ping-Pong") die Entladetotzeit eliminiert (um die Verarbeitungszählrate zu erhöhen) und der Fehler in der Energiemessung aufgrund einer unvollständigen Entladung ebenfalls eliminiert.
Gemäß Darstellung in 5B können zwei unabhängige Kanäle vorhanden sein, wovon jeder einen Integrator 150A oder 150B, einen Addieren 160A oder 160B, eine Abtast- und Entla deschaltung 170A oder 170B oder einen ADC 180A und 18-0B – zusammen mit einem Eingangsschalter 145 und einem Ausgangsschalter 185 zum Auswählen des Verarbeitungskanals enthalten kann. Jeder Kanal nimmt an der Verarbeitung des nächsten ankommenden Ereignisses teil. In weiteren Ausführungsformen, können mehr als zwei Kanäle vorhanden sein. Dieses stellt ebenfalls einen freien Betriebszyklus für die Integratoren in jedem Kanal bereit, die abzutasten und vollständig zu entladenden. Diese Doppelkanalkonstruktion erlaubt auch die Verwendung eines langsameren ADC (50% langsamer), um die Signale zu digitalisieren, und senkt somit die Kosten.
Die digitale Restsubtraktionsschaltung 190 kann eine digitale Nachschlagetabelle (LUT) zum Ermitteln der Restszintillationsenergie (von allen vorhergehenden Gammastrahlen) enthalten, welche der Szintillator immer noch nach der Ankunft des letzten Gammastrahls emittiert. Insbesondere kann die Restsubtraktionsschaltung 190 ein (nicht dargestelltes) Register enthalten, um eine zuvor gewichtete Summe zu speichern, eine LUT 192, um einen Exponentialterm zu erzeugen, und ein digitales (nicht dargestelltes) Multiplikations-IC. Das Eingangssignal für die LUT ist die Auslöserzeit des momentanen und des vorhergehenden Gammastrahls (tatsächlich deren Zeitdifferenz Δt). Das digitale Energieausgangssignal der Restsubtraktionsschaltung 190 ist somit die überlagerungsfreie Energie (E_i) des detektierten Gammastrahls,
Ei = Si – Si-1e–Δt/τ (2)
wobei S_i die gewichtete Summe bezüglich des momentanen Gammastrahls ist; S_i-1 die gewichtete Summe bezüglich des vorhergehenden Gammastrahls ist und Δt das Zeitintervall zwischen der Ankunft des momentanen und des vorhergehenden Gammastrahls ist. S_i und S_i-1 enthalten die Restsignale aus allen vorhergehenden Gammastrahlen. Dieses ist eine exakte Gleichung unab hängig davon, wie viele Mehrfachüberlagerungen in jedem Summensignal existieren (siehe Anhang für mathematischen Beweis). Der Korrekturterm und die Genauigkeit dieses Algorithmus, die unabhängig von der Anzahl vielfacher Überlagerungsreste sind, welche immer noch von dem Szntillator emittiert werden, sind wichtige Ergebnisse der vorliegenden Erfindung. Somit erlaubt der in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendete Szintillationsdetektor Zählraten; welche 60% Mehrfachüberlagerungen erzeugen, da alle Reste von Mehrfachüberlagerungen leicht durch die Gleichung (2) korrigiert werden können. Die vorliegende Erfindung verarbeitet alle ankommenden Ereignisse in derselben Weise unabhängig. davon, ob eine Überlagerung auf einem vorherigen Ereignis vorliegt, oder ob eine Überlagerung aus dem nächsten Ereignis vorliegt.
Alle diese Komponenten in einer Schaltung gemäß der vor1iegenden Erfindung sind erforderliche Grundkomponenten eines herkömmlichen Detektorelektroniksystems mit Ausnahme der Zeitauslöse- und der Restsubtraktionsschaltung. Daher ist die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte Überlagerungsverhinderung/Korrektur eine preiswerte Lösung für die dem Stand der Technik inhärenten Probleme. Wenn keine Überlagerung vorliegt, konvergiert das System auf eine herkömmliche Integrationsschaltung, da die Abtast- und Entladesteuerschaltung 170 so eingestellt werden kann, daß sie das sich ergebende Summensignal zu einem Zeitpunkt angenähert gleich 4τ {d.h., angenähert 1 μs für den hierin verwendeten NaI(T1)-Detektor) weiterleitet. Im Falle einer Überlagerung mißt er korrekt die Energie aller Überlagerungs-Gammastrahlen.
So lange der mittlere Zeitabstand (Δt) der Ankunft zwischen zwei Gammastrahlen länger als die mittlere Detektorintegrationszeit (TC = 1 μs) ist, verringert sich der mittlere Anteil des gesammelten Szintillationslichts nicht, was bedeutet, daß die detektierte Energieauflösung nicht beeinträchtigt wird. Somit hat ein die Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendender NaI(T1)-Szintillationsdetektor das Potential bis zu 1 × 10⁶ cps ohne Verschlechterung der mittleren Energieauflösung zu zählen. Eine herkömmliche Detektorschaltung mit einer Totzeit von 1 μs muß die akzeptable Zählrate um das 10-fache auf 100.000 cps reduzieren, um die zufällige Ankunft des nächsten Gammastrahls innerhalb 1 μs des momentanen Gammastrahls zu verhin-dern (Nicholson 1974). Die Poisson-Statistik zeigt, daß der Nicht-Überlagerungsanteil 90% für 100.000 cps beträgt, was darauf beruht, weil herkömmliche NaI(T1)-Detektionssysteme nicht über 100.000 cps zählen können. Die vorliegende Erfindung kann sogar noch wesentlich mehr als 1 × 10⁶ cps mit einigen Kompromissen in der Energieauflösung zählen.
Die PPC der vorliegenden Erfindung kann für die Anwendung bei vielen unterschiedlichen Detektoren und Bildgebungssystemen angepaßt werden. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung mit einer Schilddrüsensonde, positionsempfindlichen Detektoren oder Gammastrahlendetektoren verwendet werden, welche Neutronen, geladene Partikel und Gammastrahlen detektieren.
Das herkömmliche Integrationsverfahren (und dessen äquvalentes Impulsformungsverfahren) war der Goldstandard in der Nuklearphysik und auf dem Gebiet der Nuklearmedizin für die letzen 40 bis 50 Jahre. Die vorliegende Erfindung ist ein deutlicher Durchbruch. Dieser Durchbruch kann auf viele Nukleardetektionsbereiche, wie z. B. Nuklearphysik und -konstruktion, Hochenergiephysik, Nuklearmedizin, industrielle Messung und Ölfeld-Bohrlochpositionierung, unter anderem an gewendet werden. Einige Anwendungen werden nachstehend diskutiert.
NUKLEARMEDIZINISCHE ANWENDUNG
Die vorliegende Erfindung besitzt spezielle Attribute, welche sie insbesondere für die medizinische Bildgebung und insbesondere Gamma-Kameras anwendbar machen. Wenn ein Gammastrahl einen Detektor in einer Gamma-Kamera trifft, sind sowohl eine Energie- als auch eine Positionsinformation für die Erzeugung des Bildes erforderlich. Die Energieinformation unterscheidet (oder qualifiziert) den nützlichen bildgebenden Gammastrahl von Hintergrundgammastrahlen, welche in den abzubildenden Körper hin und her gestreut wurden (Streuung verringert die Gammaenergie). Wenn ein detektierter Gammastrahl durch seine detektierte Energie qualifiziert ist, muß die Positionsinformation, welche den Punkt der Detektion des Gammastrahls angibt, ermittelt werden, um eine Gammastrahlenabbildung (Bild) zu erzeugen.
Die Überlagerungs-Verhinderungsschaltung (PPC) der vorliegeriden Erfindung kann die Gammastrahlenenergie trotz Überlagerungen ermitteln. Die vorliegende Erfindung wäre jedoch weniger nützlich für Gamma-Kameras, wenn sie nicht auf die Gammastrahlposition in Überlagerungssituationen ermitteln könnte. Eine spezielle Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß dem vorliegenden Verfahren kann in eine reguläre Gamma-Kamera integriert werden, um die Positionsinformation sowie Energieinformation in einer Überlagerungssituation zu ermitteln.
Diese Ausführungsform kann als ein Positionsenergie-Überlagerungsverhinderungs-(PEPP)-Algorithmus und -Schaltung bekannt sein. Diese Lösung ist mit der existierender Gamma-Kamera-Elektronik kompatibel. Kompatibilität ist wichtig, da sie es ermöglicht, die Überlagerungs-Verhinderungsschaltung der vorliegenden Erfindung bei vorhandenen Gamma-Kameras ohne größere Modifikation an ihrer bestehenden Eingangselektronik anzuwenden.
Eine reguläre Gamma-Kamera und ihre Elektronik erzeugen fünf interessierende Signale für die vorliegende Erfindung, nämlich X₊, X_–, Y₊, Y_–, und Z. Z ist die Energie des Gamma-Strahls. Die X-Position und die Y-Position des Gammastrahls kann aus diesen fünf Signalen berechnet werden,
X = (X+ – X–/Z (3)
und
Y = (Y+ – Y–/ Z (4)
Die vornormierten Positionen sind aus X' = (X₊ – X_ und Y' = (Y₊ – Y_–) definiert. Somit kann die X-Position und Y-Position durch eine anschließende Normierung mit Z berechnet werden:
X = X'/Z (5)
und
Y = Y'/Z (6)
Zusätzlich zur Verhinderung von Energieüberlagerungen in Szintillator PMT's, kann dieselbe PPC Schaltung direkt auf die vornormierten Positionssignale, X' und Y', angewendet werden, um Überlagerungen durch Erzeugen überlagerungsfreier X' und Y' zu verhindern. Der mathematische Beweis dieser Eigenschaft kann im Anhang gefunden werden. Mit der Realisierung dieser wichtigen Eigenschaft kann die PPC-Schaltung der vorliegenden Erfindung an die vornormierten Positionierungssignale X' und Y' in einer regulären Kamera angeschlossen werden, sowie das Energiesignal Z' (eine schnelle Momentansignalsumme alle PMT's, wie es in 6 dargestellt ist, um drei überlagerungsfreie Signale X', Y', und Z' zum Berechnen der Energie und Position des detektierten Gammastrahls trotz mehrfacher Überlagerungen zu berechnen.
Das System von 6 enthält eine herkömmliche Gamma-Kamera 200, welche vornormierte Positionssignale X' und Y' und das Energiesignal Z' erzeugt. Jedes von diesen Signalen wird in eine getrennte Überlagerungs-Verhinderungsschaltung (PPC) 210 eingegeben. Diese PPC 210 kann dieselbe Schaltung wie vorstehend in Verbindung mit den 5A oder 5B diskutiert sein, oder kann eine leicht modifizierte Version sein (gemäß Darstellung in 6 sind einige Komponenten der Schaltung von 5A für Darstellungszwecke weggelassen). Erstens muß die PPC 210 keine Zeitauslöseeinrichtung besitzen; da die Auslösesignale für diese Ausführungsform direkt von einer schnellen Auslöseeinrichtung 220 kommen können, welche n alle PPC's 210 eingegeben werden. Diese schnelle Auslöseeinrichtung 220 ist ein neuer Zusatz zu einer herkömmlichen Gamma-Kamera. Ferner müssen die einzelnen PPC's 210 keine Restsubtraktionsschaltung aufweisen, da alle Ausgangs-signale aus jedem PPC 210 in einen digitalen Signalprozessor (DSP) 240 eingegeben werden können. In einer exemplarischen Ausführungsform kann der DSP 240 einen Restsubtraktions-Algorithmus für die X'-, Y'- und Z-Signale enthalten. Der DSP 240 ermöglicht eine schnellere Verarbeitung. In bestimmten Ausführungsformen kann es jedoch möglich sein, daß man Nachschlagetabellen innerhalb der einzelnen PPC-Einheiten 210 hat. Der DSP 240 kann auch weitere Korrekturen (Energie und Verzerrungskorrekturen) für die X'-, Y'- und Z-Signale und den X-, Y-Renormierungsprozeß enthalten.
Das System von 6 enthält auch einen Koinzidenz-Zeitgeber 230, welcher ein Auslösesignal aus der schnellen Auslöseeinrichtung 220 empfängt. Nach dem Empfang des Signals sendet der Koinzidenz-Zeitgeber 230 ein Zeittaktsignal an FIFO's 235, welches an den DSP 240 gesendet wird. Dieses Zeittaktsignal dient zur Überlagerungsrestsubtraktion und für koinzidente Zeitmessungen in der Positron-Koinzidenz-Bildgebung (PET).
Wie vorstehend in Verbindung mit Fig. 5A diskutiert, werden aus der Gamma-Kamera 200 erhaltene vornormierte Positionssignale (X', Y') innerhalb der PPC verzögert, verstärkt und integriert. Die verstärkten Momentanpositionssignale τX'(t)τY'(t) werden auf ihre integrierten Positionssignale ∫X'(t)dt bzw. ∫Y'(t)dt ebenfalls in der PPC summiert. Diese gewichteten Summen der vornormierten Positionen werden unmittelbar von einem schnellen Analog/Digital-Wandler (ADC) innerhalb der PPC 210 unmittelbar vor dem Beginn des nächsten Überlagerungsereignisses abgetastet. Die Ankunft des nächsten Gammastrahls wird durch die schnelle Auslöseeinrichtung 220 erfaßt; welche das schnelle momentane Gesamtenergieausgangssignal Z' überwacht. Nach der ADC-Abtastung wird die Integratorschaltung des, PPC 210 sofort entladen, so daß sie mit der' Integration der Positionssignale beginnen kann, welche aus dem nächsten Überlagerungsgammastrahl kommen. Alternativ können zwei angepaßte Integratoren vorhanden sein, welche an der Verarbeitung jedes aufeinanderfolgenden Signals teilnehmen, um einen freien Taktzyklus für die Entladung der Integration auf Null zu ermöglichen. Ferner können wie vorstehend diskutiert zwei angepaßte Kanäle von Verstärkern, Integratoren, Abtasteinrichtungen und ADC's vorhanden sein, um jedes aufeinanderfolgende Ereignis zu bearbeiten, um den Integratoren. in jedem Kanal die Entladung auf Null zu ermöglichen.
Die schnelle Auslöseeinrichtung 2,20 markiert auch die Ankunftszeit aller: Gammastrahlen. Die Zeitmarkierung wird durch, einen schnellen Takt erzeugt, welcher in einer exemplarischen Ausführungsform ein 250 MHz- Takt sein kann. Diese Ankunftszeiten werden an dem DSP 240 zur Restsignalsubtraktion und zur Positron-Koinzidenz-Detektion in der PET- Bildgebung verwendet. Die Reste von Positionssignalen, die durch die Restsignallichtausgabe aller vorhergehenden Überlagerungsgammastrahlen erzeugt werden, werden von der momentanen positionsgewichteten Summe in dem DSP 240 in 6 unter Verwendung einer LUT subtrahiert, welche den Exponentialterm in der nachstehenden Restsubtraktionsoperation speichert, um das Restpositionssignal zu bestimmen, welches von dem j-ten Ereignis zu subtrahieren ist:
RPj = (SPj-1e-(Δt)/τ (7)
und
Xj1' = SPj – RPj (8)
wobei SP_j-i die letzte positionsgewichtete Summe und Δt der Zeitabstand zwischen dem j-ten und dem (j-1)-ten Positionssignal, ist. Diese Restsubtraktions-Strategie subtrahiert automatisch alle höheren Pegel von mehrfachen Überlagerungen. Nach der Restsubtraktion berechnet der DSP 240 die normierte Positionsabschätzung, X = X'/Z und Y = Y'/Z, wobei Z die Gesamtenergie nach der Restkorrektur der vorliegenden Erfindung ist. Alternative Verfahren zur Restsubtraktion können die Durchführung des Prozesses innerhalb der individuellen PPC Einheiten 210 benhalten. Der DSP 240 führt auch den regulären Korrekturprozeß für die lineare Verzerrung, Feldungleichmäßigkeit und regionale Signal/Impulshöhen-Variation in Echtzeit aus. Der Hostprozessor 250 dient für die Bilddarstellung und die Benutzerschnittstelle.
Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dekodiert somit die Position und Energie jedes detektierten Eregnisses. Die schnelle Auslöseeinrichtung 220 detektiert die Ankunft eines Ereignisses und löst ein Zeitmarkierungs-Ausgangssignal indem Koinzidenzzeitgeber 230 für die Ankunftszeit des Ereignisses aus. Diese Ereignisankunftszeitmarkierung wird zum Berechnen der vornormierten Positionen und Energie verwendet. Die Berechnung kann durch den DSP 240. durchgeführt werden, in welchem Exponentialfunktionenals eine Nachschlagetabeile gespeichert sein können. Der DSP 240 führt auch die Energienormierung an den vornormierten Positionen durch, um die wahren Positionssignale zu erzeugen. In diesem Verarbeitungsschema werden alle Ereignisse (Photospitzen oder wahre Ereignisse oder Streustörungsereignisse) in. die Verarbeitung einbezogen, um alle Restsignale aus vorherigen Ereignissen zu berechnen und die tatsächliche Energie eines Ereignisses ist bis zum Abschluß der Verarbeitung nicht bekannt. Somit muß die Energieakzeptanz eines Ereignisses nach der Dekodierungsoperation im/nach dem DSP 240 durchgeführt werden. Wenn die dekodierte Energie höher, als die des Streustrahlungsstörsignals ist,, wird die detektierte Strahlung als ein. wahres (Photospitzen)-Ereignis akzeptiert. Die Ausgangssignale des DSP sind somit die überlagerungsfreien Energie-normierten Positionen (x, y) und die Gammaenergie, (z). Da alle Datenerfassungscomputer in Gamma-Kameras die Standardsignale (x, y, z) akzeptieren, ist der vorgeschlagene Verarbeitungsalgorithmus und die Elektronikarchitektur kompa- tibel mit existierenden Datenerfassungscornputern. Diese Kompatibilität ist zur Anpassung des Verfahrens an existierende Kameras nützlich.
Die Implementation der vorliegenden Erfindung in eine konventionelle Kamera ist sehr gut durchführbar, wie es in 6 dargestellt ist. Eine DSP-Schaltung ist in den meisten Kameras für die Verarbeitungen von-Positionssignalen und zur Verzerrungskorrektur Standard. Somit sind die einzigen zusätzlichen Schaltungen, die zur Integration des Verfahrens der vorliegenden Erfindung in eine reguläre Kammer benötigt werden, die drei Kanäle der PPC-Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, eine schnelle Auslöseschaltung und ein Takt, welche die Produktionskosten nur um eine wenige hundert Dollar erhöhen, um eine zehn- bis 20-fache Zunahme in der Zählratenfähigkeit zu erreichen.
Eine derartige Vergrößerung der Zählratenfähigkeit würde die nachstehenden Bildgebungsprozeduren ermöglichen oder verbessern:

(a) Die Positronen-Bildgebung, da sie die Entfernung eines Bleikollimators von einer Gamma-Kamera erfordert, was den NaI(T1)-Detektor einem 10-fachen oder größeren Gammastrahlenfluß aussetzt. Dieses erzwingt eine fünf- bis 10-fache Reduzierung einer injizierten Positronen-Tracerdosis, um eine deutliche Überlagerung in einer regulären Kamera, zu verhindern. Mit der vorliegenden Erfindung wäre es nicht notwendig, die injizierte Dosis zu reduzieren. Die Positronenbildgebungsqualität würde deutlich als eine Folge dieser fünf- bis 10-fachen Zunahme in den Positronenzählimpulsen in dem Bild verbessert werden. Die Bildgebungszeit kann ebenfalls als ei- ne Folge der erhöhten Zählratenfähigkeit verringert werden;
(b) Die Bildgebung von Radionuklidtherapiepatienten in der Ermittlung der tatsächlichen Strahlungsdosis, die an Tumore und Organe geliefert wird, so daß die Radionuklidtherapie verbessert werden kann;
(c) Die dynamische First-pass-Herzbildgebung zur Untersuchung von Shunts, Klappen des rechten Herzens und der Lunge;
(d) Die Verwendung von Tracern mit sehr kurzer Halbwertszeit, um die Strahlungsdosis zu verringern und den Patientendurchsatz zu erhöhen;
(e) Die Verwendung von größeren NaI(T1)-Detektoren, um die Abtastzeit für Ganzkörperbildgebung zu verringern;
(f) Die Erfassung von Transmissionsdaten mit sehr hoher Zählrate, während Emissionsdaten gesammelt werden. In einem solchen Verfahren wird eine Gammaquelle niedrigerer Energie für die Transmissionsdaten verwendet; die Transmissionsdatensammlung mit sehr hoher Rate wird zur Minimierung des Effek- tes der "Abwärtsstreuungs"-Kontamination aus dem Emisionsgammastrahlung verwendet. Weitere Verbesserungen in der medizinischen Bildgebung würden ebenfalls durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung erzeugt werden.

Die vorliegende Erfindung stellt auch eine weitere Ver besserung der Detektionsraten einer Gamma-Kamera bereit. In dieser Ausführungsform können die Kamerasignale geometrisch in vier oder mehr unabhängige Sgnalverarbeitungszonen aufgeteilt werden, als ob vier unabhängige Kameras nebeneinander vorliegen würden. Spezifischere Details eines derartigen Systems sind in dem US Patent Nr. 5,319,204 und dem US Patent Nr. 5,453,623 offenbart, deren Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme beinhaltet sind. Die Einbeziehung des PEPP (positions- and energy pile-up revention)-Algorithmus der vorliegenden Erfindung in eine derartige Multizonenkonstruktion würde die Zählratenfähigkeit der Kamera weiter um das zwei- bis dreifache vergrößern.
Multizonenkonstruktionen wurden in NaI(T1)-basierenden PET-Kameras vorgeschlagen und implementiert, um die maximale Zählratenfähigkeit zu erhöhen (Muehllehner et al., 1995; Muehllehner and Karp, 1986; Karp et al., 1986; Freifelder et al., 1994). Diese Konstruktionen hängen von dem Umstand ab; daß der Großteil des Szintillationslichts nur auf 7 bis 9 benachbarte PMT's verteilt wird.
Für eine Kamera mit 36 PMT's (6 × 6 Konfiguration) kann die Kamera in vier, als K, L, M, N bezeichnete, identische quadratische Zonen gemäß Darstellung in 7 eingeteilt werden. Jede Zone besitzt daher neun PMT's (3 × 3). Jede Zone kann als eine unabhängige Kamera mit ihrer eigenen PEPP-Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung betrachtet; werden, um Überlagerungen und Bildverzerrungen zu korrigieren. Die neun PMT's jeder Zone können in eine Signalauslöseleitung zusammengefaßt werden. Bei vier Zonen wären vier Signalauslöseleitungen (S_K, S_L, S_M, S_N) vorhanden. Wenn der erste Gammastrahl in der Zone K detektiert wird, würde die PEPP-Schaltung der Zone K eingeschaltet werden, um dessen Position und Energie zu messen. Wenn ein zweiter Gammastrahl in der Zone innerhalb der Überlagerungszeit detektiert wird, würde die DEPP-Schaltung korrekt die Position und Energie beider Gammastrahlen messen.
Wenn der zweite Gammastrahl auf, die Zone L auftrifft, während die Zone K einen früheren Zählimpuls verarbeitet, können zwei Szenarios auftreten. Diese zwei Szenarien werden im Detail beschrieben:

(1) in dem ersten Szenario sind die in der Zone K und der Zone L detektierten Gammastrahlen beide weit von den Zonengrenzen zwischen K und L entfernt, so daß nur wenig Licht von der einen Zone in die nächste übertritt. Somit liegt eine geringe oder keine Wechselwirkung zwischen den zwei Ereignissen vor, welche Positionsfehler bewirken würde. Beide Gammastrahlen können unabhäng g von der PEPP-Schaltung jeder Zone verarbeitet werden, um die korrekte Energie und Position zu erhalten.
(2) in dem zweiten Szenario ist der in K detektierte erste Gämmastrahl so nahe an der K-L-Grenze, daß die PEPP-Schaltungen sowohl in der Zone K als auch in der Zone L gemäß Darstellung 8 ausgelöst werden. In diesem Falle kann die Zone K eine gültige Position dekodieren, während die Zone L ein Artefaktzählereignis an der K-L-Grenze in der Nähe des Ereignisses K gemäß Darstellung dekodieren würde. Wenn der zweite Gammastrahl die Zone L später an einer Stelle A in 8 trifft, würde das Restsignal des in der L-PEPP-Schaltung erzeugten fiktiven Zahlimpulses von dem Signal des zweiten Gammastrahls (A) subtrahiert werden, so daß keine In- terferenz in der Ermittlung der Position des zweiten Gammastrahls auftritt. Somit würden in diesem Szenario sowohl der erste (K), als auch der zweite (L) Gammastrahl korrekt gemessen, jedoch ein zusätzlicher Artefaktzählimpuls an der K-L-Grenze erzeugt werden.

Mit diesen Zwischenzonen-Lichtübertritts-Betrachtungen ist die Verarbeitungsschaltung für die Multizonen-Überlagerungsverhinderungs-(MZPP)-Kamera in 9 dargestellt. Gemäß Darstellung in 9 kann jede Zone ihre eigene PEPP-Schaltung 310 besitzen. Zusätzlich kann jede Zone ihren eigenen DSP 315 besitzen. Diese vier PEPP-Schaltungen können von einer Zwischenzonen-Koinzidenz-Detektionsschaltung 3 30 und einem Multizonen-Auslöseprozessor 340 überwacht werden. Die Zwischenzonen-Koinzidenz-Detekt onsschaltung empfängt ein Eingangssignal aus dem schnellen Zeitauslöseeinrichtungen für jede von den Zonen-PEPP-Schaltungen 310. Der Mültizonen-Auslöseprozessor 340 empfängt Zonenpositionssignale aus jeder von den Zonen-PEPP-Schaltungen 310. In einer exemplarischen Ausführungsform kann der Prozessor 340 ein DSPsen. Das Ausgangssignal des Prozessors 340 wird in einem Haupt-DSP-Prozessor 350 eingegeben, welcher Information an den Bildpuffer 360, die Schnittstelle 370 und die Host-CPU 380 liefert. Der Haupt-DSP-Prozessor 350 dient zwei Funktionen: (1) er vereint die Vierzonenbilder in ein Bild, und (2) er führt die Endverzerrungskorrektur für das kombinierte Bild durch.
Um das Problem zusätzlicher Artfaktzählimpulse an einer Grenze zu lösen, kann die Zwischenzonen-Koinzidenz-Auslöseschaltung 330 zwischen beliebigen zwei oder mehr Zonen verwendet werden, um die simultane Auslösung von zwei oder mehr Zonen, bewirkt durch ein Ereignis, das in der Nähe der Grenze detekt ert wird, zu detektieren. Wenn zwei oder mehr benachbarte Zonen durch ein einzelnes Ereignis in der Nähe der Grenze ausgelöst werden, würde die PEPP-Schaltung 310 in jeder Zone (wie ursprünglich ausgelegt) reagieren, als ob ein unabhängiges Ereignis in jeder Zone erzeugt würde, indem sie ihre eigenen Positionssignale erzeugt,
XK = (XK+ – XK–)/ZK (8)
und
XL = (XL+ – XL–)/ZL (9)
Ferner würde die simultane Auslösung beider Zonen auch die Zwischenzonen-Koinzidenz-Schaltung 330 auslösen, welche dann diese zwei oder mehr unabhängigen Positionssignale in einem Multizonen-Auslöseprozessor 340 einspeisen würde, welcher eine Schwerpunktmittelung für diese zwei oder mehr Positionssignale durchführt. Mathematisch ist diese Mittelung einer Kombination der zwei oder mehr Zonen unter Verwendung des regulären Anger-Positionierungsverfahren über diesen größeren Bereich äquivalent, wie es in der nachstehenden Gleichung dargestellt ist;
X = (XKZK + XLZL)/(ZK + ZL) = {(XK+ – XK–) + (XL+ – XL–)}/(ZK + ZL) (10)
Diese gemittelte Position wird in dem Hauptprozessor 350 gespeichert, welcher das zusammengesetzte Kamerafeld (vier kombinierte Zonen) speichert, während die individuellen Zonenpositionssignale (X_K und X_L) verworfen werden. Dieses Ver fahren eliminiert dadurch das Grenzartefaktereignis und liefert auch eine bessere Abschätzung der Position, da das gesamte emittierte Szintillationslicht für die Berechnung der Position (einschließlich des in die benachbarte Zone übergetretenen Lichts) verwendet würde.
Ein Zwischenzonenlichtübertritt existiert auch in den zwei Kameras mit hoher Zählrate, welche ein Multizonenkonstruktion benutzen, da, so lange nur ein NaI(T1)-Kr stall verwendet wird, Licht von einer Zone in die nächste verteilt wird. Technische Lösungen stehen ohne weiteres zur Verfügung, wie durch "ADAC MCD und UGM SPECT und PET cameras", (Muehllehner et al., 1995; Glass et al., 1996; Freifelder et al., 1994) dargestellt wird. Die vorliegende Erfindung ist unter Verwendung eines Monitors zur Detektion einer Koinzidenzauslösung von zwei Zonen einfach und problemlos zu implementieren und mit der Überlagerungsverhinderungstechnologie der vorliegenden Erfindüng anwendbar.
Es wird eine Zunahme der Detektionsraten um das zwei- bis dreifache gegenüber der Einzonen-Implementation erwartet, wenn die Verteilung des Szintillationslichts des hauptsächlich auf einen Kreis von 4,5" Durchmesser zentriert um den Detektionspunkt begrenzt ist. Wenn diese Lichtverteilungsbedingung erfüllt ist, können nur die Gammastrahlen, welche die in 10 dargestellte schattierte Fläche treffen, beide Zone auslösen oder beeinflussen. Somit ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein Gammastrahl den unabhängigen Bereich trifft gleich 21/36, während die Wahrscheinlichkeit, daß er den Lichtübertrittsbereich trifft 15/36 ist. Somit ist die durch Aufteilen der Kamerasignale in vier Zonen erzielte Zählratenwerbeserung (21/36) × 4 oder das 2,3-fache.
In 19B, ist ein Flußdiagramm für das Verfahren der vorliegenden Erfindung, bezüglich dieser Ausführungsform der Multizonen- Überlagerungsverhinderung dargestellt. Gemäß Darstellung in 19B wird ein momentan detektiertes Signal an vier unabhängige PEPP's im Schritt 410 geliefert. Dann wird im Schritt 420 ermittelt, ob dieses Sig- nal ein Multiauslöseereignis erzeugt. Wenn es kein Multiauslöseereignis ist, geht die Steuerung zu dem Schritt 430 über, in welchem ermittelt wird, ob es ein Einzelauslöseereignis ist. wenn es ein Einzelauslöseereignis ist, geht die Steuerung zu dem Schritt 440 über, und eine Einzelaktivzonen-Positionsverarbeitung wird wie vorstehend diskutiert durchge- führt.
Wenn festgestellt wird, daß ein Multiauslöseereignis im Schritt 450 vorliegt, werden die aktiven Zonen in einen größeren Bereich für die Verarbeitung kombiniert. Dann wird die Großbereichs-Positionsverarbeitung in dem Schritt 460, wie vorstehend diskutiert, durchgeführt. Das Ergebnis jedes Pfades dieses Verfahrens führt im Schritt 470 zu einer Bestimmung der wahren und genauen Position des momentanen Signals.
Durch eine Kombination des Überlagerungsverhinderungsver- fahrens und des Multizonenverfahrens kann die Zählrate einer Kamera gemäß der vorliegenden Erfindung vier 4.000.000 bis 5.000.000 erreichen. Mit einer Optimierung und Weiterentwicklung der PEPP-Schaltung, wie vorstehend diskutiert, kann die Zählrate sogar noch weiter ausgedehnt werden. Eine Monte Carlo Simulation zeigt, daß 2 × 10⁶ cps mit dem Überlagerungs- verhinderungsverfahren alleine und. eine kombinierte Zählrate von 2,3 × 2 × 10⁶ = 4,6 × 10⁶ cps erreichbar ist, eine deutli- che Verbesserung gegenüber den 10⁵ cps, welche in einer regulären Kamera erzielbar sind.
Die vorliegende Anwendung von Szintillationsdetektoren kann in vier Hauptbereiche unterteilt werden

(i) industrielle Messung, einschließlich Dicken-, Pegel- und Dichtemessung;
(ii) Überwachung einschließlich Ölfeldmessung, Nuklearreaktorüberwachung, Nuklearbrennstoffzyklusüberwachung und Flughafengepäekinspektion auf Explosivstoffe;
(iii) Forschungsanwendungen in der Nuklearphysik, Hochenergiephysik, Medizin und Industrie; und
(iv) medizinische Anwendungen (Gamma-Kamera), PET-Kameras, Knochen-Scanvorrichtung, Schilddrüsensonden, allgemeine Sonden, Monitore und Dosimeter).

Eine neue und möglicherweise wichtige Anwendung der vor- liegenden Erfindung liegt in der Flughafenüberwachung, um nach Kunststoffexplosivstoffen im Gepäck beispielsweise unter Anwendung von Neutronenaktivierungstechniken zu suchen. Die Fähigkeit Strahlung 10 – 20-mal schneller zu detektieren, erlaubt (a) den Einsatz von Detektoren im Bereichen wesentlich höherer Strahlung, um den Nutzen des Detektorsystems zu erweitere, (b) die Fähigkeit, schneller zu zählen, würde die Geschwindigkeit der Datenerfassung erhöhen so daß sich die Datenerfassungszeit verkürzt, d.h., im Bombenüberwachungssystem eines Flughafens könnte beispielsweise eine 10 – 20-mal stärkere Neutronenquelle verwendet werden, so daß die Gepäckabtastzeiten um das 10 – 20-fache reduziert werden können, um den Durchsatz zu erhöhen.
In industriellen Meßanwendungen wird der Szintillationsdetektor in Verbindung mit Strahlungsquellen verwendet, um die Mengen oder die Dichte verarbeiteter Materialien zu messen. Beispielsweise kann, wenn geschmolzener Zement oder geschmolzenes Metall in einen Behälter gegossen wird, eine nuklease Pegelmessung verwendet werden, um den Ausgießprozeß zu stoppen, wenn ein spezifischer Pegel erreicht ist. Ein weite res Beispiels sind "Dickenmeßgeräte", welche Gammarückstrahlungsdetektoren in der Dünnfilmverarbeitung in der Kunststoff- und Papierherstellungsindustrie (insbesondere für hochwertige Filme, wie z.B. Videobänder und elektronische Kondensatorfolien) verwenden. Ziemlich oft wird der abzutastende Film in großflächigen Bahnen hergestellt, und die Detektoren müssen zusammen mit der Strahlungsquelle die gesamte Bahn abtasten. Die Fähigkeit des Detektors, die Gammastrahlen mit einer sehr hohen Zählrate (10 – 20-mal) bedeutet, daß eine sehr intensive Gammastrahlungsquelle (10 – 20-ma1} verwendet werden kann, welche sich wiederum in eine 10 – 20-mal schnellere Datenerfassung umsetzt. Somit kann die für Prüf-Abtastprozesse oder Fertigungssteuerprozesse aufgewendete Zeit um 90% reduziert werden und damit die Produktionsrate erhöht werden.
Szintillationsdetektoren werden auch in großem Umfang in der Strahlungsüberwachung in Nuklearreaktoren, in der Ölfeld-Bohrlochvermessung zur Überwachung von Fels/Kohlenwasser-stoff-Strukturen entlang des Bohrloches in der Ölexploration verwendet. Ein schnelleres Zählsystem würde die gesammelte Information vergrößern oder die Datensammelzeit verringern, was die Kosten der Datenerfassung verringern würde (die Zeit von Ölbohranlagen ist sehr teuer).
Szntillationsdetektoren werden auch in großem Umfang für nukleare Anwendungen verwendet, beispielsweise: (a) Reaktorüberwachung auf flüssige und gasförmige Ströme auf Isotope (b) Brennstabmantelausfall, (c) Isotopenabtastung für Bestrahlungsbrennstoff, um die Energieverteilung und Wanderung von Spaltprodukten in dem Reaktorkern zu ermitteln; (d) Reaktorbrennstoffherstellung und Qualitätskontrolle (e) Brennstoffwiederaufbereitung und (f) Nuklearabfallbehandlung. Da diese Nuklearreaktor-bezogenen Detektoren in Bereichen mit sehr hohem Strahlungsfloß, eingesetzt werden, ist diese Erfindung mit der hohen Zählrate möglicherweise im Bereich der Nuklearenergie sehr nützlich.
In Forschungslaboratorien ist ein schneller zählendes Detektorsystem immer willkommen, da es die Durchführung neuer Experimente ermöglicht. Firmen für Nuklearelektronikinstrumentierung, welche elektronische Detektormodule für Forschungslaboratorien vertreiben, können diese elektronische Erfindung ihrem Katalog hinzufügen wollen. In medizinischen Bildgebungsanwendungen reichen derzeitige Gamma-Kameras zur Bildgebung diagnostischer Mengen von Einzelphotonen-Tracern aus, wobei jedoch deren eingeschränkten Zählratenfähigkeiten Bildartefakte und Zählimpulsverluste erzeugen und die Bildqualität verschlechtern, wenn der Gammastrahlungsfluß hoch ist. Diese Situationen können auftreten in:

(a) der Positronen-Bildgebung, welche den NaI(T1)-Detektor einem 10-fachen oder größeren Gammastrahlenfluß durch die Entfernung des Bleikollimators von einer Gamma-Kammer für die Positronen-Bildgebung aussetzt.
(b) der Bildgebung von Radionuklidtherapiepatienten, um die tatsächliche Strahlungsdosis zu ermitteln, die an Tumore und Organe geliefert wird, so daß die Radionuklidtherapie verbessert werden kann;
(c) der dynamischen First-pass-Herzbildgebung zur Untersuchung von Shunts, Klappen des rechten Herzens und der Lunge;
(d) der Verwendung, von Tracern mit sehr kurzer Halbwertszeit, um die Strahlungsdosis zu verringern und den Patientendurchsätz zu erhöhen;
(e) der Verwendung von größeren NaI(T1)-Detektoren, um die Abtastzeit für Ganzkörperbildgebung zu verringern; und
(f) der Erfassung von Transmissionsdaten mit sehr hoher Zählrate, während Emissionsdaten gesammelt werden (die Transmissionsdatensammlung mit sehr hoher Rate minimiert den Effekt der "Abwärtsstreuungs"-Kontamination aus dem Emisionsgammastrahlung).

Mit dieser Erfindung kann die Zählratenfähigkeit von Gamma-Kameras um das 20 – 40-fache erhöht werden, was die vor- stehenden nützlichen Bildgebungsprotokolle ermöglicht (oder verbessert). Die neue Fähigkeit kann das Angewiesensein auf die Verwendung von PET, welche 2,6 Millionen Dollar in der Anschaffung und 250.000 Dollar pro Jahr Betriebskosten kostet, verringern. Eine weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung liegt in dem, preiswerten, hochauflösenden PET-Detektionssystem mit PMT-Quadrantenkonstruktion gemäß Darstellung in den US Patenten Nr. 5,319,204 und 5,453,623, um deren niedrigere Zählrate zu kompensieren.
Somit eröffnet die vorliegende Erfindung neue und reizvolle klinische Anwendungen für Gamma-Kameras, was insbesondere in der derzeitigen Gesundheitsfürsorgeumgebung wichtig ist, wenn Kliniken mehr mit weniger Geld leisten müssen.
Die nachstehenden Beispiele sind beigefügt, um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zudemonstrieren. Es dürfte für den Fachmann auf diesem Gebiet erkennbar sein, daß die in den nachstehenden Beispielen offenbarten Techniken vom dem Erfinder herausgefunden Techniken repräsentieren, die gut in der Praxisumsetzung der Erfindung funktionieren und somit als bevorzugte Arten ihrer Praxisumsetzung zu betrachten sind. Jedoch sollte der Fachmann auf diesem Gebiet im Lichte der vorliegeriden Offenbarung erkennen, daß viele Veränderungen an den spezifischen Ausführungsformen, welche offenbart sind, durchgeführt werden können und immer noch ein gleiches oder ähnliches Ergebnis erzielt wird, ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
ARBEITSBEISPIELE
In Untersuchungen mit einer exemplarischen Ausführungsform wurde die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem 3'' × 4'' NaI(T1)-Szintillator mit einem Photovervielfacher von Ortec Corporation (Oak Ridge, TN) verwendet. Dieser Detektor wurde,(1) mit einem regulären Detektorelektronikaufbau unter Verwendung eines Impulsformungsverstärkers (0,5 μs Impulsformungszeit) und eines Multikanalanalysators verbunden, und (2) mit der Überlagerungs-Verhinderungsschaltung ("PPC") der vor- liegenden Erfindung.
Die Schaltung kann mit einem Computer verbunden sein. Beispielsweise war die vorliegende Erfindung mit einem PC-Computer mit einem 133 MHz PENTIUM Prozessor und einer schnellen Eingabe/Ausgabe-Karte für alle Untersuchungen verbunden. Die Datenerfassungssoftware war mit LABVIEW (National Instruments, Austin, Texas) geschrieben. Eine ^99mTc-Punktquelle (140 KeV Gammaquelle) in Luft, wurde für alle Zählratenuntersuchungen verwendet. Die Überlagerungs-Verhinderungsschaltung der vorliegenden Erfindung kann auch zum Messen der Anzahl von nicht Überlagerungen, Einzelüberlagerungen und Mehrfachüberlagerung verwendet werden.
Für Vergleichsstudien wurden Schaltungen, welche drei Verfahren implementieren aufgebaut und getestet. Die Verfahren umfassen: (i) das Impulsformungsverfahren (500 ns) ; (ii) Verzögerungsleitungsbegrenzung (256 ns), (iii) das erfindungsgemäße Verfahren. Die Impulshöhenspektren, Energieauflö sung und erfaßten Warenzählanteile wurde als eine Funktion effektiver Raten unter Verwendung einer ^99mTe (140 KeV) Punktquelle gesammelt, welche mit einer Halbwertdauer von sechs Stunden abfällt. Diese Halbwertslebensdauer wurde verwendet, um die tatsächliche Rate zu berechnen, welche auf den Detektor einfällt, wenn sehr hohe Zahlratendaten erfaßt werden.
A Beispiel I
Die Impulshöhenspektren von ^99mTc (140 KeV Gammastrahlung) für die Überlagerungs-Verhinderungsschaltung der vorliegenden Erfindung und das Impulsformungsverfahren (500 ns) sind in 12A und 12B dargestellt. 12A stellt die Ergebnisse des Impulsformungsverfahren dar, und 128 stellt die Ergebnisse der vorliegenden Erfindung dar. Bei 50 Kcps zeigten beide eine Energieauflösung von 10,9%. Bei 1,20 Kcps begann das Impulsformungsverfahren (12A) mit dem Zeigen einer Überlagerung auf der höheren Energieseite und einerVerzerrung auf der niedrigeren Energieseite. Über 200 bis 300 Kcps waren die Spektren nicht verwendbar. Das Spektrum des PPC-Verfahrens (Fig. 12B) behielt die Spektrumsform sogar bei 2 Mcps bei. Diese erste Untersuchung zeigte, daß das Verfahren der vorliegenden-Erfindung die Szintillationszählraten signfikant erweitern kann. Jedoch war die Energieauflösung bei 2 Mcps für diese erste Untersuchung schlecht. Ein Teil des Grundes beruhte auf DC-Pegelinstabilitäten, da der Widerstandsteiler des Photovervielfachers (PMT) in der ORTEC-Sonde AC-gekoppelt war und der Vorspannungsstrom nicht für eine derartig hohe Zählrate ausgelegt war {es gab zuvor keinen Grund für derartig hohe Zählraten aufgrund der NaI(T1)- Impulsüberlagerung auszulegen). Ein weiterer Grund bestand darin, daß, die die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung enthaltende Prototypenkarte aus einer einfachen Karte mit Lö chern aufgebaut war und die Verdrahtung in Wirewrap-Verdrahtung erfolgte. Ein dritter Grund bestand darin, daß ein Einzelintegrator verwendet wurde, welcher nicht ausreichend entladen werden kann, wenn das letzte Ereignis eine sehr hohe Energie hatte. Sowohl der PMT-Teiler- als auch die Prototypenschaltung wurden anschließend verbessert. Zwei Integratoren und RDC-Kanäle ("Ping-Pong") wurden bereitgestellt, um die vollständige Entladung der Integratoren s – eherzustellen. Die Impulshöhenspektren würden noch einmal für das Verfahren der vorliegenden Erfindung gemessen und die E- nergieauflösung war deutlich gemäß Darstellung in den 13A-D verbessert, Sogar bei 2 Mcps (13C) erreichte die Energieauflösung von 15% im Vergleich zu 10,9% bei 50 Kcps; ein Teil des Grundes für diesen Unterschied ist die kürzere mittlere Signalsammelzeit, wenn die Zählrate sehr hoch ist. Bei niedrigeren Zählraten wurde die Integrationszeit für die meisten Impulse bis 1 μs integriert, während, bei 2 Mcps der mittlere Zeitabstand zwischen den Ereignissen 500 ns war, was impliziert, daß die mittlere Signalsammelzeit gleich oder kleiner als 500 ns wäre.
A. Beispiel II
In einer zweiten Untersuchung wurde das Verfahren der vorliegenden Erfindung mit einem Experimentalaufbau einer Verzögerungsleitungsbegrenzung (DLC) (unter Verwendung von NIM-Elektronikmodulen und einer Begrenzung von 256 ns) verglichen. Die Energieauflösungsergebnisse sind in 14 dargestellt. Bei niedrigeren Zählraten hatte das PPC-Verfahren eine bessere Auflösung als das DLC-Verfahren, während bei 2 Mcps die Energieauflösung etwa dieselbe war. Die Untersuchung erzeugte auch Photospitzen-Zählraten, d.h., gute Zählimpulse ohne Überlagerung, welche bei jedem Verfahren unter Verwendung eines engen Energiefensters als eine Funktion von echten Zählraten gemäß Darstellung in 15 erfaßt wurden. Für das Verfahren der vorliegenden Erfindung waren bei 2 Mcps die Photospitzenzählimpulse 85% der gesamten einfallenden Zähl- Impulse, während das DLC nur 25% gute Zählimpulse hatte. Der niedrige Photospitzenanteil in dem DLC-Verfahren beruhte auf einem hohen Zählimpulsverlust von 75% aufgrund von Überlagesungen, welche die Überlagerungsereignisenergie über dem Pho- tospitzen-Akzeptanzfenster plazierten. Das DLC-Verfahren verzögerte das Auftreten von Überlagerung aufgrund seiner kürzeren Impulsbreite, jedoch bei sehr hohen Zählraten, machte es - die feste Impulsbreite gegenüber Überlagerungen (16) immer noch verwundbarer als PPC-Verfahren, welches eine variable Signalintegrationszeit und Zählimpulsrückgewinnungsfähigkeit besaß. Somit sind die Photospitzenzählereignisse, die durch das PPC-Verfahren gesammelt werden, daß 3,3-fache von dem DLC-Verfahren bei 2 Mcps. Das Impulsformungsverfahren erreichte 35 % bei 0,25 Mcps, weshalb es keine nützlichen Photospitzendaten über 0,25% Mcps aufgrund von Überlagerungen gab (15)
Die Wichtigkeit einer effektiven Restlichsubtraktion für jedes Auslöseereignis ist in 17A-F, insbesondere bei sehr hohen Zählraten dargestellt. Bei 600 Kcps ergab ein Verfahren mit einfach gewichteter Summe (SWS) ohne Restsubtraktion ein akzeptables, jedoch schlechteres Ergebnis im Vergleich zu der vorliegenden Erfindung. Bei hohen Zählraten von 1 bis 3,5 Mcps sind jedoch die Energiemeßfehler von SWS deutlich: Über 2 Mcps für NaI(T1) liegen die meisten Ereignisse auf dem Signal anderer Ereignisse (siehe Tabelle 2 in 16) und SWS würde große Energiefehler bei den meisten Ereignissen messen, und einem starken Zählimpulsverlust außerhalb des Photospitzenannahmefensters bewirken. Die hier demonstrerten SWS-Energiemeßfehler (schattierte Spektren in Fig. 17A-F) dürften ähnlich den in dem vorstehend diskutierten US, Patent Nr. 5,430,406 sein. 15–17 demonstrieren die Zählimpuls- und Energierückgewinnungs/Wiederherstellungs-Fähfgkeiten der vorliegenden Erfindung.
B. Beispiel III
Gemäß Darstellung in Fig. 18A–C wurde eine Monte Carlo Simulation des Körpers (mit Leber, Nieren und Blase) durchge- führt, um den Effekt von Überlagerungen in einer Bildgebung von 2 Mcps für: (a) das Verfahren der vorlfegenden Erfindung (18A); (b) das Impulsbegrenzungsverfahren (256 ns) ( 18B); (c) das reguläre Verfahren mit fester Integration (1 μs) (18C) zu demonstrieren. Die Untersuchung simuliert die elektronische Verarbeitung jedes Verfahren in einer Gamma-Kamera. Die Ergebnisse sind in 18A-C dargestellt. Bei 2 Mcps zeigte das Verfahren der vorliegenden Erfindung alle Aufnahmeorgane; das herkömmliche Verfahren zeigte keine Organe; das Impulsbegrenzungsergebnis lag zwischen den, zwei mit starken Überlagerungsartefakten zwischen den zwei Nieren und abnehmenden Aktivitäten in der Blase und den Nieren.
Neben der Verhinderung von Meßfehlern aufgrund von Überlagerungen ermöglicht die vorliegende Erfindung eine deutliche Verkürzung der Datenerfassungszeit. Diese schnelle Datenerfassung ist in kommerzilellen/medizinischen Anwendungen wichtig, da die Datenerfassungszeit deutlich reduziert werden kann: Wie vorstehend diskutiert, ist der Zähl mpulsverlust bei dem herkömmlichen Verfahren sehr hoch über 160.000 cps und kommt bei 200.000 cps in die Sättigung. Obwohl die Daten anzuzeigen scheinen, daß das herkömmliche Verfahren 200.000 cps erreichen kann, ist der Überlagerungsanteil an dieser Grenze sehr groß und die Photospitze wird sehr stark verzerrt. Daher ist ein großer Prozentsatz der Daten nicht nutzbar. Die vorliegende Erfindung kann über 2.000.000 cps mit sehr geringem Zählimpulsverlust zählen, wobei gleichzeitig eine sehr gute Photospitze erhalten bleibt und alle Daten nutzbar sind. Somit ist die vorliegende Erfindung eine deutliche Verbesserung gegenüber dem. Stand der Technik.
Die Daten aus einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, daß die Erfindung deutlich die Messung von Energie von Gammastrahlen bei sehr hohen Zählraten selbst dann verbessert, wenn die mehrfachen Überlagerungen 60% und Einzelüberlagerungen 17% (Nicht-Überlagerung von nur 13%) bei 2 Millionen cps erreichen. Die Daten zeigen, daß ein 10 – 20-fache Verbesserung in der Zählratenfähigkeit mit. der vorliegenden Erfindung machbar ist.
Diese vorstehend diskutieren Strukturen zeigten, daß die Verfahren der vorliegenden Erfindung ausführbar sind. Verglichen mit dem Impulsformungsverfahren besitzt es 15-fach höhere Zählraten und trotzdem ist bei niedrigen Zählraten die PPC-Energieauflösung dieselbe wie die des standardmäßigen Impulsformungsverfahrens. Die PPC-Energieauflösung verschlechterte sich langsam von 10,9% bei 50 Kcps auf 15% bei 2000 Kcps. Verglichen mit der Impulsbegrenzungstechnik hatte das PPC-Verfahren eine bessere Energieauflösung bei regulären Zählraten (10,9% gegenüber 15%) und 3,3-fach höhere Photo- spitzen-(Nicht-Überlagerungs)-Zählimpulse bei 2000 Kcps. Die Zählimpuls- und Energierückgewinnungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung bei sehr hohen Zählraten ist für die Erweiterung der maximalen Zählraten von Szintillationsdetektoren wichtig.
Alle hierin offenbarten und beanspruchten Verfahren und Vorrichtungen können ohne übermäßiges Experimentieren im Lichte der vorliegenden Offenbarung gezählt und ausgeführt werden. Obwohl die Strukturen und das Verfahren dieser Erfindung im Hinblick auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurden, wird es für den Fachmann auf diesem Gebiet offen sichtlich sein, daß Varinten an den Verfahren und den Vorrichtungen und in den Schritten oder in dem Ablauf der Schritte des hierin vorstehend beschriebenen Verfahrens ohne Abweichung von dem Konzept, dem Erfindungsgedanken und dem, Schutzumfang durchgeführt werden können. Alle derartigen Ersatzlösungen und Modifikationen, die für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sind, werden daher als nnerhalb des Erfindungsgedankens, Schutzumfangs und Konzeptes der Erfindung gemäß Definition durch die beigefügten Ansprüche liegend erachtet.
ANHANG
(1) Algebra der Formeln zur Verhinderung der Energieüberla- gerung.
Es werde angenommen, daß zu einem Zeitpunkt t_j ein j-ter Gammastrahl (γ_j) detektiert wird. Der j-te Gammastrahl ist en Überlagerungsereignis auf zwei vorhergehenden Gammastrahlen γ_j-1 und γ_j-2. Aus Knoll, 1979 ist die sofortige Szintillationsemission eines Szintillators nach der Detektion eines Gamma-Strahls gleich

wobei E das durch den Szintillator erzeugte Gesamtszintillationssignal ist, und E proportional zu der Energie des detektierten Gammastrahls ist. Das Momentansignal zum Zeitpunkt t für t_j < t < t_j+1 enthält die Emission von drei Gammastrahlen γ_j-2, γ_j-1, γ_j und ist gegeben durch.
Wenn q(t) mit einem Verstärkungsfaktor τ verstärkt oder gewichtet wird:
Wenn q(t) nur von t_j bis t integriert wird (dieses bedeutet implizit, daß der Integrator unmittelbar vor t_j entladen oder genullt wurde, ergibt sich aus der Gleichung (3)
Wenn die Gleichung 4 und 5 summiert werden, ist die gewichtete Summe innerhalb der Zeitdauer des Gammastrahls γ_j gleich:
Dieselbe Analyse wird nun auf die vorhergehende Zeitperiode angewendet, in welcher t_j–1 < t < t_j (die Zeitperiode von γ_j-1) angewendet. Aus der Gleichung (1) und 13 ist das momentane Signal nach dem Aufsetzen von γ_j-1 gleich:
Die gewichtete Summe für diese Periode ist:
Sj-1 = τq(t) + ∫j-1q(u)du (8)
Somit istS_j-1 der Term innerhalb der eckigen Klammer von Gleichung (6) und die Gleichung (6) wird zu:
Somit kann die Energieabscheidung des j-ten Gammastrahls aus der j-ten gewichteten Summe minus der vorhergehenden gewichteten Summe verringert um einen Emissionsabfallfaktor abgeleitet werden, vorausgesetzt, daß der Integrator unmittelbar vor der Ankunft des j-ten Gammastrahls entladen wird. Man beachtete, daß die gewichtete Summe S_j gemäß Darstellung in Gleichung (6) nicht ein Maß der Energie des j-ten Ereignisses ist, es ist die Messung der innerhalb des Szintillators eingefangenen Gesamtenergie unmittelbar nach dem j-ten eingetroffen Ereignis; d. h., S_j enthält die Energie des j-ten Ereignisses und die gesamte Restenergie der vorhergehenden mehrfachen Überlagerungen, wenn das j-te Ereignis abgeschieden wird.
Die Gleichung (9) ist eine genaue Lösung unabhängig davon; wie viele vorhergehende Gammaabklingkurven vorhanden sind, auf welchen der j-te Gammastrahl liegt. Die vorliegende Erfindung stellt somit das erste Verfahren bereit, das versucht, alle auslösenden Ereignisse zurückzugewinnen und eine mehrfache Überlagerung genau zu kompensieren. Somit kann die vorliegende Erfindung höhere Zählraten erzielen, als sie mit bekannten Verfahren möglich sind.
Die Gleichung (9) ist leicht intuitiv zu verstehen. Wenn keine Überlagerung vorliegt, ist S_j die detektierte. Energie des j-ten Gammastrahls (unabhängig davon, wann S_j abgetastet wird). Wenn Überlagerungen vorliegen, ist S_j die Gesamtenergie in dem Detektor in der j-ten Periode (unabhängig davon wann S_j abgetastet wird), welche die detektierte Energie des j-ten Gämmastrahls und die Restenergie aller vorhergehenden Gammastrahlen enthält. Diese j-te Restemission ist einfach die Gesamtenergie der vorhergehenden Periode (S_j-1 ) vermindert durch den Emissionsabfal1faktor, welcher von dem Zeitunterschied zwischen dem j-ten Gammastrahl und dem vorhergehenden Gammastrahl bestimmt wird.
(2) -Formeln zur Überlagerungsverhinderung für die Anger-Positionierung in Gamma-Kameras
In dem Anger-Positionsverfahren wird unter der Annahme, daß keine Überlagerung erfolgt, die γ-Lage durch die Flächen- Schwerpunktberechnung abgeschätzt:

wobei E₁ das von dem Photovervielfacher-i (PMT-i) empfangene Gesamtsignal ist, wenn ein γ-Strahl detektiert wird, und Xi die physikalische Lage des PMT-i ist: X' ist das vornormierte Pseudopositionssignal, weiches mittels der gesamten detektierten Energie Z des Gammastrahls normiert werden muß, um die Flächenschwerpunktlage X zu erzeugen. X' kann definiert sein als:
X' ≡ X+ – X–
Wenn zu einem Zeitpunkt t₁, der erste γ-Strahl mit der Energie Z₁ detektiert wird, ist die Gesamtenergie (nach der Signalintegration) verteilt auf PMT-1, PMT-2, ... PMT-n gleich E_l1, E_l2, ... , Ein_ln. Die gesamte integrierte Energie, die von der Kamera detektiert wird, ist gleich:
Z1 = Σ1E1i (11)
Aus der Gleichung 10 ist die vornormierte Position X' für die herkömmliche Angerpositionierung:
X1' = Σ1X1E1i (12)
in der herkömmlichen Anger-Position sind E_1i in der Gleichung (12) die integrierten PMT-Signale (integriert für 0,6 bis 1 μs) und daher ist X'₁ in Gleichungen (12) eine statische Größe, welche nach einer festen Integrationszeit von 1 μs erhalten wird. Somit ist, wenn eine Überlagerung während der Integrationszeit vorliegt, X'₁ falsch. In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die momentane vornormierte Position X'{t) verwendet:
Die gewichtete momentane vornormierte Position ist:
τX 1 (t) = Σ1X1E1i
(13)
Die integrierte vornormierte Position ist:.
∫1X 1 (u)du = Σ1Xi E1i(1 –
) (14)
Wenn die Gleichungen (13 und 14) summiert werden, ist die gewichtete Summe von X'₁ (t) gegeben durch:
SX 1 = τX 1 (t) + ∫1X 1 (u)du = Σi XiE1i (15)
Aus Gleichung 12 und Gleichung 15 erhalten wir SX'₁ = X'₁. Somit ist, wenn das Ereignis γ₁ keine Überlagerung auf vorhergehenden Ereignissen ist, die gewichtete Summe SX'₁ ebenfalls eine Abschätzung der Angerflächenschwerpunktlage für den Gammastrahl (γ₁), wie die statische Größe X'₁ in der Gleichung (12) für das herkömmliche Anger-Verfahren. Ferner ist die gewichtete Summe SX'₁ eine zeitunabhängige Größe, welche jederzeit abgetastet werden kann und immer noch eine erwartungsge treue Abschätzung der vornormierten Stelle bereitstellt. Daher ist die Summenposition SX'₁ ebenso wie_; ihr Energie-Gegenstück die gewichtete Summe S₁ in Gleichung (6).
Wenn jedoch das Ereignis (γ₁) eine Überlagerung auf einem vorherigen Gammastrahl (γ₀) ist, ist die vornormierte positionsgewichtete Summe nicht gleich der wahren vornormierten Position von γ₁, da SX'₁ die vornormierte positionsgewichtete Summe SX'₀ des durch die Restszintillation von γ₀ erzeugten Restes enthält. Die positionsgewichtete Summe des γ₀ Restes (ein Positionsvektor) addiert einen Fehlerpositionsvektor auf + die γ₁ Position. Die Größe dieses Fehlervektors nimmt zu, wenn der Zeitabstand (T₁ – T₀) zwischen γ₀ und γ₁ abnimmt. Diese Positionierungsfehler sind insbesondere schwerwiegend, wenn die Zählraten sehr hoch sind, so daß (a) die meisten Ereignisse auf dem Rest vorheriger Ereignisse liegen und (b) Mehrfachereignisüberlagerungen die Norm sind. Hier erfordert die allgemeine Lösung zum Ableiten der wahren vornormierten Position jedes Ereignisses γ₁ die Subtraktion der Restpositionssignale vorheriger Ereignisse von der vornormierten positionsgewichteten Summe SX'₁ und SY'_y, ausgelöst durch jedes γ_i.
In dem allgemeinen Falle, in welchem jedes Ereignis auf den Signalen von einem oder mehreren Ereignissen liegen kann, ist das gewichtete momentane vornormierte Positionssignal, ausgelöst durch ein Einfallsereignis γ_m gegeben durch die Überlagerung,

wobei t_m < t < t_m+1 ist. Das entsprechende integrierte, vornormierte Positionssignal ist gegeben durch:
Diese Integration kann ausgeführt werden, indem zuerst der Integrator unmittelbar vor dem Aufsetzen von γ_m genullt wird und dann die Integration unmittelbar wieder gestartet. wird. Durch Summieren der Gleichungen (16 und 17) ist die gewichtete Summe des vornormierten Positionssignals gleich:
Es kann beobachtet werden, daß der Term innerhalb der Klammer innerhalb der Gleichung (19) einfach SX'_m-1 (siehe Gleichung (18)) ist. Die periodische Beziehung reduziert die-
Gleichungen (19) und (1,2) auf:
Daher kann die vornormierte Anger-Logikposition (X'_m, Y'_m) von γ_m aus den gewichteten vornormierten Postionssummen von

γ_m, γ_m-1 und dem Zeitabstand zwischen den zwei Ereignissen, abgeleitet werden.
Da die Ableitung der Gleichung (20) annimmt, daß γ_m auf einer beliebigen Anzahl von vorherigen Ereignissen liegt, liefert die Gleichung (20) eine exakte Bestimmung der Position von y_m, selbst dann, wenn sie ein Teil einer Mehrfachereignisüberlagerung ist.
Die überlagerungsfreie vornormierte Position (X'_m,Y'_m) . wird dann mittels der Energie von γ_m wie in der herkömmlichen Anger-Logik normiert, um den Energieskalierungseffekt bei der Erzeugung der Position von ym zu entfernen. Somit muß die Energie von γ_m ebenfalls korrekt aus einer Mehrfachereignisüberlagerung extrahiert werden, wenn die Position von γ_m genau dekodiert werden soll. Die überlagerungsfreie Energie von γ_m kann ebenfalls aus der energiegewichteten Summe von γ_m, γ_m-1 und den Zeitabstand zwischen diesen zwei Ereignissen abgeleitet werden.
Em = Sm – Sm-1

wobei S_m die Summe des gewichteten momentanen Szintillationssignals und des Integrals des momentanen Szintillationssignals ist.
LITERATURVERWEISE
Die nachstehenden Literaturverweise sind in dem Umfang, daß sie exemplarische prozedurale weitere Details ergänzend zu den hierin Beschriebenen bereitstellen, hierin insbesondere durch Bezugnahme beinhaltet.
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Claims

Vorrichtung zum dynamischen Detektieren von Energie von jedem von einer Vielzahl ankommender von einem Detektor empfangener Signale ohne Überlagern (pile-up) vorhergehender von der Vielzahl ankommender Signale, aufweisend: eine Verzögerungsschaltung (130), die zum Empfangen eines ankommenden Signals aus dem Detektor geschaltet ist, wobei die Verzögerungsschaltung das ankommende Signal von einem Eingang zu einem Ausgang der Verzögerungsschaltung nach einer Zeitverzögerung passieren läßt; eine Auslöseschaltung (110), die zum Empfangen eines ankommenden Signals aus dem Detektor geschaltet, ist, wobei die Auslöseschaltung einen Auslöseimpuls nach dem Empfang eines nachfolgenden von der Vielzahl ankommender Signale bei der Auslöseschaltung erzeugt; eine Berechnungsschaltung (140, 150, 160), die mit dem Ausgang der Verzögerungsschaltung verbunden ist, wobei die Berechnungsschaltung einen Verstärker (140), einen Integrator (150) und einen Addierer (160) für die Ermittlung eines gewichteten Wertes des ankommenden Signals enthält; eine Entladeschaltung (170), die mit der Berechnungsschaltung verbunden ist, wobei die Entladeschaltung den Integrator (150) anschließend an jeden Empfang des Auslösesignals entlädt; eine Abtastschaltung (170), die zum Empfangen des gewichteten Wertes aus der Berechnungsschaltung (140, 150, 160) geschaltet ist, wobei die Abtastschaltung den gewicheten Wert von einem Eingang zu einem Ausgang der Ab tastschaltung nach dem Empfang des Auslösesignals passieren läßt; und eine Restsubtraktionsschaltung (190), die mit, dem Ausgang der Abtastschaltung (170) verbunden: ist, wobei die Restsubtraktonsschaltung einen Restsignalwort, der einem gewichteten Restwert der vorhergehenden von der Vielzahl von ankommenden Signalen entspricht, subtrahiert, wobei die Restsubtraktionsschaltung (170) ein Ausgangssignal liefert; das der Energie des ankommenden Signals entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Berechnungsschaltung den Verstärker (140) verbunden mit einem Schalter (145) verbunden mit zwei Integratoren (150A, 150B) verbunden mit einem Schalter verbunden mit dem Addierer (160) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Berechnungsschaltung eine Vielzahl von Kanälen (210) aufweist, wovon der einen Integrator verbunden mit einem Addierer verbunden mit der Abtastschaltung enthält, wobei jeder von den Kanälen angepaßt ist, umschaltbar die Vielzahl von ankommenden Signalen zu empfangen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der gewichtete Wert eine Kombination eines integrierten Wertes des ankommenden Signals und eines Momentanwertes des ankommenden Signals aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner eine Glättungsschaltung (120) aufweist, die zwischen dem Detektor und die Verzögerungsschaltung (130) geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Glättungsschaltung (120) ein Tiefpaßfilter aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auslöseschaltung (110) einen Diskriminator und einen Schmitt-Trigger aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Restsubtraktionsschaltung (190) eine Nachschlagetabelle (194) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Detektor einen Szintillator aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welcher ferner einen digtalen Signalprozessor (240) aufweist, der mit der Restsubtraktionsschaltung verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen A/D-Wandler (180) aufweist, der zwischen die Abtastschaltung (170) und die Restsubtraktionsschaltung (190) geschaltet ist:
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen zusätzlichen oder mehrere von der Verzögerungsschaltung (130), der Berechnungssehaltung und der Abtastschaltung (170) aufweist .
Vorrchtung zum Detektieren von Positions- und Energieinformation von jedem einzelnen einer Vielzahl von ankommenden Signalen, die von einer Gammakamera empfangen werden, ohne Überlagerung vorheriger von der Vielzahl ankommender Signale, aufweisend: eine erste Verzögerungsschaltung (130), die zum Empfangen eines ersten ankommenden Signals (x¹) aus der Gammakamera geschaltet ist, wobei die erste Verzögerungsschaltung das erste ankommende Signal von einem Eingang zu einem Ausgang der ersten Verzögerungsschaltung nach einer ersten Verzögerungszeit passieren läßt; eine zweite Verzögerungsschaltung (130), die zum Empfangen eines zweiten, ankommenden Signals (y¹) aus der Gammakamera geschaltet ist, wobei die zweite Verzögerungsschaltung das zweite ankommende Signal von einem Eingang zu einem Ausgang der zweiten Verzögerungsschaltung nach einer zweiten Verzögerungszeit passieren läßt; eine dritte Verzögerungsschaltung (130), die zum Empfangen eines dritten ankommenden Signals (z¹) aus der Gammakamera geschaltet ist, wobei die dritte Verzögerungsschaltung das dritte ankommende Signal von einem Eingang zu einem Ausgang der dritten Verzögerungsschaltung nach einer dritten Verzögerungszeit passieren läßt; eine Auslöseschaltung (220),die zum Empfangen des dritten ankommenden Signals aus der Gamma-Kamera geschaltet ist, wobei die Auslöseschaltung ein Auslösesigrial und eine Zeitmarkierung nach dem Empfang eines nächsten dritten ankommenden Signals bei der Auslöseschaltung erzeugt; erste, zweite und dritte Berechnungsschaltungen, wobei jede von den Berechnungsschaltungen zum Empfangen eines Ausgangssignals von einer entsprechenden von den ersten, zweiten und dritten Verzögerungsschaltungen geschaltet ist, wobei jede von den Berechnungsschaltungen einem Verstärker (140), einen Integrator {150) und einen Addierer (160) zum Ermitteln eines entsprechenden gewichteten Wertes für jedes von den ersten, zweiten und dritten ankommenden Signalen aufweist; erste, zweite und dritte Entladungsschaltungen (235), die mit den Berechnungsschaltungen verbunden sind, wobei die Entladeschaltungen so konfiguriert sind, daß sie die Integratoren zwischen jedem Ereignis entladen; erste, zweite und dritte Abtastschaltungen (170), wobei jede von den Abtastschaltungen zum Aufnehmen eines entsprechenden von den ersten, zweiten und dritten gewichteten Werten geschaltet ist, wobei die Abtastschal tungen den entsprechenden gewichteten Wert nach dem Empfang des Auslösesignals passieren lassen; und einen digitalen Signalprozessor (240), der zum Aufnehmen der ersten, zweiten und dritten gewichteten Werte geschaltet ist, wobei der digitale Signalprozessor Restsignalwerte, die gewichteten Restwerten von vorherigen von den ersten, zweiten und dritten ankommenden Signalen entsprechen, subtrahiert, wobei der digitale Signalprozessor ein Ausgangssignal erzeugt, das einen Positionswert der ersten und zweiten ankommenden Signale und einen Energiewert des dritten ankommenden Signals entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die ersten und zweiten ankommenden Signale vornormierte Positionssignale aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das dritte ankommende Signal ein Energiesignal aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, welche ferner eine schnelle Auslöseschaltung (220) aufweist, die mit jeder von den ersten, zweiten und dritten Berechnungsschaltungen verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, welcher ferner eine oder mehrere Zonenbegrenzungen, eine Zwischenzonen-Defektionsschaltung, die mit dem digitalen Signalprozessor verbünden ist, und einen Multizonen-Auslöseprozessor (340) aufweist der mit der Zwischenzonen-Detektionsschaltung (330) verbunden ist, wobei die Zwischenzonen-Detektionsschaltung zwei oder mehr unabhängige Positionssignale, die in der, Nähe von einer von den Zonenbegrenzungen detektiert wurden, in den Multizonen-Auslöseprozessor einspeist, der eine Schwerpunktsmittelung für die zwei oder mehr unabhängigen Positionssignale ausführt, um dadurch ein Grenzartefaktereignis zu verhindern.
Verfahren zum Erzielen von Energieinformation für jedes von einer Vielzahl von einem Detektor empfangener ankommender Signale ohne Signalüberlagerung, welches umfaßt: Verzögern eines ankommenden Signals für eine vorgewählte Zeit; Berechnen eines gewichteten Wertes des ankommenden Signals nach der voreingestellten Zeit unter Verwendung eines Verstärkers (140), eines Integrators (150) und eines Addierers (160); Abtasten des gewichteten Wertes nach dem Empfang eines nachfolgenden, von der Vielzahl von ankommenden Signalen; Entladen des Integrators (150) nach der Abtastung; und Subtrahieren eines Restsignalwertes von dem gewichteten Wert, um die Energieinformation des ankommenden Signals zu erzielen, wobei der Restsignalwert einen gewichteten Restsignalwert von wenigstens einem vorherigen ankommenden Signal entspricht, um dadurch die Signalüberlagerung zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 18, welcher ferner das Glätten des ankommenden Signals aufweist;
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Berechnungsschritt das Erzielen einer Summe eines momentanen Wertes des ankommenden Signals und eines integrierten Wertes des ankommenden Signals aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Verfahren dadurch eine variable Sgnalsammelzeit erzeugt;
Verfahren zum Ermitteln von Positions- und Energieinformation einer Vielzahl ankommender Signale aus einem Detektor ohne Überlagerung; welches umfaßt: Empfangen eines ersten und zweiten vornormierten Positionssignals und eines Gesamtenergiesignals aus dem Detektor; Verzögern der ersten und zweiten vornormierten Positionssignale und des Gesamtenergiesignals für eine vorbestimmte Zeit; Berechnen eines gewichteten Wertes für jedes von den ersten und zweiten vornormierten Positionssignalen und des Gesamtenergiesignals nach der vorgewählten Zeit unter Verwendung der Verstärker (14 0), Integratoren (150) und Addierer (160); Abtasten des gewichteten Wertes für jedes von den ersten und zweiten vornormierten Positionssignalen und das Gesamtenergiesignal nach dem Empfang eines anschließenden von den ersten und zweiten vornormierten Positionssignalen und des Gesamtenergiesignals; Entladen der Integratoren (150) zwischen jedem Ereignis; und Subtrahieren eines Restpositionssignals von jedem von den ersten und zweiten vornormierten Positionssignalen, um, dadurch die Signalüberlagerung zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 22, welches ferner die Berechnung eines normierten Positionssignals von jedem der ersten und zweiten vornormierten Positionssignale aufweist.