DE69837429T2

DE69837429T2 - Unterteilter szintillationsdetektor zur feststellung der koordinaten von photoneninteraktionen

Info

Publication number: DE69837429T2
Application number: DE69837429T
Authority: DE
Inventors: Christian Quebe Quebec MOISAN; Mark S. Knoxville ANDREACO; Sebastian Montreal Nord PAQUET; Joel G. Vancouver ROGERS
Original assignee: Alberta Simon Fraser University Univ of Victoria Univ of British Columbia carrying on as Triumf Vancouver, University of; Simon Fraser University; CTI Molecular Imaging Inc
Current assignee: THE UNIVERSITY OF ALBERTA, SIMON FRASER UNIVER, CA; Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1998-02-05
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2018-02-06
Also published as: JP2002513469A; US6087663A; DE69837429D1; EP0958508A4; CA2279959C; WO1998035242A1; EP0958508B1; CA2279959A1; AU766025B2; EP0958508A1; AU6434198A

Description

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Aktenzeichen 60/037,519, eingereicht am 10. Februar 1997 und der vorläufigen US-Patentanmeldung Aktenzeichen Nr. 60/042,002, eingereicht am 16. April 1997.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung. die in der Lage ist, die Quer- und Längskoordinaten einer Lichtemission zu bestimmen, die durch die Wechselwirkung von Photonen in einem Array von Photonendetektoren mit einer Vielzahl von Szintillationslichtleitern induziert wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Vorrichtungen zum Bestimmen der Verteilung von Photonen, z. B. von einem Gammastrahl oder Röntgenstrahl ohne Beschränkung bezüglich ihrer spezifischen Energie, die durch Objekte hindurch gesendet oder emittiert werden, um die Zusammensetzungen oder Funktionen der Objekte zu untersuchen, sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Beispielsweise kann die als Positronen-Emissions-Tomographie (PET) bezeichnete Technik nach einem Einspritzen von Tracermolekülen, die Positronen in einen lebenden Körper emittieren, in vivo biochemische Funktionen untersuchen. Kurz nach der Freisetzung der Positronen im Versuchskörper annihilieren die Positronen mit umliegenden Elektronen, um ein Paar von Photonen zu erzeugen, die jeweils eine Energie von 511 keV haben und sich in nahezu entgegengesetzte Richtungen bewegen. Das Erfassen eines Paares von solchen Annihilationsphotonen durch zwei entgegengesetzte Detektoren ermöglicht die Bestimmung der Lage und der Raumrichtung einer Flugbahnlinie, die durch die entgegengesetzten Flugbahnen der Photonen definiert ist. Durch die Verwendung einer weiteren, aus dem Stand der Technik als tomographische Rekonstruktion bekannten Technik, um die vielen Flugbahnlinien zu überlagern, die dadurch erhalten werden, dass man das Versuchsobjekt mit einem Array von Detektoren umgibt, kann ein Bild der Verteilung der Tracermoleküle im Körper erzeugt werden.
Ein zentrales Merkmal einer solchen Vorrichtung ist der Photonendetektor. Der letztgenannte muss in der Lage sein, genaue Schätzwerte der Koordinaten der Photonenerfassung sowie der Energie und der Ankunftszeit jedes auftreffenden Photons zu liefern. Genaue Informationen bezüglich der Position, der Energie und der Zeit sind notwendig, um eine genaues Bild der Verteilung von Positronen emittierenden Molekülen zu rekonstruieren und derartige in vivo Funktionsuntersuchungen zu ermöglichen.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Photonendetektoren bekannt, die in der Lage sind, genaue Schätzwerte hinsichtlich der Energie, der Querkoordinaten und der Zeit der Photonenwechselwirkungen zu liefern. Ein nennenswertes Beispiel für einen solchen Photonendetektor sowie eine Vorrichtung für dessen Verwendung ist in dem US-Patent Nr. 4,750,972 von Casey et al. offenbart. Eine Kristallmischung, die als Szintillator bezeichnet wird, wird im Allgemeinen bei der Herstellung von Detektoren für die obige Anwendung verwendet. Ein Szintillator (die Mischung) hat die einzigartige Eigenschaft, bei Anregung an der Stelle der Wechselwirkung eines Photons im Szintillator Licht zu emittieren. Ein Photonendetektor gemäß dem Stand der Technik hat die Form eines Blocks einer Szintillatormischung, der zu einer Vielzahl von rechtwinkligen Kristallen mit üblichen Abmessungen von 4 × 4 × 30mm geformt und an bekannten Quer-(X und Y)-Positionen angeordnet ist. Das Array wird entweder dadurch hergestellt, dass man einzelne Szintillator-Kristalle Seite an Seite auf einen Träger klebt oder man Schlitze in ein festes Stück eines Szintillator-Kristalls entlang der Richtung senkrecht zu einem Photonen empfangenden Ende schneidet. Photonen treten durch das empfangende Ende in den Block ein; das von den oberen Querspitzen der Kristalle gebildet wird. Die Photonen werden ein Volumen des Blocks über eine begrenzte Strecke hinweg durchdringen, ehe sie mit dem Szintillator in Wechselwirkung treten. Diese Strecke variiert statistisch für jedes Photon gemäß einer bekannten Exponentialverteilung, die von der Art der verwendeten Szintillatormischung und der Energie der auftreffenden Photonen abhängt. Bei einer Wechselwirkung wird die Szintillatormischung angeregt und emittiert eine Lichtmenge, die proportional zu der von dem Photon verlorenen Energie ist. Das aufnehmende Ende und die Seitenwände jedes Szintillatorkristalls sind mit einer hochreflektierenden Verbindung beschichtet, die dieses Licht im Volumen des Kristalls, in dem die Wechselwirkung auftrat, einfangen wird. Der Kristall arbeitet als Lichtleiter für das emittierte Licht und kanalisiert das Licht durch Mehrfachreflektionen an den beschichteten Seitenwänden in Richtung eines Lichtübertragungsendes des Kristalls. Eine geeignete Anzahl von Lichterfassungsvorrichtungen sind optisch mit den Lichtübertragungsenden eines Arrays von Kristallen gekoppelt, um das Licht aus allen Kristallen im Array aufzufangen. Mit Hilfe geeigneter Kalibrierverfahren kann anhand des aufgefangenen Lichtes bestimmt werden, wie viel Energie von dem Photon bei der Wechselwirkung mit dem Szintillator freigesetzt wurde, um die Wechselwirkung zeitlich zu erfassen und, was am wichtigsten ist, das bestimmte Kristall, das durch die Wechselwirkung angeregt wurde, zu lokalisieren.
Da herkömmliche Detektoren nur die Wechselwirkungen von Photonen im Gesamtvolumen eines Kristalls lokalisieren können, gelten Detektoren gemäß dem Stand der Technik als zweidimensional, d.h. ein Array von Kristallen liefert nur Informationen bezüglich der Querkoordinaten, X und Y, der Photonenwechselwirkung und lässt die Position der Wechselwirkung entlang der Längsachse Z des angeregten Kristalls unbestimmt. Die Längskoordinate kann im Falle von bildgebenden Situationen, in denen das Photon im rechten Winkel zum Aufnahmeende des Kristalls auftrifft, gefahrlos weggelassen werden. In diesem Fall wird das Photon in einer Richtung parallel zur Längsachse des Kristalls eindringen und in dem Volumen dieses Kristalls in Wechselwirkung treten. Die Kenntnis der Querkoordinaten (X- und Y-Koordinaten) eines Paares von Photonen, die koinzident erfasst werden, reicht dann aus, um die Ausrichtung und die Raumlage ihrer Flugbahnlinie eindeutig zu bestimmen. Im Gegensatz dazu kann ein Photon, das entlang einer Richtung auftrifft, die in einem deutlichen Winkel in Bezug zum lotrechten Winkel der zur Bildung eines Detektors angeordneten Kristalle steht, durch mehrere Kristalle eines Arrays von Kristallen, das den Detektor bildet, fliegen, ehe es zu einer Wechselwirkung kommt. Da es nicht bekannt ist, durch welche der Kristalle die Photonen tatsächlich in das den Detektor bildende Array von Kristallen eingetreten sind, ist die alleinige Kenntnis der Querkoordinaten der Wechselwirkungen der Photonen, die koinzident erfasst wurden, nicht ausreichend. Es bleibt eine deutliche Unsicherheit bezüglich der Ausrichtung und der Raumlage ihrer Flugbahnlinie.
Die oben erörterte Unsicherheit verursacht deutliche Schwierigkeiten. Beispielsweise ist die Positionsauflösung einer PET-Vorrichtung im Allgemeinen als gemessene Raumgröße des Projektionsbildes einer punktartigen Quelle vorgegeben, die koinzidente Photonen emittiert. Eine Fehlidentifizierung des Inzidenzkristalls aufgrund des tiefen Eindringens der Photonen, die in einem Winkel auf die Detektoren treffen, die von dem Array von Kristallen gebildet sind, führt zu einer Verschlechterung der Bildauflösung herkömmlicher PET-Kameras, die im Stand der Technik allgemein als Parallaxenfehler bekannt ist. Der Parallaxenfehler führt dazu, dass die Bildauflösung für eine Photonen-Emissionsquelle, die sich am Rand der Kamera befindet, deutlich verschlechtert ist verglichen mit einer Quelle, die sich in deren Mitte befindet. Demzufolge wird durch den Parallaxenfehler die Fähigkeit herkömmlicher Kameras beschränkt, relativ große Objekte, wie z. B. einen menschlichen Rumpf, abzubilden. Das Problem wird folglich noch auffallender, wenn man ausgestreckte Körper abbildet oder wenn man versucht, die Detektoren näher an den abzubildenden Körper zu bringen.
Selbstverständlich wäre es wünschenswert, den Parallaxenfehler in PET-Kameras zu verhindern, indem man Detektoren verwendet, die nicht nur die Querkoordinaten sondern auch die Längskoordinaten der Photonenwechselwirkungen messen können. In der Tat lässt die Kenntnis der dreidimensionalen Koordinaten der Wechselwirkungen eines koinzident erfassten Photonenpaars keine Unklarheit bezüglich deren Flugbahnlinien.
Ein unlängst entwickelter Ansatz auf diesem Gebiet, der auf die Lage der X-, Y- und Z-Koordinaten von Lichtemissionen in einem Array von Kristallen gerichtet ist, ist im US-Patent 5,349,191 von Rogers offenbart. Der Ansatz von Rogers beruht auf einer Fläche auf mindestens einem Teil der Kristallwände mit einer hohen Lichtreflexion und sowie derartigen Kristallquerschnittsabmessungen, dass der Gesamtanteil des emittierten Lichts, das zu den Lichterfassungsvorrichtungen geführt wird, wesentlich geringer ist für Wechselwirkungen, die nahe dem Aufnahmeende des Kristalls auftreten und wesentlichen höher ist für solche, die nahe dem Lichtübertragungsende auftreten. Dieser Ansatz führt jedoch zu einer ununterbrochenen Schwankung des gesamten aufgefangenen Lichts mit der Längs- (Z-Richtungs-)-Emissionskoordinate. Diese Schwankung muss von daher an einer Vielzahl von Stellen von dem Aufnahmeende zum Lichtübertragungsende des Kristalls kalibriert werden. Die Kalibrierung umfasst Messungen des aufgefangenen Lichts als eine Funktion der bekannten Längskoordinate eines kollimierten Photonenstrahls, der auf eine Seitenfläche jedes Detektors auftrifft. Obwohl der Rogers-Detektor genaue X-, Y- und Z-Positionen eines Punktes von photoneninduzierter Lichtemission in einem Muster einer Vielzahl von Szintillationskristalllichtleitern liefert, erfordert dieser Detektor die obige Kalibrierung, die insbesondere bei einer großen Anzahl von Kristallen unpraktisch und zeitaufwändig ist.
Ein weiterer Ansatz gemäß dem Stand der Technik zum Angeben der X-, Y- und Z-Positionen von photoneninduzierten Lichtemissionen in den Kristallen ist im US-Patent Nr. 4,843,245 von Lecomte beschrieben. Dieser Ansatz nutzt das Stapeln von zwei segmentierten Szintillationskristallen. die unterschiedliche Szintillationsabfallzeiten haben. Da der Ansatz auf der Verfügbarkeit von Szintillatoren beruht, die unterschiedliche Abfallzeiten haben, ist es in der Praxis schwierig, diesen Ansatz auf mehr als zwei Segmente auszudehnen. Darüber hinaus würde dies zwangsweise relativ langsame Szintillatoren erfordern und wahrscheinlich die maximale Geschwindigkeit, mit der Photonen erfasst werden können, beeinträchtigen. Um einen Bereich von Abfallzeiten vorzusehen, müssen aufeinander folgende Szintillatoren in der Tat niedrigere Geschwindigkeiten haben, und für eine vernünftige Auflösung muss das letzte Segment eine deutlich reduzierte Geschwindigkeit haben. Demzufolge kann die Gesamtgeschwindigkeit eines Detektors gemäß dem Ansatz von Lecomte nicht größer als die niedrigste Geschwindigkeit eines Segments sein.
Das US-Patent Nr. 5,122,667 von Thompson verwendet einen einzigen Kristall, der die Schwierigkeiten des Lecomte-Ansatzes umgeht, jedoch auf einem absorbierenden Band beruht, das sich an der mittleren Wechselwirkungs-Koordinate entlang der Längsachse des Kristalls befindet. Dieses Licht absorbierende Band unterteilt den Kristall in zwei Bereiche, so dass ein Photon mit gleicher Wahrscheinlichkeit vor oder hinter dem Band mit dem Kristall in Wechselwirkung tritt. Koinzidente Ereignisse, die ein Paar dieser Kristalle umfassen, werden sich somit in vier gleichwahrscheinliche Gruppen aufteilen. Der Thompson-Ansatz gilt als eine Verbesserung gegenüber dem Ansatz gemäß dem Stand der Technik, bei dem Detektorkristalle aus zusammengeklebten unterschiedlichen segmentierten Szintillatoren hergestellt sind. Thompson weist darauf hin, dass die Verwendung eines segmentierten Kristalls mit verschiedenen Materialien in den Segmenten zu einem verringerten Wirkungsgrad führen wird, wenn die Gesamtkristalltiefe konstant ist, oder zu einer niedrigeren Auslösung und einer Unschärfe, wenn die Kristalle tiefer gemacht werden, um den Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten.
Das US-Patent Nr. 5,012,103 beschreibt einen Strahlungsdetektor, der einen Szintillator enthält, der einen keilförmigen Ausgabeabschnitt hat, einen Lichtleiter zum Einbringen von Szintillationslicht mit einem V-förmigen Abschnitt zur Aufnahme des Szintillatorausgabeabschnitts sowie einen Photodetektor zum Erfassen des Szintillationslichts. Dieses Dokument ist in der Tat hauptsächlich darauf gerichtet, den Transmissionswirkungsgrad zu verbessern und sieht keine Lehre bezüglich der Bestimmung der Z-Achsen-Position der photoneninduzierten Lichtemission vor.
Das US-Patent Nr. 4,823,016 beschreibt einen Szintillationsdetektor für die dreidimensionale Messung der Adsorptionsposition von Gammastrahlen, die in den Detektor eintreten, einschließlich eines Bündels von säulenförmigen Szintillatorelementen, die zwischen mehreren positionserfassenden Photodetektoren angeordnet sind, die an beiden Enden des Szintillatorbündels angeordnet sind. Es fehlt jegliche Lehre darüber, dass derartige säulenförmige Szintillatorelemente segmentiert und so bemessen sind, dass sie eine Reihe von Grenzschicht-Transmissionsverlusten vorsehen, die verwendet werden können, um Z-Achsen-Positionsinformationen aus der photoneninduzierten Lichtemission zu extrahieren.
Das US-Patent Nr. 4,638,158 beschreibt ein System zur radiometrischen Bohrlochvermessung unter. Verwendung eines einzelnen positionsempfindlichen Gammastrahlendetektors, der eine Gamma-Gamma-Streuungstechnik einsetzt, mit zwei Photodetektoren (PMT) an den entgegengesetzten Enden eines Szintillatorkristalls. In dem Maße wie ein solcher Szintillatorkristall als aus Kristallsegmenten zusammengesetzt angesehen werden kann, sind diese Segmente entlang einer Achse angeordnet, die senkrecht zur Richtung der ankommenden Gammastrahlen ist.
Demzufolge würde sich ein deutlicher Vorteil auf diesem Gebiet ergeben, wenn die Quer- und Längskoordinaten der Photonenwechselwirkungen in einem Detektor bestimmt werden, der aus Kristallen aus dem gleichen Material gebildet ist. Ein Photonendetektor, der diese zusätzlichen Informationen liefert, erfordert nur eine einfache Kalibrierung und ermöglicht die Korrektur des Parallaxenfehlers, der die derzeitige Generation von PET-Kameras beeinträchtigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Hauptziel der Erfindung ist, einen verbesserten Szintillatorkristall und eine Vorrichtung für dessen Verwendung anzugeben, die mit Genauigkeit die Quer- und Längskoordinaten von Photonenwechselwirkungen in Szintillatorkristallen bestimmen können.
Der vorliegende verbesserte Szintillatorkristall ist eine Verbesserung gegenüber den Detektoren aus dem Stand der Technik, bei denen jeder Szintillatorkristall als Lichtleiter dient, um Licht, das bei Anregung durch wechselwirkende Photonen freigesetzt wird, zu übertragen. In der Vorrichtung sind eine Vielzahl von Licht erfassenden Vorrichtungen optisch mit dem Licht übertragungsende des Kristallarrays gekoppelt, um dieses Licht aufzufangen. Mit der oben genannten Ausnahme sind beim Stand der Technik die Kristalllichtleiter monolithisch (nicht segmentiert und bestehen aus dem gleichen Material) und weisen über ihr gesamtes Volumen und insbesondere über ihre gesamte Länge einheitliche Eigenschaften auf. Bei diesen unsegmentierten Lichtleitern aus dem Stand der Technik wird die Wahrscheinlichkeit, dass das emittierte Licht die Lichterfassungsvorrichtungen erreicht, von zwei grundlegenden Phänomenen bestimmt, nämlich: die Absorption von Licht im Volumen jedes Kristalls oder der Austritt oder die Absorption von Licht bei Wechselwirkungen mit den Oberflächen der Enden oder der Seitenwände des Kristalls. Beim Stand der Technik wird die Szintillatormischung und ihre Oberflächenvergütung bzw. -beschichtung so gewählt, dass das Auftreten dieser beiden Phänomene so gut wie möglich auf ein Minimum herabgesetzt wird.
Im Gegensatz zum Stand der Technik basiert die vorliegende Erfindung auf der Entdeckung, dass eine diskrete schrittweise Veränderung der Menge an aufgenommenem Licht durch einen segmentierten Szintillationskristall erreicht werden kann, wobei die diskrete schrittweise Veränderung von der Längskoordinate der Photonenwechselwirkung abhängt. Diese Veränderung kann in einem Detektor, der eine Vielzahl solcher segmentierter Kristalle umfasst, dafür genutzt werden, nicht nur die Querkoordinaten sondern auch die Längskoordinaten von Photonenwechselwirkungen zu erhalten, und sie vermeidet somit unter anderem den Parallaxenfehler in der PET.
Die Erfindung betrifft im Wesentlichen einen Szintillationslichtleiter, wie er im Anspruch 1 definiert ist. Zusätzliche Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen definiert, insbesondere im Anspruch 17 für eine Vorrichtung, die Lichtleiter, wie in Anspruch 1 definiert, enthält.
Als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine diskrete Veränderung des aufgenommenen Lichtes dadurch ermöglicht, dass der Kristall entlang seiner Längsachse segmentiert wird, so dass jeder Kristall aus einzelnen Kristallsegmenten der gleichen oder der im Wesentlichen gleichen Szintillationsmischung gebildet ist. Eine Grenzschicht, die die Lichtübertragung unterdrückt, ist zwischen angrenzenden Segmenten angeordnet. Die Grenzschicht bewirkt eine schrittweise Veränderung des Lichts, das von den Lichterfassungsvorrichtungen aufgefangen wird. Ein Unterdrücken der Lichtübertragung zwischen zwei angrenzenden Kristallsegmenten kann weiter durch die Zusammensetzung der Grenzschicht und durch die Endkonfigurationen der angrenzenden Segmente gesteuert werden.
Der Kristall kann entweder mechanisch oder chemisch segmentiert werden. So werden in einem Ausführungsbeispiel mechanischer Segmentierung angrenzende Kristallsegmente mechanisch zusammengehalten, z. B. durch Klebstoffe oder mechanische Halterungen, und die Grenzschicht nutzt einen Unterschied zwischen dem Brechungsindex des Szintillatormaterials der Segmente und dem Brechungsindex der Grenzschicht. Vorausgesetzt, dass er immer von dem des Szintillators abweicht, kann dieser Brechungsindex für alle Segmente gleich sein oder kann auch von einem Segment zum anderen variieren. Aufgrund der allgemein bekannten Gleichungen von Fresnel ergibt sich, dass je größer der Unterschied zwischen diesen Brechungsindizes ist, umso größer die gesamte innere Reflektion des Lichtes ist, wenn es die Grenzschicht zwischen zwei angrenzenden Segmenten erreicht.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Kristall chemisch segmentiert werden, um ausgewählte Eigenschaften des Kristalls an einer Grenzschicht zu ändern, und zwar durch das Hinzufügen spezifischer Dotierungssubstanzen unter Verwendung von Techniken, die auf diesem Ge biet allgemein bekannt sind. Beispielsweise und nicht einschränkend ist das üblichste Verfahren zum Züchten von Kristallen aus Oxidmaterialien mit hohem Schmelzpunkt, wie z. B. Lutetiumoxyorthosilikat (LSO), beschrieben in C.L. Melcher, et al., "Cerium-doped Lutetium Oxyorthosilicate: A Fast, Efficient, New Scintillator", IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-39, 502, (1992), das Czochralski-Verfahren, bei dem ein Impfkristall dazu verwendet wird, einen Einkristall aus einer Schmelze zu ziehen. In dem besonderen Fall von Cer-dotiertem LSO kann die Cer-Konzentration in den Rohmaterialien, d.h. der Schmelze, beispielsweise zwischen 0,05 % und 2,0 % (in Relativprozent zu Lutetium) variiert werden, um Grenzschichten in den LSO-Kristallen zu erzeugen, die bewirken, dass spürbar unterschiedliche Mengen an Licht emittiert werden, wenn sie durch Photonen einer gegebenen Energie angeregt werden.
Ein gesteuertes Unterdrücken der Übertragung des emittierten Lichts zwischen Segmenten des Kristalls verbessert wirksam die Menge an emittiertem Licht, die in dem Volumen eines Segments eingefangen werden soll, ehe es die Lichterfassungsvorrichtungen erreichen kann. Das Licht, das in einem Segment gefangen ist, hat eine höhere Chance in dem Volumen des Kristalls dieses Segments oder auf der Oberfläche der Außenwände des Kristallsegments oder auf einer Licht adsorbierenden Maske, die an den Enden eines Segments angeordnet ist (wird nachstehend beschrieben), absorbiert zu werden.
Für eine gegebene Längsposition der Emission wird der Anteil des ursprünglichen Lichts, das dieses Einfangen überstehen und die Lichterfassungsvorrichtungen erreichen wird, von der Gesamtanzahl der Segmente zwischen dem Emissionspunkt des Lichts und dem Lichtübertragungsende beeinflusst. Der Nettoeffekt der Unterdrückung der Übertragung an den Grenzschichten zwischen Segmenten ist deshalb von einem Segment zum anderen inkremental. Dies führt zu diskreten (nicht kontinuierlichen) Unterschieden in der Menge an aufgenommenem Licht für Emissionspunkte, die sich in einzelnen Segmenten des segmentierten Kristalls befinden. Die Lichtmenge ändert sich nicht für verschiedene Emissionspunkte innerhalb eines einzelnen Segments.
Ein Unterdrücken der Lichtübertragung aus jedem Segment kann möglicherweise nicht allein ausreichen, um diskrete und aufgelöste Unterschiede des von einem Kristalllichtleiter gesammelten Lichtes sicherzustellen. Praktische Grenzen werden dieser Trennung durch die Bulk-Eigenschaften der Szintillatormischung, durch die Länge und den Querschnitt der Segmente, durch die besondere Wahl der Grenzschicht, durch die Oberflächengüte der Segmente und durch die Reflexionsbeschichtung aufgezeigt. Demzufolge ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, dass diskrete und aufgelöste Unterschiede in der Menge an gesammeltem Licht dadurch verbessert werden, dass die Absorption von gefangenem Licht in einem Segment verbessert wird.
Es können mehrere verschiedene Mittel verwendet werden, um eine derartige verbesserte Absorption zu erreichen. In einem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Teil oder das gesamte Aufnahmeende eines segmentierten Kristalls mit einer Licht absorbierenden Maske beschichtet, die das gesamte oder einen Teil des reflektierenden Materials ersetzt, das dieses Ende normalerweise bedeckt. Dies führt zu der Absorption des emittierten Lichts, das dieses Ende des Kristallsegmentsstapels erreicht. Die absorbierende Maske wird einen anderen Anteil des Lichts eliminieren, je nach Segment, in dem die Emission auftrat. Diese Menge hängt von der Anzahl an Grenzschichten ab, durch die das Licht, das aus einem gegebenen Segment stammt, hindurch treten muss, um das Aufnahmeende des Kristallstapels mit der Maske darauf zu erreichen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Grenzschicht ein gesteuertes Absorptionsvermögen sowie eine gesteuerte Dicke haben, um diese Absorption und Auflösungsunterschiede in der Menge an Licht, das aus Wechselwirkungen, die in jedem Segment stattfinden, aufgenommen wurde, zu verbessern. Dies betont weiter den Lichtverlust an jedem Segment durch Eliminieren eines ausreichenden Anteils des emittierten Lichts, das sich auf seinem Weg zu den Lichterfassungsvorrichtungen durch jedes Segment bewegt.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Möglichkeit, nur eine Art von Szintillatormischung zu nutzen und ohne besondere Beschränkung dahingehend, welche spezifische Szintillatormischung verwendet werden muss. Der Szintillator hat die gleichen oder im Wesentlichen die gleichen physikalischen Eigenschaften für jedes Segment des Kristalls.
Die Gesamthöhe eines Kristalls wird von einer Notwendigkeit vorgegeben, einen guten Erfassungswirkungsgrad für Photonen zu erzielen, die mit der Mischung, die in einem bestimmten Szintillator verwendet wird, in Wechselwirkung treten, und kann leicht zwischen 15 und 50 mm variieren. Als weiteres Merkmal der Erfindung kann die Gesamthöhe des Kristalls gemäß zwei verschiedenen Mustern segmentiert werden. Bei dem ersten Muster, das als Segmentierung mit "gleicher Zählrate" (ECR) bezeichnet wird, wird die Höhe jedes Segments in Übereinstimmung mit der exponentiellen Dämpfung von Photonen bekannter Energie im Szintillator gewählt, um dazu zu führen, dass diese mit gleicher Wahrscheinlichkeit in jedem Segment des Kristalls in Wechselwirkung treten. Bei dem zweiten Muster hat jedes Segment des Kristalls im Wesentlichen die gleiche oder genau die gleiche Höhe. Dies hat den offensichtlichen Vorteil einer leichten Umsetzung, und dieses Muster wird als Segmentierung mit "gleicher Dicke" (ET) bezeichnet. Obgleich die ECR- und ET-Segmentierungen bevorzugt werden, versteht es sich, dass andere Längssegmentierungsmuster verwendet werden können.
Im Gegensatz zum Stand der Technik sieht die vorliegende Erfindung somit einen Kristalllichtleiter vor, der aus mindestens, vorzugsweise jedoch mehr als zwei Segmenten von Kristallen der gleichen Szintillatormischung besteht, um einen entlang seiner Längsachse segmentierten Kristall zu bilden. Es gibt diskrete und auflösbare (erfassbare) Unterschiede der Lichtmenge, die von jedem Segment des Kristalls stammt, die das Lichtübertragungsende des Kristalls erreicht und von den Lichterfassungsvorrichtungen aufgezeichnet wird. Diese Unterschiede ergeben sich vollkommen oder zum Teil aus der Grenzschicht, die sich an den Grenzflächen zwischen zwei beliebigen angrenzenden Segmenten des Kristalls befindet. Da diese Absorption in diskreten Schritten von dem Kristallsegment abhängt, aus dem die Lichtemission kam, liefert die Menge an gesammeltem Licht eine selbstkalibrierende und beobachtbare Längskoordinate der Photonenwechselwirkung in einem besonderen Segment, das das Licht erzeugte.
Kurz gesagt, gibt die vorliegende Erfindung somit einen Szintillationslichtleiter zum Bestimmen der X-, Y- und Z-Positionen eines Punktes photoneninduzierter Lichtemission an. Der Lichtleiter umfasst mehrere einzelne Kristallsegmente, die aus der im Wesentlichen gleichen Szintillationsmischung gebildet sind, wobei jedes Segment entlang einer gemeinsamen Längsachse des Lichtleiters nebeneinander angeordnet ist. Eine Grenzschicht ist zwischen mindestens zwei angrenzenden Kristallsegmenten angeordnet, wobei die Grenzschicht einen derartigen Lichtübertragungsverlust hat, dass Emissionen aus einem Segment des Lichtleiters unterschieden werden können.
Diese Lichtleiter werden in einer Vorrichtung zum Bestimmen der X-, Y- und Z-Positionen eines Punktes photoneninduzierter Lichtemissionen in einem Array einer Vielzahl von Szintillationslichtleitern verwendet, die aus einer Szintillationsmischung hergestellt sind. Zum Teil ist die Vorrichtung herkömmlich und umfasst ferner die neuartigen oben beschriebenen Lichtleiter, mindestens einen Photodetektor, der ausgerichtet mit einem Lichtübertragungsende jedes Lichtleiters angeordnet ist, sowie einen Analysator zur Analyse anhand von durch den Photodetektor erzeugten Signalen der X- und Y-Koordinaten von photoneninduzierten Lichtemissionen in dem Array von Lichtleitern. In der vorliegenden Vorrichtung ist der Analysator zum Teil ein Diskriminator, der von dem Photodetektor empfangene Lichtwerte vergleicht, um zu bestimmen, welches Kristallsegment des Lichtleiters das photoneninduzierte Licht emittiert hat, und um somit eine Z-Koordinate desselben zu bestimmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1(a) eine schematische isometrische Ansicht, die einen segmentierten Gammastrahl-Kristalllichtleiter zeigt, der aus drei Cer-dotierten Lutetiumoxyorthosilikat (LSO)-Kristallen mit Höhen gemäß einer ECR-Segmentierung besteht,
1(b) eine schematische isometrische Ansicht, die ein alternatives Ausführungsbeispiel eines segmentierten Kristalllichtleiters gemäß einer ET-Segmentierung zeigt,
2 die Verteilung des mit dem Ausführungsbeispiel der 1(a) gesammelten Lichts, bei einem Aussetzen gegenüber 511 keV Gammastrahlen, die durch das Aufnahmeende des Kristallsegments auftreffen,
3(a) ein Ausführungsbeispiel eines Detektors, der aus einer Vielzahl von segmentierten Kristalllichtleitern mit ECR-Segmentierung hergestellt ist, die jeweils mit einer einzelnen kompakten Lichterfassungsvorrichtung gekoppelt sind,
3(b) zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Detektors, der aus einer Vielzahl von segmentierten Kristalllichtleitern hergestellt und optisch mit einem Schlitzlichtleiter und vier Photovervielfachern gekoppelt ist, deren Mittelpunkte für eine Kompaktheit ungefähr mit den Mittelpunkten der Quadranten des Kristalllichtleiterarrays zusammenfallen,
3(c) ein drittes Ausführungsbeispiel eines Detektors, der aus einer Vielzahl von segmentierten Kristalllichtleitern besteht und optisch mit einem Schlitzlichtleiter und vier Photovervielfachern gekoppelt ist, deren Mittelpunkte ungefähr mit den Ecken des Kristallarrays zusammenfallen.
4(a) und 4(b) schematische Diagramme, die zeigen, wie die vorliegende Erfindung die Längskoordinate der Gammastrahlen induzierten Emissionen misst und den Parallaxenfehler in einer PET-Kamera korrigiert, unter Verwendung von Detektoren, die eine Vielzahl der vorliegenden segmentierten Kristalllichtleiter umfassen,
5 eine isometrische Ansicht eines Abschnittes eines Lichtleiters, der darauf aufgebrachte Oberflächenbeschichtungen zeigt,
6(a) und 6(b) verschiedene Konfigurationen von angrenzenden Enden benachbarter Segmente eines Lichtleiters,
7 eine übliche Vorrichtung zum Herstellen eines Histogramms von gesammeltem Licht,
8(a), 8(b) und 8(c) weitere Ausführungsbeispiele mit verschiedenen Konfigurationen angrenzender Enden von angrenzenden Segmenten.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Wie oben angemerkt, betrifft die vorliegende Erfindung Detektoren zum Bestimmen der X-, Y- und Z-Positionen von photoneninduziertem Licht in einem segmentierten Kristalldetektor. Obgleich die Erfindung somit bei jeder beliebigen photoneninduzierten Lichtemission anwendbar ist, wird die Erfindung hier der Kürze wegen weitgehend in Verbindung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem das Photon ein Gammastrahl ist, wobei es sich jedoch versteht, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
Die Grenzschicht zwischen den Segmenten eines Kristalls kann in den Kristall entweder mechanisch eingebracht werden, z. B. durch Zusammenkleben von geschnittenen Segmenten des Kristalls mit einem Klebstoff, der eine Grenzschichtfunktion ausübt, oder auch chemisch, z. B. durch das Zufügen einer Dotierungssubstanz in den Kristall sowie die Wahl der Konzentration derselben. Das gewählte Verfahren wird sowohl von den physikalischen Eigenschaften des gewählten Szintillators abhängen als auch von der Anwendung, für die er vorgesehen ist. Die Grenzschicht funktioniert im Wesentlichen auf die gleiche Weise, egal ob chemisch oder mechanisch gebildet. Demzufolge wird die Erfindung nachstehend der Kürze wegen im Zusammenhang mit der mechanisch gebildeten Grenzschicht erläutert, aber es versteht sich, dass die Erfindung ebenso auf eine chemisch gebildete Grenzschicht anwendbar ist.
In dem Ausführungsbeispiel mit mechanisch gebildeter Grenzschicht wird der segmentierte Kristall dadurch hergestellt, dass man einen monolithischen Kristall in gewünschte Segmentlängen entlang der Längsrichtung schneidet und man anschließend einen Stapel aus den geschnitten Segmenten bildet, wobei die Grenzschicht zwischen angrenzenden Segmenten vorgesehen wird, um einen Kristallstapellichtleiter vorzusehen. Die 1(a) und 1(b) zeigen zwei Ausführungsbeispiele eines derartigen Kristallstapellichtleiters. Der Lichtleiter, der allgemein mit 1 bezeichnet ist, hat vorzugsweise die Form eines rechteckigen Prismas mit einer Höhe von 20 bis 50 mm und einem Querschnitt von 2 bis 16 mm². Die Wahl des Querschnittes als auch der Höhe des Lichtleiters wird von seiner effektiven Atomzahl, der Anwendung, für die der Detektor vorgesehen ist, und dem Energiebereich der betrachteten Photonen abhängen. Er wird dadurch gebildet, dass man mindestens, im Allgemeinen jedoch mehr als zwei Kristallsegmente der gleichen oder der im Wesentlichen gleichen Szintillatormischung optisch koppelt. Der gewählte Szintillator hat die gleichen oder im Wesentlichen die gleichen chemischen und physikalischen Eigenschaften in jedem Kristallsegment des Stapels (was normale Herstellungs- und Rohmaterialreinheitstoleranzen ermöglicht) und kann jede beliebige Szintillatormischung sein. Bei der besonderen Anwendung der Erfindung bei der PET ist der Szintillator vorzugsweise Cer-dotiertes Lutetiumoxyorthosilikat (LSO). Verglichen mit Wismutgermanat (BGO), das beim Stand der Technik weit verbreitet ist, bietet das neue LSO, wie es in C.L. Melcher, et al., das zuvor genannt wurde, beschrieben ist, einen hohen Erfas sungswirkungsgrad, eine hohe Szintillationslichtausbeute und eine kurze Szintillationsabfallzeit, und diese Eigenschaften machen ihn zu einem deutlich besseren Szintillator zur Photonenerfassung, und insbesondere zur Erfassung von 511 keV Gammastrahlen.
Die Gammastrahlen treten in den Kristalllichtleiter 1 durch das Gammastrahlen- Aufnahmeende 2 ein oder allgemein aus dieser Richtung und treten in Wechselwirkungen, die den Szintillator anregen und die Emission von Licht nahezu proportional zur Energie verursachen, die von den wechselwirkenden Gammastrahlen freigesetzt wird. Alle Oberflächen 3 aller Kristallsegmente 4 sind vorzugsweise auf die aus dem Stand der Technik bekannte Art poliert oder geätzt oder beschichtet. Die Seitenwände sind vorzugsweise mit einer weißen Beschichtung überzogen, die das Licht reflektiert, das andernfalls über Lichtbrechung austreten würde. Das Lichtübertragungsende 5 des Kristallstapellichtleiters 1 ist optisch mit mindestens einer Lichterfassungsvorrichtung 6 gekoppelt, die das emittierte Licht auffängt und es in ein proportionales elektrisches Signal umwandelt, das unter Verwendung von Mitteln, die auf diesem Gebiet allgemein bekannt sind, weiterverarbeitet werden kann.
Die 1(a) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kristallstapels mit drei Kristallsegmenten gemäß einer ECR-Segmentierung. Die Höhe jedes Segments ist in Übereinstimmung mit der exponentialen Dämpfung von Gammastrahlen gegebener Energie, z. B. 511 keV für die PET, in dem Szintillator gewählt, so dass diese mit gleich großer Wahrscheinlichkeit in jedem der Segmente des Stapels in Wechselwirkung treten. Die 1(b) zeigt ein Ausführungsbeispiel mit der alternativen ET-Segmentierung.
Einzelne Kristallsegmente 4 eines gestapelten Lichtleiters sind optisch durch eine Grenzschicht 7 gekoppelt, die einen geringeren Lichtdurchlass als die Kristallsegmente 4 hat, z. B. erreicht durch einen Brechungsindex, der sich deutlich von dem der gewählten Szintillatorkristalle unterscheidet. Wenn die Grenzschicht mit einem anderen Brechungsindex gebildet ist, kann der Brechungsindex kleiner oder größer als der Brechungsindex der Kristallsegmente sein. Es wird bevorzugt, dass der Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex der Kristalle ist. Jede derartige Grenzschicht dient somit als Mittel zum Unterdrücken der Übertragung von emittiertem Licht zwischen angrenzenden Kristallsegmenten.
Ebenso vorgesehen sind Mittel, um die Absorption eines Anteils des emittierten Lichts zu verbessern, das auf seinem optischen Pfad entweder auf das Aufnahmeende 2 oder die Grenzschicht 7 zwischen den beiden obersten Kristallsegmenten des Stapels trifft. In einem Ausführungsbeispiel sind diese Mittel eine Licht absorbierende Maske 8, die einen Teil oder das gesamte Aufnahmeende 2 des Kristallstapels abdeckt. Diese Maske kann beispielsweise Klebstoff, Schmierstoff, Farbe, Ätzflüssigkeit oder jedes andere Material sein, das zu einer Lichtabsorption führt, die sich mengenmäßig von dem Reflektor unterscheidet, der den restlichen Teil des aufnehmenden Endes 2 abdeckt, um Licht aus den inneren Lichtreflexionen, die auftreten und andernfalls die Wirksamkeit des Lichtleiters erhöhen würden, zu absorbieren oder teilweise zu adsorbieren.
Die Licht absorbierende Maske 8 kann einfach eine Farbe, ein Lack, eine Kunststofffolie oder dergleichen sein, die jeweils Licht absorbieren und direkt auf das Aufnahmeende 2 des Lichtleiters 1 gestrichen oder aufgeklebt werden, oder sie kann ein schwarzes Klebeband sein, wie z. B. gewöhnliches Elektrikerband, oder ein aktives oder passives halbleitendes Material, das auf das Aufnahmeende 2 geklebt wird, und die Zeichnungen zeigen ein Band.
Es können jedoch auch andere Mittel verwendet werden, um die Absorption von emittiertem Licht, das sich zu dem Aufnahmeende 2 bewegt, zu verbessern, z. B. ein Aufrauen der Oberfläche des Aufnahmeendes 2, ein Einkerben dieser Oberfläche, ein Sandstrahlen dieser Oberfläche, usw., wodurch eine Maske 8 ausgebildet wird, aber vorzugsweise ist die Maske 8 eine Beschichtung, eine Folie oder ein Band, wie dies oben beschrieben ist.
Wie in 1(a) zu erkennen, kann ein solches absorbierendes Material, d.h. die Maske 8, auch an oder in oder als Teil der Grenzschicht 7 zwischen den beiden obersten Kristallsegmenten des Lichtleiters verwendet werden, wie dies in 1(a) angezeigt ist. Jegliche Mittel zum Bereitstellen einer absorbierenden Eigenschaft an dieser Grenzschicht, wie sie z. B. oben erwähnt sind, können verwendet werden. In der Tat kann eine solche Maske 8 zwischen beliebigen zwei Kristallsegmenten des Lichtleiters verwendet werden, aber am gewöhnlichsten wird eine derartige Maske 8 zwischen den beiden obersten Kristallsegmenten verwendet werden. Der Zweck der Maske zwischen Kristallsegmenten liegt darin, dass Mittel vorgesehen werden, um emittiertes Licht zu absorbieren, das von der Grenzschicht in ein Segment reflektiert wird. Wenn beispielsweise eine Grenzschicht, die auf einem anderen Brechungsindex beruht, zwischen dem Szintillator und der Grenzschicht selbst verwendet wird, und die Grenzschicht ein relativ klares Material ist, z. B. ein Klebstoff, zum Feinabstimmen des Lichtleiters, kann es wünschenswert sein, eine Licht absorbierende Maske 8 an oder in oder als Teil der Grenzschicht aufzunehmen, um reflektiertes Licht zu absorbieren. In diesem Fall kann die Maske beispielsweise entweder ein Material sein, das das Licht nur teilweise absorbiert und im Wesentlichen vollkommen über die gesamte Grenzfläche zwischen Kristallsegmenten angeordnet ist, z. B. eine leicht getönte Kunststofffolie, oder ein Material, das im Wesentlichen opak gegenüber Licht ist (hoher Absorber), das aber nur teilweise über der Grenzfläche zwischen Kristallseg menten angeordnet ist, z. B. ein Streifen- oder Punkt- oder Viereckmuster aus schwarzer Farbe, das nur einen Teil dieser Grenzfläche abdeckt. In anderen Fällen der Feinabstimmung kann anstelle der verwendeten Maske die Grenzschicht selbst absorbierendes Material enthalten, z. B. einen klaren Klebstoff, der mit ausreichend Kohleschwarz vermischt ist, um sowohl den Verlust an übertragenem Licht für die Grenzschichtzwecke als auch die Adsorption von Licht für die Maskenzwecke zu erreichen.
Obwohl die Grenzschicht 7 zwischen Kristallsegmenten 4 einfach ein Klebstoff sein kann, kann die Grenzschicht alles sein, was einen merklichen Lichtübertragungsverlust zwischen angrenzenden Kristallsegmenten vorsieht. So kann die Grenzschicht einfach ein Abstand zwischen den Kristallsegmenten sein, so dass zwischen diesen ein Luftspalt vorhanden ist, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff, die bzw. der an einer der Flächen angrenzender Kristallsegmente anstößt, oder auch ein Vakuum zwischen denselben. Sie alle werden einen anderen Brechungsindex bilden und zu einem Lichtübertragungsverlust führen. Das jeweilige Material der Grenzschicht ist nicht entscheidend.
Die Schwankungen in der Menge an gesammeltem Licht aus einzelnen Kristallsegmenten müssen nicht nur diskret sondern auch, was am wichtigsten ist, aufgelöst sein. Um aufgelöst zu sein, müssen die diskreten Schwankungen in dem aufgenommenen Licht höher als die statistischen Schwankungen in der Lichtmenge sein, die das aussendende Ende erreicht, um in den Lichterfassungsvorrichtungen ein nützliches Signal zu erzeugen. Diese statistischen Schwankungen werden durch die Halbwertsbreite (FWHM) der Peaks quantifiziert, die in der Verteilung des gesammelten Lichts beobachtet werden, wie z. B. diejenige, die in 2 gezeigt ist. Die Grenzschicht muss somit eine Trennung der Peaks in der Verteilung des gesammelten Lichts sicherstellen, die zumindest gleich der halben Summe der entsprechenden Halbwertsbreiten ist, so dass die Peaks voneinander unterschieden (aufgelöst) werden können. Um diese Trennung der Peaks zu erreichen, muss die Grenzschicht weniger Licht durchlassen als das von den Kristallsegmenten durchgelassene Licht, und diese Differenz an durchgelassenem Licht muss deutlich sein, so dass die Peaks unterschieden werden können. Was als deutlich gilt, wird von den Variablen der jeweiligen Szintillatormischung, der Geometrie des Lichtleiters, der Anzahl an Kristallsegmenten, dem Reflexionsvermögen und/oder der Absorption der Wände der Kristallsegmente, der Verwendung oder Nichtverwendung einer Maske 8, der Empfindlichkeit der Vorrichtung, die verwendet wird, um ein Histogramm der Peaks zu erzeugen, und was am wichtigsten ist, von der Lichtdurchlässigkeit der Grenzschicht abhängen. Somit muss der erforderliche merkliche Lichtübertragungsverlust durch die Grenzschicht experimentell für jede gewünschte Kombination der vorstehenden Variablen bestimmt werden. Wenn ein Histogramm, wie es in 2 gezeigt ist, die Peaks nicht angemessen unterscheidet (auflöst), z. B. durch mindestens eine Menge, die gleich der Hälfte der Summe der entsprechenden Halbwertsbreiten ist, wie oben erörtert, dann muss der Lichtdurchlass durch die Grenzschicht weiter reduziert oder die andere obige Variable verändert werden, bis die Peaks auflösbar sind.
Zusammengefasst muss die Grenzschicht einen Lichtübertragungsverlust haben, der auflösbar signifikant ist, d.h. derart sein, dass die Lichtemission aus verschiedenen Segmenten des Lichtleiters unterschieden werden kann. Zusätzlich hierzu hat jede Szintillatormischung eine andere intrinsische Teil-Energieauflösung und diese Auflösung ändert sich mit der Energiehöhe des Photons, z. B. Gammastrahl, das die Mischung anregt. Beispielsweise können bei einem Energieniveau von 511 keV Natriumiodid-Szintillatormischungen eine Auflösung von 7% haben. Somit muss der Nettolichtverlust, der durch die Grenzschicht bewirkt wird, größer sein als die intrinsische Teil-Energieauslösung der Szintillatormischung, die für die Kristallsegmente gewählt wird, und im Falle von Natriumiodid müsste er größer als 7% sein. Um wie viel größer dieser Lichtverlust sein muss, hängt von den oben erörterten Variablen und der jeweiligen Szintillatormischung ab. Für spezifische Kombinationen der oben erörterten Variablen kann jedoch, obgleich der Nettolichtverlust, der durch eine Grenzschicht bewirkt wird, mindestens gleich der intrinsischen Teil-Energieauflösung der Szintillatormischung ist, bei einer Messung mit Photonen einer gegebenen Energie, der Lichtverlust durch die Grenzschicht selbst ziemlich niedrig sein und immer noch zu auflösbaren Peaks führen, insbesondere wenn die Maske 8 vorhanden ist (vgl. 2). Ein Lichtübertragungsverlust von 1,2 % ist für gewöhnlich angemessen für so genannte "helle" Kristallszintillatoren, z. B. LSO Kristalle (vgl. Beispiele 1 und 2), aber in den allgemeineren Fällen, in denen die Maskenfunktion durch die Segmentschicht selbst erfüllt wird, sollte der Lichtverlust mindestens 7% und bis zu 30% betragen. Auch hier müssen die oben genannten Versuche für die spezifische Kombination aus Szintillatormischung und oben erörterten Variablen durchgeführt werden.
Der Unterschied im Lichtdurchlass wird am bevorzugtesten dadurch erreicht, dass die Grenzschicht einen anderen Brechungsindex als den Brechungsindex der Kristallsegmente aufweist. Dies liegt daran, dass es sehr leicht ist, einen solchen anderen Brechungsindex der Grenzschicht verglichen mit dem Brechungsindex der Kristallsegmente zu erreichen, und als solches ist es das bevorzugteste Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Allgemeinen sollte der Brechungsindex der Grenzschicht um ungefähr mindestens 5%, z. B. mindestens 8% oder 10%, vom Brechungsindex der Szintillatormischung abweichen, jedoch noch bevorzugter um etwa mindestens 12% und bis zu etwa 50%.
Beispielhaft für eine derartige Grenzschicht kann diese Schicht eine Flüssigkeit oder ein Feststoff oder ein Gas sein, um die erforderliche Differenz des Brechungsindex vorzusehen, und sie kann oder auch nicht zusätzliche Materialien enthalten, um das Reflexionsvermögen und/oder die Lichtabsorption und/oder den Brechungsindex dieser Flüssigkeit, des Gases oder Feststoffes zu verbessern. Klares geliertes Wasser, z. B. K.Y. ^TM Jelly, ist im Wesentlichen transparent, hat aber einen deutlich anderen Brechungsindex im Vergleich zu dem Kristall und kann als Grenzschicht verwendet werden. Auf der anderen Seite kann Petroleumjelly durchscheinend gemacht werden und sieht sowohl einen deutlich anderen Brechungsindex für die Grenzschichtfunktion als auch etwas Absorptionsvermögen für die Maskenfunktion vor. Weiter können beispielsweise Klebstoffe, z. B. Epoxyklebstoffe, transparent oder durchscheinend sein, aber mit reflektierenden Feststoffen, z. B. Aluminiumoxid, vermischt werden, um sowohl einen anderen Brechungsindex als auch ein erhöhtes Reflexiongsvermögen vorzusehen. Ferner können beispielsweise derartige Klebstoffe oder Gelees oder andere Materialien mit Lichtabsorptionsmitteln vermischt werden, z. B. feingemahlenen Kohlepartikeln oder allgemein bekannten löslichen Lichtabsorptionsmitteln, um den abweichenden Brechungsindex und das Absorptionsvermögen vorzusehen. Durch die Wahl des Materials für die Grenzschicht selbst, deren Transparenz oder Durchscheinvermögen, die Aufnahme von Absorptionsmitteln und/oder reflektierenden Materialien wird eine große Vielzahl von Möglichkeiten vorgesehen, um das Licht in einem Segment einzufangen und folglich den Durchlass von Licht durch die Grenzschicht zu verringern. Indem man die Einfangfähigkeiten der Grenzschicht mit der speziellen Szintillatormischung des Kristalls, der Kristallgeometrie, der reflektierenden Beschichtung und der Maske, etc. abstimmt, ist es leicht, sicherzustellen, dass die von den Lichterfassungsvorrichtungen empfangene Lichtmenge hinsichtlich des Segments, aus dem das Licht stammt, unterschieden (aufgelöst) werden kann.
In 1(a) beträgt die Gesamthöhe des Lichtleiters 1, als ein typisches Beispiel, ungefähr 20 mm, und der Lichtleiter ist ein rechteckiges Prisma, wobei jede Seite ungefähr 2 mm beträgt. Aus 1(a) geht hervor, dass das unterste Segment eine größere Höhe hat als das ihm folgende Segment, und dieses Segment wiederum eine größere Höhe hat als das oberste Segment, was der oben erwähnten Segmentierung mit „gleicher Zählrate" entspricht. Andererseits ist zu erkennen, dass in 1(b) jedes der Segmente 4 im Wesentlichen die gleiche Höhe hat, was der oben erwähnten Segmentierung mit „gleicher Dicke" entspricht. In 1(b) beträgt die Gesamthöhe des Kristalllichtleiters typischerweise ungefähr 30 mm, der Lichtleiter hat die Form eines rechteckigen Prismas, jedes Kristallsegment 4 hat eine Höhe von ungefähr 10 mm, und jeder Kristall hat eine rechteckige Seitenwand von 4 mm.
In 2 ist eine Messung (ein Histogramm) der Verteilung von aufgefangenem Licht gezeigt, gewonnen mit Gammastrahlen mit einer Energie von 511 keV, die senkrecht auf das Aufnahmeende 2 (oder aus dieser allgemeinen Richtung) eines Kristalllichtleiters 1 auftreffen, der gemäß dem in 1(a) offenbarten Ausführungsbeispiel gefertigt ist. Die Verteilung des aufgefangenen Lichts zeigt drei ausgeprägte Peaks, die durch diskrete Stufen entlang der Achse, die das aufgefangene Licht repräsentiert, deutlich voneinander getrennt sind (einzeln und aufgelöst). Jedes Peak steht im Zusammenhang mit den Wechselwirkungen einfallender Gammastrahlen in dem Volumen eines bestimmten Segments des Kristalllichtleiters. Das unterste Peak entspricht den Anregungen durch die gesamte Energie der einfallenden Gammastrahlen des obersten Kristallsegments gegenüber dem Lichtübertragungsende 5. Diese Daten zeigen, dass die Erfindung in der Lage ist, eine Messung der Längskoordinate von Wechselwirkungen von Gammastrahlen bereitzustellen. Das Segment, in dem eine Gammastrahlenwechselwirkung aufgetreten ist, wird einfach bestimmt, indem identifiziert wird, unter welches dieser Peaks die für eine bestimmte Gammstrahlenwechselwirkung aufgefangene Lichtmenge fällt.
Die 3(a), 3(b) und 3(c) zeigen drei Ausführungsbeispiele eines Gammastrahlendetektors bestehend aus einer Vielzahl von Kristallsegmenten, die mit ECR-Segmentierung gestapelt sind. Jedes Ausführungsbeispiel lässt sich anhand der Beschaffenheit, Anzahl und Lage der das emittierte Licht aufnehmenden Lichterfassungsvorrichtungen unterscheiden.
3(a), die das am meisten bevorzugte Ausführungsbeispiel darstellt, zeigt einen Gammastrahlendetektor, allgemein mit 20 bezeichnet, der aus einer Vielzahl von Kristallsegmenten 4 besteht, die mit einer ECR-Segmentation zu einem Lichtleiter gestapelt sind. Die einzelnen Kristalllichtleiter sind eng gepackt und in einem Muster mit jeweils bekannter X- und Y-Position (Koordinaten) angeordnet. Das Lichtübertragungsende 5 jedes Kristalllichtleiters ist mit einer einzelnen Festkörper-Lichterfassungsvorrichtung 21 gekoppelt. Dies sind bekannte, hochverstärkende und rauscharme Halbleiterphotodioden, die direkt auf das jeweilige Lichtübertragungsende 5 der Lichtleiter 1 optisch gekoppelt sind. Um Kompaktheit zu erlangen, ist die Vielzahl von Photodioden, die zum Abtasten jedes Kristalllichtleiters auf dem Array notwendig sind, auf einer einzigen Matrix integriert, deren X- und Y-Muster und Querfläche eng mit denen des Arrays übereinstimmen. Optional können Segmente optischer Fasern oder dergleichen jeden Lichtleiter des Arrays individuell mit einer entsprechenden Einheit einer derartigen Photodiodenmatrix koppeln, deren X- und Y-Muster oder deren Oberfläche sich deutlich von denen des Kristallstapelarrays unterscheiden. Beispielsweise ist es bei einer derartigen Kopplung jedes Lichtleiters mit einer Photodiodenmatrix nicht notwendig, dass die Photodiodenmatrix die gleiche X-Y-Anordnung wie die Lichtleiter hat, da die Kopplung einer optischen Faser von einem bestimmten Lichtleiter zu einer be stimmten Diode bekannt ist. Somit können die Dioden in einer linearen Konfiguration oder einer kreisförmigen Konfiguration oder in jeder anderen Konfiguration vorliegen, die zur Verwendung in einer bestimmten Einrichtung zweckmäßiger ist.
Wie in 3(a) gezeigt und für alle Ausführungsbeispiele gleich, ist ein Verstärker 32 vorgesehen, der das durch die Aufnahme von Licht in den einzelnen Photodioden erzeugte Signal verstärkt. Ferner ist ein bekannter Diskriminator 33 vorgesehen, der unterscheidet, welches der Photodiodenelemente eine beträchtliche Lichtmenge aufgefangen hat, die auf die Wechselwirkung eines Gammastrahls in dem Volumen eines Kristalllichtleiterarrays hin emittiert worden ist. Bei diesen bekannten Diskriminatoren kann es sich um Einrichtungen mit Gattern oder einfach um einen Teil eines Computerprogramms handeln, das zum Analysieren der empfangenen Signale verwendet wird. Da eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen einem Kristalllichtleiter und einer Photodiode vorliegt, liefert diese Information die X- und die Y-Position der Gammastrahlenwechselwirkung. Ferner gibt es einen bekannten Addierer 34, der die in allen Photodiodenelementen erzeugten Signale addiert. Die Summe dieser Signale folgt einer Verteilung, die die typische Form der in 2 gezeigten Verteilung hat und ermöglicht es, wie zuvor besprochen, die Längskoordinate der Gammastrahlenwechselwirkung zu bestimmen. Eine Anzeigevorrichtung 35 kann diese Ergebnisse anzeigen.
3(b) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gammastrahlendetektors bestehend aus einer Vielzahl von Kristalllichtleitern 1. Viele einzelne Kristalllichtleiter sind eng gepackt und in einem Muster mit bekannten X- und Y-Positionen angeordnet und sind mit einem Übertragungslichtleiter 22 gekoppelt. Der Übertragungslichtleiter 22 kann aus der gleichen Szintillatormischung, wie sie für den Kristalllichtleiter 1 gewählt wurde, oder aus einer klaren passiven festen Mischung wie beispielsweise Kunststoff oder Glas bestehen. Er hat senkrechte Schlitze 23, die durch Sägeschnitte ausgebildet sind und deren Abstand und Breite mit denjenigen der Kristalllichtleiter 1 des Arrays übereinstimmen und deren Zweck darin besteht, das Teilen des Lichts zwischen einem oder mehreren, z.B. vier, Lichterfassungsvorrichtungen 24, 25 und 26 (die vierte Erfassungsvorrichtung ist nicht dargestellt) wie in 3(b) gezeigt zu regeln sowie die Kristallidentifikation wie in dem US-Patent Nr. 4,750,972 (Casey et al.) offenbart zu ermöglichen. Die Sägeschnittschlitze 23 und die Seitenwände 30 der Übertragungslichtleiter 22 haben die gleiche Oberflächengüte und die gleiche hochreflektierende Beschichtung wie die einzelnen Kristalllichtleiter 1. Die vier Lichterfassungsvorrichtungen, von denen 24, 25 und 26 dargestellt sind, z. B. Photovervielfacher, sind an ein Lichtübertragungsende 31 des geschlitzten Übertragungslichtleiters 22 optisch gekoppelt. Um Kompaktheit zu erlangen, ist die Querfläche der Lichterfassungsvorrichtung gleich einem oder kleiner als ein Viertel der Gesamtquerfläche des Kristalllichtleiterarrays. Ihre Mittelpunkte fallen annähernd mit den Mittelpunkten der Quadranten des Arrays zusammen.
3(c) zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Gammastrahlendetektors, der aus einer Vielzahl von Kristalllichtleitern 1 und einem geschlitzten Übertragungslichtleiter 22 besteht. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind jedoch die Lichtübertragungsenden 31 der Übertragungslichtleiter 22 mit vier Photovervielfachern 37, 38 und 39 (der vierte Vervielfacher ist in den Zeichnungen nicht dargestellt) optisch gekoppelt, deren Mittelpunkte annähernd mit den Ecken des Kristalllichtleiterarrays zusammenfallen. Bei Photovervielfachern eines bestimmten Bereichs hat diese spezielle Konfiguration, die von W.H. Wong et al. in „An Analog Decoding BGO Block Detector Using Circular Photomultipliers", IEEE Trans. Nucl. Sci, NS-42, 1095, (1995) offenbart wurde, den Vorteil, dass sie die Identifizierung von Kristallen in einer Quer fläche ermöglicht, die grob um einen Faktor vier kleiner ist als diejenige, die unter Verwendung des Ausführungsbeispiels der 3(b) erreichbar ist.
Kleinere Änderungen an den Ausführungsbeispielen, wie beispielsweise die Verwendung von Photovervielfachern mit mehreren oder runden Kathoden anstelle derjenigen mit einer quadratischen Kathode, können vorgenommen werden.
In 4(a) ist ein schematisches Diagramm der grundlegenden Funktionsweise eines Detektors dargestellt, der einen Block mit einem Array aus einer Vielzahl von Kristalllichtleitern 40–47 hat. Ein Gammastrahl (γ) trifft auf das Aufnahmeende 2 des Detektors auf, wobei er einen Winkel, Θ, mit der Normalen erzeugt. Der Gammastrahl tritt durch die Spitze des Kristalllichtleiters Nummer 42 in das Volumen des Detektors ein und durchdringt das Volumen, um schließlich in einem Segment des Kristalllichtleiters Nummer 45 eine Wechselwirkung zu haben. Die Wechselwirkung regt die Szintillationsmischung an, die Licht emittiert. Ein geregelter Bruchteil des emittierten Lichts wird in Z-Richtung des Lichtleiters 45 zu dem Lichtübertragungsende 5 des Kristallarrays geleitet, das wie oben beschrieben direkt oder durch Übertragungslichtleiter mit Lichtdetektoren gekoppelt ist. Die Verteilung des von den Lichterfassungsvorrichtungen aufgefangenen Lichts erlaubt es zunächst festzustellen, in welchem Kristalllichtleiter die Lichtemission stattgefunden hat (X- und Y-Koordinaten). Die Gesamtmenge des aufgefangenen Lichts wird dann mit den Diskriminatorwerten verglichen, die so eingestellt sind, dass sie mit der Stelle der Täler einer Verteilung zusammenfallen, die der in 2 gezeigten Verteilung ähnelt und die durch eine vorherige Kalibration für jeden Kristalllichtleiter des Detektorarrays gewonnen wurde. Der Vergleich erlaubt es, das Segment des Kristalllichtleiters zu identifizieren, in dem die Wechselwirkung stattgefunden hat, indem herausgefunden wird, welcher der Diskrimi ninatorwerte mit der Gesamtmenge an aufgefangenem Licht für diese Wechselwirkung (Z-Koordinate) korreliert. Da die Erfindung keinerlei Empfindlichkeit in dem Volumen des identifizierten Segments bereitstellt, ist die „Z"-Koordinate der Wechselwirkung in diesem Segment willkürlich an der Stelle der am ehesten möglichen Wechselwirkung in dem Volumen des identifizierten Kristallsegments gelegen. Die transversalen X- und Y-Koordinaten werden so gewählt, dass sie mit denjenigen des Mittelpunkts der Spitze des identifizierten Kristallstapels zusammenfallen.
4(b) zeigt die Projektionsbilder, die gemessen werden können, indem eine Punktquelle eines Positronen emittierenden Isotops entlang dem horizontalen Radius eines runden PET-Kameragerüsts 48 bewegt wird, und indem die resultierende Zahl von zusammenfallenden 511-keV-Gammastrahlen betrachtet wird. Die gegenläufigen Flugbahnen der zusammenfallenden Annihilationsgammastrahlen definieren eine Reaktionslinie, deren Schnittpunkt mit der horizontalen Achse zu dem Projektionsbild der Quelle beiträgt. Dieser Schnittpunkt wird seinerseits durch die X- und Y-Koordinaten bestimmt, die durch die Detektoren 49–54 für jeden Gammastrahl des Paars gemessen werden. Die Detektoren 50 und 53 liegen auf dem Kameragerüst 48 einander diametral gegenüber und sind für eine an seinem Mittelpunkt angeordnete Quelle empfindlich. Die Messungen der X- und Y-Koordinaten werden nicht beträchtlich verzerrt, da sich die Gammastrahlen in einer Richtung 55 parallel zur Längsachse der Lichtleiter 1 bewegen (in einem im Wesentlichen senkrechten Winkel in die Lichtleiter eintreten). Sie wechselwirken folglich in dem Volumen des gleichen Kristalls, durch den sie in den Detektor eingetreten sind. Die gemessene Reaktionslinie für dieses Paar von Gammastrahlen fällt mit ihrer Flugbahnlinie zusammen. Die Breite des resultierenden Projektionsbildes, das für mehrere solcher Gammastrahlenpaare gewonnen wird, ist dann repräsentativ für die Untergrenze für die Auflösung der Kamera.
Die herkömmlichen Detektoren 49 und 52 auf der linken Seite der Zeichnung sind für eine Quelle empfindlich, die von der Mitte des Kamerarings versetzt ist. Auf diese Detektoren treffen Gammastrahlen mit einem Winkel auf und haben eine beträchtliche Chance, vor der Wechselwirkung mehrere Lichtleiter 1 zu durchdringen. Da die herkömmlichen Detektoren keine Mittel zum Bestimmen eines solchen Eindringwinkels haben, werden die X- und Y-Koordinaten des Lichtleiters, in dem die Wechselwirkung stattgefunden hat, zum Rekonstruieren der Reaktionslinie 56 verwendet. Aufgrund des Unterschieds zwischen den X- und Y-Koordinaten des Lichtleiters, in den die Gammastrahlen eintreten, und des Lichtleiters, in dem die Gammastrahlen Wechselwirken, ist die rekonstruierte Reaktionslinie 56 von der tatsächlichen Flugbahn 57 einwärts verschoben. Daraus folgt, dass das sich aus dem Zählen mehrerer derartiger Gammastrahlenpaare ergebende Projektionsbild im Vergleich zu einem mit der Quelle am Mittelpunkt der Kamera gewonnenen Projektionsbild beträchtlich verbreitert sein und zur Mitte hin geneigt sein wird. Zudem wird das Bild näher am Mittelpunkt der Kamera liegen als es für die Quelle tatsächlich zutrifft. Darin besteht der so genannte Parallaxenfehler.
Im Gegensatz dazu bestehen die vorliegenden Detektoren 51 und 54 auf der rechten Seite der Zeichnung aus einer Vielzahl von Kristallsegmenten und ermöglichen das Bestimmen der Längskoordinaten der Wechselwirkungen wie in 4(a) gezeigt. Die durch Zusammenfügen der für die Wechselwirkungen gemessenen X-, Y- und Z (Längs)-Koordinaten gewonnene Reaktionslinie 58 fällt in diesem Fall mit der tatsächlichen Flugbahn der Gammastrahlen zusammen. Das Projektionsbild, das sich aus dem Zählen mehrerer Gammastrahlenpaare unter Verwendung des vorliegenden Kristallichtleiterdetektors ergibt, wird als auf der Position der Quelle zentriert erscheinen, und wird – was be sonders wichtig ist – schmaler als das unter Verwendung der herkömmlichen Detektoren 49 und 52 gewonnene Projektionsbild erscheinen.
Wie oben erwähnt und in 5 zu sehen ist, ist auf zumindest einem Abschnitt der Wände der Segmente 3 jedes Lichtleiters 1 eine Licht reflektierende Fläche 60 angeordnet. Die Licht reflektierende Fläche kann durch die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden, wie beispielsweise eine spiegelblanke Außenfläche, spezielle Oberflächenbehandlungen einschließlich Ioneninfusion und dergleichen, jedoch wird vorzugsweise eine Licht reflektierende Beschichtung oder Umhüllung darauf aufgebracht werden.
Bei den meisten herkömmlichen Detektoren wird eine reflektierende Beschichtung hergestellt, indem herkömmliche hochreflektierende Feststoffe in einem geeigneten organischen Träger suspendiert werden. Der Träger kann jeder beliebige Träger sein, der diese reflektierenden Feststoffe an den Wänden der Lichtleiter hält, doch sind diese Träger in den meisten Fällen Kunststoffe, z.B. Epoxidharze, Polyesterharze, Siliziumharze usw., und insbesondere klare Epoxidharze. Zahlreiche hochreflektierende Feststoffe sind im Stand der Technik bekannt, z. B. Magnesiumoxid und Magnesiumkarbonat, jedoch wird gewöhnlich einfach Aluminiumoxid in feingeteilter Form für die reflektierenden Feststoffe verwendet. Um die Beschichtung so reflektierend wie möglich zu machen, wird der Feststoffgehalt des Aluminiumoxids oder eines anderen reflektierenden Feststoffs normalerweise so hoch wie möglich gewählt, z. B. mindestens 50%, und meistens zumindest 60% oder 70% oder sogar höher. Andere Verfahren zum Aufbringen von reflektierenden Flächen auf die Lichtleiter können ebenfalls eingesetzt werden, wie beispielsweise Spritzlackieren oder Vakuumaufdampfung, oder auch spezielle Oberflächenbehandlungen, wie beispielsweise das Schleifen oder Planschleifen der Oberfläche. Mehrfache Umhüllungen aus Teflonband dienen auch als sehr gute Beschichtung. Jegliche nützliche Mittel zum Regulieren und Modifizieren der Reflektivität der Wände der Lichtleiter können eingesetzt werden.
Wie es gewöhnlich der Fall ist, ist ein Photodetektor oder sind mehrere Photodetektoren, z. B. 4 oder mehr Photodetektoren, mit den Lichtübertragungsenden ausgerichtet angeordnet, so dass durch die Übertragungsenden übertragenes photoneninduziertes Licht von den Photodetektoren aufgefangen wird. Bei einem herkömmlichen Ausführungsbeispiel ist ein erstes Array aus Photodetektoren, z. B. Photodioden, an einem der Enden des Lichtleiters angeordnet, und ein weiteres oder zweites Array aus einer Vielzahl von Photodetektoren, z. B. Photovervielfacher, ist an dem anderen der Enden der Lichtleiter angeordnet. Das erste Array wird zum Bestimmen der X-Y-Position des emittierten gammastrahleninduzierten Lichts verwendet und kann zudem zum Ausführen der Maskenfunktion verwendet werden, und das weitere oder zweite Array aus Photovervielfachern liefert einen Taktimpuls und Energiediskriminierung (siehe z. B. Moses et al., „Performance of a PET Detector Module Utilizing an Array of Silicon Photodiodes to Identify the Crystal of Interaction", IEEE Transactions of Nuclear Science, Bd. 40, Nr. 4, August 1993).
Bei der vorliegenden Erfindung sind diese beiden unterschiedlichen Anordnungen möglich, da sich die gammastrahleninduzierte Lichtemission selbstverständlich zu beiden Enden der Lichtleiter bewegen wird und in diesem Sinne jedes Ende oder beide Enden das Übertragungsende sein kann bzw. können. Somit ist es für Bestimmungen der X-Y-Position wirklich gleichgültig, welches der Enden der Lichtleiter zum Erfassen des emittierten Lichts dient. Für die Bestimmung der Z-Position ist jedoch das Übertragungsende das Ende, das die Photodetektoren hat, die zum Bestimmen der Z-Position verwendet werden, die ebenfalls die Photodetektoren zum Bestimmen der X-Y-Position sein können oder nicht. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestimmen die gleichen Photodetektoren sowohl die X-Y- als auch die Z-Position.
Wie in 1(a) gezeigt, können die Lichtleiter einen allgemein rechteckigen Querschnitt haben, wie es beim Stand der Technik gewöhnlich der Fall ist, jedoch ist diese Querschnittskonfiguration nicht ausschlaggebend für die Erfindung. Die Querschnittskonfiguration kann oval oder kreisförmig oder dreieckig oder jeder andere Querschnitt sein, doch haben die Lichtleiter wegen der leichteren Herstellung durch Sägen von Schlitzen in einen Block des Szintillatormaterials vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt.
Ebenso können das Photonenaufnahmeende 2 und das Übertragungsende 5 wie in 1(a) gezeigt planar sein, wie es beim Stand der Technik üblich ist, jedoch ist auch dies nicht ausschlaggebend für die Erfindung. Das Photonenaufnahmeende kann z.B. konvex oder kokav sein, es kann jede Oberflächenkonfiguration haben, die dazu dient, Photonen genau dadurch hindurch zu leiten.
Eine bevorzugte Form der Erfindung, insbesondere der leichteren Herstellung wegen, ist diejenige, bei der die Lichtleiter 1 in einem Szintillatorblock ausgebildet sind, wobei die Lichtleiter 1 sich um weniger als eine Höhe des Blocks erstrecken, um einen durchgehenden Lichtübertragungsabschnitt (Übertragungslichtleiter 22) des Blocks bereitzustellen, der an die Lichtübertragungsenden der Lichtleiter angrenzt, obwohl an dem Aufnahmeende 2 oder an beiden Enden ein Lichtübertragungsabschnitt vorliegen kann. Größe und Form der Übertragungslichtleiter 22 werden oft sorgfältig gewählt, um die Lichtverteilung unter den Photodetektoren abzustimmen, was wiederum die Bestimmung der X- und Y-Position verbessert, wie dies ausführlich in dem US-Patent Nr. 4,750,972 beschrieben ist. Alternativ jedoch kann dieser Übertragungslichtleiter 22 von dem Szintillatorblock getrennt sein, z.B. kann ein Glasblock oder dergleichen Übertragungslichtleiter 22 bilden. Auf jeden Fall entsprechen die Übertragungslichtleiter 22 üblicherweise den X-Y-Abmessungen des Szintillatorblocks oder sind um bis zu etwa 10–20% größer als diese, und die Abmessung des Übertragungslichtleiters 22 in Z-Richtung, falls vorhanden, beträgt bis zu ungefähr 40% der Abmessung der Szintillationslichtleiter in Z-Richtung.
Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen haben die Szintillationslichtleiter 1 im Wesentlichen einen gleichförmigen Querschnitt, haben einen rechteckigen Querschnitt und sind in einem im Wesentlichen rechteckigen Szintillatorblock ausgebildet, wobei Schlitze in dem Block von den Aufnahmeenden 2 zu den Lichtübertragungsenden 5 verlaufen, um die so in dem Block ausgebildeten Lichtleiter räumlich zu trennen. Bei dieser Anordnung ist es sehr einfach, eine reflektierende Beschichtung auf den Wänden aufzubringen (oder ansonsten die reflektierende Oberfläche wie oben besprochen vorzusehen).
Jedoch müssen die Lichtleiter 1 keinen rechteckigen Querschnitt haben. Tatsächlich gibt es Vorteile, wenn benachbarte Enden benachbarter Segmente 4 eines Lichtleiters 1 andere Formen bilden. Die 6A und 6B zeigen derartige unterschiedliche Formen. Diese Figuren zeigen einen Abschnitt eines Lichtleiters 1 mit zwei benachbarten Segmenten 70 und 71, die durch eine Grenzschicht 72 getrennt sind. In diesen Figuren haben die Ebene der untersten Kante 75 des Segments 70 und die oberste Kante 76 des Segments 71 ebene Oberflächen, doch die ebenen Oberflächen sind nicht senkrecht zur Längsachse 77 des Lichtleiters 1, sondern haben eine andere Form, z. B. steht zumindest eine Oberfläche in einem schiefen Winkel zur Längsachse 77. Diese Form kann eckig, trunkiert oder auch unregelmäßig sein. Anders als wenn die planaren Oberflächen der Kanten 75 und 76 senkrecht zur Achse 77 sind, bewirken solche Formen zusätzliche Reflexionen emittierten Lichts innerhalb, z. B. des Segments 70 und sorgen somit für eine gesteigerte Lichtabsorption durch das Volumen des Szintillators oder durch Oberflächen auf dem Lichtleiter oder durch die Grenzschicht 72 und erhöhen dadurch die Auflösung des Segments, von dem das Licht emittiert wurde.
Wie in 8(a) dargestellt werden ebene Oberflächen der Segmentgrenzflächen, die entlang einer Ebene eines nicht senkrechten Winkels Θ gegenüber der Längsachse 77 ausgerichtet sind, den mittleren Auftreffwinkel des Lichts auf die Grenzfläche so ändern, dass er beträchtlich größer als Null Grad wird. Als Ergebnis wird die Auswirkung darin bestehen, die Reflexions-(Übertragungs-)Wahrscheinlichkeit des einfallenden Lichts für eine bestimmte Segmentgrenzfläche zu erhöhen (verringern), um sie zu einer wirksameren Barriere zu machen.
Gleichermaßen muss die Form der Grenzfläche nicht unbedingt eben sein und kann verwendet werden, um die mittlere Übertragungswahrscheinlichkeit durch Segmentgrenzflächen zu verändern. Die 8(b) und 8(c) zeigen zwei Ausführungsbeispiele, die eine konvexe (8(b)) bzw. eine konkave (8(c)) pyramidenförmige Grenzflächen anstatt der bevorzugten planaren Grenzfläche verwenden, z. B. wo ein Ende eines Segments aus einer Vielzahl von ebenen Oberflächen zusammengesetzt und/oder unregelmäßig geformt ist. Bei der konvexen pyramidenförmigen Grenzfläche ist die Situation ähnlich derjenigen der gewinkelten ebenen Oberflächen der Grenzfläche der 8(b), und die Lichtübertragungswahrscheinlichkeit vom oberen zum unteren Segment ist beträchtlich verringert. Andererseits wirken die konkaven Oberflächen der Grenzfläche der 8(c) wie ein Trichter, der das Licht auf die Pyramidenspitze fokussiert und die Lichtübertragung von dem oberen zum unteren Segment steigert.
Wie oben erläutert wird die Differenzierung von emittiertem Licht verwendet, um die Z-Position des emittierten Lichts zu bestimmen. Jegliches der herkömmlichen Verfahren kann zum Bestimmen der X-Y-Position verwendet werden. Ein herkömmliches Verfahren verwendet einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) zum Integrieren des summierten Ladungssignals von allen Photodetektoren, das ein digital Wort ergibt, das das für jeden Gammastrahl erfasste gesamte Licht misst. Das Gesamtlicht-Wort wird mit ähnlich abgeleiteten ADU-Wörtern von ausgewählten einzelnen Paaren der Photodetektoren kombiniert, um Verweise an einem digitalen Speicher anzubringen, aus dem die digitalen X- und Y-Koordinaten des angeregten Lichtleiters gelesen werden. Diese X- und Y-Koordinaten werden an einen anderen Teil des digitalen Speichers geleitet, der ausgewählte von diesen zusammen mit anderen nützlichen Informationen über das erfasste Photon (wie beispielsweise sein genaues Zeitverhältnis zu einem in einem anderen Detektor erfassten anderen Photon) aufzeichnet. Aus den digitalen Aufzeichnungen vieler solcher erfasster und aufgezeichneter Photonen wird später von einem Rechner ein Bild des unbekannten Objekts rekonstruiert. Das gleiche Verfahren und die gleiche Vorrichtung können ebenso zum Bestimmen der Z-Koordinate verwendet werden.
Als typisches Beispiel für eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Histogramms aufgefangenen emittierten Lichts zeigt 7, dass Annihilationsgammastrahlen 100 mit einer Energie von 511 keV zunächst von einem Radioisotop, wie beispielsweise ⁶⁸Ge oder ²²Na, das in einer versiegelten Stelle, wie beispielsweise einer Quelle 102 eingekapselt ist, gewonnen werden. Ein Schlitz- oder Loch-Kollimator 103, bestehend aus einem Schwermetall wie Blei oder Wolfram, ist vor der Quelle platziert, um nur die Gammastrahlen auszuwählen, die in Richtung parallel zu seiner Öffnung emittiert werden.
Kollimierte Gammastrahlen treffen dann auf das Aufnahmeende eines gestapelten Szintillatorkristalls 104 auf.
Wie zuvor beschrieben, induzieren die Wechselwirkungen dieser Gammastrahlen in dem gestapelten Szintillatorkristall die Emission von Licht, das dann zu dem Lichtübertragungsende geleitet wird. Das Licht tritt an dem Ende aus, das mit dem empfindlichen Fenster einer Lichterfassungsvorrichtung 105, wie beispielsweise eines Photovervielfachers oder einer Photodiode, optisch gekoppelt ist, der von einer Stromversorgungseinheit 106 versorgt wird, die die zum Gewährleisten des stabilen Betriebs der Vorrichtung geeignete Spannung liefert. Für jeden wechselwirkenden Gammastrahl wird das aufgefangene Licht auf diese Art und Weise durch die Lichterfassungsvorrichtung in einen unverarbeiteten analogen Spannungs- oder Stromimpuls umgesetzt.
Der unverarbeitete analoge Impuls wird nachfolgend zu einem linearen oder formenden Verstärker 107 geleitet, der seine Amplitude in den für die folgende Verarbeitung notwendigen dynamischen Bereich bringt. Ein Verzweiger oder Splitter 108 spaltet ferner das verstärkte analoge Signal in zwei parallel Zweige.
Der erste dieser Zweige speist einen so genannten Constant Fraction Discriminator 109, der die Funktion hat, einen logischen Impuls auszugeben, wenn die Amplitude des verstärkten analogen Signals von der Lichterfassungsvorrichtung einen vorgegebenen Minimalwert übersteigt. Der Minimalwert ist typischerweise so gewählt, dass Photonenwechselwirkungen, die zu einer beträchtlichen Menge aufgefangenen Lichts führen, einen logischen Impuls erzeugen werden. Diese Art von Diskriminator registriert auch die Photonenwechselwirkung rechtzeitig, indem er seinen logischen Impuls ausgibt, wenn der zugeführte analoge Impuls einen konstanten Bruchteil seines eigenen Maximalwerts erreicht.
Der von dem Diskriminator ausgegebene logische Impuls wird als ein Eingangstorsignal 110 zum Auslösen eines Analog-Digital-Umsetzers 111 verwendet. Sobald ein Torsignal ankommt, setzt diese Einheit die maximale Amplitude, oder die verwertbare elektrische Ladung des verzögerten analogen Impulses 112, der am Eingang des A/D-Umsetzers 111 anliegt und von dem zweiten Zweig des Verzweigers oder Splitters 108 erhalten wurde, in einen digitalen Wert um. So wird ein digitales Ausgangssignal 113 gewonnen, dessen Wert linear proportional zu der anfangs am Lichtübertragungsende des gestapelten Szintillatorkristalls aufgefangenen Lichtmenge ist. Der digitalisierte Wert des aufgefangenen Lichts jedes Photonenwechselwirkungs-Ereignisses wird dann zur weiteren Verarbeitung in einen lokalen Rechnerspeicher 114 geleitet.
Eine derartige Verarbeitung kann beispielsweise üblicherweise die Verwendung des digitalisierten Werts des aufgefangenen Lichts eines bestimmten Photonenereignisses verwenden, um das richtige Element eines gespeicherten linearen Arrays 115 zu erhöhen. Verfährt man so für eine ausreichend große Zahl von Ereignissen, führt dies zu einem Histogramm der Verteilung des aufgefangenen Lichts wie sie in 2 gezeigt ist. Dieses Histogramm wird zum Kalibrieren der Reaktion des gestapelten Szintillatorkristalls verwendet, und wird insbesondere eingesetzt, um die Schwellenwerte T₁, T₂, T₃, T₄, ..., T_n, T_n+1 zu bestimmen, die der Obergrenze und der Untergrenze der Menge an Licht entsprechen, das für Photonenwechselwirkungen aufgefangen wird, die in jedem der n einzelnen Segmente des gestapelten Szintillatorkristalls auftreten, wobei die Segmentnummer 1 das Segment am Aufnahmeende bezeichnet.
Diese Schwellenwerte werden gespeichert, um herauszufinden, in welchem der Stapelsegmente nachfolgende Photonenwechselwirkungen auftreten. Dies erfolgt, indem dem Segment mit der Nummer X die Wechselwirkung von Photonen zugeordnet wird, die einen digitalisierten Wert für das aufgefangene Licht liefert, der als zwischen den Schwellenwerten T_x und T_x+1 liegend erkannt wird.
BEISPIEL 1
Drei einzelne LSO-Kristalle der gleichen Zusammensetzung und mit einem Brechungsindex von 1,825 wurden auf herkömmliche Weise auf allen sechs Seiten mechanisch geschliffen, um jegliche Oberflächenrauigkeit zu beseitigen. Jeder Kristall hatte Abmessungen von 4 mm mal 4 mm mal 10 mm, und jeder Kristall war aus der gleichen LSO-Herstellungs-Charge gefertigt worden.
Die 4 mm-Seiten jedes Kristalls wurden mit Aceton gereinigt, um jegliche Verunreinigung, z. B. Öl usw. zu entfernen.
Die 4×4-mm-Flächen von zweien der Kristalle wurden mit einem bei Raumtemperatur härtendem klaren Epoxidharz mit einem Brechungsindex von 1,45 vollkommen beschichtet, um eine Klebstofflinie zu bilden. Die Dicke der Beschichtung betrug zwischen ungefähr 0,025 mm und 0,076 mm (0,001 und 0,003 Inch).
Die drei Kristalle wurden in eine mechanische Spannvorrichtung montiert, um die drei Kristalle auf einer einzigen Achse (Mittellinie) auszurichten, während die Kristalle in vertikaler Richtung so angeordnet sind, dass die Schwerkraft die Kristalle zusammen pressen und die Klebstofflinie beibehalten kann, während das Epoxidharz aushärtet.
Die drei Kristalle in der Spannvorrichtung wurden für eine Stunde in einen auf 50° vorgeheizten Ofen gestellt, was das Aushärten des bei Raumtemperatur härtenden Epoxidharzes beschleunigt.
Nach einer Stunde im Ofen wurde der gehärtete Kristallstapel der drei Kristalle aus der Spannvorrichtung entnommen und überschüssiges Epoxid wurde von den Stellen um die geklebten Grenzflächen der geklebten Kristalle herum mit Aceton und einer Rasierklinge entfernt, während der Stapel noch immer heiß und das Expoidharz noch immer weich war.
Ein 4 mal 4 mm großes schwarzes Elektrikerband aus Vinyl wurde am Aufnahmeende des Kristallstapels angebracht. Der Stapel wurde auf seinen 30-mm-Seiten (drei Kristalle von je 10 mm in dem Stapel) und auf dem Aufnahmeende mit neuem Teflonband mit mindestens 10 Bandwicklungen umhüllt. Dabei bleibt das Übertragungsende frei von Teflonband.
Auf das Übertragungsende wurde eine herkömmliche klare Schmiere zur optischen Kopplung (Dow Corning Q2-3067) in einem dünnen Film aufgetragen.
Das Übertragungsende wurde dann mit dem Eintrittsfenster eines HAMAMATSU R877-Photovervielfachers zur Leistungsprüfung gekoppelt, was mit der Vorrichtung wie oben beschrieben ausgeführt wurde. Die Ergebnisse ähnelten den in 2 gezeigten.
BEISPIEL 2
Ein LSO-Kristall mit Abmessungen von 2,5 mm mal 2,5 mm mal 22 mm (Brechungsindex 1,825) wurde auf allen sechs Seiten auf herkömmliche Weise mechanisch geschliffen.
Der Kristall wurde mit einem rotierenden Diamantsägeblatt mit Diamantpulver der Maschenzahl 325 in drei einzelne Kristalle mit Schnitten senkrecht zur Kristallachse (Mittellinie) geschnitten. Die Höhenmaße der drei Kristalle betrugen 2,68 mm, 5,46 mm bzw. 10,68 mm (dank der Dicke des Diamantsägeblatts).
Jede Oberfläche wurde mit Aceton gereinigt, um Säge- und Kristallreste zu entfernen. Die gesägten Oberflächen wurden nicht geschliffen.
Bei zwei der Kristalle wurde an den gesägten Flächen ein bei Raumtemperatur härtendes Epoxidharz mit einem Brechungsindex von 1,566 aufgebracht (EPO TEK 302 von der Firma Epoxy Technology Inc.). Die gesägten Flächen wurden vollkommen mit dem Epxoidharz überzogen, um eine ungefähr 0,001 bis 0,003 Inch dicke Klebstoffschicht zu bilden.
Danach wurden die drei Kristalle wie in Beispiel 1 beschrieben in der Spannvorrichtung montiert, in einem Ofen gehärtet und von überschüssigem Epoxidharz gereinigt.
Ein 2,5 mal 2,5 mm großes Stück schwarzes Elektrikerband aus Vinyl wurde an dem Aufnahmeende des gehärteten Kristallstapels angebracht (an der 2,68 mm hohen Kristallfläche) und dann mit Teflonband umwickelt, mit der Schmiere zur optischen Kopplung überzogen und mit dem Photovervielfacher zur Leistungsprüfung gekoppelt, wie in Beispiel 1 angesprochen. Die Ergebnisse sind diejenigen der 2.
Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, ist der segmentierte Kristalllichtleiter durchaus in der Lage, die X-, Y- und Z-Positionen eines Punktes photoeninduzierter Lichtemissionen anzugeben, wenn die Grenzschicht zwischen Segmen ten einen derartigen Lichtübertragungsverlust hat, dass die Lichtemission von einem Segment des Lichtleiters unterscheidbar ist. Dieser erforderliche Verlust variiert mit der Variablen der speziellen Szintillatormischung, der Lichtleitergeometrie usw., wie oben beschrieben, doch welcher Verlust auch immer für eine bestimmte Kombination dieser Variablen erforderlich ist, kann die Grenzschicht leicht angepasst werden, um diesen Verlust im Wesentlichen vorzusehen oder fein einzustellen.
Nahezu jede Diskontinuität zwischen benachbarten Segmenten kann eine Grenzschicht bilden, d.h. entweder chemischer oder mechanischer Art, wie oben erläutert. Zum Darstellen und nicht zum Einschränken dieser Grenzschicht kann, neben den oben gelieferten Beispielen, auch Folgendes als Grenzschicht verwendet werden: ein offenmaschiges Netz aus verwobenen oder gelegten Fasern, z. B. synthetische, natürliche oder Glasfasern; eine gitterförmige Kunststofffolie; Streifen aus durchscheinendem oder nicht durchscheinendem Material; transparente Feststoffe, z.B. Glas, mit einer bunt gestalteten Oberfläche; feste Abschnitte aus Kunststofffolie oder Glas mit einer halbreflektierenden und/oder halbdurchlässigen Beschichtung; ein Muster aus zumindest halbundurchlässigen Konfigurationen, z. B. Punkten, die auf ein Ende eines Segments gemalt sind; übliche sonnenreflektierende Beschichtungen für Glas, die für Kameralinsen und Fensterglas verwendet werden; Glas- oder Kunststoffabschnitte mit der Form geformter Abschnitte für einen Reibsitz und einen Halt benachbarter Segmente; ein einzelner Kristall, der jedoch nur teilweise durch den Querschnitt des Kristalls geschnitten ist, wobei die teilweisen Schnitte die Grenzschicht bilden, wobei die Schnitte wie oben beschrieben mit einem anderen Material gefüllt sind oder nicht, das Teil der Grenzschicht bildet; ein länglicher geformter Glas- oder Kunststoffbehälter zum Aufnehmen und Sichern der Segmente, eines nach dem anderen, mit Abstandhaltern dazwischen, um zumindest zum Teil eine Grenzschicht zu bilden; ein länglicher geformter Glas- oder Kunststoffrahmen mit Trennabschnitten zum Aufnehmen und Sichern der Segmente, eines nach dem anderen, wobei die Trennabschnitte die Grenzschicht bilden; ortsverschäumte Kunststoffe, die von selbst an den Segmenten haften können oder nicht; und Vergussharze und -kunststoffe, die zueinander beabstandete Segmente einkapseln.
Eine derartige breite Vielfalt an Grenzschichten bietet eine große Bandbreite beim Erzeugen der segmentierten Lichtleiter und ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung.
Ähnlich kann die Maske der Erfindung sehr verschieden sein. Als Beispiele für geeignete Masken, neben den oben angeführten Beispielen und als Erläuterung und nicht als Einschränkung, kann die Maske jede der oben erwähnten Grenzschichten sein, mit der Ausnahme, dass die Lichtdurchlässigkeit der Maske, die an dem Aufnahmeende des Lichtleiters angebracht wird, beträchtlich niedriger sein sollte als die Lichtdurchlässigkeit der Grenzschicht. Die Lichtdurchlässigkeit der Grenzschicht wird im Allgemeinen bis zu 30% niedriger sein als die Lichtdurchlässigkeit der Kristallsegmente, doch die an dem Aufnahmeende angebrachte Maske sollte eine Lichtdurchlässigkeit haben, die mindestens 50% niedriger ist als die Lichtdurchlässigkeit der Kristallsegmente, und eher noch mindestens 75% oder 85% oder 95% niedriger ist. Bei vielen Kombinationen der oben erwähnten Variablen wird die Lichtdurchlässigkeit dieser Maske ungefähr 100% niedriger sein, d.h. sie wird im Wesentlichen kein Licht durchlassen. Andererseits kann zur Feineinstellung eines bestimmten Lichtleiters etwas Lichtdurchlässigkeit dieser Maske erwünscht sein. In solchen Fällen kann das oben erwähnte Netz aus verwobenen oder gelegten Fasern relativ dicht und von dunkler oder schwarzer Farbe sein. Dies wird die Lichtdurchlässigkeit der Maske stark reduzieren, doch die Lichtdurchlässigkeit nicht vollständig beseitigen, z. B. ein Verlust der Lichtdurchlässigkeit von 85%. Ebenso können auch die Glas- oder Kunststoffabschnitte mit der Form geformter Abschnitte für einen Reibsitz und einen Halt benachbarter Segmente einen Abschnitt haben, der als diese Maske dient. Wenn dieser Maskenabschnitt aus mit Kohlenstoffschwarz gefülltem Kunststoff geformt ist, wird der Lichtübertragungsverlust der Maske relativ hoch ausfallen, z.B. 98% oder 99%. Ebenso kann der ortsverschäumte Kunststoff, z. B. Polyurethan, Kohlenstoffschwarz enthalten, wenn er als diese Maske verwendet wird, und wird bei Anbringung direkt an dem Aufnahmeende des obersten Kristallsegments nahezu 100% Verlust der Lichtdurchlässigkeit liefern, ähnlich wie das oben erwähnte schwarze Elektrikerband. In den Fällen, in denen zur Feinabstimmung eine größere Lichtdurchlässigkeit dieser Maske wünschenswert ist, kann die gitterförmige Kunststofffolie als Maske verwendet werden, wobei die Gitter (die lichtdurchlässigen Abschnitte) jedoch relativ wenige sind, so dass beispielsweise ein Lichtübertragungsverlust von 70% in dieser Maske erzeugt wird. Selbstverständlich werden für diese Maske leichter anzubringende Materialen zum Bilden der Maske bevorzugt, z. B. Farben, Beschichtungen, Folien, Kunststoff- oder Glasformteile, Bänder und Klebstoffe.

Claims

Ein Szintillationslichtleiter (1) mit einem Aufnahmeende (2) und einem Übertragungsende (5) zur Bestimmung der X-, Y- und Z-Positionen eines Punktes photoneninduzierter Lichtemission, dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillationslichtleiter (1) ferner umfasst: (1) mehrere einzelne Kristallsegmente (4), die aus der im Wesentlichen gleichen Szintillationsmischung gebildet und entlang einer gemeinsamen Längsachse (77) angeordnet sind, um den Lichtleiter zu bilden, dessen Aufnahmeende so ausgebildet ist, dass ein photoneninduzierender Strahl auf demselben auftreffen kann und dessen Übertragungsende so ausgebildet ist, dass es induziertes Licht zu mindestens einem Photodetektor (21) überträgt; und (2) eine Grenzschicht (7) zwischen mindestens zwei benachbarten Kristallsegmenten, wobei die Grenzschicht einen Brechungsindex hat, der sich von dem der Kristallsegmente unterscheidet, und einen solchen Lichtübertragungsverlust erzeugt, dass in einem Kristallsegment induzierte Lichtemissionen von in einem andern Kristallsegment induzierten Lichtemissionen unterschieden werden können.
Lichtleiter nach Anspruch 1, wobei benachbarte Enden benachbarter Kristallsegmente (4) Oberflächen (75, 76) haben. die nicht in einer senkrechten Ebene zu der gemeinsamen Längsachse (77) liegen.
Lichtleiter nach Anspruch 2, wobei benachbarte Kristallsegmente (4) ebene Oberflächen haben.
Lichtleiter nach Anspruch 2, wobei sich mindestens eine ebene Oberfläche in einem schiefen Winkel zur Längsachse befindet.
Lichtleiter nach Anspruch 3, wobei ein Ende eines Kristallsegments aus mehreren ebenen Oberflächen zusammengesetzt ist.
Lichtleiter nach Anspruch 3, wobei ein Ende eines Kristallsegments (4) unregelmäßig geformt ist.
Lichtleiter nach Anspruch 1, wobei der Lichtleiter mindestens drei Kristallsegmente (4) hat.
Lichtleiter nach Anspruch 1, wobei der durch die Grenzschicht erzeugte Lichtübertragungsverlust mindestes gleich groß ist wie eine intrinsische Teilenergieauflösung der Szintillationsmischung bei Messung mit Photonen einer bestimmten Energie.
Lichtleiter nach Anspruch 1, wobei der Lichtübertragungsverlust durch die Grenzschicht (7) mindestens 1,2 % beträgt.
Lichtleiter nach Anspruch 9, wobei das die Photonen aufnehmende Ende (2) eine Lichtabsorptionsmaske (8) hat, die mindestens teilweise auf demselben angeordnet ist.
Lichtleiter nach Anspruch 10, wobei die Lichtabsorptionsmaske (8) im Wesentlichen vollständig über dem Aufnahmeende (2) angeordnet ist.
Lichtleiter nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex der Grenzschicht (7) weniger als der Brechungsindex der Kristallsegmente (4) beträgt.
Lichtleiter nach Anspruch 1, wobei jedes Kristallsegment (4) eine Höhe in einer zu der gemeinsamen Längsachse (77) parallelen Richtung hat, wobei für jedes Kristallsegment eine gleich große Wahrscheinlichkeit besteht, dass photoneninduziertes Licht aus demselben emittiert.
Lichtleiter nach Anspruch 1, wobei jedes Kristallsegment (4) die gleiche Höhe hat.
Lichtleiter nach Anspruch 1, wobei die Grenzschicht (7) ein Lichtabsorptionsmittel oder ein Lichtreflexionsmittel enthält.
Lichtleiter nach Anspruch 1, wobei die Grenzschicht (7) ein Klebstoff ist und die Kristallsegmente (4) zusammenklebt.
Vorrichtung (20) zur Bestimmung der X-, Y- und Z-Positionen eines Punktes photoneninduzierter Lichtemission in einem Array von Szintillationslichtleitern (1), wobei die Vorrichtung mindestens einen Photodetektor (21) hat, der zusammenwirkend mit dem Lichtübertragungsende jedes Lichtleiters angeordnet ist, und einen Analysator zur Analyse von durch den Photodetektor erzeugten Signalen zur Bestimmung der X- und Y-Koordinaten der photoneninduzierten Lichtemissionen in dem Array von Lichtleitern (1), dadurch gekennzeichnet, dass: (1) jeder Lichtleiter (1) gemäß Anspruch 1 aufgebaut ist; und (2) ein Diskriminator (33) zum Vergleichen von Lichtwerten, die von jedem Segment (4) jedes Lichtleiters (1) übertragen und durch den Photodetektor (21) aufgenommen werden, um zu bestimmen, welches Kristallsegment (4) des Lichtleiters (1) das photoneninduzierte Licht emittiert hat und um damit eine Z-Koordinate desselben zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei jeder Lichtleiter (1) mindestens drei Kristallsegmente (4) hat.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der durch die Grenzschicht (7) erzeugte Lichtübertragungsverlust mindestens gleich groß ist wie eine intrinsische Teilenergieauflösung der Szintillationsmischung bei Messung mit Photonen einer bestimmten Energie.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Lichtübertragungsverlust durch die Grenzschicht (7) mindestens 1,2 % beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei ein die Photonen aufnehmendes Ende (2) des Lichtleiters (1) eine Lichtabsorptionsmaske (8) hat, die mindestens teilweise auf demselben angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Lichtabsorptionsmaske (8) im Wesentlichen vollständig über dem Aufnahmeende (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Brechungsindex der Grenzschicht (7) weniger als der Brechungsindex der Kristallsegmente (4) beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei jedes Kristallsegment (4) eine Höhe in einer zu der gemeinsamen Längsachse (77) parallelen Richtung hat, so dass für jedes Kristallsegment eine gleich große Wahrscheinlichkeit besteht, dass photoneninduziertes Licht aus demselben emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei jedes Kristallsegment (4) die gleiche Höhe hat.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Grenzschicht (7) ein Lichtabsorptionsmittel oder ein Lichtreflexionsmittel enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Grenzschicht (7) ein Klebstoff ist und die Kristallsegmente (4) zusammenklebt.