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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Strahlungsabbildungsdetektoren.
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Die
Erfindung findet besondere Anwendung in Verbindung mit Nuklear- oder Gammakameras
und Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie (engl. Single-Photon Emission Computed
Tomography, SPECT) und wird mit besonderem Bezug darauf beschrieben.
Es ist jedoch zu beachten, dass die vorliegende Erfindung auch in
anderen nicht-invasiven Untersuchungsverfahren und Bildgebungssystemen,
wie der Einzelphotonen-Planarbildgebung, dem Ganzkörper-Nuklearscannen,
der Positronen-Emissions-Tomographie
(PET) und anderen Diagnosemodi Anwendung finden wird.
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Bei
der diagnostischen nuklearen Bildgebung werden ein oder mehrere
Strahlungsdetektoren auf einer beweglichen Gantry angebracht, um
eine Untersuchungsregion zu betrachten, die ein Objekt enthält. Normalerweise
werden ein oder mehrere Radiopharmaka oder Radioisotope, wie zum
Beispiel 99mTc oder 18F-Fluorodesoxyglukose
(FDG), die in der Lage sind, Emissionsstrahlung zu erzeugen, in
das Objekt eingebracht. Das Radioisotop wandert vorzugsweise zu
einem interessierenden Organ, dessen Bild erzeugt werden soll. Die
Detektoren scannen das Objekt entlang eines ausgewählten Pfades
oder einer Scan-Trajektorie und an jedem Detektor werden Strahlungsereignisse
erkannt.
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Bei
einem herkömmlichen
Szintillationsdetektor umfasst der Detektor einen Szintillationskristall,
der von einer Anordnung von Photovervielfacherröhren betrachtet wird. Ein Kollimator,
welcher eine gitter- oder bienenwabenähnliche Anordnung eines strahlungsabsorbierenden
Materials beinhaltet, wird zwischen dem Szintillationskristall angeordnet
und begrenzt den Aufnahmewinkel der Strahlung, die von dem Szintillationskristall
empfangen wird. Die relativen Ausgaben der Photovervielfacherröhren werden
bearbeitet und korrigiert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das
die Position und die Energie der erkannten Strahlung angibt. Die Strahlungsdaten
werden dann zu einer Bilddarstellung einer interessierenden Region
rekonstruiert.
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Eine
so genannte rotierende laminare Radionuklid-Kamera („ROLEC") wurde von Tosswill
und anderen beschrieben.
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Vorrichtungen,
die eine Cadmium-Tellurid (CdTe)-Detektoranordnung verwenden, wurden
von Mauderli, et al. in „A
Computerized Rotating Laminar Radionuclide Camera", J. Nucl. Med 20:
341–344
(1979) und Entine, et al. in „Cadmium
Telluride Gamma Camera",
IEEE Transactions an Nuclear Science, Band NS-26, Nr. 1: 552–558 (1979)
beschrieben. Entsprechend einer Version enthielt die Vorrichtung
eine lineare Anordnung von CdTe-Detektoren, die durch den Sichtbereich
jedes Detektors auf eine Dimension begrenzende Wolframplatten getrennt
wurden. Die Vorrichtung verfügte über einen
quadratischen Wirkraum (ungefähr
4 cm × 4 cm),
obwohl eine kreisförmige
Bleimaske den Wirkraum auf 13,2 cm2 reduzierte. Die Detektoren,
die über
mit Platin überzogene
Elektroden verfügten,
wurden an Kupferstreifen auf einer gedruckten Leiterplatte befestigt, die
auch als Grundplatte für
den Kollimator und als Aufnahme für Verstärker-Diskrimator-Schaltkreise
diente.
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Eine
ROLEC mit einem Wirkraum von 250 mm × 250 mm wurde von Tosswill
in der
US-amerikanischen Patentschrift
4.090.080 beschrieben. Die Vorrichtung enthielt szintillierende
Kunststofffolien, die zwischen parallelen Kollimatorplatten, die
von einem Stahlrahmen getragen wurden, angebracht waren. Auf die rückseitige
Fläche
jeder szintillierenden Folie epoxierte Lichtwellenleiter übertrugen
das in jedem der Detektoren erzeugte Licht zu einem entsprechenden
Photovervielfacher. Gemäß Tosswill
kann die ROLEC unstetig oder stetig gedreht werden oder betätigt werden,
indem ihre Achse entlang einer weiteren gekrümmten oder anderen Konfiguration
oder ohne Drehung, vorzugsweise aber nicht notwendigerweise symmetrisch,
bewegt wird.
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Vorrichtungen,
die einen segmentierten Germaniumkristall verwenden, wurden von
Urie, et al. in „Rotating
Laminar Emission Camera with GE-detector", Med. Phys. 8(6): 865–870 (1981);
von Mauderli, et al. in „Rotating
Laminar Emission Camera with GE-Detector: An Analysis", Med. Phys. 8(6):
871–876
(1981); von Malm, et al. in „A
Germanium Laminar Emission Camera", IEEE Transactions an Nuclear Science,
Band NS-29, Nr. 1: 465–468
(1982); und von Mauderli, et al. in „Rotating Laminar Emission
Camera with GE-detector: Further Developments", Med. Phys. 14(6): 1027–1031 (1987),
beschrieben.
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In
einer ersten Version wurde ein 11,5 mm dicker, segmentierter 45
mm × 45
mm Germaniumdetektor hinter parallelen Wolframplatten angeordnet.
Der Kristall wurde segmentiert, um eine Vielzahl von Kanälen zu bilden,
wobei die Platten auf die Segmentierungen ausgerichtet waren. Eine
Sichtapertur mit einem Durchmesser von 4,5 cm wurde zwischen dem
Detektor und der Aktivitätsquelle
angeordnet. Während
der Drehung der Detektor-Kollimator-Baugruppe um ihren Mittelpunkt
wurden bei mehreren Winkelausrichtungen erfasste Projektionsdaten
mathematisch rekonstruiert, um ein zweidimensionales Bild der Aktivitätsverteilung
zu erstellen.
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Eine
zweite Version simulierte einen Erkennungsbereich von 195 mm × 195 mm.
Fünf Germaniumblöcke mit
einer Gesamtlänge
von 250 mm wurden in einzelne elektrische Kanäle segmentiert. Der Detektor
wurde linear in eine Richtung, senkrecht zur Fläche der Platten verschoben,
um einen Detektor in voller Größe zu simulieren.
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Ein
Vorteil der ROLECs ist ihre hohe Effizienz im Verhältnis zu
herkömmlichen
Anger-Kameras. Insbesondere es die Konstruktion des Kollimators
möglich,
dass ein höherer
Prozentsatz der einfallenden Strahlung auf die Oberfläche des
Detektors trifft. Die räumliche
Auflösung
kann durch Steigern der Höhe
des Kollimators oder durch Reduzieren des Abstands zwischen den
Kollimatorelementen mit weniger Auswirkung auf die Effizienz als
bei herkömmlichen
Kameras verbessert werden.
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Obwohl
die ROLECs den Vorteil einer relativ höheren Effizienz und räumlichen
Auflösung
haben, waren sie teuer in der Herstellung, da beträchtliche
Mengen an relativ teuerem Detektormaterial erforderlich waren. Obwohl
die Kosten für
das Detektormaterial durch Verwenden einer Reihe von relativ kleineren
Detektorsegmenten verringert werden können, macht eine derartige
Vorgehensweise das Herstellungsverfahren kompliziert und erfordert,
dass Abweichungen in der Reaktion der einzelnen Segmente berücksichtigt
werden.
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Ein
zusätzlicher
Nachteil besteht darin, dass die Lamellenlänge des Kollimators dem Sichtfeld
des Detektors entsprach. Dies machte zusätzliches Detektor-, Kollimator-
und Konstruktionsmaterial erforderlich, führte zu falschen Zählungen,
die nicht zu nützlichen
Bildinformationen beitrugen, und brachte zusätzliche Masse in eine rotierende
Konstruktion ein.
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Noch
ein weiterer Nachteil der ROLECs war ihr kreisförmiges Sichtfeld. Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gerät zum Erkennen einer ein Objekt
anzeigenden Strahlung geschaffen, wobei das Gerät, das einen Detektor und einen
Antrieb umfasst, welcher geeignet ist, den Detektor in einer Ebene zu
drehen und den Detektor in Abstimmung mit der Drehung des Detektor
zu verschieben, so dass die Empfindlichkeit des Detektors über ein
nicht kreisförmiges
Sichtfeld im Wesentlichen konstant ist, dadurch gekennzeichnet ist,
dass der Detektor eine Längsachse
umfasst und dass der Schritt des Verschiebens des Detektors ein
Verschieben des Detektors in Abstimmung mit seiner Drehung umfasst,
so dass ein senkrecht zur Längsachse
stehendes Liniensegment den Weg nachzeichnet, den der Zentroid eines
sich innerhalb eines Quadrats drehenden Gleichdicks zurücklegt.
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Vorzugsweise
ist das Antriebsgerät
betriebsfähig
mit dem Detektor verbunden, um die Winkelbeziehung zwischen dem
Detektor und dem Objekt zu variieren und um den Detektor in Bezug
auf das Objekt so zu verschieben, dass die Empfindlichkeit des Detektors über einem
rechtwinkligen Sichtfeld im Wesentlichen konstant ist.
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Der
Detektor kann Folgendes enthalten: eine Vielzahl von längs in einem
Abstand angeordneten strahlungsabschwächenden Septen, die eine Vielzahl
von Schlitzen definieren, wobei jeder Schlitz über eine Längs- und eine Querdimension
verfügt
und die Querdimension dabei größer ist
als die Längsdimension;
und eine Vielzahl von strahlungsempfindlichen Detektorsegmenten,
wobei jedes Detektorsegment eine Querdimension hat und die in einem
entsprechenden Schlitz empfangene Strahlung erkennt, wobei der Detektor
ein longitudinales Sichtfeld hat; und der Antrieb entweder mit dem
Detektor oder dem Objekt betriebsfähig verbunden ist, um die Winkelbeziehung
zwischen dem Detektor und dem Objekt zu variieren; wobei die Querdimensionen
der Detektorsegmente kleiner sind als das longitudinale Sichtfeld.
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Gemäß einem
eingeschränkteren
Aspekt der Erfindung umfasst ein Detektorsegment zwei oder mehr Teilsegmente.
Die Summe der Querdimensionen der Teilsegmente ist kleiner als das
longitudinale Sichtfeld.
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Gemäß einem
weiteren eingeschränkteren
Aspekt der Erfindung umfasst der Detektor erste und zweite strahlungsabschwächende Seitenabschirmungen.
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Gemäß einem
weiteren eingeschränkteren
Aspekt der Erfindung ist das Apertur-Seitenverhältnis des Detektors größer als
Eins.
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Gemäß einem
noch eingeschränkteren
Aspekt ergibt sich die Querdimension der Septen aus der Gleichung
wobei LFOV ein longitudinales
Sichtfeld ist, C
z eine Höhe des Detektors ist, W
z eine Höhe
der strahlungsabschwächenden
Elemente ist, H eine Höhe
der Vorderseite der strahlungsabschwächenden Elemente über einer
Bildgebungsebene ist und C
y eine Querdimension
des Detektors ist.
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Gemäß einem
weiteren eingeschränkteren
Aspekt der Erfindung ist die Querdimension jedes Detektorelements
kleiner als die Querdimension des entsprechenden Schlitzes.
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Gemäß einem
noch eingeschränkteren
Aspekt der Erfindung umfasst jedes Detektorsegment mindestens zwei
Detektor-Teilsegmente. Die Summe der Querdimensionen der Teilsegmente
ist kleiner als die Querdimension des Schlitzes.
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Gemäß einem
weiteren eingeschränkten
Aspekt der Erfindung sind strahlungsabschwächende Elemente zwischen den
Detektorsegmenten angebracht, die die in angrenzenden Schlitzen
empfangene Strahlung erkennen. Die Dicke des strahlungsabschwächenden
Materialbereichs kann geringer sein als die Dicke des Septum. Die
Septen können
eine materialfreie Region enthalten, die dazu geeignet ist, die
strahlungsabschwächenden
Elemente aufzunehmen.
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Gemäß einem
weiteren eingeschränkteren
Aspekt wird elektrischer Leiter, der mit einem Detektorsegment in
elektrischem Kontakt steht, zwischen dem strahlungsabschwächenden
Element und dem Detektorsegment angebracht.
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Gemäß einem
weiteren eingeschränkten
Aspekt der Erfindung sind die Detektorsegmente physikalisch eigenständig.
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Gemäß einem
weiteren eingeschränkten
Aspekt der Erfindung ist ein Querschnitt der Detektorsegmente entweder
rund oder rechteckig.
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Gemäß einem
weiteren eingeschränkten
Aspekt der Erfindung umfasst das Gerät einen Rekonstruktionsprozessor,
der betriebsfähig
mit den Detektorsegmenten verbunden ist, um ein die von den Detektorsegmenten
empfangene Strahlung anzeigendes Bild zu erzeugen.
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Gemäß einem
weiteren eingeschränkten
Aspekt der Erfindung umfasst das Gerät Mittel zum Halten des Detektors
in Bezug auf ein abzubildendes Objekt.
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Vorzugsweise
umfasst der Detektor einen Kollimator mit: einer Vielzahl von longitudinal
in einem Abstand angeordneten strahlungsabschwächenden Elementen, die eine
Vielzahl von Aperturen definieren, von denen jede eine Querdimension
hat, die größer als
ihre Längsdimension
ist; einer Vielzahl von Detektorsegmenten, die empfindlich auf Radionuklidzerfall
angebende Strahlung reagieren, wobei jedes Detektorsegment eine
Querdimension hat und in einer entsprechenden Apertur empfangene
Strahlung erkennt, wobei das Apertur-Seitenverhältnis des Detektors größer als
Eins ist und der Antrieb betriebsfähig entweder mit dem Detektor oder
mit dem Objekt verbunden ist, um die Winkel beziehung zwischen dem
Detektor und dem Objekt zu variieren.
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Gemäß einem
eingeschränkteren
Aspekt der Erfindung umfassen die Detektorsegmente einen Halbleiter.
Das Material des Halbleiters kann Cadmiumzinktellurid sein.
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Gemäß einem
noch weiteren eingeschränkteren
Aspekt enthalten die Detektorsegmente ein szintillierendes Material
und einen Photodetektor in optischer Kommunikation mit dem szintillierenden
Material.
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Gemäß einem
noch eingeschränkteren
Aspekt handelt es sich bei dem szintillierenden Material um Cäsiumjodid.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat eine rotierende laminare
Emissionskamera ein Seitenverhältnis,
das größer als
Eins ist.
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Gemäß einem
eingeschränkteren
Aspekt enthalten die Septen und die strahlungsabschwächenden Elemente
Wolfram.
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Gemäß einem
eingeschränkteren
Aspekt sind die Septen und die strahlungsabschwächenden Elemente so angebracht,
dass sie in Bezug auf die Septen transversal bewegt werden können.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen,
das Folgendes umfasst: Verwenden eines Detektors, um die auf Radionuklidzerfall
hinweisende Gammastrahlung zu erkennen, gekennzeichnet durch Drehen
des Detektors in einer Ebene, und in Abstimmung mit der Drehung
des Detektors Verschieben des Detektors auf eine solche Weise, dass
die Empfindlichkeit des Detektors über ein nicht kreisförmiges Sichtfeld
im Wesentlichen konstant ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor
eine Längsachse
umfasst und der Schritt des Verschiebens des Detektors ein Verschieben
des Detektors in Abstimmung mit dessen Drehung umfasst, so dass
ein senkrecht zur Längsachse
stehendes Liniensegment den Weg nachzeichnet, den der Zentroid eines
sich innerhalb eines Quadrats drehenden Gleichdicks zurücklegt.
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Das
nicht kreisförmige
Sichtfeld kann ein Quadrat sein. Gemäß einem eingeschränkteren
Aspekt wird der Detektor in Abstimmung mit seiner Drehung so verschoben,
dass ein senkrecht zur Längsachse
stehendes Liniensegment den Weg nachzeichnet, den der Zentroid eines
sich innerhalb eines Quadrats drehenden Gleichdicks zurücklegt.
Das Gleichdick kann ein Reuleaux-Dreieck sein.
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Im
Folgenden werden Möglichkeiten
zur Ausführung
der Erfindung anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die
begleitende Zeichnung ausführlich
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
beispielhaftes nukleares Bildgebungsgerät;
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2 die
funktionalen Beziehungen zwischen Datenaufbereitung und Datenverarbeitung
für ein
Bildgebungsgerät;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Detektors für ein nukleares Bildgebungsgerät;
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4 eine
Seitenansicht eines Detektors für
ein nukleares Bildgebungsgerat;
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die 5A, 5B, 5C und 5D alternative
Ausführungsformen
eines Detektors;
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6 elektrische
Verbindungen zu einem Detektor;
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7 eine
Anordnung zum Anbringen von Detektorsegmenten;
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8A eine
Anordnung zum Anbringen von Detektorsegmenten;
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8B die
Anordnung aus 8A als Explosionsdarstellung;
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8C eine
Seitenansicht der Anordnung aus 8A;
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die 9A, 9B und 9C eine
Kreisbahn für
einen Detektor; und
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die 10A und 10B ein
rekonstruiertes Sichtfeld eines Detektors, der einer Reuleaux-Kreisbahn bzw.
einer kreisförmigen
Kreisbahn folgt.
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In
Bezug auf 1 wird ein abzubildendes Objekt
wie zum Beispiel ein Patient auf einer Patientenliege A gelagert.
Die Patientenliege umfasst eine dünne, relativ strahlungsdurchlässige Liegefläche 10,
die freitragend auf einer Basis 12 angebracht ist. Die
Basis enthält
Motoren zum Anheben und Absenken der Liegefläche und zum Herausfahren und
Einziehen der Liegefläche
in eine Längsrichtung
in Bezug auf die Nuklearkamera-Gantry B. Alternativ kann eine relative
Längsbewegung
durch Bewegen der Gantry B in Längsrichtung
erzielt werden.
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Die
Gantry B umfasst stationäre 18 und
rotierende 30 Gantryteile. Die Detektoren 22a, 22b, 22c sind auf
dem rotierenden Gantryteil 30 angebracht und definieren
eine Apertur, in die der Patientenkörper eingeführt werden kann. Jeder Detektor 22 umfasst
ein Gehäuse,
das aus einem strahlungsabschwächenden
Material, wie zum Beispiel Blei, besteht. Die Detektoren sind an
der Gantry 30 so angebracht, dass sie um eine Rotationsachse 70 radial
zu der Bildgebungsregion hin und von dieser weg und tangential in
Bezug auf die Bildgebungsregion gedreht werden können. Die relativen Winkelpositionen
der Detektoren um die Untersuchungsregion herum können auch
variiert werden. Wenn sich die Gantry um die Rotationsachse 70 dreht,
definieren die rotierenden Detektoren eine im Allgemeinen kreisförmige Bildgebungsregion,
deren genaue Form variieren kann, wenn die Detektoren während der
Rotation der Gantry 30 radial bewegt werden. Wie in der Technik
bekannt, werden Strahlungsdaten gesammelt, während sich die Detektoren um
die Bildgebungsregion drehen, wobei die Daten verwendet werden,
um ein den Radionuklidzerfall angebendes Bild zu erzeugen.
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Obwohl
der Detektor als über
drei Detektoren 22 verfügend
beschrieben wurde, können
eine größere Anzahl
(z. B. vier oder mehr) oder eine kleinere Anzahl (z. B. 1 oder 2)
Detektoren verwendet werden. Es ist nicht notwendig, dass die Detektoren
in gleichen Winkelintervallen um die Untersuchungsregion herum angeordnet
sind; es können
zahlreiche verschiedene Konfigurationen implementiert werden. Es
ist auch nicht notwendig, dass die Detektoren in Bezug auf den Patienten
bewegt oder um den Patienten gedreht werden; relative Bewegung kann
durch Bewegen des Patienten in Bezug auf die Detektoren erreicht
werden.
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Die
Fachkundigen werden erkennen, dass die in 1 gezeigte
Gantry ein Beispiel für
eine Gantry ist, die eine Reihe von Freiheitsgraden bietet. Natürlich können andere
geeignete Detektorhalterungen und Patientenliegen implementiert
werden, vorausgesetzt, dass die gewünschte relative Bewegung (falls
vorhanden) zwischen dem (den) Detektor(en) und dem Patienten oder
zwischen den Detektoren selbst vorgesehen wird.
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Betrachten
wir nun 2, so umfasst jeder Detektor
einen rotierenden Detektorteil 23. Signale von den Detektorelementen 106a, 106b,
... 106n jedes Detektors werden von der Signalaufbereitungs-
und Analog-Digital-Umsetzungsschaltung 130 empfangen und
im Speicher 132 gespeichert. Ein Antriebsmotor 134 steuert
einen Motor 136 an, der ein Drehen des rotierenden Teils 23 um
eine Rotationsachse 109 senkrecht zu einer Hauptebene des
rotierenden Teils bewirkt. Ein die Rotationsposition des rotierenden
Teils angebendes Signal 138 wird dem Speicher 132 zugeführt und
die Daten von den Detektorelementen 106 werden entsprechend
gespeichert. Ein Rekonstruktionsprozessor 140 rekonstruiert
die Daten zur Anzeige auf einer von Menschen lesbaren Anzeigevorrichtung 142,
wie zum Beispiel einem Monitor, Film oder dergleichen. Wo die Detektoren 22 um
die Bildgebungsregion um eine Rotationsachse 70 gedreht
werden, können
tomographische Bilder, zum Beispiel eine Vielzahl von axialen Schichtbildern,
erzeugt werden. Die Daten können
mit Hilfe eines Zweischrittverfahrens rekonstruiert werden. Zuerst
werden die Daten, die von den Detektorelementen 106 an jeder
der vielen Positionen um die Rotations achse 109 empfangen
werden, rekonstruiert, um einen zweidimensionalen Datensatz analog
zu den von einem herkömmlichen
zweidimensionalen Detektor erzeugten Daten zu schaffen. Zweidimensionale
Datensätze,
die an einer Vielzahl von Positionen um die Rotationsachse 70 gewonnen
wurden, können
wiederum rekonstruiert werden, um volumetrische Bilddaten zu schaffen.
Alternativ können
die Daten mit Hilfe eines Einzelschrittverfahrens rekonstruiert
werden, wobei die von den Detektorelementen 106 an jeder
der vielen Positionen um die Rotationsachse 109 und die
Rotationsachse 70 empfangenen Daten direkt rekonstruiert
werden, um die volumetrischen Bilddaten zu bilden.
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Mit
Bezug auf 3 umfasst der rotierende Detektorteil 23 einen
Kollimator mit einer Vielzahl von rechteckigen, parallel angeordneten
getrennten Septen oder Lamellen 102a, 102b, ... 102n.
Die Septen sind aus einem strahlungsabschwächenden Material hergestellt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Septen aus Wolfram gefertigt, obwohl andere Materialien,
die für
eine angemessene Abschwächung
sorgen, verwendet werden können.
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Der
Abstand zwischen den Septen definiert eine Vielzahl von Schlitzen 104a, 104b,
... 104n mit einer Breite G. Jedes Septum hat eine Höhe Wz, eine
Querdimension Wy, und eine Dicke Wx. Eine Vorderkante 107 der
Septen liegt der Untersuchungsregion gegenüber. Wo die Septen parallel
sind, entspricht das longitudinale Sichtfeld 110 (LFOV)
der Anzahl der Septen multipliziert mit ihrem Abstand.
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Ein
strahlungsempfindliches Detektorelement 106a, 106b,
... 106n wird so angebracht, dass es die Strahlung, die
auf jeden der Schlitze 104a, 104b, ... 104n trifft,
erkennt. Jeder der Detektoren 106a, 106b, ... 106n hat
eine Querdimension Cy, eine Dicke Cx und eine Höhe Cz. Die Detektoren sind
um den Mittelpunkt der Querdimension Wy der Septen 102 zentriert,
obwohl sie davon versetzt sein können.
Bei einer Ausführungsform
sind die Detektorelemente aus szintillierenden Materialien wie zum
Beispiel Cäsiumiodid
(CsI) oder Natriumiodid (NaI) gefertigt und in optischer Kommunikation
mit einer Photodiode oder anderen geeigneten Photodetektoren. Ein
Halbleiter-Detektormaterial wie zum Beispiel Cadmiumzinktellurid
(CdZnTe) kann ebenfalls verwendet werden. Abhängig von den Anforderungen
einer bestimmten Anwendung können
auch andere Materialien wie zum Beispiel Silizium (Si), Germanium
(Ge), Cadmiumtellurid (CdTe), HgI2, Galliumarsenid (GaAs),
Wismuthsulfat (Bi2S3),
PbI2, GaSe, AlSb oder CdSe verwendet werden.
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Der
rotierende Detektorteil 23 kann um eine Rotationsachse 109 senkrecht
zu seiner Hauptebene gedreht werden. Während Strahlungsdaten gesammelt
werden, kann der Detektor kontinuierlich gedreht werden. Alternativ
können
Daten gesammelt werden, wenn sich der Detektor an einer Vielzahl
diskreter Winkelpositionen befindet.
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4 stellt
eine Seitenansicht eines Detektors dar, wobei zur Vereinfachung
der Darstellung die Querdimension Cy und die Höhe Cz der Detektorelemente
106 gleich
Null sind. Entlang den Detektorseiten verlaufen Seitenabschirmungen
aus Blei
101. Der Detektor wird normalerweise mit der Vorderseite
107 der
Septen auf einer Höhe
H über
einer Bildgebungsebene
112 betrieben. Die Eckprojektionen
114 der
Septen
102 schneiden die Bildgebungsebene
112,
um darin ein transversales Sichtfeld zu definieren. Das Apertur-Seitenverhältnis wird
vorzugsweise so ausgewählt,
dass das transversale Sichtfeld dem LFOV
110 des Detektors
23 entspricht,
wobei die Dimension
110 aus
3 in
4 als
Bezug dargestellt ist. Bei der Ausführungsform aus
4 wird
das Apertur-Seitenverhältnis entsprechend
der folgenden Beziehung bestimmt:
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Das
Apertur-Seitenverhältnis
für die
Detektorelemente
106 mit C
y > 0, wie in
5A dargestellt,
kann entsprechend der folgenden Beziehung verallgemeinert werden:
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Bei
niedriger Energie (z. B. weniger als ca. 250 keV) ist die Empfindlichkeit
des Detektors ungefähr linear
in Bezug auf den Umfang Cy + 2Cz der
Detektorelemente 106. Demzufolge kann die Empfindlichkeit durch
Erhöhen
des Umfangs der Detektorelemente verbessert werden. Mit Bezug auf
Gleichung 2 und 5A beeinflusst ein Erhöhen des
Umfangs jedoch das Seitenverhältnis
sowie von außerhalb
des nutzbaren Sichtfelds empfangene Zählungen und die Kosten der
Detektorelemente 106. Wie dargestellt ist das Seitenverhältnis des
Detektors (LFOV/Cy) sowohl größer als
1 als auch größer als
das Apertur-Seitenverhältnis.
Einige oder alle Lamellenmaterialien 102 in den Regionen 115 außerhalb
der Eckprojektionen 114 können auch eliminiert werden.
Demzufolge können
die Septen eine trapezförmige
Gestalt oder eine andere, nicht rechteckige Form haben.
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Mit
Bezug auf 5A schafft das in Gleichung
2 beschriebene Seitenverhältnis
eine im Wesentlichen gleichmäßige Empfindlichkeit über das
Sichtfeld. Ein erweitertes Sichtfeld wird durch die Schnittlinie
der Eckprojektionen 111 und der Bildebene definiert, wenn
auch mit reduzierter Empfindlichkeit in den Bereichen 113a, 113b des
erwei terten Sichtfelds. Die Berechnung des Apertur-Seitenverhältnisses
kann entsprechend angepasst werden.
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Die
Anzahl der Detektorelemente 106 sowie ihre Größe, ihre
Form und ihre Position können
variiert werden, um eine gewünschte
Empfindlichkeit und ein gewünschtes
Empfindlichkeitsprofil zu schaffen. Bei einer in 5B dargestellten
beispielhaften alternativen Ausführungsform
werden zwei Detektorelemente mit einem kreisförmigen Querschnitt verwendet.
Bei der Ausführungsform
in 5C sind drei rechteckige Detektorelemente vorgesehen.
Bei der Ausführungsform
in 5D ist das Detektorelement vom transversalen Mittelpunkt
der Septen versetzt angebracht. Die gewünschten Seitenverhältnisse
können
anhand der oben beschriebenen Geometrien der Detektorelemente 106 und
der Lamellen 102 bestimmt werden.
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Elektrische
Verbindungen zu den Detektorelementen 106 können hergestellt
werden, indem ein Leiter, wie zum Beispiel aluminiumbeschichtetes
Mylar, zwischen den Detektorelementen 106 und den Septen 102 angeordnet
wird. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise besteht jedoch darin, dass
die Dicke des leitfähigen
Materials einen toten Raum zwischen den Septen und den Detektorelementen
mit sich bringt, der die Empfindlichkeit nachteilig beeinflusst.
Es können
Auskehlungen oder Vertiefungen in den Septen 102 oder in
den Detektorelementen 106 verwendet werden, um der Dicke
des Leiters ganz oder teilweise Rechnung zu tragen.
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In 6 ist
eine alternative Konfiguration dargestellt, die die elektrischen
Verbindunden zu den Detektorelementen 106 vereinfacht.
Die Detektorelemente 106 sind zwischen den Septen 102 angebracht,
wobei ihre rückseitigen
Oberflächen über die
rückseitigen
Oberflächen
der Septen 102 hinausragen, damit ein Zugang zu den Seitenflächen der
Detektorelemente 106 ermöglicht wird. Leitungsdrähte 116 wurden
mit Hilfe herkömmlicher
Bonding-Verfahren mit den Detektorelemente 106 verbunden.
Die Leitungsdrähte 116 sind
wiederum mit Leiterplatten 114 verbunden, auf denen sich
die Elektronik zur Signalaufbereitung befindet.
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Mit
Bezug auf 7 kann jedes der Kollimatorelemente 102 einen
eingekerbten Bereich 118 beinhalten. Die Detektorelemente 106 sind
mit entsprechenden Kollimatorsegmenten 120 verschachtelt,
um eine Detektor-Teilbaugruppe 122 zu bilden. Die Detektorelemente 106 sind
mit Hilfe eines Klebemittels auf die entsprechenden Kollimatorsegmente 120 aufgeklebt.
Alternativ kann eine mechanische Rahmenanordnung verwendet werden.
Die Kollimatorbaugruppe 100 und die Detektor-Teilbaugruppe 120 werden
separat zusammengebaut und anschließend zusammengesetzt.
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Mit
Bezug auf 8A kann der eingekerbte Bereich
in den Kollimatorelementen 102 mit den Detektorelementen 106 und
den dahinter angebrachten Kollimatorsegmenten oder Separatoren 120 eliminiert
werden. Die Querdimension der Kollimatorsegmente 120 ist
vorzugsweise größer als
oder gleich der Querdimension der Detektorelemente 106.
Insbesondere sind die Kollimatorsegmente 120 vorzugsweise
so bemessen, dass ihre Eckprojektionen zumindest koextensiv mit
denen der Lamellen sind. Ein besonderer Vorteil einer derartigen
Anordnung besteht darin, dass die Anordnung aus Detektorelement 106 und
Kollimatorsegment fest oder beweglich an den Kollimatorelementen 102 in
jeder beliebigen Anzahl von Positionen angebracht werden kann.
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8B stellt
eine Anordnung aus 8A als Explosionszeichnung dar.
Es gibt dreizehn (13) Dimensionen, die spezifiziert werden müssen, plus
der Anzahl von Detektorelementen 106 (N). Die Dimensionen
umfassen die Dimensionen der Detektorelemente 106 (Cx,
Cy, Cz), die Dimensionen der Lamellen 102 (Wx, Wy, Wz),
die Dimensionen der Separatoren 120 (Sx, Sy, Sz), den Zwischenraum
(G) zwischen nebeneinander liegenden Lamellen, den Abstand (P =
G + Wx) der Lamellen und die Verschiebung (Dy) der Detektorelemente innerhalb
des Separators.
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Wie
oben dargestellt, wird das LFOV des Detektors definiert durch N × P (N Detektorelemente
mit einem Abstand P). Die Dimensionen der Detektorelemente 106 werden
durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst. Die Energieauflösung, Empfindlichkeit,
Kosten und sekundärer
Partikelverlust werden alle von den Dimensionen Cx, Cy und Cz der
Detektorelemente beeinflusst. Bei einer beispielhaften Ausführungsform,
die die Austauschbarkeit von Halbleiter- (z. B. CdZnTe) und szintillierenden
(z. B. CsI) Detektorelementen vereinfacht, kann es wünschenswert
sein, für
Cx einen Wert zu wählen,
welcher für
beide Typen von Detektorelementen geeignet ist.
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Das
Verhältnis
G/Wz wird so gewählt,
dass man eine gewünschte
räumliche
Auflösung
erhält.
Die Dicke Wx der Lamellen wird so gewählt, dass die Empfindlichkeit
maximiert wird, während
der Durchgriff minimiert wird und eine angemessene mechanische Stabilität erreicht
wird.
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Betrachten
wir nun
8C, so wird die Breite Wy der
Lamellen
102 wie folgt bestimmt:
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Es
ist zu beachten, dass Objekte, die über das FOV
110 hinausragen,
auch ein Signal erzeugen, obwohl die Empfindlichkeit herabgesetzt
wird, da die Seitenabschirmungen aus Blei die Strahlung blockieren.
Die gesamte Sichtfeldgröße ergibt
sich aus der Gleichung:
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Unter
der Voraussetzung, dass der Detektorabstand dem Abstand der Kollimatorbaugruppe 100 entspricht,
kann die Dicke ts der Separatoren oder der
Kollimatorsegmente 120 kleiner sein als die der Septen 102.
Aluminiumbeschichtetes Mylar oder ein anderes geeignetes leitfähiges Material
kann dann zwischen den Detektorelementen 106 und den Kollimatorsegmenten 120 angeordnet
werden, um die notwendigen elektrischen Verbindungen zu schaffen.
Alternativ können
die rückseitigen
Oberflächen
der Detektorelemente 106 über die rückseitigen Oberflächen der
Kollimatorsegmente 120 hinausragen, um die elektrischen
Verbindungen wie oben beschrieben zu vereinfachen.
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Die
Höhe Sz
der Separatoren ist vorzugsweise größer als oder gleich der Höhe Cz der
Detektorelemente. Um für
eine einwandfreie Kollimation zu sorgen, ist die Länge Sy der
Separatoren 120 größer als
oder gleich der Länge
Cy der Detektorelemente.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform
können
die Größen der
verschiedenen Parameter wie folgt ausgewählt werden (Abmessungen in
mm):
| Parameter | CdZnTe-Detektor | CsI-Detektor |
| N | 128 | 128 |
| Cx | 1,5 | 1,5 |
| Cy | 12 | 30 |
| Cz | 8 | 2 |
| Wx | 0,3 | 0,3 |
| Wy | 130 | 130 |
| Wz | 46 | 46 |
| Sx | < 0,3 | < 0,3 |
| Sy | 37 | 37 |
| Sz | 8 | 2 |
| P | 1,8 | 1,8 |
| G | 1,5 | 1,5 |
| Dy | 8,3 | 2 |
| H | 50 | 50 |
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Durch
Drehen des Detektors 23 um die Rotationsachse 109 wird
ein kreisförmiges
Sichtfeld geschaffen. Die relative Winkelbeziehung zwischen den
Schlitzen und dem zu untersuchenden Objekt kann auch in Abstimmung
mit der Verschiebung des Detektors variiert werden. Mit Bezug auf 9A kann
der Detektor entlang eines Gleichdicks 200 in Abstimmung
mit der Rotation bewegt werden, um die Abdeckung eines Sichtfelds 202 zu
maximieren.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
ist das Sichtfeld 202 ein Quadrat. Der Ausdruck Gleichdick
beschreibt eine Schar von Figuren, die in jeder Ausrichtung innerhalb
des Quadrats alle vier Seiten des Quadrats berühren. Da das Gleichdick 200 innerhalb
des Quadrats 202 kreist, zeichnet sein Zentroid ebenfalls
eine Kreisbahn 204 nach. Bei der dargestellten Ausführungsform
handelt es sich bei dem Gleichdick 200 um ein Reuleaux-Dreieck.
Ein Reuleaux-Dreieck umfasst drei kreisförmige Bogensegmente, deren
Endpunkte die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks schneiden.
Der rotierende Detektorteil 23 kann so visualisiert werden, dass
er eine der Seiten des gleichseitigen Dreiecks bildet, d. h. seine
Langsachse schneidet zwei Eckpunkt des Reuleaux-Dreiecks. Es ist
auch zu beachten, dass ein Kreis ein Gleichdick ist, wenn auch eines,
dessen Zentroid sich nicht verschiebt, wenn der Kreis innerhalb
des Quadrats gedreht wird.
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Wenn
der Detektor 23 gedreht wird, zeichnet sein Mittelpunkt 205 einen
Weg 206 mit kurvenförmiger Rautenform
(ähnlich
der eines Asteroiden oder eines Hypocycloids mit vier Scheitelpunkten)
nach. Verschiebung und Rotation werden so koordiniert, dass ein
Liniensegment 208, das senkrecht zur Längsachse des Detektors 23 steht
und seinen Längsmittelpunkt
schneidet, den Weg nachzeichnet, den der Zentroid 204 des Reuleaux-Dreiecks
zurücklegt.
Die Endpunkte der Längsachse
des Detektors 23 zeichnen einen im Wesentlichen quadratischen
Weg 210 nach und erzeugen ein gleichzeitig im Wesentlichen
quadratisches Sichtfeld. In 9B wird
die x-y-Position 206, die vom Längsmittel punkt des Detektors 23 als
prozentualer Anteil des LFOV des Detektors 23 nachgezeichnet
wird, dargestellt. Die x-Position des Detektors 23 als
Funktion seiner Winkelposition θ ist
in 9C dargestellt.
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Die
Detektorsegmente können
um das transversalen Ausmaß der
Septen zentriert sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Detektoren jedoch vom Mittelpunkt zu einer Seite des Detektors
näher zur Außenseite
des Quadrats versetzt, und zwar um einen Betrag, der einem Viertel
des transversalen Ausmaßes der
Septen entspricht. Alternativ kann die Längsachse vom transversalen
Mittelpunkt des Detektors 23 versetzt sein.
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Ein
besonderer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass für eine im
Wesentlichen gleichmäßige Empfindlichkeit über das
quadratische Sichtfeld im Vergleich zu der sich drehenden Kreisbahn
desselben Detektors ohne Verschiebung gesorgt wird, wie auch in
den 10A bzw. 10B dargestellt.
Daher kann ein kleinerer Detektor verwendet werden, um ein gewünschtes
quadratisches Sichtfeld zu schaffen. Alternativ kann ein Detektor
gleicher Größe verwendet
werden, um ein größeres Sichtfeld
als nur mit Rotation zu schaffen, wenn auch mit einer weniger gleichmäßigen Empfindlichkeit.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass der Mittelpunkt
des Detektors nicht immer auf dieselbe Stelle im Rekonstruktionsfeld
zeigt. Da es keinen festen Punkt in der Bewegung des Detektors gibt,
gibt es keinen speziellen Punkt im Rekonstruktionsfeld. Da die Kreisbahn
nicht zirkulär-symmetrisch
ist, erzeugen die Ungleichmäßigkeiten
im Detektor keine Ringartefakte. Des Weiteren wird ein noch gleichmäßigeres
Sichtfeld erzielt, da der Detektor im Durchschnitt näher an der
gesamten Rekonstruktionsebene ist. Obwohl die Kreisbahn in Zusammenhang
mit einem Reuleaux-Dreieck beschrieben wurde, kann sie in Zusammenhang
mit anderen Gleichdicken, zum Beispiel mit Kurven mit fünf oder
mehr Seiten, implementiert werden.
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Eine
geeignete Antriebsanordnung wird verwendet, um den Detektor 23 über seine
Kreisbahn zu steuern. Es kann zum Beispiel ein x-y-Positionierungsantrieb
zum Bewirken der notwendigen translatorischen Bewegung zusammen
mit einem rotierenden Antrieb zum Bewirken der notwendigen koordinierten
Rotation verwendet werden. Da die Endpunkte der Längsachse
des Detektors 23 dem Weg 210 folgen, kann eine
Vorrichtung mit Zahnradantrieb, die beide Enden des Detektors 23 erfasst
und bewirkt, dass sie dem Weg folgen, implementiert werden, um für eine koordinierte
translatorische und rotierende Bewegung zu sorgen.
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Das
beschriebene Kreisbahnverfahren kann auch bei der Transmissions-Radionuklid-Bildgebung, zum
Beispiel zur Korrektur der Abschwächung, verwendet werden. Eine
linienförmige
oder im Allgemeinen rechteckige Flächenquelle kann in die oben
beschriebene Kreisbahn bewegt werden, wobei sich das abzubildende
Objekt zwischen der Transmissionsquelle und einem geeigneten Detektor,
zum Beispiel einem Detektor, der einer koordinierten Reuleaux-Kreisbahn
folgt oder einem herkömmlichen
Gammakamera-Detektor,
befindet.
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Es
ist auch zu beachten, dass das Verfahren nicht nur auf die medizinische
Bildgebung beschränkt
ist. Es kann dort eingesetzt werden, wo es erforderlich ist, andere
Arten von positionsabhängigen
Informationen zu erfassen. Daher kann das Verfahren zusammen mit
geeigneten Detektoren oder Empfängern
verwendet werden, um andere Arten der Strahlung, zum Beispiel infrarotes,
sichtbares oder ein anderes Licht, thermische Strahlung, elektrische
und magnetische Felder und dergleichen zu erfassen. Auf ähnliche
Weise kann das Verfahren zusammen mit geeigneten Emittern und Sendern,
in Verbindung mit Quellen anderer Strahlungsarten, einschließlich der
oben dargelegten, verwendet werden.
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Die
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben. Offensichtlich werden dem Fachkundigen beim Lesen und
Verstehen der vorhergehenden Beschreibung Abwandlungen und Veränderungen
einfallen. Die Erfindung ist so zu deuten, dass sie alle derartigen
Abwandlungen und Veränderungen
einschließt,
soweit sie im Rahmen der anhängenden
Ansprüche
oder deren Äquivalente liegen.
-
2
- Signal
conditioning and A/D conversion
- Signalaufbereitung
und A/D-Umsetzung
- Memory
- Speicher
- Recon
- Rekonstruktionsprozessor
- Motor
- drive
Motorantrieb
-
3, 4, 8A
- Field
of view
- Sichtfeld
