SE439693B - Koincidensdetekteringskrets - Google Patents

Description

8000909-5 10 15 20 25 30 35 2 partiklarnas masscentrumskoordinater. De båda gammastrålarna kan detekteras medelst lämpliga anordningar. Om dessa anord- ningar mäter gammastrålarnas energi vid Sll keV och registre- rar denna energi tillnärmelsevis samtidigt, kan det antagas, att strålningens ursprung ligger på en rät linje mellan de båda detektorerna. Flera detektorer kan användas i ett arrangemang, så att många samtidiga händelser kan detekteras under samma tidsintervall. Informationen från dessa detekto- rer bearbetas därefter medelst en dator med användning av bildrekonstruktionsteknik, så att man finner läget eller för- delningen av den positronemitterande isotopen.

En anordning för avbildning eller bildpresentation av positronförintelsestrâlning består av följande grundläggande delar: l) Ett antal detektorer anordnade i precist geometrislt mönster. Dessa detektorer utgöres normalt av seintillations- detektorer belägna i ett eller flera plan, varvid detekto- rerna vanligtvis är anordnade i ett polygonalt mönster eller runt omkretsen av en cirkel. Scintillationsdetektorer avger en ljusblixt varje gång de absorberar gammastrålning, som eventuellt kan härröra från den inbördes förintelsen av en positron och en elektron. Ljusblixtens intensitet är propor- tionell mot gammastrålens energi. 2) Anordningen måste innehålla organ för omvandling av ljusblixten till en elektrisk laddningspuls. Leddnings- pulsens amplitud är proportionell mot ljusintensiteten. 3) Anordningen måste innehålla organ för bestämning av huruvida laddningspulsen kan ha härrört från en gamma- strålning, vars energi var approximativt ekvivalent mot elektronens vilomassa (511 keV).

H) Anordningen måste innefatta en elektrisk krets, som är i stånd att bestämma, att två och endast tvâ detek- torer har var för sig registrerat gammastrålar med rätt energi inom ett kort tidintervall (koincidenstid). Dessa Detektorer säges ha registrerat en "koincidenshändelse". 5) Anordningen måste innefatta en elektrisk krets, som bestämmer vilka två detektorer bland de många möjliga kombinationerna, som registrerade “koincidenshändelsen". lD 20 25 80009U9~5 6) registreras, hur ofta varje par av detektorer registrerar en Anordningen måste ha ett minne, i vilket det lan "koincidenshändelse". Detta minne kan vara en del av ett direktminne i en generell dator. 7) vilken informationen i minnet kan transformeras till en avg Anordníngen måste använda en algoritm, medelst bildning av fördelningen av positronförintelse per tidsenhet i ett tvärsnitt omgivet av detektorerna. Sekvensen av steg som denna algoritm beskriver, kan vara programmerad i en generell dator. Ändamålet med föreliggande uppfinning är i första hand att åstadkomma en koincidensdetektorkrets, som kan användas i en bildpresentationsanordning för positrnnïörintelses1rål~ ning av det ovan beskrivna slaget för bestämning av huruvida två detektorer, vilka som helst, registrerat en händelse sam- tidigt, dvs. koincidens.

Ett andra ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett sätt att koda detektornumren på ett unikt sätt och att överföra denna information till ett minne, i vilket den kan användas vid rekonstruering av en bild av fördelningen av positronemitterande isotop i ett tvärsnitt av den kropp som avsökes.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att så snabbt som möjligt fastställa förhållandet att endast två händelser inträffat och vilka detektorer som registrerat dessa händelser, för att dödtiden i koincidenskretsen skall reduceras till ett minimum. Ännu ett ändamål med uppfinningen är att använda endast lätt tillgängliga kommersiella integrerade kretsar, vilka ej kräver någon speciell programmeringsteknik för alstring av adressen.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att an- vända ett kodningssehema, som gör det möjligt att registrera koincidensen mellan händelser, som motsvarar ett par detek- torer, vilkas förbindelselinje ej passerar genom det avsökta föremålet. Dessa detektorer kan endast vara inblandade i detekteringen av tillfälliga koincidenser. Denna information kananvändas i bildrekonstruktionstekniken för mätning av de .-.__ .i .........__-._ 8000909-5 10 15 20 30 4 tillfälliga koincidenserna för detektorer, vilkas sammanbind- ningslinjer ej går genom det avsökta objektet, vilket gör det möjligt att utföra korrektioner för dessa oönskade händelser.

Det kännetecknande för uppfinningen framgår av det bi- fogade pat entkravet .

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas i anslutning till bifogad ritning, vilken såsom exempel visar en föredragen utföringsform av uppfinningen, varvid fig. l är ett blockschema över en bildpresentations- anordning för positronförintelsestrålning, vilken innehåller en koincidensanalyskrets enligt uppfinningen; fig. 2 är ett blockschema över koincidensanalyskretsen; fig. 3 är ett tiddiagram för koincidensanalyskretsen; fig. 4 är ett detaljerat kopplingsschema över de olika komponenterna i adressgeneratorn, som är omsluten av strecka- de linjer i fig. 2; och fig. 5 är en svart-vit-representation av "rådatan" från en verklig patientavsökning.

Den i fig. l såsom exempel visade föredragna utförings- formen av en bildpresentationsanordning för positronförin- telsestrålning innefattar en eller flera ringar av detektorer 2, som omger det föremål som skall avbildas i ett eller flera plan. Ljussignalen från detektorerna aktiverar till- hörande fotomultiplikatorer 3. De elektriska signalerna från detektorerna förstärkas i förstärkare Ua,Hb~Hn och de för- stärkta signalernas nivåer diskrimineras i diskriminatorer 5a,5b~5n. Utgångssignalerna från var och en av dessa energi- diskriminatorer bearbetas av koincidensanalyskretsen 6 enligt den föreliggande uppfinningen. Denna koincidensanalyskrets L har tvâ primära ändamål. Dess första uppgift är att fast- ställa om tvâ eller flera detektorer registrerar en samtidig händelse. Om exakt två detektorer registrerar en samtidig händelse, beräknar koincidenskretsen 6 adressen för dessa två detektorer och sedan den funnit denna adress, i ett till koincidenskretsen anslutet minne, ändrar den innehållet i denna minnesplats. Informationen i minnet bearbetas efteråt medelst ett bildrekonstruktionsprogram, som vid bearbetninga- tillfället har tillgång till det antal gånger en koincidens l5 30 8000909-5 uppträtt mellan alla möjliga kombinationer av detektorer i detektoruppsättningen.

Pig. 2 visar ett mera detaljerat blockschema över koin- cidensanalyskretsen. Det grundläggande informationsflödet i detta schema är från vänster till höger och startar med SU diskriminatorutgângssignaler och sluter med den adress om l2 bit, som sändes till datorns minne. Den illustrerade före- dragna utföringsformen innefattar ringar med ön detektorer och utgångssignalerna från dessa detektorer är anslutna till diskriminatorerna Sa-5n i fig. l. Diskriminatorerna triggas varje gång som de tillhörande detektorerna registrerar en händelse, som ligger inom det önskade energiintervallet, och utgångssignalerna från diskriminatorerna ledes till en ELLER- krets 200 med GH ingångar och en BH bit fördröjningskrets 230. Utgångssignalen från ELLER-kretsen 200 kommer att vara sann varje gång en av de BU detektorerna registrerar en hän- delse. Utgângssignalen från ELLER-kretsen fördröjes i en för- dröjningskrets 210 och triggar en D-vippa 220 (kantdetektor) i blockschemat, vars utgångssignal användes för laddning av ett hällregister 2H0 om 64 bit. Fördröjningsregístret 230 och fördröjningskretsen 210, som ombesörjer förmedlingen av signalerna genom ELLER-kretsen 200 och kantdetektorn 220, bestämmer koinoidenstiden. Koincidenstiden kan varieras (i 2l0) inverterare med en markant fördröjning (10 ns) jämför: med i steg om äns. Fördröjningsregistret består av ßu den i den övriga delen av kretsen använda Schotlky-TTR logiken, dvs. den tid under vilken två detektorer kan sägas har registrerat var sin av de båda gammastrålarna från en positronförintelse. Utgångssignalen från hållregistret 2H0 om GH bit är just detektorcrnas tillstånd ca 15 ns (detta är en inställbar koincidenstid) efter att den första detektorn registrerade en händelse. Åtta oktala prioritetskodare 250/258 är anslutna till hållregistrets utgång. Varje prioritetskodare har åtta in~ gångar och fyra utgångar. Tre av utgångarna innehåller den oktala adressen för den mest signifikanta ingången. Den fjärde utgången är sann så snart en eller flera av ingångarna är sann. Denna fjärde utgång från varje prioritetskodare ut- 15 20 25 30 35 8000909-5 6 gör ingångssignalen till en paritetskontrollkrets 260, vars uppgift är att bestämma, huruvida ett udda eller ett jämnt antal detektorer är inblandade i den aktuella händelsen.

Detta kan ske utomordentligt snabbt. Eftersom under den större delen av tiden (ca 90-98 % av tiden) endast en detek- tor är involverad, eliminerar detta steg större delen av den information som ej erfordrar någon ytterligare bearbetning.

Då pariteten för ingångshändelsen konstateras vara jämn, lagras de 32 utgångssignalerna från de åtta prioritetskodarna i ett register 262 med 32 bit. Ändamålet med detta register är att hålla kvar händelser med jämn paritet, tills adress- generatorn kan exakt bestämma vilka två detektorer som var involverade i den aktuella händelsen.

Tiddiagrammet i fig. 3 visar, att hållregistrets QHO "dödtid"iär bearbeta ca endast ca 50 ns. Detta innebär, att kretsen kan en miljon händelser per sekund med en "dödtid" av endast 5 %. Den kan naturligtvis hantera många fler hän- delser per sekund än detta med en proportionellt längre död- tid.

En central del av uppfinningen är adressgeneratorn 68, som bestämmer vilka tvâ detektorer som är involverade i en specifik händelse. Adressgeneratorns 68 blockschema är in- ramat med en streckad linje i fig. 2 och de olika komponen- terna i kretsen är visade i kopplingsschemat i fiq. 4. De 32 bit i registret 262 kan delas upp i tvâ grupper. En grupp om 8 bit innehåller l bit för var och en av de åtta priori- tetskodarna 250-258, som är anslutna till registret 2H0.

Dessa 8 ledningar är anslutna till ingångarna hos en annan prioritetskodare H01. De tre ntgångarna från denna priori- tetskodare H01 innehåller adressen för den mest signifikanta prioritetskodare som är ansluten till registrets 252 ingång.

Detta är i själva verket de tre mest signifikanta bitarna i den adress som erfordras, dvs. de tre mest signifikanta bitarna i den högst numrerade detektor som är involverade i en koincidenshändelse. Dessa tre utgångar går till tre olika ställen. Först och främst bildar de en höggruppsadress, som sändes genom en fifu (först in - först ut) 270 till datorn.

För det andra presenteras de till en adressingång hos en V »_- -»-~ _........-....~__.,__Û........ 10 20 25 30 8000909-5 7 8:1 multiplexor H11. Dataingången hos denna multíplexor 8:1, som är en av sex multiplexorer betecknade med H10, ull, ul?, H13, Mlu och H15, är ansluten till registret 262 liksom de övriga multiplexorerna och ger de övriga 2D bitarna till registret 262 med 32 bitar. Utgângarna från dessa 8:1 multi- plexorer H10-H15 innehåller detektoradressen i den grupp om 8 som svarar mot den mest signifikanta detektorn.

Vid denna punkt har alla 6 bitar för den högst numrerade detektor som är involverade i den aktuella koincidenshändel- sen blivit bestämda.

Utgångssignalerna från prioritetskodaren H01 tillföras också en oktal avkodare 440, vars uppgift är att regenerera de 8 linjer som svarar mot de ursprungliga ingångssignalerna till prioritetskodaren uül. Av dessa utgångssígnaler är endast en sann och detta är den mest signifikanta ingângssignalen till prioritetskodaren. Detta användes som en mask, i en hög- gruppsmask H50-H57, för eliminering av den mest signifikanta ingångssignalen från ingångssignalerna till en andra priori- tetskodare H02. Eftersom den mest signifikanta linjen har eliminerats från behandlingen i den andra prioritetskodaren H02, bestänmer dennas tre utgångssignaler adressen för den minst signifikanta gruppen av 8 detektorer som är involverad i koincidenshändelsen. Utgångssignalerna från denna priori- tetskodare ledes åter till tre olika ställen på motsvarande sätt som utgångssignalerna från den första prioritetskodaren uül och på detta sätt bestämmes de minst signifikanta 6 bi- tarna i adressen. Denna process upprepas ännu en gång i Hul, H60-#67 och N03 för att säkerställa, att endast tvâ detektorer är involverade i varje händelse. På detta sätt har sålunda en adress om l2 bitar alstrats, som kan användas för laddning av en minnesplats i datorns minne.

Utgångsadressen lagras i ett fifu-register, så att hän- delsernas momentana hastighet kan vara högre än hastigheten för datorns ingång. Detta register laddas med den beräknade adressen och denna adress tages åter ut, då datorn kan använ- da sig av den.

Detta minne kan betraktas som en kvadrat med storleken BH X 64 ord (se fig. l), som alltid kommer att innehålla den 15 20 25 30 35 8000909-5 B högst numrerade detektorn på Y-axeln (de mest signifikanta 6 bitarna) och X-detektorn (de minst signifikanta 5 bitarna) utmed X-axeln. Det skall observeras, att på grund av priori- tetsstrukturen hos denna data så kommer händelser att samlas endast i en area ovanför en diagonal dragen mellan det nedre vänstra hörnet och det övre högra hörnet i denna kvadrat.

Eftersom detta skulle innebära ett visst slöseri med datorns minne, innehåller koincidenskretsen en metod för komplemente- ring av den höga detektoradressen och den låga deteftor- adressen under vissa omständigheter.

Detektoruppsättníngen roterar fram och åter (med 2,80, vilket är halva vinkelavstândet mellan varandra närbelägna detektorer) under datainsamlingen. En positionskodare allmänt betecknad med 480 i fig. 2 är ansluten till detektoruppsätt- ningen och användes för att slå till antingen en uppsättning buffertsteg 280, 282, 284 eller en annan uppsättning buffert- steg 290, 292, 29H, vilka bildar utgången till datorn.

Buffertstegen 290, 292, 29k, vilka är aktiverade då detektor- uppsättningen är roterad från sitt normala läge, komplemen- terar varje bit i adressen och fyller sålunda i en spegelbild av datan i den nedre högre halvan av det kvadratiska adress- utrymme som finnes visat i fig. 5.

Eftersom datorn ej alltid kan vara beredd att acceptera händelser så snabbt som de genereras av koincidenskretsen, användes ett fifu-register med ett djup om 15 ord som ett buffertsteg för datan från adressgeneratorn till datorn.

Pig. 5 visar en representation av den "rådata"-matris som alstras av kretsen från en typisk patientavsökning. De ljusasta partierna (vita) svarar mot det högsta pulstalet i en cell av matrisen. De vita partierna 502, 50% svarar mot en hög pulstakt från en tumör i hjärnan. Linjerna 520, 522, 524, 526 svarar mot pulstal från patientens skalle. Partierna BHD, SU? svarar mot pulstal från hjärnan. Partierna 580, 582, 58%, 586 svarar mot tillfälliga koincidenser mellan detekto- rer, vilkas förbindelselinjer ej passerar genom patienten.

Dessa händelser kan användas för uppskattning av mängden till- fälliga koincidenshändelser från andra detektorpar. De svarta kvadraterna 591-598 innehåller ingen data. Detektorer sva- 10 15 20 8000909-5 rande mot dessa områden ligger på samma ingängsprioritets- kodare 250/258. Om två sådana detektorer registrerar en hän- delse samtidigt, skulle kretsen detektera en enda händelse och förkasta den. Denna rådata användes för att rekonstruera en bild av ett snitt genom patientens huvud.

Fördelarna med uppfinningen kan sammanfattas enligt följande: l) Den beskrivna elektroniska kretsen utgör en effektiv metod att bestämma att endast två detektorer i en stor upp- sättning av detektorer registrerat en samtidig händelse.

Alla andra händelser förkastas. 2) Endast en krets erfordras för analys av händelserna av 6% detektorer. 3) Uppfinningen innebär ett effektivt och unikt sätt att bestämma vilka två detektorer som är involverade i varje koincidenshändelse.

Denna teknik kräver ej några komponenter som ej är lätt kommersiellt tillgängliga. 5) Adressgenereringsschemat kräver ej ett läsminne för bestämning av adressen, varigenom det ej blir nödvändigt att programmera eller konstruera specialhårdvara för detta ända- mål. 6) Kretsen är så utformad, att den eliminerar de mest vanliga händelserna (enstaka händelser), så att dessa ej be- höver bearbetas ytterligare. 7) Kretsens individuella steg bearbetar datan asyn- kront, vilket gör det möjligt att reducera dödtiden vid höga pulsrater.

Claims (2)

8000909-5 ID Patentkrav l. Koincidensdetekteringskrets avsedd att mottaga ett fler tal pulsade ingângssignaler, bland vilka par av signaler upp- träder inom en utvald koincidenstid och skall identifieras, a) en fördröjningskrets (230) för ett flertal bitar, som tillföras en nivådískriminerad signal från var och en av nämnda flertal av ingångssignaler; b) ett hållregister (240) för ett flertal bitar anordnat att mottaga utgångssignaler från nämnda fördröjningskrets (?30); c) ett flertal (oktala) prioritetskodare (250-255) anslutna att mottaga utgångssignaler från nämnda hållregister (240), varvid dessa kodare har ett flertal grupper av utgångssígna- ler, av vilka var och en innehåller en (oktal) adress för den mest signifikanta ingången och en ytterligare utgångssignal, då en eller flera ingångssignalerna är lika; d) ett ytterligare register (262) för ett flertal bitar anslutet att mottaga nämnda flertal av grupper av utgångs- sígnaler från nämnda (oktala) prioritetslodare (255-258) och att kvarhålla jämna parítetspar av nämnda pulsade ingån¿s- signaler; e) en höggruppsprioritetskodare (H01) anordnad att mottaga utgångssignaler från nämnda ytterligare register (262), varvid denna höggruppsprioritetskodare har tre utgångar, av vilka var och en innehåller en adress för den mest signifi- kanta prioriteten i hållregistret (2H0); f) en (oktal) höggruppsavkodare (HUD) ansluten att mottaga utgângssignaler från nämnda höggruppsprioritetskodare (H01) och att regenerera ingângssignaler till denna; g) en höggruppsmaskningskrets (H50) ansluten att mottaga de regenererade ingångssignalerna från nämnda höggruppsav- kodare och att eliminera den mest signifikanta ingångssigna~ len från nämnda pulsade ingångssígnaler; 800090925 ll h) en låggruppsprioritetskodare (H02) ansluten att mottaga utgångssignalerna från nämnda höggruppsmaskningslrets (N50) och att anordnad att ha tre utgångsadressígnaler; i) en (oktal) låggruppsavkodare (uu0) ansluten att mottaga nämnda tre utgångssignaler från nämnda låggruppspriorítets- kodare (402); j) en låggruppsmaskningskrets (H60 ansluten att mottaga ut- gångssígnalerna från nämnda (oktala) låggruppsavkodare (H01) och från nämnda höggruppsmaskningskrets (H5U); k) en ytterligare prioritetskodare (B03) ansluten att mot- taga utgångssignalerna från nämnda låggruppsmaskningskrets (u60); och

1. ) ett flertal multiplexorer (Hl0~hl5) anslutna att mnttaga nämnda jämna parítetsparsígnaler från nämnda ytterligare register (26

2. ), varvid dessa multiplexorer har utgångsadress- signaler svarande mot de mest signifikanta ingångssignalerna av nämnda flertal av ingångssignaler och vidare utgånga- adressignaler svarande møt den minst signifikanta gruppen av íngângssignaler hos nämnda flertal av ingångssignaler.