WO2017178568A1 - Das gammaauge: ein gerät zur abbildung hochenergetisch strahlender objekte - Google Patents

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WO2017178568A1
WO2017178568A1 PCT/EP2017/058883 EP2017058883W WO2017178568A1 WO 2017178568 A1 WO2017178568 A1 WO 2017178568A1 EP 2017058883 W EP2017058883 W EP 2017058883W WO 2017178568 A1 WO2017178568 A1 WO 2017178568A1
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collimator
angle
gap
detector
torsion
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PCT/EP2017/058883
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Kurt Osterloh
Philipp OSTERLOH
Original Assignee
Kurt Osterloh
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Application filed by Kurt Osterloh filed Critical Kurt Osterloh
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/02—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators
    • G21K1/04—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators using variable diaphragms, shutters, choppers
    • G21K1/043—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators using variable diaphragms, shutters, choppers changing time structure of beams by mechanical means, e.g. choppers, spinning filter wheels

Definitions

  • the gamma eye A device for imaging high-energy objects
  • a camera for high-energy radiation whose purpose is to image radiating objects due to their own radiation.
  • This consists of a rotatably mounted cylindrical collimator (200) through which one or more gaps (100) are cut for the passage of radiation.
  • a quasi-optical system or "lens" for high-energy radiation As a detector unit, a matrix of sensors arranged over a surface (300) is used, which is sensitive to the high-energy rays in question. 350) are protected from uncontrolled incident radiation, into which only rays which pass from the collimator through an arcuate opening (330) into the protected detector space enter.
  • beams for generating an image are directed to an image detector. This is also the principle of the human eye. In a high-energy, material penetrating radiation refraction or steering, for example by glass lenses or mirrors is not possible. It remains only the possibility of selecting from all rays emanating from the object by selecting those which are based on the principle of imaging an optical system appropriate.
  • the required thickness and weight of the shielding is in the way of a close approach to the examination field.
  • a method for imaging especially the heart with a gamma camera is described in the patent DE 44 42 287 with the filing date 28.1 1 .1994, in which the depth resolution on the principle of laminography or tomosynthesis is solved ("tomoscopic tomograms") and the heartbeat is synchronized with the rotational movement of the collimator disc, in principle every "gating" causes a temporal failure of the image acquisition.
  • the shield Depending on the isotope, from which the radiation source to be represented, there are generally certain minimum requirements for the shield.
  • the most commonly used isotopes in medical radiology and scintigraphy include the highest energy technetium Tc-99m of 322 keV, the two iodine isotopes 1-123 and 1-131 with maximum energies between 700 and 800 keV, and the gallium Ga -67 with 888 keV.
  • a shielding layer of about 5 cm of tungsten is needed.
  • the technetium is enough Thinner layer or a comparably thick shield made of copper or brass as easily processable material.
  • Rotatable cylindrical collimators as required for the gamma camera presented here, can be produced from these materials. Since tungsten is a very dense material with a high specific gravity, the collimator and shielding parts should be kept as small and compact as possible. In comparison to the conventional heavy and bulky devices here is a particularly small and lightweight apparatus with significantly different geometry and dimensions feasible. One of the main reasons for this is converging beam guidance. In addition, a collimator should be designed so that the camera can be brought as close as possible to the examination subject or patient.
  • FIG. 1 the functional components of the gamma camera in the coordinate system (10) with the axes x, y and z are presented. Shown are the two functional core components of the gamma camera, the rotatably mounted cylindrical collimator (200) of diameter d with the tortuous gap (100) for the beam passage and the detector unit (300).
  • the axes of the coordinate system (10) run from left to right (x), from front to back (y) and from bottom to top (z).
  • the collimator is rotatably mounted about the axis of rotation (210) on the z-axis and controls the passage of individual rays (50) from the outside to the detector (300) whose radiation-sensitive volume is shown in simplified form as a curved surface.
  • An incoming beam is passed from the collimator (200) through a gap (330) in a shield (310) into the detector space where it continues (53) and strikes a certain location (301) on the detector array.
  • the shield (310) of the detector is here functionally simplified illustrated as area.
  • the image detector (300) is shown in greater detail in FIG. 2, taking into account the volume of the detector array.
  • the front side (303) and the rear side (304) are each reproduced as separate surfaces, between which the individual elements (301) are arranged, on each of which a sunken beam (53) strikes.
  • the entire matrix is composed of such elements, each of which consists of a functional unit with scintillator crystal, light guide and photo amplifier, so perceives an object point and creates a pixel in the image.
  • Each element is light-optical, even inward reflective, shielded from each adjacent one. Since the detector elements can be adapted to the beam path, the radiation into adjacent elements is minimized. Furthermore, the beam divergence in the detector chamber makes it possible to increase the volume of the detector elements (301) with further distance from the arcuate gap (330) of the shield (350) and thus improve the beam yield. This allows shorter measurement times, which is not possible with the conventional flat parallel-path matrix detectors.
  • the detector (300) must be carefully shielded on all sides, laterally and behind because of the ubiquitous scattered radiation, but especially in the direction of the imaging radiation source. This happens for the most part already by the cylindrical collimator (200) rotatably mounted about the axis (210), as shown in FIG. Rays can pass through the collimator through the wide and long slit opening (101) visible from the outside and leave it on the opposite side through a shorter and narrower slit opening (102).
  • the possible fan range of the beams, which can be transmitted to the detector in a controlled manner by means of a collimator rotation, is indicated by the two trapezoids (251) and (252) in the respective outer positions.
  • the previously functionally indicated with the surface (330) shield is here indicated by the hatched areas (350) filled with volume, the page facing the viewer has been left open for clarity.
  • This shield must be designed to protect the radiation-sensitive parts of the detector, but not to protrude into the fan area of all the incident rays (351).
  • the collimator (200) takes over a major part of the shielding in the direction of the radiation sources to be imaged, a much more compact camera than conventional gamma cameras with area detectors and Parallellochkollimatoren can be designed due to the converging incident and diverging diverging in the detector beam.
  • the heart of the gamma camera forms the cylindrical collimator (200) with a beam passage in the form of a gap.
  • Fig. 4 stepwise.
  • the nip shape as an upstanding trapezoid (90) with a vertex (20) external to the cylinder (200) passing centrally therethrough. It has a mean height h, not here called width because of the upright position. Its legs have the angle of inclination ⁇ ( Figure 4 a)).
  • a single beam is not possible, since all the rays over the fan range of ⁇ ⁇ distributed simultaneously in the vertex (20) meet.
  • a single beam must be selected.
  • the trapezoidal surface in the cylinder by the angle ⁇ each helically twisted (twisted) on the legs, as described in Fig. 4 b).
  • the original trapezoidal surface (90) remains as a directional fan for all detectable beams. For each beam there exists an angle with its vertex, the focal point F.
  • two lateral boundary compartments (251) and (252), corresponding to the origin fan (90) are formed.
  • the base of the trapezoid (90) is associated with the long gap opening (101) and faces the object, the short side of the trapezoid belongs to the short gap opening (102) facing the detector.
  • the peripheral circles (220) were drawn from the outer shape of the cylindrical collimator.
  • the vertex (20) of the legs of the trapezoid (90) thus becomes the focal point F at a distance f from the origin (10), through which all the rays to be detected over the convoluted nip through the collimator (200) during a rotation to be explained in detail get into the detector unit. This way, a targeted selection of rays is made possible.
  • the torsion expressed by the angle ⁇ , need not be limited to a certain range. It can extend to an extended angle of ⁇ 180 ° and beyond, if the detector (300) is set up accordingly (see below). This is shown progressively in Fig. 4c) and Fig. 4d). In addition, it is shown here how two further parameters for the design of the collimator result from the original trapezoidal angle of ⁇ ⁇ (FIG. 4 d)), the mean gap height h and the distance f of the point F from the z-axis or Rotation axis (210), which can be understood in a manner yet to be shown as the focal length f for incident on the detector beams.
  • the area (100) created by the torsion is a ruled surface defined by the fact that a straight line can be drawn over the total area through each surface point.
  • the gap surface (100) has been extended beyond the limits of the cylinder body (200) in FIG. 4 f) to a larger one (1 10), here with a radius of f.
  • Each point (120) on this surface (1 10) is uniquely described with the coordinates x p , y p and z p .
  • the coordinates x p and y p are ⁇ connected via the angle which results from the torsion of the surface at the location of the point described (120).
  • point (120) can not only be described as P (x p
  • the distance u passes horizontally through the diameter of the cylinder.
  • the value range of u is limited to -d / 2 to d / 2.
  • the point height z p of a point lying in the corresponding direction is linear with changing u, ie the gap surface (100) must be a control surface. Due to the design, another size can also be specified instead of the vertical opening angle ⁇ , such as the mean height h of the gap surface on the axis of rotation given a f, or alternatively by f at a given height h.
  • ⁇ arctan (1/2 h / f)
  • the width a of the gap (100) should also be considered. She not only has an effect on the amount of detectable radiation, much like a hole in a pinhole camera, but also on the pixel size of the resulting image. From the gap width and the torsion of the gap surface (100), the exact shape of the passageway for rays through the collimator (200) along the gap surface (100) results. The width a of the gap describes the distance of the gap walls at each point of the gap surface.
  • the gap width a (u) changes with the distance u from the central axis (200) according to the following relationship.
  • a (u) a 0 * (f + u) / f for -d / 2 ⁇ u ⁇ d / 2
  • the distance a is perpendicular at each point to the opposite gap inner walls.
  • the height of the point above the xy plane and its positional angle ⁇ is required.
  • the height is calculated from the slope angle ß and the distance from the z-axis, here named by the variable u, which results from the point coordinates x, and at the x / y-plane according to the theorem of Pythagoras (see above).
  • the height profile of the cylinder surface (200) is best illustrated by rolling this surface to a plane as shown in FIG. 5.
  • on the surface is equal to half the cylinder diameter, ie
  • variable u can assume values between -d / 2 and d / 2 along a ray with the gradient ⁇ , ie, necessarily coming with the angle ⁇ and passing through the center of the coordinate.
  • a disadvantageous effect is a cylindrical in comparison to a conically converging beam path.
  • a cylindrical beam path is present at a constant over the length of the passage a, as can be seen in Fig. 6 a).
  • the possibility for diagonal rays causes a courtyard which may extend to adjacent pixels. This would adversely affect the image sharpness.
  • a conical beam channel a decreases in the direction of the detector. This is demonstrated in FIG. 6 b).
  • the outer opening, ie the entrance for the detectable rays, is maintained, but the formation of a courtyard is avoided by a smaller exit opening. This results in a higher image sharpness.
  • torsion angle ⁇ results in an increasingly rectangular channel profile, as it can be seen on the course of Fig.
  • the opening half angle ⁇ the ratio of the average height h to the focal length f is set.
  • the value of ⁇ may be positive or negative, with the upper and lower half angles having opposite signs.
  • f must be greater than the half diameter d / 2 of the cylinder (200), i. the focal point F should not be too close to the collimator.
  • the torsion angle ⁇ can take any positive or negative value other than 0 °, i.
  • the torsions must have opposite directions at the upper and lower end of the gap surface, which is indicated in FIG. 7 by the negative sign for ⁇ at the upper edge. Larger torsions with
  • Fig. 8 b it is now illustrated, under which conditions at a known rotational position ⁇ a beam, starting from an object point (150) with the coordinates x ,, and z ,, generates an image signal.
  • this channel (50) is open to a channel which is described by the angle ⁇ and the associated angle ⁇ .
  • the collimator-internal position angle ⁇ in the same ratio is proportional to ⁇ as ß to ⁇ .
  • the beam (50) also passes through the in turn displaced focal point F, whose position on the circle (122) is uniquely determined by the two angles ⁇ and ⁇ .
  • an event in a single detector element (301) can be assigned exactly to a beam from an object point (150).
  • This beam (50) enters the collimator at the point (131), leaves it again at the opposite point (132) and passes through the focal point F into the detector space.
  • the object point (150) should be located at a distance b from the axis of rotation (210) on the x / y plane, which lies diametrically to the position of the focal point F. As a result, the coordinates are x, and fixed.
  • the two angles ⁇ and ⁇ finally determine the direction in which a point-shaped radiation source (150) is located.
  • the basic prerequisites are created to generate a two-dimensional image if all the pixels (150) lie on a plane at a certain distance from the camera or can be assumed (for depth information see below).
  • a beam (50) passes through the outer long gap opening (101), in Fig. 9 a) from a low-lying object position in the upper region of the camera and in Fig. 9 b) in the opposite direction.
  • the horizontal passage direction (51) through the gap surface (100) is intended to reflect the instantaneous rotational position ⁇ . After leaving the collimator through the short gap opening (102), the beam hits the circular arc (122), on which the focal point F associated with each direction can move.
  • the instantaneous focal point F is located exactly at the intersection of the beam with the x-axis and, for the sake of clarity, is not separately identified here.
  • the beam (53) continues diverging from the focal point F and finally strikes the detector surface (300).
  • the bottom incoming beam impinges in the upper detector part (FIG. 8 a) and vice versa the beam coming from above at the bottom (FIG. 8 b). This is used in the later complex design of the camera for a higher efficiency (see below).
  • Fig. 10 the formation of a picture line in the initial position of the collimator is demonstrated, i. with the rotation angle ⁇ of 0 °.
  • the torsion angle ⁇ here is 180 ° clockwise viewed from above. All beam passages along the cleavage surface (100) to the detector are shown, which in this constellation are possible from the long cleavage edge (101) facing the object of examination to the opposite short (102) directed to the detector (FIG. 10 a)).
  • the detector covers a horizontal angle range of 60 °.
  • the fan beam (60) to the detector passes through the arc (122) for which a gap (330) has been left in the screen (310). On the detector he leaves a slanted line (305). Since this is the intended beam direction through the collimator gap (100) from the long (101) to the short cleavage edge (102), this will hereinafter be referred to as the "regular" passage of a fan of detectable beams (60).
  • the constellation shown in FIG. 10 also shows regions of the short gap surface edge (102) to the object and thus a "reversed" beam path from short (102) to long (101). This is shown in Fig. 10b, where it can be seen that not a single beam reaches the detector 300.
  • the shielding of the detector 310 is used here, which is shown symbolically as a blocking surface with a horizontal passage (330) at the level of the circular arc (122) with the focal point positions F. This situation will be described below.
  • the fan beams in the regular direction (60) pass from the long cleavage edge (101) to the short one (102) through the collimator and here meet as half lines (305) in the upper and lower area on the detector and thus cover the lower and upper boundary of the object area which can be detected with the camera.
  • rays (61) of the short (102) to the long edge (101) into the detector space, but most of the shield (310) are intercepted.
  • FIG. 12 an alternative design possibility of the gap surface (100) is demonstrated.
  • a smaller torsion of ⁇ 60 °, with which also in the position shown a closed line of a certain slope (63) in the detector (300) by regularly incident rays (60) can be generated, ie from the long (101) to the short gap edge (102).
  • the line is steeper than in the previous illustrations of FIG. 10 and FIG.
  • Fig. 12 a) For the reverse path from "short” to "long”, there is no way to pass through in this constellation. This passage is possible only after a rotation of the collimator by 180 °, as shown in the second part of the illustration, ie in Fig. 12 b).
  • Most rays from the short (102) to the long surface edge (101) strike the shield (350), just a small fraction, here shown as a single beam (53), lands on the detector array (300) at the central location (307).
  • FIG. 13 illustrates how object areas can be detected at an assumed distance of 1.2 times the aperture diameter d with a rotating aperture gap area.
  • a collimator cylinder was chosen with a twisted by 60 ° aperture gap, which is shown in Fig. 13 a) in the usual manner in the coordinate system (10) with the detector on its left and the object area on its right side.
  • FIG. 13 b an alternative representation was selected in which the x and y axes of the coordinate system were reversed, so that the detector position comes to lie in front of the collimator gap surface to the viewer, while the object plane is located in the background.
  • the beam emanating from the object point (150) travels along the cleavage surface (100) from the long (101) to the short edge (102) to the focal point F, which moves on the associated circular arc (122).
  • the line (171) highlighted on the object surface is imaged, which is additionally represented in FIG. 13 a) by a denser dot sequence and in FIG. 13 b) as a dashed line. Due to the rotation of the collimator, the object surface marked with dots is covered and imaged row by row (170).
  • the rotation is ⁇ 60 ° clockwise.
  • a reverse beam path (62) from the short (102) to the long (101) splitting edge becomes possible, but Fig. 14 b) demonstrates that these rays pass far outside the detector.
  • the effective entrance opening for rays in the camera is tripled.
  • FIG. 15 A significant increase in efficiency is shown in FIG. 15 by the insertion further column demonstrated. For clarity, only the gap channels are shown, which are relevant for the corresponding collimator position to the detector, separated in each case in Fig. 15 a) and Fig. 15 b) for the "regular" rays (60) from the long (101) to the short (102) cleavage surface edges ( Figure 14a) and for the inverted (61) from the short (102) to long edges (101)
  • Figure 15a it can be seen that even adjacent slits are well separated lines (305) in the detector when the beams pass the collimator from long to short in the regular direction (60) .
  • the reverse direction (61) from short to long only a few beams reach the detector (307) a cylindrical collimator with multiple slit surfaces in ruled surface shape is able to increase the efficiency of imaging.
  • each unit can be autonomously equipped with a cylindrical collimator (200) whose rotation can be controlled either synchronized or dose-dependent in individual areas.
  • a cylindrical collimator 200
  • an elongate cylinder may be provided with the lengthwise offset columns in the described ruled surface shape (100) aligned with different detectors (300) arranged in parallel. Due to the common collimator, only one rotation control is required, and the same direction information applies synchronously to all the detectors connected thereto.
  • the arrangement of a plurality of camera modules in an overall device can also serve a different purpose if the angular ranges of the individual cameras overlap or the viewing directions are inclined relative to one another. As a result, one and the same object is viewed from different angles. This allows a depth resolution analogous to binocular three-dimensional vision. Exactly this purpose is the proposed arrangement of two or more camera modules with a common view towards an object from several directions.
  • FIG. 16 shows two examples of the arrangement of two camera modules according to the principle of a pair of eyes, one with separate, parallel aligned collimator gap surfaces (100). The positioning of the detectors is indicated by the location of the foci F.
  • the data pointing to any point (150) in the object can then be related to an image reconstruction. Due to their helical shape, the average heights h of the two columns can overlap in the longitudinal direction of the cylinder.
  • the torsion ⁇ of the gap surfaces is 180 ° in both representations.
  • the orientation of the coordinate system in space is in both cases designed in such a way that the x-axis projects into the image surface as in FIG. 13b), so that the detectors are oriented towards the observer.
  • the z-axis and thus also the axis of rotation of the collimator cylinder is tilted in the horizontal direction.
  • the object plane is therefore in both presentations in the image background.
  • the gap surfaces (100) are shown in a rotational phase by the choice of the two aberration angles ⁇ here in FIG. 16 a), that they are aligned together on the point (150) are ("see"), ie the rays (50) strike the respective foci F through the two cleavage surfaces (100).
  • Fig. 16b only the angles (59) are shown, which are the viewing regions for the two asymmetric ones (C) Fig. 4 b).
  • the intersecting beam directions (50) one obtains a depth information about the radiation source, which is located at the point (150) Since the sequential data flow with the rotational movement of the cylinder in the case of FIG.
  • direction information about the instantaneous positions of the angles ⁇ and ⁇ is associated with each measured value from the detector matrix (300)
  • the assignment of measured values to the source points in space can be done via their associated directional information for a spatial image reconstruction after an uninterrupted data acquisition from all directions.
  • the fact that projection data are collected simultaneously from different directions eliminates the need for a mechanical change of location of the camera device or of the examination subject. Elaborate mechanical structures such as swivel arms or a gantry are not needed.
  • the depth resolution in the room can be improved.
  • FIG. 17 For applications in the medical field, namely in scintigraphy, examples of how fixed arrangements of camera modules are possible are shown in FIG. 17 without the position of appliances or of the patient having to be changed during the recording. Also, no large-volume camera hovers over the patient.
  • Fig. 17 a three angularly arranged modules are shown in the longitudinal axis of a patient, with which a three-dimensional cross-sectional image can be generated. As outer parts of the camera, the cylindrical collimators (200) and the shielding of the detectors (350) can be seen. The viewing angles of the cameras (60) are arranged so that they completely capture the examination object or the volume of the patient.
  • the rotational positions of the cylindrical collimators (200) can be synchronized by means of appropriate registration units with physiological rhythms such as the heartbeat or breath movements, making it possible to create motion-corrected images.
  • a cylindrical slit diaphragm can be brought very close to the neck of a patient, while the detector assembly with the associated shield on the side facing away from the patient behind the collimator and he himself remains a clear view across the device.
  • a gamma camera with a rotating collimator which is capable of registering high-energy beams from different directions.
  • the beam path converges towards the camera.
  • This enables a very compact design.
  • Incidence angle can be imaged at a short distance to the object areas that are larger than the detector surface.
  • This is a difference to cameras with parallel hole collimators or those that even have diverging passages to represent smaller areas.
  • two or more individual cameras can be combined into one system, which can also increase the area from which a picture is taken simultaneously.
  • For a spatial resolution neither a movement of the camera system, nor a change of location of the object under investigation is necessary.
  • the torsion expressed by the torsion angle ⁇ on the upper leg and opposite (- ⁇ ) on the lower leg of the underlying trapezoid (90), can be arbitrarily large, ie can also exceed a straight angle of ⁇ 180 °, before the torsion of the output trapezoid ( 90) each detectable beam from all height directions, ie regardless of the height from which it comes, passes through the common vertex (20) with the y-value 0, after the torsion the y-value depends on the angle ⁇ ,
  • ⁇ , ie a separate focus F is assigned to each ray, a detectable ray through the focal point F, which must always have the z value 0, passes through, - by the torsion the angles ⁇ and ⁇ by the relation ⁇ ⁇ * ⁇ / ⁇ are related, whereby each pitch angle ß of each beam is associated with exactly one position angle ⁇ and thus the position of
  • camera for imaging high-energy radiation sources wherein it has a rotatably mounted cylindrical collimator (200) with a sufficient diameter d, for example of the order of 5 cm, which provides sufficient shielding, this collimator (200), the collimator (200) for matching the field of view to the particular need with one or more asymmetrically shaped columns in ruled surface shape, which comprises one or more columns in ruled surface shape (100), a ray selection analogous to that achievable via an optical lens (100) may be provided, - all directions from the object to the camera with the collimator-internal attitude angle a, which determines the pitch angle ß of a beam through the collimator on the x / y plane, and completely covered with the rotation angle ⁇ , both angle information ⁇ and ⁇ from the rotation of the cylinder (200) in given r speed can be determined, - an arbitrary object point is achieved by a rotation of the collimator (200) by the angle ⁇ and the direction achieved by the
  • said camera comprises a matrix detector having a curved structure following the beam path, the curvature of which is horizontally aligned with the circular arc (122) of the focal points and vertically with the incident beam directions to cause the detectable beams to be perpendicular to the detector plane.
  • the rotation of the cylindrical collimator (200), i. the change of the angle ⁇ with time ⁇ / öt), to external, e.g. pulsating processes in the object such as heartbeat or respiratory motion of a patient are coupled.
  • Preferred design possibilities of the collimator are, for example, with an over-twisted torsion angle ( ⁇ > 180 °) or a plurality of gaps, which allow rays in the reverse direction from the short (102) to the long (101) gap opening, but to a much lesser extent than in the regular direction from (101) to (102) and can be included in the imaging.
  • a system comprising two or more camera modules, either adjacent to a larger area, for example, over the entire body length of a patient, or overlapped for spatial presentation, the modules being comprised of complete cameras with their own cylindrical collimators (200).
  • Detectors (300) and appropriate shielding strung or angled are arranged and jointly controlled by software, and alternatively or additionally consist of composite modules, wherein two or more units are provided with a common cylindrical collimator (200) distributed over the length with a plurality of columns for the respective detectors (300) ,
  • said system has a plurality of said cameras, and is capable of continuously collecting image data without necessarily changing its own position or that of the object, and then taking a spatial image with the collected data from all directions To reconstruct, which in a time frame for individual projections already creates the three-dimensional image.
  • a collimator (200) according to the invention for producing a convergent beam path of an incident radiation comprises: a) a cylindrical base body made of a material which is opaque to the incident radiation,
  • the torsion angle ⁇ deviates at the upper leg from the torsion angle ⁇ 2 at the lower leg of the trapezoid (90), the torsion angle ⁇ - and / or the torsion angle 2 being between ⁇ 180 ° or ⁇ 180 ° or greater as ⁇ 180 °.
  • At least two gaps (100) formed in regular surface shapes extend along the lateral surface of the base body.
  • the trapezoidal starting surface (90) underlying the construction of the gap (100) has a thickness before the torsion which decreases in a wedge shape from the object side longer edge (102) to the shorter side edge (102) Torsion of the trapezoid (90) determines this spatially varying thickness, the local width of the gap (100).
  • a collimator (200) may be characterized in that before the torsion of the output trapezoid (90), each detectable beam from all elevation directions passes through the common vertex (20) having the y-value 0, after the torsion of the y Value depends on the position angle a, where
  • ⁇ is, b) a detectable beam passes through a focal point F with an z value of 0 c) due to the torsion of the positional angles ⁇ and the pitch angles ⁇ are related by the relationship ⁇ ⁇ * ⁇ / ⁇ , where each pitch angle ⁇ is one exactly one position angle ⁇ is assigned to each detectable beam and above this the position of the focal point F is determined on a circular arc (122), d) points on the control surface of the gap (100) are uniquely described by the two variables u and ⁇ by the relation P (x p
  • ⁇ a
  • a camera for imaging high-energy radiation sources preferably comprises: a) a rotatably mounted collimator (200) according to one of claims 1 to 7, wherein the axis of rotation extends through the central longitudinal axis (210) of the main body,
  • a detector unit (300) designed as a matrix detector for detecting a radiation emitted by a radiation source and transmitted through the gap (100) of the collimator (200), c) a shield (310) adapted to the detector unit (330) with respect to radiation sources with the shield (310) having a gap (330) adapted to extend from the direction of Collimator (200) to impinge incident radiation on the detector unit (300).
  • such a camera may further be characterized in that a) the camera has a rotatably mounted collimator (200) with a sufficient diameter d, for example of the order of 5 cm,
  • the collimator (200) uses the slit (100) to make a radiation selection analogous to the beam selection for imaging achievable via an optical lens
  • an arbitrary object point is achieved by a rotation of the collimator (200) about the angle of rotation ⁇ and the direction determined by the shape of the gap (100) and thus this point with each point on the control surface of the gap (100) in one direction to lie on a straight line,
  • the following points lie on a straight line from the object towards the detector: object point, all points on the straight-line surface of the cleavage surface (100), focal point and associated point in the detector,
  • the detector unit (300) comprises a plurality of individual sensor elements along the circular arc (122) on which the focal point F of the detectable beams moves, wherein the individual elements due to the diverging after the circular arc (122) of the focal points F beam paths with increasing distance in remain the same size or expand in size,
  • a subdivision of the detector can be made not only in the horizontal but also in the vertical direction, whereby separate lines are created, with beams from several columns (100) simultaneously and not only from a single gap (100) can be registered, and
  • the detector unit (300) of such a camera preferably has a curved structure following the beam path, the curvature of which is aligned horizontally on the circular arc (122) of the focal points F of detectable beams and vertically on the incident beam directions, so that the detectable beams are always impinge perpendicular to the detector plane.
  • the angular velocity ( ⁇ / dt) of the rotation of the collimator (200) may be coupled to external periodicities, eg, pulsating events in the subject such as the heartbeat or respiratory motion of a patient.
  • a system according to the invention for imaging high-energy radiation sources comprises at least two such cameras, these images either imaging adjacent fields of view for detecting a larger area or the cameras being aligned at least partially overlapping to produce a spatial representation.
  • Such a system may preferably be designed to collect image data continuously via the cameras without changing their own positions or that of the object in order subsequently to use the data collected from different directions via a means for evaluation to obtain a spatial image of the object to construct.
  • Fig. 2 single scintillator crystal detector (301), front and back of the sensor matrix;
  • Fig. 3 Shielding of the detector and the beam path
  • Fig. 4 Development of the gap surface of an upright trapezoid in a cylinder with the vertex F, which later becomes the focal point: a) initial shape of the trapezium in the cylinder, b) incipient torsion with an angle ⁇ of 60 °, c) progressive torsion by another 60 ° to 120 °, the leg angle of the trapezoid of ⁇ ⁇ is retained as a viewing aperture of a rotating aperture, d) further torsion up to a straight angle of 180 °, e) asymmetric design with a steeper viewing angle limitation and a flatter after above, and the different torsion angles ⁇ and 82, f) control surface, which includes the gap surface (100), but extends beyond the latter to the circular arc (122);
  • Fig. 5 unwinding of the cylinder surface of the collimator with the course of the Spaltvidkanten, wherein the long, object oriented edge (101) from front to back and the short, detector-oriented (102) from back to front in the direction of the arrow (103) unwound is shown;
  • FIG. 6 Lumen of the passage of a jet (50) in the view from the inlet (101) to the exit (102) through the collimator gap (100): a) collimator hole with parallel walls and formation of a laterally emitting partial shadow by diagonal ray paths, ai) Lumen bounded by both internal gap surfaces after 180 ° torsion and parallel walls, a 2 ) as ai) with a 60 ° twist, b) collimator with a funnel-shaped wall to avoid half-shadow formation, bi) as ai) only with wedge-shaped wall distance, b 2 ) as bi), only with 60 ° torsion of the cleavage surface;
  • Fig. 7 Characterization of the gap surface (100) with the characteristic parameters
  • Fig. 8 Column surface in a rotational position: a) rotation angle ⁇ , b) with a beam arriving from below;
  • Beam passes through a cylindrical collimator with several columns ⁇ 60 °, drawn only with the outer edges of the column, which are relevant to the rays on the detector in the respective position.
  • the distance angle between the columns is 20 °: a) regular beam path (60), each in separate rows, one for each slit, b) reversed beam path (61) from the short slit edge (102) to the long one (101) separated by the slit Detector striking rays (307);
  • Fig. 16 Localization of a point-shaped radiator (150) in space with the aid of two camera modules, x- and y-axes in the coordinate system are reversed as in Fig. 13 b) with pointing in the background x-axis directions, the position of the focal points F indicate the positions of the detectors: a) parallel split surfaces (100) in rotational positions for beam passages (50) to the common point (150), b) modules with a common collimator cylinder rotating about the horizontal axis (210);
  • Fig. 17 Devices for medical applications (scintigraphy), externally visible are the cylindrical collimators (200), which may be connected in their longitudinal axis as shown in Fig. 16 b) with a plurality of detectors, and the shields around the detectors (350) a) Arrangement in an axis parallel to the body longitudinal axis of the patient, b) as a) in a lateral view, c) in an extremely close position to the examination subject as in thyroid diagnostics, d) as in c) in a lateral view.
  • Gap width i. Distance of the gap walls to each other
  • Object width i. the distance between the z-axis of the coordinate system (10) and the object point (150),
  • Focal length distance of the focal point F (20) from the origin of coordinates (10), at the same time the radius of the circular arc on which the focal point F moves,
  • Focal point which moves with the torsion by the angle ⁇ and the rotation of the cylindrical diaphragm (200) by the angle ⁇ (see below) on a circular arc with the radius f, mean height of the trapezoidal output surface (90) and the control surface (100 ) on the z-space coordinate axis (10) on which the rotation axis (210) lies,

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Abstract

Für die Aufgabe, hochenergetisch strahlende Objekte mittels ihrer eigenen Strahlung abzubilden, besteht das Problem, dass es keine Optik gibt, die mit derjenigen für das sichtbare Licht vergleichbar wäre. Hier wird eine quasioptische Lösung mit einer Kamera vorgestellt, die einen rotierenden zylindrischen Kollimator (200) enthält, der gezielt die hochenergetischen Strahlen (50), bei denen es sich um Röntgen- oder Gammastrahlen handeln kann, auf einen Detektor (300) fallen lässt. Kernbestandteil des Gerätes ist ein rotierender Kollimator (200) mit seinem Spalt in Regelflächenform (100) für die Strahlenführung. Hiermit werden kontrolliert Strahlen auf einen Detektor (300) gelenkt, wobei über die Rotationsphase die momentane Richtung der einfallenden Strahlung bestimmt wird. Die konvergente Geometrie der Strahlen (50) auf die Kamera erlaubt eine kompakte Konstruktion des Gesamtgerätes und somit eine Positionierung nahe am Objekt. Die Anordnung mehrerer Einzelkameras als Module in einem Gesamtsystem gestattet die simultane Erfassung größerer Flächen, bei überlappenden Sichtfeldern eine räumliche Tiefenauflösung nach dem Prinzip des binokularen Sehens in einem Zeitrahmen, in dem sonst nur einzelne Projektionsbilder möglich wären. Ein Anwendungsfeld ist die Szintigraphie in der Medizin. Weitere Gebiete finden sich in der zerstörungsfreien Materialprüfung, beispielsweise der Röntgenrückstreuradiographie oder Bildaufnahmen nach Aktivierungen, oder in Sicherheitsfragen wie z.B. im Strahlenschutz und der Entsorgung von Abfällen in der Nukleartechnik.

Description

Das Gammaauge: Ein Gerät zur Abbildung hochenergetisch strahlender Objekte
[1] Es wird eine Kamera für hochenergetische Strahlung beschrieben, deren Zweck es ist, strahlende Gegenstände aufgrund ihrer Eigenstrahlung abzubilden. Diese besteht aus einem drehbar gelagerten zylindrischen Kollimator (200), durch den für einen Strahlendurchtritt ein oder mehrere Spalte (100) geschnitten sind. Somit handelt es sich um ein quasi-optisches System oder „Linse" für hochenergetische Strahlen. Als Detektoreinheit dient eine über eine Fläche (300) angeordnete Matrix von Sensoren, welche für die in Frage kommenden hochenergetischen Strahlen empfindlich ist. Diese ist mit einer Abschirmung (350) vor unkontrolliert einfallender Strahlung geschützt. In sie hinein gelangen nur Strahlen, die vom Kollimator durch eine kreisbogenförmige Öffnung (330) in den geschützten Detektorraum führen.
[2] In einem optischen System werden Strahlen für die Erzeugung eines Bildes auf einen Bilddetektor gelenkt bzw. gebrochen. Dies ist auch das Prinzip des menschlichen Auges. Bei einer hochenergetischen, Material durchdringenden Strahlung ist eine Brechung bzw. Lenkung beispielsweise durch Glaslinsen oder Spiegel jedoch nicht möglich. Es bleibt nur die Möglichkeit, aus allen vom Objekt ausgehenden Strahlen durch Ausblenden diejenigen auszuwählen, die an das Prinzip der Bildgebung eines optischen Systems angelehnt entsprechend geeignet sind.
[3] Prinzipiell wird bereits eine massive zylindrische Blendenform schon in DE 10 2005 048 519, in EP 1 772 874, in DE 10 2007 057 261 und in EP 2 062 705 vorgeschlagen. Dort wird jedoch der Spalt, der für den kontrollierten Durchtritt von Strahlen sorgt, nicht in dem Umfang beschrieben, wie er hier vorgestellt wird. Eine formelmäßige Beschreibung der notwendigen Form dieses Spalts wird erst in der zuvor eingereichten Patentschrift mit dem Aktenzeichen 10 2015 008 272.8 präsentiert. Generell ist das Anwendungsgebiet die bildliche Darstellung strahlender Gegenstände. Die von ihnen ausgesandte Strahlung kann entweder im Objekt durch radioaktiven Zerfall selbst entstehen oder sekundär durch Streuung einer von einer externen Quelle eingesandten Strahlung, wie sie bei den Röntgenrückstreutechniken angewandt wird. Der Nachteil der bisherigen Lösungen bestand darin, dass immer nur ein Einzelstrahl ausgeblendet und mit einem dafür eingerichteten Detektor registriert wurde.
[4] Da der bisherige Stand der Technik vollkommen für stark strahlende Objekte mit hohen Strahlendosen ausreicht ist, entsteht ein Problem für Untersuchungen mit niedrigen Dosen, wie sie z.B. im Bereich der Medizin anfallen. Lösungen wie die Verringerungen des Abstands zum Objekt oder Verlängerung der Mess- und Aufnahmezeiten haben ihre Grenzen, besonders wenn Expositionen sich über Stunden erstrecken. Die hier präsentierte Version einer Gammakamera zielt auf eine möglichst effiziente Nutzung einer begrenzt vorhandenen Strahlenaktivität für eine bildhafte Darstellung der Strahlenquelle. Dies ist essentiell für Anwendungen in der Medizin z.B. bei einer Szintigraphie, bei der die Dosis zur Begrenzung der Strahlenbelastung des Patienten so gering wie möglich gehalten werden muss.
[5] Gammakameras für die Nuklearmedizin sind mehrfach in zurückliegenden Patentschriften wie z.B. in DE 2500643 beschrieben, weitere wie z.B. in DE 698 32 666 / EP 0 887 662 oder DE 699 00 231 / EP 1 004 897. In bisher existierenden Gammakameras besteht eine Kameraeinheit aus einem Kollimator mit parallel oder trichterförmig ausgerichteten Durchlasskanälen unterschiedlicher Anzahl zur Selektion der Richtungen der einfallenden Strahlung, einer Schicht mit Szintillatorkristallen zur Wandlung der Strahlung in sichtbares Licht und Photoverstärker zur Erfassung dieses Lichtes, die mittels Lichtleitersystemen mit den Szintillatoren verbunden sind. Es handelt sich, bedingt durch die notwendige Abschirmung der hochenergetischen Strahlung, um sehr voluminöse und gewichtige Geräte, die zur Erfassung des gesamten menschlichen Körpers in einer Gantry angeordnet sein können, wie es in DE 699 30 692 / EP 0 973 046 detailliert beschreiben ist. Zur Erstellung räumlich aufgelöster Bilder bedarf es aufwändiger mechanischer Vorrichtungen, mit denen Gammakameras insgesamt in die verschiedenen Raumrichtungen verstellt werden müssen, wie sie z.B. in DE 697 28 358 / EP 0 846 961 beschrieben werden. Da die Kamerakörper sehr voluminös sind, ist dies besonders bei klaustrophob veranlagten Patienten ein Nachteil, besonders bei Bewegungen eng über ihnen. Außerdem können Geräte solcher Dimensionen nur bedingt nahe an den Patienten herangebracht werden, was die Detailgenauigkeit erzeugter Bilder deutlich limitiert. Besonders bei hochenergetisch strahlenden Isotopen wie Ga-67, 1-123 oder 1-131 steht die erforderliche dicke und schwere der Abschirmung einem nahen Herangehen an das Untersuchungsfeld im Weg. [6] Ein Verfahren zur Bilddarstellung speziell des Herzens mit einer Gammakamera wird im Patent DE 44 42 287 mit dem Anmeldetag 28.1 1 .1994 beschrieben, in dem die Tiefenauflösung auf dem Prinzip der Laminographie bzw. Tomosynthese gelöst wird („tomoskopische Schichtbilder") und der Herzschlag mit der Drehbewegung der Kollimatorscheibe synchronisiert wird. Prinzipiell verursacht jedes„Gating" einen zeitlichen Ausfall der Bildaufnahme. In dem hier vorgestellten Verfahren ist es hingegen möglich, durch Synchronisation der Rotation des Blendenzylinders (200) mit einer Phase der Herzaktion, zu einer phasenaufgelösten Bildaufnahme des Herzens zu gelangen, ohne dass, wie beim Gating, Informationen während bestimmter Phasen des Kontraktionszyklus des Herzens komplett ausgeblendet werden und somit verloren gehen. Hier allerdings werden zu jeder Zeit Informationen gesammelt und lediglich mit der Bewegung des Herzmuskels verrechnet.
[7] Beim derzeitigen Stand der Technik erfordert die Erzeugung eines räumlich aufgelösten Bildes die Aufnahme von Projektionen aus verschiedenen Richtungen, d.h. jeder Punkt wird aus einer veränderten Perspektive neu aufgenommen. Dabei muss die Kamera eine veränderte Position einnehmen, was bei einer umfänglichen Abschirmung einen erheblichen mechanischen Aufwand bedeutet. Die Tiefenauflösung erfolgt hier durch die Anordnung von zwei oder mehreren Kameraeinheiten und dem Prinzip des binokularen Sehens, wie es in Fig. 16 veranschaulicht wird. Es ist keine Mechanik zur Positionsveränderung eines gesamten Gerätes erforderlich. Die unterschiedlichen Perspektiven ergeben sich aus den verschiedenen Positionen der fest eingebauten Kameramodule. Das erübrigt Mehrfachaufnahmen ein und desselben Punkts aus mehreren Richtungen, womit von Anfang an ein räumliches Bild in einem Zeitrahmen erwächst, in dem sonst nur eine einzige Perspektive aufgenommen würde.
[8] Abhängig vom Isotop, aus dem die darzustellende Strahlenquelle besteht, sind generell an die Abschirmung gewisse Mindestanforderungen zu stellen. Zu den in der medizinischen Radiologie und Szintigraphie am häufigsten verwendeten Isotopen gehören das Technetium Tc-99m mit der höchsten Energie von 322 keV, die beiden Jod-Isotope 1-123 und 1-131 mit Maximalenergien zwischen 700 und 800 keV, sowie das Gallium Ga-67 mit 888 keV. Für eine effektive Abschirmung mit einer mindestens etwa 100-fachen Schwächung der Strahlung wird, außer für das Tc-99m, eine Abschirmschicht von etwa 5 cm Wolfram benötigt. Beim Technetium reicht eine dünnere Schicht oder eine vergleichbar dicke Abschirmung aus Kupfer oder Messing als leichter verarbeitbares Material. Aus diesen genannten Materialien können drehbare zylindrische Kollimatoren hergestellt werden, wie sie für die hier vorgestellte Gammakamera benötigt werden. Da Wolfram ein sehr dichtes Material mit hohem spezifischem Gewicht ist, sollten Kollimator und abschirmende Teile so klein und kompakt wie möglich gehalten werden. Im Vergleich zu den herkömmlichen schweren und sperrigen Geräten ist hier ein besonders kleiner und leichter Apparat mit deutlich anderer Geometrie und Abmessung realisierbar. Einer der Hauptgründe dafür ist eine konvergierende Strahlenführung. Zudem sollte ein Kollimator so gestaltet sein, dass die Kamera so nah wie möglich an das Untersuchungsobjekt bzw. Patienten herangeführt werden kann.
[9] In der Fig. 1 werden die funktionellen Bestandteile der Gammakamera im Koordinatensystem (10) mit den Achsen x, y und z vorgestellt. Zu sehen sind die beiden funktionellen Kernbestandteile der Gammakamera, der drehbar gelagerte zylindrische Kollimator (200) mit dem Durchmesser d mit dem gewundenen Spalt (100) für den Strahlendurchlass und die Detektoreinheit (300). Die Achsen des Koordinatensystems (10) verlaufen von links nach rechts (x), von vorne nach hinten (y) und von unten nach oben (z). Der Kollimator ist um die Rotationsachse (210) auf der z-Achse drehbar gelagert und kontrolliert den Durchlass einzelner Strahlen (50) von außen auf den Detektor (300), dessen strahlenempfindliches Volumen vereinfacht als gewölbte Fläche dargestellt ist. Ein eintreffender Strahl wird aus dem Kollimator (200) kommend durch einen Spalt (330) in einer Abschirmung (310) in den Detektorraum gelassen, setzt sich dort fort (53) und trifft auf eine bestimmte Stelle (301 ) auf die Detektormatrix. Die Abschirmung (310) des Detektors ist hier funktionell vereinfacht als Fläche veranschaulicht. Der Bilddetektor (300) ist in der Fig. 2 detaillierter dargestellt, wobei das Volumen der Detektormatrix berücksichtigt wird. Die Vorderseite (303) und die Hinterseite (304) werden jeweils als separate Flächen wiedergegeben, zwischen denen die einzelnen Elemente (301 ) angeordnet sind, auf die jeweils ein eingefallener Strahl (53) trifft. Die gesamte Matrix ist aus solchen Elementen zusammengesetzt, wobei jedes einzelne davon aus einer funktionellen Einheit mit Szintillatorkristall, Lichtleitsystem und Photoverstärker besteht, also einen Objektpunkt wahrnimmt und einen Pixel im Bild erzeugt. Jedes Element ist gegenüber jedem benachbarten lichtoptisch, sogar nach innen reflektierend, abgeschirmt. Da die Detektorelemente dem Strahlengang angepasst werden können, wird die Einstrahlung in benachbarte Elemente minimiert. Weiterhin wird durch die Strahlendivergenz im Detektorraum ermöglicht, dass mit weiterer Entfernung vom kreisbogenförmigen Spalt (330) der Abschirmung (350) das Volumen der Detektorelemente (301 ) vergrößert und somit die Strahlenausbeute verbessert werden kann. Dies ermöglicht kürzere Messzeiten, was bei den üblichen flachen Matrixdetektoren mit parallelem Strahlengang nicht möglich ist.
[10] Als strahlenempfindlicher Bestandteil der Kamera muss der Detektor (300) allseitig sorgfältig abgeschirmt werden, seitlich und hinten wegen der allgegenwärtigen Streustrahlung, aber besonders in Richtung der abzubildenden Strahlenquelle. Dies geschieht größtenteils schon durch den um die Achse (210) rotierbar gelagerten zylindrischen Kollimator (200), wie es in der Fig. 3 gezeigt wird. Strahlen können durch die von der Außenseite sichtbaren weiten und langen Spaltöffnung (101 ) durch den Kollimator hindurchtreten und verlassen ihn auf der gegenüberliegenden Seite durch eine kürzere und engere Spaltöffnung (102). Der mögliche Fächerbereich der Strahlen, der durch eine Kollimatorrotation kontrolliert zum Detektor durchgelassen werden kann, wird mit den beiden Trapezen (251 ) und (252) in den jeweiligen Außenstellungen angedeutet. Die mit der Fläche (330) zuvor funktionell angedeutete Abschirmung wird hier durch die schraffierten Flächen (350) angedeutet mit Volumen gefüllt, wobei die zum Betrachter gewandte Seite der Übersichtlichkeit halber offen gelassen wurde. Diese Abschirmung muss so gestaltet sein, dass sie die strahlenempfindlichen Teile des Detektors schützt, aber nicht in den Fächerbereich aller einfallenden Strahlen (351 ) hineinragt. Da jedoch der Kollimator (200) einen Großteil der Abschirmung in Richtung der abzubildenden Strahlenquellen selbst übernimmt, kann, bedingt durch die konvergierend einfallende und im Detektorraum divergierend auseinanderlaufende Strahlenführung, eine wesentlich kompaktere Kamera als herkömmliche Gammakameras mit Flächendetektoren und Parallellochkollimatoren gestaltet werden.
[11] Das Herzstück der Gammakamera bildet der zylindrische Kollimator (200) mit einem Strahlendurchlass in Spaltform. Die Entwicklung dieser Form wird in der Fig. 4 schrittweise dargestellt. Zunächst kann man sich die Spaltform als ein hochstehendes Trapez (90) mit einem außerhalb des Zylinders (200) liegenden Scheitelpunkt (20) vorstellen, das mittig durch ihn hindurch verläuft. Es hat eine mittlere Höhe h, hier wegen der aufrechten Stellung nicht als Breite bezeichnet. Seine Schenkel besitzen den Neigungswinkel γ (Fig. 4 a)). Mit einer solchen Vorrichtung ist eine kontrollierte Auswahl eines Einzelstrahls nicht möglich, da alle Strahlen über den Fächerbereich von ±γ verteilt gleichzeitig im Scheitelpunkt (20) zusammentreffen. Für eine Bilderzeugung muss ein Einzelstrahl selektiert werden. Dazu wird die Trapezfläche im Zylinder um den Winkel ε jeweils an den Schenkeln schraubenförmig verdreht (tordiert), wie es in der Fig. 4 b) beschrieben wird. Die ursprüngliche Trapezfläche (90) bleibt als Richtungsfächer für alle detektierbaren Strahlen erhalten. Für jeden Strahl existiert ein Winkel mit seinem Scheitelpunkt, dem Brennpunkt F. Durch Torsion der Ausgangsfläche (90) entstehen zwei laterale Begrenzungsfächer (251 ) und (252), welche dem Ursprungsfächer (90) entsprechen. Die Basis des Trapezes (90) ist der langen Spaltöffnung (101 ) zugehörig und weist Richtung Objekt, die kurze Seite des Trapezes gehört zu der dem Detektor zugewandten kurzen Spaltöffnung (102). Der Übersichtlichkeit halber wurden von der Außenform des zylindrischen Kollimators nur noch die Umfangskreise (220) eingezeichnet. Der Scheitelpunkt (20) der Schenkel des Trapezes (90) wird damit zum Brennpunkt F im Abstand f vom Koordinatenursprung (10), durch den alle zu detektierenden Strahlen über die gewundene Spaltfläche durch den Kollimator (200) während einer noch im Detail zu erläuternden Rotation in die Detektoreinheit gelangen. Auf diesem Weg wird eine gezielte Strahlenauswahl ermöglicht.
[12] Die Torsion, ausgedrückt durch den Winkel ε, muss nicht auf einen bestimmten Bereich beschränkt bleiben. Sie kann sich bis zu einem gestreckten Winke von ±180° und auch darüber hinaus erstrecken, wenn der Detektor (300) entsprechend dafür eingerichtet ist (s. u.). Dies wird fortschreitend in Fig. 4 c) und Fig. 4 d) gezeigt. Außerdem wird hier gezeigt, wie sich aus dem ursprünglichen Trapezwinkel von ±γ zwei weitere Parameter für die Gestaltung des Kollimators ergeben (Fig. 4 d)), die mittlere Spalthöhe h und die Entfernung f des Punkts F von der z-Achse bzw. der Rotationsachse (210), die in noch vorzustellender Weise als Brennweite f für auf den Detektor einfallende Strahlen verstanden werden kann.
[13] Bisher wurde nur eine nach oben und unten symmetrische Form des Strahlenfächers angenommen, welche aus dem Ausgangstrapez (90) hervorgeht. Diese Symmetrie ist aber nicht zwingend erforderlich. Für eine angepasste Auswahl eines Blickfeldes bzw. Blickwinkels kann der gesamte Winkelbereich von 2γ in z- Richtung nach oben oder unten gedreht werden, womit die Winkel für die Schenkel des ursprünglichen Trapezes (90) mit γι und 72 unterschiedlich ausfallen, wie es die Fig. 4 e) zeigt. Dabei muss ein konstantes Verhältnis zwischen den Winkeln γ und ε erhalten bleiben. Erreicht wird dies durch eine proportionale Anpassung des betreffenden Torsionswinkels ε an den jeweiligen Schenkel- bzw. Grenzwinkel γ, ausgedrückt durch folgende Beziehung: γι / ει = γ2 / ε2
[14] Bei der durch die Torsion neu entstandenen Fläche (100) handelt es sich um eine Regelfläche dadurch definiert, dass durch jeden Flächenpunkt eine Gerade über die Gesamtfläche gezogen werden kann. Um dies zu verdeutlichen, wurde die Spaltfläche (100) über die Grenzen des Zylinderkörpers (200) in der Fig. 4 f) zu einer größeren (1 10), hier mit einem Radius von f, erweitert. Jeder Punkt (120) auf dieser Fläche (1 10) wird mit den Koordinaten xp, yp und zp eindeutig beschrieben. Die Koordinaten xp und yp sind über den Winkel α verbunden, welcher sich aus der Torsion der Fläche an der Stelle des beschriebenen Punktes (120) ergibt. Aus den Koordinaten xp und yp ergibt sich der Abstand u des bezeichneten Punktes (120) von der z-Achse nach Pythagoras als u2 = xp 2 + yp 2. Anders lässt sich auch die gegenseitige Abhängigkeit durch Einbeziehung von Winkelfunktionen folgendermaßen beschreiben: xp = u * cos α und yp = u * sin α
Somit kann der Punkt (120) nicht nur als P(xp |yp |zp) beschrieben werden, sondern auch durch P(u |α | zp) festgelegt werden, wobei sich der Wert für α zwischen -ε und +ε bewegt.
[15] Besonders gut zu erkennen ist an der erweiterten Regelfläche (1 10) in Fig. 4 f), dass jede Gerade über diese Fläche sowohl durch jeden beliebigen Punkt (120) als auch durch einen bestimmten, zugehörigen Brennpunkt F auf dem Kreisbogen (122) mit dem Radius f um den Koordinatenursprung (10) verläuft. Die Verbindungsgerade zwischen diesen beiden Punkten ist in z-Richtung mit dem Winkel ß gegenüber der x/y-Ebene geneigt. Daraus folgt eine Kopplung der beiden Winkel α und ß, wobei der Positionswinkel a, bedingt durch die Torsion, auch die Lage des Brennpunkts F auf der x/y- Ebene bestimmt. Folglich muss die Verbindung zwischen dem Punkt (120) und dem zugehörigen Brennpunkt F die z-Achse des Koordinatensystems (10) mit dem Winkel ß schneiden. Das heißt auch, dass der Steigungswinkel ß dieser Verbindungsgeraden mit der Höhe zp dieses Punkts (120) über der x/y-Ebene zusammenhängt, und zwar folgendermaßen als Abhängigkeit von der Brennweite f und des Punktabstands u von der z-Achse als Variable: zp = (f + u) * tan ß
Die Strecke u durchläuft horizontal den Durchmesser des Zylinders. Zur Beschreibung der Regelfläche im Zylinder (200) ist der Wertebereich von u auf -d/2 bis d/2 beschränkt. Bedingt durch die Torsion verlaufen die Winkel α und ß proportional zueinander und sind jeweils durch ihre zugehörigen Anschlagswinkel, die Torsionswinkel ±ε und den Trapez- bzw. Strahlenfächerbereichswinkel ±y, begrenzt. Formelmäßig ausgedrückt lautet dieser Zusammenhang: β = α * γ / ε.
Somit ergibt sich für die Höhe zp eines Punkts (120) über der x/y-Ebene eine Abhängigkeit von nur zwei Größen, u und dem Winkel a: zp (u, a) = (f + u) * tan (α * γ / ε)
Da es sich bei γ und ε, wie bei f, um konstruktionsbedingte Konstanten handelt, wird ein Punkt (120) hinreichend mit dem Positionswinkel α und seinem Abstand u von der z-Achse im Koordinatensystem (10) beschrieben, d.h.:
P(xp |yp |zp) = P(u |a )
Für jedes gegebene α verläuft die Punkthöhe zp eines in der entsprechenden Richtung liegenden Punkts linear mit sich veränderndem u, d.h. bei der Spaltfläche (100) muss es sich um eine Regelfläche handeln. Konstruktionsbedingt kann anstelle des vertikalen Öffnungswinkels γ auch eine andere Größe vorgegeben werden, wie z.B. die mittlere Höhe h der Spaltfläche auf der Rotationsachse bei gegebenem f, oder alternativ durch f bei einer gegebenen Höhe h. Diese Größen hängen über folgende Beziehungen zusammen: γ = arctan ( 1/2 h / f), h = 2 * f * tan γ bzw. f = 1/2 h * cot γ
Es müssen also zwei von diesen drei Größen gegeben sein, zusätzlich zum Torsionswinkel ε und dem Zylinderdurchmesser d zur Festlegung des Wertebereichs von u, um die Spaltfläche (100) durch den zylindrischen Kollimator (200) vollständig zu beschreiben. [16] Die Breite a des Spalts (100) ist ebenfalls zu berücksichtigen. Sie hat nicht nur einen Einfluss auf die Menge der detektierbaren Strahlung, ähnlich wie ein Loch in einer Lochkamera, sondern auch auf die Bildpunktgröße (Pixelgröße) des resultierenden Bildes. Aus der Spaltbreite und der Torsion der Spaltfläche (100) ergibt sich die genaue Form des Durchtrittskanals für Strahlen durch den Kollimator (200) entlang der Spaltfläche (100). Die Breite a des Spalts beschreibt den Abstand der Spaltwände an jedem Punkt der Spaltfläche. Ausgehend von einer mittleren Spaltbreite a0 im Zentrum des Zylinders (200) ändert sich die Spaltbreite a(u) mit dem Abstand u von der Mittelachse (200) nach folgender Beziehung. a (u) = a0 * ( f + u) / f für -d / 2 < u < d / 2
Die Abstandsstrecke a steht in jedem Punkt senkrecht zu den gegenüberliegenden Spaltinnenwänden. Um die Steigung der Spaltfläche in jedem Punkt berechnen zu können, wird die Höhe des Punkts über der x y-Ebene und dessen Positionswinkel α benötigt. Die Höhe berechnet sich aus dem Steigungswinkel ß und dem Abstand von der z-Achse, hier mit der Variablen u benannt, der sich aus den Punktkoordinaten x, und auf der x/y-Ebene nach dem Satz des Pythagoras ergibt (s. o.). Der Höhenverlauf der Zylinderoberfläche (200) ist am besten durch ein Abrollen dieser Fläche auf eine Ebene, wie in Fig. 5 dargestellt, zu veranschaulichen.
[17] Verschiebt man die Abstandsstrecke a auf die Zylinderoberfläche (200) und verlängert diese über ihre Endpunkte hinaus, kann man sie sich auch als Tangente auf dieser Oberfläche mit einer entsprechenden Schrägstellung vorstellen. Dies gilt sowohl auf der objektorientierten langen (101 ) als auch entsprechend auf der kurzen zum Detektor gerichteten Seite (102). Die Steigung der zugehörigen Tangente ergibt sich aus dem Verhältnis der Höhe zh (Fig. 5), welche sich über die x/y-Ebene an der Stelle der Spaltöffnung erhebt, zu der entsprechenden Kreisbogenstrecke, die sich aus der Torsion ergibt, d.h. tan δ = (f + u) * tan ß / (u * π * α / 180°) wobei |u| auf der Oberfläche gleich des halben Zylinderdurchmessers ist, d.h. |u| = d/2, der Steigungswinkel ß sich aus der Torsion ergibt, d.h. ß = α * γ / ε. Längs eines Strahls mit der Steigung ß, d.h. zwangsläufig mit dem Winkel α kommend und durch den Koordinatenmittelpunkt laufend, kann innerhalb des Kollimators die Variable u Werte zwischen -d/2 und d/2 annehmen. Für die Berechnung der Wandsteigungen längs eines Strahlengangs durch den Kollimator hat die hier gezeigte Beziehung den einschneidenden Nachteil, dass die Steigung mit der Näherung an die z-Achse gegen Unendlich wächst, d.h. bei u = 0 senkrecht verläuft. Dieser Nachteil kann behoben werden, indem man die dazugehörige Normale betrachtet, womit man gleichzeitig das Gefälle der Abstandsstrecke a erhält, d.h. m(u, a) = 1 / tan δ = u * π * (α / 180°) / ((f + u) * tan (α * γ / ε)) worin m für die Steigung der punktspezifischen Abstandsstrecke steht. Für kleine Winkel α vereinfacht sich diese Beziehung: m(u) ~ u * ε / ((f + u) * γ)
Dies bedeutet, dass in der Zylindermitte (u = 0) die Abstandsstecke flach verläuft (m = 0) und zu beiden Seiten mit wachsendem Wert von u in entgegengesetzten Richtungen an Steilheit zunimmt und so der Abstand a zu-/ bzw. abnimmt, d.h. vereinfacht m(u) ~ u / (f + u). Innerhalb eines Strahlengangs, d.h. für eine gegebene Steigung, die an der Position mit Winkel α vorliegt, gilt ebenso diese Proportionalität auch bei steilerer Steigung. Im Ergebnis zeigen sich Profile für Durchtrittskanäle mit abgerundeten Ecken bis hin zu kreisähnlichen Profilen, wie sie in Fig. 6 a-ι) und Fig. a2) gezeigt sind. Für den Fall, dass der Betrag von u über die Zylinderbreite konstant bleibt, d.h. nur die Richtung sich ändert, resultiert daraus ein röhrenförmiges Kanalprofil, wie sie in Fig. 6 a2) zu sehen ist.
[18] Nachteilig wirkt sich jedoch ein zylinderförmiger im Vergleich zu einem konisch zusammenlaufenden Strahlengang aus. Ein zylindrischer Strahlengang liegt bei einem über die Länge des Durchtritts konstanten a vor, wie es in der Fig. 6 a) zu sehen ist. In diesem Fall verursacht die Möglichkeit für diagonal verlaufende Strahlen einen Hof, welcher sich auf benachbarte Bildpunkte (Pixel) erstrecken kann. Dies würde sich nachteilig auf die Bildschärfe auswirken . Bei einem konischen Strahlenkanal nimmt a in Richtung Detektor ab. Dies wird in der Fig. 6 b) demonstriert. Die äußere Öffnung, d.h. der Eintritt für die detektierbaren Strahlen, wird beibehalten, die Ausbildung eines Hofes wird aber durch eine kleinere Austrittsöffnung vermieden. Dadurch ist eine höhere Bildschärfe zu erzielen. Auch hier ergibt sich mit abnehmendem Torsionswinkel ε ein zunehmend rechteckiges Kanalprofil, wie es am Verlauf von Fig. 6 a-ι) zu 6 a2) und von Fig. 6 b-i) zu 6 b2) zu erkennen ist. Da bei der hier vorgestellten Strahlengeometrie alle zu detektierenden Strahlen konvergierend auf den Brennpunkt F zulaufen müssen, ist eine sehr enge Strahlenaustrittsöffnung des Kollimators möglich, ohne die Strahlenausbeute signifikant zu senken.
[19] Die Parameter, die einen entsprechend geformten Spalt (100) in dem zylindrischen Kollimator (200) hinreichend beschreiben, sind in der Fig. 7 zusammengefasst. Durch den Öffnungshalbwinkel γ wird das Verhältnis der mittleren Höhe h zur Brennweite f festgelegt. Der Wert für γ kann positiv oder negativ sein, wobei der obere und der untere Halbwinkel entgegengesetzte Vorzeichen haben. Eine Einschränkung besteht darin, dass f größer als der Halbdurchmesser d/2 des Zylinders (200) sein muss, d.h. der Brennpunkt F nicht zu nahe am Kollimator liegen sollte. Der Torsionswinkel ε kann jeden positiven oder negativen Wert ungleich 0° annehmen, d.h. |ε| > 0, wobei kleine Werte praktisch keinen Sinn machen, da dadurch der Durchtrittskanal für die Strahlen zu sehr vertikal in die Länge gezogen wird. Zu beachten ist, dass die Torsionen am oberen und unteren Ende der Spaltfläche entgegengesetzte Richtungen aufweisen müssen, was in der Fig. 7 durch das negative Vorzeichen für ε am oberen Rand angedeutet ist. Größere Torsionen mit |ε| > 180° können praktisch auch wenig sinnvoll sein, da dadurch besondere Herausforderungen an den Detektor (300) erwachsen können. Dies reicht jedoch nicht aus, um ein vollständiges Bild von einem strahlenden Objekt zu erzeugen, dazu muss erst der Kollimator (200) mit dem Spalt (100) um die Achse (210) in Rotation versetzt werden, was im Folgenden erörtert wird.
[20] Mit dem in Fig. 7 gezeigten Kollimatorspalt (100) lassen sich Punkte entlang einer Strecke abbilden, d.h. es entsteht eine Bildzeile (s. u.). Ein vollständiges Bild ergibt sich aus der Rotation des Kollimators um seine Achse (210), wie es in der Fig. 8 a) durch den Winkel ξ in einer Momentaufnahme angedeutet ist. Mit der Rotation hat sich auch das Ausgangstrapez (90) gedreht, womit zwischen der x-Achse und dem horizontal verlaufenden detektierbaren Strahl, der durch den Brennpunkt F verläuft, der Winkel ξ erscheint.
[21] In Fig. 8 b) wird nun veranschaulicht, unter welchen Bedingungen bei bekannter Rotationsstellung ξ ein Strahl, ausgehend von einem Objektpunkt (150) mit den Koordinaten x,, und z,, ein Bildsignal erzeugt. Bei der gezeigten Rotationstellung ξ steht diesem Strahl (50) ein Kanal, welcher durch den Winkel a und zugehörigen Winkel ß beschrieben wird, offen. Bei gegebenem ξ ist der kollimatorinterne Positionswinkel α im selben Verhältnis proportional zu ε wie ß zu γ. Dadurch bedingt läuft der Strahl (50) auch durch den wiederum verlagerten Brennpunkt F, dessen Position auf dem Kreis (122) eindeutig durch die beiden Winkel ξ und α festgelegt ist. So kann ein Ereignis in einem einzelnen Detektorelement (301 ) exakt einem Strahl aus einem Objektpunkt (150) zugeordnet werden. Dieser Strahl (50) tritt an der Stelle (131 ) in den Kollimator ein, verlässt ihn wieder an der gegenüberliegenden Stelle (132) und tritt durch den Brennpunkt F in den Detektorraum. Der Objektpunkt (150) soll sich im Abstand b von der Rotationsachse (210) auf der x/y-Ebene befinden, die in diametral zur Lage des Brennpunktes F liegt. Dadurch sind die Koordinaten x, und festgelegt. Aus der Steigung der Verbindung des Punktes (150) mit dem Brennpunkt F, gekennzeichnet durch den Winkel ß und festgelegt durch die Punktkoordinate z,, ergibt sich für die Spaltfläche (100) ein lokaler Torsionswinkel a, der sich aus dem oben genannten Zusammenhang zwischen lokaler Torsion und der Steigung des in der Durchtrittshöhe passierenden Strahls (50) ergibt: α = β * ε / γ
Durch die beiden Winkel α und ξ wird schließlich die Richtung festgelegt, in der sich eine punktförmige Strahlenquelle (150) befindet. Somit sind die Grundvoraussetzungen geschaffen, ein zweidimensionales Bild zu generieren, wenn alle Bildpunkte (150) auf einer Ebene in einem bestimmten Abstand zur Kamera liegen bzw. angenommen werden können (zur Tiefen Information s. u.).
[22] Der Zusammenhang zwischen der Rotationsstellung der Spaltfläche (100) und der Bilderzeugung im Detektor (300) wird der Übersichtlichkeit halber für die Lage des Brennpunktes exakt auf der x-Achse in Fig. 9 gezeigt. Ein Strahl (50) trifft durch die äußere lange Spaltöffnung (101 ), in Fig. 9 a) aus einer tief liegenden Objektposition in den oberen Bereich der Kamera und in Fig. 9 b) in umgekehrter Richtung ein. Die horizontale Durchlassrichtung (51 ) durch die Spaltfläche (100) soll die momentane Rotationsstellung ξ wiederspiegeln. Nach Verlassen des Kollimators durch die kurze Spaltöffnung (102) trifft der Strahl auf den Kreisbogen (122), auf dem sich der zu jeder Richtung zugehörige Brennpunkt F bewegen kann. Der momentane Brennpunkt F befindet sich genau an der Schnittstelle des Strahls mit der x-Achse und ist der Übersichtlichkeit halber hier nicht gesondert gekennzeichnet. Im Detektorraum setzt sich der Strahl (53) divergierend vom Brennpunkt F aus fort und trifft schließlich auf die Detektorfläche (300). Zu beachten ist, dass der von unten kommende Strahl im oberen Detektorteil auftrifft (Fig. 8 a) und umgekehrt der von oben kommende Strahl unten(Fig. 8 b). Dies wird bei der späteren komplexeren Gestaltung der Kamera für eine höhere Effizienz genutzt (s. u.).
[23] In der Fig. 10 wird das Zustandekommen einer Bildzeile in der Ausgangsstellung des Kollimators demonstriert, d.h. mit dem Rotationswinkel ξ von 0°. Der Torsionswinkel ε beträgt hier 180° im Uhrzeigersinn von oben gesehen. Es werden alle Strahlendurchgänge entlang der Spaltfläche (100) zum Detektor gezeigt, die in dieser Konstellation von der zum Untersuchungsgegenstand gewandten langen Spaltflächenkante (101 ) zur gegenüberliegenden, zum Detektor gerichteten kurzen (102), möglich sind (Fig. 10 a)). Der Detektor deckt hier beispielsweise einen horizontalen Winkelbereich von 60° ab. Der Strahlenfächer (60) zum Detektor läuft durch den Kreisbogen (122), für den in der Abschirmung (310) eine Lücke (330) freigehalten wurde. Auf dem Detektor hinterlässt er eine schräg liegende Zeile (305). Da es sich hier um die beabsichtigte Strahlenrichtung durch den Kollimatorspalt (100) von der langen (101 ) zur kurzen Spaltflächenkante (102) handelt, wird dies hier künftig als die „reguläre" Passage eines Fächers detektierbarer Strahlen (60) bezeichnet.
[24] Zu beachten ist, dass die in der in Fig. 10 gezeigte Konstellation aufgrund des großen Torsionswinkel ε auch Bereiche der kurzen Spaltflächenkante (102) zum Objekt zeigen und somit einen„umgekehrten" Strahlengang von kurz (102) nach lang (101 ) ermöglicht. Dies ist in der Fig. 10 b) gezeigt, wobei zu sehen ist, dass hier kein einziger Strahl zum Detektor (300) gelangt. Für die möglichen Zwischenstellungen bei Rotation der Zylinderblende kommt hier die Abschirmung des Detektors (310) zum tragen, die symbolisch als blockierende Fläche mit einem waagerechten Durchlass (330) auf der Höhe des Kreisbogens (122) mit den Brennpunktlagen F dargestellt ist. Diese Situation wird nachfolgend beschrieben.
[25] Die Funktion der Abschirmung (310) vor dem Detektor wird in der Fig. 1 1 deutlich, die denselben Kollimatorspalt (100) wie zuvor in Fig. 10 in einer um 180° rotierten Position zeigt (ξ = 180°). Die Strahlenfächer in regulärer Richtung (60) treten von der langen Spaltflächenkante (101 ) zur kurzen (102) durch den Kollimator und treffen hier als Halbzeilen (305) im oberen und unteren Bereich auf den Detektor und decken somit die untere und obere Grenze des Objektbereiches ab, der mit der Kamera erfasst werden kann. Gleichzeitig dringen aber umgekehrt Strahlen (61 ) von der kurzen (102) zur langen Kante (101 ) in den Detektorraum, von denen aber die meisten von der Abschirmung (310) abgefangen werden . Nur ein kleiner Anteil passiert die Lücke um den Kreisbogen (122) mit den Brennpunktlagen und treffen den Detektor im zentralen Bereich (307) weit außerhalb der„regulär" abgebildeten (Teil-)Zeilen (305). Die durchgelassenen Strahlen in umgekehrter Richtung sind jedoch keine Fehlinformation in dem Sinne, dass sie aus einer„falschen" Richtung kämen. Sie müssen nur bei der Gewichtung im Ergebnis berücksichtigt werden. Diese Konstellation ist aber nur dann anwendbar, wenn die Detektormatrix in der Lage ist, Einfallshöhen aus der Richtung der Brennpunkte (122) zu diskriminieren. D.h. die Detektorelemente müssen nicht nur in horizontal orientierte Richtungssegmente aufgeteilt, sondern auch zeilenweise getrennt aufgebaut sein. Unter dieser Voraussetzung ist der zusätzliche Strahleneinfall in umgekehrter Richtung (61 ) kein Problem, da er fern von demjenigen liegt, der in der „regulären" Richtung (61 ) wie oben beschrieben erfolgt. [26] Hier wird bereits sichtbar, dass nur ausgewählte Bereiche des Detektors angesprochen werden. Dies stellt jedoch besonders bei einem sehr schnell rotierenden Kollimator nicht unbedingt einen Nachteil dar. Zum einen können im Detektor „Refraktär"- und Bearbeitungszeiten für die Signalbildung auftreten, zum anderen wird auch zur Signalweiterleitung und Abspeicherung, sowie für eine simultane Signalverarbeitung Zeit benötigt. Dies alles kann durch die wandernde Belichtungszone überbrückt werden, deren Wanderungsgeschwindigkeit mit der Rotation bestimmt bzw. gesteuert werden kann.
[27] In der Fig. 12 wird eine alternative Gestaltungsmöglichkeit der Spaltfläche (100) demonstriert. Hier wird sie mit einer geringeren Torsion von ε = 60° gezeigt, mit der ebenso in der dargestellten Position eine geschlossene Zeile von einer gewissen Schräge (63) im Detektor (300) durch regulär einfallende Strahlen (60) erzeugt werden kann, d.h. von der langen (101 ) zur kurzen Spaltfächenkante (102). Die Zeile verläuft steiler als in den vorangegangenen Darstellungen der Fig. 10 und der Fig. 1 1 . Es gibt hier nur den regulären Durchgang (Fig. 12 a)). Für den umgekehrten Weg von „kurz" nach „lang" gibt es in dieser Konstellation überhaupt keine Durchgangsmöglichkeit. Diese Passage ist erst nach einer Drehung des Kollimators um 180° möglich, wie sie im zweiten Teil der Darstellung, d.h. in Fig. 12 b) demonstriert wird. Die meisten Strahlen von der kurzen (102) zur langen Flächenkante (101 ) treffen auf die Abschirmung (350), nur ein kleiner Bruchteil, hier als Einzelstrahl (53) dargestellt, landet auf dem Detektorfeld (300) an der zentralen Stelle (307).
[28] Nach der Betrachtung, wie eine Bildzeile entsteht, soll in Fig. 13 dargestellt werden, wie Objektbereiche in einer angenommenen Entfernung von dem 1 ,2-fachen des Blendendurchmessers d mit einer rotierenden Blendenspaltfläche erfasst werden können. Als Beispiel wurde dazu ein Kollimatorzylinder mit einem um 60° tordierten Blendenspalt gewählt, welcher in Fig. 13 a) in der bisher üblichen Weise im Koordinatensystem (10) mit dem Detektor auf seiner linken und dem Objektbereich auf seiner rechten Seite wiedergegeben ist. In der Fig. 13 b) hingegen wurde eine alternative Darstellungsweise gewählt, bei der die x- und y- Achsen des Koordinatensystems vertauscht wurden, sodass die Detektorposition vor der Kollimatorspaltfläche zum Betrachter hin zu liegen kommt, während die Objektebene im Hintergrund gelegen ist. In beiden Darstellungen läuft der vom Objektpunkt (150) ausgehende Strahl entlang der Spaltfläche (100) von der langen (101 ) zur kurzen Kante (102) zum Brennpunkt F, der sich auf dem zugehörigen Kreisbogen (122) bewegt. In der gezeigten Spaltstellung wird die auf der Objektfläche hervorgehobene Zeile (171 ) abgebildet, die in Fig. 13 a) durch eine dichtere Punktfolge und in Fig. 13 b) zusätzlich als gestrichelte Linie dargestellt wird. Durch die Rotation des Kollimators wird die mit Punkten gekennzeichnete Objektfläche Zeile für Zeile (170) abgedeckt und abgebildet.
[29] Die Fig. 14 demonstriert, dass die Kamera, deren Spalt (100) eine Torsion von εθ= 60° aufweist, nicht ausgelastet ist, wenn der Detektor aus mehreren einzelnen, unabhängig voneinander arbeitenden Detektorelementen ausgestattet ist. In Fig. 14 a) beträgt die Rotation ξ 60° im Uhrzeigersinn. Zu sehen ist ein Strahlenverlauf (60) aus dem unteren Teil des Objektes durch den Kollimator in„regulärer" Richtung mit einer halben Zeile (305) am oberen Rand des Detektors. Sonst wird kein Strahl durchgelassen. Mit der hier gegebenen Torsion lassen sich mühelos über den Zylinderumfang drei Spalten anordnen, wobei prinzipiell auch ein umgekehrter Strahlengang (62) von der kurzen (102) zur langen (101 ) Spaltkante möglich wird. In der Fig. 14 b) wird aber demonstriert, dass diese Strahlen weit außen am Detektor vorbeilaufen. Gegenüber einem Einzelspalt mit dieser Torsion wird dabei die effektive Eintrittsöffnung für Strahlen in die Kamera verdreifacht.
[30] Eine deutliche Effizienzsteigerung wir in der Fig. 15 durch das Einfügen weiterer Spalte demonstriert. Der Übersichtlichkeit halber sind nur die Spaltkanäle eingezeichnet, die für die entsprechende Kollimatorstellung zum Detektor relevant sind, getrennt jeweils in Fig. 15 a) und Fig. 15 b) für die„regulären" Strahlen (60) von den langen (101 ) zu den kurzen (102) Spaltflächenkanten (Fig. 14 a) und für die umgekehrten (61 ) von den kurzen (102) zu den langen Kanten (101 ). In der Fig. 15 a) ist zu erkennen, dass selbst benachbarte Spalte gut getrennte Zeilen (305) im Detektor erzeugen, wenn die Strahlen in regulärer Richtung (60) von lang nach kurz den Kollimator passieren. In der umgekehrten Richtung (61 ) von kurz nach lang gelangen nur vereinzelt Strahlen zum Detektor (307). Diese Darstellung zeigt, dass ein zylindrischer Kollimator mit mehreren Spaltflächen in Regelflächenform in der Lage ist, die Effizienz der Bildgebung zu erhöhen.
[31] Bis hierher wurde nur eine Einzelkamera vorgestellt, die einen bestimmten Winkelbereich vertikal und horizontal abdeckt. Es können zur Vergrößerung der Untersuchungsfläche sowohl mehrere solcher Kameras zu einer Vorrichtung zusammengefasst werden, wobei jede einzelne Einheit autark mit einem zylindrischen Kollimator (200) ausgestattet sein kann, deren Rotation entweder synchronisiert oder dosisabhängig in Einzelbereichen gesteuert werden kann. Alternativ dazu kann aber ein verlängerter Zylinder mit der Länge nach versetzten Spalten in der beschriebenen Regelflächenform (100) versehen werden, die auf verschiedene parallel angeordnete Detektoren (300) ausgerichtet sind. Durch den gemeinsamen Kollimator wird nur eine Rotationssteuerung benötigt und für alle damit verbundenen Detektoren gilt synchron die gleiche Richtungsinformation.
[32] Die Anordnung von mehreren Kameramodulen in einer Gesamtvorrichtung kann auch einem anderen Zweck dienen, wenn sich die Winkelbereiche der einzelnen Kameras überlappen bzw. die Blickrichtungen zueinander geneigt sind. Dadurch wird ein und dasselbe Objekt aus verschiedenen Winkeln betrachtet. Dies ermöglicht eine Tiefenauflösung analog zum binokularen dreidimensionalen Sehen. Exakt diesem Zweck dient die hier vorgeschlagene Anordnung zweier oder mehrerer Kameramodule mit gemeinsamer Blickrichtung auf ein Objekt aus mehreren Richtungen. In der Fig. 16 werden zwei Beispiele für die Anordnung zweier Kameramodule nach dem Prinzip eines Augenpaares gezeigt, einmal mit getrennten, parallel ausgerichteten Kollimatorspaltflächen (100). Die Positionierung der Detektoren ist mit der Lage der Brennpunkte F angezeigt. Zu beachten ist hier jedoch, dass für beide Module alle Messungen mit ihren zugehörigen Rauminformationen über eine gewisse Messperiode für eine nachgeordnete Auswertung gesammelt werden kann. Dabei können dann die Daten, die auf einen beliebigen Punkt (150) im Objekt weisen, für eine Bildrekonstruktion in Beziehung gesetzt werden. Durch ihre schraubenförmige Gestalt können sich die mittlere Höhen h der beiden Spalten in der Längsrichtung des Zylinders überlappen. Die Torsion ε der Spaltflächen beträgt in beiden Darstellungen 180°. Die Ausrichtung des Koordinatensystems im Raum ist in beiden Fällen so angelegt, dass die x-Achse wie in Fig. 13 b) in die Bildfläche hineinragt, sodass die Detektoren zum Betrachter hin ausgerichtet sind. In der Fig. 16 b) ist die z-Achse und damit auch die Rotationsachse des Kollimatorzylinders in die horizontale Richtung gekippt. Die Objektebene befindet sich demnach in beiden Präsentationen im Bildhintergrund.
[33] Um das an das binokulare Sehen angelehnte Prinzip zu verdeutlichen, sind die Spaltflächen (100) durch die Wahl der beiden Aberrationswinkel ξ hier in der Fig. 16 a) in einer Rotationsphase gezeigt, dass sie gemeinsam auf den Punkt (150) ausgerichtet sind („sehen"), d.h. die Strahlen (50) durch die beiden Spaltflächen (100) auf die jeweiligen Brennpunkte F treffen. In der Fig. 16 b) sind nur die Winkel (59) eingezeichnet, die die Sichtbereiche für die beiden asymmetrischen Spalten (100) eingrenzen (vgl. Fig. 4 b)). Durch die sich kreuzenden Strahlrichtungen (50) erhält man eine Tiefen Information über die Strahlenquelle, die sich am Punkt (150) befindet. Da der sequentielle Datenstrom mit der Rotationsbewegung der Zylinder im Fall der Fig. 16 a) bzw. des durchgehenden Zylinders mit den beiden Spalten in Fig. 16 b) synchron verläuft, ist mit jedem Messwert aus der Detektormatrix (300) eine Richtungsinformation über die momentanen Stellungen der Winkel α und ξ verbunden. Eine Zuordnung von Messwerten zu den Quellpunkten im Raum kann über ihre zugehörigen Richtungsinformationen für eine räumliche Bildrekonstruktion nach einer ununterbrochenen Datenakquisition aus allen Richtungen erfolgen. Dadurch, dass Projektionsdaten simultan aus unterschiedlichen Richtungen gesammelt werden, erübrigt sich eine mechanische Ortsveränderung der Kameravorrichtung oder des Untersuchungsobjekts. Aufwändige mechanische Aufbauten wie Schwenkarme oder eine Gantry werden nicht benötigt. Durch die Anordnung von mehr als zwei Kameraeinheiten kann die Tiefenauflösung im Raum verbessert werden. Es kann somit eine räumliche Darstellung in einer Zeit gewonnen werden, in der mit herkömmlichen Kameras nur eine flächenhafte Einzelaufnahme erstellt wird. [34] Für Anwendungen im medizinischen Bereich, namentlich in der Szintigraphie, werden in der Fig. 17 schließlich Beispiele dafür gezeigt, wie feste Anordnungen von Kameramodulen möglich sind, ohne dass während der Aufnahme die Position von Geräten oder des Patienten verändert werden müssen. Auch schwebt keine großvolumige Kamera mehr über dem Patienten. In Fig. 17 a) sind drei gewinkelt angeordnete Module in der Längsachse eines Patienten gezeigt, mit denen ein dreidimensionales Querschnittbild erzeugt werden kann. Als äußere Teile der Kamera sind die zylindrischen Kollimatoren (200) und die Abschirmung der Detektoren (350) zu erkennen. Die Blickwinkel der Kameras (60) sind so angeordnet, dass sie das Untersuchungsobjekt bzw. das Volumen des Patienten vollständig erfassen. Die Rotationsstellungen der zylindrischen Kollimatoren (200) können mit Hilfe von entsprechenden Registriereinheiten mit physiologischen Rhythmen wie z.B. dem Herzschlag oder Atem beweg ungen synchronisiert werden, womit die Erstellung bewegungskorrigierter Bilder möglich wird. Eine sich über die Körperlänge eines Patienten erstreckende Anordnung, wie sie in der Fig. 17 b) zu sehen ist, ermöglicht eine Ganzkörperaufnahme ohne Gerät oder den Patienten bewegen zu müssen und trotzdem einen geringen Abstand zum Untersuchungsgebiet einhalten zu können. Es ist möglich, die Module mit gemeinsamen oder miteinander gekoppelten zylindrischen Kollimatoren (200) auszustatten, wodurch die Gerätesteuerung und die Bildakquisition vereinfacht werden kann. Schließlich erlaubt ein kompakter Aufbau der Kamera eine sehr nahe Heranführung an das Untersuchungsobjekt, wie es in der Fig. 17 c gezeigt wird. Besonders vorteilhaft ist dies z.B. bei einer Schilddrüsenszintigraphie mit einem Jod-Isotop, das eine sehr hochenergetische Gammastrahlung besitzt, welche eine dicke Abschirmung erfordert (s.o.). Eine zylindrische Spaltblende kann sehr nahe an den Hals eines Patienten herangeführt werden, während sich der Detektoraufbau mit der zugehörigen Abschirmung auf der vom Patienten abgewandten Seite hinter dem Kollimator befindet und ihm selbst ein freier Blick über das Gerät hinweg bleibt.
[35] Zusammengefasst wird hier eine Gammakamera mit einem rotierenden Kollimator vorgestellt, die in der Lage ist, hochenergetische Strahlen aus verschiedenen Richtungen zu registrieren. Im Gegensatz zum parallelen Strahlengang von Geräten mit einem Parallellochkollimator und einem Flächendetektor, konvergiert hier der Strahlenverlauf in Richtung der Kamera. So wird eine sehr kompakte Bauweise ermöglicht. Bei einer geeigneten Wahl der Einfallswinkel können bei kurzem Abstand zum Objekt Bereiche abgebildet werden, die größer als die Detektorfläche sind. Dies ist ein Unterschied zu Kameras mit Parallellochkollimatoren oder solchen, die zur Darstellung kleinerer Bereiche sogar divergierende Durchtrittskanäle besitzen. Für eine Tiefenauflösung können zwei oder mehrere Einzelkameras zu einem System zusammengefasst werden, wodurch auch der Bereich vergrößert werden kann, von dem simultan eine Aufnahme erstellt wird. Für eine räumliche Auflösung ist weder eine Bewegung des Kamerasystems, noch eine Ortsveränderung des Untersuchungsgegenstands notwendig. Durch das Zusammenwirken mehrerer Kameramodule werden simultan Projektionsbilder erzeugt, die mit anderen Systemen nur sequentiell erhältlich sind.
[36] Vorzugsweise wird beansprucht: Spalt in Regelfächenform (100) durch zylindrischen Kollimator (200) aus geeignetem absorbierendem Material zur kontrollierten Führung hochenergetischer Strahlen, der durch die zentrale Längsachse (210) des Zylinders verläuft, wobei - die zugrundeliegende Regelfläche aus einem vertikal stehenden Trapez (90) durch Torsion entstanden ist, dessen längere Kante (101 ) zum Objekt und kürzere (102) zum Scheitelpunkt (20), der vor der Torsion mit dem Brennpunkt F identisch ist, weist,
die Torsion, ausgedrückt durch den Torsionswinkel ε am oberen Schenkel und entgegengesetzt (-ε) am unteren Schenkel des zugrundeliegenden Trapezes (90), beliebig groß ausfallen kann, d.h. auch einen gestreckten Winkel von ±180° überschreiten kann, vor der Torsion des Ausgangstrapezes (90) jeder detektierbare Strahl aus allen Höhenrichtungen, d.h. unabhängig davon, aus welcher Höhe er kommt, durch den gemeinsamen Scheitelpunkt (20) mit dem y-Wert 0 läuft, nach der Torsion der y-Wert abhängig vom Winkel α, |a| < ε, und der z-Wert abhängig vom Winkel ß ist, |ß| < γ, d.h. jedem Strahl ein separater Brennpunkt F zugeordnet ist, ein detektierbarer Strahl durch den Brennpunkt F, welcher immer den z-Wert 0 haben muss, durchläuft, - durch die Torsion die Winkel α und ß durch die Beziehung ß = α * γ / ε zusammenhängen, womit jedem Steigungswinkel ß eines jeden Strahls genau ein Lagewinkel α zugeordnet ist und damit auch die Position des Brennpunktes F auf einem Kreisbogen (122) festlegt ist, jeder Punkt auf der Spaltfläche (100), eindeutig durch die beiden Variablen u und α durch die Beziehung P(xp |yp |zp) = P(u | a) beschrieben wird, wobei die Raumkoordinaten des Punktes P durch die Beziehungen xp = u * cos a, yp = u * sin a und zp = (f + u) * tan (α * γ / ε) definiert sind, worin die Variable u den Abstand des Punktes von der Zentralachse (210) des zylindrischen Kollimators bezeichnet und Werte von -d/2 bis +d/2 durchläuft durch Rotation um den Winkel ξ jeder Objektpunkt im Raum erfasst werden kann. [37] Vorzugsweise wird besagter Spalt in Regelfächenform (100), der zum Zweck einer Wahl eines veränderten Blickwinkels längs der Kollimatorachse (210), asymmetrisch gestaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schenkelwinkel γ des Ursprungstrapezes (90) der Richtungsfächer (251 ), aller dazwischen liegender und (252) nach oben und unten unterschiedliche Werte für γι und j2 aufweisen kann, damit verbunden die gegensinnige Torsion der Schenkel zur Regelfläche (100) mit den Winkeln ει und 82 unterschiedlich stark ausfällt, d.h. zu einer Seite beispielsweise den gestreckten Winkel von 180° deutlich überschreiten kann, das Verhältnis γ- I ε- = γ2 ε2 gewahrt bleibt. [38] Eine bevorzugte Ausführungsform des vorab gennannten Spalts weist vorzugsweise eine Gestaltung der Spaltbreite im Kollimatorzylinder (200), der alternativ zu einem über die gesamte Spaltlänge konstanten, eine dem Strahlenverlauf (50) zum Brennpunkt F folgenden Konvergenz aufweist, auf, der sich im Verlauf von 101 zu 102 mit abnehmenden Wandabstand verjüngt, wobei - die Spaltbreite sich, ausgehend von einer mittleren ao auf der Zentralachse (210) des Zylinders (200) mit dem Abstand u von der Mittelachse (210) nach der Beziehung a(u) = a0 * (f + u) / f ändert, worin f der Abstand des Brennpunktes F von dieser zentralen Achse bedeutet, d.h. der„Brennweite", die Steigung der Spaltabstandstrecke m = tan δ von Wand zu Wand sich ebenso mit dem Abstand u entsprechend ändert, näherungsweise nach der Beziehung m(u) « u * ε / ((f + u) * γ). [39] Weiterhin ist bevorzugt, dass ein solcher Kollimator (200) mit mehr als einem Spalt (100) zur Erhöhung der Strahlenausbeute und damit der Effizienz eines somit erweiterten Kollimators beiträgt.
[40] Vorzugsweise wird weiterhin beansprucht: Kamera zur bildlichen Darstellung hochenergetischer Strahlenquellen, wobei sie einen drehbar gelagerten zylindrischen Kollimator (200) mit ausreichendem Durchmesser d beispielsweise in der Größenordnung von 5 cm, der für eine hinreichende Abschirmung sorgt, dieser Kollimator (200), der mit einem oder mehreren Spalten in Regelflächenform (100), eine Strahlenauswahl, analog zu der über eine optische Linse erreichbaren, zur Bildgebung trifft, der Kollimator (200) zur Anpassung des Blickfeldes an den jeweiligen Bedarf mit einem oder mehreren asymmetrisch gestalteten Spalten in Regelflächenform (100) versehen sein kann, - alle Richtungen vom Objekt zur Kamera mit dem kollimatorinternen Lagewinkel a, der den Steigungswinkel ß eines Strahls durch den Kollimator über der x/y-Ebene festlegt, und mit dem Rotationswinkel ξ vollständig abgedeckt werden, wobei beide Winkelinformationen α und ξ aus der Rotation des Zylinders (200) in gegebener Geschwindigkeit ermittelbar sind, - ein beliebiger Objektpunkt durch eine Rotation des Kollimators (200) um den Winkel ξ und den über die beschriebene Torsion erreichte Spaltform festgelegte Richtung erreicht wird und somit dieser Punkt mit jedem auf der Spaltfläche (100) liegendem in einer Richtung auf einer Gerade zu liegen kommt, folgende Punkte auf einer Geraden vom Objekt Richtung Detektor liegen: Objektpunkt, alle Punkte auf der eine Regelfläche ausmachenden Geraden der Spaltfläche (100), Brennpunkt und zugehöriger Punkt im Detektor, sie einen Detektor (300) enthält, der aus mehreren sensorischen Einzelelementen aufgebaut ist, die auf dem Kreisbogen (122) ausgerichtet sind, auf dem sich der Brennpunkt detektierbarer Strahlen bewegt, - deren Detektorelemente aufgrund der nach dem Kreisbogen (122) der Brennpunkte divergierenden Strahlenverläufe mit zunehmendem Abstand in ihrer Größe erweitert und damit in ihrer Empfindlichkeit verbessert werden können, ohne einen Verlust der Bildschärfe in Kauf nehmen zu müssen, eine Untergliederung des Detektors nicht nur in horizontaler, sondern auch in vertikaler Richtung erfolgen kann, womit getrennte Zeilen geschaffen werden und so Strahlen aus mehren simultan und nicht nur als einem einzelnen Spalt (100) registriert werden können, nur dann sich ein Bild ergibt, wenn der Bildpunkt im Detektor auf einer dem Strahlengang entsprechenden Geraden durch den Kollimator (200) liegt, welcher durch die Winkel ξ und α beschrieben wird, - eine Abschirmung (350) zum Schutz vor nicht zu detektierender Strahlung, die aufgrund der konvergenzbedingten Bau- und Funktionsweise kleiner als in den herkömmlichen Apparaturen realisierbar ist.
[41] Vorzugsweise weist besagte Kamera einen Matrixdetektor mit einem dem Strahlengang folgenden gewölbten Aufbau auf, deren Krümmung horizontal an dem Kreisbogen (122) der Brennpunkte und vertikal den einfallenden Strahlenrichtungen ausgerichtet ist, damit die detektierbaren Strahlen senkrecht auf die Detektorebene eintreffen.
[42] Bei besagter Kamera kann vorzugsweise die Rotation des zylindrischen Kollimators (200), d.h. die Änderung des Winkels ξ mit der Zeit {ύξ/öt), an externe, z.B. pulsierende Vorgänge im Objekt wie Herzschlag oder Atembewegung eines Patienten gekoppelt werden.
[43] Bevorzugte Gestaltungsmöglichkeiten des Kollimators sind beispielsweise mit überdrehtem Torsionswinkel (ε > 180°) oder mehreren Spalten, die so Strahlen in umgekehrter Richtung von der kurzen (102) zur langen (101 ) Spaltöffnung zulassen, aber in erheblich geringerem Maße als in der regulären Richtung von (101 ) nach (102) und in die Bildgebung einbezogen werden können.
[44] Vorzugsweise wird weiterhin beansprucht: System bestehend aus zwei oder mehreren Kameramodulen, entweder benachbart zur Erfassung einer größeren Fläche beispielsweise über die gesamte Körperlänge eines Patienten oder überlappend zur räumlichen Darstellung ausgerichtet, wobei die Module aus vollständigen Kameras mit eigenen zylindrischen Kollimatoren (200), Detektoren (300) und entsprechender Abschirmung gereiht oder gewinkelt angeordnet sind und gemeinsam softwaremäßig gesteuert sind, und alternativ oder zusätzlich aus zusammengesetzten Modulen bestehen, wobei zwei oder mehrere Einheiten mit einem gemeinsamen zylindrischen Kollimator (200) ausgestattet sind, der über die Länge verteilt mit mehreren Spalten für die jeweiligen Detektoren (300) versehen ist.
[45] Vorzugsweise weist besagtes System mehrere der besagten Kameras auf, und ist in der Lage, unablässig ohne Unterbrechung Bilddaten zu sammeln, ohne notwendigerweise die eigene Position oder diejenige des Objektes zu verändern, um anschließend mit den gesammelten Daten aus allen Richtungen ein räumliches Bild zu rekonstruieren, womit in einem Zeitrahmen für Einzelprojektionen bereits das dreidimensionale Bild entsteht.
[46] Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßer Kollimator (200) zur Erzeugung eines konvergierenden Strahlenverlaufs einer einfallenden Strahlung: a) einen zylinderförmigen Grundkörper aus einem für die einfallende Strahlung intransparenten Material,
b) wobei sich entlang der Mantelfläche des Grundkörpers ein in Regelflächenform ausgebildeter Spalt (100) erstreckt, der durch die zentrale Längsachse (210) des Grundkörpers verläuft und vollständig durch den Grundkörper hindurchreicht, wobei
c) die zugrundeliegende Regelfläche sich konstruktionsmäßig aus einem innerhalb des Grundkörpers angeordneten Trapez (90) durch dessen räumliche Torsion ergibt,
d) wobei vor der Torsion die zwei parallelen Kanten des Trapezes (90) vollständig auf der Mantelfläche des Grundköpers liegen, die zentrale Längsachse (210) des Grundkörpers innerhalb der aufgespannten Trapezfläche des Trapezes (90) liegt, die längere Kante (101 ) des Trapezes (90) die Objektseite und die kürzere Kante (102) des Trapezes (90) die Bildseite definieren, und vom Scheitelpunkt (20) ausgehend durch die Senkrechte zur zentralen Längsachse (210) ein oberer Schenkelwinkel γι und ein unterer Schenkelwinkel j2 des Trapezes (90) festgelegt sind, e) die Torsion über den Torsionswinkel am oberen Schenkel und den dazu in seiner Drehrichtung entgegengesetzt gerichteten Torsionswinkel ε2 am unteren Schenkel des Trapezes (90) bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass f) das Verhältnis γι/ει = γ2 2 erfüllt ist.
[47] Vorzugsweise entspricht der Torsionswinkel ει am oberen Schenkel dem Torsionswinkel ε2 am unteren Schenkel des Trapezes (90), wobei der Torsionswinkel ε = ει = S2 einen Wert zwischen ±180° oder ±180° oder von größer als ±180° aufweist.
[48] Vorzugsweise weicht der Torsionswinkel ει am oberen Schenkel vom Torsionswinkel ε2 am unteren Schenkel des Trapezes (90) ab, wobei der Torsionswinkel ε-\ und/oder der Torsionswinkel 2 einen Wert zwischen ±180° oder ±180° oder von größer als ±180° aufweist.
[49] Vorzugsweise erstrecken sich entlang der Mantelfläche des Grundkörpers mindestens zwei in Regelflächenformen ausgebildete Spalte (100).
[50] Vorzugsweise weist das die der Konstruktion des Spalts (100) zugrundeliegende trapezförmige Ausgangsfläche (90) vor der Torsion eine Dicke auf, die keilförmig von der objektseitigen längeren Kante (102) zur bildseitigen kürzeren Kante (102) hin abnimmt, wobei nach der Torsion des Trapezes (90) diese räumlich variierende Dicke die lokale Breite des Spaltes (100) bestimmt.
[51] Vorzugsweise kann ein erfindungsgemäßer Kollimator (200) dadurch gekennzeichnet werden, dass vor der Torsion des Ausgangstrapezes (90) jeder detektierbare Strahl aus allen Höhenrichtungen durch den gemeinsamen Scheitelpunkt (20) mit dem y-Wert 0 läuft, nach der Torsion der y-Wert abhängig vom Lagewinkel a, wobei |a| < ε ist, und der z-Wert abhängig vom Steigungswinkel ß ist, wobei |ß| < γ ist, b) ein detektierbarer Strahl durch einen Brennpunkt F mit einem z-Wert von 0 durchläuft c) durch die Torsion der Lagewinkel α und der Steigungswinkel ß durch die Beziehung ß = α * γ / ε zusammenhängen, wobei jedem Steigungswinkel ß eines jeden detektierbaren Strahls genau ein Lagewinkel α zugeordnet ist und darüber die Position des Brennpunktes F auf einem Kreisbogen (122) festlegt ist, d) Punkte auf der Regelfläche des Spalts (100) eindeutig durch die beiden Variablen u und α durch die Beziehung P(xp | yp | zp) = P(u | a) beschrieben werden, wobei die Raumkoordinaten des Punktes P durch die Beziehungen xp = u * cos a, yp = u * sin a und zp = (f + u) * tan (α * γ / ε) definiert sind, wobei die Variable u den Abstand des Punktes von der zentralen Längsachse (210) des Grundkörpers bezeichnet und Werte von - d/2 bis +d/2 durchläuft, wobei d dem Durchmesser des Grundkörpers entspricht, e) durch Rotation des Kollimators (200) um die zentrale Längsachse (210) des Grundkörpers um den Rotationswinkel ξ jeder Objektpunkt im Raum erfasst werden kann.
[52] Vorzugsweise kann ein solcher Kollimator (200) weiterhin dadurch gekennzeichnet werden, dass a) die lokale Breite des Spaltes (100) sich, ausgehend von einer mittleren Breite des Spaltes (100) a0 auf der zentralen Längsachse (210) des Grundkörpers, mit dem Abstand u von der zentralen Längsachse (210) nach der Beziehung a(u) = ao * (f + u) / f ändert, wobei f den Abstand des Brennpunktes F von der zentralen Längsachse (210) angibt, b) die Steigung der Spaltabstandstrecke m = tan δ von Wand zu Wand sich ebenso mit dem Abstand u entsprechend ändert, näherungsweise nach der Beziehung m(u) « u * ε / ((f + u) * γ).
[53] Vorzugsweise umfasst eine Kamera zur Abbildung hochenergetischer Strahlenquellen: a) einen drehbar gelagerten Kollimator (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Drehachse durch die zentrale Längsachse (210) des Grundkörpers verläuft,
b) einen als Matrixdetektor ausgebildete Detektoreinheit (300) zur Detektion einer von einer Strahlungsquelle ausgesandten und durch den Spalt (100) des Kollimators (200) hindurchgetretenen Strahlung, c) eine Abschirmung (310), dazu ausgebildet, die Detektoreinheit (330) gegenüber Strahlungsquellen abzuschirmen, wobei die Abschirmung (310) einen Spalt (330) aufweist, dazu ausgebildet, aus Richtung des Kollimators (200) einfallende Strahlung auf die Detektoreinheit (300) auftreffen zu lassen.
Vorzugsweise kann eine solche Kamera weiterhin dadurch gekennzeichnet werden, dass a) die Kamera einen drehbar gelagerten Kollimator (200) mit ausreichendem Durchmesser d, beispielsweise in der Größenordnung von 5 cm, aufweist,
b) der Kollimator (200) mittels des Spaltes (100) eine Strahlenauswahl analog zu der über eine optische Linse erreichbaren Strahlenauswahl zur Bildgebung trifft,
c) alle Richtungen von einem Objekt zur Kamera mit dem Lagewinkel a, der den Steigungswinkel ß eines Strahls durch den Kollimator über der x/y-Ebene festlegt, und mit dem Rotationswinkel ξ vollständig abgedeckt werden, wobei beide Winkelinformationen α und ξ aus der Rotation des Kollimators (200) in gegebener Geschwindigkeit bestimmt werden,
d) ein beliebiger Objektpunkt durch eine Rotation des Kollimators (200) um den Rotationswinkel ξ und der durch die Form des Spalts (100) festgelegten Richtung erreicht wird und somit dieser Punkt mit jedem auf der Regelfläche des Spalts (100) liegendem Punkt in einer Richtung auf einer Geraden zu liegen kommt,
e) folgende Punkte auf einer Geraden vom Objekt in Richtung Detektor liegen: Objektpunkt, alle Punkte auf der eine Regelfläche ausmachenden Geraden der Spaltfläche (100), Brennpunkt und zugehöriger Punkt im Detektor,
f) die Detektoreinheit (300) mehrere sensorische Einzelelemente entlang des Kreisbogens (122), auf dem sich der Brennpunkt F der detektierbaren Strahlen bewegt, umfasst, wobei die Einzelelemente aufgrund der nach dem Kreisbogen (122) der Brennpunkte F divergierenden Strahlenverläufe mit zunehmendem Abstand in ihrer Größe gleich bleiben oder sich in ihrer Größe erweitern,
g) eine Untergliederung des Detektors nicht nur in horizontaler, sondern auch in vertikaler Richtung erfolgen kann, wobei getrennte Zeilen geschaffen werden, wobei Strahlen aus mehren Spalten (100) simultan und nicht nur aus einem einzelnen Spalt (100) registriert werden können, und
h) sich nur dann ein Bild ergibt, wenn der Bildpunkt im Detektor auf einer dem Strahlengang entsprechenden Geraden durch den Kollimator (200) liegt, welcher durch die Winkel α und ξ beschrieben wird.
[55] Vorzugsweise weist die Detektoreinheit (300) einer solchen Kamera einem dem Strahlengang folgenden gewölbten Aufbau auf, deren Krümmung horizontal an dem Kreisbogen (122) der Brennpunkte F detektierbarer Strahlen und vertikal an den einfallenden Strahlenrichtungen ausgerichtet ist, so dass die detektierbaren Strahlen stets senkrecht auf die Detektorebene auftreffen.
[56] Vorzugsweise kann bei einer solchen Kamera die Winkelgeschwindigkeit (άξ / dt) der Drehung des Kollimators (200) an externe Periodizitäten, z.B. pulsierende Vorgänge im Objekt wie Herzschlag oder Atembewegung eines Patienten, gekoppelt werden. [57] Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßes System zur Abbildung hochenergetischer Strahlenquellen mindestens zwei solcher Kameras, wobei diese entweder benachbarte Sichtfelder zur Erfassung einer größeren Fläche abbilden oder die Kameras zumindest teilweise überlappend zur Erzeugung einer räumlichen Darstellung ausgerichtet sind. [58] Vorzugsweise kann ein solches System dazu ausgebildet sein, kontinuierlich Bilddaten über die Kameras zu sammeln, ohne deren eigene Positionen oder diejenige des Objektes zu verändern, um anschließend mit den aus unterschiedlichen Richtungen gesammelten Daten über ein Mittel zur Auswertung ein räumliches Bild des Objektes zu konstruieren. [59] Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen den Aufbau und die Funktionsweise der Gammakamera. Gezeigt werden die Anordnung der Funktionselemente und die Gestaltung der Strahlendurchtrittsöffnungen durch den Kollimator, welche die Strahlenführung zum Bilddetektor kontrollieren. Die geometrischen Anforderungen an den Detektor und die möglichen Strahlenscharen, die in den jeweiligen Anordnungen und Rotationsstellungen durch den Kollimator von außen auf den Detektor treffen werden ebenfalls veranschaulicht. So liegt ein quasioptisches System vor. Vergleichbares existiert nur im Bereich fokussierbarer Strahlen mit Hilfe von Linsen, entsteht. en:
Fig. 1 : funktionale Bestandteile der Gammakamera in schematischer Darstellung mit dem Führungsspalt (100) in einem soliden Zylinder (200), der um eine Drehachse (210) drehbar gelagert ist und einem Detektorsystem bestehend aus Szintillatorelementen (300) und einer dazwischen liegende Abschirmung (310), hier vereinfacht als Fläche dargestellt;
Fig. 2: Detektor mit einzelnem Szintillatorkristall (301 ), Vorder- und Rückseite der Sensormatrix;
Fig. 3: Abschirmung des Detektors und des Strahlengangs;
Fig. 4: Entwicklung der Spaltfläche aus einem aufrecht stehenden Trapez in einem Zylinder mit dem Scheitelpunkt F, der später zum Brennpunkt wird: a) Ausgangsform des Trapezes im Zylinder, b) beginnende Torsion mit einem Winkel ε von 60°, c) fortschreitende Torsion um weitere 60° auf 120°, der Schenkelwinkel des Trapezes von ± γ bleibt als Blicköffnung einer rotierenden Blende erhalten, d) weitere Torsion bis zu einem gestreckten Winkel von 180°, e) asymmetrische Ausführung mit einer steileren Blickwinkelbegrenzung nach unten und einer flacheren nach oben, und den unterschiedlichen Torsionswinkeln ει und 82, f) Regelfläche, die die Spaltfläche (100) beinhaltet, sich aber über diese hinaus bis zum Kreisbogen (122) erstreckt;
Fig. 5: Abrollen der Zylinderoberfläche des Kollimators mit dem Verlauf der Spaltflächenkanten, wobei die lange, zum Objekt orientierte Kante (101 ) von vorne nach hinten und die kurze, detektororientierte (102) von hinten nach vorne in Richtung des Pfeils (103) abgewickelt dargestellt ist;
Fig. 6: Lumen des Durchtritts eines Strahls (50) in der Sicht vom Eintritt (101 ) zum Austritt (102) durch den Kollimatorspalt (100): a) Kollimatorloch mit parallelen Wänden und Ausbildung eines seitlich abstrahlenden Halbschattens durch diagonale Strahlenverläufe, a-i ) Lumen begrenzt durch beide Spaltinnenflächen nach 180° Torsion und parallelen Spaltwänden, a2) wie a-i ) mit einer 60°-Torsion, b) Kollimator mit trichterförmigem Wandverlauf zur Vermeidung einer Halbschattenausbildung, b-i) wie a-i ) nur mit keilförmigem Wandabstandsverlauf, b2) wie b-i ), nur mit 60°-Torsion der Spaltfläche;
Fig. 7: Charakterisierung der Spaltfläche (100) mit den charakteristischen Parametern;
Fig. 8: Spaltenfläche in einer Rotationsposition: a) Rotationswinkel ξ, b) mit einem von unten eintreffenden Strahl;
Fig. 9: Strahlrichtung (50) in Richtung Detektor auf der vertikalen x/z-Ebene und auf der horizontalen x/y-Ebene (51 ): a) Durchgang des Strahls zum Detektor in der unteren Blendenhälfte, ξ = -97°, b) Durchgang in der oberen Hälfte, ξ = 97°;
Fig. 10: Durchtritt eines Strahlenfächers durch die Spaltfläche (100) mit ξ = 0°: a)„regulär" (60) von der langen (101 ) zur kurzen (102) Spaltseite, b) Strahlen in umgekehrter Richtung (61 ) von der kurzen (102) zur langen (101 ) Spaltseite;
Fig. 1 1 : Durchtritt aller möglichen Strahlen mit ξ = 180°: a) regulär (60) von der langen Flächenseite (101 ) zur kurzen (102), b) umgekehrt (61 ) von der kurzen (102) zur langen (101 ) Seite;
Fig. 12: Strahlendurchtritte entlang einer Spaltfläche (100) mit ε = 60°: a) ξ = 0°, es gibt nur dieser Strahlenfächer (60) auf den Detektor, b) ξ = 180°, es sind nur umgekehrte Durchgänge (61 ) von der kurzen (102) auf die lange Seite (101 ) möglich, wobei durch die Abschirmung (350) nur ein zentraler Strahl den Detektor (300) treffen kann;
Fig. 13: Objektpunktpositionen im 1 ,2-fachen Abstand des Kollimatordurchmessers von der Zentralachse z (10), die mit ε = -60° erfasst werden können: a) Darstellung mit der x-Achse von links nach rechts, b) gespiegelte Darstellung mit der x-Achse von vorne nach hinten und der y- Achse von links nach rechts;
Fig. 14: Strahlendurchtritte entlang einer Spaltfläche (100), ε = -60°, und mit Mehrfachanordnung von Spalten: a) ξ = -60° mit regulärem Strahlenfächer (60), der am oberen Rand den Detektor trifft (305), b) Blendenzylinder mit 3 Schlitzen, jeweils um 120° versetzt angeordnet, mit „regulärem" (60) Strahlenfächer (ξ = 0°) von der langen (101 ) zur kurzen Kante (102) sowie zweier umgekehrter Strahlenfächer (62) von der kurzen (102) zur langen Kante (101 ) beider anderen Spaltflächen (ξ = ±120°), die auf Abschirmungen treffen. Es gibt keine andere Strahlen auf den Detektor als die gezeigten mit dem schrägen Zeilenverlauf (63). Fig. 15: Strahlendurchtritte durch einen zylindrischen Kollimator mit mehreren Spalten ε = 60°, nur mit den Außenkanten der Spalte eingezeichnet, die für die Strahlen auf den Detektor in der jeweiligen Stellung relevant sind. Der Abstandswinkel zwischen den Spalten beträgt 20°: a) regulärer Strahlenweg (60) mit jeweils in getrennten Zeilen, eine für jeden Spalt, b) umgekehrter Strahlenweg (61 ) von der kurzen Spaltkante (102) zur langen (101 ) mit vereinzelt auf den Detektor treffenden Strahlen (307);
Fig. 16: Lokalisation eines punktförmigen Strahlers (150) im Raum mit Hilfe von zwei Kameramodulen, x- und y-Achsen im Koordinatensystem sind vertauscht wie in Fig. 13 b) mit in den Hintergrund weisenden x- Achsenrichtungen, die Lage der Brennpunkte F deuten die Positionen der Detektoren an: a) parallel angeordnete Spaltflächen (100) in Rotationsstellungen für Strahlendurchtritte (50) auf den gemeinsamen Punkt (150), b) Module mit einem gemeinsamen Kollimatorzylinder, der sich um die horizontal gelegte Achse (210) dreht;
Fig. 17: Vorrichtungen für medizinische Anwendungen (Szintigraphie), äußerlich sichtbar sind die zylindrischen Kollimatoren (200), die in ihrer Längsachse wie in Fig. 16 b) gezeigt mit mehreren Detektoren verbunden sein können, und die Abschirmungen um die Detektoren (350): a) Anordnung in einer Achse parallel zu der Körperlängsachse des Patienten, b) wie a) in seitlicher Ansicht, c) in extrem naher Lage zum Untersuchungsobjekt wie in der Schilddrüsendiagnostik, d) wie c) in seitlicher Ansicht.
[60] Durchgängig durch alle Figuren werden folgende Bezugszeichen für Details, geometrische Größen, Strahlen, Strecken, Flächen und für Bauteile verwendet:
10 Koordinatensystem mit den Achsen x, y und z,
20 Scheitel-/ Brennpunkt F der Schenkel des Ausgangstrapezes vor der Torsion zur Regelfläche des Spalts (100), Scheitel des Winkels γ,
50 detektierbare(r) Strahl(en) von einem Objektpunkt ausgehend in die Kamera von der langen (101 ) zur kurzen (102) Spaltöffnung,
51 Strahlengang auf der Spaltfläche (100) in umgekehrter Richtung von (102) nach (101 ), Strahl im Detektorbereich, begrenzender Strahl des möglichen Bereich des Winkels ß, Strahlenfächer von der Objekt- zur Detektorseite von der weiten, stärker geöffneten Spaltöffnung (101 ) zur engeren (102), Strahlenfächer von der Objekt- zur Detektorseite in umgekehrter Richtung durch die walzenförmige Blende von der engen (102) zur weiten (101 ) Spaltöffnung, Strahlenfächer in umgekehrter Richtung (61 ), aber außerhalb des detektierbaren Bereiches, Höhenbereich, beschreibbar mit Werten für ß, einer durchlaufenden Zeile, der von einem Strahlenfächer in regulärer Richtung erzeugt wird, trapezförmige Ausgangsfläche, geht durch Torsion in die Regelfläche (100) über, Spalt in Regelflächenform, hervorgegangen aus senkrechtem Ausgangstrapez (90), zum Objekt orientierte lange Spaltöffnung u.a. gebildet von langer Kante des Ausgangstrapezes, zum Detektor gerichtete kurze Spaltöffnung u.a. gebildet von kurzer Kante des Ausgangstrapezes, Richtung des Abrollens der Zylinderoberfläche (200) des Kollimators, asymmetrische Spaltfläche, analog zu (100), erweiterte Regelfläche, in der sich die Spaltfläche (100) befindet, bis zum Kreisbogen ersteckend, auf dem sich der Brennpunkt F bewegt, Punkt P auf der Spaltfläche (100) mit den Koordinaten xp, yp und zp, Kreisbogen mit dem Radius f, auf horizontaler x/y-Ebene, auf dem sich der Brennpunkt F bewegt, Eintrittspunkt eines Strahls (50) in den Kollimatorspalt (100), Austrittspunkt eines Strahls (50) aus dem Spalt (100), Lumen des Spalts (100), Strahlenkanal durch den Kollimator, Spaltbreite der Eintrittsstelle an der langen Spaltkante (101 ), Spaltbreite der Austrittsstelle an der kurzen Spaltkante (102), Punkt im Objekt mit den Koordinaten x,, und z,, Objektfeld mit Objektpunkten (150), das mit der entsprechenden Torsion und alle Rotationsstellungen des Kollimators abbildbar ist, Objektzeile im Objektfeld (170), die sich für eine bestimmte Rotationsstellung ergibt, zylindrischer Blendenkörper mit Spalt (100) mit Rotationsachse (210) im Zentrum des Koordinatensystems (10), Rotationsachse des Blendenkörpers (200), Durchmesserkreis des Blendenkörpers (200) auf x/y-Ebene des Koordinatensystems (10), Richtungsfächer für einfallende Strahlen in den Zylinder (200), identisch mit der Ausgangsfläche (90), gleichzeitig laterale Begrenzung des Einfallsbereichs detektierbarer Strahlen auf der„einen" lateralen Seite Richtungsfächer für einfallende Strahlen in den Zylinder (200), identisch mit der Ausgangsfläche (90), gleichzeitig laterale Begrenzung des Einfallsbereichs detektierbarer Strahlen auf der „anderen" lateralen Seite Lage der Detektorelemente, einzelnes Detektorelement, das von einem einfallenden Strahl (53) getroffen wird, Vorderseite von länglichen Szintillatorelementen (301 ), Hinterseite von Szintillatorelementen (301 ), Zeile, die ein Strahlenfächer (60) auf der Szintillatorebene hinterlässt, Spuren, die ein Strahlenfächer in umgekehrter Richtung (61 ) hinterlässt, Fläche, die eine Abschirmung des Detektors abzudecken hat, Spalt in der Fläche (310) für den Durchlass zu detektierender Strahlen (50) in den Detektorraum, Detektor- und Strahlengangsabschirmung, fächerförmiger Strahlenbereich außerhalb des Zylinders (200) im Bereich der Abschirmung des Detektors (350)
Spaltbreite, d.h. Abstand der Spaltwände zueinander
Objektweite, d.h. der Abstand zwischen der z-Achse des Koordinatensystems (10) und dem Objektpunkt (150),
Durchmesser des zylindrischen Blendenkörpers (200), gleichzeitig die Breite der gleichschenkligen Trapezfläche (90), aus der die Regelfläche (100) geformt wird, die dann die Form des Spalts in der Blende bestimmt,
Brennweite, Entfernung des Brennpunktes F (20) vom Koordinatenursprung (10), gleichzeitig Radius des Kreisbogens, auf dem sich der Brennpunkt F bewegt,
Brennpunkt, der sich mit der Torsion um den Winkel α und der Rotation der zylindrischen Blende (200) um den Winkel ξ (s. u.) auf einem Kreisbogen mit dem Radius f bewegt, mittlere Höhe der trapezförmigen Ausgangsfläche (90) bzw. der Regelfläche (100) auf der z-Raumkoordinatenachse (10), auf der die Drehachse (210) liegt,
Steigung der Abstandsstrecke Wand zu Wand im Spalt (100),
Abstand eines Punkts auf der Spaltfläche (100) von der z-Achse des Koordinatensystems (10), lokaler Torsions- bzw. Positionswinkel α für einen detektierbaren Strahl innerhalb des Kollimatorzylinders auf der x/y-Ebene des Koordinatensystems (10) mit einem Scheitelpunkt im Ursprung des Koordinatensystems (10), der einen Wert zwischen -ε und ε annehmen kann und der Beschreibung des Winkels ß dient,
Winkel eines detektierbaren Strahls durch den Kollimator (200) auf einer vertikalen Ebene durch die z-Achse bzw. Rotationsachse (210) mit Scheitelpunkt im Brennpunkt F, γ2 Steigungswinkel der Trapezschenkel der Ausgangsfläche (90) mit dem Scheitelpunkt F, gleichzeitig Grenze des Winkelbereichs für ß nach oben und unten,
Steigungswinkel der Abstandsstrecke zwischen den Spaltinnenflächen, ε2 Torsionswinkel der trapezförmigen Ausgangsfläche (90) zur Spaltfläche (100), gleichzeitig Grenze des Winkelbereichs für den lokalen Torsionsbzw. Positionswinkel a,
Rotationswinkel des zylindrischen Blendenkörpers (200) um die zentrale Achse (210) und der damit verbundenen Lage des Brennpunktes F.

Claims

Patentansprüche
1 . Kollimator (200) zur Erzeugung eines konvergierenden Strahlenverlaufs einer einfallenden Strahlung, umfassend a) einen zylinderförmigen Grundkörper aus einem für die einfallende Strahlung intransparenten Material,
b) wobei sich entlang der Mantelfläche des Grundkörpers ein in Regelflächenform ausgebildeter Spalt (100) erstreckt, der durch die zentrale Längsachse (210) des Grundkörpers verläuft und vollständig durch den Grundkörper hindurchreicht, wobei
c) die zugrundeliegende Regelfläche sich konstruktionsmäßig aus einer innerhalb des Grundkörpers angeordneten trapezförmigen Ausgangsfläche (90) durch dessen räumliche Torsion ergibt,
d) wobei vor der Torsion die zwei parallelen Kanten des Trapezes (90) vollständig innerhalb der Mantelfläche des Grundköpers liegen, die zentrale Längsachse (210) des Grundkörpers innerhalb der aufgespannten Trapezfläche des Trapezes (90) liegt, die längere Kante (101 ) des Trapezes (90) die Objektseite und die kürzere Kante (102) des Trapezes (90) die Bildseite definieren, und vom Scheitelpunkt (20) ausgehend durch die Senkrechte zur zentralen Längsachse (210) ein oberer Schenkelwinkel γι und ein unterer Schenkelwinkel γ2 des Trapezes (90) festgelegt sind, e) die Torsion über den Torsionswinkel ε-\ am oberen Schenkel und den dazu in seiner Drehrichtung entgegengesetzt gerichteten Torsionswinkel ε2 am unteren Schenkel des Trapezes (90) bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass f) das Verhältnis γ- /ε- = γ2/ε2 erfüllt ist.
2. Kollimator (200) nach Anspruch 1 , wobei der Torsionswinkel ει am oberen Schenkel dem Torsionswinkel ε2 am unteren Schenkel des Trapezes (90) entspricht, wobei der Torsionswinkel ε = ει = ε2 einen Wert zwischen ±180° oder ±180° oder von größer als ±180° aufweist. Kollimator (200) nach Anspruch 1 , wobei der Torsionswinkel ει am oberen Schenkel vom Torsionswinkel ε2 am unteren Schenkel des Trapezes (90) abweicht, wobei der Torsionswinkel ε-\ und/oder der Torsionswinkel ε2 einen Wert zwischen ±180° oder ±180° oder von größer als ±180° aufweist.
Kollimator (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich entlang der Mantelfläche des Grundkörpers mindestens zwei in Regelflächenformen ausgebildete Spalte (100) erstrecken.
Kollimator (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das der Konstruktion des Spalts (100) zugrundeliegende Trapez (90) vor der Torsion eine Dicke aufweist, die keilförmig von der objektseitigen längeren Kante (102) zur bildseitigen kürzeren Kante (102) hin abnimmt, wobei nach der Torsion des Trapezes (90) diese räumlich variierende Dicke die lokale Breite des Spaltes (100) bestimmt.
Kollimator (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei a) vor der Torsion des Ausgangstrapezes (90) jeder detektierbare Strahl aus allen Höhenrichtungen durch den gemeinsamen Scheitelpunkt (20) mit dem y-Wert 0 läuft, nach der Torsion der y-Wert abhängig vom Lagewinkel a, wobei |a| < ε ist, und der z-Wert abhängig vom Steigungswinkel ß ist, wobei |ß| < γ ist, b) ein detektierbarer Strahl durch einen Brennpunkt F mit einem z-Wert von 0 durchläuft, c) durch die Torsion der Lagewinkel α und der Steigungswinkel ß durch die Beziehung ß = α * γ / ε zusammenhängen, wobei jedem Steigungswinkel ß eines jeden detektierbaren Strahls genau ein Lagewinkel α zugeordnet ist und darüber die Position des Brennpunktes F auf einem Kreisbogen (122) festlegt ist, d) Punkte auf der Regelfläche des Spalts (100) eindeutig durch die beiden Variablen u und α durch die Beziehung P(xp | yp | zp) = P(u | a) beschrieben werden, wobei die Raumkoordinaten des Punktes P durch die Beziehungen xp = u * cos a, yp = u * sin a und zp = (f + u) * tan (α * γ / ε) definiert sind, wobei die Variable u den Abstand des Punktes von der zentralen Längsachse (210) des Grundkörpers bezeichnet und Werte von - d/2 bis +d/2 durchläuft, wobei d dem Durchmesser des Grundkörpers entspricht, e) durch Rotation des Kollimators (200) um die zentrale Längsachse (210) des Grundkörpers um den Rotationswinkel ξ jeder Objektpunkt im Raum erfasst werden kann.
Kollimator (200) nach Anspruch 6, wobei a) die lokale Breite des Spaltes (100) sich, ausgehend von einer mittleren Breite des Spaltes (100) ao auf der zentralen Längsachse (210) des Grundkörpers, mit dem Abstand u von der zentralen Längsachse (210) nach der Beziehung a(u) = a0 * (f + u) / f ändert, wobei f den Abstand des Brennpunktes F von der zentralen Längsachse (210) angibt,
b) die Steigung der Spaltabstandstrecke m = tan δ von Wand zu Wand sich ebenso mit dem Abstand u entsprechend ändert, näherungsweise nach der Beziehung m(u) « u * ε / ((f + u) * γ).
Kamera zur Abbildung hochenergetischer Strahlenquellen, umfassend: a) einen drehbar gelagerten Kollimator (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Drehachse durch die zentrale Längsachse (210) des Grundkörpers verläuft, b) einen als Matrixdetektor ausgebildete Detektoreinheit (300) zur Detektion einer von einer Strahlungsquelle ausgesandten und durch den Spalt (100) des Kollimators (200) hindurchgetretenen Strahlung, c) eine Abschirmung (310), dazu ausgebildet, die Detektoreinheit (330) gegenüber Strahlungsquellen abzuschirmen, wobei die Abschirmung (310) einen Spalt (330) aufweist, dazu ausgebildet, aus Richtung des Kollimators (200) einfallende Strahlung auf die Detektoreinheit (300) auftreffen zu lassen.
Kamera nach Anspruch 8, wobei a) die Kamera einen drehbar gelagerten Kollimator (200) mit ausreichendem Durchmesser d, beispielsweise in der Größenordnung von 5 cm, aufweist, b) der Kollimator (200) mittels des Spaltes (100) eine Strahlenauswahl analog zu der über eine optische Linse erreichbaren Strahlenauswahl zur Bildgebung trifft, c) alle Richtungen von einem Objekt zur Kamera mit dem Lagewinkel a, der den Steigungswinkel ß eines Strahls durch den Kollimator über der x/y-Ebene festlegt, und mit dem Rotationswinkel ξ vollständig abgedeckt werden, wobei beide Winkelinformationen α und ξ aus der Rotation des Kollimators (200) in gegebener Geschwindigkeit bestimmt werden, d) ein beliebiger Objektpunkt durch eine Rotation des Kollimators (200) um den Rotationswinkel ξ und der durch die Form des Spalts (100) festgelegten Richtung erreicht wird und somit dieser Punkt mit jedem auf der Regelfläche des Spalts (100) liegendem Punkt in einer Richtung auf einer Geraden zu liegen kommt, e) folgende Punkte auf einer Geraden vom Objekt in Richtung Detektor liegen: Objektpunkt, alle Punkte auf der eine Regelfläche ausmachenden Geraden der Spaltfläche (100), Brennpunkt und zugehöriger Punkt im Detektor, f) die Detektoreinheit (300) mehrere sensorische Einzelelemente entlang des Kreisbogens (120), auf dem sich der Brennpunkt F der detektierbaren Strahlen bewegt, umfasst, wobei die Einzelelemente aufgrund der nach dem Kreisbogen (120) der Brennpunkte F divergierenden Strahlenverläufe mit zunehmendem Abstand in ihrer Größe gleich bleiben oder sich in ihrer Größe erweitern, g) eine Untergliederung des Detektors nicht nur in horizontaler, sondern auch in vertikaler Richtung erfolgen kann, wobei getrennte Zeilen geschaffen werden, wobei Strahlen aus mehren Spalten (100) simultan und nicht nur aus einem einzelnen Spalt (100) registriert werden können, und sich nur dann ein Bild ergibt, wenn der Bildpunkt im Detektor auf einer dem Strahlengang entsprechenden Geraden durch den Kollimator (200) liegt, welcher durch die Winkel α und ξ beschrieben wird.
Kamera nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Detektoreinheit (300) einem dem Strahlengang folgenden gewölbten Aufbau aufweist, deren Krümmung horizontal an dem Kreisbogen (120) der Brennpunkte F detektierbarer Strahlen und vertikal an den einfallenden Strahlenrichtungen ausgerichtet ist, so dass die detektierbaren Strahlen stets senkrecht auf die Detektorebene auftreffen.
Kamera nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Winkelgeschwindigkeit (ύξ I dt) der Drehung des Kollimators (200) an externe Periodizitäten, z.B. pulsierende Vorgänge im Objekt wie Herzschlag oder Atembewegung eines Patienten, gekoppelt werden kann.
System zur Abbildung hochenergetischer Strahlenquellen, umfassend mindestens zwei Kameras nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , wobei diese entweder benachbarte Sichtfelder zur Erfassung einer größeren Fläche abbilden oder die Kameras zumindest teilweise überlappend zur Erzeugung einer räumlichen Darstellung ausgerichtet sind.
System nach Anspruch 12, dazu ausgebildet, kontinuierlich Bilddaten über die Kameras zu sammeln, ohne deren eigene Positionen oder diejenige des Objektes zu verändern, um anschließend mit den aus unterschiedlichen Richtungen gesammelten Daten über ein Mittel zur Auswertung ein räumliches Bild des Objektes zu konstruieren.
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