WO2021094591A1 - Abbildendes strahlenoptisches system - Google Patents

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WO2021094591A1
WO2021094591A1 PCT/EP2020/082148 EP2020082148W WO2021094591A1 WO 2021094591 A1 WO2021094591 A1 WO 2021094591A1 EP 2020082148 W EP2020082148 W EP 2020082148W WO 2021094591 A1 WO2021094591 A1 WO 2021094591A1
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WO
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axis
area
rotation
collimator
gap
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/082148
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt Osterloh
Philipp OSTERLOH
Original Assignee
Kurt Osterloh
Osterloh Philipp
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Filing date
Publication date
Application filed by Kurt Osterloh, Osterloh Philipp filed Critical Kurt Osterloh
Publication of WO2021094591A1 publication Critical patent/WO2021094591A1/de

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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
    • G21K1/025—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators using multiple collimators, e.g. Bucky screens; other devices for eliminating undesired or dispersed radiation
    • 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 present invention relates to slit diaphragms for an imaging ray-optical system, a set of diaphragms for an imaging ray-optical system, imaging ray-optical systems and a method for producing slit diaphragms for an imaging ray-optical system.
  • a common disadvantage of all these cameras is a decreasing image quality with increasing radiation energy, especially above approx. 0.5 MeV.
  • the diaphragm material In order to achieve an acceptable signal-to-noise ratio, the diaphragm material must be made thicker with increasing energy, which makes the construction of imaging collimators more and more difficult.
  • high energies require detectors with very thick sensor layers, for example scintillators, in order to achieve sufficient radiation yield and thus sufficient efficiency.
  • No commercially available camera system is known for the high-energy sector which is able to generate images with millimeter accuracy over a larger area in an acceptable time.
  • a radiation-optical system imaging radiation-optical systems and a method for producing slit diaphragms for an imaging radiation-optical system, with which the problems occurring in the prior art in the imaging, in particular of high-energy radiation, can be avoided or at least significantly attenuated.
  • the optical radiation system should not necessarily be based on a matrix detector, but a single-channel detector should also be usable.
  • a first aspect of the invention relates to a slit diaphragm for an imaging radiation-optical system, comprising a section of a body of revolution designed as a body of revolution around a generating axis of rotation (ie a body of revolution), the generating surface of the body of revolution being aligned parallel to the axis of rotation, the axis of rotation outside of the generating surface, the section has an angle of rotation of less than 360 ° (preferably less than or equal to 270 °, more preferably less than or equal to 180 °) and its surface is assigned to an inner area directed towards the axis of rotation and an outer area pointing away from it due to a first component of its surface normal is (preferably at least in sections in the case of complex generating surfaces), with surface normals aligned parallel to the axis of rotation being assigned to the outer area and the end surfaces of the body of revolution being assigned to the inner area, the rotat ion body consists of a material that is nontransparent for the radiation to be imaged and comprises
  • inside and outside are preferably related to the position of the axis of rotation with respect to the body produced.
  • the fact that the axis of rotation lies outside the generating surface means that the axis of rotation does not intersect this surface.
  • the axis of rotation can, however, directly adjoin the generating surface from outside.
  • this can be a half torus or donut structure as a body of revolution segment with a circular or elliptical generating surface, in which the individual columns extend through the body from a central inner side area to a central outer side area.
  • the direction of extent of the gap or gaps is directed essentially perpendicular to the axis of rotation (i.e. at an angle of around 90 ° to the axis of rotation).
  • the opening of the gap or gaps preferably extends essentially parallel to the axis of rotation, preferably within a maximum angular range of greater than 45 ° to 135 ° to the axis of rotation.
  • a second aspect of the invention relates to a slit diaphragm for an imaging ray-optical system, comprising a body of revolution formed in a ring around a generating axis of rotation as a generated body, the generating surface of the rotating body being aligned parallel to the axis of rotation, the axis of rotation lying outside the generating surface, the angle of rotation 360 ° and its surface is, due to a first component of its surface normal, an inner area directed towards the axis of rotation and an outer area pointing away therefrom, and due to a second component of its surface normal, an upper area pointing in a first direction of the axis of rotation and a second direction in the opposite direction to the first
  • the lower area pointing to the axis of rotation is assigned (subdivisions preferably at least in sections in the case of complex generating surfaces), with surfaces oriented perpendicular to the axis of rotation h-normal are assigned to the upper area and surface normals aligned parallel to the axis of rotation
  • this can be a complete torus or donut structure as a body of revolution with a circular or elliptical generating surface, in which the individual columns extend through the body from an upper inner side area to a lower outer side area.
  • the direction of extension of the gap or gaps can be aligned, for example, at an angle between approximately 120 ° and 150 ° to the axis of rotation.
  • the opening of the gap or gaps can extend, for example, by ⁇ 15 ° around this direction of extent.
  • a third aspect of the invention relates to a slit diaphragm for an imaging radiation-optical system, comprising a translation body formed as a generated body along a generating translation axis, the generating surface of the translation body being oriented perpendicular to the translation axis and having a longitudinal axis defined perpendicular to the translation axis, its surface due to a component of its surface normals is assigned to an upper area and a lower area pointing away therefrom (subdivisions preferably at least in sections in the case of complex generating surfaces), with surface normals aligned parallel to the translation axis and parallel to the longitudinal axis being assigned to the upper area, the translational body consisting of one for the mapped Radiation non-transparent material and comprises at least one gap or a plurality of juxtaposed columns, which completely extend from the lower area to the upper area through the translation body and the two inner boundary surfaces of the individual columns represent twisted ruled surfaces which are designed in such a way that the resulting torsion of the gap
  • this can be a cuboid structure as a translation body of a rectangular generating surface with two opposing rectangular cover surfaces (each with the largest surface area), in which the individual columns extend through the body from the lower cover surface to the upper cover surface .
  • it can also be a rod-shaped structure as a translational body of a circular or elliptical generating surface with two opposing halves, in which the individual columns extend through the body from the lower half to the upper half.
  • a slit diaphragm is understood to mean a diaphragm for radiation to be imaged, in particular high-energy gamma radiation, X-rays but also particle radiation such as ⁇ radiation or neutrons, which has at least one or a plurality of slit-shaped openings for the radiation.
  • a slit diaphragm with a large number of slits corresponds to a thick optical transmission grating in which the slits are not passed through the grating material parallel to one another, but rather form a kind of directional pinhole structure through a torsion of the individual grating levels.
  • the gaps are preferably implemented as a recess in the material of the slit diaphragm, i.
  • the imaging radiation passes through the individual slits in air, vacuum, nitrogen or another medium surrounding the slit diaphragm.
  • the gaps can also consist of a material that is transparent to the radiation to be imaged, at least in part or in sections. This can in particular be plastic, glass or ceramic.
  • An imaging radiation-optical system is to be understood as a system which, for example, has a slit diaphragm according to the invention, a diaphragm holder
  • a detector for the radiation to be imaged e.g. matrix detector, single-channel detector
  • an optional object holder e.g. for a radiation source
  • a ruled surface has the property that a straight line passes through every point on the surface, which is entirely contained in the surface (or the ruled surface section used to define the columns).
  • a continuous optical path from an object point to an image point through a column in the slit diaphragm is referred to as a free visual axis.
  • a free visual axis For each slit position and direction of passage there is preferably always only one free line of sight from a single object point to a single image point through the slit diaphragm.
  • the shape of a single gap opening also approximately corresponds to a twisted control surface (thick control surface).
  • the spatial depth of the diaphragm body means that essentially only radiation emanating from objects on the object side can pass through the gap which are arranged within the rule surface of the gap that is extended onto the object side.
  • the possible transmission through the gap can furthermore be restricted in such a way that only a single optical path of the respective transmittable angular spectrum of these object points remains transmittable.
  • a single slit thus represents a direct line-up of a large number of extremely directionally selective, thick pinhole diaphragms with location-dependent spatial diaphragm alignment.
  • the free axes of vision preferably intersect at least partially in the interior of the body produced. This corresponds to the focal point in an ordinary optical image, at which a reversal of direction takes place in the aspect ratios of the image.
  • intersection points can be implemented both inside and outside the slot diaphragm.
  • Crossing points in the interior of the slit diaphragm have the advantage, however, that, particularly with high-energy radiation, there is no potentially dangerous or fault-prone power concentration in areas outside the slit diaphragm and this thus simultaneously acts as a shield (intrinsic shielding).
  • the free lines of sight of all gaps preferably intersect along a common firing curve in the interior of the body produced.
  • the individual intersection points can be arranged in such a way that they extend along a common focal curve (analogous to the focal point for a lens).
  • a common focal curve analogous to the focal point for a lens.
  • a translation body can in particular be a focal line. All ruled surfaces of the associated column thus have a point on the firing curve, this point can correspond to the respective torsion point for the torsion of the individual ruled surfaces.
  • a common focal curve has the advantage that the image on a detector can take place at a uniform depth and no additional direction-dependent distortions occur due to different “focal lengths” of the individual slit passages.
  • the free lines of sight of all gaps preferably cross each other in a common firing curve in the interior of the produced body, depending on the angle of incidence, the distance between the firing curves along a firing curve preferably being constant. However, the distance can also be chosen differently.
  • An angle of incidence is understood to be the angle of a free line of sight in relation to the gap. It is to be understood as analogous to the angle of incidence in a conventional imaging optical system. The exact alignment of the angle of incidence is not important here, the difference is the deviation from the perpendicular Incident on the Rift. However, it can in particular be the angle of elevation in one direction, preferably in the direction of the local direction of extent of a gap. Each angle of incidence is thus assigned its own firing curve.
  • the points of intersection of the individual free visual axes thus differ depending on the angle of incidence.
  • Such an embodiment has the advantage that the power density can also be spatially distributed inside the slit aperture.
  • the spatial expansion of the focal area makes it easier to produce the individual gap geometries.
  • the resulting relatively strong overlapping of the individual gap profiles in the area of the firing curves can lead to a hollowing out of the diaphragm body and thus to the loss of what is necessary for a sharp image shielding material.
  • the divergence of the individual focal circles counteracts this. Any additional spatial distortion in the image can be compensated for by means of appropriate detector geometries or can be eliminated by post-processing.
  • the two inner boundary surfaces of a gap preferably have a location-dependent spacing (gap width) from one another, their spacing preferably tapering from the object area to the image area.
  • the gap width can preferably be determined as a function of the gap depth. The course of the width in the depth of the gap can also be used to reduce the requirements in the manufacture of the gap ends. Fine and filigree structures can thus be restricted to the essential areas. Other areas, on the other hand, can be implemented with wider gap widths that are easier to produce.
  • a gap width that tapers from the object area to the image area is easy to implement and also distributes the diaphragm effect over a larger spatial area.
  • the slit diaphragm is preferably composed of individual elements as a modular structure. This has the advantage that the viewing area of the column panels can be flexibly adapted. In particular, the object-side and detector-side diaphragms can be freely added or removed without the adjustment and alignment of an imaging beam-optical system implemented therewith have to be changed or corrected. Via a modular structure, however, additional additional panels can also be adapted to the slit diaphragm, which cannot be generated from a single generating surface via a rotational or translational movement. In particular, temporary area apertures or ROIs (“region of interest”) can be defined for the image.
  • ROIs region of interest
  • a fourth aspect of the invention relates to a set of diaphragms, comprising a plurality of column diaphragms according to the invention, designed to be interchangeably usable in a common imaging optical radiation system, the individual column diaphragms differing from one another in the shape and arrangement of the columns.
  • a diaphragm set has the advantage that an imaging ray-optical system can be adapted to many applications.
  • a diaphragm set according to the invention can also be used to shift the firing curve in a simple manner, without having to change or correct the adjustment and alignment of an imaging beam-optical system implemented with it.
  • a fifth aspect of the invention relates to an imaging ray-optical system, comprising a slit diaphragm according to claim 1, the slit diaphragm executing an oscillating movement to generate an image, preferably over an angular range with a maximum angle between 1 ° and 90 ° around the generating axis of rotation.
  • An oscillating movement in particular about the generating axis of rotation or about an axis shifted or tilted relative to the generating axis of rotation (any other axes are possible), is preferred in order to be able to detect a continuous object area.
  • the basic principle of such dynamic image acquisition in the case of slit diaphragms is known in the prior art. Reference is made to the relevant literature.
  • dynamic image acquisition also enables, in particular, the imaging of high-energy radiation without the use of an area detector.
  • column diaphragms with only a single slit (or several slits, which each represent different sections of an individual slit and are thus also equivalent to a single slit) can be used.
  • An image can then also be generated unambiguously with the aid of a single-channel detector by means of suitable rotary and / or pendulum movements. With such movements of the slit (s) the object space can be scanned column by column for image acquisition.
  • the slit diaphragm is preferably mounted rotatably about at least one further axis for movement over an angular range in order to generate an image.
  • a sixth aspect of the invention relates to an imaging radiation-optical system, comprising a slit diaphragm according to claim 2, the slit diaphragm executing a rotating and / or oscillating movement to generate an image, preferably about the generating axis of rotation or about an axis shifted or tilted to be generated ( any other axes are possible).
  • a rotating and / or oscillating movement to generate an image, preferably about the generating axis of rotation or about an axis shifted or tilted to be generated ( any other axes are possible).
  • a seventh aspect of the invention relates to an imaging radiation-optical system, comprising a slit diaphragm according to claim 3, the slit diaphragm executing an oscillating movement to generate an image, preferably parallel and / or perpendicular to the generating translation axis or along an axis shifted or tilted to the generating translation axis (any other axes are possible).
  • a slit diaphragm executing an oscillating movement to generate an image, preferably parallel and / or perpendicular to the generating translation axis or along an axis shifted or tilted to the generating translation axis (any other axes are possible).
  • an imaging radiation-optical system further comprises a detector and a means for evaluation, the means for evaluation being designed to use the detector signal for pixels on the detector in the image area of the slit diaphragm, which is temporally correlated with a movement of the slit, to image an object in the object area to calculate the slit aperture.
  • the detector is preferably a single-channel detector.
  • the means for evaluation can in particular be an electronic circuit or an electronic calculating machine (computer) with a corresponding program for evaluation.
  • An eighth aspect of the invention relates to a method for producing a slit diaphragm, comprising the following steps: producing a slit diaphragm as an inverse hollow shape with a material that is transparent to the radiation to be imaged; Filling the hollow shape with a material that is nontransparent for the radiation to be imaged, in particular a metal powder; Closing the filled hollow form.
  • This method has the advantage that the difficult to produce gap shapes with The twisted ruled surfaces do not have to be created in a laborious manner inside a metal body or formed with the required accuracy, smoothness and precision as a metallic sintered or pressure body, but these difficult-to-produce fine structures initially as an inverse hollow shape with a material that is easier to process and transparent for the radiation to be imaged can be generated (e.g. by means of 3D printing from plastic).
  • a fine metal powder for example tungsten or lead powder
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary modular diaphragm system or the system of a gamma camera
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a modular collimator unit with an exemplary collimator shape “Pars”,
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a modular collimator unit with an exemplary collimator shape “block”,
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an exemplary beam guidance
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a longitudinal section through an exemplary
  • FIG. 10 shows a schematic representation of the simultaneous acquisition of several perspectives in the case of an exemplary collimator shape “puck”,
  • FIG. 11 shows a schematic representation of an accommodation of slit parts in an exemplary collimator
  • FIG. 12 shows a schematic illustration of an exemplary first combination of forms of movement of a collimator
  • FIG. 13 shows a schematic illustration of an exemplary second combination of forms of movement of a collimator
  • FIG. 15 shows a schematic representation of an exemplary first embodiment of a slit diaphragm according to the invention
  • FIG. 16 shows a schematic representation of an exemplary modular structure in a first embodiment of a slit diaphragm according to the invention
  • FIG. 17 shows a schematic representation of an exemplary second embodiment of a slit diaphragm according to the invention
  • FIG. 18 shows a schematic representation of an exemplary modular structure in the second embodiment of a slit diaphragm according to the invention according to FIG. 17,
  • FIG. 19 shows a schematic representation of an exemplary third embodiment of a slit diaphragm according to the invention
  • FIG. 20 shows a schematic illustration of an exemplary modular structure in the second embodiment of a slit diaphragm according to the invention according to FIG. 19, and FIG.
  • FIG. 21 shows a schematic illustration of an exemplary fourth embodiment of a slit diaphragm according to the invention.
  • FIG. 15 shows a schematic representation of an exemplary first embodiment of a slit diaphragm 1000 according to the invention.
  • the slit diaphragm 1000 (“pars”) shown for an imaging radiation-optical system comprises a section of a rotational body K1 designed around a generating axis of rotation R1 as a generated body K1, the generating body K1 Area F (circular area) of the body of revolution K1 is aligned parallel to the axis of rotation R1, the axis of rotation R1 lies outside the generating area F, the section has a rotation angle of less than 360 ° (in this case 180 °) and its surface OF is due to a first component ON1 Surface normals ON is assigned to an inner area I directed towards the axis of rotation R1 and an outer area A pointing away therefrom, surface normals ON aligned parallel to the axis of rotation R1 being assigned to the outer area A and the end surfaces of the body of revolution K1 to the inner area I, whereby i the body
  • FIG. 16 shows a schematic illustration of an exemplary modular structure in a first embodiment of a slit diaphragm 1000 according to the invention.
  • the slit diaphragm 1000 is assembled as a modular structure consisting of individual elements 1010, 1020, 1030.
  • FIG. 17 shows a schematic representation of an exemplary second embodiment of a slit diaphragm 2000 according to the invention.
  • the slit diaphragm 2000 (“puck”) shown for an imaging radiation-optical system comprises a rotational body K2 formed in a ring around a generating axis of rotation R2 as a generated body K2, the generating surface F of the body of revolution K2 is aligned parallel to the axis of rotation R2, the axis of rotation R2 lies outside the generating surface F, the angle of rotation is 360 ° and its surface OF due to a first component ON1 of its surface normal ON an inner area I directed towards the axis of rotation R2 and an outer area A pointing away therefrom, and due to a second component ON2 of its surface normal ON an upper area T pointing in a first direction R21 of the axis of rotation R2 and one in the first direction R21 opposite second direction R22 of rotation axis R2 is assigned lower area U, with surface normals ON aligned perpendic
  • FIG. 18 shows a schematic representation of an exemplary modular structure in the second embodiment of a slit diaphragm 2000 according to the invention according to FIG. 17.
  • the slit diaphragm 2000 is assembled as a modular structure consisting of individual elements 2010, 2020, 2030.
  • FIG. 19 shows a schematic illustration of an exemplary third embodiment of a slit diaphragm 3000 according to the invention.
  • the slit diaphragm 3000 (“block”) shown for an imaging radiation-optical system comprises a translation body K3 embodied as a generated body K3 along a generating translation axis T3, the generating surface F des Translational body K3 is oriented perpendicular to the translational axis T3 and has a longitudinal axis L defined perpendicular to the translational axis T3, its surface OF being assigned to an upper area T and a lower area U pointing away therefrom due to a component of its surface normal ON, whereby parallel to the translational axis T3 and aligned parallel to the longitudinal axis L.
  • the translation body K3 consisting of a material that is nontransparent for the radiation to be imaged and comprising a multiplicity of columns S arranged next to one another (or at least one gap S) which extend completely from the lower area U to the upper area T. extend through the translation body K3 and the two inner boundary surfaces of the individual columns S represent twisted control surfaces, which are designed in such a way that the resulting torsion of the gap openings for each gap S only one free line of sight through the gap S for from on the Object points OP of an object located in the upper area T extended rule surface in the upper area T as an object area OB for a respective image point BP on a detector D in the lower area U as an image area BB.
  • the free lines of sight of all gaps S intersect along a common firing curve BK.
  • the free visual axes of all gaps S preferably cross each other in a common firing curve BK in the interior of the produced body K3, depending on the angle of incidence EW, the distance between the firing curves BK along a firing curve BK preferably being constant.
  • FIG. 20 shows a schematic representation of an exemplary modular structure in the third embodiment of a slit diaphragm 3000 according to the invention according to FIG. 19.
  • the slit diaphragm 3000 is assembled as a modular structure consisting of individual elements 3010, 3020, 3030.
  • FIG. 21 shows a schematic illustration of an exemplary fourth embodiment of a slit diaphragm 3000 ‘according to the invention.
  • This is a particularly weight and material-optimized slit diaphragm 3000 ‘, in which additional material that is not required for imaging or for stabilizing the slit structure was removed by subtracting individual areas from a slit diaphragm 3000 according to the invention according to the third aspect of this invention.
  • the base body K3 is a rod-shaped structure as a translation body K3 of a circular generating surface F (diameter L) with two opposing halves, the generating translation taking place in the direction of the translation axis T3.
  • the translation body K3 consists of a material that is nontransparent for the radiation to be imaged and comprises a gap S, which extends completely from the bottom in the figure to the top in the figure through the translation body K3 and in which the two inner boundary surfaces of the individual gaps are twisted Represent ruled surfaces.
  • material that did not contribute to the image was removed in the form of pieces of cake from the lateral edge areas.
  • the height H2 of the remaining lower segment in the figure is reduced compared to the height H1 in the upper segment.
  • the invention relates to a modular camera system for high-energy beams.
  • a collimator also referred to as a slit diaphragm
  • This fan of rays is generated by points in the object that lie on this fan.
  • a curved line of radiating points is shown in the object.
  • the fan direction is preferably perpendicular to the torsion axis, in the second it is preferably parallel to it.
  • a collimator body is shown as a third form, referred to as a “block”, in which one of the two basic forms of the passage gap can be stacked or moved in a linear direction.
  • the collimator In order to scan a radiating object over a large area, the collimator can be moved in a suitable manner, by means of a pendulum movement, rotation or linear pushing movement, the latter preferably in the "block" shape. Depending on the radiation energy and the radiant object to be imaged, these basic types can be modified or supplemented.
  • the camera system is thus designed in a modular manner.
  • a variant of this system with a single slit or adjacent slits, the opening angles of which do not intersect perpendicular to the torsion axis, can be equipped with a detector whose sensitive volume detects the overall activity of a slit (single-channel detector).
  • a detector whose sensitive volume detects the overall activity of a slit (single-channel detector).
  • an image can then be determined by a suitable reconstruction method.
  • the invention relates to a diaphragm system for hard radiation which has the property of penetrating even dense materials.
  • This type of radiation can be, in particular, gamma rays and any type of bremsstrahlung such as, for. B. X-rays for which there are no optics comparable to those for visible light.
  • collimators or collimator diaphragms in the form of pinhole diaphragms, so-called pinhole collimators or related diaphragms are generally used. In each case there is a defined beam path.
  • a collimator is characterized in that it only allows rays coming from certain spatial directions to pass through to a detector or corresponding measuring device.
  • the diaphragm system presented here works with collimators or collimator diaphragms, which allow the rays that are to be used for imaging to pass through specially designed gaps to the detector.
  • the shape of the columns is determined in each case by a ruled surface (100), as described, for example, in DE 102015 008 272.
  • the columns are delimited on both sides by walls running parallel to the ruled surface.
  • the principle of the ruled surfaces ensures a passage of rays (102) through the collimator body (19).
  • An image generation with these collimators succeeds in that they are moved in a certain way.
  • One of the possible forms of movement is a rotational movement.
  • Rotating collimators for imaging with hard, ie high-energy and therefore strongly material-penetrating beams have been described several times, most recently in the publications DE 102016 004624 or PCT / EP2017 / 058883 and in particular in DE 102017 005 302 and PCT / EP2018 / 064257.
  • the particular advantage of the rotational movement is that any pattern on the image surface that results from the shape of the collimator is blurred in favor of the object pattern.
  • the rotational movement of the collimator enables the generation of a homogeneous image of a radiation source, even with very high-energy beams in the MeV range with a sufficient material layer thickness.
  • the modular diaphragm system described here or the system of a gamma camera, as shown schematically in FIG. 1, represents a functionally adaptable unit. It is therefore referred to as modular because it consists of several components which are exchanged or changed depending on requirements can. Furthermore, an overall system described below can be present in different variants, which z. Sometimes they differ greatly from one another and can thus be optimally adapted to different circumstances.
  • the entire aperture or gamma camera system can be embedded in a stable, load-bearing frame (2) which can be adapted to different conditions and which also accommodates the entire outer shielding (3) of the camera.
  • This consists, for example, of lead or tungsten plates and can also be modularly adapted to the prevailing radiation environment. Stationary and mobile use should be possible, as well as mounting on a gantry, on a crane or on or on a remote-controlled or autonomously moving vehicle.
  • This frame (2) can consist of aluminum profiles or a similar material, which should be as stable, resilient and yet light as possible.
  • the decisive factor is the function of the frame, as it serves as a receptacle for moving parts.
  • the aperture system achieves the properties required for imaging through one or more specially shaped slits (101) which pass through a collimator (19) set in motion and serve to generate a defined beam path.
  • a collimator (19) set in motion and serve to generate a defined beam path.
  • the diaphragm system can be designed in very different forms, since different requirements, for example radiation sources to be imaged in the MeV range, require considerable shielding thicknesses and this sometimes results in or would have a very high overall weight and bulky / unwieldy dimensions of an overall system.
  • collimator shapes are described here which are not rotationally symmetrical, ie do not have to perform a corresponding rotational movement, but, for example, only have to oscillate to a small extent or perform a pushing movement.
  • the mechanics that move the collimator (19) and ultimately the entire construction of the entire diaphragm system fail.
  • Each version of the diaphragm system or the gamma camera system requires a movable housing or a movable receptacle (4) for the multipart, modular collimator unit (20) located within the described outer frame (2).
  • This unit (20) can be divided into a main collimator (21) and additional diaphragm parts (22), as well as additional shielding elements (23). All components of the collimator unit (20) can be removed from their movable housing (4) separately from one another and exchanged for corresponding elements as required. As a result, a large number of applications or possible uses can be served in a single device. Additional shielding elements (23) and additional diaphragm parts (22), which supplement the main collimator (21) and have stronger shielding properties, are required, for example, when measurements are to be carried out or imaging is to take place in higher energy ranges.
  • All components of the collimator unit (20) can be made of different shielding, radiopaque materials such as lead, tungsten or even depleted uranium (U-238).
  • the sensitive part of a detector (51) can be arranged at a selectable distance from one of the two sides of the collimator (19) and (20), more precisely on the side of the gap entrances or exits (103), but basically at or On all sides of the collimator unit (20) (with reference to all three spatial directions) as long as it is located inside the shield (3). In the case of more compact designs, it can also connect directly to the collimator (19) and (21) or the collimator unit (20) or be connected to it. If it is, for example, a scintillator crystal, the light emitted by it can be directed to the outside through a lens, light guide and mirror system (53), the signal conversion then taking place outside the shielded area (3). In the event of extreme external radiation exposure, in which any electronic device would be damaged, especially when operated with high voltages, light guides (53) can lead to less radiation-exposed environments.
  • collimator unit (20) there are three shape variants or collimator shapes as the collimator unit (20) and combinations of these in question. These three are a rotationally symmetrical, approximately disk-shaped shape (puck) (210) with a direction of radiation from one (upper) side (12) to the other (lower) (13), a partially rotationally symmetrical shape as a sector of a cylinder with a gap perpendicular to the cylinder - or axis of symmetry (110) (pars) (220) either from the inside (15) to the outside (16) or vice versa, from the outside (16) to the inside (15), and a non-rotationally symmetrical shape (block) (230), which be pushed back and forth, ie moved linearly, can be.
  • a rotationally symmetrical, approximately disk-shaped shape (puck) with a direction of radiation from one (upper) side (12) to the other (lower) (13)
  • the rotationally symmetrical collimator (210) called the "puck” is on a beam passage (102) from one side, pictorially above (12) the x / y or zero plane (10), through the body to the other, pictorially below (13 ), or the other way around.
  • Fig. 7 illustrates which path the radiation takes.
  • the essential part of the provided beam passages (102) accordingly runs parallel to the axis of movement or rotation (110), in contrast to the cylindrical collimators described in the above-mentioned publications.
  • This collimator shape is preferably provided with several columns (101) which are arranged completely in a circle around the central axis of rotation (110). This has the advantage of obtaining depth information, which is described in detail below.
  • the disc-shaped shape (211) of the puck can be in an annular shape (214), i.e. H. be modified to a torus in order to achieve the longest possible beam passage (102) both from lateral (14) directions and perpendicular (11), d. H. parallel to the axis of rotation, (110) to enable.
  • Both basic shapes, torus (214) and disc (211) can be combined with one another and allow a hole (215) in the center to hold the axle.
  • Parts of it can be designed interchangeably as additional elements or further parts can be added, for example a hood-like collimator part
  • the rotationally symmetrical variant (“puck”) (210) offers the property of the simultaneous acquisition of multiple perspectives on a radiating object (130) to be imaged with only a single collimator, as can be seen in FIG. 10.
  • the partial passage (102) of the collimator body is made possible and so two corresponding beam paths (104) are always open for a certain perspective at a time.
  • FIG. 10 A pair of two opposing columns (104) target the same point in space above the collimator. From the signals from the various points of the detector, in addition to the position (12) above the x / y plane (10), the height in the z direction (11) can also be determined.
  • every point within a certain viewing area is “seen” by all columns, which enables depth perception in the object with multiple sensitivity in this area.
  • pars The partially rotationally symmetrical collimator shape, called pars (220), can be viewed as a cylinder segment as a portion of a solid cylinder with the base or top surface of a circular sector (221) with a freely selectable central angle.
  • This sector then comprises at least the horizontal opening angle of the collimator, i. H. the area that can be viewed or detected with a gap or several overlapping columns.
  • the essential direction of irradiation or the gap course (102) resulting in the passage of rays is perpendicular (11) to the torsion axis (110) for all gaps.
  • the collimator (19) / (20) / (21) is rotated around this axis, but not in a complete circle, but in a pendulous, i.e. H. oscillating movement (43).
  • the amplitude of this movement must at least cover the horizontal angle between two columns.
  • the beam passage (102) can move from the inside (15) to the outside (16) or vice versa, from the outside to the inside, i.e. from the side of the movement axis (15) towards the jacket of the collimator originating from a cylinder (16) and vice versa, depending on the type of detector.
  • a collimator with this shape of the collimator body (220) is available, interchangeable parts of the collimator on the part of the movement or pendulum axis (15) in the form of a cylinder segment similar to a pie slice or in the form of part of a hollow cylinder (222) and on the part of the outside (16) of the main collimator, i.e. . H. on the side of the jacket (assuming a pie-like cylinder segment with the base area of a sector of a circle) can be used with freely selectable central angles and wall thicknesses (223) adapted to the main collimator.
  • the third form of collimator is a non-rotationally symmetric collimator and is used here called "Block" (230) because of its cuboid appearance.
  • Block In this basic collimator shape, as in the two collimator shapes described above, columns (101) with changes in shape described below can be contained and several columns can be arranged in a particularly diverse manner, also described in more detail below.
  • Within a multi-part collimator unit (20) with modular, interchangeable collimator parts, these can be attached above (12) and / or below (13) the main collimator (21) and, like the main collimator, in a cuboid shape or in the form of a cylinder part with a square or rectangular base - or top surface are present, as demonstrated in FIG. 5. Due to its shape, this collimator can perform a pushing movement (44).
  • This variant also offers the possibility of arranging columns in such a way that spatial imaging can be realized with just a single collimator by simultaneously capturing several perspectives.
  • Collimator shapes that have a combination of the three basic shapes and features mentioned are also possible.
  • collimator shapes described and the additional or optional collimator parts and additional shielding elements (23), which are to be accommodated together in a movable receptacle or a movable housing (4), can be combined in the collimator unit (20) described above.
  • the different collimator shapes can be special
  • Gap shapes included.
  • the shape of a gap can be described or characterized with a ruled surface (100), which is the central surface between the two walls of the same that delimit a gap.
  • the changed special gap shapes cannot be characterized with the help of the ruled surface shape, which was described in the publications mentioned above. That was where the
  • 6b illustrates the correspondingly expanded control surface (39) for angles ⁇ over 90 ° (36) and thus the basis for beam passages which run perpendicular to the direction of movement of a collimator.
  • 7 shows a longitudinal section through the collimator shape “puck”, which is equipped with gaps (101) of the resulting gap shape.
  • the expanded vertical angular range is also shown, which lies between the two straight lines (106) which delimit a fan of the possible beam passages (105).
  • the rules for creating the ruled surface (100) for the gap guide can also be extended to the effect that the focal points F (30) no longer lie on a closed circle or circular arc (32), but, for example, on curves (33) that are more or run less tangential to the original focal circle (31), as shown in FIGS. 8a, 8b and 8c, and have no kink.
  • the central axis (110) through which all rays run in the collimator can also be modified to form a suitable arc that lies on the plane perpendicular to the focal circle (30). This avoids the creation of larger cavities when several columns are arranged in a circle caused by the superposition of gaps in the vicinity of the focal circle (31) or (32) (see FIGS. 8a and 8b).
  • “pars” (220) and “block” (230) are shown, which carry a gap that was generated by means of the variable torsion described (133).
  • one or more not curved, but straightened columns can be seen.
  • all collimator shapes can be adapted in this way to specific geometries if such an adaptation should be necessary or advantageous for specific sensor or detector shapes.
  • the gap lumen (101) may be filled with different supporting, shaping materials.
  • these materials can also have properties that attenuate the radiation to be traversed through a gap (101).
  • this reference point which was previously on the central axis (110), can be shifted. This fixed positional relationship between several columns can also be resolved. The result would be a certain angular offset arrangement of the
  • Main direction of movement can be adjusted.
  • the slits if necessary after a suitable rotation or a Repositioning by rotation in space, either vertically along the z-axis or laterally along the y-direction, ie stacked tangentially to the focal circle (31).
  • FIG. 10 using the example “block” (230), several columns (133) changed by variable torsion are shown offset at an angle and stacked along the y-direction.
  • a collimator can be traversed by both complete (101) and partial slits (144) which do not cover the full angular range of a complete slit.
  • at least one movement component is essential. However, several movement components or a movement which is composed of several partial movements may also be necessary. Also, depending on the shape of the collimator body and the column guidance or the type of design of the columns in the collimator, different forms of movement may be useful.
  • Non-rotationally symmetrical collimators (230) should most likely be set in a pushing movement (44). Apart from movements about one or more axes (40), movements along paths can also be selected, which can be circular, elliptical, curved or straight.
  • Sensible combinations of the named forms of movement are also possible, for example a pendulum movement (43) of the collimator unit combined with a rotational (42) or pushing movement (44) of the overall system.
  • Such sensible combinations are used in FIGS. 12, 13 and 14.
  • the new different collimator shapes (210), (220) and (230) with their additional elements allow different designs of gamma cameras specially adapted to certain requirements and thus also different designs of detectors (50) or parts of a detector (51) belonging to the diaphragm system.
  • Part of a detector is, for example, a scintillation crystal. In this light flashes are triggered by incoming gamma rays, which are then registered with photosensors and thus deliver an electronic signal that can be used for imaging.
  • the scintilator crystal (51) remains with the collimator unit (20) in the extreme environment in which, for example, a radiation source to be imaged is located, and the light pulses generated in the scintilator crystal (51) are conducted to the subsequent remaining detector component via a light-conducting connection (53) is further away or outside of the extreme electronics destructive environment where further imaging can take place.
  • the fact that the direction of radiation can basically be reversed can be used. So far it has only been considered that incident rays first pass through the torsion axis (111) and only then hit the collimator (220), are passed through a gap (101) and then, fanned out, hit a detector, which is preferably designed as a matrix detector . If the collimator (19) has several or, as in this case (220), only a single slit (101) or adjacent slits, whereby the respective fan beams (105) do not overlap, a detector (50) or (51) can also be placed on the other side of the beam path, ie not on the outside (16), but on the inside (15). This is shown in principle in FIG.
  • the sensory part (51), preferably a scintillator crystal, can, for example, fill the space around the torsion axis (111) or movement axis (110) in the shape of a rod.
  • the signal registered by the detector represents the summed up intensity of all rays which enter through the columns (101) and (144) from the fanned out side in the direction of the torsion axis (110).
  • Moving the collimator around its axis of movement (110) changes the position of the fan (105) or (155) of the incident rays in space. If one looks at the object plane from which the rays come, a more or less curved line is formed by each of these fans (105) or (155).
  • a pattern of parallel stripes can be generated therefrom, the intensity of each individual stripe being determined by a measured value.
  • the entire camera can be rotated around its central movement axis (310) perpendicular to the image plane in a range, preferably of 180 °, in several steps. With the strip patterns that are gradually generated, an image can then be generated using a suitable reconstruction method.
  • FIG. 13 shows a variant of a camera system with which a comparable result can be achieved.
  • the combination of pushing movement (44) and rotational movement (42) of the overall system, consisting of frame (2), shielding (3), movable housing (4) and detector (50) located inside the shielding (3) is implemented.
  • the sensitive volume of a detector (51) can be enlarged as required within the space available in the camera in order to increase the sensitivity of the camera to high-energy radiation.
  • a collimator (19) with a single slit (101) can be connected to a detector (50) or, in this constellation, the sensitive part (51) and then linearly in one direction in a pushing movement (44). be offset so that the fan (105) of the incident rays is inclined to the direction of movement.
  • a second camera of the same design is then pushed over the same path, the fan direction (105) of which is oriented in the opposite direction for incident rays, preferably offset by 90 °. Both cameras can also be combined in one housing, as can be seen in FIG. 14. An image can then be reconstructed by superimposing the generated stripe patterns.
  • Modular aperture system or system of a gamma camera consisting of: a. Versatile mountable and movably mounted frame for the entire gamma camera or aperture system with all-round shielding of the entire system; b. Movable holder or movable housing with movement mechanism for the following interchangeable individual components, combined as a collimator unit: i. Collimator for generating a defined beam path traversed by one or more specially shaped columns; ii. optional interchangeable collimator parts that complement the collimator; iii. additional shielding elements for the collimator for use in higher energy ranges; c. Storage and controllable drive mechanism for moving the collimator or the diaphragm system; d. Detector that can be placed in different ways, complete detector or sensitive volume of the detector can be placed on or on all sides of the collimator or the collimator unit (in relation to all three spatial directions).
  • One-part or multi-part collimator shapes that can be dismantled: a. rotationally symmetrical collimator (puck) in the following shape variants and designs: i. cylindrical, flat, disc-shaped; ii. toroidal; iii. in the form of a hollow cylinder; iv. Combination of the named forms; v. with a beam-guiding slit through an annular collimator area; vi.
  • Optional interchangeable collimator parts e.g. to increase the resolution or the shielding material thickness:
  • hood-like collimator part to be attached or put on above the main collimator
  • Ring-like collimator part to be attached or placed below the main collimator
  • Non-rotationally symmetrical collimator in the following shape variants and designs: i. cuboid; ii. rod-shaped; iii. with changeable collimator parts, to be attached above and / or below the main collimator, in the form of a cuboid or in the form of a cylinder part with a square or rectangular base or top surface; d. Collimator shapes that have a combination of the features mentioned.
  • slit parts in the collimator ie: a. Portions or segments of a complete slit in the collimator; b. Combination of complete slits and slit parts in the collimator.
  • collimators but also combined modular units consisting of the collimator, the mechanics that move it, including shielding elements, parts thereof or the diaphragm system as a whole, can be moved in the following manner necessary for collimation: a. around an axis; b. Partial rotation or pendulum movement / oscillating; c. along tracks: i. circular; ii. elliptical; iii. curved; iv. straight; d. sensible combination of the named forms of movement, d. H.
  • the overall movement is composed of several individual movements or movement components.
  • Detector / crystal can be placed in different places: a. on the motion / pendulum axis; b. before or after the collimator (starting from the beam direction) because of the reversibility of the beam direction.
  • Camera system consisting of two complete cameras (at least collimator and sensitive detector part) one above the other, collimators each equipped with a slit, slits arranged in opposite directions or offset from one another, preferably by 90 °, moved with a pushing movement.
  • first element e.g. upper part
  • second element e.g. middle part
  • third element e.g. lower part
  • K1, K2, K3 generated body body of revolution or translation body
  • collimator collimator body, collimator volume, multi-part, modular collimator unit
  • Main collimator (21) additional additional diaphragm parts additional shielding elements rotationally symmetrical, approximately disc-shaped collimator shape or collimator variant (puck)
  • Detector sensitive part of a detector part of a detector, scintillation crystal specially shaped gap (s), gap (s) changed by variable torsion
  • Focal circle arc with the radius f on the x / y plane (11), on which the focal point F moves after the torsion also referred to as "focal circle", closed circle or circular arc, which extends through the focal circles of adjacent overlapping columns ( 101) result in a curve or focal arc / focal arcs, similar to (31), but not a circular arc with a constant radius, but larger cavities with a changing radius due to the superposition of gaps in the vicinity of the focal circle (31) or (32)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Spaltenblenden für ein abbildendes strahlenoptisches System, einen Blendensatz für ein abbildendes strahlenoptisches System, abbildende strahlenoptische Systeme sowie ein Verfahren zur Herstellung von Spaltenblenden für ein abbildendes strahlenoptisches System. Eine Spaltenblende (1000, 2000, 3000) für ein abbildendes strahlenoptisches System umfasst einen aus einer erzeugenden Fläche (F) extrudierten Körper (K1, K2, K3) dessen Oberfläche in verschiedenen Bereichen zugeordnet ist, wobei der Körper (K1, K2, K3) aus einem für die abzubildende Strahlung intransparenten Material besteht und mindestens einen Spalt (S) oder eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spalten (S) umfasst, welche sich vollständig durch den Körper (K1, K2, K3) hindurch erstrecken und wobei die beiden inneren Begrenzungsflächen der einzelnen Spalten (S) tordierte Regelflächen darstellen, die derart ausgebildet sind, dass die sich daraus ergebende Torsion der Spaltöffnungen für jeden Spalt (S) jeweils nur eine freie Sichtachse durch den Spalt (S) zwischen auf der erweiterten Regelfläche liegenden Objektpunkten (OP) eines Objektes (O) und jeweils einem Bildpunkt (BP) auf einem Detektor (D) ergibt.

Description

Titel
Abbildendes strahlenoptisches System
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft Spaltenblenden für ein abbildendes strahlenoptisches System, einen Blendensatz für ein abbildendes strahlenoptisches System, abbildende strahlenoptische Systeme sowie ein Verfahren zur Herstellung von Spaltenblenden für ein abbildendes strahlenoptisches System.
Stand der Technik
Zur Darstellung von Objekten, von denen hochenergetische Strahlen ausgehen, stehen unterschiedliche Kollimatorsysteme zur Verfügung, die unterschiedlich aufgebaut sind. Hierbei handelt es sich zumeist um Lochblenden, die nach dem System einer Lochkamera funktionieren, großflächige Rasterblenden (Söller-Kollimatoren), wie sie in einer Angerkamera zu finden sind, kleinflächige Rasterblenden („coded aperture“), die Muster auf Matrixdetektoren werfen, welche anschließend herausgerechnet werden müssen, um ein Bild zu erhalten, sowie Spaltblenden („knife edge camera“), mit der die Eindringtiefen ionisierender Strahlung in Objekte vermessen werden. Alle Kameras mit derartigen Blenden verwenden Matrixdetektoren unterschiedlicher Bauarten zur Bildaufnahme. Ein gemeinsamer Nachteil all dieser Kameras ist eine abnehmende Bildqualität mit anwachsender Strahlungsenergie, besonders oberhalb von ca. 0,5 MeV. Um ein akzeptables Signal/Rausch-Verhältnis zu erreichen, muss das Blendenmaterial mit steigender Energie immer dicker ausgelegt werden, womit die Konstruktion abbildender Kollimatoren immer schwieriger wird. Außerdem erfordern hohe Energien Detektoren mit sehr dicken Sensorschichten, beispielsweise Szintillatoren, um eine ausreichende Strahlenausbeute und damit eine hinreichende Effizienz zu erreichen. Für den Hochenergiebereich ist kein marktgängiges Kamerasystem bekannt, das in der Lage ist, in einer akzeptablen Zeit über einen größeren Bereich millimetergenaue Bilder zu erzeugen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Spaltenblenden für ein abbildendes strahlenoptisches System, einen Blendensatz für ein abbildendes strahlenoptisches System, abbildende strahlenoptische Systeme sowie ein Verfahren zur Herstellung von Spaltenblenden für ein abbildendes strahlenoptisches System zur Verfügung zu stellen, mit welchen die im Stand der Technik auftretenden Probleme bei der Abbildung insbesondere von hochenergetischer Strahlung vermieden oder zumindest deutlich abgeschwächt werden können. Dabei soll das strahlenoptische System nicht notwendigerweise auf einen Matrixdetektor aufbauen, sondern es soll auch ein Einkanaldetektor verwendbar sein.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 3, 9, 10, 12, 13 und 15 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen enthalten.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Spaltenblende für ein abbildendes strahlenoptisches System, umfassend einen Ausschnitt aus einem um eine erzeugende Rotationsachse als erzeugter Körper ausgebildeten Rotationskörper (d. h. ein Rotationskörpersegment), wobei die erzeugende Fläche des Rotationskörpers parallel zur Rotationsachse ausgerichtet ist, die Rotationsachse außerhalb der erzeugenden Fläche liegt, der Ausschnitt einen Rotationswinkel von kleiner als 360° (vorzugsweise kleiner oder gleich 270°, bevorzugter kleiner oder gleich 180°) aufweist und dessen Oberfläche aufgrund einer ersten Komponente seiner Oberflächennormalen einem auf die Rotationsachse gerichteten Innenbereich und einem davon wegweisenden Außenbereich zugeordnet ist (bevorzugt zumindest abschnittsweise bei komplexen erzeugenden Flächen), wobei parallel zur Rotationsachse ausgerichtete Oberflächennormalen dem Außenbereich und die Endflächen des Rotationskörpers dem Innenbereich zugeordnet sind, wobei der Rotationskörper aus einem für die abzubildende Strahlung intransparenten Material besteht und mindestens einen Spalt oder eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spalten umfasst, welche sich vollständig vom Innenbereich zum Außenbereich durch den Rotationskörper hindurch erstrecken und wobei die beiden inneren Begrenzungsflächen der einzelnen Spalten tordierte Regelflächen darstellen, die derart ausgebildet sind, dass die sich daraus ergebende Torsion der Spaltöffnungen für jeden Spalt jeweils nur eine freie Sichtachse durch den Spalt für von auf der in den Außenbereich erweiterten Regelfläche liegenden Objektpunkten eines Objektes im Außenbereich als Objektbereich zu jeweils einem Bildpunkt auf einem Detektor im Innenbereich als Bildbereich ergibt. Die Begriffe innen und außen sind vorzugsweise auf die Lage der Rotationsachse bezüglich des erzeugten Körpers bezogen. Dass die Rotationsachse außerhalb der erzeugenden Fläche liegt bedeutet, dass die Rotationsachse diese Fläche nicht schneidet. Die Rotationsachse kann jedoch von außerhalb unmittelbar an die erzeugende Fläche angrenzen.
Beispielsweise kann es sich hierbei um eine halbe Torus- bzw. Donut-Struktur als Rotationskörpersegment mit einer kreisförmigen oder elliptischen erzeugenden Fläche handeln, bei dem die einzelnen Spalten sich von einem mittleren Innenseitenbereich zu einem mittleren Außenseitenbereich durch den Körper hindurch erstrecken. Die Erstreckungsrichtung des Spaltes oder der Spalten sind bei dieser Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende im Wesentlichen senkrecht auf die Rotationsachse (d. h. in einem Winkel von um die 90° zur Rotationsachse) gerichtet. Vorzugsweise erstreckt sich die Öffnung des Spalts bzw. der Spalten im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse, bevorzugt innerhalb eines maximalen Winkelbereichs von größer 45° bis 135° zur Rotationsachse.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Spaltenblende für ein abbildendes strahlenoptisches System, umfassend einen ringförmig um eine erzeugende Rotationsachse als erzeugter Körper ausgebildeten Rotationskörper, wobei die erzeugende Fläche des Rotationskörpers parallel zur Rotationsachse ausgerichtet ist, die Rotationsachse außerhalb der erzeugenden Fläche liegt, der Rotationswinkel 360° beträgt und dessen Oberfläche aufgrund einer ersten Komponente seiner Oberflächennormalen einem auf die Rotationsachse gerichteten Innenbereich und einem davon wegweisenden Außenbereich sowie aufgrund einer zweiten Komponente seiner Oberflächennormalen einem in eine erste Richtung der Rotationsachse weisenden oberen Bereich und einem in die der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung der Rotationsachse weisenden unteren Bereich zugeordnet ist (Unterteilungen bevorzugt zumindest abschnittsweise bei komplexen erzeugenden Flächen), wobei senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtete Oberflächennormalen dem oberen Bereich zugeordnet sind und parallel zur Rotationsachse ausgerichtete Oberflächennormalen dem Außenbereich zugeordnet sind, wobei der Rotationskörper aus einem für die abzubildende Strahlung intransparenten Material besteht und mindestens einen Spalt oder eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spalten umfasst, welche sich vollständig vom oberen Innenbereich zum Außenbereich durch den Rotationskörper hindurch erstrecken und wobei die beiden inneren Begrenzungsflächen der einzelnen Spalten tordierte Regelflächen darstellen, die derart ausgebildet sind, dass die sich daraus ergebende Torsion der Spaltöffnungen für jeden Spalt jeweils nur eine freie Sichtachse durch den Spalt für von auf den in den oberen Bereich erweiterten Regelfläche liegenden Objektpunkten eines Objektes im oberen Bereich (vorzugsweise oberer Innenbereich) als Objektbereich zu jeweils einem Bildpunkt auf einem Detektor im Außenbereich (vorzugsweise unterer Außenbereich) als Bildbereich ergibt. Die Begriffe innen und außen sind vorzugsweise auf die Lage der Rotationsachse bezüglich des erzeugten Körpers bezogen. Die Begriffe oben und unten dienen lediglich einer Unterscheidung bezüglich der Richtungen und legen keine definierte Lage im Raum fest.
Beispielsweise kann es sich hierbei um eine komplette Torus- bzw. Donut-Struktur als Rotationskörper mit einer kreisförmigen oder elliptischen erzeugenden Fläche handeln, bei dem die einzelnen Spalten sich von einem oberen Innenseitenbereich zu einem unteren Außenseitenbereich durch den Körper hindurch erstrecken. Die Erstreckungs richtung des Spaltes oder der Spalten können bei dieser Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende beispielsweise unter einem Winkel zwischen etwa 120° und 150° zur Rotationsachse ausgerichtet sein. Die Öffnung des Spalts bzw. der Spalten kann sich beispielsweise um ±15° um dieser Erstreckungsrichtung herum erstrecken.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Spaltenblende für ein abbildendes strahlenoptisches System, umfassend einen entlang einer erzeugenden Translationsachse als erzeugter Körper ausgebildeten Translationskörper, wobei die erzeugende Fläche des Translationskörpers senkrecht zur Translationsachse ausgerichtet ist und eine senkrecht zur Translationsachse definierte Längsachse aufweist, wobei dessen Oberfläche aufgrund einer Komponente seiner Oberflächennormalen einem oberen Bereich und einem davon wegweisenden unteren Bereich zugeordnet ist (Unterteilungen bevorzugt zumindest abschnittsweise bei komplexen erzeugenden Flächen), wobei parallel zur Translationsachse sowie parallel zur Längsachse ausgerichtete Oberflächennormalen dem oberen Bereich zugeordnet sind, wobei der Translationskörper aus einem für die abzubildende Strahlung intransparenten Material besteht und mindestens einen Spalt oder eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spalten umfasst, welche sich vollständig vom unteren Bereich zum oberen Bereich durch den Translationskörper hindurch erstrecken und wobei die beiden inneren Begrenzungsflächen der einzelnen Spalten tordierte Regelflächen darstellen, die derart ausgebildet sind, dass die sich daraus ergebende Torsion der Spaltöffnungen für jeden Spalt jeweils nur eine freie Sichtachse durch den Spalt für von auf der in den oberen Bereich erweiterten Regelfläche liegenden Objektpunkten eines Objektes im oberen Bereich als Objektbereich zu jeweils einem Bildpunkt auf einem Detektor im unteren Bereich als Bildbereich ergibt. Die Begriffe oben und unten dienen lediglich einer Unterscheidung bezüglich der Richtungen und legen keine definierte Lage im Raum fest.
Beispielsweise kann es sich hierbei um eine quaderförmige Struktur als Translationskörper einer rechteckigen erzeugenden Fläche mit zwei sich einander gegenüberliegenden rechteckigen Deckflächen (mit jeweils dem größten Flächeninhalt) handeln, bei dem die einzelnen Spalten sich von der unteren Deckfläche zu der oberen Deckfläche durch den Körper hindurch erstrecken. Ebenfalls beispielsweise kann es sich hierbei auch um eine stabförmige Struktur als Translationskörper einer kreisförmigen oder elliptischen erzeugenden Fläche mit zwei sich einander gegenüberliegenden Hälften handeln, bei dem die einzelnen Spalten sich von der unteren Hälfte zu der oberen Hälfte durch den Körper hindurch erstrecken.
Die folgenden Erläuterungen zu den einzelnen Merkmalen gelten für alle bisher genannten Aspekte der Erfindung.
Unter einer Spaltenblende wird eine Blende für eine abzubildende Strahlung, insbesondere eine hochenergetische Gammastrahlung, Röntgenstrahlung aber auch Teilchenstrahlung wie etwa a-Strahlung oder Neutronen, verstanden, welche mindestens einen oder eine Vielzahl von spaltförmigen Durchlässen für die Strahlung aufweist. Im weitesten Sinne entspricht eine Spaltenblende mit einer Vielzahl von Spalten somit einem dicken optischen Transmissionsgitter bei dem die Spalten nicht parallel zueinander durch das Gittermaterial hindurchgeführt sind, sondern durch eine Torsion der einzelnen Gitterebenen eine Art direktionale Pinhole-Struktur ausbilden. Die Spalten sind vorzugsweise als Ausnehmung im Material der Spaltenblende realisiert, d. h. die abbildende Strahlung tritt in Luft, Vakuum, Stickstoff oder einem anderen die Spaltenblende umgebenden Medium durch die einzelnen Spalte hindurch. Die Spalten können jedoch auch zumindest teil- oder abschnittsweise aus einem für die abzubildende Strahlung transparenten Material bestehen. Hierbei kann es sich insbesondere um Kunststoff, Glas oder Keramik handeln. Durch ein Auffüllen oder Ausbilden der Spalte aus einem für die abzubildende Strahlung transparenten Material können der Brechungsindex und damit die optischen Eigenschaften innerhalb der Spalte angepasst werden. Zudem kann dadurch auch einer Veränderung der Spaltmaße gegenüber einer thermischen Ausdehnung bei einer Temperaturveränderung der Spaltenblende entgegengewirkt werden (athermale Spaltenblende).
Unter einem abbildenden strahlenoptischen System ist ein System zu verstehen, welches beispielsweise eine erfindungsgemäße Spaltenblende, eine Blendenhalterung
(z. B. einen Sockel oder Träger für die Spaltenblende), einen Detektor für die abzubildende Strahlung (z. B. Matrixdetektor, Einkanaldetektor) und einem optionalen Objekthalter (z. B. für eine Strahlungsquelle) umfasst.
Eine Regelfläche hat die Eigenschaft, dass durch jeden Punkt der Fläche eine Gerade geht, welche ganz in der Fläche (bzw. dem zur Definition der Spalten herangezogenen Regelflächenabschnitt) enthalten ist.
Als freie Sichtachse wird ein durchgehender optischer Pfad von einem Objektpunkt zu einem Bildpunkt durch eine Spalte der Spaltenblende bezeichnet. Für jede Spaltposition und Durchgangsrichtung gibt es vorzugsweise immer nur eine freie Sichtachse von einem einzelnen Objektpunkt zu einem einzelnen Bildpunkt durch die Spaltenblende.
Die Form einer einzelnen Spaltöffnung entspricht aufgrund der Form der beiden inneren Begrenzungsflächen näherungsweise ebenfalls einer tordierten Regelfläche (dicke Regelfläche). Die räumliche Tiefe des Blendenkörpers führt dazu, dass den Spalt im Wesentlichen nur ausgehende Strahlung von solchen Punkten von Objekten auf der Objektseite passieren kann, welche innerhalb der auf die Objektseite erweiterten Regelfläche des Spaltes angeordnet sind. Bei einer entsprechend ausgebildeten Torsion der Regelfläche kann die mögliche Transmission durch den Spalt weiterhin derart eingeschränkt werden, dass vom jeweils transmissionsfähigen Winkelspektrum dieser Objektpunkte jeweils nur ein einziger optischer Weg transmissionsfähig bleibt. Ein einzelner Spalt stellt somit modellhaft eine unmittelbare Aneinanderreihung einer Vielzahl von extrem richtungsselektiven dicken Lochblenden mit ortsabhängiger räumlicher Blendenausrichtung dar. Der prinzipielle Aufbau und die Funktion solcher Spalten aufgrund von Regelflächenfunktionen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt, daher wird auf diese nicht weiter eingegangen.
Der Vorteil gegenüber bekannten Spaltenblenden liegt in der weitgehenden Vereinfachung der genutzten Blendenkörper auf jeweils ein grundlegendes Körperelement zur Gewichts- und Funktionsoptimierung. Für die technische Funktion der Spaltenblende sind im Wesentlichen allein die Form und die Ausbildung der einzelnen Spalte innerhalb eines für die abzubildende Strahlung intransparenten Materials entscheidend. Zur weiteren Gewichtsreduzierung kann am Körper der Spaltenblende in den Bereichen außerhalb der einzelnen Spalte durch Wegschneiden bzw. Weglassen noch zusätzlich Material, welches nicht zur Abbildung oder zur Stabilisierung der Spaltstruktur benötigt wird, eingespart werden. Solche besonders gewichts- und materialoptimierten Spaltenblenden ergeben sich entsprechend durch Subtraktion einzelner Bereiche aus den genannten erfindungsgemäßen Grundkörpern und werden daher als zu diesen äquivalent angesehen. Vorzugsweise kreuzen sich die freien Sichtachsen zumindest teilweise im Inneren des erzeugten Körpers. Dies entspricht dem Brennpunkt bei einer gewöhnlichen optischen Abbildung, an dem eine Richtungsumkehrung bei den Seitenverhältnissen der Abbildung stattfindet. Abhängig von der Torsion der Spaltdurchlässe und von deren gegenseitiger Anordnung können Kreuzungspunkte sowohl innerhalb als auch außerhalb der Spaltenblende realisiert werden. Kreuzungspunkte im Inneren der Spaltenblende haben jedoch den Vorteil, dass insbesondere bei hochenergetischer Strahlung keine potentiell gefährliche oder störanfällige Leistungskonzentration in Bereichen außerhalb der Spaltenblende auftritt und diese somit gleichzeitig als Abschirmung fungiert (intrinsische Abschirmung). Beispielsweise stellen bei intensiver Laserstrahlung bereits kleinste Staubteilchen aufgrund der lokal hohen Leistungsdichte gefährliche Streuzentren dar, welche unterdrückt bzw. deren Streustrahlung abgeschirmt werden muss. Bei Kreuzungspunkten innerhalb der Spaltenblende entfällt die Notwendigkeit für einen zusätzlichen Staubschutz bzw. eine Strahlungsabschirmung.
Vorzugsweise kreuzen sich die freien Sichtachsen aller Spalte entlang einer gemeinsamen Brennkurve im Inneren des erzeugten Körpers. Abhängig von der Torsion der Spaltdurchlässe und von deren gegenseitiger Anordnung können die einzelnen Kreuzungspunkte derart angeordnet werden, dass diese sich entlang einer gemeinsamen Brennkurve (analog zum Brennpunkt bei einer Linse) erstrecken. Bei einem Rotationskörper kann es sich dabei insbesondere um einen Brennkreis bzw. einen Brennkreisabschnitt im Inneren handeln. Bei einem Translationskörper kann es sich insbesondere um eine Brennlinie handeln. Alle Regelflächen der zugehörigen Spalte weisen somit einen Punkt auf der Brennkurve auf, dieser kann dem jeweiligen Torsions punkt für die Torsion der einzelnen Regelflächen entsprechen. Eine gemeinsame Brennkurve hat den Vorteil, dass die Abbildung auf einem Detektor in einheitlicher Tiefe erfolgen kann und keine zusätzlichen richtungsabhängigen Verzerrungen durch unterschiedliche „Brennweiten“ der einzelnen Spaltdurchgänge auftreten.
Vorzugsweise kreuzen sich die freien Sichtachsen aller Spalten in Abhängigkeit vom Einfallswinkel jeweils in einer gemeinsamen Brennkurve im Inneren des erzeugten Körpers, wobei der Abstand zwischen den Brennkurven entlang einer Brennkurve bevorzugt konstant ist. Der Abstand kann jedoch auch verschieden gewählt werden. Unter einem Einfallswinkel wird der Winkel einer freien Sichtachse in Bezug auf den Spalt verstanden. Er ist analog zum Einfallswinkel bei einem herkömmlichen abbildenden optischen System zu verstehen. Es kommt hierbei nicht auf die genaue Ausrichtung des Einfallswinkels an, entscheidend ist die Abweichung vom senkrechten Einfall auf den Spalt. Es kann sich jedoch insbesondere um den Höhenwinkel in einer Richtung, vorzugsweise in Richtung der lokalen Erstreckungsrichtung eines Spaltes handeln. Jedem Einfallswinkel wird somit eine eigene Brennkurve zugewiesen. Die Kreuzungspunkte der einzelnen freien Sichtachsen unterscheiden sich somit abhängig vom Einfallswinkel. Eine solche Ausführungsform hat den Vorteil, dass auch im Inneren der Spaltenblende die Leistungsdichte räumlich verteilt werden kann. Zudem werden die einzelnen Spaltgeometrien durch die räumliche Aufweitung des Brennbereichs einfacher herstellbar. Insbesondere wenn mehrere Spalten in einer Spaltenblende vorhanden sind und die jeweiligen Brennkurven der einzelnen Spalten sich überlagern, kann es durch die daraus resultierende verhältnismäßig starke Überlagerung der einzelnen Spaltverläufe im Bereich der Brennkurven zu einer Aushöhlung des Blendenkörpers und somit zum Verlust des zu einer scharfen Abbildung notwendigen abschirmenden Materials kommen. Das Auseinanderstreben der einzelnen Brennkreise wirkt dem entgegen. Eine zusätzlich erzeugte räumliche Verzerrung bei der Abbildung kann durch entsprechende Detektorgeometrien ausgeglichen oder durch Nachbearbeitung herausgerechnet werden.
Vorzugsweise weisen die beiden inneren Begrenzungsflächen eines Spaltes einen ortsabhängigen Abstand (Spaltbreite) zueinander auf, wobei sich bevorzugt deren Abstand vom Objektbereich zum Bildbereich hin verjüngt. Bevorzugt kann die Spaltenbreite als Funktion der Spalttiefe bestimmt sein. Der Breitenverlauf in der Tiefe des Spaltes kann ebenfalls dazu genutzt werden, die Anforderungen bei der Herstellung der Spaltenbelenden zu verringern. Feine und filigrane Strukturen können somit auf die wesentlichen Bereiche beschränkt werden. Andere Bereiche können hingegen mit einfacher zu erzeugenden breiteren Spaltbreiten realisiert werden. Eine sich vom Objektbereich zum Bildbereich hin verjüngende Spaltbreite ist einfach zu realisieren und verteilt zudem die Blendenwirkung auf einen größeren räumlichen Bereich. Während bei durchgängig schmalen Spaltbreiten ein Großteil der Strahlungsabsorption beim Ausblenden an der Außenseite der Spaltenblende erfolgt, kann bei sich verjüngenden Spaltbreiten ein Teil der Ausblendwirkung in das Innere der Spalte verlagert werden. Dadurch kann ein Wärmeeintrag in die Spaltenblende besser verteilt werden.
Vorzugsweise ist die Spaltenblende als modulare Struktur bestehend aus einzelnen Elementen zusammengesetzt. Dies hat den Vorteil, dass der Sichtbereich der Spaltenblenden flexibel angepasst werden kann. Insbesondere können Objekt- und detektorseitige Blenden frei hinzugefügt oder entfernt werden, ohne dass die Justage und Ausrichtung eines damit realisierten abbildenden strahlenoptischen Systems verändert oder korrigiert werden müssen. Über eine modulare Struktur lassen sich jedoch auch weiteres Zusatzblenden an die Spaltenblende anpassen, welche sich nicht über eine Rotations- bzw. Translationsbewegung aus einer einzigen erzeugenden Fläche generieren lassen. Insbesondere können somit auch temporäre Bereichsblenden oder ROIs (engl „region of interest“) für die Abbildung definiert werden.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft einen Blendensatz, umfassend mehrere erfindungsgemäße Spaltenblenden, dazu eingerichtet, auswechselbar in einem gemeinsamen abbildenden strahlenoptischen System verwendbar zu sein, wobei sich die einzelnen Spaltenblenden in Form und Anordnung der Spalten voneinander unterscheiden. Ein Blendensatz hat den Vorteil, dass ein abbildendes strahlenoptisches System an viele Anwendungsfälle adaptiert werden kann. Während bei dem oben beschriebenen modularen Aufbau bzw. einer modularen Erweiterbarkeit einer einzelnen Spaltenblende die Torsion des Spalts bzw. der Spalten und damit auch das Kreuzungsverhalten der jeweiligen freien Sichtachsen erhalten bleibt, kann durch einen erfindungsgemäßen Blendesatz auch auf einfache Weise eine Verlagerung der Brennkurve erfolgen, ohne dass die Justage und Ausrichtung eines damit realisierten abbildenden strahlenoptischen Systems verändert oder korrigiert werden müssen.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein abbildendes strahlenoptisches System, umfassend eine Spaltenblende nach Anspruch 1 , wobei die Spaltenblende zur Erzeugung einer Abbildung eine oszillierende Bewegung ausführt, vorzugsweise über einen Winkelbereich mit einem maximalen Winkel zwischen 1° und 90° um die erzeugende Rotationsachse. Eine oszillierende Bewegung, insbesondere um die erzeugende Rotationsachse oder um eine zur erzeugenden Rotationsachse verschobene oder gekippte Achse (beliebige andere Achsen sind möglich), ist bevorzugt, um einen kontinuierlichen Objektbereich erfassen zu können. Das grundlegende Prinzip einer solchen dynamischen Bilderfassung bei Spaltenblenden ist im Stand der Technik bekannt. Es wird auf die diesbezügliche Literatur verwiesen. Eine dynamische Bilderfassung ermöglicht bei allen erfindungsgemäßen Spaltenblenden insbesondere auch die Abbildung hochenergetischer Strahlung ohne die Nutzung eines Flächendetektors. Hierzu können insbesondere Spaltenblenden mit nur einem einzigen Spalt (bzw. mehrere Spalten, welche jeweils unterschiedliche Abschnitte eines einzelne Spaltes darstellen und somit ebenfalls mit einem einzelnen Spalt äquivalent sind) eingesetzt werden. Ein Bild kann dann dadurch auch eindeutig mit Hilfe eines Einkanaldetektors durch geeignete Dreh- und/oder Pendelbewegungen erzeugt werden. Durch solche Bewegungen der Spalt(en)blende kann der Objektraum zur Bilderfassung spaltenweise abgescannt werden.
Vorzugsweise ist die Spaltenblende zur Erzeugung einer Abbildung um mindestens eine weitere Achse zur Bewegung über einen Winkelbereich drehbar gelagert. Dies hat den Vorteil, dass der Sichtbereich des abbildenden strahlenoptischen Systems auf einfache Weise zusätzlich erweitert werden kann.
Ein sechster Aspekt der Erfindung betrifft ein abbildendes strahlenoptisches System, umfassend eine Spaltenblende nach Anspruch 2, wobei die Spaltenblende zur Erzeugung einer Abbildung eine rotierende und/oder oszillierende Bewegung ausführt, vorzugsweise um die erzeugende Rotationsachse oder um eine zur erzeugenden Rotationsachse verschobene oder gekippte Achse (beliebige andere Achsen sind möglich). Es wird auf die Erläuterungen zum fünften Aspekt der Erfindung verwiesen.
Ein siebenter Aspekt der Erfindung betrifft ein abbildendes strahlenoptisches System, umfassend eine Spaltenblende nach Anspruch 3, wobei die Spaltenblende zur Erzeugung einer Abbildung eine oszillierende Bewegung ausführt, vorzugsweise parallel und/oder senkrecht zu der erzeugenden Translationsachse oder entlang einer zur erzeugenden Translationsachse verschobenen oder gekippten Achse (beliebige andere Achsen sind möglich). Es wird auf die Erläuterungen zum fünften Aspekt der Erfindung verwiesen.
Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßes abbildendes strahlenoptisches System weiterhin einen Detektor und ein Mittel zur Auswertung, wobei das Mittel zur Auswertung dazu ausgebildet ist, aus dem zeitlich mit einer Bewegung der Spaltenblende korrelierten Detektorsignal für Bildpunkte auf dem Detektor im Bildbereich der Spaltenblende eine Abbildung eines Objektes im Objektbereich der Spaltenblende zu berechnen. Bei dem Detektor handelt es sich vorzugsweise um eine Einkanaldetektor. Bei dem Mittel zur Auswertung kann es sich insbesondere um eine elektronische Schaltung oder einen elektronische Rechenmaschine (Computer) mit einem entsprechenden Programm zur Auswertung handeln.
Ein achter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Spaltenblende, die folgenden Schritte umfassend: Erzeugen einer Spaltenblende als inverse Hohlform mit einem für die abzubildende Strahlung transparenten Material; Auffüllen der Hohlform mit einem für die abzubildende Strahlung intransparenten Material, insbesondere einem Metallpulver; Verschließen der aufgefüllten Hohlform. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die schwierig herzustellenden Spaltformen mit den tordierten Regelflächen nicht aufwendig im Inneren eines Metallkörpers erzeugt oder mit der erforderlichen Genauigkeit, Glattheit und Präzision als metallischer Sinter- oder Druckkörper ausgebildet werden müssen, sondern diese schwierig herzustellenden Feinstrukturen zunächst als inverse Hohlform mit einem einfacher zu bearbeitenden und für die abzubildende Strahlung transparenten Material erzeugt werden können (z. B. mittels 3D-Druck aus Kunststoff). Ein feines Metallpulver (z. B. Wolfram- oder Bleipulver) kann dann zum Auffüllen der strahlungsabsorbierenden Bereiche verwendet werden, wodurch stabile Spaltstrukturen in einem intransparenten Metallpulver erzeugt werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften modularen Blendensystems bzw. dem System einer Gammakamera,
Fig. 2 a) eine schematische Darstellung eines beispielhaften ringartigen Kollimatoranteils, anzubringen bzw. aufzusetzen unterhalb des Hauptkollimators und b) eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine beispielhafte Kollimatorform „Puck“,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer modular aufgebauten Kollimatoreinheit bei einer beispielhaften Kollimatorform „Pars“,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Kollimatorform „Pars“,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer modular aufgebauten Kollimatoreinheit bei einer beispielhaften Kollimatorform „Block“,
Fig. 6 eine schematische Darstellung zu einer beispielhaften Strahlführung,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine beispielhafte
Kollimatorform „Puck“,
Fig. 8 eine schematische Darstellung von beispielhaften Brennkurven, Fig. 9 eine schematische Darstellung verschiedener Spaltformen bei beispielhaften Kollimatorformen „Pars“ und „Block“,
Fig. 10 eine schematische Darstellung zur simultanen Erfassung mehrerer Perspektiven bei einer beispielhaften Kollimatorform „Puck“,
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Unterbringung von Spaltanteilen in einem beispielhaften Kollimator,
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer beispielhaften ersten Kombination von Bewegungsformen eines Kollimators,
Fig. 13 eine schematische Darstellung einer beispielhaften zweiten Kombination von Bewegungsformen eines Kollimators,
Fig. 14 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Vereinigung von zwei Kameras mit entgegengesetzter Spaltanordnung,
Fig. 15 eine schematische Darstellung einer exemplarischen ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende,
Fig. 16 eine schematische Darstellung eines exemplarischen modularen Aufbaus bei einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende,
Fig. 17 eine schematische Darstellung einer exemplarischen zweiten Ausführungs form einer erfindungsgemäßen Spaltenblende,
Fig. 18 eine schematische Darstellung eines exemplarischen modularen Aufbaus bei der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende nach Fig. 17,
Fig. 19 eine schematische Darstellung einer exemplarischen dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende,
Fig. 20 eine schematische Darstellung eines exemplarischen modularen Aufbaus bei der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende nach Fig. 19, und
Fig. 21 eine schematische Darstellung einer exemplarischen vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Figur 15 zeigt eine schematische Darstellung einer exemplarischen ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende 1000. Die gezeigte Spaltblende 1000 („Pars“) für ein abbildendes strahlenoptisches System umfasst einen Ausschnitt aus einem um eine erzeugende Rotationsachse R1 als erzeugter Körper K1 ausgebildeten Rotationskörper K1, wobei die erzeugende Fläche F (Kreisfläche) des Rotationskörpers K1 parallel zur Rotationsachse R1 ausgerichtet ist, die Rotationsachse R1 außerhalb der erzeugenden Fläche F liegt, der Ausschnitt einen Rotationswinkel von kleiner als 360° (vorliegend 180°) aufweist und dessen Oberfläche OF aufgrund einer ersten Komponente ON1 seiner Oberflächennormalen ON einem auf die Rotationsachse R1 gerichteten Innenbereich I und einem davon wegweisenden Außenbereich A zugeordnet ist, wobei parallel zur Rotationsachse R1 ausgerichtete Oberflächennormalen ON dem Außenbereich A und die Endflächen des Rotationskörpers K1 dem Innenbereich I zugeordnet sind, wobei der Rotationskörper K1 aus einem für die abzubildende Strahlung intransparenten Material besteht und eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spalten S (oder mindestens einen Spalt S) umfasst, welche sich vollständig vom Innenbereich I zum Außenbereich A durch den Rotationskörper K1 hindurch erstrecken und wobei die beiden inneren Begrenzungsflächen der einzelnen Spalten S tordierte Regelflächen darstellen, die derart ausgebildet sind, dass die sich daraus ergebende Torsion der Spaltöffnungen für jeden Spalt S jeweils nur eine freie Sichtachse durch den Spalt S für von auf der in den Außenbereich A erweiterten Regelfläche liegenden Objektpunkten OP eines Objektes O im Außenbereich A als Objektbereich OB zu jeweils einem Bildpunkt BP auf einem Detektor D im Innenbereich I als Bildbereich BB ergibt. Die freien Sichtachsen aller Spalte S kreuzen sich entlang einer gemeinsamen Brennkurve BK.
Figur 16 zeigt eine schematische Darstellung eines exemplarischen modularen Aufbaus bei einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende 1000. Die Spaltenblende 1000 ist als modulare Struktur bestehend aus einzelnen Elementen 1010, 1020, 1030 zusammengesetzt.
Figur 17 zeigt eine schematische Darstellung einer exemplarischen zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende 2000. Die gezeigte Spaltenblende 2000 („Puck“) für ein abbildendes strahlenoptisches System umfasst einen ringförmig um eine erzeugende Rotationsachse R2 als erzeugter Körper K2 ausgebildeten Rotationskörper K2, wobei die erzeugende Fläche F des Rotationskörpers K2 parallel zur Rotationsachse R2 ausgerichtet ist, die Rotationsachse R2 außerhalb der erzeugenden Fläche F liegt, der Rotationswinkel 360° beträgt und dessen Oberfläche OF aufgrund einer ersten Komponente ON1 seiner Oberflächennormalen ON einem auf die Rotationsachse R2 gerichteten Innenbereich I und einem davon wegweisenden Außenbereich A sowie aufgrund einer zweiten Komponente ON2 seiner Oberflächen normalen ON einem in eine erste Richtung R21 der Rotationsachse R2 weisenden oberen Bereich T und einem in die der ersten Richtung R21 entgegengesetzte zweite Richtung R22 der Rotationsachse R2 weisenden unteren Bereich U zugeordnet ist, wobei senkrecht zur Rotationsachse R2 ausgerichtete Oberflächennormalen ON dem oberen Bereich T zugeordnet sind und parallel zur Rotationsachse R2 ausgerichtete Oberflächennormalen ON dem Außenbereich A zugeordnet sind, wobei der Rotationskörper K2 aus einem für die abzubildende Strahlung intransparenten Material besteht und eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spalten S (oder mindestens einen Spalt S) umfasst, welche sich vollständig vom oberen Innenbereich T & I zum Außenbereich A durch den Rotationskörper K2 hindurch erstrecken und wobei die beiden inneren Begrenzungsflächen der einzelnen Spalten S tordierte Regelflächen darstellen, die derart ausgebildet sind, dass die sich daraus ergebende Torsion der Spaltöffnungen für jeden Spalt S jeweils nur eine freie Sichtachse durch den Spalt S für von auf den in den oberen Bereich T erweiterten Regelfläche liegenden Objektpunkten OP eines Objektes O im oberen Bereich O als Objektbereich OB zu jeweils einem Bildpunkt BP auf einem Detektor D im Außenbereich A als Bildbereich BB ergibt. Die freien Sichtachsen aller Spalte S kreuzen sich entlang einer gemeinsamen Brennkurve BK.
Figur 18 zeigt eine schematische Darstellung eines exemplarischen modularen Aufbaus bei der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende 2000 nach Fig. 17. Die Spaltenblende 2000 ist als modulare Struktur bestehend aus einzelnen Elementen 2010, 2020, 2030 zusammengesetzt.
Figur 19 zeigt eine schematische Darstellung einer exemplarischen dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende 3000. Die gezeigte Spaltblende 3000 („Block“) für ein abbildendes strahlenoptisches System umfasst einen entlang einer erzeugenden Translationsachse T3 als erzeugter Körper K3 ausgebildeten Translationskörper K3, wobei die erzeugende Fläche F des Translationskörpers K3 senkrecht zur T ranslationsachse T3 ausgerichtet ist und eine senkrecht zur Translationsachse T3 definierte Längsachse L aufweist, wobei dessen Oberfläche OF aufgrund einer Komponente seiner Oberflächennormalen ON einem oberen Bereich T und einem davon wegweisenden unteren Bereich U zugeordnet ist, wobei parallel zur Translationsachse T3 sowie parallel zur Längsachse L ausgerichtete Oberflächennormalen ON dem oberen Bereich T zugeordnet sind, wobei der Translationskörper K3 aus einem für die abzubildende Strahlung intransparenten Material besteht und eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spalten S (oder mindestens einen Spalt S) umfasst, welche sich vollständig vom unteren Bereich U zum oberen Bereich T durch den Translationskörper K3 hindurch erstrecken und wobei die beiden inneren Begrenzungsflächen der einzelnen Spalten S tordierte Regelflächen darstellen, die derart ausgebildet sind, dass die sich daraus ergebende Torsion der Spaltöffnungen für jeden Spalt S jeweils nur eine freie Sichtachse durch den Spalt S für von auf der in den oberen Bereich T erweiterten Regelfläche liegenden Objektpunkten OP eines Objektes im oberen Bereich T als Objektbereich OB zu jeweils einem Bildpunkt BP auf einem Detektor D im unteren Bereich U als Bildbereich BB ergibt. Die freien Sichtachsen aller Spalte S kreuzen sich entlang einer gemeinsamen Brennkurve BK.
Zur Verdeutlichung des Einfallswinkels EW ist dieser hier beispielhaft mit eingezeichnet. Vorzugsweise kreuzen sich die freien Sichtachsen aller Spalte S in Abhängigkeit vom Einfallswinkel EW jeweils in einer gemeinsamen Brennkurve BK im Inneren des erzeugten Körpers K3, wobei der Abstand zwischen den Brennkurven BK entlang einer Brennkurve BK bevorzugt konstant ist.
Figur 20 zeigt eine schematische Darstellung eines exemplarischen modularen Aufbaus bei der dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende 3000 nach Fig. 19. Die Spaltenblende 3000 ist als modulare Struktur bestehend aus einzelnen Elementen 3010, 3020, 3030 zusammengesetzt.
Figur 21 zeigt eine schematische Darstellung einer exemplarischen vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spaltenblende 3000‘. Es handelt sich hierbei um eine besonders gewichts- und materialoptimierte Spaltenblende 3000‘, bei der durch Subtraktion einzelner Bereiche aus einer erfindungsgemäßen Spaltenblende 3000 gemäß dem dritten Aspekt dieser Erfindung zusätzlich Material, welches nicht zur Abbildung oder zur Stabilisierung der Spaltstruktur benötigt wird, entfernt wurde. Bei dem Grundkörper K3 handelt es sich um eine stabförmige Struktur als Translationskörper K3 einer kreisförmigen erzeugenden Fläche F (Durchmesser L) mit zwei sich einander gegenüberliegenden Hälften, wobei die erzeugende Translation in Richtung der Translationsachse T3 erfolgt.
Der T ranslationskörper K3 besteht aus einem für die abzubildende Strahlung intransparenten Material und umfasst einen Spalt S, welche sich vollständig von unten in der Figur nach oben in der Figur durch den Translationskörper K3 hindurch erstreckt und bei dem die beiden inneren Begrenzungsflächen der einzelnen Spalten tordierte Regelflächen darstellen. Zur Gewichtsreduzierung wurde jeweils aus den seitlichen Randbereichen zur Abbildung nicht beitragendes Material tortenstückförmig entfernt. Zudem wurde aufgrund der unterschiedlich Ausdehnung der Spaltöffnungen innerhalb des Körpers (Höhe des Spaltes von vorn in der Figur nach hinten in der Figur) das verbleibende untere Segment in der Figur in seiner Höhe H2 gegenüber der Höhe H1 im oberen Segment reduziert. Dadurch ergibt sich der gezeigte Körper K3‘, welche eine Spaltenblende 3000' mit nur einem Spalt S darstellt. Diese besonders gewichts- und materialoptimierte Spaltenblende 3000' ist somit unmittelbar durch Subtraktion einzelner Bereiche aus einer erfindungsgemäßen Spaltenblende 3000 gemäß dem dritten Aspekt dieser Erfindung abgeleitet und wird daher als zu dieser äquivalent angesehen.
Alternative Darstellung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein modulares Kamerasystem für hochenergetische Strahlen. Neben einem für diese Strahlenart geeigneten Detektor und Gehäuse mit entsprechender Abschirmung besteht dieses aus einem Kollimator (auch als Spaltenblende bezeichnet), der mit einem oder mehreren Spalten in geschwungener Form für den Strahlendurchtritt versehen ist. Gebildet wird die Verlaufsform dieser Spalten durch eine Torsion um eine Torsionsachse, womit ein Strahlenfächer eingefangen und auf den Detektor geleitet wird. Erzeugt wird dieser Strahlenfächer von Punkten im Objekt, die auf diesem Fächer liegen. Es wird eine geschwungene Linie von strahlenden Punkten im Objekt abgebildet. Je nach der Ausrichtung dieses Fächers unterscheiden sich zwei Grundtypen, die mit „Pars“ und „Puck“ bezeichnet werden. Beim ersten verläuft die Fächerrichtung vorzugsweise senkrecht zur Torsionsachse, beim zweiten vorzugsweise parallel dazu. Als eine dritte Form, als „Block“ bezeichnet, wird ein Kollimatorkörper gezeigt, in dem eine der beiden Grundformen des Durchtrittspalts in linearer Richtung gestapelt oder bewegt werden kann.
Um ein strahlendes Objekt flächig abzutasten, kann der Kollimator in geeigneter weise bewegt werden, durch eine Pendelbewegung, Rotation oder linearer Schubbewegung, letztere vorzugsweise bei der „Block“-Form. Abhängig von der Strahlungsenergie und des abzubildenden strahlenden Objektes können diese Grundtypen abgewandelt oder ergänzt werden. Damit wird das Kamerasystem modular gestaltet. Eine Variante dieses Systems mit einem einzigen Spalt oder benachbarten Spalten, deren Öffnungswinkel senkrecht zur Torsionsachse nicht überschneiden, kann mit einem Detektor ausgestattet werden, dessen sensitives Volumen die Gesamtaktivität eines Spaltverlaufes erfasst (Einkanaldetektor). Um aus dem daraus entstehenden Zeilenmuster ein Bild zu gewinnen, können mehrere Aufnahme mit jeweils gedrehten Spaltrichtungen angefertigt werden. Ein Bild kann dann durch ein geeignetes Rekonstruktionsverfahren ermittelt werden.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Blendensystem für harte Strahlung, welche die Eigenschaft hat, auch dichte Materialien zu durchdringen. Bei dieser Art der Strahlung kann es sich insbesondere um Gammastrahlen sowie um jede Art von Bremsstrahlung wie z. B. Röntgenstrahlen, für die es keine Optik gibt, die mit derjenigen für sichtbares Licht vergleichbar wäre. Zur Bildgebung mit hochenergetischen Strahlen kommen in der Regel Kollimatoren bzw. Kollimatorblenden in Form von Lochblenden, sog. Pinhole- Kollimatoren oder artverwandten Blenden zum Einsatz. In jedem Fall liegt ein definierter Strahlengang vor. Ein Kollimator ist dadurch gekennzeichnet, dass er nur aus bestimmten Raumrichtungen kommende Strahlen zu einem Detektor oder entsprechenden Messgerät hindurch lässt. Alle anderen Strahlen, welche nicht zu einer eindeutigen Abbildung einer Strahlenquelle genutzt werden können, werden durch Absorption ausgeblendet. Somit spricht man hier auch von einer absorptiven Kollimation, wobei die Strahlen streng genommen nicht kollimiert sondern lediglich einzeln und winkelabhängig selektiert werden. Daher müssen geeignete Kollimatoren aus möglichst strahlendichtem Material wie Blei oder Wolfram gefertigt sein.
Das hier vorgestellte Blendensystem arbeitet mit Kollimatoren bzw. Kollimatorblenden, welche die Strahlen, die zur Bildgebung genutzt werden sollen, durch speziell gestaltete Spalten zum Detektor hindurchlassen. Die Form der Spalten wird jeweils durch eine Regelfläche (100) bestimmt, wie sie beispielsweise in DE 102015 008 272 beschrieben wurden. Begrenzt werden die Spalten jeweils beidseitig von parallel zur Regelfläche verlaufenden Wänden. Das Prinzip der Regelflächen gewährleistet eine Strahlenpassage (102) durch den Kollimatorkörper (19). Eine Bilderzeugung mit diesen Kollimatoren gelingt dadurch, dass sie in bestimmter Art und Weise bewegt werden. Eine der möglichen Bewegungsformen ist eine Rotationsbewegung.
Rotierende Kollimatoren für die Bildgebung mit harten, d. h. hochenergetischen und somit stark Materialien penetrierenden Strahlen wurden mehrfach beschrieben, zuletzt in den Druckschriften DE 102016 004624 bzw. PCT/EP2017/058883 und insbesondere in DE 102017 005 302 bzw. PCT/EP2018/064257. Der besondere Vorteil in der Rotations bewegung liegt darin, dass auf der Bildfläche jegliches Muster, das von der Form des Kollimators herrührt, zugunsten des Objektmusters verwischt wird. Die Rotations bewegung des Kollimators ermöglicht die Erzeugung einer homogenen Abbildung einer Strahlenquelle, auch mit sehr hochenergetischen Strahlen im MeV-Bereich bei einer hinreichenden Materialschichtdicke. Das hier beschriebene modulare Blendensystem bzw. das System einer Gammakamera, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, stellt eine funktional anpassbare Einheit dar. Es wird deswegen als modular bezeichnet, da es aus mehreren Komponenten besteht, welche je nach Anforderung ausgetauscht bzw. gewechselt werden können. Ferner kann ein im Folgenden beschriebenes Gesamtsystem in verschiedenen Varianten vorliegen, welche sich z. T. stark voneinander unterscheiden und so möglichst optimal an unterschiedliche Gegebenheiten angepasst werden kann.
Eingebettet kann das gesamte Blenden- bzw. Gammakamerasystem in einen stabilen, tragfähigen und an unterschiedliche Gegebenheiten anpassbaren Rahmen (2) werden, der auch die gesamte äußere Abschirmung (3) der Kamera aufnimmt. Diese besteht beispielsweise aus Blei- oder Wolframplatten und kann auch modular an die vorherrschende Strahlungsumgebung angepasst werden. So sollte ein stationärer und ein mobiler Einsatz möglich sein, sowie die Montage an eine Gantry, an einen Kran oder auf bzw. an ein ferngesteuertes oder sich autonom fortbewegendes Fahrzeug. Dieser Rahmen (2) kann aus Aluminiumprofilen oder aus ähnlichem Material bestehen, welches möglichst stabil, belastbar und dennoch leicht sein soll. Entscheidend ist die Funktion des Rahmens, als Aufnahme für bewegliche Teile zu dienen.
Das Blendensystem erlangt seine zur Bildgebung erforderlichen Eigenschaften durch einen oder mehrere speziell geformte Spalten (101), welche einen in Bewegung versetzten Kollimator (19) durchziehen und zur Erzeugung eines definierten Strahlengangs dienen. Ausgehend von dem in den oben genannten Druckschriften beschriebenen Stand der Technik kommen hier nun bestimmte Modifikationen von Spalten (101) hinzu. Diese Modifikationen sind u. a. zur Realisierung bestimmter Kollimatorformen mit besonderen Abbildungseigenschaften notwendig, beispielsweise für die dreidimensionale Erfassung einer Strahlenquelle. Diese Gestaltungsvariabilität ermöglicht auch die Anpassung an unterschiedliche Detektorsysteme, die ihrerseits insbesondere bei hochenergetischer Strahlung angepasst werden müssen.
Das Blendensystem kann in sehr unterschiedlichen Formen gestaltet werden, da unterschiedliche Anforderungen, beispielsweise abzubildende Strahlenquellen im MeV- Bereich beträchtliche Abschirmdicken erfordern und dies ein mitunter sehr hohes Gesamtgewicht und sperrige/unhandliche Ausmaße eines Gesamtsystems zur Folge hat bzw. hätte. Um diesen Umständen positiv entgegenzuwirken, werden hier Kollimator formen beschrieben, welche nicht rotationssymmetrisch sind, d. h. keine entsprechende Rotationsbewegung vollführen müssen, sondern beispielsweise nur in geringem Maße pendeln oder eine Schubbewegung vollführen müssen. Entsprechend unterschiedlich fallen die den Kollimator (19) bewegende Mechanik und letztendlich die gesamte Konstruktion des gesamten Blendensystems aus.
Jede Ausführung des Blendensystems bzw. des Gammakamerasystems benötigt ein innerhalb des beschriebenen äußeren Rahmens (2) liegendes, bewegliches Gehäuse bzw. eine bewegliche Aufnahme (4) für die mehrteilige modular aufgebaute Kollimatoreinheit (20).
Diese Einheit (20) lässt sich in einen Hauptkollimator (21) und ihn ergänzende Zusatzblendenteile (22), sowie in zusätzliche Abschirmelemente (23) unterteilen. Alle Komponenten der Kollimatoreinheit (20) lassen sich getrennt voneinander aus ihrem beweglichen Gehäuse (4) entnehmen und nach unterschiedlichem Bedarf gegen entsprechende Elemente austauschen. Hierdurch lassen sich in einem einzigen Gerät eine Vielzahl von Anwendungsfällen bzw. Einsatzmöglichkeiten bedienen. Zusätzliche Abschirmelemente (23) und den Hauptkollimator (21) ergänzende Zusatzblendenteile (22) mit stärker abschirmenden Eigenschaften, werden beispielsweise dann benötigt, wenn in höheren Energiebereichen gemessen wird bzw. eine Bildgebung erfolgen soll. Dank der Austauschbarkeit aller Bestandteile der Kollimatoreinheit, besonders der spaltführenden Teile (21) und (22), deren Spalten (101) unterschiedlich ausgelegt sind, wird eine Anpassung an die vorhandene Strahlenintensität und die zu erzielende Bildqualität ermöglicht. Sämtliche Komponenten der Kollimatoreinheit (20) können aus unterschiedlichen abschirmenden strahlendichten Materialien wie beispielsweise Blei, Wolfram oder sogar abgereichertem Uran (U-238) gefertigt sein.
Der sensitive Teil eines Detektors (51) kann beliebig in einem wählbaren Abstand zu einer der beiden Seiten des Kollimators (19) und (20), genauer gesagt auf der Seite der Spaltein- bzw. ausgänge (103) angeordnet werden, jedoch grundsätzlich an bzw. auf allen Seiten der Kollimatoreinheit (20) (bezogen auf alle drei Raumrichtungen), solange er sieh innerhalb der Abschirmung (3) befindet. Bei kompakteren Ausführungen kann er auch direkt an den Kollimator (19) und (21) bzw. die Kollimatoreineit (20) anschließen oder mit ihm bzw. ihr verbunden sein. Handelt es sich beispielsweise um einen Szintillatorkristall, kann das von ihm ausgesandte Licht durch ein Linsen-, Lichleiter- und Spiegelsystem (53) nach außen geleitet werden, wobei die Signalwandlung dann außerhalb des abgeschirmten Bereiches (3) stattfinden kann. Im Falle einer extremen äußeren Strahlenbelastung, in der jegliche elektronischen Geräte Schaden nehmen würden, besonders bei Betrieb mit hohen Spannungen, können Lichtleiter (53) in weniger strahlenbelastete Umgebungen führen.
Als Kollimatoreinheit (20) kommen prinzipiell drei Formvarianten bzw. Kollimatorformen und Kombinationen dieser infrage. Diese drei sind eine rotationssymmetrische, annähernd scheibenförmige Form (Puck) (210) mit einer Durchstrahlungsrichtung von einer (oberen) Seite (12) zur anderen (unteren) (13), eine teilrotationssymmetrische Form als Sektor aus einem Zylinder mit einem Spaltverlauf senkrecht zur Zylinder- bzw. Symmetrieachse (110) (Pars) (220) entweder von innen (15) nach außen (16) oder umgekehrt, von außen (16) nach innen (15), und eine nichtrotationssymmetrische Form (Block) (230), welche hin und her geschoben werden, d. h. linear bewegt, werden kann.
Der „Puck“ genannte rotationssymmetrische Kollimator (210) ist auf eine Strahlen passage (102) von einer Seite, bildlich oberhalb (12) der x/y- bzw. Nullebene (10), durch den Körper hindurch zur anderen, bildlich unten (13), oder umgekehrt ausgerichtet. Die Fig. 7 illustriert, welchen Weg die Strahlung nimmt. Der wesentliche Teil der vorgesehenen Strahlenpassagen (102) verläuft demnach im Gegensatz zu den in den oben genannten Druckschriften beschriebenen zylindrischen Kollimatoren parallel zur Bewegungs- bzw. Rotationsachse (110). Vorzugsweise wird diese Kollimatorform mit mehreren Spalten (101) versehen, die vollständig im Kreis um die zentrale Rotationsachse (110) angeordnet sind. Dadurch entsteht der Vorteil einer Gewinnung von Tiefeninformationen, welcher weiter unten detailliert beschrieben wird.
Die scheibenförmige Form (211) des Pucks kann zu einer Ringform (214), d. h. zu einem Torus abgewandelt werden, um eine möglichst lange Strahlenpassage (102) sowohl aus seitlichen (14) Richtungen als auch senkrecht (11), d. h. parallel zur Rotationsachse, (110) zu ermöglichen. Beide Grundformen, Torus (214) und Scheibe (211), sind miteinander kombinierbar und erlauben mittig eine Bohrung (215) zur Achshalterung. Teile davon können austauschbar als Zusatzelemente gestaltet werden bzw. es können weitere Teile hinzugefügt werden, beispielsweise ein haubenartiger Kollimatoranteil
(212), welcher an die Form einer Qualle erinnert, kann oberhalb (12) des Haupt kollimators (21) angebracht bzw. aufgesetzt werden. Ein ringartiger Kollimatoranteil
(213), anzubringen bzw. aufzusetzen unterhalb (13) des Hauptkollimators (21), kann ebenfalls für mehr Abschirm strecke oder auch für ein höheres Auflösungsvermögen der Kollimatoreinheit (20) sorgen, wie die Fig. 2 zeigt.
Darüber hinaus bietet die rotationssymmetrische Variante („Puck“) (210) die Eigenschaft der simultanen Erfassung mehrerer Perspektiven auf ein abzubildendes strahlendes Objekt (130) mit nur einem einzigen Kollimator, wie in Fig. 10 zu sehen. Dies ist möglich, da dank der besonderen Spaltanordnung in dieser Kollimatorvariante (210) die Teilpassage (102) des Kollimatorkörpers ermöglicht wird und so immer zu einer Zeit zwei korrespondierende Strahlengänge (104) für eine bestimmte Perspektive offen sind. Dies wird in der Fig. 10 demonstriert. Ein Paar von zwei gegenüberliegenden Spalten (104) visieren ein und denselben Punkt im Raum über dem Kollimator an. Aus den Signalen von den verschiedenen Stellen des Detektors kann dann zusätzlich zur Lage (12) über derx/y-Ebene (10) auch noch die Höhe in z-Richtung (11) ermittelt werden. Längs der Rotationsachse (110) wird jeder Punkt innerhalb eines bestimmten Sichtbereichs von allen Spalten „gesehen“, womit in diesem Bereich eine Tiefenwahrnehmung im Objekt mit mehrfacher Sensitivität ermöglicht wird.
Die teilrotationssymmetrische Kollimatorform, genannt Pars (220), kann als Zylindersegment als Anteil eines Vollzylinders mit der Grund- bzw. Deckfläche eines Kreissektors (221) mit frei wählbarem Mittelpunktswinkel angesehen werden. Dieser Sektor umfasst dann mindestens den horizontalen Öffnungswinkel des Kollimators, d. h. den mit einem Spalt oder mehreren überlappenden Spalten einsehbaren bzw. erfassbaren Bereich. Die wesentliche Durchstrahlungsrichtung bzw. der die Strahlenpassage ergebende Spaltverlauf (102) ist senkrecht (11) zur Torsionsachse (110) für alle Spalten. Auch hier wird der Kollimator (19)/(20)/(21) um diese Achse rotiert, nicht aber in einer vollständigen Kreis-, sondern in einer pendelnden, d. h. oszillierenden Bewegung (43). Die Amplitude dieser Bewegung muss mindestens den horizontalen Winkel zwischen zwei Spalten abdecken. So kann je nach Lage des Kollimators zur Strahlenquelle und zum Detektor die Strahlenpassage (102) von innen (15) nach außen (16) oder umgekehrt, von außen nach innen, also von Seiten der Bewegungsachse (15) Richtung Mantel des einem Zylinder entstammenden Kollimators (16) und umgekehrt, abhängig von der Bauart des Detektors erfolgen.
Liegt ein Kollimator mit dieser Kollimatorkörperform (220) vor, können wechselbare Kollimatoranteile seitens der Bewegungs- bzw. Pendelachse (15) in Form eines tortenstückähnlichen Zylindersegments oder in Form eines Anteils eines Hohlzylinders (222) und seitens der Außenseite (16) des Hauptkollimators, d. h. seitens des Mantels (wenn man von einem tortenstückartigen Zylindersegment mit der Grundfläche eines Kreissektors ausgeht) in mit frei wählbaren auf den Hauptkollimator angepassten Mittelpunktwinkeln und Wandstärken (223) zum Einsatz kommen.
Die kontinuierliche Rotationsbewegung eines „Pucks“ (210) (s. o.) kann auch durch eine Pendelbewegung (43) ersetzt werden, wenn ein entsprechendes Segment aus „Puck“ mit hauptsächlich achsenparallel (11) ausgerichtetem Spaltverlauf zur Strahlenpassage verwendet wird. Dies wäre eine Sondervariante von „Pars“ (220). Somit ermöglicht diese Kollimatorform einen besonders weiten Gestaltungsspielraum.
Die dritte Kollimatorform ist ein nichtrotationssymmetrischer Kollimator und wird hier aufgrund ihres quaderförmigen Aussehens „Block“ (230) genannt. In dieser Kollimatorgrundform können, wie in den beiden oben beschriebenen Kollimatorformen, Spalten (101) mit weiter unten beschriebenen Formveränderungen enthalten sein und mehrere Spalten auf besonders vielfältige, ebenfalls weiter unten näher beschriebene Art und Weise angeordnet werden. Innerhalb einer mehrteiligen Kollimatoreinheit (20) mit modular austauschbaren Kollimatoranteilen können diese ober- (12) und/oder unterhalb (13) des Hauptkollimators (21) anzubringen sein und ebenfalls wie der Hauptkollimator in Quaderform oder in Form eines Zylinderanteils mit einer quadratischen oder rechteckigen Grund- bzw. Deckfläche vorliegen, wie es in der Fig. 5 demonstriert wird. Dieser Kollimator kann aufgrund seiner Gestalt eine Schubbewegung (44) vollführen.
Auch diese Variante bietet die Möglichkeit, Spalten so anzuordnen, sodass mit nur einem einzigen Kollimator eine räumliche Bildgebung durch die simultane Erfassung mehrerer Perspektiven realisierbar ist.
Kollimatorformen, welche eine Kombination der drei genannten Grundformen und Merkmale haben, sind ebenfalls möglich.
Die beschriebenen Kollimatorformen und die zusätzlichen bzw. optionalen Kollimatoranteile und zusätzliche Abschirmelemente (23), welche gemeinsam in einer beweglichen Aufnahme bzw. einem beweglichen Gehäuse (4) Platz finden sollen, können in der oben beschriebenen Kollimatoreinheit (20) zusammengefasst werden.
Wie bereits angedeutet, können die unterschiedlichen Kollimatorformen besondere
Spaltformen enthalten. Mit einer Regelfläche (100), welche die Mittelfläche zwischen den beiden einen Spalt begrenzenden Wänden desselben ist, kann die Form eines Spalts beschrieben bzw. charakterisiert werden. Die veränderten besonderen Spaltformen können nicht mithilfe der Regelflächenform charakterisiert werden, welche in den in oben erwähnten Druckschriften beschrieben wurde. Dort wurde die Entstehung der
Regelfläche (100) beschrieben, entlang welcher die Spalten durch die Kollimatoren (19) verlaufen. Diese Regelfläche ist das Ergebnis einer Torsion einer ebenen Fläche, welche aus zwei Dreiecken, die sich in einem gemeinsamen Punkt, dem Brennpunkt F (30), treffen und deren Seiten auf zwei durchgehenden Geraden liegen, die in den jeweiligen äußeren Strahlengängen liegen und einen entsprechenden Fächer aller entlang des gesamten Spalts möglichen Strahlenpassagen begrenzen (106). Durch eine Torsion um die zentrale Achse (110) bzw. (111) erweitert sich der Brennpunkt F zu einem Brennkreis
(31), auf dem jeweils für jeden Steigungswinkel ß (35) ein zugeordneter Brennpunkt F
(30) mit einer Winkelabweichung a (37) von der x-Achse zu liegen kommt. Diese
Herleitung erlaubt aber nur Steigungswinkel ß (35) von maximal nahezu ±90° und nicht darüber hinaus. Dies ist in der Fig. 6a für eine asymmetrische Gestaltung der Strahlenführung (38) dargestellt, in der nur einseitig Strahlenpassagen von oberhalb der x/y-Ebene (10) nach unterhalb oder umgekehrt, also in z-Richtung (11) vorgesehen sind. Deutlich wird hierbei auch, dass für immer steiler werdende Strahlenpassagen die Regelfläche (100) sich in z-Richtung (11) immer weiter nach oben bzw. unten von der x/y-Ebene (10) weg ausdehnen muss.
Gerade bei Kollimatorkörperformen wie zum Beispiel beim „Puck“ (210) sollten jedoch auch Strahlendurchtritte in senkrechter Richtung (11) zur x/y-Ebene (10) möglich sein, d. h. Winkelwerte für ß von 90° sollten überschritten werden können, was die Beschreibung in den oben genannten Druckschriften jedoch nicht zulässt.
Die Erweiterung der Regelfläche (100) über 90° für den Winkel ß und damit die Erweiterung des vertikalen Winkelbereichs für den Kollimator durchziehende Spalten (101) erfolgt durch eine Abrundung in der vertikalen Ausdehnung der Regelfläche (100), wie es in der Fig. 6b gezeigt wird. Hiermit wird nicht nur die unnötige vertikale Erhöhung, die in der zuvor gezeigten Fig. 6a bei großen Winkeln ß zu erkennen ist, vermieden, sondern erlaubt die Weiterführung dieses Winkels über 90° hinaus. Mit diesem Schritt werden Kollimatorkonstruktionen ermöglicht, die in dieser Weise mit den Beschreibungen in den zuvor genannten Druckschriften nicht erreichbar waren. Das bisherige Bild bzw. die bisherige Vorstellung der Torsion einer ebenen Fläche wird damit entsprechend erweitert. Die Fig. 6b illustriert die entsprechend erweiterte Regelfläche (39) für Winkel ß über 90° (36) und damit die Grundlage für Strahlenpassagen, welche senkrecht zur Bewegungsrichtung eines Kollimators verlaufen. Die Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt durch die Kollimatorform „Puck“, welche mit Spalten (101) der resultierenden Spaltform ausgestattet ist. Ebenfalls ist der erweiterte vertikale Winkelbereich eingezeichnet, weicher zwischen den zwei Geraden (106) liegt, die einen Fächer der möglichen Strahlenpassagen (105) begrenzen.
Die Regeln zur Erstellung der Regelfläche (100) für die Spaltführung können weiterhin dahingehend erweitert werden, dass die Brennpunkte F (30) nicht mehr auf einem geschlossenen Kreis bzw. Kreisbogen (32) liegen, sondern beispielsweise auf Kurven (33), die mehr oder weniger tangential zum ursprünglichen Brennkreis (31) verlaufen, wie es in den Fig. 8a, 8b und 8c gezeigt wird, und keinen Knick aufweisen. Insbesondere bei den Bauformen des „Pucks“ und des „Blocks“ kann die zentrale Achse (110), durch die alle Strahlen im Kollimator verlaufen, auch zu einem geeigneten Bogen abgewandelt werden, der auf der Ebene senkrecht zum Brennkreis (30) liegt. Damit wird vermieden, dass bei mehreren kreisförmig angeordneten Spalten größere Hohlräume entstehen, die durch die Überlagerung von Spalten in der Umgebung des Brennkreises (31) bzw. (32) entstehen (siehe Fig. 8a und 8b).
Der Gestaltungsspielraum der Regelfläche (100) für die Spaltführung kann auch dahingehend erweitert werden, dass der Zusammenhang zwischen dem Torsionswinkel a (35) und dem Steigungswinkel ß (37) nicht zwangsläufig als konstant betrachtet werden muss. Vielmehr kann die Torsionskonstante ctors aus der Beziehung ß = a · ctors durch eine kontinuierlich verlaufende Funktion ersetzt werden. In Fig. 9 sind „Pars“ (220) und „Block“ (230) abgebildet, welche einen Spalt tragen, der mittels der beschriebenen variablen Torsion erzeugt wurde (133). In dem gezeigten Beispiel ist ein bzw. mehrere nicht geschwungene, sondern begradigte Spalten zu sehen. Insbesondere können alle Kollimatorformen auf diesem Wege an bestimmte Geometrien angepasst werden, wenn eine solche Anpassung erforderlich oder vorteilhaft für bestimmte Sensor- bzw. Detektorformen sein sollte.
Alle vorangegangenen Abwandlungen der Herleitung einer Regelfläche (100) für die Spaltführung, d. h. Erweiterung der Torsion einer definierten Fläche, das Verändern bzw. Aufbrechen des Brennkreises (31) und die variable Torsion können miteinander kombiniert werden. Damit wird ein erheblich erweiterter Spielraum für die Gestaltung von Kollimatorspalten gegenüber allen vorangegangenen Druckschriften erreicht.
Um gewisse Spaltformen realisieren zu können, kann es notwendig sein, dass das Spaltlumen (101) mit unterschiedlichen stützenden formgebenden Materialien ausgefüllt wird. Darüber hinaus können diese Materialien auch die einen Spalt (101) zu durchquerende Strahlung abschwächende Eigenschaften haben.
Sofern mehrere Spalten (101) in einem Kollimator (19) untergebracht werden sollen, waren diese bisher ähnlich wie die Speichen eines Fahrrads ausgehend von einem
Mittelpunkt bzw. einer Achse (110) zueinander angeordnet. Ihr Abstand zueinander kann in diesem Fall mit einem Winkel beschrieben werden und variiert in Abhängigkeit vom
Abstand zum gemeinsamen Bezugspunkt. Um eine veränderte Anordnung von Spalten zu erzielen, kann dieser Bezugspunkt, welcher bisher auf der zentralen Achse (110) lag, verschoben werden. Diese feste Lagebeziehung mehrerer Spalten zueinander kann auch aufgelöst werden. Die Folge wäre eine bestimmte Winkel versetzte Anordnung der
Spalten (101) zueinander. Der Winkel, in welchem die Spalten zueinander stehen, und der Abstand von Spalt zu Spalt kann ebenfalls frei wählbar verändert werden. So kann die Anordnung von Spalten (101) in einem Kollimator (19) beispielsweise an seine
Hauptbewegungsrichtung angepasst werden. Im „Block“-Kollimatorkörper (230) werden die Spalten, gegebenenfalls nach einer geeigneten Drehung bzw. einer Umpositionierung durch Drehung im Raum, entweder in der Höhe längs der z-Achse oder seitlich längs der y-Richtung, d. h. tangential zum Brennkreis (31) gestapelt. In der Fig. 10 sind am Beispiel „Block“ (230) mehrere durch variable Torsion veränderte Spalten (133) Winkel versetzt und längs der y-Richtung gestapelt angeordnet dargestellt.
Um beispielsweise das Kollimatorvolumen (19) optimal ausnutzen zu können, eine gleichmäßige Anordnung bzw. Verteilung von Spalten (101) durch das Kollimatorvolumen (19) hinweg zu erzielen und um mit einem möglichst geringen Bewegungsausschlag einen bestimmten Sichtbereich, in welchem sich ein abzubildendes strahlendes Objekt befindet, vollständig erfassen zu können, kann es notwendig sein, dass Segmente bzw. Anteile von Spalten (144) den Kollimator (19) durchziehen. So kann ein Kollimator sowohl von vollständigen (101), als auch von Teilspalten (144) durchzogen sein, welche nicht den vollen Winkelbereich eines vollständigen Spalts abdecken.
Die vorgestellten Kollimatorvarianten (210), (220) und (230), aber auch zusammengefasste modulare Einheiten aus Kollimator, der ihn bewegenden Mechanik inklusive Abschirmelementen, Teile davon oder das Blendensystem als Ganzes müssen um Ihre Funktion als Abbildungssystem erfüllen zu können in Bewegung versetzt werden. Unabhängig davon um welche Kollimatorvariante es sich handelt, ist mindestens eine Bewegungskomponente unerlässlich. Allerdings können auch mehrere Bewegungskomponenten, bzw. eine Bewegung, welche aus mehreren Teilbewegungen zusammengesetzt ist, notwendig sein. Auch sind abhängig von der Kollimatorkörperform und der Spaltenführung bzw. der Art der Gestaltung der Spalten im Kollimator eventuell unterschiedliche Bewegungsformen sinnvoll.
Handelt es sich um einen rotationssymmetrischen Kollimator (210), wird vornehmlich eine Rotationsbewegung (42) gewählt. Bei einem teilrotationssymmetrischen Kollimator (220) ist eine Pendelbewegung bzw. Teilrotation oder oszillierende Bewegung (43) sinnvoll. Nichtrotationssymmetrische Kollimatoren (230) sollten am ehesten in eine Schubbewegung (44) versetzt werden. Abgesehen von Bewegungen um eine oder mehrere Achsen (40), können auch Bewegungen entlang von Bahnen gewählt werden, welche kreisförmig, elliptisch, gekrümmt oder geradlinig sein können.
Auch sinnvolle Kombinationen genannter Bewegungsformen sind möglich, beispielweise eine Pendelbewegung (43) der Kollimatoreinheit kombiniert mit einer Rotations- (42) oder Schubbewegung (44) des Gesamtsystems. In den Fig. 12, Fig. 13 und Fig. 14 kommen derartige sinnvolle Kombinationen zur Anwendung. Die neuen unterschiedlichen Kollimatorformen (210), (220) und (230) mit ihren Zusatzelementen erlauben unterschiedliche Ausführungen von auf bestimmte Anforderungen speziell angepassten Gammakameras und so auch verschiedene Ausführungen von zum Blendensystem zugehörigen Detektoren (50), oder Teilen eines Detektors (51). Teil eines Detektors ist beispielsweise ein Szintilatorkristall. In diesem werden durch eintreffende Gammastrahlen Lichtblitze ausgelöst, welche dann mit Photosensoren registriert werden und so ein elektronisches Signal liefern, welches zur Bildgebung genutzt werden kann.
Der Einsatz von Gammakameras war bisher in bestimmten Umgebungen mit besonders hoher bzw. extremer Strahlenbelastung nicht denkbar. Jegliche Elektronik würde innerhalb kurzer Zeit unbrauchbar. Für einen solchen Fall soll nun eine entsprechende Detektoreinheit zerlegt und in den Szintilatorkristall und in den Rest eines derartigen Detektors (Photoverstärker, Photosensor, weitere Elektronik etc.) aufgeteilt werden. Der Szintilatorkristall (51) verbleibt bei der Kollimatoreinheit (20) in der extremen Umgebung, in welcher sich beispielsweise eine abzubildende Strahlenquelle befindet und über eine lichtleitende Verbindung (53) werden die im Szintilatorkristall (51) entstandenen Lichtimpulse zu dem anschließenden restlichen Detektoranteil geleitet, welcher sich weiter weg oder außerhalb der extremen Elektronik zerstörenden Umgebung befindet, wo die weitere Bildgebung erfolgen kann.
Besonders bei der Bauform des „Pars“ (220) kann der Umstand genutzt werden, dass grundsätzlich die Durchstrahlungsrichtung umkehrbar ist. Bislang wurde nur betrachtet, dass einfallende Strahlen zuerst durch die Torsionsachse (111) laufen und erst danach auf den Kollimator (220) treffen, durch einen Spalt (101) hindurch geleitet werden und danach aufgefächert auf einen Detektor treffen, der vorzugsweise als Matrixdetektor ausgelegt ist. Besitzt der Kollimator (19) mehrere bzw. wie hier (220) nur einen einzigen Spalt (101) oder benachbarte Spalten, wobei sich die jeweiligen Strahlenfächer (105) nicht überschneiden, kann auch ein Detektor (50) bzw. (51) auf der anderen Seite des Strahlengangs, also nicht auf der Außenseite (16), sondern auf der Innenseite (15) vorgesehen werden. Dies ist prinzipiell in der Fig. 12 dargestellt.
Der sensorische Teil (51), vorzugsweise ein Szintillatorkristall, kann beispielsweise stabförmig den Raum um die Torsionsachse (111) bzw. Bewegungsachse (110) füllen. In dieser Anordnung repräsentiert das vom Detektor registrierte Signal die aufsummierte Intensität aller Strahlen, die durch die Spalten (101) und (144) von der aufgefächerten Seite in Richtung der Torsionsachse (110) einfallen. Durch die Bewegung des Kollimators um seine Bewegungsachse (110) verändert sich die Lage des Fächers (105) bzw. (155) der einfallenden Strahlen im Raum. Betrachtet man die Objektebene, aus der die Strahlen kommen, wird durch jeden dieser Fächer (105) bzw. (155) eine mehr oder weniger geschwungene Linie gebildet. Mit der Bewegung des Kollimators (220) und der sukzessiven Messungen des Detektors kann daraus ein Muster von parallel verlaufenden Streifen erzeugt werden, wobei die Intensität jedes einzelnen Streifens durch einen Messwert bestimmt wird. Um ein Bild zu erzeugen, kann die gesamte Kamera um ihre zentrale Bewegungsachse (310) senkrecht zur Bildebene in einem Bereich vorzugsweise von 180° in mehreren Schritten gedreht werden. Mit den nach und nach erzeugten Streifenmustern kann anschließend mit einem geeigneten Rekonstruktionsverfahren ein Bild erzeugt werden.
Die Fig. 13 zeigt eine Variante eines Kamerasystems, mit welchem ein vergleichbares Ergebnis erzielt werden kann. Allerdings wird hier die Kombination aus Schubbewegung (44) und Rotationsbewegung (42) des Gesamtsystems, bestehend aus Rahmen (2), Abschirmung (3), beweglichem Gehäuse (4) und innerhalb der Abschirmung (3) befindlichem Detektor (50), realisiert. In den nach diesem Prinzip gebauten Kameras kann das sensitive Volumen eines Detektors (51) beliebig im Rahmen des zur Verfügung stehenden Raumes in der Kamera vergrößert werden, um somit die Empfindlichkeit der Kamera für hochenergetische Strahlung zu erhöhen.
In einer vereinfachten Form kann auch ein Kollimator (19) mit einem einzigen Spalt (101) mit einem Detektor (50) bzw. in dieser Konstellation dem sensitiven Anteil (51) verbunden werden und dann linear so in einer Richtung in eine Schubbewegung (44) versetzt werden, dass der Fächer (105) der einfallenden Strahlen schräg zur Bewegungsrichtung steht. Anschließen wird dann eine zweite Kamera der gleichen Bauart über dieselbe Wegstrecke geschoben, deren Fächerrichtung (105) für einfallende Strahlen entgegengesetzt ausgerichtet ist, vorzugsweise um 90° versetzt. Beide Kameras können auch in einem Gehäuse vereint sein, wie in Fig. 14 zu sehen ist. Mit einer Übereinanderlagerung der erzeugten Streifenmuster kann dann eine Abbildung rekonstruiert werden.
1. Modulares Blendensystem bzw. System einer Gammakamera bestehend aus: a. vielseitig montierbarer und beweglich gelagerter Rahmen für das gesamte Gammakamera- bzw. Blendensystem mit Rundumabschirmung des Gesamtsystems; b. bewegliche Aufnahme bzw. bewegliches Gehäuse mit Bewegungsmechanik für folgende austauschbare Einzelkomponenten, zusammengefasst als Kollimatoreinheit: i. Kollimator zur Erzeugung eines definierten Strahlengangs von einem oder mehreren speziell geformten Spalten durchzogen; ii. den Kollimator ergänzende optionale austauschbare Kollimatoranteile; iii. zusätzliche Abschirmelemente für den Kollimator für einen Einsatz in höheren Energiebereichen; c. Lagerung und steuerbare Antriebsmechanik zur Bewegung des Kollimators bzw. des Blendensystems; d. unterschiedlich platzierbarer Detektor, vollständiger Detektor oder sensitives Volumen des Detektors platzierbar auf bzw. an allen Seiten des Kollimators bzw. der Kollimatoreinheit (bezogen auf alle drei Raumrichtungen).
2. Ein- oder mehrteilige zerlegbare Kollimatorformen: a. rotationssymmetrischer Kollimator (Puck) in folgenden Formvarianten und Ausgestaltungen: i. zylindrisch, flach, scheibenförmig; ii. torusförmig; iii. in Form eines Hohlzylinders; iv. Kombination genannter Formen; v. mit strahlenführendem Spaltverlauf durch ringförmigen Kollimatorbereich; vi. optionale austauschbare Kollimatoranteile (bspw. zur Erhöhung des Auflösungsvermögens oder der abschirmenden Materialdicke):
I. haubenartiger Kollimatoranteil, anzubringen bzw. aufzusetzen oberhalb des Hauptkollimators;
II. ringartiger Kollimatoranteil, anzubringen bzw. aufzusetzen unterhalb des Hauptkollimators;
III. in Form eines flachen Zylinders, anzubringen bzw. aufzusetzen ober- und/oder unterhalb des Hauptkollimators; vii. Eigenschaft der simultanen Erfassung mehrerer Perspektiven mit nur einem Kollimator abhängig von Anzahl der Spalten im Kollimator einschließlich der Möglichkeit der Bildgebung nach dem Prinzip des binokularen Sehens; b. teilrotationssymmetrischer Kollimator (Pars) in folgenden Formvarianten und Ausgestaltungen: i. Zylindersegment als Anteil eines Vollzylinders mit der Grundfläche eines Kreissektors mit frei wählbarem Mittelpunkswinkel; ii. mit wechselbaren Kollimatoranteilen seitens der Bewegungs- bzw. Pendelachse und seitens der Außenseite des Hauptkollimators, d. h. seitens des Mantels (wenn man von einem tortenstückartigen Zylindersegment mit der Grundfläche eines Kreissektors ausgeht) in Form eines Anteils eines tortenstückartigen Zylindersegments oder Hohlzylinders mit frei wählbaren auf den Hauptkollimator angepassten Mittelpunktwinkeln und Wandstärken; c. nichtrotationssymmetrischer Kollimator (Block) in folgenden Formvarianten und Ausgestaltungen: i. quaderförmig; ii. stabförmig; iii. mit wechselbaren Kollimatoranteilen, ober- und/oder unterhalb des Hauptkollimators anzubringen, in Quaderform oder in Form eines Zylinderanteils mit einer quadratischen oder rechteckigen Grund- bzw. Deckfläche; d. Kollimatorformen, welche eine Kombination der genannten Merkmale haben.
3. Formveränderung des zur Kollimation notwendigen Spalts bzw. Spaltverlaufs, gekennzeichnet durch: a. Erweiterung der Torsion einer definierten Fläche bzw. Regelfläche, welche den Spaltverlauf im Kollimator beschreibt, und des vertikalen Winkelbereichs für die den Kollimator durchziehenden Spalten (bei allen bereits vorgestellten Kollimatorformen) von vertikalen Winkeln bzw. Steigungswinkeln ß von 90° und darüber hinaus, d. h. bis zu einem Maximalwinkel von 180°, Scheitelpunkt auf dem Brennkreis; b. veränderter Brennkreis mit beliebiger monoton verlaufender Funktion beschreibbar, jenseits eines Kreisbogens gekrümmt und abnehmend gekrümmt bis zur Geraden; c. veränderte Spaltgeometrie durch variable Torsion mit kontinuierlich verlaufender Funktion beschreibbar; d. durch Kombination von verändertem Brennkreis und variabler Torsion.
4. Anordnung von mehreren Spalten in einem Kollimator in folgender Weise: a. Verschiebung eines gemeinsamen Bezugspunkts; b. Änderung des Winkles von Spalten zueinander; c. Änderung des Abstands von Spalten zueinander; d. Änderung der Lage von Spalten zueinander entlang aller drei Raumrichtungen.
5. Unterbringung von Spaltanteilen im Kollimator, d. h.: a. Anteile bzw. Segmente eines vollständigen Spalts im Kollimator; b. Kombination von vollständigen Spalten und Spaltanteilen im Kollimator.
6. Genannte Kollimatoren, aber auch zusammengefasste modulare Einheiten aus Kollimator, der ihn bewegenden Mechanik inclusive Abschirmelementen, Teile davon oder das Blendensystem als Ganzes können in folgender zur Kollimation notwendigen Weise bewegt werden: a. um eine Achse; b. Teilrotation bzw. Pendelbewegung/ oszillierend; c. entlang von Bahnen: i. kreisförmig; ii. elliptisch; iii. gekrümmt; iv. geradlinig; d. sinnvolle Kombination genannter Bewegungsformen, d. h.
Gesamtbewegung ist aus mehreren Einzelbewegungen bzw. Bewegungskomponenten zusammengesetzt.
7. Detektor/Kristall an verschiedenen Orten platzierbar: a. an der Bewegungs-/Pendelachse; b. vor oder nach dem Kollimator (ausgehend von der Strahlrichtung) wegen Umkehrbarkeit der Strahlrichtung.
8. Eigenschaft der simultanen Erfassung eines Objekts aus mehrerer Perspektiven mit nur einem Kollimator abhängig von Anzahl der Spalten im Kollimator, räumliche Erfassung nach Prinzip des binokularen Sehens.
9. Kamerasystem bestehend aus zwei vollständigen Kameras (mindestens Kollimator und sensitiver Detektorteil) übereinander, Kollimatoren ausgestattet mit jeweils einem Spalt, Spalten gegenläufig bzw. entgegengesetzt zueinander versetzt angeordnet, vorzugsweise um 90°, mit Schubbewegung bewegt.
10. Spaltlumen mit unterschiedlichen stützenden formgebenden Materialien ausgefüllt, mit die den Spalt durchquerende Strahlung schwächenden Eigenschaften. Bezugszeichenliste
1000, 2000, 3000 Spaltenbelende 1010, 2010, 3010 erstes Element (z. B. Oberteil) 1020, 2020, 3020 zweites Element (z. B. Mittelteil) 1030, 2030, 3030 drittes Element (z. B. Unterteil) 1100, 2100, 3100 strahlenoptisches System
R1 , R2 erzeugenden Rotationsache R21, R22 erste/zweite Richtung der erzeugenden Rotationsache R2 T3 erzeugende Translationsachse F erzeugende Fläche L Längsachse (z. B. Breite, Durchmesser)
K1, K2, K3 erzeugter Körper (Rotationskörper bzw. T ranslationskörper)
OF Oberfläche
ON Oberflächennormalen
ON1, ON2 erste/zweite Komponente der Oberflächennormalen ON I Innenbereich (bzgl. des Körpers K)
A Außenbereich (bzgl. des Körpers K)
T oberer Bereich („Top“) u unterer Bereich
S Spalt BP Bildpunkt
OB Objektbereich D Detektor
O Objekt BK Brennkurve
BB Bildbereich EW Einfallswinkel Rahmen, Aufnahme für bewegliche Teile gesamte äußere Abschirmung bewegliches Gehäuse bzw. eine bewegliche Aufnahme für die mehrteilige modular aufgebaute Kollimatoreinheit (20)
Kollimator, Kollimatorkörper, Kollimatorvolumen mehrteilige modular aufgebaute Kollimatoreinheit
Hauptkollimator
Hauptkollimator (21) ergänzende Zusatzblendenteile zusätzliche Abschirmelemente rotationssymmetrische, annähernd scheibenförmige Kollimatorform bzw. Kollimatorvariante (Puck)
Scheibenform von Puck
Ringform bzw. Torusform von Puck haubenartiger Kollimatoranteil ringartiger Kollimatoranteil mittige Bohrung zur Achshalterung teilrotationssymmetrische Kollimatorform bzw. Kollimatorvariante als Sektor aus einem Zylinder (Pars)
Grund- bzw. Deckfläche in Form eines Kreissektors Mittelpunktswinkel wechselbarer Kollimatoranteil in Form eines tortenstückähnlichen Zylindersegments oder in Form eines Anteils eines Hohlzylinders, bewegungsachsenseitig, objektseitig wechselbarer Kollimatoranteil in Form eines Hohlzylinders, mantelseitig nichtrotationssymmetrische quaderförmige Kollimatorform bzw. Kollimatorvariante (Block) modular austauschbarer quaderförmiger oder zylinderschnittförmiger Kollimatoranteil, oberhalb des Hauptkollimators anzubringen modular austauschbaren quaderförmige oder zylinderschnittförmige Kollimatoranteile, unterhalb des Hauptkollimators anzubringen
Detektor sensitiver Teil eines Detektors, Teil eines Detektors, Szintilatorkristall speziell geformter Spalt(en), Spaltlumen durch variable Torsion veränderter Spalt(en)
Segmente bzw. Anteile von Spalten (101)
Spaltein- bzw. ausgänge
Strahlenquelle bzw. strahlendes Objekt
Koordinatensystem mit den Achsen x, y und z x/y- Ebene bzw. horizontale Nullebene durch den Koordinatenursprung vertikale bzw. senkrechte Richtung, z-Richtung
Oberseite des Kollimators, Bereich oberhalb des Kollimators
Unterseite des Kollimators, Bereich unterhalb des Kollimators horizontale bzw. seitliche Richtung, x- oder y-Richtung bzw. entlang der x/y- Ebene, y-Richtung als Orientierung bei in Fig. 10 gestapelten Spalten (133)
Innenseite des Kollimators, Seiten der Bewegungsachse
Außenseite des Hauptkollimators, d. h. Seite des Mantels (wenn man von einem tortenstückartigen Zylindersegment ausgeht)
Bewegungs- bzw. Rotationsachse, zentrale Rotationsachse, Zylinder- bzw. Symmetrieachse
Torsionsachse
Strahlenpassage, Durchstrahlungsrichtung, Spaltverlauf zur Strahlenpassage, Teilpassage bei Puck
Paar von zwei gegenüberliegenden Spalten, zwei korrespondierende Strahlengänge für eine bestimmte Perspektive
Regelfläche, Regelflächenform zur Beschreibung/ Charakterisierung der Spaltform als Weg der Strahlen durch Kollimator die als Leitfläche aus der Torsion hervorgegangen ist, und die Mittelebene des Spalts durch den Kollimator ausmacht Regelfläche (100) ohne Veränderung der Brennpunktentfernung f, die auf dem Brennkreisbogen (31) die x/y-Ebene (10) durchstößt, Regelfläche wie (120), jedoch mit einer gleitenden Veränderung der Brennweite f bzw. einer sich verändernden Brennkurve Brennpunkt F Brennkreisbogen mit dem Radius f auf der x/y-Ebene (11), auf dem sich der Brennpunkt F nach der Torsion bewegt, auch mit „Brennkreis“ bezeichnet, geschlossener Kreis bzw. Kreisbogen, welcher sich durch die Brennkreise benachbarter sich überlappender Spalten (101) ergeben Kurve bzw. Brennpunktbogen/Brennpunktbögen, ähnlich wie (31), jedoch kein Kreisbogen mit konstantem Radius, sondern mit sich änderndem Radius größere Hohlräume durch die Überlagerung von Spalten in der Umgebung des Brennkreises (31) bzw. (32) kleinere Hohlräume durch die Überlagerung von Spalten in der Umgebung des Brennkreises in der Umgebung der Brennpunktbögen (33) Fächer aller entlang des gesamten Spalts möglichen Strahlenpassagen, Fächerrichtung Teilfächer aller entlang eines Segments bzw. Anteils eines Spalts (144) durchgehende Geraden, die in den jeweiligen äußeren Strahlengängen liegen und einen entsprechenden Fächer aller entlang des gesamten Spalts möglichen Strahlenpassagen (105) begrenzen und den Winkelbereich (34) begrenzen erweiterte vertikaler Winkelbereich für mögliche Strahlenpassagen (102) Steigungswinkel ß zwischen horizontaler x/y- Ebene bzw. Nullebene und einer Geraden, welche für bestimmten einfallenden Strahl steht, mit Scheitelpunkt im Brennpunkt F bzw. auf dem Brennkreis liegend wie (35), nur mit Wert über 90° Winkelabweichung a von der x-Achse mit Scheitelpunkt auf der (110), Torsionswinkel a Winkel des horizontalen Sichtbereichs eines Spalts asymmetrische Gestaltung der Strahlenführung bzw. der die Spaltform beschreibenden Regelfläche (100) erweiterte Regelfläche (100), nahezu symmetrische Gestaltung der Spaltführung, ermöglicht Strahlenpassagen, welche senkrecht zur Bewegungsrichtung eines Kollimators verlaufen Bewegungsachsen Zentrale Bewegungsachse der Kamera Rotationsbewegung, durch Doppelpfeil angedeutet Pendelbewegung bzw. Teilrotation oder oszillierende Bewegung, durch Doppelpfeil angedeutet Schubbewegung, durch Doppelpfeil angedeutet lichtleitende Verbindung, Linsen-, Lichleiter- und Spiegelsystem zentrale Bewegungsachse der gesamten Kamera in Fig. 12

Claims

Patentansprüche
1. Spaltenblende (1000) für ein abbildendes strahlenoptisches System, umfassend: einen Ausschnitt aus einem um eine erzeugende Rotationsachse (R1) als erzeugter Körper (K1) ausgebildeten Rotationskörper (K1), wobei die erzeugende Fläche (F) des Rotationskörpers (K1) parallel zur Rotationsachse (R1) ausgerichtet ist, die Rotationsachse (R1) außerhalb der erzeugenden Fläche (F) liegt, der Ausschnitt einen Rotationswinkel von kleiner als 360° aufweist und dessen Oberfläche (OF) aufgrund einer ersten Komponente (ON1) seiner Oberflächennormalen (ON) einem auf die Rotationsachse (R1) gerichteten Innenbereich (I) und einem davon wegweisenden Außenbereich (A) zugeordnet ist, wobei parallel zur Rotationsachse (R1) ausgerichtete Oberflächennormalen (ON) dem Außenbereich (A) und die Endflächen des Rotationskörpers (K1) dem Innenbereich (I) zugeordnet sind, wobei der Rotationskörper (K1) aus einem für die abzubildende Strahlung intransparenten Material besteht und mindestens einen Spalt (S) oder eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spalten (S) umfasst, welche sich vollständig vom Innenbereich (I) zum Außenbereich (A) durch den Rotationskörper (K1) hindurch erstrecken und wobei die beiden inneren Begrenzungsflächen der einzelnen Spalten (S) tordierte Regelflächen darstellen, die derart ausgebildet sind, dass die sich daraus ergebende Torsion der Spaltöffnungen für jeden Spalt (S) jeweils nur eine freie Sichtachse durch den Spalt (S) für von auf der in den Außenbereich (A) erweiterten Regelfläche liegenden Objektpunkten (OP) eines Objektes (O) im Außenbereich (A) als Objektbereich (OB) zu jeweils einem Bildpunkt (BP) auf einem Detektor (D) im Innenbereich (I) als Bildbereich (BB) ergibt.
2. Spaltenblende (2000) für ein abbildendes strahlenoptisches System, umfassend: einen ringförmig um eine erzeugende Rotationsachse (R2) als erzeugter Körper (K2) ausgebildeten Rotationskörper (K2), wobei die erzeugende Fläche (F) des Rotationskörpers (K2) parallel zur Rotationsachse (R2) ausgerichtet ist, die Rotationsachse (R2) außerhalb der erzeugenden Fläche (F) liegt, der Rotations winkel 360° beträgt und dessen Oberfläche (OF) aufgrund einer ersten Komponente (ON1) seiner Oberflächennormalen (ON) einem auf die Rotationsachse (R2) gerichteten Innenbereich (I) und einem davon wegweisenden Außenbereich (A) sowie aufgrund einer zweiten Komponente (ON2) seiner
Oberflächennormalen (ON) einem in eine erste Richtung (R21) der Rotationsachse (R2) weisenden oberen Bereich (T) und einem in die der ersten Richtung (R21) entgegengesetzte zweite Richtung (R22) der Rotationsachse (R2) weisenden unteren Bereich (U) zugeordnet ist, wobei senkrecht zur Rotationsachse (R2) ausgerichtete Oberflächennormalen (ON) dem oberen Bereich (T) zugeordnet sind und parallel zur Rotationsachse (R2) ausgerichtete Oberflächennormalen (ON) dem Außenbereich (A) zugeordnet sind, wobei der Rotationskörper (K2) aus einem für die abzubildende Strahlung intransparenten Material besteht und mindestens einen Spalt (S) oder eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spalten (S) umfasst, welche sich vollständig vom oberen Innenbereich (T & I) zum Außenbereich (A) durch den Rotationskörper (K2) hindurch erstrecken und wobei die beiden inneren Begrenzungsflächen der einzelnen Spalten (S) tordierte Regelflächen darstellen, die derart ausgebildet sind, dass die sich daraus ergebende Torsion der Spaltöffnungen für jeden Spalt (S) jeweils nur eine freie Sichtachse durch den Spalt (S) für von auf den in den oberen Bereich (T) erweiterten Regelfläche liegenden Objektpunkten (OP) eines Objektes (O) im oberen Bereich (O) als Objektbereich (OB) zu jeweils einem Bildpunkt (BP) auf einem Detektor (D) im Außenbereich (A) als Bildbereich (BB) ergibt.
3. Spaltenblende (3000) für ein abbildendes strahlenoptisches System, umfassend: einen entlang einer erzeugenden Translationsachse (T3) als erzeugter Körper (K3) ausgebildeten Translationskörper (K3), wobei die erzeugende Fläche (F) des Translationskörpers (K3) senkrecht zur Translationsachse (T3) ausgerichtet ist und eine senkrecht zur Translationsachse (T3) definierte Längsachse (L) aufweist, wobei dessen Oberfläche (OF) aufgrund einer Komponente seiner Oberflächennormalen (ON) einem oberen Bereich (T) und einem davon wegweisenden unteren Bereich (U) zugeordnet ist, wobei parallel zur Translationsachse (T3) sowie parallel zur Längsachse (L) ausgerichtete Oberflächennormalen (ON) dem oberen Bereich (T) zugeordnet sind, wobei der Translationskörper (K3) aus einem für die abzubildende Strahlung intransparenten Material besteht und mindestens einen Spalt (S) oder eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spalten (S) umfasst, welche sich vollständig vom unteren Bereich U zum oberen Bereich T durch den Translationskörper (K3) hindurch erstrecken und wobei die beiden inneren Begrenzungsflächen der einzelnen Spalten (S) tordierte Regelflächen darstellen, die derart ausgebildet sind, dass die sich daraus ergebende Torsion der Spaltöffnungen für jeden Spalt (S) jeweils nur eine freie Sichtachse durch den Spalt (S) für von auf der in den oberen Bereich T erweiterten Regelfläche liegenden Objektpunkten (OP) eines Objektes im oberen Bereich (T) als Objektbereich (OB) zu jeweils einem Bildpunkt (BP) auf einem Detektor (D) im unteren Bereich (U) als Bildbereich (BB) ergibt.
4. Spaltenblende (1000, 2000, 3000) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die freien Sichtachsen sich zumindest teilweise im Inneren des erzeugten Körpers (K1 , K2, K3) kreuzen.
5. Spaltenblende (1000, 2000, 3000) nach Anspruch 4, wobei die freien Sichtachsen aller Spalte (S) sich entlang einer gemeinsamen Brennkurve (BK) kreuzen.
6. Spaltenblende (1000, 2000, 3000) nach Anspruch 4, wobei die freien Sichtachsen aller Spalte (S) sich in Abhängigkeit vom Einfallswinkel (EW) jeweils in einer gemeinsamen Brennkurve (BK) im Inneren des erzeugten Körpers (K1, K2, K3) kreuzen, wobei der Abstand zwischen den Brennkurven (BK) entlang einer Brennkurve (BK) bevorzugt konstant ist.
7. Spaltenblende (1000, 2000, 3000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden inneren Begrenzungsflächen eines Spaltes (S) einen ortsabhängigen Abstand zueinander aufweisen, vorzugsweise sich deren Abstand vom Objektbereich (OB) zum Bildbereich (BB) hin verjüngt.
8. Spaltenblende (1000, 2000, 3000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spaltenblende (1000, 2000, 3000) als modulare Struktur bestehend aus einzelnen Elementen (1010, 1020, 1030; 2010, 2020, 2030; 3010, 3020, 3030) zusammengesetzt ist.
9. Blendensatz, umfassend mehrere Spaltenblenden (1000, 2000, 3000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dazu eingerichtet, auswechselbar in einem gemeinsamen abbildenden strahlenoptischen System (1100, 2100, 3100) verwendbar zu sein, wobei sich die einzelnen Spaltenblenden (1000, 2000, 3000) in Form und Anordnung der Spalten (S) voneinander unterscheiden.
10. Abbildendes strahlenoptisches System (1100), umfassend eine Spaltenblende (1000) nach Anspruch 1 , wobei die Spaltenblende (1000) zur Erzeugung einer Abbildung eine oszillierende Bewegung ausführt, vorzugsweise über einen Winkelbereich mit einem maximalen Winkel zwischen 1 ° und 90° um die erzeugende Rotationsachse (R1) oder um eine zur erzeugenden Rotationsachse (R1) verschobene oder gekippte Achse.
11. Abbildendes strahlenoptisches System (1100) nach Anspruch 10, wobei die Spaltenblende (2000) zur Erzeugung einer Abbildung um mindestens eine weitere Achse zur Bewegung über einen Winkelbereich drehbar gelagert ist.
12. Abbildendes strahlenoptisches System (2100), umfassend eine Spaltenblende (2000) nach Anspruch 2, wobei die Spaltenblende (2000) zur Erzeugung einer Abbildung eine rotierende und/oder oszillierende Bewegung ausführt, vorzugsweise um die erzeugende Rotationsachse (R2) oder um eine zur erzeugenden Rotationsachse (R2) verschobene oder gekippte Achse.
13. Abbildendes strahlenoptisches System (3100), umfassend eine Spaltenblende (3000) nach Anspruch 3, wobei die Spaltenblende (3000) zur Erzeugung einer Abbildung eine oszillierende Bewegung ausführt, vorzugsweise parallel und/oder senkrecht zu der erzeugenden Translationsachse (T3) oder entlang einer zur erzeugenden Translationsachse (T3) verschobenen oder gekippten Achse.
14. Abbildendes strahlenoptisches System (1100, 2100, 3100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, weiterhin umfassend einen Detektor (D) und ein Mittel zur Auswertung, wobei das Mittel zur Auswertung dazu ausgebildet ist, aus dem zeitlich mit einer Bewegung der Spaltenblende (1000, 2000, 3000) korrelierten Detektorsignal für Bildpunkte auf dem Detektor (D) im Bildbereich (BB) der Spaltenblende (1000, 2000, 3000) eine Abbildung eines Objektes (O) im Objektbereich (OB) der Spaltenblende (1000, 2000, 3000) zu berechnen.
15. Verfahren zur Herstellung einer Spaltenblende (1000, 2000, 3000), die folgenden Schritte umfassend: a) Erzeugen einer Spaltenblende (1000, 2000, 3000) als inverse Hohlform mit einem für die abzubildende Strahlung transparenten Material; b) Auffüllen der Hohlform mit einem für die abzubildende Strahlung intransparenten Material, insbesondere einem Metallpulver; c) Verschließen der aufgefüllten Hohlform.
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