DE2149279A1

DE2149279A1 - Szintillationskamera mit verbesserter Aufloesung

Info

Publication number: DE2149279A1
Application number: DE19712149279
Authority: DE
Inventors: Kulberg Gerardus Huibrecht; Gerd Muehlleher
Original assignee: Nuclear Chicago Corp
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-10-12
Filing date: 1971-10-02
Publication date: 1972-04-13
Also published as: CA945692A; ZA716794B; JPS5129839B1; FR2110361A1; GB1363246A; DE2149279C3; AU463006B2; DE2149279B2; NL7113984A; CH539858A; NL151515B; US3732419A; FR2110361B1; IT944739B; SE365618B; AU3444371A

Description

PATENTANWALT DIPL-INGr.

HELMUT GDRTZ & Frenktud a:n Main 70 Schntckenhofcfr, 27-TeUl 7Q 79

27. September 1971 Gzs/Ra.

Nuclear-Chicago Corp., Des Piaines, Illinois / USA Szintillationskamera mit verbesserter Auflösung

Szintillationskameras werden in großer Zahl in nuklear-medizinischen Abteilungen von Krankenhäusern der ganzen Welt verwendet. Die am häufigsten verwendete Szintillationskamera ist eine kommerzielle Version der Anger-Szintillationskamera, die in dem US-Patent Nr. 3 Oli 057 und in den vielen über diese Vorrichtung innerhalb der letzten zehn Jahre veröffent lichten Artikeln beschrieben ist. Die Szintillationskamera ist in der Lage, schnell ein Bild der Verteilung der Radio aktivität innerhalb eines zu untersuchenden Objektes aufzu nehmen, wie z.B. ein Organ des menschlichen Körpers, das eine diagnostische Menge von einem radioaktiven Isotop auf genommen hat· Eine Szintillationskamera vom Anger-Typ erzeugt ein Bild der radioaktiven Verteilung, indem einzelne Gammastrahlen erfaßt werden, die von der verteilten Radio aktivität in de« Objekt ausgestrahlt werden und einen KoHiBator passieren, um eine Szintillation in einem dünnen Planar-Szintillationskristall zu erzeugen. Die Szintillation wird durch eine Beine von individuellen Photomultiplierröhren erfaßt, die überlappende Bereiche des Kristalls sehen, und geeignete elektronische Schaltungen übersetzen die Ausgänge der einzelnen Photomultiplierröhren in x- und y-Koordinatensignale und ein Z-Signal, das allgemein die Energie des Szintillationsereignisses anzeigt, oder ob das Ereignis in ein ausgewähltes Fenster eines Energiespektrums

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fällt. Ein Bild der Radioaktivitätsverteilung in dem Objekt kann erhalten werden, indem die x-, y- und Z-Signale einem Kathodenstrahloszillographen zugeführt werden, auf dem die einzelnen Szintillationsereignisse als kleine Lichtpunkte dargestellt werden, die in Übereinstimmung mit den Koordinatensignalen angeordnet sind, und in dem eine große Anzahl von Punkten auf fotografischem Film integriert wird. Eine verhältnismäßig große Anzahl von Szintillationsereignissen ist nötig, üb das endgültige Bild der Radioaktivitätsverteilung aufzubauen.

Es kann festgestellt werden, daß die Au lösung einer Szintillationskamera sich auf den Grad der Fähigkeit der Kamera bezieht, die räumliche Verteilung der Radioaktivität, die sich innerhalb des Sichtbereichs der Vorrichtung befindet, getreu wiederzugeben. Die Gesaatauflösung einer Szintillationskamera hängt τοπ der Anflösung des Kollimators ab, der zusammen mit dem Detektor verwendet wird, und von der eingegebenen Auflösung des Detektors selbst. Der Kollimator, der am häufigsten mit der Szintillationskamera verwendet wird, ist ein Vielkanalkollimator mit einer großen Anzahl von gegenseitig getrennten Apfrtüren <· in einem Körper eines Materials, das im wesentlichen undurchlässig für Gammastrahlen ist. Die Auflösung von derartigen Kollimatoren ist abhängig von der Größe der Apenturen, ._v der Wanddicke oder septalen Dicke zwischen den ApentuyeA, und der axialen Länge der Aperturen. Im allgemeinen kann festgestellt werden, daß der Entwurf von Multikanalkollimatoren einen Kompromiß zwischen der Auflösung und der Effektivität erfordert, da es im allgemeinen wünschenswert ist, eine verhältnismäßig kleine Dosis von radioaktivem Isotop in der

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klinischen Abbildungssituation zu verwenden. Es konn auch festgestellt werden, daß die eingegeben*- Auflösung des abbildenden Detektors selbst der wichtigste begrenzende Faktor in der Gesamtauflösung der Szintillationskamera ist« Eine Verbesserung dor eingegebenen Auflösung des Detektors ermöglicht die nützliche Verwendung eines Kollimators von höherer Auflösung und infolgedessen eine nachfolgende Verbesserung der Gesamtauflösung der Szintillationskamera.

i)a eine Anger—Kamera in einer Art arbeitet, b» L der jedes Saintillationsereignis auf Ein-Ereignis-zu-f-iner«=>Z*»it*»I<asis behandelt wird, ist die gesamte eingegebene auflösung eines Anger-Kameradetcktors allgemein abhängig xw der Fähigkeit des Detektors, die Stellungekoordinaten von jedem Szintillationsereignis genau zu signalisieren. Da ;^fiele Opera-'- * *■· tionen in der Erkennung von jedem Szintillationsereignis und der Signalisierung * seiner Positionskoordinaten enthalten sind, bestimmt die Genauigkeit jeder dieser Operationen zu einem großen Ausmaß die Gesamtgenauigkeit oder Auflösung der Szintillationskamera. Zum Beispiel erzeugt ein Gammastrahl, der mit dem Szintillationskristall in Wirksamkeit? tritt, einen Lichtblitz mit einer statistischen Varianz in der Anzahl der durch diese Wechselwirkung erzeugten Photonen. Die Verteilung dieser Photonen an die Photokathoden der Photomultiplierröhre besitzt eine statistische Varianz; die Effektivität der Photomiltipllerröhren, die einfallenden Lichtphotonen in ein elektrisches Signal umzuwandeln, ergibt eine statistische Varianz; und die Behandlung des PhotomultiplierrüBrenavsgaBgssignals in der elektronischen Schaltung für die endgültige Anordnung eines Lichtpunktes

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auf der Kathodenstrahlröhre enthält statistische Varianzen. Jeder dieser einzelnen Schritte in dem Gesamtabbildungsprozess kann als ein gesonfcrtes Problem vom Standpunkt der Verbesserung der Auflösung der Meßvorrichtung betrachtet werden.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Entdeckung, daß der Gebrauch von der Signalinformation von entfernten Röhren tatsächlich die eingegebene Auflösung des Anger-Detektors verschlechtert, und zwar wegen der statistischen Varianzen in der Anzahl der Photonen, die die Photomultipll erröhren erreichen, die von der Stelle des Szintillationsereignisses entfernt sind, und wegen der statistischen Varianzen in dem resultierenden Ausgangssignal von derartigen Röhren zusammen mit dem langen "Hebelarm", der mit diesen Röhren verbunden ist. Mt anderen Worten, die durch die entfernten Röhren gelieferten Informationen sind im wesentlichen weniger genau, als die, die durch die näheren Röhren geliefert werden, da sie auf verhältnismäßig wenig Photonen von dem Szintillationsereignis basieren. Der Fehler oder die Ungenauigkeit wird durch den langen "Hebelarm", der mit den entfernten Röhren verbunden ist, vermehrt. Das Ergebnis ist, daß die Bildauflösung durch die Verwendung von Signalen verschlechtert wird, die durch die entfernten Röhren beigetragen werden, wenn die endgültige Koordinatensignalinformation erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung enthält daher die Anwendung von Schaltungsvorrichtungen an dem Ausgang von jeder Photomultiplierröhre zur Verstärkung der Auegangssignale in einer nichtlinearen Art, allgemein dadurch charakterisiert, daß größere Ausgangssignale größere Verstärkung erhalten als kleinere Ausgangssignale, so daß die verhältnismäßig genauen Signale, die durch

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die Photomultiplierröhren in der Nähe von jedem Szintillationsereignis beigetragen werden, Über die verhältnismäßig ungenauen Signale verstärkt werden, die durch entfernte Photomultiplierröhren beigetragen werden, wodurch das gewünschte Ziel der Erfindung erreicht wird, nämlich die Ver-

d.h. systemgebundenen besserung der eingegebenen/AurlÖsung des Anger-Detektors·

In einer vorzugsweisen Ausführungsform dieser Erfindung ist diese Schaltvorrichtung ein Schwellen-Vorverstarkerschaltkreis, der eine Elngang-zu-Ausgang-Ubertragungscharakteristik besitzt, so daß Eingangssignale von einer Größe, die kleiner ist als eine vorherbestimmte Schwellengröße, im wesentlichen

ein kein Ausgangesignal erzeugt, und da$/Eingangssignal von einer Größe, die größer let als eine vorgewählte Schwellengröße, ein verstärktes Auegangssignal erzeugt _t9 dae la wesentlichen proportional zu der Größe des Eingangssignals oberhalb der Schwellengröße ist.

Die verbesserte Auflösung, die in der vorzugsweisen Ausführung si orm dieser Erfindung erreicht wird, erfordert keine Modifikation irgendwelcher anderer elektronischer Schaltungen der Anger-Kamera. Jedoch kann die Einfügung der vorzugsweisen AusfUhrungsfora der Anger-Kamera alt einer Veränderung der Integrationszeitkonstanten der Einheit verbunden werden, ua Vorteile aus elnigea zusätzlichen Gewinn in der Auflösung zu ziehen, die durch die Verwendung von mehr Licht erreicht wermttVfHtfJM durch jedes Szintillationsereignis erzeugt wird, d.h., daß aan der Schaltung erlaubt, auf ein Szintillationsereignis über eine längere Zeitperiode zu antworten« Die Erfindung verbessert die allgeaeinen diagnostischen Fähigkeiten der Anger-Kaaera, ohne daß aufwendige Veränderungen

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von anderen Teilen des Systems nötig wären. Außerdem kann die Verbesserung in früher hergestellten Einheiten angewendet werden, indem Ersatzverstärker installiert werden und andere kleine Schaltungsveranderungen vorgenommen werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Darstellungen eines AusfUhrungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung.

Es zeigt:

Fig. i ein schematisches Blockdiagramm der Elektronik einer Anger-Siintillationskamera,

Fig, 2 eine schematische Darstellung einer hexagonalen Anordnung von PhotoaultipiierrÖhren in einer Anger-Szintillationskaaera,

Fig. 3 schenatiech, teilweise als Blork^und teilweise als Schaltung, einen Teil der Anger-Szintillationskamera,

Fig. k eine teilweise geschnittene schematische Ansicht von Elementen eines Detektorkopfes einer Anger—Szintillationskamera,

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Ausgangssignals von den PhotoaultiplierrBhren der Fig. k als eine Funktion der Stellung einer kollimatierten Gammastrahlenquelle auf der x-Achse des Detektors,

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Fig. 6 ein schematisches Blockdiagramm eines Sohwellen-

vorverstärkers in Übereinstimmung mit dieser Erfindung,

Fig. 7 ein schematisches Schaltdiagramm eines Vorverstärkers herkömmlicher Art,

Flg. 8 ein schematisches SchaItdiagramm eines Schvellenvorverstärkers in Übereinstimmung mit dieser Erfindung,

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Form der Eingangs-Ausgangs-Übertragungscharakteristik eines Vorverstärkers bekannter Art und eines Schwellenvorverstärkers in Übereinstimmung mit dieser Erfindung, und

Fig. 10 eine scheaatiscbe Darstellung eines Summierverstärker·, der in einer handelsüblichen Ausführung der Anger-Szintlllatlonskaaera verwendet wird.

In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung einer vorliegenden handelsüblichen Form einer Anger-Kamera gezeigt. Neunzehn Photoaultiplierröhren (PMTS) 10 wirken zusammen, um eine Szintillation zu erkennen, and ihre neunzehn Ausgänge 11 sind mit neunzehn Vorverstärkerechaltungen (PREAMPS) 20 getrennt verbunden. Neunzehn Vorverstärkerauegänge 21 sind alt einer Widerstandsmatrix und einem Suamenverstärkerschaltkreie 30 verbunden, der von den Vorverstärkerausgängen vier Koordlnatenausgangssignale x+, x-, y+, y- an den Leitungen 31-3Ai erzeugt. Diese vier Ausgangssignale werden zu Leitungeverstärkern und Toraue-

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dehnern 50 und zu Z-Impulsformep-und Pulshöhenanalysatör (PHA) kO geführt. Der Z-Pulsformer kombiniert die vier Eingangssignale zu einem Z-Signal, das die Energie eines Szintillationsereignisses darstellt, und das dnw Eingang auf der Leitung k3 fUr den Differenzverstärker und Verhältnisschaltkreis 60 darstellt. Der Pulshöhenanalysatör blendet die Torausdehner ein, wenn die Energie des Szintillationsereignisses innerhalb eines ausgewählten Energiespektralbereichs fällt, so daß verlängerte x+, x-, y+· und yf -Signale über Leitungen 51-5^ dem Differenzverstärker und Verhältnisechaltkreis 60 übermittelt werden, wo die x+ und x- -Signale und die y+ und y- -Signale voneinander abgezogen und die Ergebnisse im Verhältnis mit dem Z-Impuls als Nenner ins Verhältnis gesetzt werden, um te- und y-Koordinatensignale auf den Leitungen 6l und 62 zu erzeugen. Der Pulshöhenanalyslerer erzeugt auch ein Einschaltsignal auf der leitung ki als ein Eingang für eine Kathodenetrahlsichtröhre (CRT) 70, wenn der Analysierer festgestellt hat, daß ein Szintillationsereignie innerhalb eines ausgewählten Energiespektralbereichs fällt, und der «.*#*** < <■*-·»·■■ erzeugt mit dem Einschalten einen Lichtpunkt auf einer Sichtscheibe^! In Übereinst irnaung mit Eingangspositionskoordinaten χ und y.

In Fig, 2 ist eine hexagonale Anordnung von neunzehn Photomultiplierröhren P1-P19, die in der vorliegenden handelsüblichen Version der Anger-Kamera verwendet werden, schematisch gezeigt, sotwie diese Reihe erscheinen würde, wenn man von der Seite schauen würde, die gegenüberliegend eine» Szintillationskristall 101 liegt, άψτ von den Röhren betrachtet wird. Ein x-y-Koordinatensystem mit dem Ursprung am Punkt A, der zentralen Achse der Röhre 10, wird bei dieser Kamera angewendet.

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Fig. 3 zeigt mit mehr Einzelheiten die Verkopplimg der Photomultiplierröhren P1-P19 mittels einzelner Vorverstärkerschaltungen PA1-PA19 mit einer Widerstandsmatrix, in der im wesentlichen alle Ausgänge von den Vorverstärkern PA1-PA19 über ihre Bewertungswiderstände gekoppelt sind, wie z.B. Π21-Π24 mit vier Koordinatensignalleitungen x+, ^χ-» y+» y-· Die Köhren P8 bzw, P12 haben keine Widerstands-Verkopplungen zu den x+ und x- -Leitungen» Die Werte der Bewertungswiderstände werden in Übereinstimmung mit der Position von jeder Röhre in dem x-y-Koordinatensystem festgestellt. Fig. 3 zeigt die Matrix, die in der vorliegenden kommerziellen Version der Anger-Kamera verwendet wurde; jedoch wurden auch andere Matrjxlösungen unter Verwendung von Kondensatoren oder Impedanzelementen durch H. 0. Anger und andere benutzt. Es ist außerdem zu bemerken, daß das Vierleitungssystem, das in den Fig. 1 und 3 gezeigt wurde, durch ein Fünfleitungssystem ersetzt werden könnte, das eine getrennte Matrix für das Energie-oder Z-Signal einschließen würde, und einen etwas unterschiedlichen Lösungeweg für die Matrizenanwendung zur Entwicklung der

ergeben würde
x+, x-, y+ und y- -Signale/ Die Prinzipien der Anger-Kamera sind in wesentlichen in den verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten enthalten.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Querschnitt der wichtigeren Funktionselemente in einem Detektorkopf der vorliegenden handelsüblichen Venion der Anger-Kamera. Ein Kollimator 90 eines vielkanaligen Typs, d.h. mit einer großen Anzahl von Kanälen 91, erlaubt Strahlungsquanten, die im wesentlichen in der Richtung der Achsen der Kanäle laufen, zu passieren, während Strahlt η absorbiert oder blockiert w{rdqn,dle mit

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anderen Winkeln einfallen. Eine Kristallanordmmg 100, die aus einem Kristall 101 in der rorm einer flachen runden Scheibe von mit Sodlumjodid aktiviertem Thallium und aus einer Glasdeckscheibe 102 besteht, empfangt Strahlungsquanten, die durch den Kollimator 90 passleren. Ein Strahlungsquant, das mit dem Kristall 101 in Wechselwirkung tritt, erzeugt einen Lichtblitz darin, wodurch Photonen isotrop ausgestrahlt werden. Die Anzahl der Photonen hängt von der Energie ab, die durch die Strahlung in dem Kristall abgegeben wird; und wenn alle Energie in dem Quant zur Erzeugung des Szintitlationsereignisses abgegeben wurde, ist dieses Ereignis als Photospitzenereignis bekannt. Der PulsÄehenauswähler der Kamera wird im allgemeinen so gesetzt, daß die Kamera ein endgültiges Bild von im wesentlichen nur den Photospitzenereignissen erzeugt, entsprechend der Energie der angewendeten radioaktiven Isotope. Die meieten der Photonen, die bei einem Szintillationsereignis ausgestrahlt werden, erreichen schließlich eine der Photokathoden von Photomultiplierröhren

P1-P19, wobei einige direkt durch den Kristall iOl, das Glaslauf en fenster 102 und die Lichtröhre HO^ wahrend andere erst von verschiedenen Oberflächen und Zwischenflächen der Anordnung reflektiert und/oder gebrochen wurden. N^ten, wie z.B. die Nut ill, sind in die Lichtröhre 110 zwischen Photomultiplierröhren geschnitten, üb das Licht auf die Photokathoden der Röhren zu lenken. Die Zuteilung der Photonen von jedem Szintillatlonsereignis ist derartig, daß Photomultiplierröhren in der Nähe der Koordinatenstelle des Ereignisses eine verhältnismäßig große Anzahl von Photonen erhalten, während entfernte Rühren weniger Photonen aufnehmen.

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-Ii-

Fig» 5 zeigt in graphischer Form die Ausgangsantwort von fünf Röhren P8-P12 auf der x-Achse einer Anger-Kamera auf eine kollimatierte Gammastrahlenquelle an verschiedenen Stellen auf der x-Achse. Die Kurven 131-135 repräsentieren jeweils die Ausgänge von Röhren P8-P12 in Fig. k, und gestrichelte Linien 121-125 repräsentieren die zentralen Achsen von diesen fünf Röhren. Aus Fig. 5 ist zu erkennen, daß ein Szintillationsereignis, das am Punkt A in Fig. 2 auftritt, einen sehr großen Ausgang von der Röhre PiO erzeugt, und kleinere Ausgänge von den Röhren P9 und PH, und sehr kleine Ausgänge von P8 und P12. Wegen der Konstruktion des Anger-Detektors und der angewendeten Matrix ist der Durchschnittsfehler der Ausgangssignale von den Röhren P8 und P.12 viel größer als der Durchschnittsfehler der Ausgangssignale der Röhren P9-PHj und der "Hebelarm", über den die Ausgänge von P8 und P12 angewendet werden, ist größer als die"Hebelarme"von den Röhrer P9-P11, so daß der Fehler zusammengesetzt wird. Es wurde deshalb gefunden, daß die allgemeine Genauigkeit der Signalisierung der Koordinaten von einem Ereignis am Punkt A verbessert werden kann, indem die Beiträge der Röhre P8 und P12 eliminiert qdrtr die Beiträge von näheren Röhren verstärkt werden. Wenn man dies auf die peunzehn-Röhrenanordnung der Fig. 2 anwendet, ist zu erkennen, daß die Verbesserung die Ausschaltung der Beiträge von allen zwölf Röhren des äußeren Ringes für Szintillationsereignlsse einschließt, die am Punkt A unter der Röhre 10 auftreten, oder daß anderweitig die Beiträge der sieben Zentralröhren angehoben werden. ^

Eine ähnliche Analyse kann für den Punkt B gemacht werden, der gleiche Abstände von den Zentren der Röhre P6, PlO,

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Pit und von den Röhren P5, ^7 und P15 hat „ Diese sechs Röhren erhalten die meisten der Pho+onen von einem 3zint11la— tionsereignis, das am Punkt B auftritt, und es wurde gefunden, daß durch im wesentlichen Ausschaltung der Beiträge der weiter entfernten Röhren die Genauigkeit der Signalisierung der Koordinaten des Ereignisses, das am Punkt B auftritt, allgemein verbessert wird. Für Ereignisse, die am Punkt C auftreten, erhalten die Rohren PlO, Pll, Pb und P15 die meisten Photonen und liefern die genaueste Information, während die Röhren im größeren Abstand im allgemeinen veniger genaue Informationen beitragen.

Im allgemeinen schließt diese Erfindung die Anwe-n-iung von 3ehaltvorrichtungen am Ausgang von jeder Photomnltiplierröhre ein, wobei diese Schaltvorrichtungen eine nichtlinear.e Charakteristik besitzen, um große Signalnusganfip gegenüber kleinen Signalausgängen zu bevorzugen, wobei die verhältnismäßig genaueren Signalinformationen über den verhältnismäßig weniger genauen Signalinformationen, die für jedes Szintillationsereignis erzeugt werden, bevorzugt werden. Von anderer Seite wurde kürzlich versucht, ungefähr das gleiche Endergebnis zu erreichen, indem Verzögerungsleitungen und Zeit-zu-Impuls-Höhenkonverter anstelle einer Matrix von Impedanzen und Summierverstärkern verwendet wurde (Tanaka et al., "Scintillation Cameras Based on New Position Arithmetics", Journal of Nuclear Medicine, Vol. ii, No. 9, Seiten 542-547, September 1970). Dieser andere Lösungsversuch schließt, obwohl er das grundlegende Anger-Kameraprinzip anwendet, einen totalen Umbau der elektronischen Schaltung ein, während die vorliegende Erfin dung unmittelbar und direkt an existierende Schaltungen von

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kommerziellen Anger-Kamerasystemen anpaßbar ist. Was im wesentlichen in einer vorzugsweisen Au«?ffihrungsform dieser Erfindung betroffen ist, ist die Anwendung eines unterschiedlichen Vorverstärkers anstelle des bisher verwendeten.

Ein Blockdiagramm einer bevorzugten Form dt?s Vorverstärkers übereinstimmend mit dieser Erfindung ist in Fig. 6 gezeigt. ä

Ein Photomultiplier (PMT) 210 ist mit dem Vorverstärker 220 verkoppelt, der aus einer Breitbandverstärkerstufe 221, . einer Grenzwertverstärkerstufe 222, einer Integrationsschali^ings stufe 223 und einer Ausgangsverstärkerstufe 22^;f besteht, Vorverstärker 220 wird am Ausgang von jeder Photomultiplierröhre P1-P19 der Fig. 3 als Vorverstärker PAl-PAi9 verwendet. Fig. 7 zeigt einen Vorverstärker aus dem Stand .^er Technik, bei dem die Eingangssignale von allen Großen linear verstärkt und durch den Kondensator ClO und den Widerstand Ri9 integriert werden, so daß eine charakteristische Ausgangskurve 150 erhalten wird, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Kurve l60 der Fig« 9 zeigt die Form der Eingang-zu-Ausgang-Charakteristik des Schwellenvorverstärkers, der in Fig. 6 in Blockform ge- ™ zeigt ist« Fig. β zeigt die tatsächliche Schaltung von einer vorzugsweisen Ausführungsform eines Schwellenvorverstärkers, der durch die vorliegende Erfindung für die Anwendung bei einer Anger-Kaaera handelsüblicher Art vorgesehen ist.

In Fig. 8 enthält die Breitbandverstärkerstufe Transistoren Q2-Q5 und mit Ihnen verbundene Vorspann- und Kopplungsschaltungen. Die Schwellenverstärkerstufe enthält einen Transistor Q6 und die damit verbundenen Vorspannschaltmittel einschließlich Ll, R9, CRl und RIO. Die Integrationsschaltstufe enthält die Kapazität C6 und den Widerstand 1112; und die Ausgangs-

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verstärkerstufe enthält die Transistoren Q7 und QS und die damit verbundenen Schaltelemente. Der Transistor Qi und seine damit verbundenen Schaltelemente wirken als ein Stromversorgungsgeräuschfilter oder Isolationsnetzwerk. Die Schaltung von Fig. 8 kann mit den folgenden Schaltelementen oder Werten hergestellt sein:

Transistoren	*I, Qk,* Q5, Q6, Q8**	2K	15
Ql, Q3		iOK	0,1
Q2		2K	15
Q7	Widerstände (Ohm)	220	15
IiI —	100	15
H2 —	15K
R3 —	12K
Rk —	100 K
R9 —	2,2K
RIO —	Kapazitäten (Mikrofarad)
RIi —	Ci —
Rl 2 —	C2 —
R13 —	03 —
Ck —
C5 —

2N39O6 2N4258 2N3904

R5 —	332
B 6 —	2K
R7 —	150
R8 —	1OK
Rl k —	1,8K
Rl 5 —	lOOK
Rl 6 —	56
Rl 7 ~	56
Ri 8 —	18K

C6 ~	0,	002
C7 —	15
C8 —	0,	100
C9 ~	0,	047

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Induktivität Ll — 10 MH

CRl — 10V, 5 5&, 1/4 Watt

Die Schaltung der Fig. 8 arbeitet in gennuen Einzelheiten in dar folgenden Weise. Die Breitbandverstärkerstufe enthält die Transistoren Q2-Q5 und damit verbundene Schaltelemente und verstärkt das Ausgangssignal, das von der Photomultiplierröhre aufgenommen wird. Die Serien-Widerstand— Kapazitäts-Schaltungsanordnungen C8, Rl6 und C9, R17 sind Phasenverzögerungsschaltungen,/die Bandbreite dieser Stufe auf etwa 20 Megahertz begrenzen, ub> Verstärkungen von Hochfrequenzgeräuschen zu vermeiden. Diese Bandbreite ist jedoch ausreichend, um die Frequenzen zu handhaben, die in Impulsen von einer Photoaultipi!errÖhre auftreten. Transistor Q6 der Schwellvorverstärkerstufe arbeitet im wesentlichen in Basisschaltung, Die Zenerdiode CRi liefert einen 10 Volt-Spannungsabfall von einer -20 VoItVersorgung und fixiert die Vorspannung an der Basis des Transistors Q6. Mit einem kleinen Signal an dem Kollektor des Transistors Q5 beginnt Strom durch die niedrige Gleichstromimpedanz der inctattlXttttt Ll und des Widerstandes R9 zu fließen und eine ansteigende Vorwartβvorspannung bildet eich in der Basis-Emitter-Verbindung des Transistors Q6 aus. Das Eingangssignal muß jedoch über einen gewissen Schwellwert steigen, der durch das Einstellen des Widerstandes R9 ausgewählt werden kann, bevor starker Kollektorstrom in den Transistor Q6 gezogen wird. Daher verbleibt für kleine Eingangesignale unter dem au·-

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gewählten Schwellwert der Transistor Q6 entweder in einem ausgeschalteten Zustand oder in einem nur leicht eingeschalteten Zustand bis zu einem Vorspannungspunkt in dem niedrigen nichtlinearen Teil seiner Kennlinie. Eingangesignale oberhalb des ausgewählten Schwellwertes erzeugen eine schließliche Basis-Emitter-Vorwärtsvorspannung von einer Größe, daß der Transistor Q6 voll eingeschaltet wird und in dem linearen Teil seiner Kennlinie arbeitet.

Die Integrationsechaltungsstufe enthält die Kapazität C6 und den Widerstand R12 und arbeitet in der gewöhnlichen Weise, um einen Spannungsimpuls von einer Höhe zu erzeugen, die abhängt von der gesamten Aufladung, die von dem Kondensator geliefert wurde. Die Ausgangsverstärkerstufe enthält im wesentlichen Transistor Q7, der in einer Emitterfolgersclialtung mit dem Transistor Q8 verbunden ist, und liefert zusätzlichen Gewinn, un eine verbesserte Linearität für das endgültige Ausgangssignal zu erreichen.

Die Kapazitäten C2 und Ck liefern zusätzliche Leistungsversorgungs—Geräuschfilterung. Der Kondensator C7 liefert eine VechselstroBkopplung zu de« Ausgangssignal in die Widerstandsmatrix·

Bis jetzt wurde festgestellt, daß zumindest für die abbildenden Gammastrahlen in Technetium-99m-Energiebereich (ungefähr 140 keV) eine Schwelle von ungefähr 5 % der maximal erwartbaren Ausgangssignale von einer Photomiltiplierröhre verwendet werden soll, um die besten Resultate zu erzielen. Die Schwelle kann gesetzt werden, indem zuerst ein Gleichs.pannungsvoltmeter an den Kollektor des Transistors Q6

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angeschlossen wird, und der Widerstand R9 angepaßt wird, bis es offensichtlich wird, daß der Transistor Q6 im linearen Teil seiner Kennlinie arbeitet. Dann wird ein EingangsSignaiimpuls, der einen 100 Millivolt-Ausgangsimpuls liefert, in den Vorverstärkerschaltkreis eingekoppelt, R9 wird dann so eingestellt! bis der Ausgang auf 5 Millivolt abfällt.

Es sollte erneut betont werden, daß verbesserte Auflösung ohne Veränderungen der Widerstandsmatrix oder anderer Teile des Systems erreicht werden. Gegenwärtig erscheint die Verbesserung einer eingegebenen räumlichen Auflösung von einer Anger-Kamera, die a*»genbliOkli«4* «u# «der» Markt zax itahen ist, und die die Erfindung anwendet, bei ungefähr 15 % liegt. Eine zusätzliche Verbesserung von ungefähr 10 % wurde erreicht, indem die Integrationszeitkonstante in dem Vorverstärkerschaltkreis vergrößert wurde auf ungefähr 25 Mikrosekunder« und indem die Verzögerungsgröße der Verzögerungsleitung DLl (232) in jedem Summierverstärker 230, wie z.B. in Pig, 10, von 200 Nanosekunden auf **00 Nanosekunden erhöht wurde, um eine Verzögerungsleitung zu schaffen, die die Zeit auf insgesamt 800 Nanosekunden abschneidet. Dies fuhrt zur Verwendung von mehr Licht für jedes S?1ntίllatlonsereignis. Die gleiche Veränderung kann auch in dem Z-fmpu]sformer gemacht werden.

Es ist offensichtlich, daß bei jede» Szintillationsereignis der Schwellvorverstärker-Sehaltkreii, der mit der Photomultiplierröhre verbunden int, die von der Stelle de» Ereignisses entfernt liegt, Ausgänge von derartigen Photomultiplierröhren daran hindert, die WiderstandsmatrIx zu erreichen und zu den x+, x-, y+ und y- -Signalen und dem Z-Signal

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beizutragen» Dies führt etwas zu einem Verlust an Ausgangssignalgröße., die, wenn nötig, durch Erhöhen der Hochspannung an den Photomultiplierröhren oder durch andere gleichmäßige Gewinnveränderungen kompensiert werden kann.· _Λ Es ist jedoch wichtig, daß die Ausschaltung von Signalinformationen in Übereinstimmung mit dieser Erfindung, anstatt daß sie ein < negatives Ergebnis liefert, ein sehr positives Ergebnis bringt, Ib wesentlichen ohne Verlust von Wirkungsweise in anderer Hinsicht, Dies liegt an der Tatsache, daß Signalinformationen mit einer verhältnismäßig hohen Wahrscheinlichkeit von deutlichen Fehlern und einen auch verhältnismäßig starken Effekt auf die endgültige Signalinformation im wesentlichen ausgeschaltet werden, um so die genaueren Signalinformationen zu verstärken.

Gegenwärtig, mit einer 5 %lgen Schwelle in der Vorverstärkung, tragen Photonultiplierröhren mit einer zentralen Achse, die mehr als zwei Photoröhrendurchiaesser von der Stelle eines Szintillationaereignisses entfernt fey' ( nicht zu dem endgültigen Positionssignal bei. Jedoch ist die Größe der Schwelle anscheinend nicht extrem kritisch; und für jede Ausführung oder Wirkungscharakteristik irgendeiner Anger-Kamera kann ein einfacher, gerader empirischer Weg der Messung der Auflösung bei verschiedenen Schwellenwerten verwendet werden, um einen im wesentlichen optimalen Schwellenwert festzustellen. Es scheint auch, daß die Erfindung nützlich ist bei fast jeder Kristallgröße und jeder Anzahl von Photomultipilern in einem Anger-Detektor, obwohl die Verbesserung voraussichtlich am deutlichsten bei einer grösseren Kamera mit einem Kristall von mindestens 25,4 cm im Durchmesser und bei Anwendung von mindestens 19 Photomultiplierröhren ist.

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Es können auch andere nichtlineare Vorverstärker als ein Schwellenvorverstärker nützlich an dem Ausgang^eder Photo— multiplierröhre angewendet werden, um die eingegebene Auflösung zu verbessern. Die allgemeine Kennlinie eines solchen nichtlinearen Vorverstärkers muß derartig sein, daß große Eingangssignale eine größere Verstärkung erfahren als kleinere Eingangssignale. Diese Kennlinie wird durch Vorrichtungen befriedigt, die eine etwas nichtlineare Kennlinienform haben, so daß kleine Eingänge keinen Ausgang bis zu einem vorgewählten Eingangspegel liefern, und Eingänge über diesem Pegel einen Ausgang liefern, der bei einem etwas höheren Pegel beginnt, anstatt im wesentlichen linear von dem Schwellenwert anzusteigen.

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Claims

- 20 Patentansprüche

i.)Strahlenbildvorrichtung, gekennzeichnet durch ein Szintil- ^"""iationskristall und einen Satz von Pliotomultip] ierröhren, die sich überlappende Flächen des Kristall? sehen, wobei der Kristall in der Form von einer flachen Scheibe mit einer weitesten Ausdehnung von mindestens <ior Größe des zweifachen Durchmessers der Photomul tipi lerrohreäe.t, und mindestens drei Photomultlplierröhren, die entlang dieser längsten Ausdehnung angeordnet sind; und B^wi-rtungs schal* tungen, die an die Photomultipiierröhren angeschlossen sind, um die Koordinaten einer in dem Kristall durch Wechselwirkung mit einem Strahlungsquant erzeugten Szintillation zu berechnen, einschließlich Srleitvorrichtungen am Ausgang jeder Photomultiplierröhre für die Verstärkung der Ausgangssignale von jeder Photonmltiplierröhre in einer nichtlinearen Weise, so daß größere Ausgangssignale größere Verstärkung erfahren als kleinere Ausgangssignale, wobei die verhältnismäßig genauen Signal informationen, die durch Photomultiplier in der Nähe der Szintillation gegenüber den verhältnismäßig ungenauen Signalinformationen, die durch entfernte Photomultlplierröhren geliefert werden, bevorzugt werden, um die Gesamtraumauflösung des Gerätes zu verbessern.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtungen einen Schwellvorvcrstrirker-Schaltkreis enthalten, der eine Eingang-Ausgang-Ühortragungscharakteristik besitzt, so daß Eingangssignale von einer Große,£ÄÄ«i . kleiner ist als eine vorgewählte Schnell größe, im wesent-

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lichen kein Ausgangssignal erzeugen, und Eingangssignale von einer Größe, die größer ist als der vorher gewählte Schwellwert, ein verstärktes Ausgangssignal liefert, das im wesentlichen proportional zu der Größe ies Eingangssignals über diesem Schwellwert ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertvorverstärkerschaltkreis eine Breitbandverstärkerstufe! eine Schwellenverstärkerstufe mit einer vorbestimmten Schwellwertgröße, eine Integralionss^haltkreisstufe und eine Ausgangsverstärkerstufe enthält.

k. Gerät nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Szintillationskristall eine flache runde Scheibe mit. einem Durchmesser von mindestens 15,2 rra ist; daß der Satz von Photomultiplierröhren mindestens sieben Photomultiplierröhren von im wesentlichen 7,6 cm Durchmesser angeordnet in einer hexagonalen Anordnung mit einer Zentralröhre und sechs peripheren Röhren besteht; und daß Schaltvorrichtungen einen Schwellwertvorverstärkerschaltkreis enthalten, der eine Eingang-zu~Ausgang-Charakteristik besitzt, so daß Eingangssignale von einer Größe, die kleiner sind als eine vorher gewählte Schwellengröße, im wesentlichen kein Ausgangssignal erzeugen, und Eingangesignale von einer Größe, die großer ist als der vorgewählte Schwellwert, ein verstärktes Ausgangssignal erzeugen, das proportional ist zu der Große des Eingangssignals über dem Schwellwert.

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5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Szintillationskristall eine flache runde Scheibe mit einem Durchmesser von mindestens 25,4 om ist; daß der Satz von Photomultiplierröhren mindestens neunzehn Photofflultiplierröhren angeordnet in einer hexagonalen Anoi'dnung mit einer Zentralröhre, einer ersten hexagonalen Anordnung von sechs Röhren um die Zentralröhre und einer zweiten hexagonalen Anordnung von zwölf Rohren um die erste hexagonale Anordnung besitzt; und daß Schaltvorrichtungen einen Schwellwertvorverstärkerschaltkreis besitzen, der eine Eingang-zu-Ausgang-Charakteristik besitzt, so daß Photomultiplierröhren, die entfernt von der Stelle eines Szintillationsereignisses liegen, im wesentlichen nicht zur Signalinformation an die Rechenschaltung beitragen,

6. Gerät nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertvorveretärker eine Schwellwertgröße besitzt, die ungefähr 5 % der maximal erwarteten Ausgangssignalstärke von einer Photomultiplierrbhre besitzt, die direkt über einen Szintillationsereignis in dem Kristall liegt.

7. Strahlenabbildungsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine flache runde Scheibe eines Szintillationskristall mit einem Durchmesser von mindestens 15,2 cm; einem Satz von Photomultiplierröhren, der mindestens sieben hexagonal angeordnete Röhren besitzt,f die sich überlappende Flächen des Kristalls sehen; einer Vielzahl von Schwellwertvorverstärkerschaltungen, jeweils gekoppelt zu dem Ausgang einer Photomultlplierröhre und alt einer Eingangzu~Ausgang-Übertragungscharakteristik, daß Eingangssignale

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von einer Größe, die kleiner ist als *»1η vorgewählter Schwellwert, ia wesentlichen kein Ausgang&signal erzeugen, und Eingangssignale von einer Größe, die größer ist als der vorgewählte Schwellwert, ein verstärktes Ausgangssignal erzeugen, das proportional zu der Größe des Eingangssignals über dem Schwellwert ist; und Schaltvorrichtungen, die zu den Vorverst&rkerschaltungen gekoppelt sind, um die Stellungskoordinaten der Szintillation in dem Kristall zu berechnen.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall einen Durchmesser von mindestens 2^ry_tk cm besitzt; daß der Satz von Photomultiplierröhren mindestens neunzehn Röhren besitzt, die in einer hexagonalen Weise angeordnet sind; und daß die Schwellwertgröße so ausgewählt wird, daß die Photonultiplierröhren, die zentrale Achsen besitzen, die zwei Photoröhrendurchmesser von dem Szintillationsereignis entfernt liegen, ia wesentlichen nicht zu der Signalinformation zu der Schaltvorrichtung beitragen.

9. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall mindestens einen Durchmesser von 25,4 cm besitzt; daß der Satz von Photomultipiierröhren mindestens neunzehn Röhren enthält, die in einer hexagonalen Weise angeordnet sind; und daß die Schwellwertgröße so ausgewählt wird, daß sie ungefähr 5 % des maximal erwarteten Ausgangssignals von einem Photomultiplier direkt über einem Szintillationsereignis in dem Kristall beträgt.

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10. Eine Anger-Szintillationskaroera mit einem Szintillationskristall u»d einem Satz von Photomultiplierröhren, die sich überlappende Flächen des Kristalls sehen, und einer Koordinatenberechnungsschaltung, die mit den Photomultiplierröhren gekoppelt ist, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von nichtlinearen Vorverstärkervorrichtungen jeweils gekoppelt an eine zugehörige Photomultiplierröhre zur Verstärkung großer Signale von der zugehörigen Photomultiplierröhre um einen gröileren Betrae als kleine Eignale davon, um im v/esentlichen die Informationsbeiträge von Photomultiplierröhren in der Nähe dc?r Szintillation zu bevorzugen über denen von entfern χ en PJhotomultiplierröhren, wodurch die räumliche Auflösung der Kamera verbessert wird.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Vorverstärkungsvorrichtungen einen Schwellenvorverstärkerschaltkreis enthalten, der eine Eingangzu-Ausgang-Übertragungscharakteristik besitzt, so daß Eingangssignale von einer Größe, die kleiner ist als eine vorher bestimmte Schwellwertgröße, im wesentlichen kein Auegangssignftl erzeuge.^, und Eingangssignale von einer Größe, die größer ist als der vorgewählte Schwellwert, ein verstärktes Ausgangesignal erzeugen, das proportional ist zu der Größe des Eingangssignals über dem Cehwellvrert.

12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert so ausgewählt wird, daß Photomultiplierrb'Uren «it · '. ,.y zentralen Achsel}, die zwei Photoröhrendurchaesser oder weiter von einem Szintillationworeignis •nileint sind, iiu wesentlichen nicht zu der Koordinmtensignalinforeetioii beitragen.

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13· Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertgröße so ausgewählt ivird, daß sie unge fähr 5 % des maximal erwarteten Ausgangssignals einer Photomultiplierröhre direkt über einem Szintil- lationsereignis in dem Kristall ist.

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