DE2747194A1

DE2747194A1 - Verfahren zum abbilden von positronen zur feststellung einer radioaktiven verteilung von positronenereignissen und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2747194A1
Application number: DE19772747194
Authority: DE
Inventors: Michael Paul Buchin; Gerd Muehllehner
Original assignee: GD Searle LLC
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-10-22
Filing date: 1977-10-20
Publication date: 1978-04-27
Also published as: ZA776293B; NL7711585A; FR2371694A1; US4057727A; IT1091108B; AU510545B2; AU2990877A; CA1085974A; JPS5392580A; SE7711807L; GB1544741A

Description

Verfahren zum Abbilden von Positronen zur Feststellung einer radioaktiven Verteilung von Positronenereignissen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbilden von Positronen, um die aktive Verteilung von Positronenereignissen in einem zu untersuchenden Organ eines Lebewesens festzustellen, wobei Anger-Szintillationskameras und elektrische Signalverarbeitungseinrichtungen zur Ableitung von Signalen für die Rekonstruktion eines Abbildes der radioaktiven Verteilung Verwendung finden, sowie Einrichtungen, um die radioaktive Verteilung von Positronenereignissen in einem zu untersuchenden Organ eines Lebewesens festzustellen, mit Szintillationsdetektoren, die in Abhängigkeit von den Positronenereignissen elektrische Signale liefern, welche nach einer elektronischen Verarbeitung zur Rekonstruktion eines Abbildes der radioaktiven Verteilung einem Wiedergabegerät zugeführt werden.

Obwohl die Positronenabbildung die Verwendung einer ganz . neuen Klasse von radiopharmazeutischen Präparaten mit großer physiologischer Fs/mü Bedeutung

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Bedeutung möglich macht, wurden bisher geeignete Einrichtungen zur Abbildung von Positronen wesentlich weniger intensiv entwickelt als z. B. für die Abbildung von Gammastrahlen. Einrichtungen zur Abbildung von Positronen können grundsätzlich in zwei Kategorien eingeteilt werden:

a) Einrichtungen, die eine Vielzahl von diskreten Detektoreinheiten verwenden und eine entsprechende Vielzahl von Koinzidenzschaltungen für diese Detektoreinrichtungen haben;

b) Einrichtungen, die zumindest eine Anger-Szintillationskamera mit einem einzigen Kristall zusammen mit einem zweiten Detektor verwenden und nur eine einzige Koinzidenzschaltung haben.

Die Modifikation von Anger-Szintillationskameras, um sie für die Feststellung von Positronenereignissen verwendbar zu machen, sind bekannt (US-PS 3 011 057 und "Scintillation in Positron Cameras" von H. O. Anger, U.S. Atomic Energy Commission UCRL-8640, 12. August 1959).

Unabhängig von der Wahl der Kategorie für das Abbildungssystem sind die Ziele beider Kategorien die gleichen, d. h. es soll bei einer verhältnismäßig hohen Empfindlichkeit und einem guten Auflösungsvermögen eine verhältnismäßig hohe Zählgeschwindigkeit erreicht werden. Obwohl kameraorientierte Systeme in der Regel ein gutes Auflösungsvermögen haben, haben sie im Vergleich zu Systemen mit diskreten Detektoranordnungen eine verhältnismäßig geringe Zähl geschwindigkeit (sh. H. O. Anger " Radioisotope Cameras: Instrumentation in Nuclear Medicine", Band 1, G. J. Hine, New York, Academic Press 1967, G. L. Brownell and C. A. Burham, "Recent Developments in Positron Scintigraphy: Instrumentation in Nuclear Medicine", Band 2, G. J. Hine und J. A. Sorensen, New York, Academic Press, 1973; und P. J. Kenny, "Spatial Resolution and Count Rate Capacity of a Positron Camera: Some Experimental and Theoretical Considerations", International Journal

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of Applied Radiation and Isotopes, Band 22, Permagon Press, Seiten 21-28, 1971). Aufgrund von Untersuchungen ist man zu dem Ergebnis gekommen, daß die Zählgeechwindigkeitskapazität von Positronenkameras nur ein kleiner Bruchteil der tatsächlichen Zählgeschwindigkeit sein kann.

Aus diesem Grund tendierte die Entwicklung zur Verwendung von diskreten Detektoreinrichtungen für die Positronenerfassung. Derartige Einrichtungen werden auch angeboten (Cyclotron Corporation und Ortec, Inc.) und zeigen verhältnismäßig gute Eigenschaften bezüglich der Zählgeschwindigkeit. Die Geräte haben jedoch den Nachteil, daß die Empfindlichkeit stark begrenzt ist und sich daher lange Abbildungszeiten für viele der interessierenden markierten Arzneimittel ergeben.

Auch die Entwicklung der Anger-Szintillationskameras für die Positronenabbildung wurde dadurch verbessert, daß abgestufte Strahlungsabsorber mit einer Vielzahl von Koinzidenzkanälen für die Anger-Detektoren Verwendung findet. Damit können sowohl die primären Strahlungsereignisse als auch die Compton-Ereignisse mit einer Verbesserung der Gesamtzählrate verarbeitet werden, was bisher nicht der Fall war, da die Compton-Ereignisse verloren gingen (US-PS 3 955 088).

Die Einführung der Tomographie, insbesondere unter Verwendung von Röntgenstrahlen, zeigt, daß eine ausreichend hohe Zählgeschwindigkeit von größter Bedeutung ist. Abbildungssysteme unter Verwendung der Quer-Tomographie ließen sich für die Positronenabbildung mit Anger-Kameras bisher nicht zufriedenstellend verwirklichen, und zwar wegen des Problems der fehlenden Empfindlichkeit und der zu geringen Zählgeschwindigkeit und da ferner eine sehr viel komplexere Datenverarbeitung nötig ist. Es wurde versucht, eine Rotations-Quertomographie dadurch

zu ver-

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zu verwirklichen, daß parallelgeschichtete Kollimatoren verwendet wurden, die an einander gegenüberliegenden Kameras angeordnet sind, welche sich um das zu untersuchende Objekt drehen. Für die Auswertung wurden dieselben Algorithmen und Auswertungsverfahren benutzt, wie sie bei einer rechnergesteuerten Tomographie mit Röntgenstrahlen Verwendung finden. Man hat jedoch festgestellt, daß die Kollimatoren die Empfindlichkeit und die Zählstatistik sehr nachteilig beeinflussen und verringern, so daß ein derartiges System für einen umfassenden Einsatz nicht geeignet ist.

Für die Rotations-Quertomographie wurden auch zur Abbildung die erwähnten diskreten Detektoranordnungen verwendet, jedoch sind diese bisher nur sehr begrenzt verwendbar wegen der Notwendigkeit einer Iris und anderer Kollimationseinrichtungen sowie der begrenzten Anzahl von Auflösungspunkten über das Detektorfeld. Ferner ist keine Kontinuität zwischen den abgebildeten Schichten gegeben, von denen nur eine oder bestenfalls sehr wenige Schichten gleichzeitig pro Abtastungszyklus abgetastet werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abbilden von Positronen zu schaffen, das mit Hilfe verbesserter Szintillationskristalle und einem angepaßten Impulsverarbeitungssystem in der Lage ist, die Empfindlichkeit und die Zählgeschwindigkeit von zur Positronenabbildung verwendeten Kameras zu verbessern. Dabei soll insbesondere die Beeinträchtigung der Zählgeschwindigkeitseigenschaften von Kameras durch Kollimatoren bei der Verwendung von Anger-Szintillationskameras vermieden werden. Dieses Positronenabbildungssystem soll besonders vorteilhaft für die Quer-Tomographie Verwendung finden.

Für das Verfahren zum Abbilden von Positronen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Organ von zwei einander gegenüberliegenden Szintillationskameras abgetastet wird, wobei die Szintilla-

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tions-

tionskameras um das Organ herumrotieren, daß die von den Szintillationskameras gelieferten elektrischen Impulse mittels Koinzidenzschaltungen ausgewertet werden, um koinzident in beiden Szintillationskameras auftretende Signalimpulse zu ermitteln, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen Bewertungssignale zum Identifizieren der koinzident auftretenden Signalimpulse liefern und diese selektiv verarbeiten, und daß mit Hilfe dieser Signalverarbeitungseinrichtungen die Impulslänge und die Integrationszeit der Signalimpulse verkürzt wird, um die Zählgeschwindigkeit zu vergrößern.

Ein Positronenabbildungssystem zur Durchführung des Verfahrens besteht erfindungsgemäß darin, daß als Szintillationsdetektoren zwei Anger-Szintillationskameras mit je einem einstückigen planaren Szintillationskristall Verwendung finden, dessen Dicke größer als 1, 3 cm ist, daß die Szintillationskameras auf einander gegen-überliegenden Seiten des Organs angeordnet sind, daß Impulsformernetzwerke zur Verkürzung der Impulsdauer auf Werte unter etwa 900 Nanosekunden sowie Integratoren zur Verkürzung der Integrations zeit der Impulse auf Werte unter etwa 500 Nanosekunden vorhanden sind, um die Zählgeschwindigkeit und die Zählstatistik für eine bessere Abbildungsqualität und eine erhöhte Verarbeitungsgeschwindigkeit zu verbessern.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit denAnsprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des mechanischen Aufbaus des Positronenabbildungssystems gemäß der Erfindung mit einer drehbaren Halterung für die einander gegenüberliegenden

Szintillations-

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Szintillationskameras;
Fig. 2 ein Blockdiagramm des Positronenabbildungssystems;

Fig. 3 eine Tabelle, aus der die Verbesserung der Zählgeschwindigkeit hervorgeht;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Anwendung der Rotation-Quer-Tomographie;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des verwendeten Verfahrens zur Rekonstruktion der Abbildung des Objekts.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung kann mit zwei Anger-Szintillationskameras 1 und 2 ausgerüstet sein, die einander gegenüberliegend bezüglich eines zu untersuchenden Organs etwa in gleichem Abstand ναι diesem angeordnet sind. Von dem Organ 4 des Lebewesens soll mit diesen Szintillationskameras eine Abbildung geschaffen werden. Die Grundlagen für ein solches symmetrisches Abbildungssystem sind in der oben erwähnten Veröffentlichung von Kenny beschrieben. Gemäß der Einrichtung nach Fig. 1 wird die Anordnung der beiden Kameras in einer etwa gleichen Entfernung und dem zu untersuchenden Organ gegenüberliegend dadurch sichergestellt, daß die Kameras in einem rechteckigen offenen Rahmen 5 an gegenüberliegenden Stirnseiten angeordnet sind. Der Rahmen 5 ist um eine Querachse drehbar in senkrecht auf einer Bodenplatte 8 stehenden Pfosten 7 gelagert. Die Lagerung erfolgt mit großen hohlzylindrischen Lagern 9, die einen ausreichend großen Innendurchmesser haben, um den auf einem geeigneten Tisch in Rückenlage liegenden Patienten aufzunehmen. Mit Hilfe einer solchen Anordnung

kann

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kann ein Organ innerhalb des Körpers des Patienten abgebildet werden. Die Ausgestaltung des Tisches und der Schwenkbarkeit der Einrichtung kann in herkömmlicher Weise geschehen.

Mit Hilfe der beschriebenen Einrichtung ist es möglich, die einander gegenüberliegenden Szintillationskameras 1 und 2 auf einer Kreislinie um eine horizontale Achse C-C zu rotieren, die grundsätzlich mit der Körperlängsachse des Patienten übereinstimmt. Der Rahmen 5 wird mit Hilfe eines Motors 14 gemäß Fig. 2 angetrieben, der auf der Bodenplatte 8 montiert ist. Der Motor 14 arbeitet mit einem Drehlagenkodierer 16 zusammen, der die Winkellage und den Anteil einer vollen Umdrehung der Kameras 1 und 2 feststellt, um ein für diese Größen repräsentatives Signal zu liefern. Ferner ist mit dem Motor 14 ein Schaltmechanismus 17 verbunden, um die Kameras 1 und 2 in ihrem Umlauf kontinuierlich weiterzuschalten. Mit Hilfe dieses Schaltmechanismusses wird für jeden beliebigen vorgegebenen Kreisbogenabschnitt der Anfang und das Ende für die StrahlungsZählintervalle festgelegt.

Jede der beiden Kameras 1 und 2 ist in der Weise konventionell aufgebaut, daß ein scheibenförmiger Szintillationskristall aus thalliumaktiviertem Natriumiodid mit einem Durchmesser von etwa 38 cm Verwendung findet. Ferner sind Felder von Fotodetektoren vorgesehen, die die zugeordneten Szintillatoren mit überlappenden Bereichen erfassen. Schließlich umfaßt jede Kamera eine Schaltung zur Positionsidentifizierung der Szintillationen. Die Kameras sind jedoch in anderer Hinsicht nicht konventionell aufgebaut, da die verwendeten Szintillationskristalle in etwa 2, 5 cm dick sind, was einer wesentlich größeren Dicke als der Dicke der sowohl für die Positronenabbildung als auch die routinemäßige Gamma-Darstellung verwendeten Szintillationskristalle entspricht. Die Dicke bekannter Szintillationskristalle für diesen Zweck ist geringer als etwa 1,35 cm.

Normaler-

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Normalerweise wird angenommen, daß die Gleichförmigkeit der Abbildung und die Auflösung mit zunehmender Kristalldicke nachteilig beeinflußt wird. Man kann jedoch zeigen, daß im Zusammehhang mit zwei einander gegenüberliegenden Anger-Szintillationskameras in einem Positronenabbildungssystem die Gleichförmigkeit der Abbildung und die Auflösung von der Dicke des Kristalls nicht allzu ungünstig beeinflußt wird. Es gibt z.B. keine 1:1-Übereinstimmung zwischen einem bestimmten Punkt in einem der Kristalle und einem Punkt in der Abbildung. Jedoch bringt die zusätzliche Dicke eine bestimmte Verbesserung bezüglich der Zählgeschwindigkeit und der Empfindlichkeit. Dies ergibt sich daraus, daß die zusätzliche Dicke die Wahrscheinlichkeit eines Szintillationen erzeugenden Ereignisses im Kristall bei den überwiegend interessierenden Energien vergrößert. So wird z.B. mit zunehmender Dicke die Wahrscheinlichkeit von einem oder mehreren Compton-Ereignissen, dem ein fotoelektrisches Ereignis folgt, mehr als verdoppelt.

Jedes der Fotodetektorenfelder ist mit einem zugeordneten Schwellwertdiskriminator 27 bzw. 28 über Impulsformernetzwerke 3o bzw. 31 , wie aus Fig. 2 hervorgeht, verbunden. Wenn die Gesamtamplitude der elektrischen Impulse von jedem Fotodetektorfeld eine Schwellwertamplitude, welche durch die Schwellwertdiskriminatoren 27 und 28 festgelegt wird, übersteigt, wird über die Koinzidenzschaltung 33 ein Ausgangssignal abgegeben. Wenn in beiden Kameras eine Szintillationskoinzidenz festgestellt wird, liefert die Koinzidenzschaltung 33 ein Auslösesignal an jede der Tor- und Verzögerungsschaltungen 35 bzw. 36, welche auch mit dem Ausgang des jeweils zugeordneten Fotodetektorfeldes verbunden ist.

Die Tor- und Verzögerungsschaltungen 35 und 36 verhindern, daß die von den Detektoren kommenden Ausgangsimpulse im System weiterverarbeitet werden, solange kein Auslösesignal von der Koinzidenzschaltung 33 empfangen wird. Damit wird sichergestellt, daß die Signale tatsächlich von einer

Positronen-

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-/a

Positronenvernichtung herrühren. Da die Koinzidenzanalyse eine bestimmte Zeitdauer in Anspruch nimmt, wird mit Hilfe der Tor- und Verzögerungsschaltungen 35 und 36 eine Verzögerung der eingangsseitigen Signale bewirkt, um sicherzustellen, daß das Auslösesignal von der Koinzidenzschaltung 33 mit den richtigen eingangsseitigen Impulsen zusammentrifft.

Die Signale von den Tor- und Verzögerungsschaltungen 35 und 36 werden an entsprechende Kameraschaltungen 38 und 39 angelegt, die in der Regel als herkömmliche Schaltungen aufgebaut sind, welche zum Bestimmen der rechtwinkligen Koordinatenpositionen von Ereignissen in den Kristallen 18 und 20 dienen, die Anlaß zu Szintillationen sind. Diese Kameraschaltungen umfassen Integratoren 40 und 41 für jede Signalkomponente von den Fotodetektorfeldern. Die Integratoren 40 und 41, die beispielsweise Operationsverstärker sein körnen, werden mit Hilfe von Integrations-Steuerungen 43 und 44 beeinflußt, um sie in die Lage zu versetzen, die Integrationszeit für individuelle Signalimpulse zu beschneiden. Bei der Verwendung von Operationsverstärkern als Integratoren wird mit der Steuerung eine Impulsbreite eingestellt, welche die Eingangssignale zum Integrator durchschaltet.

Die Impulsformernetzwerke 30 und 31 und die Integratoren 40 sowie 41 in Verbindung mit den Integrationssteuerungen 43 und 44 stellen Einrichtungen dar, mit welchen die Begrenzung der Zählgeschwindigkeit des Instruments berichtigt werden kann, welche durch die kristalleigene Zeitkonstante bewirkt wird. Anschließend wird die dem individuellen Ereignis eigene Impulsdauer bearbeitet. Die Impulsformernetzwerke 30 und 31, welche vorzugsweise Filter zum Unterdrücken von Null-Polen sind, verkürzen die Impulsdauer und eliminieren die ausschwingende Flanke von langen Impulsen. Damit wird erreicht, daß vorausgehende Ereignisse nicht fortdauernd auf die nachfolgenden einwirken

oder

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oder das Feststellen nachfolgender Ereignisse blockieren. Bei erhöhter Folge von Dateneingängen wird man feststellen, daß im Ergebnis viel mehr Ereignisse pro Zeiteinheit festgestellt werden können. Herkömmliche Kameras arbeiten mit einer Impulsdauer von etwa 900 Nanosekunden. Aufgrund der Impulsformernetzwerke 30 und 31 werden im vorliegenden Fall die Impulse auf eine Dauer von etwa 500 Nanosekunden gekürzt, was die erwähnte Verbesserung des Ergebnisses mit sich bringt.

Eine weitere Stelle im System, welche aufgrund des Bestehenbleibens früherer Ereignisse und deren Verarbeitung einen Verlust von nachfolgenden Ereignissen mit sich bringt, stellen die Integratoren 40 und 41 dar. Mit Hilfe der Integrationssteuerung 43 und 44 kann das Integrationsintervall verkürzt werden, so daß die Integrations zeit für die individuellen Impulse, welche ein früheres Ereignis kennzeichnen, verkürzt wird und daher mehr von den nachfolgenden Impulsen unter Vermeidung eines Verlustes derselben durch Häufung verarbeitet werden. Diese Verbesserung ist von enormer Wichtigkeit, wenn die Daten in verkürzter Folge ankommen. Bei Standardkameras beträgt das typische Integrationsintervall etwa 900 Nanosekunden, wogegen für das vorliegende System ein Integrations intervall von etwa 350 Nanosekunden vorgesehen ist. Die Zählgeschwindigkeit wird aufgrund dieser Impulsformung und der Verkürzung der Impulsintegration verbessert, und zwar zumindest um den Faktor 2. Weitere Einzelheiten zu diesem Verfahren sind in einem Aufsatz von G. Amsel et al, "Shortening of Detector Signals with Passive Filters for Pile-up Reduction" in Nuclear Instruments and Methods, 71 (1969) 1-12 und in einem Aufsatz von C. Brassard "Fast Counting with NAI Spectrometers" in Nuclear Instruments and Methods, 94 (19711 301-306der North Holland Publishing Company beschrieben.

Diese Verfahren wurden bisher nur auf ganz bestimmte hochspezialisierte Anwendungsfälle begrenzt eingesetzt und nicht in Verbindung mit Anger-Szintillationskameras benutzt, da das Verfahren normalerweise eine sehr

unerwünschte

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unerwünschte und abgelehnte Verschlechterung der Auflösung mit schlechteren statistischen Ergebnissen mit sich brachte. Jedoch wurde festgestellt, daß das Verfahren bei einer Anwendung für Positronen in Verbindung mit zwei Anger-Kameras keine solche unerwünschte Verschlechterung verursacht, sondern die Zählgeschwindigkeitsleistung wesentlich verbessert.

Jede der Kameraschaltungen 38 und 39 liefert ausgangsseitig ein Signal zu einem Analog-Digitalwandler 46 und ferner zu einer langsamen Koinzidenzschaltung 48. Diese langsame Koinzidenzschaltung ist im Detail in der US-PS 3 955 088 beschrieben und umfaßt eine Vielzahl von Einzelkanalanalysatoren für jeden Ausgang, wodurch eine Vielzahl von diskreten Kanälen oder Fenstern für annehmbare Energiebereiche definiert werden. Eines dieser Fenster ist um den Fotospitzenwert 511keV herum angeordnet, wogegen ein anderes einen breiteren Energiebereich umfaßt, in dem Compton-Ereignisse überwiegen. Eine Gatterschaltung, die Eingangssignale von den den beiden Kameras zugeordneten Einzelkanalanalysatoren empfängt, liefert ausgangsseitig ein Triggersignal, wenn eine Koinzidsnz zwischen einem Signal in irgendeinem der der Kamera 1 zugeordneten Kanäle und der der Kamera 2 zugeordneten Kanäle festgestellt wird, womit alle Kombinationen von Koinzidenzen aus Fotospitzenwert-Ereignissen und Compton-Ereignissen zu einem ausgangsseitigen Triggersignal führen. Der Analog-Digitalwandler 46 verarbeitet die Signale von den Kameraschaltungen 38 und 39 nur, wenn diese Signale auch die langsame Koinzidenzschaltung 48 veranlassen, ein Triggersignal für den Analog-Digitalwandler zu liefern. Der Analog-Digitalwandler macht aufgrund dieser Ansteuerung aus den Analogsignalen Digitalsignale und überträgt diese an Recheneinrichtungen 50, die ein Wiedergabegerät 49 ansteuern, um das Objekt darzustellen.

Die Verbesserung der Zählgeschwindigkeitsleistung, welche mit dem System gemäß der Erfindung erzielt werden kann, geht besonders augenfällig

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fällig aus Fig. 3 hervor. Die dargestellten Verbesserungen gehen jedoch nicht nur auf die zuvor erwähnte Ausgestaltung der elektronischen Schaltungen zurück, sondern auch auf die Verwendung des dickeren Kristalls und die Absorber mit langsamen Koinzidenzschaltungen, wie sie in dem US-PS 3 955 088 erläutert sind. In der Tabelle gemäß Fig. 3 wird ein System mit einem 1,3 cm-Kristall in verschiedenen Leistungskategorren mit dem System gemäß der Erfindung zum Feststellen von Positronenquellen mit derselben Aktivität verglichen. Aus dem Vergleich kann man entnehmen, daß man gegenüber dem früheren System mit einer Feststellung der Fotoscheitelwert-Koinzidenz in Verbindung mit dem System gemäß der Erfindung eine Gesamtverbesserung erfährt, die etwa 6,11 : 0,75 ist, d.h. einem Faktor 8 entspricht. Dabei wurden alle Kombinationen von Fotoscheitelwertereignissen und Compton-Ereignissen außer den Compton-Compton-Koinzidenzen erfaßt. Gleichzeitig wurde die Einzelrate, d. h. das Maß der nichtkoinzidenten Ereignisse, die fälschlich als koinzidente Positronereignisse gezählt werden, nur um 25 % vergrößert.

Die vorausstehend beschriebene Verbesserung der Zählgeschwindigkeit ist besonders wichtig für Anwendungsfälle bei der Quer-Tomographie, bei der einander gegenüberliegende Kameras um eine Körperlängsachse des Patienten gedreht werden, wie dies aus Fig. 1 hervorgeht. Bei einem solchen Abbildungsfall wird die innere Struktur des Patienten in einer oder mehreren parallelen scheibenförmigen Schichten erfaßt, wobei diese in Ebenen quer zu der Körperlängsachse, d. h. der Drehachse der Szintillationskameras verlaufen. Wegen der viel größeren Informationsmenge, die man dadurch abzubilden glaubt, erfordert die Quer-Tomographie eine größere Zähldichte, verglichen mit den üblichen Ansichten in Längsrichtung.

Die frühere Praxis der Verwendung von Schlitzkollimatoren erfordert erhebliche Kompromisse bezüglich der Empfindlichkeit, wobei die Verbesserung der Zählgeschwindigkeit, wenn sie hilfreich ist, dieses grund-

809817/0877 sätzliche

sätzliche Problem nicht beeinflußt. Man hat festgestellt, daß der volle Vorteil der erwähnten Verbesserung der Zählgeschwindigkeit in Verbindung mit einer weiteren Verbesserung wirksam wird, welche darin besteht, daß keine Kollimatoren in den Kameras benutzt werden, wenn diese für die Rotations-Quer-Tomographie im Einsatz sind. Damit ist eine Hauptquelle für die Bildverschlechterung aufgrund der verringerten Empfindlichkeit und Zählgeschwindigkeit eliminiert. Es wird nicht nur die Strahlung akzeptiert, welche in Ebenen orthogonal zu den Szintillationskristallen verläuft, sondern auch diejenige Strahlung, welche schräg zu den Szintillationskristallen ausgerichtet ist. Durchdie verbesserte Empfindlichkeit und die vergrößerte Zählgeschwindigkeit infolge des Fehlens der Kollimatoren und ferner infolge der vorausstehend erwähnten Verbesserungen kann die Quer-Tomogrephie nunmehr für die Positronenabbildung sehr zufriedenstellend eingesetzt werden.

Da man die Projektionen durch das interessierende Organ nunmehr nicht mehr auf paralleler Ebene begrenzen muß, wie dies bei Systemen mit parallel verlaufenden Schlitzkollimatoren der Fall ist, ergibt sich eine große Anzahl von Projektionen, insbesondere während der Rotation. In diesem Zusammenhang stellt die Organisation der von den Kameras erzeugten Daten eine gewisse Schwierigkeit dar. Man kann dies abschätzen, wenn man berücksichtigt, daß jede Kamera grob jetwa 4000 Auflösungselemente bzw. Bildpunkte hat. Wenn jedes Auflösungselement,

d. h. jeder Bildpunkt in Koinzidenz mit dem des gegenüberliegenden

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Detektors ist, ergeben sich 16x10 Kombinationsmöglichkeiten allein für den Fall, daß beide Detektoren stationär angeordnet sind. Diese Zahl vergrößert sich um Größenordnungen, wenn alle möglichen Abtastwinkel erfaßt werden. Die Verfahren zur Datenorganisation, wie sie bei Einrichtungen mit diskreten Detektoren und begrenzten Koinzidenzkanälen Verwendung finden, können hier nicht zur Anwendung kommen. Aufgrund der großen Anzahl der Koinzidenzkanäle, welche notwendig sein würden, um die wesentliche Anzahl der möglichen Koinzidenzkombinationen zu erfassen, ist es unwahrscheinlich, daß irgendeiner der

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Koinz idenzkanäle mehr als eine Zählung während eines kompletten Untersuchungsvorganges haben würde. Andererseits würde sehr viel Information verloren gehen, wenn die Bildpunkte bzw. Auflösungselemente groß genug gemacht würden, um die Anzahl der Koinzidenzkanäle auf eine verarbeitungsmögliche Zahl zu verringern.

Aus diesem Grund wird eine sehr viel leistungsfähigere Datenverarbeitungseinrichtung benötigt, damit die Kapazität des Systems voll ausgenutzt werden kann, und wenn eine unangemessene Komplexität und/oder unangemessene Kompromisse bezüglich der Leistung vermieden werden sollen. Die Recheneinrichtung 5o muß dementsprechend ausgelegt werden, was z.B. mit dem Rechnermodell 832 der Interdata Corporation möglich ist. Dieser Rechner wird an den Ausgang des Analog-Digitalwandlers 46 angeschlossen und empfängt alle digitalisierten Ausgangs signale der Kameraschaltungen 38 und 39 sowie des Drehlagenkodierers 16, der die Winkellage der Szintillationskameras infolge der Drehung des Rahmens 5 erfaßt und kennzeichnet. Es muß nicht nur der Ort jedes Positronereignisses im interessierenden Organ und die daraus resultierenden Koordinaten für die Szintillationskoinzidenzen der beiden Kameras bestimmt werden, vielmehr müssen alle diese Informationen für eine Vielzahl von Wirkellagen miteinander verglichen und für den Bildaufbau \^rerwertet werden. Mit Hilfe der Recheneinrichtungen werden diese Operationen möglich, ohne daß ein Datenverlust und eine unzulässige Komplexität entsteht.

Die ermittelten Daten werden entsprechend bekannter Programmierungs-Prinzipien verarbeitet, indem sie von Ereignis zu Ereignis einem Verfahren der Rückprojektion unterzogen werden, das nachfolgend erläutert wird. Anschließend werden die rückprojezierten Abbildungen gefiltert bzw. einer Entfaltung unterzogen. Die für die Rückprojektion und

die Ab-

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die Abbildungsrekonstruktion zur Anwendung kommende Geometrie ist in Fig. 4 dargestellt. Der Objektraum 52 liegt zentrisch um die Körperlängsachse C-C herum und ist längs der Y-Koordinate in acht Scheiben unterteilt. Die Abbildungen werden in einer XZ-Ebene rekonstruiert, d. h. in einer Ebene quer zur Detektorebene, die jedoch in der Rotationsebene liegt. Die Wahl von beispielsweise acht Scheiben hängt von der Größe der Speicherkapazität der Recheneinrichtung 50 ab. Die Anordnung hat eine sehr gute Auflösung in der Y-Richtung, wobei das Rekonstruktionsverfahren derart ist, daß durch eine Ausweitung der Anzahl der Scheiben die Rechenzeit nicht vergrößert. Gleichzeitig wird durch das Auswählen einer kleinen Anzahl von Scheiben eine ausreichende statistische Information in jeder Scheibe ohne eine übermäßige Abbildungszeit sichergestellt. Die Scheiben werden außerdem so ausgewählt, daß sie in der Rotationsebene liegen, so daß jedes Element in der Abbildungsebene aus allen Winkelrichtungen abgebildet wird, d. h. eine angemessene Winkelabtastung sichergestellt ist. Da jedoch die Koinzidenz zwischen den beiden Kameras 1 und 2 nicht auf die Y-Richtung beschränkt ist, erhält man auch Projektionen, welche quer durch mehrere Scheiben verlaufen, so daß die Filterung bzw. Entfaltungsfunktion zur Bildkonstruktion nicht auf eine einzige Scheibe begrenzt sein kann, sondern sich über mehrere Scheiben erstrecken muß.

Das Verfahren der Rückprojektion ist in Fig. 5 dargestellt. Dabei wird der Einfachheit halber eine Projektion durch eine Scheibe angenommen, d. h. y ist y . Für jeden beliebigen Drehwinkel β wird ein Positron-

3. D

ereignis durch das koinzidente Auftreten von Szintillationen a und b definiert, welche z. B. die Wechselwirkung von zwei gegenläufigen, vom Positronereignis herrührenden Gammastrahlen repräsentieren. Diese Szintillationen a und b werden in der Kamera 1 an den Koordinaten

χ ', y ' und in der Kamera 2 an den Koordinaten χ ' y ' lokalisiert, a a b b

Diese

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Diese Koordinaten werden in Objektkoordinaten χ', y', z' aufgrund der nachfolgenden Transformationsgleichungen umgewandelt:

a ^s § sin θ + x_a cos θ

z' » s cos θ - χ. sin θ Xfa - "^r sin θ + x_K cos θ

| ^{cos θ} "^xb ^{sin θ}

Dabei ist s der Abstand zwischen den Detektoren.

Die gerade Linie, welche die beiden Punkte χ und y und χ , y,

a a b b

oder nach der Transformation χ' , y' und x' y' verbinden, repräsentieren den rückproji zierten Strahl R. Da die cückproji zierte Rekonstruktion einer idealen Punktquelle mit zwei stationären Detektoren wie zwei mit ihren Spitzen gegeneinander gerichtete Kegelvolumen aussehen, wird diese Geometrie auch als "Kegelstrahlgeometrie"bezeichnet.

Die Speicherplätze in den Recheneinrichtungen 50 sind entsprechenden Positionen im Objektraum 52 und ebenso einer bestimmten mit einer Ziffer gekennzeichneten Scheibe zugeordnet, wobei es sich im vorliegenden Fall um acht Scheiben handelt. Die einzelnen Punkte innerhalb des Objektraumes 52 werden in gleichen Abständen q, r, s längs dem Strahl R errechnet. Die xyz-Koordinaten eines jeden solchen Punktes werden beschnitten, wonach der Inhalt des entsprechenden Speicherplatzes um eins vergrößert wird. Diese Technik stellt eine gleiche projizierte Dichte längs der Strecke dar und vermeidet zeitaufwendige Rechnungen, welche das Überlappungsvolumen zwischen zwei Elementen

und

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und ein zylindrisches Volumen längs dem Strahl R erfaßt. Diese Berechnungen müssen manchmal bei zweidimensionalen Rückprojektionen erstellt werden.

Es sei bemerkt, daß bei einem gegebenen rückprojizierten Strahl einige Speicherplätze durchaus zweimal einem Inkrementschritt unterworfen werden, insbesondere wenn der Strahl den Objektraum 52 längs einer Diagonale durchläuft. Dies ist eine Bedingung, welche sich aus der Forderung gleicher Dichte längs dem Strahl ergibt. Die Rückprojektion kann nicht nur zum Istzeitpunkt mit einem Prozeßrechner durchgeführt werden, sondern auch zu einem späteren Zeitpunkt, indem die Kamerakoordination der festgestellten Positronereignisse auf einem Magnetband gespeichert werden. Die rückprojizierte Abbildung wird dann der dreidimensionalen Filterung oder Entfaltung unterzogen, um die Objektverteilung der Positronradioaktivität zu erhalten. Auf dem Wiedergabegerät 49 kann dann die Abbildung einer der Scheiben erfolgen, es ist jedoch auch eine gleichzeitige Abbildung mehrerer Scheiben auf dem Bildschirm vorgesehen, wobei einzelne Scheiben bestimmten Bereichen des Bildschirmes zugeordnet sind.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Abbilden von Positronen, um die aktive Verteilung von Positronenereignissen in einem zu untersuchenden Organ eines Lebewesens festzustellen, wobei Anger-Szintillationskameras und elektrische Signalverarbeitungseinrichtungen zur Ableitung von Signalen für die Rekonstruktion eines Abbildes der radioaktiven Verteilung Verwendung finden, dadurch gekennzeichnet, daß das Organ (4) von zwei einander gegenüberliegenden Szintillationskameras (I₁ 2) abgetastet wird, wobei die Szintillationskameras um das Organ herumrotieren, daß die von den Szintillationskameras gelieferten elektrischen Impulse mittels Koinzidenzschaltungen (33, 48) ausgewertet werden, um koinzident in beiden Szintillationskameras auftretende Signalimpulse zu ermitteln, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen (31, 30, 35, 36, 38, 39) Bewertungssignale zum Identifizieren der koinzident auftretenden Signalimpulse liefern und diese selektiv verarbeiten, und daß mit Hilfe dieser Signalverarbeitungseinrichtungen die Impulslänge und die Integrations zeit der Signalimpulse verkürzt wird, um die Zählgeschwindigkeit zu vergrößern.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem zu untersuchenden Organ nicht nur die in orthogonalen

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Ebenen zu den Szintillationskristallen empfangene Strahlung, sondern auch diejenige Strahlung verarbeitet wird, welche aus nicht zu den Kristallen orthogonal liegenden Ebenen empfangen wird.

3. Positronenabbildungssystem zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, um die radioaktive Verteilung von Positronenereignissen in einem zu untersuchenden Organ eines Lebewesens festzustellen, mit Szintillationsdetektoren, die in Abhängigkeit von den Positronenereignissen elektrische Signale liefern, welche nach einer elektronischen Verarbeitung zur Rekonstruktion eines Abbildes der radioaktiven Verteilung einem Wiedergabegerät zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, da/3 als Szintillationsdetektoren zwei Anger-Szintillationskameras (1, 2) mit je einem einstückigen planaren Szintillationskristall Verwendung finden, dessen Dicke größer als 1, 3 cm ist, daß die Szintillationskameras (1, 2) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Organs angeordnet sind, daß Impulsformernetzwerke (30, 31) zur Verkürzung der Impulsdauer auf Werte unter etwa 900 Nanosekunden sowie Integratoren (40, 41) zur Verkürzung der Integrations zeit der Impulse auf Werte unter etwa 500 Nanosekunden vorhanden sind, um die Zählgeschwindigkeit und die Zählstatistik für eine bessere Abbildungsqualität und eine erhöhte Verarbeitungsgeschwindigkeit zu verbessern.

4. Positronenabbildungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Szintillationskristalle etwa 2,5 cm beträgt.

5. Positronenabbildungssystem nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsformernetzwerke (30, 31, 38, 39) eine Vielzahl von Filtern umfassen, die in Serie zu den Ausgängen

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der Szintillationskameras geschaltet sind.

6. Positronenabbildungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Impulsformernetzwerk einstellbare Integratoren (40, 41) umfaßt, welchen diejenigen Teile der Kameraausgangssignale zugeführt werden, die als repräsentativ für Positronenereignisse ermittelt wurden, und daß Integrationssteuerungen (43, 44) vorhanden sind, um die Integrations zeit für diese Signale einzustellen.

7. Positronenabbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorhanden sind, um die Szintillationskameras auf einer Kreisbahn um das zu untersuchende Organ zu rotieren.

8. Positronenabbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Szintillationskameras keinen Kollimator enthalten und zum Empfang von Strahlung geeignet sind, die aus Richtungen außerhalb von Ebenen senkrecht zu den planaren Szintillationskristall en auf trifft.

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