DE3007817C2 - Koinzidenz-Detektorschaltung - Google Patents
Koinzidenz-DetektorschaltungInfo
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Description
10
Die Erfindung betrifft eine Koinzidenz-Detektorschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen
Gattung.
Es ist bereits eine mit Prioritätskodierern arbeitende Schaltungsanordnung vorgeschlagen worden (DE-OS
30 07 849 — ältere Priorität jedoch nachveröffentlicht), mit deren Hilfe festgestellt werden kann, ob ein Eingangssignal
nur auf einer oder auf mehreren der parallelen Eingangsleitungen innerhalb eines vorgegebenen
Zeitraums auftritt im letzteren Fall wird mit Hilfe einer
dem Prioritätskodierer nachgeschalteten Gatteranordnung ein Ungültigkeitssignal erzeugt, das dazu dient, die
Weitergabe der Adresse der die höchste Priorität besitzenden Eingangsleitung, auf der ein Eingangssignal erschienen
ist, zu unterdrücken. Bei dieser bekannten Schaltung wird auch dann ein Unterdrückungssignal erzeugt,
wenn auf den Eingangsleitungen der Prioritätskodierer genau zwei Signale erscheinen; sie ist somit für
eine Koinzidenz-Detektorschaltung ungeeignet, da letztere gerade dazu dient, das Eintreten zweier soldier
Ereignisse innerhalb eines vorgegebenen Koinzidenz-Zeitraums festzustellen. Auch gibt der ältere Vorschlag
keinerlei Aufschluß darüber, wie auf möglichst einfache und zuverlässige Art und Weise die Adressen derjenigen
beiden Leitungen, auf denen zwei Koinzidenzsignale erschienen sind, ermittelt und für eine weitere Verarbeitung
zur Verfugung gestellt werden können.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Koinzidenz-Detektorschaltung der im
Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art so weiterzubilden, daß das Auftreten von nur zwei Ereignissen
möglichst schnell festgestellt werden kann und die Adressen der beiden betreffenden Eingangsleitungen
für eine Übertragung dieser Information in einen Speicher zur Verfügung gestellt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Patentanspruch zusammengefaßten Merkmale vor.
Die erfindungsgemäße Koinzidenz-Detektorschaltung ist allgemein für die Positronenemissions-Tomographie
und insbesondere für solche Vorrichtungen geeignet, die eine Anordnung von Szintillations-Detektoren
verwenden, um die beim Positronen-Zerfall auftretende Zerstrahlung nachzuweisen, und die diese Informationen
dazu verwenden, eine Abbildung der Vertei- y, lung von positronenemittierenden Isotopen innerhalb
eines Körpers zu rekonstruieren.
Die Positronenemissions-Tomographie ist ein Verfahren
zur Messung der Konzentration eines positronenemittierenden Isotops in einer Querschnittsfläche ί>υ
durch einen Körper. Normalerweise wird das Isotop zur Markierung einer Substanz verwendet, die mit dem Blut
zirkuliert, und die in gewissen Geweben absorbiert werden kann. Dieses Verfahren ermöglicht die Bestimmung
der tatsächlichen Konzentration in dem Schnitt, wenn b5
das Gerät in geeigneter Weise kalibriert ist.
Gewisse Isotope zerfallen unter Aussendung eines Positrons und eines Neutrinos aus dem Kern. Wenn ein
■ulches Positron im Bereich der thermischen Wechselwirkung
mit einem Elektron zerstrahlt werden zwei um 180° zueinander entgegengesetzt gerichtete Gammastrahlen
von 511 keV emittiert Wenn eine erfindungsgemäße Koinzidenz-DetektorschSitung die Energie der
Gammastrahlen bei 511 keV mißt und diese Energie fast
gleichzeitig registriert dann darf angenommen werden, daß der Ursprung der Strahlung auf einer geraden linie
zwischen den beiden die Strahlung registrierenden Detektoren liegt Die erfindungsgemäße Koinzidenz-Detektorschaltung
ist aufgrund ihres Aufbaues mit mehreren Detektoren in einer Anordnung dazu geeignet viele
solcher koinzidenter Ereignisse während des gleichen Zeitintervalls abzubilden. Die so gelieferten Informationen
können mit einem Rechner verarbeitet werden, wobei Abbildungs-Rekonstruktionsverfahren verwendet
werden, um die Lage der Verteilung der Positronen emittierenden Isotope zu finden.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt
Fig. I ein Gesamt-BIockdiagramm des Gerätes;
Fig.2 ein Blockdiagramm der Koinzidenz-Analyseschaltung;
F i g. 3 ein Zeitdiagramm für die Koinzidenz-Analyseschaltung;
F i g. 4 ein Schaltbild der einzelnen Komponenten des Adreßgenerators, der in der F i g. 2 durch gestrichelte
Linien eingeschlossen ist; und
Fig.5 eine schwarz-weiße Darstellung der »Rohdaten« der praktischen Abtastung eines Patienten.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel dieser Positronvemichtungs-Abbildungsvorrichtung
1 ist insgesamt in der F i g. 1 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Vorrichtung
aus einem oder mehreren Ringen von Detektoren 2 besteht, die das abzubildende Objekt in einer oder
mehreren Ebenen umgeben. Der Lichteingang von den Detektoren aktiviert zugeordnete Photovervielfacher 3.
Die elektrischen Signale aus diesen Detektoren werden bei 4a, 4i>—4/7 verstärkt und ihre Signalpegel bei 5a,
5b—5/J diskriminiert, und die Ausgänge jeder der Energie-Diskriminatoren
wird durch die Koinzidenz-Analyseschaltung 6 verarbeitet, auf die sich die Erfindung insbesondere
bezieht. Der Zweck dieser Koinzidenz-Analyseschaltung 6 ist primär ein zweifacher: Einerseits bestimmt
sie, ob zwei oder mehrere Detektoren ein gleichzeitiges Ereignis aufzeichnen. Wenn genau zwei Detektoren
ein gleichzeitiges Ereignis feststellen, berechnet die Koinzidenz-Analyseschaltung 6 die Adresse dieser
beiden Detektoren und nachdem diese Adresse in einem mit ihr verbundenen Speicher gefunden worden ist, erhöht
bzw. inkrementiert sie diese Speicherstelle. Die Information in dem Speicher wird nachfolgend durch
ein Abbildungs-Rekonstruktionsprogramm verarbeitet, welchem zur Zeit der Verarbeitung die Anzahl der Fälle
zur Verfügung steht, in denen zwischen allen möglichen Kombinationen der Detektoren in der Anordnung ein
koinzidentes Ereignis auftrat.
Nachstehend wird nun im einzelnen das in der l: i g. 2
gezeigte Blockdiagramm der Koinzidenz-Analyseschaltung betrachtet. Der grundlegende Informaticnsstrom
in diesem Diagramm verläuft von links nach rechts, beginnend mit 64 Diskriminatorausgängen und endet mit
der 12-Bii-Adresse, die an den Speicher des Rechners
gesandt wird. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel enthält Ringe von 64 Detektoren und die Ausgänge der
Detektoren sind mit den Diskriminatoren 5a—5/J in der
F i g. I verbunden. Die Diskriminatoren werden jedesmal getriggert, wenn einer der Detektoren ein Ereignis
feststellt, das innerhalb des gewünschten Energiebereiches liegt; die Ausgänge der Diskriminatoren werden in
ein 64-Eingangs-OR-Gatter 200 und eine 64-Bit-Verzögerung 230 geleitet. Der Ausgang des OR-Gatters 200
ist immer dann wahr, wenn einer der 64 Detektoren ein Ereignis feststellt. Der Ausgang des OR-Gatters wird
durch eine Verzögerung 210 verzögert und triggert ein D-Flip-Flop 220 (Flankendetektor) des Blockdiagramms,
dessen Ausgang zur Ladung eines 64-Bit-Halteregisters 240 verwendet wird. Das 64-Bit-Verzögcrungsregister
230 und die mit der Fortpflanzung der Signale durch das OR-Gatter verknüpfte Verzögerung
210 sowie der Flankendetektor 220 bestimmen die Koinzidenz-Auflösungszeit. Die Auflösungszeit kann in
Einheiten von 3 nsec(dieGattcr-Durchlaufvcrzögerung der verwendeten Schaltungen) verändert (210) werden.
Das Verzögcrungsicgistcr besteht aus 64 I η venern mit
einer beträchtlichen Durchlaufverzögerung (lOnscc)
und zwar im Vergleich mit der Schottky-TTL-Logik, die
im übrigen Teil der Schaltung verwendet wird. Das heißt, während der Zeit, in der angenommen wird, daß
zwei Detektoren die beiden Gammastrahlen aus einer Positron-Zerstrahlung festgestellt haben. Der Ausgang
des 64-Bit-Halteregisters 240 entspricht gerade dem Zustand der Detektoren etwa 15 nsec (dies ist eine einstellbare
Koinzidenz-Auflösungszeit) nachdem der erste Detektor ein Ereignis feststellte.
An den Ausgang dieses Halteregisters sind 8 oktale Prioritätskodierer 250/258 angeschlossen. Es sind 8 Eingangsleitungen
an jedem Prioritätskodierer und 4 Ausgangsleitungen vorgesehen. Drei der Ausgänge enthalten
die oktale Adresse der höchstwertigen Eingangsleitung. Der vierte Ausgang ergibt immer dann ein wahres
logisches Signal, wenn einer oder mehrere der Eingänge wahr sind. Dieser vierte Ausgang jedes Prioritätskodierers
ist als Eingang an eine Paritäts-Prüfschaltung 260 ausgebildet, deren Funktion darin besteht, festzustellen,
ob eine ungerade oder eine gerade Anzahl von Detektoren von diesem Ereignis betroffen sind. Diese Feststellung
kann außerordentlich rasch erfolgen. Da meistens (ungefähr 90—98% der Zeit) nur einer der Detektoren
betroffen ist, beseitigt diese Stufe die meiste Information,
die keiner weiteren Verarbeitung bedarf. Wenn die Parität des Eingangsereignisses als gerade erkannt wird,
werden die 32 Ausgänge der 8 Prioritätskodierer in einem 32-Bit-Gültigkeitsregister 262 gespeichert. Der
Zweck des Gültigkeitsregisters besteht darin, Ereignisse mit gerader Parität festzuhalten, bis der Adreßgenerator
genau feststellen kann, welche zwei Detektoren bei diesem besonderen Ereignis betroffen waren.
Aus dem Zeitfolgediagramm der F i g. 3 ist erkennbar, daß die »Totzeit« der 64-Bit-Halteregister-Schaltung
nur etwa 50 nsec beträgt Dies bedeutet, daß die Schaltung etwa 1 Million Ereignisse pro Sekunde mit einer
»Totzeit« von nur 5% verarbeiten kann. Sie kann natürlich noch vielmehr Ereignisse pro Sekunde mit einer
proportional höheren Totzeit verarbeiten.
Der wesentliche Punkt der Erfindung ist der Adreßgenerator
68, der bestimmt, welche zwei Detektoren von einem speziellen Ereignis betroffen sind. Das Blockdiagramm
des Adreßgenerators 68 ist in der gestrichelten Linie in der F i g. 2 eingeschlossen und die tatsächlich
verwendeten Komponenten sind in der F i g. 4 in Form eines Schaltbildes dargestellt. Die 32 Bits in dem
Gültigkeitsregister können in zwei Gruppen unterteilt werden. Eine Gruppe von 8 enthält 1 Bit für jeden der
8 Prioritätskodierer 250—258, die mit dem Halteregistcr
240 verbunden wurden. Diese 8 Leitungen sind mit den Eingängen eines weiteren Prioritätskodierers 401
verbunden. Die drei Ausgänge dieses Prioritätskodierers 401 enthalten die Adresse des höchstwertigen Prioritätskodierers,
der mit dem Eingang verbunden wurde. Tatsächlich werden also die drei höchstwertigen Bits
der Adresse benötigt, d. h. die drei höchstwertigen Bits des Detektors mit der höchsten Nummer, der in einem
Koinzidentenereignis betroffen ist. Diese drei Ausgänge werden an drei unterschiedliche Orte geführt. Zuerst
ίο bilden sie eine Obergruppenadresse 420, die durch ein
Serienregister (first-in-first-out) 270 in den Rechner gesandt wird. Zweitens werden sie an einen Adresseneingang
eines 8 :1 Multiplexers 411 angelegt. Der Dateneingang
dieses Multiplexers 8:1, der einer von den sechs mit den Bezugszeichen 410,411,412,413,414 und
415 versehen ist, ist mit dem Güitigkeilsregisier 262
verbunden, wie auch die anderen Multiplexer, und liefert die anderen 24 Bits an das 32-Bit-Gültigkeitsregister
262. Die Ausgänge dieser 8 :1 Multiplexer 410 bis 415 enthalten die Detektoradresse innerhalb der Gruppe
von 8, entsprechend dem höchstwertigen Detektor.
An diesem Punkt sind alle 6 Bits des Detektors mit höchster Nummer, der bei diesem Koinzidenz-Ereignis
betroffen ist, bestimmt worden.
Die Ausgänge des Prioritätskodierers 401 werden auch an einen oktalen Dekoder 440 geführt, dessen
Funktion darin besteht, die acht Leitungen entsprechend den ursprünglichen Eingängen des Prioritätskodierers
401 zu regenerieren. Von seinen Ausgängen ist nur einer logisch wahr, und dies ist der höchstwertige
Eingang am Prioritätskodierer. Dies wird als eine Maske in einer Obergruppenmaske 450-457 genutzt, um
den höchstwertigen Eingang der Eingänge an einen zweiten Prioritätskodierer 402 zu beseitigen. Da die
höchstwertige Leitung aus der Betrachtung durch den zweiten Prioritätskodierer 402 beseitigt wurde, bestimmen
seine drei Ausgänge die Adresse der geringstwertigen Gruppe von acht Detektoren, die bei dem koinzidenten
Ereignis beteiligt sind. Seine Ausgänge werden dann wieder über drei Wege geleitet, ähnlich den Ausgängen
des ersten Prioritätskodierers 401, und auf diese Weise werden die geringstwertigen 6 Bits der Adresse
bestimmt. Dieser Vorgang wird noch einmal wiederholt in den Einheiten 441,460-467 und 403, um sicherzustellen.
daß nur zwei Detektoren von jedem Ereignis betroffen sind. Auf diese Weise wurde eine 12-Bit-Adresse
erzeugt, die dazu verwendet werden kann, eine Speicherstelle in dem Speicher des Rechners zu inkrementieren.
Die Ausgangsadresse wird in einem ersten Serienregister
((first-in-first-out) FI. FO gespeichert, so daß die momentane Geschwindigkeit der Ereignisse höher sein
kann, als die Eingangsschaltung des Rechners. Dieses Register wird mit der berechneten Adresse geladen und
diese Adresse wird nachfolgend abgerufen, wenn sie der Rechner verwenden kann.
Der Speicher kann als quadratische Fläche mit einer Größe von 64 · 64Wörtern (siehe Fig. 1) ausgebildet
sein, die immer den Detektor mit höchster Nummer auf der V-Achse enthält (die höchstwertigen 6 Bits) und den
X-Detektor (die geringstwertigen 6 Bits) entlang den XX. Wegen der Prioritätsstruktur dieser Daten wird
dabei beobachtet, daß Ereignisse nur in einem Bereich oberhalb einer Diagonale von der linken unteren zur
rechten oberen Ecke in diesem Quadrat gesammelt werden. Dies wäre natürlich gewissermaßen eine Verschwendung
des Speichers des Rechners, und daher umfaßt die Koinzidenz-Analyscschaltung ein Verführen
zur Komplementierung der hohen und niedrigen Detektoradresse unter gewissen Umständen.
Die Detektoranordnung rotiert vorwärts und rückwärts während der Erfassung von Daten (2,8°, die Hälfte
der Winkelentfernung zwischen zwei benachbarten Detcktoren). Ein mit dem Bezugszeichen 480 in der F i g. 2
versehener Positionskodiercr, der mit der Detekloranordnung verbunden ist, wird dazu verwendet, auf eine
Gruppe von Puffern, 280, 282,284 oder 290,292, 294 zu
schalten, die den Ausgang zum Rechner bilden. Die Puf- u> ferelemente, die dann eingeschaltet werden, wenn die
Detektoranordnung aus ihrer normalen Position gedreht wurde, also 290,292, 294, komplementieren jedes
Bit der Adresse und füllen auf diese Weise ein Spiegelbild der Datengruppe in der unteren rechten Hälfte des
quadratischen Speicherraums, wie in der F i g. 5 gezeigt.
Da der Rechner möglicherweise nicht ständig bereit ist, Ereignisse so schnell anzunehmen, wie sie durch die
Koinzidenz-Analyseschaltung erzeugt werden, ist ein erstes Serienregister (first-in-first-out) mit 16 Wörtern
Länge vorgesehen, um die Daten aus dem Adreßgenerator zum Rechner zu puffern.
Die F i g. 5 zeigt eine Darstellung der »Rohdaten«-Matrix,
die von der Schaltung aus einer typischen Patientenabtastung erzeugt wird. Die hellsten (weißen)
Farben entsprechend dem höchsten Zählwert in einer Zelle der Matrix. Die weißen Bereiche 502,504 entsprechen
der hohen Zählrate eines Tumors im Gehirn. Die Linien 520, 522, 524, 526 entsprechen Zählwerten des
Schädels des Patienten. Die Bereiche 540, 542 entspre- jo chen Zählwerten des Gehirns. Die Bereiche 580, 582,
584, 586 entsprechen zufälligen Ereignissen zwischen Detektoren, deren Verbindungslinie nicht durch den Patienten
hindurch geht. Diese Ereignisse können dazu verwendet werden, die zufällige Zählrate von anderen
Detektorpaaren abzuschätzen. Die dunklen Quadrate 591 —598 enthalten keine Daten. Detektoren, die diesen
Bereichen entsprechen, liegen beide an dem gleichen Eingangs-Prioritätskodierer 250,258. Wenn zwei derartige
Detektoren ein Ereignis gleichzeitig feststellten, würde die Schaltung ein einziges Ereignis feststellen
und es zurückweisen. Diese Rohdaten werden zur Rekonstruierung eines Bildes eines Querschnitts durch den
Kopf verwendet
Nachstehend werden nun die Vorteile der Erfindung zusammengefaßt:
1. Die beschriebene elektronische Schaltung ist ein wirksames Verfahren zur Feststellung, daß nur
zwei Detektoren in einer großen Anordnung ein gleichzeitiges Ereignis ermittelten. Alle anderen
Ereignisse werden zurückgewiesen.
2. Nur eine Schaltung ist erforderlich, um die Ereignisse
aus 54 Detektoren zu analysieren.
3. Es wird ein wirksamer und neuartiger Weg geschaffen, um festzustellen, welche zwei Detektoren
bei einem koinzidenten Ereignis betroffen sind.
4. Die technische Lehre erfordert keine Bauteile, die nicht handelsüblich derzeit ohne weiteres verfügbar wären.
5. Das Adreßerzeugungsschema erfordert keinen Festwertspeicher, um die Adresse zu bestimmen, so
daß das Erfordernis beseitigt wird, einen speziellen
Schaltungsaufbau vorzusehen, der für diese Bestimmung speziell programmiert oder aufgebaut
ist
6. Die Schaltung ist derart aufgebaut, daß die meisten
gemeinsamen Ereignisse (Einzelereignisse) eliminiert werden, so daß sie aus der weiteren Betrachtung
ausgeschlossen werden.
Individuelle Stufen der Schaltung verarbeiten die Daten asynchron, so daß die Totzeit bei hohen Zählraten vermindert ist.
Individuelle Stufen der Schaltung verarbeiten die Daten asynchron, so daß die Totzeit bei hohen Zählraten vermindert ist.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1) und daß die parallelen Informationsausgänge der Untergruppcn-Maskenschaltung (460) mit
den Paralleleingängen eines weiteren (oktalen) Prioritätskodierers (403) verbunden sind, von
dessen Ausgangssignalgruppe das weitere, das Anliegen eines Eingangssignals an irgendeinem
seiner Paralleleingänge anzeigende Signal zur Unterdrückung der Weitergabe der von den
Obergruppen- und Untergruppen-Multiplexern (410 bis 415) erzeugten Adressen an einen Speicher
(7) eines Auswertungsrechners dient
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