DE3317292C2 - Verfahren zum Verbessern einer Gammakamera - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbessern einer Gammakamera nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zum Stand der Technik wird zunächst auf die US-PSen 3 011 057 (Druckschrift (1)), 4 060 730 (Druckschrift (2)) und 4 095 108 (Druckschrift (3)) verwiesen. Bekanntlich be­ sitzt eine übliche Gammakamera einen Szintillations­ kristall, der ansprechend auf Strahlungsreize Lichtblitze an solchen Stellen des Kristalls erzeugt, an denen die Reize mit der Gitterstruktur des Kristalls in Wechsel­ wirkung treten. Ein dem Kristall zugeordnetes Feld von Fotoelektronen-Vervielfachern (FEV) spricht auf die Lichtblitze an und erzeugt individuelle Ausgangssignale, die durch eine Rechenschaltung verarbeitet werden. Die Rechenschaltung berechnet die Koordinaten jedes Licht­ blitzes.

Bei der Aufbereitung einer Anzeige der Strahlungsintensi­ tätsverteilung des auf den Kristall zwecks Erzeugung von Lichtblitzen abgebildeten Strahlungsfeldes ist es üblich, eine Darstellung der Dichteverteilung von Lichtblitzen in dem Kristall zu akkumulieren, indem eine Matrix aus Speicherregistern verwendet wird, deren Elemente Elemen­ tarbereichen (Punkten) des Kristalls in einer Eins-zu- Eins-Entsprechung zugeordnet sind. Jedesmal, wenn in dem Kristall ein Lichtblitz auftritt, werden dessen Koordi­ naten berechnet, und der Inhalt des diesen Koordinaten entsprechenden Elements in der Matrix wird erhöht. Somit erhält man als Inhalt eines gegebenen Matrixelements eine Zahl, die die Anzahl von Ereignissen darstellt, die in­ nerhalb einer gegebenen Zeitspanne in einem der Stelle des gegebenen Matrixelements entsprechenden Elementarbe­ reich des Kristalls auftreten. Diese Zahl ist direkt proportional der von demjenigen Elementarbereich des Strahlungsfeldes ausgesandten Strahlungsintensität, der dem gegebenen Matrixelement zugeordnet ist. Wenn man also diese Zahl zur Festlegung der Helligkeit der jeweils den Matrixelementen entsprechenden Bildelemente einer An­ zeigevorrichtung heranzieht, läßt sich die Intensitäts­ verteilung eines Strahlungsfeldes durch die Helligkeits­ verteilung auf der Anzeigevorrichtung darstellen.

In einer herkömmlichen Gammakamera, wie sie z. B. in (1) beschrieben ist, werden die Koordinaten eines Lichtblit­ zes dadurch berechnet, daß die Ausgangssignale der Foto­ elektronen-Vervielfacher verarbeitet werden. Insbesondere wird der sog. "Schwerpunkt" der von den Fotoelektronen-Ver­ vielfachern erzeugten Signale berechnet, indem jedem Fotoelektronen-Vervielfacher nach Maßgabe seiner relati­ ven Lage bezüglich einer Koordinatenachse in dem Kristall ein Gewicht zugewiesen wird, das Gewicht eines Fotoelek­ tronen-Vervielfachers mit dessen Ausgangssignal multipli­ ziert wird, sämtliche gewichteten Ausgangssignale der Fotoelektronen-Vervielfacher summiert und die Summe durch die Anzahl der Fotoelektronen-Vervielfacher dividiert wird. Aus dem Fachmann bekannten Gründen kann eine be­ rechnete Lichtblitzstelle von der tatsächlichen Stelle des Lichtblitzes in dem Kristall abweichen. Folglich stellt ein aus einer Matrix mit derart hergeleiteten In­ halten erzeugtes Bild nicht immer eine exakte Wiedergabe des tatsächlichen Strahlungsfeldes dar. Die Genauigkeit läßt sich verbessern, wenn Nichtlinearitäten des Systems kompensiert werden.

In (2) ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Be­ rechnung durch ein schrittweises Verfahren erfolgt, nach dem zuerst die ungefähre Stelle eines Lichtblitzes be­ stimmt und dann eine bestimmte Funktion der Ausgangssig­ nale der in der Nähe der ungefähren Stelle liegenden Fotoelektronen-Vervielfacher dazu benutzt wird, um die Koordinaten des Lichtblitzes zu berechnen. Nach einem anderen Verfahren, das in (3) beschrieben ist, wird für eine gegebene Gammakamera eine Eichkarte oder Eichmatrix ermittelt, und die berechneten Koordinaten werden nach Maßgabe der Eichkarte modifiziert. Diese Behelfslösungen haben jedoch in keinem Fall in voll zufriedenstellender Weise eine Korrektur der Gammakameras anhaftenden Proble­ me bei der exakten optischen Darstellung eines Bildes eines Strahlungsfeldes erbringen können.

In Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zeigt die US-PS 4 298 944 ein Verfahren zum Verbessern einer Gammakamera, bei dem zur Korrektur von Nicht-Linearitäten der Kamera so vorgegangen wird, daß eine perforierte Platte vor dem Kristall angeordnet wird, wobei der Kristall über die perforierte Platte einem Flutlichtfeld ausgesetzt wird. Die exakten Stellen der Löcher in der Platte sind vorgegeben. Die ermittelten oder gemessenen Stellen der Platte können dann mit den tatsächlichen Stellen der Platte abgeglichen werden, um Faktoren für die Korrektur zu erhalten.

Bei einer Aufnahme mit der Gammakamera können dann die Korrektur­ werte aus einem Tabellenspeicher abgerufen werden, um die Meßwerte zu korrigieren. Die Korrektur erfolgt dadurch, daß die Meßwerte der Koordinaten mit Korrekturfaktoren gewichtet werden. Speziell werden die Koordinatenwerte selbst geändert, d. h. verschoben, um durch Nicht-Li­ nearitäten verursachte Verzerrungen auszugleichen. Bezugnehmend auf ein früheres Verfahren ist in der genannten US-PS 4 298 944 noch ange­ geben (Spalte 1, Zeilen 35 bis 41), daß zur Verzerrungskorrektur die jeweiligen Gesamtzählwerte oder Ereignisse in einem speziellen Bereich unter Verwendung der mit Hilfe des Flutlichts erhaltenen Information erhöht oder vermindert werden.

Aus Proceedings of the IAEA, Medical Radionuclide Imaging, Band I, IAEA-SM-210/154, 1977, S. 67 bis 84, ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, welches unter anderem von einer Matrix-Di­ vision Gebrauch macht. Hierbei wird ebenfalls von einem Flutlicht-Feld ausgegangen, dessen Ergebnis einer Matrix-Division unterzogen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die Auflösung einer Gammakamera des obengenannten Typs verbessert wird, indem die gewichteten Inhalte der Matrix die tatsächliche Verteilung der Lichtblitze besser annähern als die ungewichteten Matrix-Inhalte.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Jedes Element einer die Dichteverteilung von Lichtblitzen in einem Szintillationskristall einer Gammakamera reprä­ sentierenden Matrix wird derart gewichtet, daß die Auf­ lösung der Kamera verbessert wird. Das Gewicht eines Ele­ ments entspricht der Wahrscheinlichkeit, mit der ein Lichtblitz, der laut Berechnung in einem dem Element ent­ sprechenden Elementarbereich aufgetreten ist, tatsächlich dort aufgetreten ist. Eine solche Wahrscheinlichkeit wird mittels einer Eichprozedur berechnet, bei der ein Gamma-Eichstrahlen­ bündel auf bekannte Stellen des Kristalls gelenkt und unter Verwendung der Gammakamera die Stelle der Licht­ blitze berechnet wird. Es wird die mittlere berechnete Stelle von Lichtblitzen berechnet, die durch Auftreffen des Eichstrahlenbündels auf einen festen Punkt in dem Kristall erzeugt werden. Der Abstand zwischen der mittle­ ren berechneten Stelle und der bekannten Stelle des Licht­ blitzes steht in reziproker Beziehung zu der Wahrschein­ lichkeit, daß ein laut Berechnung an einem Eichpunkt auf­ getretener Lichtblitz tatsächlich an diesem Eichpunkt aufgetreten ist. Die Eichprozedur liefert also eine Konfidenz-Meßgröße oder Vertrauens-Meßgröße, die ein Maß dafür ist, daß ein laut Berechnung in dem gegebenen Ele­ mentarbereich aufgetretener Lichtblitz tatsächlich auch dort aufgetreten ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Gammakamera­ kopfs mit diesem zugeordneter, schematisch dar­ gestellter Rechenschaltung, wobei veranschau­ licht ist, in welcher Weise eine Eichprozedur durchgeführt wird,

Fig. 2 einen Ausschnitt des Szintillationskristalls des Gammakamerakopfs, wobei drei Elementarbereiche des Kristalls und die mittlere berechnete Stelle von tatsächlich in den drei Elementarbereichen aufgetretenen Lichtblitzen veranschaulicht ist,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des funktionellen Zusammenhangs zwischen dem Korrekturfaktor für Elementarbereiche des Kristalls und dem Abstand der mittleren Stelle eines Lichtblitzes von der tatsächlichen Stelle,

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Gamma­ kamera, und

Fig. 5 und 6 jeweils ein Flußdiagramm zum Veranschauli­ chen unterschiedlicher Methoden zum Kalibrieren der Gammakamera.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Gammakamera 1, wie sie z. B. in der Druckschrift (1) beschrieben ist. Die Kamera 1 enthält einen Szintillationskristall 12, der auf von einem Strahlungsfeld ausgesendete Strahlungsreize oder Strahlungsanregungen anspricht und in dem Kristall an solchen Stellen Lichtblitze erzeugt, an denen die Reize mit der Gitterstruktur des Kristalls in Wechselwirkung treten. Dem Kristall ist ein Feld von Fotodetektoren, z. B. Fotoelektronen-Vervielfachern (FEV) 14 zugeordnet, das auf Lichtblitze anspricht und individuelle Ausgangs­ signale erzeugt, die von einer Rechenschaltung 16 verar­ beitet werden, um die Koordinaten jedes Lichtblitzes zu berechnen. Eine punktförmige Gammastrahlenquelle 18 er­ zeugt unter Zusammenwirkung mit einem geeigneten (nicht dargestellten) Kollimator ein Gammastrahlenbündel 20, so daß das Strahlenbündel an einer Stelle 22 (x1, y1) auf den Kristall 12 auftrifft und an der bekannten Stelle Lichtblitze erzeugt. Die Rechenschaltung erzeugt in be­ kannter Weise ein Paar von Koordinatensignalen x1′, y1′ welches die Koordinaten des Lichtblitzes an der Stelle x1, y1 darstellt. Um die Koordinatensignale zu normieren, werden sie durch die Gesamtenergie eines Lichtblitzes dividiert, diese Maßnahme ist jedoch in der Blockdia­ grammdarstellung fortgelassen, um die Zeichnung nicht zu überlasten.

Die punktförmige Gammastrahlenquelle wird an einer festen Stelle bezüglich des Kristalls während einer Zeitspanne gehalten, die ausreicht, um eine relativ große Zahl von Lichtblitzen, beispielsweise 1000 Lichtblitzen zu erzeu­ gen und die Koordinaten der Lichtblitze zu Vergleichs­ zwecken zu berechnen. Diese Situation ist in Fig. 2 ver­ anschaulicht. Die tatsächlichen Koordinaten des Licht­ blitzes 22 sind mit x1, y1 bezeichnet, während die strich­ punktierte Linie 24 die Grenze kennzeichnet, innerhalb derer all diejenigen Koordinatenpunkte liegen, die von der Schaltung 16 für tatsächlich bei x1, y1 auftretende Lichtblitze berechnet werden. Nachdem eine relativ große Anzahl von Koordinatenpunkten berechnet ist, werden nach herkömmlichen Methoden die mittleren Koordinaten, genauer gesagt, die Koordinaten der Schwerpunkte sämtlicher Ko­ ordinaten, nämlich x1′, y1′, berechnet. Der Abstand D1 zwischen der bekannten Stelle x1, y1 der Lichtblitze und der berechneten mittleren Stelle x1′, y1′ der Licht­ blitze soll im folgenden als Eichabstand bezeichnet wer­ den, der demjenigen Elementarbereich des Kristalls zuge­ ordnet wird, der den Koordinatenwerten x1, y1 entspricht.

Unter Verwendung einer Kurve, wie sie in Fig. 3 darge­ stellt ist, läßt sich der Eichabstand in einen Konfidenz- oder Vertrauensfaktor umsetzen, der zu dem Eichabstand eine reziproke Beziehung aufweist. Ist beispielsweise der Eichabstand Null, d. h., stimmen die berechneten Ko­ ordinatenwerte der Lichtblitze mit den tatsächlichen Ko­ ordinatenwerten überein, so beträgt der Konfidenzfaktor Eins oder 100%. Eine derartige Situation könnte dann vor­ liegen, wenn der Lichtblitz in der geometrischen Mitte eines Fotoelektronen-Vervielfachers erzeugt wird.

Im Gegensatz dazu ist einem relativ großen Eichabstand ein niedriger Konfidenzfaktor in der Nähe des Wertes Null zugeordnet. Eine solche Situation könnte vorliegen, wenn ein Lichtblitz in der Nähe des Umfangs des Kristalls in einer Zone zwischen verschiedenen Fotoelektronen-Verviel­ fachern auftritt. In jedem Fall wird der auf diese Weise ermittelte Konfidenzfaktor den mittleren Koordinaten x1′, y1′ zugeordnet und in einer Korrekturmatrix unter einer Adresse gespeichert, die zu den mittleren Koordinatenwer­ ten gehört.

Der beschriebene Vorgang wird dann wiederholt, nachdem die punktförmige Gammastrahlenquelle soweit versetzt wur­ de, daß das Strahlenbündel auf einen Punkt x2, y1 des Kristalls auftrifft, so daß durch den wiederholten Vor­ gang der der Stelle x2′, y1′ zugeordnete Eichabstand ermittelt wird. Entsprechend der obigen Beschreibung wird ein weiterer Konfidenzfaktor auf der Grundlage des Eich­ abstands D2 berechnet und in einer Korrekturmatrix an einer solchen Stelle gespeichert, die den Koordinaten x2′, y1′ entspricht. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die gesamte Fläche des Kristalls 12 abgedeckt ist. In Fig. 5 ist ein Flußdiagramm dieser Prozedur darge­ stellt. Hierbei wird davon ausgegangen, daß 1000 Licht­ blitze benötigt werden, um jeweils einen Eichabstand zu berechnen. Der genannte Wert dient nur als Beispiel, und es können auch andere Werte gewählt werden.

Fig. 6 veranschaulicht anhand eines Flußdiagramms die Prozedur zum Berechnen der Konfidenzfaktoren der ver­ schiedenen Elemente in der Korrekturmatrix durch Spei­ chern der Ausgangssignale der Fotoelektronen-Vervielfa­ cher anstatt durch Verwenden der Rechenschaltung, deren Arbeitsweise in Fig. 5 skizziert ist. Gemäß Fig. 6 würde die punktförmige Gammastrahlenquelle ein Strahlenbündel erzeugen, das an einer bekannten Stelle des Kristalls auftrifft und an jedem der Fotoelektronen-Vervielfacher des dem Szintillationskristall zugeordneten Feldes ein Ausgangssignal hervorruft. Dem Kristall können z. B. 19 Fotoelektronen-Vervielfacher zugeordnet sein. Das Aus­ gangssignal jedes dieser Fotoelektronen-Vervielfacher würde bei jedem Auftreten eines Lichtblitzes gespeichert werden. Dies ist, in Fig. 6 für den Fall dargestellt, daß die Speicherung so lange stattfindet, bis 1000 Lichtblit­ ze aufgetreten sind. Nach dem letzten Lichtblitz einer Folge wird das durchschnittliche Ausgangssignal jedes Fotoelektronen-Vervielfachers durch Summieren der Aus­ gangssignale jedes Vervielfachers und anschließendes Dividieren durch die Anzahl der Lichtblitze ermittelt.

Aus dem mittleren Ausgangssignal jedes Vervielfachers werden die mittleren Koordinatenwerte x′, y′ unter Ver­ wendung der Rechenschaltung der Gammakamera errechnet. Mit dieser Information läßt sich der Eichabstand berech­ nen, und aus der Kurve gemäß Fig. 3 kann man den Konfi­ denzfaktor bestimmen und in der Korrekturmatrix speichern.

Unabhängig davon, welche Prozedur man zum Ermitteln der Konfidenzfaktoren wählt, liefert der Abschluß der Eich­ prozedur einen Eintrag in jedem der Elemente der in Fig. 4 gezeigten Korrekturmatrix 30. Wie in der Zeichnung an­ gedeutet ist, liegt der Inhalt jedes Matrixelements in der Form C (x,y) vor, was bedeutet, daß der Konfidenzfak­ tor an der Stelle x, y in der Matrix C beträgt.

Im Betrieb der Kamera würde der Gammakamerakopf 32 in herkömmlicher Weise arbeiten und Daten eines Strahlungs­ feldes erfassen. Die Rechenschaltung 34 kann so ausgebil­ det sein und arbeiten, wie es in (1) oder (2) beschrie­ ben ist, um die Koordinatenwerte für jeden Lichtblitz zu erhalten. Diese Koordinatenwerte werden der Speicherma­ trix 36 mit dem Zweck zugeführt, den Inhalt desjenigen Matrixelements zu erhöhen, das einer berechneten Koordi­ nate zugeordnet ist. In der Zeichnung liegt der Inhalt jedes Matrixelements in der Form N (x,y) vor, was bedeutet, daß die in der Stelle x, y der Speichermatrix gespeicher­ te Anzahl von Lichtblitzen N beträgt. Mit anderen Wor­ ten: N repräsentiert die tatsächliche Anzahl von Licht­ blitzen, die in dem Kristall an der berechneten Stelle x, y aufgetreten sind.

In der Anzeigematrix 38 wird die gewichtete Anzahl von Lichtblitzen gespeichert, die an dieser Stelle aufgetre­ ten sind. Ein Element dieser Matrix ist mit N′(x,y) bezeichnet. Dieses Symbol bedeutet, daß an der Stelle x, y eine gewichtete Anzahl von N′ Lichtblitzen aufge­ treten sind. Die gewichtete Anzahl von Lichtblitzen an einer gegebenen Stelle erhält man aus der tatsächlichen Anzahl von Lichtblitzen an dieser Stelle dadurch, daß die tatsächliche Zahl mit dem Konfidenzfaktor an der gegebenen Stelle multipliziert wird. Dies ist in der Zeichnung angedeutet durch die Beziehung N′(x,y) = [N(x,y)] [C(x,y)].

Verwendet man die Anzeigematrix 38 für Anzeigezwecke an­ stelle der Speichermatrix 36, so erkennt man, daß die Lichtblitze nach Maßgabe der während des Eichvorgangs er­ mittelten Konfidenzfaktoren neu verteilt werden. D.h.: die Anzahl der Lichtblitze, die an solchen Stellen auf­ treten, die einen relativ niedrigen Konfidenzfaktor be­ sitzen, reduziert sich im Vergleich zu solchen Stellen, an denen der Konfidenzfaktor größer ist. Auf diese Weise läßt sich das Auflösungsvermögen der Kamera beträchtlich verbessern. Außerdem läßt sich eine solche Verbesserung auch bei herkömmlichen Gammakameratypen erreichen, indem solche Kameras mit den Korrektur- und Anzeigematrizen nachgerüstet werden. Es ist lediglich erforderlich, die oben beschriebene Eichprozedur durchzuführen und die Korrekturmatrix zu erzeugen, die als Multiplikations­ faktor für die früher verwendete Speichermatrix benutzt wird.

Wie oben bereits erläutert wurde, besteht der Zweck der Erfindung darin, die Wahrscheinlichkeit zu ermitteln, mit der die Koordinaten eines Lichtblitzes gemäß Berech­ nung durch die Koordinaten-Rechenschaltung einer Gamma­ kamera nach Berücksichtigung sämtlicher herkömmlicher Justiervorgänge für Versetzungen u. dgl. die gleichen sind wie die tatsächlichen Koordinaten des Lichtblitzes. Hierzu wird den berechneten Koordinatenwerten eine mitt­ lere Verteilung von Ausgangssignalen der Fotodetektoren der Gammakamera zugeordnet, die repräsentativ ist für die durch Auftreten einer großen Anzahl von Lichtblitzen bei solchen Koordinaten verursachte Verteilung. Die Kreuz­ korrelation der mittleren Verteilung mit der tatsächli­ chen Verteilung (d. h. der Verteilung, bei der die Koor­ dinaten berechneten wurden) ist ein Maß für die Wahr­ scheinlichkeit, daß der die tatsächliche Verteilung ver­ ursachende Lichtblitz bei den berechneten Koordinaten aufgetreten ist.

Claims (4)

1. Verfahren zum Verbessern einer Gammakamera (1), die auf­ weist: einen Szintillationskristall (12), der auf Strahlungsanregungen (20) anspricht und an denjenigen Stellen (22) Lichtblitze hervorruft, an denen die Anregungen mit dem Kristall in Wechselwirkung treten, ein Feld Fotodetektoren (14), die auf einen Lichtblitz ansprechen und individuelle elektrische Ausgangssignale erzeugen, eine Schaltung (16), die an­ sprechend auf die Ausgangssignale denjenigen Elementarbereich des Kristalls (12) identifiziert, in dem ein Lichtblitz auftritt, eine Speichermatrix (36), deren Elemente den Elementarbereichen des Kristalls in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung zugeordnet sind, wobei der Inhalt jedes Matrixelements bei Identifizierung durch die Schaltung erhöht wird und die Anzahl von Lichtblitzen repräsentiert, die innerhalb einer gegebenen Zeitspanne in einem der Lage des Matrixelements ent­ sprechenden Elementarbereich des Kristalls stattgefunden haben, so daß die Inhalt der Matrix die Dichteverteilung der Lichtblitze in dem Kristall widerspiegeln, wobei die Inhalte der Matrixelemente gewichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Eichprozedur Gebrauch ge­ macht wird, bei der nacheinander ein aus einer Gammastrahlen-Punkt­ quelle stammender Eichstrahl auf jeden Elementarbereich des Kristalls gelenkt wird, für jeden Elementarbereich der Abstand zwischen der tatsächlichen Stelle eine Lichtblitzes und derjenigen Stelle eines Licht­ blitzes berechnet wird, die durch die Schaltung (16) berechnet wurde, wobei der Abstand ein Maß für die Wahrscheinlichkeit ist, daß ein Lichtblitz, der als ein in einem dem Element entsprechenden Elementarbereich stattgefundener Lichtblitz identifiziert wird, tat­ sächlich dort stattgefunden hat, und daß die Wichtung der Matrix­ elemente mit einem Wichtungsfaktor erfolgt, der eine Funktion des Abstands für den zugehörigen Elementarbereich ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Wichten der Inhalte der Elemente der Speichermatrix (36) eine Korrekturmatrix (30) verwendet wird, deren Elemente den Elementen der Speichermatrix in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung zugeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Inhalte entsprechender Elemente der Speichermatrix und der Korrektur­ matrix multipliziert werden.

4. Gammakamera zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (38, 64) zum Multiplizieren der Inhalte der Matrixelemente mit dem jeweils zugehörigen Wichtungsfaktor vorgesehen ist.