DE4224794A1 - Verfahren zur lokalisierung von mehrfach-szintillationsereignissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lokalisierung von Mehrfach-Szintillationsereignissen in einer Gamma-Kamera mit einer Anzahl von Photomultiplizierern, deren Ausgangssignale in Abhängigkeit eines Freigabesignals einem Mustererkennungsprozeß unterworfen werden.

Einer der begrenzenden Faktoren für die Leistungsfähigkeit einer Gamma- oder Anger-Kamera ist die erreichbare Zählrate. Die Grenze liegt bei den heutigen Systemen typischerweise bei ca. 200 000 Ereignissen pro Sekunde. Der Hauptgrund dafür ist, daß die Gamma-Kamera in ihrer gegenwärtigen Ausführung inner­ halb von 1 bis 2µs immer nur ein einzelnes Ereignis analy­ sieren und als für das nuklear-medizinische Bild nutzbar identifizieren kann. Die Auswahl gültiger Ereignisse erfolgt z. B. über ein Energiefenster, d. h. über die Impulshöhe am Ausgang eines Detektors.

Treffen nun zwei oder mehrere Gamma-Quanten gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig im Detektor ein, so kann deren Gesamt­ energie das Fenster für Einzel-Ereignisse übersteigen. Die Quanten werden jedoch in heute bekannten Kameras verworfen, so daß die Zählrate deutlich reduziert wird. Ist der zeitliche Abstand beider Einzel-Ereignisse ausreichend groß, so kann über spezielle Schaltkreise ein sogenanntes Pile-up oder ein Doppel- Ereignis festgestellt werden. Bestenfalls kann dann noch das erste Ereignis näherungsweise analysiert und genutzt werden. Das zweite wird verworfen, so daß wiederum ein erheblicher Verlust an Zählrate auftritt. Ist der zeitliche Abstand eines Doppel-Ereignisses zu gering, müssen beide Ereignisse verworfen werden.

In der EP-A-0 1 55 463 wird eine analoge Schaltungsanordnung zur Analyse von Mehrfach-Ereignissen angegeben. Dazu ist ein Netzwerk zur Kommunikation zwischen den Photomultiplizierern der Gamma-Kamera vorgesehen, mit dem jedoch nur dann Mehrfach- Ereignisse erkannt und getrennt werden können, wenn deren Abstand so groß ist, daß räumlich getrennte Signalgruppen ge­ bildet werden können. Selbst bei einem großen Abstand der Doppel-Ereignisse können sich die Signalgruppen gegenseitig stören, so daß die Analyse und Lokalisierung der beiden zu­ gehörigen Einzel-Ereignisse verfälscht sind.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist in dem Artikel von Milster et al.: "A Full Field Modular Gamma-Camera" er­ schienen in The Journal of Nuclear Medicine, Vol. 31, No. 4, April 1990, Seiten 632 bis 639 beschrieben. Dort ist eine modulare Gamma-Kamera angegeben, die nützliche Bildinfor­ mationen über die gesamte Kristallfläche abgibt. Die Loka­ lisierung erfolgt nach Digitalisierung der Ausgangssignale der Photomultiplizierer mit Hilfe der Maximum-Likelihood- Funktion. Jedes Modul ist optisch und elektronisch unabhängig, so daß mehrere Module zu einem Kamerasystem mit erhöhter Zähl­ rate kombiniert werden können. Dieser Artikel erwähnt jedoch nicht, zur Erhöhung der Zählrate auch Mehrfach-Ereignisse zu lokalisieren.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Gamma- Kamera so auszubilden, daß Mehrfach-Ereignisse beliebig unter­ schiedlicher Energie, d. h. solche, die aus Einzel-Ereignissen der richtigen Primärenergie oder auch zusammen auftretende Einzelereignisse der richtigen Primärenergie und Streuereignis­ se bestehen, anhand der Ausgangssignale der Photomultiplizierer der Kamera separiert werden können, d. h. in die individuellen Einzel-Ereignisse zerlegt werden können.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in dem Mustererkennungs­ prozeß die Ausgangssignale mit Mehrfach-Vergleichssignalsätzen verglichen werden, die jeweils die Erwartungswerte der Aus­ gangssignale der Photomultiplizierer umfassen, die von mehreren Vergleichs-Szintillationsereignissen mit ortsbekannten Ursprün­ gen erzeugt werden, und daß diejenigen Ursprünge als Orte der Mehrfach-Szintillationsereignisse registriert werden, die zu dem Mehrfach-Vergleichsignalsatz gehören, der den größten Ähnlichkeitswert in bezug auf die Ausgangssignale erzeugt.

Mit diesem Verfahren können sowohl gleichzeitig als auch nahe­ zu gleichzeitig auftretende Mehrfach-Ereignisse erkannt und lokalisiert werden. Obwohl der zeitliche Abstand der das Mehrfach-Ereignis bildenden Einzel-Ereignisse wesentlich ge­ ringer ist als die zur Identifizierung eines Einzel-Ereignisses benötigte Zeit, können diese Einzel-Ereignisse noch lokalisiert werden. Die Zählrate der Gamma-Kamera wird damit erhöht. Somit kann z. B. die zur Bildherstellung erforderliche Meßzeit verkürzt werden oder es können mit diesem Verfahren auch nützliche Bildsignale von Untersuchungsgebieten gewonnen werden, die eine erhöhte Aktivität aufweisen. Außerdem läßt sich neben der Lo­ kalisierung auch die Energie der Einzelereignisse bestimmen. Dies erlaubt die Lokalisierung und Energiebestimmung gleich­ zeitig auftretender Primär- und Streuereignisse. Es ist auch bei Ereignissen mit verschiedenen Primärenergien anwendbar, z. B. können Zwei-Isotop-Studien durchgeführt werden, oder es können Isotope mit mehreren Energien verwendet werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Vergleichssignal­ sätze von jeweils einem Vergleichs-Szintillationsereignis als Einzel-Vergleichssignalsatz in einem Speicher abgespeichert und die Mehrfach-Vergleichssignalsätze werden daraus in einer Be­ rechnungseinheit gebildet. Dieser Mustererkennungsprozeß benötigt geringen Speicherplatz.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß jeder Mehrfach-Vergleichssignalsatz eine Linearkombi­ nation von mehreren Einzel-Vergleichssignalsätzen ist und daß im Mustererkennungsprozeß Faktoren in der Linearkombination variiert werden.

Eine Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß das Frei­ gabesignal ausgegeben wird, wenn die Energie der Summe aller Ausgangssignale in einem Energiefenster liegt, dessen Grenzen um den Erwartungswert der Energie von mehreren Szintillations- Ereignissen liegt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Ausgangssignale integriert werden, bevor sie dem Mustererkennungsprozeß unterworfen werden. Das Integral der Ausgangssignale streut weniger als die Höhe der Signalimpulse. Damit wird im Mustererkennungsprozeß der Einfluß der statisti­ schen Schwankungen der Signalhöhe gemildert.

In einer weiteren, besonders vorteilhaften Variante der Er­ findung wird die Zeit, über die die Ausgangssignale integriert werden, in Abhängigkeit davon geändert, ob die Szintillations­ ereignisse gleichzeitig oder kurz nacheinander zeitlich über­ lappend auftreten. Durch Verkürzung der Integrationszeit bei gleichzeitg auftretenden Szintillations-Ereignissen wird die Verarbeitungszeit verkürzt und damit die Zählrate weiter gesteigert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mehrfach- Vergleichssignalsätze von mehreren Vergleichs-Szintillations­ ereignissen in einem Speicher abgespeichert. Die für den Mustererkennungsprozeß benötigten Mehrfach-Vergleichssignal­ sätze können direkt aus dem Speicher zum Vergleich mit den Ausgangssignalen abgefragt werden. Damit ist die Bearbeitungs­ zeit im Rechner zur Lokalisierung gering.

In einer vorteilhaften Variante wird das Freigabesignal aus­ gegeben, wenn die Energie der Summe aller Ausgangssignale in einem Energiefenster liegt, dessen Grenzen um den Erwartungs­ wert der Energie von mehreren primären Szintillationsereignis­ sen liegen. Damit kann Rechenzeit eingespart werden.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von elf Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer Gamma-Kamera zur Lokalisierung von Mehrfach-Szintilla­ tionsereignissen,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Szintillationskristall mit Photomultiplizierern,

Fig. 3 Erwartungswerte der Ausgangssignale einer Reihe Photo­ multiplizierer,

Fig. 4 einen Aufbau einer Vergleichssignaleinheit für Ver­ gleichssignalsätze,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Gamma-Kamera zur Lokalisierung von Mehrfach-Szintilla­ tionsereignissen,

Fig. 6 einen alternativen Aufbau der Vergleichseinheit,

Fig. 7 ein Summensignal eines gleichzeitigen Doppel-Ereignisses,

Fig. 8 ein Summensignal eines kurz nacheinander auftretenden Doppel-Ereignisses,

Fig. 9 ein differenziertes Doppel-Ereignis nach Fig. 8,

Fig. 10 ein integriertes Summensignal,

Fig. 11 Punktbildfunktionen von Doppel-Ereignissen als Funktion des Abstandes der Szintillationsereignisse.

Das Blockschaltbild nach Fig. 1 zeigt in einer Übersicht den Aufbau einer Gamma-Kamera, mit der Mehrfach-Szintillations­ ereignisse mittels eines Mustererkennungsverfahrens lokalisiert werden können. In einer Seitenansicht ist hier schematisch ein Szintillationskristall 2 dargestellt, der z. B. aus Natrium- Jodid (NaJ) besteht. Der Szintillationskristall 2 ist optisch über ein Fenster 4, das z. B. aus Pyrex-Glas besteht, mit einer Anzahl N von Photomultiplizierern PM gekoppelt.

Die Anordnung von Szintillationskristall 2, optischem Fenster 4 und Photomultiplizierern PM ist in einer Draufsicht in Fig. 2 zu erkennen. Zwanzig Photomultiplizierer PM₁ bis PM₂₀ mit einem Durchmesser von 50,8 mm sind in einem rechteckigen 4×5-Array auf der Fläche des optischen Fensters 4 verteilt. Der Szintil­ lationskristall 2 und das optische Fenster 4 haben eine recht­ eckige Fläche von 254×203 mm². Die Dicke des Szintillations­ kristalls 2 beträgt 12,7 mm und die Dicke des Fensters 4 be­ trägt 6,4 mm. Der Szintillationskristall 2 ist versiegelt.

In Fig. 1 ist jeder Photomultiplizierer PM mit einem Signalver­ arbeitungskanal verbunden. Ein Signalverarbeitungskanal umfaßt einen Vorverstärker 6, eine Verzögerungsleitung 8, einen Inte­ grator 10 und einen Analog-Digital-Wandler 12. Die Signalver­ arbeitungskanäle verbinden die Photomultiplizierer PM mit einem Likelihood-Prozessor 14, in dem der Mustererkennungsprozeß ab­ läuft.

Jeder Photomultiplizierer PM ist außerdem mit jeweils einem Eingang eines Summierers 16 verbunden. Der Ausgang des Sum­ mierers 16 ist mit einem Pulsform-Analysator 22 verbunden.

Der Pulsform-Analysator 22 bildet Steuersignale, die den Integratoren 10 über Steuereingänge 28 und dem Likelihood-Pro­ zessor 14 zugeführt werden.

Der Likelihood-Prozessor 14 ist mit einer Vergleichssignal­ einheit 30 verbunden, worin, wie weiter unten noch ausführlich beschrieben, Mehrfach-Vergleichssignalsätze gebildet und/oder gespeichert sind. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform umfaßt die Vergleichssignaleinheit 30 einen ersten Teilspeicher 32, der Vergleichssignalsätze von Einzel-Ereignissen enthält, und einer Berechnungseinheit 34, der Mehrfach-Vergleichssignal­ sätze von Mehrfach-Ereignissen aus den im ersten Teilspeicher 32 gespeicherten Vergleichssignalsätzen bildet.

Der Ausgang des Likelihood-Prozessors 14 ist über eine Ähn­ lichkeitsschwelle 36 mit einem Host-Rechner 38 verbunden, der aus den lokalisierten Ereignissen ein Szintillationsbild er­ stellt und auf einem Monitor 40 darstellt. Dabei berücksichtigt der Host-Rechner 38, daß nur Ereignisse der richtigen Primär­ energie zum Szintillationsbild beitragen dürfen.

Zur Erzeugung der im Teilspeicher 32 abgelegten Vergleichs­ signalsätze wird die gesamte Kristallfläche 2 mit einer kollimierten, radioaktiven Quelle abgetastet. Auf diese Weise werden an allen abgetasteten Orten x_i Vergleichs-Szintilla­ tionsereignisse erzeugt, die Ausgangssignale der Photomulti­ plizierer PM zur Folge haben. Die Orte x_i sind z. B. die Ko­ ordinaten eines rechtwinkligen Koordinaten-Systems. Da diese Ausgangssignale einer statistischen Streuung unterliegen, werden Erwartungswerte der Ausgangssignale gespeichert, d. h. es wird für jeden Ort x_i und für jeden Photomultiplizierer ein Mittelwert S_e (x_i) mit (e=1 . . ., N, i=1, . . ., K) aus vielen Er­ eignissen gebildet und in den Vergleichssignalsatz aufgenom­ men. Durch entsprechende Wahl der Aktivität der Quelle und eines Energiefensters für primäre Einzelquanten ist sicherge­ stellt, daß die Erwartungswerte genau der Absorption von Ein­ zelquanten an den Orten x_i entsprechen.

Beispielhaft für die Abtastung der gesamten Kristallfläche 2 zeigt Fig. 3 die Erwartungswerte, die durch Abtastung längs eines Abtastwegs 41 gewonnen werden. Der Abtastweg 41 ver­ läuft über die Mittelpunkte der Photomultiplizierer PM₉ bis PM₁₂. In dem Diagramm in Fig. 3 sind auf der Abszisse die Ab­ tastpunkte x_i bezeichnet, die hier einen Abstand von 4 mm zueinander haben. Die Ordinate bezeichnet in willkürlichen Einheiten den Erwartungswert _e(x_i) der Ausgangssignale der einzelnen Photomultiplizierer PM. Der Erwartungswert des Photomultiplizierers PM₉ ist mit ₉(x_i) angegeben. Für den Abtastpunkt 10 gilt z. B., daß der Erwartungswert ₉(10) des Photomulitplizieres etwas größer als 700 ist, während der Erwartungswert ₁₀(10) des Photomultiplizierers PM₁₀ etwa 280 ist. Die Erwartungswerte ₁₁(10) und ₁₂(10) der Photo­ multiplizierer PM₁₁ und PM₁₂ liegen unter 100 und ändern sich im Bereich um den Abtastpunkt 10 nur geringfügig. Unterhalb der Abszisse des Diagramms ist noch die Lage der Photomulti­ plizierer PM₉ und PM₁₀ in bezug zu den Abtastorten x_i darge­ stellt. Damit ist zu erkennen, daß der Erwartungswert _e(x_i) der Photomultiplizierer PM dann am größten ist, wenn der Abtastort x_i in der Mitte des entsprechenden Photomulti­ plizierers liegt.

Die so ermittelten Erwartungswerte von Einzel-Vergleichs- Szintillationsereignissen mit ortsbekanntem Ursprung sind im Speicher 32 wie in Fig. 4 angegeben abgelegt. Der erste Ver­ gleichssignalsatz besteht aus den Erwartungswerten der Aus­ gangssignale ₁ bis _N aller Photomultiplizierer PM₁ bis PM_N, wenn das Vergleichsszintillationsereignis am Ort x₁ im Szintillationskristall 2 erzeugt wird. Der zweite Vergleichs­ signalssatz enthält die Erwartungswerte der Ausgangssignale ₁ bis _N, wenn das Vergleichsszintillationsereignis am Ort x₂ erzeugt wird. Wenn die gesamte Fläche des Szintillations­ kristalls 2 in k Punkten abgetastet wird, sind insgesamt k Vergleichssignalsätze im Speicher 32 abgelegt, die von primä­ ren Ereignissen herrühren.

Die Mehrfach-Vergleichssignalsätze für Mehrfach-Szintilla­ tionsereignisse lassen sich aus den Vergleichssignalsätzen für Einzel-Ereignisse, die im Speicher 32 abgespeichert sind, im Prinzip wie folgt bilden. Dazu wird beispielhaft für ein Doppel-Ereignis, das aus zwei primären Einzelereignissen be­ steht, auf Fig. 3 verwiesen. Der Vergleichssignalsatz für ein Doppel-Ereignis besteht aus der Summe der Erwartungswerte der an den entsprechenden Orten erzeugten Einzel-Ereignisse. So hat der Erwartungswert des Ausgangssignals des Photomultiplizierers PM₉ bei einem Doppel-Ereignis an den Orten 5 und 10 gemäß Fig. 3 einen Wert von ca. 1400. Es sollen jedoch nicht nur Mehrfach- Szintillationsereignisse geortet werden, die von Primärereig­ nissen herrühren, sondern auch Mehrfach-Szintillationsereignis­ se, die sich z. B. aus einem Primärereignis und einem Streu­ ereignis, dessen Energie geringer ist als die Energie eines Primärereignisses, zusammensetzen. Der letztgenannte Fall kommt häufig in der klinischen Praxis vor und konnte mit bisher be­ kannten Verfahren nur unter bestimmten Randbedingungen zur Er­ zeugung eines Szintigramms herangezogen werden. Streuereignis­ se oder, allgemeiner gesagt, Ereignisse verschiedener Energie werden dadurch berücksichtigt, daß ein Mehrfach-Vergleichssig­ nalsatz eine Linearkombination von mehreren Einzel-Vergleichs­ signalsätzen ist. Soll z. B. ein Doppel-Ereignis lokalisiert werden, wird der Mehrfach-Vergleichssignalsatz aus zwei Einzel- Vergleichssignalsätzen erzeugt, wie in Fig. 4 dargestellt. Die Faktoren a₁, a₂ - bei m Ereignissen a₁, . . ., a_m - bestimmen die Energie der Einzelereignisse, aus denen das betrachtete Mehrfachereignis besteht.

Im Prinzip geht die Ortung so vor sich, daß z. B. bei der Lo­ kalisierung eines Doppel-Ereignisses die Likelihood-Funktion nicht nur bezüglich der Orte x_i, x_j maximiert wird, sondern auch bezüglich der Faktoren a₁, a₂. Bei Mehrfachereignissen erhöht sich entsprechend die Anzahl der zu variierenden Para­ meter. Das Ergebnis ist eine Orts- und eine Energiebestimmung. Dabei werden zur Beschleunigung der Lokalisierung nicht alle denkbaren Kombinationen x_i, x_j und a₁, a₂ zur Berechnung der Maximum-Likelihood-Funktion benutzt, sondern es wird sich in einem adaptiven Verfahren mit immer kleinerer Schrittweite dem Maximum genähert.

Die Gamma-Kamera nach Fig. 1 lokalisiert sowohl Einfach- als auch Doppel-Ereignisse. In der üblichen Weise wird aus den Ausgangssignalen der Photomultiplizierer PM im Summierer 16 ein Summensignal S_ges gebildet, dessen prinzipieller zeitlicher Verlauf in Fig. 7 und Fig. 8 dargestellt ist. Der Amplituden­ spitzenwert ist bei Einzel-Ereignissen ein Maß für die Energie des im Szintillationskristall 2 absorbierten Gamma-Quants. Dieser Spitzenwert unterliegt einer statistischen Streuung. In Fig. 7 zeigt eine Kurve 43 z. B. das Summensignal eines einzelnen Szintillationsereignisses und eine Kurve 44 zeigt das Summensignal von zwei gleichzeitig auftretenden Einzel-Ereig­ nissen oder eines Doppel-Ereignisses. Zwei Einzel-Ereignisse können jedoch auch kurz nacheinander auftreten, also nur nahezu gleichzeitig, wie in Fig. 8 dargestellt. Die Kurven 43 zeigen wiederum das Summensignal der Einzel-Ereignisse. Das Summen­ signal des entsprechenden Doppel-Ereignisses ist durch die Kurve 46 dargestellt, sie ergibt sich aus einer Addition der Werte der beiden Kurven 43. Die in Fig. 7 und 8 dargestellten Doppel-Ereignisse werden in den heutigen Gamma-Kameras verwor­ fen, bestenfalls kann nur das zuerst stattfindende Ereignis in Fig. 8 lokalisiert werden.

Der Ablauf der Ortung geht hier, wie nachfolgend beschrieben, vor sich. Der Pulsform-Analysator 22 gibt ein Signal ab, wenn das Summensignal S_ges eine Schwelle übersteigt, die oberhalb des Dunkelrauschens der Photomultiplizierer PM liegt. Es liegt ein Ereignis vor. Die Integratoren 10 und 28 werden für eine Zeit von ca. 1 bis 2 µs geöffnet. Kommt innerhalb dieser Inte­ grationszeit ein weiteres Ereignis, gibt der Pulsform-Analysa­ tor 22 wieder ein Signal, worauf die Integrationszeit entspre­ chend um ca. 1 bis 2 µs verlängert wird, usw. Kommt innerhalb der letzten Verlängerungszeit kein Ereignis, wird die Inte­ gration beendet und die Lokalisierung eines m-fach-Ereignisses findet statt entsprechend dem m-fachen-Signal des Pulsform- Analysators 22 innerhalb der Integrationszeit. Es wird darauf hingewiesen, daß m auch Eins sein kann.

Liegt das erreichte Maximum der Maximum-Likelihood-Funktion unterhalb einer Schwelle, so kann sich in dem georteten Ein­ fach- oder Mehrfachereignis ein weiteres Ereignis verstecken, welches bei einem zu geringen Abstand vom vorangegangenen Ereignis vom Pulsform-Analysator 22 nicht entdeckt werden konnte. Dann wird die Lokalisierung eines m+1-fachen Ereig­ nisses eingeleitet. Führt die Ortung des mit 1-fachen Ereignis­ ses nicht zu einem befriedigenden Ergebnis wird versucht, ein m+2-faches Ereignis zu orten, usw. Es können somit Mehrfacher­ eignisse geortet werden, die zeitlich so dicht hintereinander kommen, daß der Pulsform-Analysator 22 nur ein Einzelereignis erkennt. In diesem Fall ist die Ortung verfälscht. Bei einem Doppel-Ereignis führt die Ortung als Einzelereignis zu einem Ort zwischen den beiden tatsächlichen Ereignissen und insbe­ sondere zu einem auffallend niedrigen Wert der Likelihood- Funktion. Der aus der Likelihood-Funktion gebildete Ähnlich­ keitswert liegt dann unter einem Schwellwert, wodurch der Mustererkennungsprozeß für Doppel-Ereignisse gestartet wird. Die anschließende Ortung als Doppel-Ereignis führt dann meist zu den richtigen Orten und Energien der Einzelereignisse. Der wiederholte Start des Mustererkennungsprozesses mit Vergleichs­ signalsätzen, die von einer um Eins erhöhten Anzahl von Ver­ gleichs-Szintillationsereignissen erzeugt wird, erfolgt immer dann, wenn der Ähnlichkeitswert den Schwellwert unterschrei­ tet. Dieser Prozeß läuft so lange, bis das Mustererkennungs­ verfahren mit dem maximal möglichen Mehrfach-Vergleichssignal­ satz zur Lokalisierung herangezogen wurde.

Im folgenden ist anhand von Fig. 5 eine Variante beschrieben, mit der Doppel-Ereignisse, die sich aus zwei Primärereignissen zusammensetzen, geortet werden. Die Erwartungswerte für der­ artige Doppel-Ereignisse sind, wie in Fig. 6 dargestellt, für alle möglichen Positionen und Abstände der die Doppel-Ereignis­ se bildenden primären Einzel-Ereignisse gegeben und in einem zweiten Teilspeicher 42 abgelegt. Die Anzahl der im Speicher 42 gespeicherten Mehrfach-Vergleichssignalsätze für Doppel- Ereignisse ist ungefähr das Quadrat der Anzahl der im Speicher 32 abgespeicherten Einzel-Ereignisse.

Der Ausgang des Summierers ist gegenüber Fig. 1 zusätzlich über eine Verzögerungsleitung 18 einem Integrator 20 zugeführt. Der Ausgang des Integrators 20 ist mit zwei Einkanal-Diskrimi­ natoren 24 bzw. 26 verbunden. Die Ausgänge der Einkanal- Diskriminatoren 24, 26 sind zum Likelihood-Prozessor 14 ge­ führt. Die Integratoren 10 und 20 sowie die Einkanal-Diskrimi­ natoren 24 und 26 weisen Steuereingänge 28 auf, die mit dem Ausgang des Pulsform-Analysators 22 verbunden sind.

Im Pulsform-Analysator 22 wird der zeitliche Verlauf dieses Summensignals verfolgt. Der Pulsform-Analysator 22 erkennt z. B. durch Differentiation des in Fig. 8 dargestellten Summensignals kurz aufeinanderfolgende Einzel-Ereignisse. Die Differentiation eines derartigen Doppel-Ereignisses ergibt den in Fig. 9 darge­ stellten Signalverlauf. Weist das differenzierte Summensignal diesen für ein nahezu gleichzeitiges Doppel-Ereignis charak­ teristischen Signalverlauf auf, wird am Ausgang des Pulsform- Analysators 22 ein Steuersignal abgegeben. Gibt der Pulsform- Analysator 22 kein Signal aus, weil das Summensignal nicht die in Fig. 8 dargestellte Doppel-Peak-Struktur aufweist, werden sowohl die Ausgangssignale als auch das Summensignal über eine vorgegebene Standardzeit in der Größenordnung von 1 bis 2 µs in den Integratoren 10 bzw. 20 integriert. Das integrierte Sum­ mensignal ist in Fig. 10 dargestellt. Der Maximalwert E ent­ spricht der Energie eines primären Einzel- oder eines primären Mehrfach-Szintillationsereignisses. Es werden vor allem des­ halb die integrierten Summensignale ausgewertet, weil sie statistisch weniger streuen als die nicht integrierten. Zur Erhöhung der Präzision sind die zu integrierenden Signale über die Verzögerungsleitungen 8 bzw. 18 geführt, damit die Signalverarbeitung erst gestartet wird, wenn der zeitliche Verlauf im Pulsform-Analysator 22 festgestellt worden ist.

Das integrierte Summensignal wird nun den beiden Einkanal-Dis­ kriminatoren 24 und 26 zugeführt. Der erste Einkanal-Diskrimi­ nator 24 untersucht das Summensignal darauf hin, ob es in ein Energiefenster E₀+-ΔE fällt, wobei E₀ charakteristisch für die Gesamtenergie von primären Einzelquanten ist. Der zweite Einkanal-Diskriminator 26 untersucht das Summensignal darauf hin, ob es in ein Energiefenster 2E₀+-ΔE fällt, das charak­ teristisch für die Gesamtenergie von zwei primären Einzel­ quanten, d. h. eines Doppel-Ereignisses ist.

Fällt das Summensignal in keines der beiden Fenster, so handelt es sich um ein Mehrfach-Ereignis, an dem mindestens ein Steuerereignis beteiligt ist. Derartige Mehrfach-Ereignis­ se können mit der anhand von Fig. 1 beschriebenen Gamma-Kamera geortet werden. Die Integratoren 10 und 20 können z. B. durch ein weiteres Signal zurückgesetzt werden.

Spricht der Einkanal-Diskriminator 24 an, so liegt ein zunächst gültiges primäres Einzel-Ereignis vor. Daraufhin werden die Analog-Digital-Wandler 12 gestartet und der Likelihood-Pro­ zessor 14 informiert, daß ein Vergleich mit Einzel-Vergleichs­ signalsätzen für Einzel-Ereignisse, wie sie im Speicher 32 ab­ gespeichert sind, stattzufinden hat. Der Ort des Vergleichs­ signalsatzes, der den größten Ähnlichkeitswert zu den Ausgangs­ signalen aufweist, wird als Ort des zu analysierenden Einzel- Ereignisses angenommen. Dieser Ähnlichkeitswert wird weiter der Ähnlichkeitsschwelle 36 zugeführt. Liegt das Ergebnis oberhalb einer bestimmten Ähnlichkeitsschwelle, so wird das Ereignis als primäres Einzel-Ereignis akzeptiert und dem Rechner 38 zuge­ geführt. Liegt der Ähnlichkeitswert unterhalb der Schwelle, so wird eine Lokalisation entsprechend, wie anhand von Fig. 1 beschrieben ist, gestartet. Es kann sich z. B. um ein Doppel- Ereignis handeln, das nur zufällig im Energiefenster liegt, z. B. zwei gleichzeitige gestreute Ereignisse, oder ein Ereignis völlig anderer physikalischer Natur.

Spricht dagegen der Einkanaldiskriminator 26 an, so liegt ein zunächst gültiges Doppelereignis vor. Wie vorher werden die Analog-Digital-Wandler 12 gestartet, der Likelihood-Prozessor 14 wird jetzt jedoch informiert, daß ein Vergleich mit Ver­ gleichssignalsätzen für Doppelereignisse stattzufinden hat, wie sie entweder im Speicher 42 abgelegt sind oder gemäß Fig. 4 aus den Vergleichssignalsätzen für Einzelereignisse im Speicher 32 berechnet werden. Dabei werden jedoch hier die Faktoren a₁ und a₂ auf "Eins" gesetzt, weil zunächst keine Streuereignisse geortet werden sollen. Der Ort (x_i, x_j) des Vergleichssignal­ satzes, der den größten Ähnlichkeitswert zu den Ausgangssig­ nalen aufweist, wird als der Ort des zu analysierenden Doppel­ ereignisses angenommen, das aus zwei Einzelereignissen am Ort x_i bzw. am Ort x_j besteht. Ahnlich wie bei der Analyse von Ein­ zelereignissen kann zusätzlich eine Ähnlichkeitsschwelle ange­ wandt werden, um Ereignisse anderer physikalischer Natur, die nur zufällig in das Energiefenster um 2E₀ fallen, zu unter­ drücken, bzw. eine Lokalisierung zu starten, wie sie anhand von Fig. 1 beschrieben ist.

Wird nun im Pulsform-Analysator 22 festgestellt, daß die Form des Summensignals von der für Einzel-Ereignisse oder gleich­ zeitigen Mehrfach-Ereignissen abweicht und z. B. die in Fig. 8 dargestellt Doppel-Peak-Struktur aufweist, so handelt es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um ein Doppel-Ereignis aus zwei Einzel-Ereignissen in kurzem zeitlichen Abstand. Ist ein der­ artiges Anzeichen für Doppel-Ereignisse gefunden, so infor­ miert der Pulsform-Analysator 22 die Integratoren 10 und 20, über einen verlängerten Zeitraum zu integrieren. Der Endwert E des integrierten Summensignals ist unabhängig vom zeit­ lichen Abstand der das Doppel-Ereignis bildenden Einzel-Er­ eignisse, vorausgesetzt die Integrationszeit wird so ver­ längert, daß nahezu vollständig über beide Ereignisse inte­ griert wird. Selbstverständlich können pro Signalkanal auch zwei Integratoren mit verschiedenen, jedoch festen Integra­ tionszeiten eingesetzt werden, zwischen denen je nach Ergeb­ nis des Pulsform-Analysators 22 umgeschaltet werden kann. Ist eine Doppel-Peak-Struktur im Summensignal festgestellt worden, stellt dann der zweite Einkanal-Diskriminator 26 fest, ob die Signalhöhe des integrierten Summensignals in einem Fenster um den zweifachen Wert eines Einzel-Ereignisses 2E₀ liegt. Ist dies nicht der Fall, so wird der Mustererkennungsprozeß, wie anhand Fig. 1 beschrieben, gestartet. Spricht jedoch der zweite Einkanal-Diskriminator 26 an, so liegt ein zunächst gültiges Ereignis im Energiebereich eines primären Doppel-Ereignisses vor. Dann wird wiederum die Analog-Digital-Wandlung der integrierten Ausgangssignale gestartet und der Likelihood- Prozessor 14 wird informiert, daß jetzt eine Analyse von pri­ mären Doppel-Ereignissen stattzufinden hat, deren Vergleichs­ signalsätze im zweiten Teilspeicher 42 abgespeichert sind oder, wie anhand von Fig. 4 erläutert, jeweils aktuell berechnet wer­ den, wobei die Faktoren zu Eins gesetzt sind und nicht variiert werden. Das so analysierte Doppel-Ereignis kann dann direkt dem Host-Rechner 38 zugeführt werden. Soll die Sicherheit der Er­ kennung von Doppelmustern erhöht werden, wird der im Likelihood- Prozessor 14 gefundene Ähnlichkeitswert des Doppel-Ereignisses abgefragt, ob er über einer Ähnlichkeitsschwelle liegt und gegebenenfalls das Mustererkennungsverfahren gemäß Fig. 1 ge­ startet.

Es ist ersichtlich, daß die beiden anhand von Fig. 1 und Fig. 5 beschriebenen Lokalisierungsverfahren vorteilhaft kombiniert werden können. Die anhand von Fig. 5 beschriebene Steuerung des Mustererkennungsverfahrens über Energiefenster spart Rechenzeit ein. Es braucht nicht in jedem Fall über die Faktoren der Linearkombinationen von Einzel-Vergleichssig­ nalsätzen variiert zu werden. Bestehen die Mehrfachereignisse nur aus Primärereignissen, dann genügt eine Variation über den Ereignisort.

In Fig. 11 ist die Punktbild-Funktion von Doppel-Primärereig­ nissen als Funktion des Abstandes der Doppel-Ereignisse darge­ stellt. Die Abszisse bezeichnet den Ort der Ereignisse und die Ordinate die über eine Mittelwertbildung bestimmte Anzahl der gezählten Quanten. Die Kurven 50 zeigen die Punktbild- Funktion einer Gamma-Kamera nach Fig. 1 von zwei gleichzeitigen oder nahezu gleichzeitig stattfindenden Einzel-Ereignissen im Abstand von 5 cm. Die Kurven 52, 54, 56, zeigen entsprechend die Punktbild-Funktion von Doppel-Ereignissen mit einem Abstand von 4 cm, 3 cm und 2 cm. Der Abstand der den Kurven 58 und 60 entsprechenden Doppel-Ereignisse ist kleiner als 2 cm. Zu erkennen ist, daß Doppel-Ereignisse, die einen Abstand von 4 cm und 5 cm aufweisen, mit der beschriebenen Gamma-Kamera vollständig in Einzel-Ereingisse zerlegt werden können. Damit ist die Zählrate gegenüber der herkömmlichen Gamma-Kamera deutlich erhöht. Auch Doppel-Ereignisse, die einen Abstand von 2 cm und 3 cm zueinander aufweisen, lassen sich noch bedingt separieren. Erst unterhalb von 2 cm sind die Doppel-Ereignisse nicht mehr in ihre Einzel-Ereignisse zu zerlegen, so daß daraus keine bildrelevante Information gewonnen werden kann.

Claims (14)

1. Verfahren zur Lokalisierung von Mehrfach-Szintillations­ ereignissen in einer Gamma-Kamera mit einer Anzahl von Photo­ multiplizierern (PM), deren Ausgangssignale in Abhängigkeit eines Freigabesignals einem Mustererkennungsprozeß unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mustererkennungsprozeß die Ausgangssignale mit Mehrfach-Vergleichssignalsätzen verglichen werden, die jeweils die Erwartungswerte der Ausgangssignale der Photomultiplizierer umfassen, die von mehreren Vergleichs-Szintillationsereignissen mit ortsbekannten Ursprüngen erzeugt werden, und daß diejenigen Ursprünge als Orte der Mehrfach-Szintillationsereignisse registriert werden, die zu dem Mehrfach-Vergleichssignalsatz gehören, der den größten Ähnlichkeitswert in bezug auf die Ausgangssignale aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vergleichssignalsätze von jeweils einem Vergleichs-Szintillationsereignis als Einzel-Vergleichs­ signalsatz in einem Speicher (32) abgespeichert sind und daß die Mehrfach-Vergleichssignalsätze daraus in einer Berechnungs­ einheit gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Mehrfach-Vergleichssignalsatz eine Linearkombination von mehreren Einzel-Vergleichssignalsätzen ist und daß im Mustererkennungsprozeß Faktoren in der Linear­ kombination variiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Freigabesignal dann aus­ gegeben wird, wenn die Energie der Summe aller Ausgangssignale in einem Energiefenster liegt, dessen Grenzen um den Erwartungs­ wert der Energie von mehreren primären Szintillations-Ereignis­ sen liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale inte­ griert werden, bevor sie dem Mustererkennungsprozeß unterworfen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zeit, über die die Ausgangssignale integriert werden, in Abhängigkeit davon geändert wird, ob die Szintillationsereignisse gleichzeitig oder kurz nacheinander zeltlich überlappend auftreten.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der überlappend auftretenden Szintillationsereignisse die Mehrfachheit der Mehrfach-Vergleichssignalsätze bestimmt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierten Ausgangs­ signale digitalisiert werden, bevor sie dem Mustererkennungs­ prozeß unterworfen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mehrfach-Vergleichssignalsätze von mehreren Vergleichs-Szintillationsereignissen in einem Speicher (42) abgespeichert sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs-Szintillations­ ereignisse Primärereignisse sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit davon, ob die Energie der Summe aller Ausgangssignale in einem Energie­ fenster liegt, dessen Grenzen um den Erwartungswert der Energie von mehreren Szintillationsereignissen liegen, der Musterer­ kennungsprozeß gesteuert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Orte nur dann registriert werden, wenn der Ähnlichkeitswert einen Schwellwert überschreitet.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mustererkennungsprozeß mit Mehrfach- Vergleichssignalsätzen, deren Mehrfachheit um Eins erhöht ist, wieder gestartet wird, wenn der Ähnlichkeitswert den Schwell­ wert unterschreitet.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mustererkennungsprozeß für Doppel-Ereignisse gestartet wird, wenn nach einer Lokali­ sierung von Einzelereignissen mit einem Mustererkennungsprozeß für Einzelereignisse ein von dem Mustererkennungsprozeß gebil­ deter Ähnlichkeitswert eine Schwelle unterschreitet.