DE69723991T2

DE69723991T2 - Vorrichtung und verfahren zum sammeln und kodieren von signalen von photodetektoren

Info

Publication number: DE69723991T2
Application number: DE69723991T
Authority: DE
Inventors: Edmond Tournier; Claude Janin; Corinne Mestais
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1996-10-14
Filing date: 1997-10-10
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2017-10-11
Also published as: EP0931271B1; WO1998016851A1; DE69723991D1; JP2001506747A; US6680750B1; FR2754606A1; EP0931271A1; FR2754606B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Sammeln, Codieren und Verarbeiten von Signalen, die von Fotodetektoren stammen.
Die Erfindung betrifft insbesondere das Sammeln und Codieren der durch Fotovervielfacher gelieferten Signale, mit denen Gammakameras ausgerüstet sind. Unter Gammakamera versteht man eine Kamera, die empfindlich ist für Gammastrahlung (γ-Strahlung). Solche Kameras werden insbesondere zu Zwecken der medizinischen Bildherstellung verwendet.
Stand der Technik
Die meisten der gegenwärtig in der Nuklearmedizin benutzten Gammakameras sind Kameras, die nach dem Prinzip der Kameras des Anger-Typs funktionieren. Zu diesem Thema kann man sich auf das Dokument (1) beziehen, dessen Referenz am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben ist.
Die Gammakameras ermöglichen vor allem, die Verteilung von Molekülen in einem Organ zu visualisieren, die durch ein dem Patienten vorher injiziertes radioaktives Isotop markiert worden sind.
Die Struktur und die Funktionsweise einer bekannten Gammakamera werden anschließend mit Bezug auf die beigefügten 1, 2A und 2B erklärt und zusammengefasst.
Die 1 zeigt einen Detektionskopf 10 einer Gammakamera, angeordnet vor einem Organ 12, das mit einem radioaktiven Isotop markierte Moleküle enthält.
Der Detektionskopf 10 umfasst einen Kollimator 20, einen Szintillatorkristall 24, einen Lichtleiter 22 und eine Vielzahl so aneinandergrenzender Fotovervielfacherröhren 26, dass sie eine zum Szintillatorkristall 24 entgegengesetzte Seite des Lichtleiters 22 bedecken. Der Szintillator ist zum Beispiel ein Kristall des Typs Nal(Tl).
Der Kollimator 20 hat die Funktion, aus allen von dem Organ 12 abgestrahlten Gammastrahlen 30 diejenigen zu selektieren, die den Detektionskopf unter im Wesentlichen normalem oder senkrechtem Einfallwinkel erreichen. Der selektive Charakter des Kollimators ermöglicht, die Auflösung und Klarheit des erzeugten Bildes zu verbessern. Jedoch erfolgt die Verbesserung der Auflösung auf Kosten der Empfindlichkeit. Zum Beispiel wird von ungefähr 10 000 von dem Organ 12 emittierten Gammaphotonen effektiv ein einziges Photon detektiert.
Die Gammaphotonen erreichen nach Durchquerung des Kollimators den Szintillatorkristall 24, wo quasi jedes Gammaphoton umgewandelt wird in eine Vielzahl von Lichtphotonen. In der Folge des Textes wird jede eine Szintillation erzeugende Wechselwirkung eines Gammaphotons mit dem Kristall als Ereignis bezeichnet.
Die Fotovervielfacher 26 sind so konzipiert, dass sie einen elektrischen Impuls erzeugen, der proportional ist zu der Anzahl der Lichtphotonen, die der Szintillator bei jedem Ereignis empfängt.
Damit ein Szintillationsereignis genauer lokalisiert werden kann, sind die Fotovervielfacher 26 nicht direkt auf dem Szintillatorkristall 22 angeordnet, sondern von diesem letzteren durch den Lichtleiter 22 getrennt.
Die Fotovervielfacher senden ein Signal, dessen Amplitude proportional ist zu der Gesamtmenge des in dem Szintillator durch eine Gammastrahlung erzeugten Lichts, das heißt proportional zu dessen Energie. Jedoch hängen die individuellen Signale jedes Fotovervielfachers auch von dem Abstand ab, der ihn von dem Punkt der Wechselwirkung 30 der Gammastrahlung mit dem Material des Szintillators trennt. Jeder Fotovervielfacher liefert nämlich einen Stromimpuls, der proportional ist zu dem Lichtfluss, den er empfangen hat. In dem Beispiel der 1 zeigen kleine Graphiken A, B und C, dass Fotovervielfacher 26a, 26b und 26c mit unterschiedlichen Abständen von einem Wechselwirkungspunkt 30 Signale mit unterschiedlichen Amplituden liefern.
Die Position des Wechselwirkungspunkts 30 eines Gammaphotons wird in der Gammakamera aufgrund der Signale berechnet, die von der Gesamtheit der Fotovervielfacher stammen, indem eine baryzentrische Gewichtung der Beiträge aller Fotovervielfacher erfolgt.
Das Prinzip der baryzentrischen Gewichtung, so wie angewandt in den Kameras des Anger-Typs, geht deutlicher aus den beigefügten 2A und 2B hervor.
Die 2A zeigt die elektrische Leitungsführung eines Detektionskopfs 10 einer Gammakamera, die diese Kamera mit einer digitalen Bildherstellungseinheit verbindet. Der Detektionskopf umfasst eine Vielzahl Fotovervielfacher 26.
Wie die 2B zeigt, umfasst jeder Fotovervielfacher 26 des Detektionskopfs vier Widerständen RX^–, RX⁺, RY^– und RY⁺. Die Werte dieser Widerstände sind für jeden Fotovervielfacher charakteristisch und hängen von der Position des Fotovervielfachers in dem Detektionskopf 10 ab.
Die Widerstände RX^–, RX⁺, RY^– und RY⁺ jedes Fotovervielfachers sind mit dem Ausgang 50 dieses Fotovervielfachers verbunden, dargestellt in der 2B mittels eines Stromgeneratorsymbols. Sie sind außerdem in der 2A jeweils mit gemeinsamen Sammelleitungen LX^–, LX⁺, LY^–, LY⁺ verbunden.
Die Leitungen LX^–, LX⁺, LY^– und LY⁺ sind ihrerseits jeweils mit Analogintegrierern 52X^– , 52X⁺ , 52Y^– , 52Y⁺ verbunden und mittels diesen mit Analog-Digital-Umsetzern 54X^– , 54X⁺ , 54Y^– , 54Y⁺ . Der Ausgang der Umsetzer 54X^– , 54X⁺ , 54Y^– , 54Y⁺ ist mit einem Digitaloperator 56 verbunden. Die Leitungen LX^–, LX⁺, LY^–, LY⁺ sind außerdem mit einem gemeinsamen Pfad verbunden, Energiepfad genannt. Dieser Pfad umfasst ebenfalls einen Integrierer 57 und einem Analog-Digital-Umsetzer 58 und sein Ausgang ist auch mit einem Eingang des Operators 56 verbunden.
Dank der Vorrichtung der 2 berechnet man die Position der Wechselwirkung nach den folgenden Gleichungen:
in denen X und Y die Koordinaten in zwei rechtwinkligen Richtungen mit der Wechselwirkungsposition als Nullpunkt angeben, und in denen X⁺, X^–, Y⁺ und Y^– jeweils die gewichteten Signale angeben, die die Integrierer 52X⁺ , 52X^– , 52Y⁺ und 52Y^– liefern.
Die Werte von X und Y sowie die Gesamtenergie E der mit dem Kristall wechselwirkenden Gammastrahlung werden durch den digitalen Operator 56 ermittelt. Diese Werte werden anschließend zur Herstellung eines Bildes benutzt.
Zu diesem Thema kann man sich auf die Dokumente (2), (3) und (4) beziehen, deren Referenzen am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben sind.
Die Berechnung der Wechselwirkungsposition weist eine Unsicherheit auf, die mit den statistischen Poisson-Fluktuationen der bei jedem Ereignis, das heißt jedem detektierten Gammaphoton erzeugten Lichtphotonenanzahl und Fotoelektronenanzahl zusammenhängen. Die typische Fluktuationsabweichung ist um so kleiner, je größer die Anzahl der Photonen oder Photoelektronen ist. Aufgrund dieses Phänomens empfiehlt es sich, das Licht so sorgfältig wie möglich zu sammeln. Die intrinsische räumliche Auflösung der Kamera ist gekennzeichnet durch die Breite der Verteilung der berechneten Positionen in halber Höhe für eine selbe kollimatierte punktförmige, auf den Szintillatorkristall angeordnete Quelle.
Für Gammastrahlungen mit einer Energie von 140 keV beträgt die Auflösung generell ungefähr 3 bis 4 mm.
Die Energie eines detektierten Gammaphotons wird berechnet, indem die Summe der Beiträge aller Fotovervielfacher, die Licht empfangen haben, berechnet wird. Auch sie ist von einer statistischen Ungenauigkeit betroffen. Die Energieauflösung der Kamera bei einer selben Quelle ist gekennzeichnet durch das Verhältnis der Breite der Verteilung der berechneten Energien zu dem Durchschnittswert der Verteilung auf halber Höhe.
Die Energieauflösung beträgt generell ungefähr 9 bis 11% für Gammastrahlungen mit einer Energie von 140 keV.
Schließlich hat eine Gammakamera des Anger-Typs den Vorteil, die Echtzeit-Berechnung des Baryzentrums der Signale der Fotovervielfacher mit sehr einfachen Mitteln zu ermöglichen.
Das vorhergehend beschriebene System umfasst nämlich nur eine begrenzte Anzahl von Bauteilen. Zudem kosten die Widerstände, die benutzt werden, um das Signal der Fotovervielfacher in die Kollektorleitungen einzuspeisen, nur sehr wenig.
Eine solche Kamera hat jedoch auch einen Hauptnachteil, nämlich eine niedrige Zählrate. Unter Zählrate versteht man die Anzahl der Ereignisse, das heißt der Wechselwirkungen zwischen einem Gammaphoton und dem Szintillator, welche die Kamera pro Zeiteinheit verarbeiten kann.
Die der Begrenzungen der Zählrate kommt von der Tatsache, dass die Kamera unfähig ist, zwei Ereignisse zu verarbeiten, die im Wesentlichen gleichzeitig an zwei verschiedenen Punkten des Szintillatorkristalls stattfinden.
Simultane aber geometrisch unterschiedliche Ereignisse verursachen nämlich elektrische Signale, die sich in den Kollektorleitungen LX^–, LX⁺ , LY^– und LY⁺ stapeln bzw. stauen und die nicht mehr unterschiedenen werden können. Diese Ereignisse sind also "verloren" für die Herstellung eines Bildes. Das Dokument (6), dessen Referenz am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben ist, beschreibt eine Entkonvolutions- bzw. Dekonvolutionsmethode der gestapelten Impulse, um sie zu trennen und die Zählrate zu verbessern.
Die Begrenzung der Zählrate ist bei den traditionellen medizinischen Bildherstellungstechniken keine zu große Einschränkung. Wie oben angegeben, stoppt der Kollimator nämlich eine sehr große Anzahl von Gammastrahlen und es wird effektiv nur eine kleine Anzahl von Ereignissen detektiert.
Die Gammakameras werden jedoch auch bei zwei anderen medizinischen Bildherstellungstechniken benutzt, bei denen die Begrenzung der Zählrate eine inakzeptable Einschränkung ist.
Diese Techniken sind Techniken der Typen "Transmissionsdämpfungskorrektur" und "Koinzidenz-PET (Position Emission Tomography)".
Die Technik der Transmissionsdämpfungskorrektur besteht darin, bei der Herstellung eines medizinischen Bildes die Eigendämpfung des das Organ umgebenden Gewebes des Patienten zu berücksichtigen. Um diese Dämpfung zu kennen, misst man die Transmission der Gammastrahlungen in Richtung einer Gammakamera durch den Körper des Patienten hindurch. Zu diesem Zweck platziert man den Patienten zwischen einer sehr aktiven externen Quelle und dem Detektionskopf der Gammakamera. Die Aktivität der Quelle muss sehr hoch sein, damit die Erfassung mit einer ausreichenden Statistik in einer ausreichend kurzen Zeit erfolgt, um die Dauer der Untersuchung nicht zu verlängern. Während der Messung der Transmissionsstrahlung findet in dem Szintillatorkristall eine hohe Anzahl von Ereignissen statt. Die hohe Anzahl Ereignisse pro Zeiteinheit erhöht auch die Wahrscheinlichkeit, mehrere im Wesentlichen simultane Ereignisse zu erhalten. Eine klassische Kamera des Anger-Typs erweist sich dann als ungeeignet.
Die PET-Technik besteht darin, dem Patienten ein Element wie F¹⁸ zu injizieren, das Positronen emittiert. Die Annihilation eines Positrons und eines Elektrons setzt zwei Gammaphotonen frei, die in entgegengesetzten Richtungen emittiert werden und eine Energie von 511 keV haben. Dieses physikalische Phänomen wird in der PET-Bildherstellungstechnik ausgenützt. Bei dieser Technik verwendet man eine Gammakamera mit wenigstens zwei Detektionsköpfen, die auf beiden Seiten des Patienten angeordnet werden. Die benutzten Detektionsköpfe sind nicht mit Kollimatoren ausgerüstet. Eine elektronische Verarbeitung der Informationen, Koinzidenz-Verarbeitung genannt, ermöglicht nämlich, unter den Ereignissen diejenigen zu selektieren, die zeitlich zusammenfallen, und so die Bahn der Gammaphotonen zu berechnen.
Die Detektionsköpfe werden folglich großen Gammastrahlungsflüssen ausgesetzt. Die klassischen Gammakameras des Anger-Typs haben generell eine zu begrenzte Zählrate für eine solche Anwendung.
Eine Kamera des Anger-Typs kann zum Beispiel mit einer Detektion von 1,5·10⁵ bis 2·10⁵ Ereignissen pro Sekunde arbeiten, während man in der PET-Bildherstellungstechnik wenigstens 1 bis 2·10⁶ Ereignisse pro Sekunde für einen Normalbetrieb benötigt.
Eine weitere Begrenzung der oben beschriebenen Gammakameras des Anger-Typs beruht auf der Tatsache, dass die Berechnung des Baryzentrums eines Ereignisses definitiv festgelegt wird durch die Konstruktion des Detektionskopfs und insbesondere durch die Wahl der Widerstände RX^–, RX⁺, RY^–, RY⁺ für jeden Fotovervielfacher.
Eine weitere Begrenzung der Kameras des Anger-Typs kommt von der Tatsache, dass man, um große statistische Schwankungen zu vermeiden, das Signal der Fotovervielfacher über einen ziemlich langen Zeitraum integrieren muss, der etwa dem Vierfachen der Abnahmezeit dieses Signals entspricht (Abnahmezeitkonstante des Lichts in dem Kristall = 240 ns). Praktischerweise wird das Signal über 1 μs integriert. Diese Integrationszeit begrenzt auch die Zählrate.
Die Dokumente (7), (8) und (9), deren Referenzen am Ende der Beschreibung angegeben sind, beschreiben Szintillationsvorrichtungen, die im Wesentlichen dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechen.
Die Patentanmeldung WO-93/15420 beschreibt ein Erfassungsgerät für Szintillationsdaten, zu benutzen mit einer Szintillationskamera und Verarbeitungseinrichtungen dieser Daten. Diese Vorrichtung umfasst einen Addierer, um diese von allen Detektoren stammenden Daten, solange sie noch analog sind, zu addieren und festzustellen, ob es sich wirklich um einen Impuls handelt, der einer Szintillation entspricht. Die Analog-Digital-Umsetzung erfolgt nur für den Fall, dass die Szintillation sich bestätigt als Resultat einer Wechselwirkung eines Gamma-Photons mit dem Material des Szintillators. Das bestätigte Signal wird anschließend normal verarbeitet, um die Position des Stoßereignisses zu bestimmen.
Auch das Patent EP-A-0 277 391 beschreibt eine Verbesserung der Kamera des Anger-Typs mit dem Ziel, die Zählleistung zu erhöhen. Bei der zum Beispiel in der 2 dargestellten und ab Seite 7 oben dieses Dokuments beschriebenen Ausführungsart umfasst die Kameraa einen Szintillationskristall 10. Dieser Kristall 10 ist mittels eines Lichtleiters 30 mit dem Eingangsfenster von P Fotodetektoren 50 gekoppelt. Nach Verstärkung durch Verstärker 61 wird das Signal in Umsetzungs- und Integrationseinrichtungen 63 eingespeist, die nacheinander die Abtastung der Ausgangssignale der Schaltung 61 und die Analog-Digital-Umsetzung der erhaltenen Abtastwerte sowie deren Summierung ausführen. Eine Detektions-, Sequenzierungs- und Speichereinrichtung, dargestellt in der 3, empfängt die analogen Signale am Ausgang jedes Verstärkers 61 und summiert die Gesamtheit dieser Signale. Aufgrund dieser Summierung wird eine Mindestschwelle festgelegt. Der Vergleich des von jedem der Fotodetektoren stammenden Werts mit dem Schwellenwert ermöglicht, in einer Schaltung 190 zu bestimmen, ob der von einem Detektor stammende Wert zu den Verarbeitungseinrichtungen 200 übertragen wird oder nicht. Derart eliminiert man P' Detektoren, deren unzureichende Beleuchtung dafür sorgt, dass sie nicht berücksichtigt werden.
Ein Artikel von Mankoff Da et al., erschienen in der Zeitschrift "Physics in Medicine and Biology", beschreibt einen zweidimensionalen Positionsdetektor mit hoher Zählrate für die Positronenemissions-Tomographie. Dieser Artikel betrifft im Wesentlichen die verschiedenen Verarbeitungen, die man auf Signale anwenden kann, die von den Detektoren einer Gammakamera stammen. Die vor dem Rechner befindliche Detektionsvorrichtung wird in Paragraph 2.1, Seite 439, kurz beschrieben in Verbindung mit der 1, Seite 440. Dieser Detektor umfasst einen mit einer Fotovervielfacher-Matrix gekoppelten Kristall. Die Impulse jedes der Fotovervielfacher sind bzw. werden verkürzt. Die verkürzten Impulse werden vorverstärkt und speisen eine Vorrichtung, die einen Analog-Digital-Umsetzer und einen Addierer umfasst, so dass eine Integration der besagten digitalisierten Signale realisiert wird.
Der Artikel überprüft anschließend die Resultatdifferenzen und die Zählraten, die man in Abhängigkeit von insbesondere der Dauer der besagten verkürzten Impulse erhalten kann.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Sammel- und Codiervorrichtung der Signale einer Vielzahl von Fotodetektoren einer Kamera vorzuschlagen, welche die oben erläuterten Einschränkungen nicht aufweist.
Eine Aufgabe besteht insbesondere darin, eine solche Vorrichtung für Gammakameras vorzuschlagen, die eine größere Zählrate als die der oben beschriebenen Kameras des Anger-Typs ermöglichen.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht noch darin, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die ermöglicht, eine Vielzahl von simultanen Detektionsereignissen zu verarbeiten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der es möglich ist, den Ort der Ereignisse gemäß verschiedenen Rechenalgorithmen zu bestimmen.
Außerdem hat die Erfindung die Aufgabe, eine schnelle Vorrichtung zur Verarbeitung der durch die Fotovervielfacher gelieferten Daten zu ermöglichen, deren Herstellungskosten niedrig sind.
Zur Lösung dieser Aufgaben hat die Erfindung eine Vorrichtung zum Sammeln, digitalen Codieren und Verarbeiten von Signalen einer Vielzahl von Fotodetektoren einer Kamera zum Gegenstand. Diese Vorrichtung umfasst: eine Vielzahl digitaler Codiereinheiten, wobei jede digitale Codiereinheit der genannten Vielzahl von Codiereinheiten jeweils einem individuellen Fotodetektor der genannten Vielzahl von Fotodetektoren zugeordnet ist und eine gemeinsame Verarbeitungseinheit mit jeder der Codiereinheiten verbunden ist, und jede der Codiereinheiten, ausgehend vom dem zugeordneten Fotodetektor, in Reihenfolge, einen Analog-Digital-Umsetzer mit einem Auflösungsvermögen von 7 Bits oder mehr, fähig ein durch den Fotodetektor empfangenes analoges Detektionssignal in ein digitales Detektionssignal umzusetzen, eine Dekonvolutionseinheit, einen digitalen Summieren, fähig das digitale Detektionssignal zu summieren und einer gemeinsamen Verarbeitungseinheit ein Summensignal zu liefern, die einzeln mit jeder der Codiereinheiten verbunden ist, und ein Port, gesteuert durch eine Steuereinheit, um der Verarbeitungseinheit jedes Mal eine Gleitsumme von Abtastwerten zuzuführen, wenn eine bestimmte Anzahl Abtastwerte eines Impulses summiert ist, wobei die Steuereinheit einen Signalkomparator, fähig das Signal in Bezug auf eine Geräuschschwelle zu vergleichen, einen Abtastwert-Komparator, fähig den Abtastwert N + 1 mit dem vorhergehenden Abtastwert N zu vergleichen, während das Signal höher ist als die genannte Geräuschschwelle, sowie einen Zähler umfasst, um zu verifizieren, dass die Dauer der detektierten Impulse einer bestimmten physischen Standardform entspricht.
Unter digitaler Codierungseinheit versteht man eine Funktionseinheit in Form einer elektronischen Schaltung, die fähig ist, das durch den verbundenen Fotodetektor gelieferte Signal zu formen, die Gleitsumme des Signals zu realisieren und schließlich repräsentative digitale Daten dieses Signals zu liefern. Die digitalen Daten werden anschließend zu einer Verarbeitungseinheit übertragen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, eine "Flash"-Codierung der Impulse mit einer kleinen Bitzahl und mit einer Online-Dekonvolution zu realisieren. Das Port, gesteuert durch die Steuereinheit, ermöglicht, eine Gleitsumme von Abtastwerten eines Impulses zu der Verarbeitungseinheit zu leiten, ausgelöst durch das Erkennen der Form des Impulses.
Aufgrund der durch die Gesamtheit der digitalen Codiereinheiten gelieferten digitalen Daten ist die digitale Verarbeitungseinheit fähig, die Position und die Energie des Ereignisses zu berechnen, das heißt der Wechselwirkungen einer Gammastrahlung und dem Material des Szintillators.
Die Verarbeitungseinheit kann auch so konzipiert sein, dass sie aus Positionen und Energien, berechnet aus Ereignissen, ein Gamma-Bild genanntes Bild formt.
Dank der Vorrichtung der Erfindung können mehrere gleichzeitig in dem Szintillator stattfindenden Ereignisse simultan verarbeitet werden. Da das analoge Signal jedes Fotodetektors lokal durch digitale Codiereinheiten verarbeitet wird, sind Vermischungen und Überlagerungen der von unterschiedlichen Fotodetektoren stammenden analogen Signale ausgeschlossen.
Diese vorteilhafte Charakteristik ermöglicht, den Detektionskopf aktiveren Quellen auszusetzen, oder ermöglicht, den Kollimator wegzulassen. Auch ist eine hohe Zählrate möglich, da die Integration des Signals nicht kollektiv ist.
Außerdem wird die Gefahr einer Stapelung zweier zeitlich naher Ereignisse wegen der Integrationszeit eines analogen Integrators vermieden: die Codierung und Integration finden permanent statt.
Außerdem indem man ein von jeder Codiereinheit stammendes Signal direkt einsammelt, ist es möglich, eine Position des Ereignisses gemäß einem in der digitalen Verarbeitungseinheit programmierten Algorithmus nach Wahl zu berechnen.
Die Positionsberechnung wird nicht, wie bei den bekannten Kameras des Anger-Typs, durch ein Widerstände- und Verkabelungsnetzwerk definitiv fixiert.
Die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene Dekonvolutionseinheit ermöglicht, Signale zu trennen, die sich zeitlich zu nahe sind. Diese Einheit wird hier nicht im Detail beschrieben. Es handelt sich um Vorrichtung, deren Funktionsweise an sich bekannt ist. Zu diesem Thema kann man sich auf das Dokument (5) beziehen, dessen Referenz am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Sammeln, digitalen Codieren und Verarbeiten von Signalen einer Vielzahl von Fotodetektoren, nach dem man eine individuelle Analog-Digital-Umsetzung jedes Signals, um jeden Impuls des Signals in einer bestimmten Anzahl von Abtastwerten zu codieren, eine Dekonvolution und eine Gleitsumme der Abtastwerte des Signals jedes Fotodetektors realisiert und ein der Gleitsumme entsprechendes digitales Signal einer gemeinsamen digitalen Verarbeitungseinheit zuführt, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist:

– dass man vor der Summierung eine Dekonvolution durchführt, und dadurch,
– dass man, bevor man der gemeinsamen Verarbeitungseinheit die Gleitsumme zuführt, folgende Operationen ausführt:
– eine Detektion des Durchlaufens eines Maximums des von einem Fotodetektor stammenden digitalen Signals,
– eine Verifizierung, dass die Dauer der detektierten Impulse einer bestimmten physischen Standardform entspricht,

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die sich auf die rein beispielhaften und nicht einschränkenden Figuren der beigefügten Zeichnungen bezieht.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die 1, schon beschrieben, ist ein schematischer Schnitt eines Detektionskopfes einer bekannten Kamera des Anger-Typs.
Die 2A und 2B, schon beschrieben, zeigen schematisch eine Vorrichtung zum Sammeln und Codieren von Signalen, die von den Fotovervielfachern des Detektionskopfes der 1 stammen.
Die 3 ist eine schematische Teilansicht einer Vorrichtung zum Sammeln und digitalen Codieren von Signalen von Fotodetektoren entsprechend einer speziellen Ausführungsart der Erfindung.
Die 4 ist eine Graphik, die ein durch den Fotodetektor geliefertes Signal nach der Anpassung durch einen Strom-Spannungswandler zeigt.
Die 5 ist ein Schaltplan einer Kamera, ausgerüstet mit einer Vorrichtung zum Sammeln und digitalen Codieren nach der 3.
Detaillierte Darstellung von Ausführungsarten der Erfindung
Die 3 zeigt eine spezielle Ausführungsart der Vorrichtung der Erfindung.
Sie stellt eine Teilansicht der Vorrichtung dar, die einem einzigen Fotodetektor entspricht.
Bei der Ausführungsart der 3 ist der Fotodetektor ein Fotovervielfacher 100, der mit einem Strom-Spannungswandler 102 verbunden ist. Als Reaktion auf ein durch den Fotovervielfacher detektiertes Ereignis erhält man an dem Ausgang 104 des Strom-Spannungswandlers 102 ein der 4 entsprechendes Signal.
Die 4 ist eine Graphik, die als Ordinate die Amplitude des von einem Fotodetektor gelieferten, dem Impuls entsprechenden Signals angibt und als Abszisse die Zeit. Die Amplitude des Signals und die Zeit sind in willkürlichen Maßstäben angegeben. In der 4 gibt t₀ den Anfangszeitpunkt des durch den Fotovervielfacher gelieferten Signals wieder und t₁ den Zeitpunkt, wo der Impuls wieder quasi null geworden ist, nachdem er ein Maximum durchlaufen hat.
Beispielsweise entspricht das Intervall t₁ – t₀ ungefähr einer Mikrosekunde.
Wieder in 3 wird das am Ausgang 104 vorhandene Signal nicht in einen analogen Integrierer eingespeist, sondern in ein in einem Analog-Digital-Umsetzer 118a. Der Analog-Digital-Umsetzer zerlegt jeden Impuls des Signals in eine bestimmte Anzahl Abtastwerte, mit n bezeichnet.
Zum Beispiel liefert der Umsetzer von jedem Signal 10 Abtastwerte. In einem solchen Fall macht der Analog-Digital-Umsetzer bei einem Signal von 1 μs alle 100 ns eine Abtastung.
Es wird also deutlich, dass der Analog-Digital-Umsetzer 118a vorzugsweise ein schneller Umsetzer des "Flash"-Typs ist, der mit einer Frequenz in der Größenordnung von 10 bis 20 MHz arbeitet. Die Auflösung des Umsetzers beträgt 7 Bits oder mehr. Zum Beispiel kann die Auflösung 8 Bit betragen.
Das von dem Analog-Digital-Umsetzer 118a gelieferte Signal wird einem digitalen Summierer 108a zugeleitet. Der digitale Summierer realisiert eine Gleitsumme der Abtastwerte, die ihm der Analog-Digital-Umsetzer liefert. Die Gleitsumme wird aus einer bestimmten Anzahl von Abtastwerten realisiert. Diese vorher festgelegte Anzahl beträgt zum Beispiel 10, bei einer Abtastung alle 100 ns.
Der Wert der Gleitsumme wird jedes Mal dann in eine Recheneinheit 122 eingespeist, wenn die Gesamtheit der Abtastwerte oder eine bestimmte Anzahl von Abtastwerten eines einem Ereignis entsprechenden Impulses summiert wird.
Die Vorrichtung der 3 umfasst zu diesem Zweck ein Port 128, gesteuert durch eine Steuereinheit 130.
Die Steuereinheit 130, auch mit dem Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers verbunden, kann zum Beispiel so konzipiert oder programmiert sein, dass sie den Zeitpunkt des Durchlaufens eines Maximums des am Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers 118a verfügbaren Signals feststellen kann und eine bestimmte Anzahl Taktschritte später die Speicherung des durch den Summierer 108a gelieferten digitalen Signals in der Recheneinheit 122 auslösen kann. Das Durchlaufen eines Maximums des digitalen Signals ermöglicht nämlich, das Vorhandensein eines einem Ereignis entsprechenden Impulses zu detektieren.
Die Steuereinheit umfasst:

– einen Signalkomparator, um das Signal in Bezug auf eine Rauschschwelle zu vergleichen,
– einen Abtastkomparator, um den Wert eines Abtastwerts N + 1 mit dem Abtastwert N zu vergleichen, während das Signal größer ist als besagte Rauschschwelle,
– einen Zähler, um zu verifizieren, dass die Dauer der detektierten Impulse einer bestimmten physischen Standardform entspricht.

Diese Lösung hat den Vorteil, sehr einfach zu sein. Sie ist jedoch ziemlich ungenau, wenn die Amplitude der durch den Fotovervielfacher gelieferten Impulse klein ist.
Es können auch alle Kanäle der Sammelvorrichtung eine gemeinsame Steuereinheit haben. Nach dieser Variante kann sie so konzipiert oder programmiert sein, dass sie das Durchlaufen eines Maximums des Summensignals aller Fotovervielfacher (Energie) feststellt und die Speicherung der digitalen Integrale aller Fotovervielfacher eine bestimmte Anzahl von Taktschritten später auslöst.
Diese Lösung ermöglicht eine besonders genaue Auslösung des Lesens der Summe. Sie eignet sich insbesondere für Bildherstellungsanwendungen des Koinzidenz-PET-Typs.
Nach einer anderen Variante kann die Einheit 130 konzipiert und programmiert werden, um das Durchlaufen eines Maximums eines von einem Fotovervielfacher stammenden Signals mit großer Amplitude festzustellen und den Transfer des digitalen Integrals des Signals dieses Fotovervielfachers und der benachbarten Fotovervielfacher auszulösen, die Signale mit schwächerer Amplitude haben. Diese Lösung ist ebenfalls genau, erfordert aber den Vergleich zwischen Signalen verschiedener Fotovervielfacher.
Nach einer anderen vorteilhaften Perfektionierung ist die Vorrichtung der 7 mit einer Dekonvolutionseinheit 140 ausgerüstet, angeordnet zwischen dem Analog-Digital-Umsetzer 118a und dem digitalen Integrierer 108a.
Diese Dekonvolutionseinheit 140 ermöglicht, die Signale zu trennen, die zwei Impulsen entsprechen, die durch einen selben Fotovervielfacher von zwei zeitlich und räumlich nahen Ereignissen (im Szintillator) geliefert werden.
Die Einheit 140 ermöglicht also, gestapelte Signale zu verarbeiten. Zu diesem Thema kann man sich auf die Dokumente (5) und (6) beziehen. Die Dekonvolution erfolgt mittels einer zu der durch den Kristall, den Fotovervielfacher und den Strom-Spannungswandler 102 gebildeten Einheit inversen Transferfunktion.
Die Vorrichtung der 3 ermöglicht, wie oben angegeben, sehr kurz nacheinander eintretende und in dem Szintillationskristall räumlich nahe beieinander liegende Ereignisse getrennt zu verarbeiten.
Außerdem finden das Codieren und das Summieren kontinuierlich statt, und es ist nicht nötig, eine Sequenzierung der Integration des analogen Signal vorzusehen.
Schließlich ist es bei gleicher Genauigkeit möglich, einen Analog-Digital-Umsetzer 118a zu verwenden, dessen Auflösung √n-mal weniger groß ist als die eines Analog-Digital-Umsetzers, der sich vor dem Integrierer befindet, wobei n die Anzahl der Abtastwerte ist, die benutzt werden um einen Impuls des Signals zu codieren.
Insbesondere, wenn eine 10-Bit-Auflösung genügt, um ein durch einen analogen Integrierer geliefertes analoges Signal digital zu codieren, genügt eine 8-Bit-Auflösung, um den Impuls des Fotovervielfachers am Ausgang des Vorverstärkers 102 im Falle der 3 direkt zu codieren. Dies ist der Fall, wenn n gleich ungefähr 10 ist.
Dieser Aspekt ist besonders vorteilhaft. Die Codierer mit einer 8-Bit-Auflösung sind standardisiert und existieren in der ASIC-Bibliothek. Es ist also möglich, die gesamte Sammel- und Digitalcodierungsvorrichtung in Form einer integrierten Schaltung leicht und kostengünstig herzustellen.
Die 5 zeigt die Verkabelung eines Detektionskopfes 10 einer mit der erfindungsgemäßen Sammel- und Codiervorrichtung ausgerüsteten Kamera. Der Detektionskopf 10 umfasst eine Vielzahl Fotovervielfacher 100, deren Ausgang jeweils als eine Stromquelle 50 symbolisiert ist. Der Ausgang jedes Fotovervielfachers 100 ist mit einer Sammel- und Digitalcodierungseinheit 99 ausgestattet, um das Signal jedes Fotovervielfachers individuell zu verarbeiten.
Jede Einheit 99 kann als ein Kanal der Sammel- und Digitalcodierungsvorrichtung der Erfindung betrachtet werden. Alle Einheiten 99 sind identisch aufgebaut, zum Beispiel nach dem schon beschriebenen Schaltplan der 3 oder nach dem Schaltplan der weiter oben beschriebenen 7. Die Sammel- und Codierungseinheiten sind durch elektrische Verbindungen L individuell mit der digitalen Recheneinheit 122 verbunden. Diese Recheneinheit 122 ist zum Beispiel mittels Software so programmiert, dass sie die Position, die Koordinaten und die Energie eines in dem Detektionskopf detektierten Ereignisses bestimmt. Die Recheneinheit kann auch programmiert werden, um ein durch die Kamera gesehenes Bild aufgrund der Positionen und Energien der Ereignisse herzustellen.
IN DER BESCHREIBUNG GENANNTE DOKUMENTE

(1) US-A-3 011 057
(2) FR-A-2 669 439
(3) US-A-4 900 931
(4) US-A-4 672 542
(5) FR-A-2 665 770 (≡ EP-A-0 470 909)
(6) US-A-5 276 615
(7) Mankoff D A et al.: "The High Count Rate Performance of a Two-Dimensionally Positionsensitive Detector For Positron Emission Tomography", Physics in Medicine and Biology, Vol. 334, Nr. 4, April 1989, Seiten 437–465, XP000005971
(8) WO-A-93 15420
(9) EP-A-0 277 391

Claims

Vorrichtung zum Sammeln, digitalen Codieren und Verarbeiten von Signalen einer Vielzahl von Photodetektoren (100) einer Kamera, eine Vielzahl digitaler Codiereinheiten (99) umfassend, wobei jede digitale Codiereinheit der genannten Vielzahl von Codiereinheiten jeweils einem individuellen Photodetektor (100) der genannten Vielzahl von Photodetektoren zugeordnet ist und eine gemeinsame Verarbeitungseinheit (122) mit jeder der Codiereinheiten verbunden ist, und jede der Codiereinheiten, ausgehend vom dem zugeordneten Photodetektor, in Reihenfolge einen Analog-Digital-Wandler (118a), fähig ein durch den Photodetektor empfangenes analoges Detektionssignal in ein digitales Detektionssignal umzuwandeln, sowie einen digitalen Summieren (108a) umfasst, fähig das digitale Detektionssignal zu summieren und der gemeinsamen Verarbeitungseinheit (122) ein Summensignal zu liefern, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler eine Auflösung gleich oder höher als 7 Bit aufweist, und dadurch, dass die Vorrichtung außerdem eine Entfaltungseinheit (140) umfasst, sowie ein Port (128), gesteuert durch eine Steuereinheit (130), um der Verarbeitungseinheit jedes Mal eine Gleitsumme von Abtastwerten zuzuführen, wenn eine bestimmte Anzahl Abtastwerte eines Impulses summiert ist, wobei die Steuereinheit (130) einen Signalkomparator, fähig das Signal in Bezug auf eine Geräuschschwelle zu vergleichen, einen Abtastwert-Komparator, fähig den Abtastwert N + 1 mit dem vorhergehenden Abtastwert N zu vergleichen, während das Signal höher ist als die genannte Geräuschschwelle, sowie einen Zähler umfasst, um zu verifizieren, dass die Dauer der detektierten Impulse einer bestimmten physischen Standardform entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digitalwandler (118a) eine 8-Bit-Auflösung hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodetektoren (100) Photo- bzw. Elektronenvervielfacher sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera eine Gamma-Kamera ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer einzigen, allen digitalen Codiereinheiten (99) gemeinsamen Steuereinheit (130).
Verfahren zum Sammeln, digitalen Codieren und Verarbeiten von Signalen, Impulse umfassend, die von einer Vielzahl von Photodetektoren (100) stammen, nach dem man eine individuelle Analog-Digital-Umwandlung jedes Signals vornimmt, um jeden Impuls des Signals in einer bestimmten Anzahl von Abtastwerten zu codieren, eine Gleitsumme der Abtastwerte des Signals jedes Photodetektors realisiert und einer gemeinsamen digitalen Verarbeitungseinheit (122) ein der Gleitsumme entsprechendes digitales Signal zuführt, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist: – dass man vor der Summierung eine Entfaltung durchführt, und dadurch, – dass man, bevor man der gemeinsamen Verarbeitungseinheit (122) die Gleitsumme zuführt, folgende Operationen ausführt: – eine Detektion des Durchlaufens eines Maximums des von einem Photodetektor stammenden digitalen Signals, – eine Detektion des Durchlaufens eines Maximums des von einem Photodetektor stammenden digitalen Signals, – eine Verifizierung, dass die Dauer der detektierten Impulse einer bestimmten physischen Standardform entspricht, – und dadurch, dass die Gleitsumme jedes Mal einer Verarbeitungseinheit (122) zugeführt wird, wenn die Gesamtheit der Abtastwerte oder eine bestimmte Anzahl von Abtastwerten eines einem Ereignis entsprechenden Impulses summiert ist.
Sammelverfahren nach Anspruch 6, bei dem man zum Detektieren des Durchlaufens eines Maximums des digitalen Signals Abtastwerte selektiert, die größer sind als ein Geräuschschwellenwert, und man den Wert jedes Abtastwerts (N + 1) mit dem Wert des vorangehenden Abtastwerts (N) vergleicht.