Octrooiraad
TOS doiATerinzagelegging nu 770076S
Nederland [191 NL
[54] Gamma camera stelsel.
[51] Int.Cl2.: A61B6/02.
|71] Aanvrager: The Ohio State University te Columbus, Ohio, Ver. St. v. Am.
|74) Gem.: Ir. C.M.R. Davidson c.s.
Octrooibureau Vriesendorp & Gaade Dr. Kuyperstraat 6
's-Gravenhage.
[21] Aanvrage Nr. 7700766.
[22] Ingediend 26 januari 1977.
[32] Voorrang vanaf 9 februari 1976,27 april 1976,27 april 1976,6 juli 1976.
[33] Land van voorrang: Ver. St. v. Am. (US).
[31] Nummers van de voorrangsaanvragen: 656304,680754, 680755,702981.
[23] - - .
(611 -- 162] --
143) Ter inzage gelegd 11 augustus 1977.
De aan dit blad gehechte stukken zijn een afdruk van de oorspronkelijk ingediende beschrijving met conclusie(s) en eventuele tekening(en).
Gamma camera stelsel
De nucleaire medische wetenschap heeft lang betrekking gehad op diagnose-technieken, waarin radiofarmaceutica in een patient worden ingebracht en de verkregen verdeling en concentratie ervan, zoals blijkt uit gammastraalintensiteiten, wordt waargenomen of
5 opgespoord door een geschikt detectiestelsel. Een belangrijk voordeel van de diagnostische gang van zake is, dat daardoor onderzoek zonder binnendringing mogelijk is van een aantal medisch belangrijke omstandig- heden. Pogingen tot deze onderzoektechniek te komen gaan van vroege 7>ionierproe3dures, waarin gen met de hand vastgehouden stralingsteller 10 gebruikt werd voor het in kaart brengen van zich in het lichaam
bevindende gebieden van radio-aktiviteit tot meer gebruikelijke
stelsels voor het tegelijkertijd vormen van een beeld van nagenoeg een gehele röntgenstralingsbronverdeling in vivo. In aanvankelijk ingevoerde praktische stelsels werd in aftastmethoden voorzien voor het vormen 15 van beelden, zoals technieken waarin in het algemeen een gammastraal-
detector van het scintillatietype werd gebruikt, voorzien van een focuserende collimator, die continu in uitgekozen coördinaatrichtingen bewoog, als een reeks van evenwijdige aftastlijnen, om de van belang zijnde gébieden af te tasten. Een nadeel van deze aftasttechniek is
M'
20 de noodzakelijk langere belichtingstijd, die nodig is voor het verkrijgen van een beeld. Zo zijn bijvoorbeeld de tijdselementen, die nodig zijn bij het vormen van een beeld in het algemeen te lang voor het uitvoeren van dynamische studies van de weikiig van een orgaan.
Door vergelijking met de rechtlijnige aftaster, die 25 in het bovenstaande beschreven is, is de later ontwikkelde gamma camera
een stilstaande opstelling, waarin in een keer een beeld wordt gevormd van het gehele gebied, dat van belang is. De in het begin ingevoerde stilstaande camerastelsels gebruikten in het algemeen een kristal van natriumjodide, Ha I (Tl) van betrekkelijk grote middellijn als detector 30 in combinatie met een matrix van fotovermenigvuldigbuizen. Een multipele
77 0 0 7 6 6
kanaalcollimator wordt aangebracht tussen de bron in het voorwerp
onder studie en dit scintillatie detectiekristal, Wanneer een gammastraal, die afkomstig is uit het gebied dat van belang is voor het onderzoek, in wisselwerking treedt met het kristal, wordt een scintillatie opgewekt 5 op de plaats van de absorptie van de gammastraal en de bijbehorenden
van de fotovermenigvuldigerbuizen van de matrix reageren op het aldus opgewekte licht voor het afgeven van uitgangssignalen. De oorspronkelijke plaats van de uitzending van de gammastraal wordt bepaald door plaats- gevoelige netwerken, die samenwerken met de uitgangen van de matrix, 10 Aanvullende informatie ten aanzien van een dergelijke camera is te
vinden in:
I. Anger9 H.O., "A New Instrument For Mapping Gamma Ray Emitters", Biology and Medicine Quarterly Report UCRL-3653, 1957.
15 Een voortdurend nagestreefd doel bij de prestatie van gamma camera's is het bereiken van een hoge oplossingskwaliteit in elk verkregteh beeld. Verder is het gewenst deze oplossing te verkrijgen in combinatie met het tegelijkertijd gebruiken van een zeer veelzijdig radionuclide of radiolabel, 99m-technetium„ met een fotonenergie van de 20 gammastraling in het gebied van 1^0 keV. Een ruimer klinisch nut
van de camera's kan eveneens verkregen worden door het gebruik en de beeldidentificatie van radiofarmaceutica, die meer dan éên fotonenergie- niveau hebben. Met een dergelijke inrichting kunnen twee of meer
diagnostische aspecten tegelijkertijd beschikbaar komen voor de operateur.
25 Zo kan bijvoorbeeld bij he maken van myocardiale beelden het boven aangegeven 99m-techneticum samen met 111-indium gebruikt worden, waarbij dit laatste fotonenergie levert in de gebieden van 173 en 2k"J keV.
Op overeenkomende wijze kan 81-rubidium, dat een fotonenergie heeft in het gebied van 350 keV samen met 81-krypton gebruikt worden, dat 30 gammastralingsenergie heeft bij ongeveer 120 keV. De aangegeven dubbele
energiekarakteristiek van 111-indium kan eveneens gebruikt worden voor het verkrijgen van twee aspecten van diagnostische gegevens.
Het oplossend vermogen van gamma camera's, die scintillatie detectorkristallen bevatten wordt ondermeer zowel be- 35 perkt door de lichtkoppeling tussen de detector en de matrix of
77 00 7 6
gebied in vivo, Bij beschouwing van dit laatste strooiverschijnsel treedt een degradatie van de oplossing op door verstrooide fotonen, die in het desbetreffende beeld worden opgetekend. Dergelijke fotonen kunnen van de Comptonstrooiing in banen komen, waarin zij door de camera-
collimator gaan en fotoelektriseh in wisselwerking treden met de kristaldetector op andere plaatsen dan het punt, waar zij in vivo
!
\ (
ontstonden. Wanneer een dergelijk fotonenergieverlies door de Compton wisselwerking kleiner is dan de energie-oplossing van het stelsel
zal het een buiten de as liggende optekening in het beeld van het stelsel veroorzaken als een fotopiek foton, dat een foutieve ruimtelijke
informatie of ruis aangeeft. Wanneer fotopiekoptekeningen door dergelijke verstrooide fotonen optreden, neemt de ruis toe en bij gevolg neemt de oplossingskwaliteit van de camera af. Yoor de aangegeven gewenste fotons van 140 KeV is de energie-oplossing van een camera van het type met scintillatiedetector bij benadering 15 KeV. Met deze oplossing zullen fotonen, die verstrooid worden over een hoek van 0° tot 70° in het stelsel worden waargenomen, wanneer dergelijke fotopieken optreden.
Een voortdurend pogen de oplossingskwaliteiten van gamma-camera's te verbeteren heeft geleid tot een betrekkelijk ruim onderzoek van beeldvormingsstelsels, die halfgeleiderdetectors van
betrekkelijk groot oppervlak bevatten. Deze belangstelling is in de eerste plaats veroorzaakt door theoretische aanduidingen op een verbetering
van een grcott©rde van de statistisch beperkte oplossing om beduidende verbeteringen van de beeldkwaliteit te verkrijgen. In dit verband kan bijvoorbeeld verwezen worden naar de volgende publicaties:
II. R.N. Beck, L.T. Zimmer, D.B. Charleston, P.B. ïïoffer, en I. Lembares, "The Theoretical Advantages of
Eliminating Scatter in Imaging Systems", Semicon-
ductor Detectors in Nuclear Medicine,(Uitgave P,B.Hoffer R.N. Beck, en A. Gottschalk,), Society of Uuelftar
Medicine, New York, 1971, biz. 92-113.
Ill, R.N. Beck, M.W. Schuh, T.D. Cohen, en II. Lembares,
"Effects of Scattered Radiation on Scintillation
k
Detector Response", Medical Radioisotope Scintigraphy, IAEA, Wenen, 1969, vol. 1, biz. 595-616.
IV.A.B. Brill, J.A. Patton, en R.J. Baglan, "An Experimental' Comparison of Scintillation and Semiconductor
Detectors for Isotope Imaging and Counting", IEEE I'rans.
Nuc. Sci., Vo. NS-19, no, 3, biz. 179-190, 1972.
V. M.M, Dresser, G.F, Knoll, "Results of Scattering in Radioisotope Imaging" IEEE Trans. Nuc. Sci., Vol. NS-20,
Hoa 1, biz. 266-270, 1973.
Bijzondere belangstelling hebben de onderzoekers gehad voor detectors 9 die als hybridediodestrukturen waren uitgevoerd en in hoofdzaak uit germanium bestonden. Voor het verkrijgen van onderscheiden gebieden voor ruimtelijke oplossing van invallende straling kunnen de tegenover elkaar liggende evenwijdige oppervlakken van de detector- dioden van groeven worden voorzien of een overeenkomende configuratie verkrijgen voor het bepalen van dwara op elkaar staande rijen en
kolommen 5 waardoor identificeerbare onderscheiden gebieden van stralings- reaktie verkregen worden. Ten aanzien van deze pogingen de detectors aldus te behandelen kan vermelding gemaakt worden van de volgende publicaties:
VI. J. Detkos "Semiconductor Dioxide Matrix for Isotope Localization", Phys. Med. Biol., Vol. Ho. 2, biz. 2^5-253, 1969»
VII. J.F. Detko, "A Prototype, Ultra Pure Germanium
Orthogonal Strip Gamma Camera„"Proceedings of the IAEA Symposium on Radioisotope Scintigraphy, IAEA/SM-16V"I35, Monte Carlo, October 1972,
VIII. R.P. Parker, E.M. Gunnerson, J.L, Wankling, en R. Ellis,
"A Semiconductor Gamma Camera with Quantitative Output", Medical Radioisotope Scintigraphy.
IX. V.R. McCready, R.P, Parker, E.M. Gunnerson, R. Ellis, E. Moss, W.G. Gore, en J. Bell, "Clinical Tests on a Prototype Semiconductor Gamma-Camera," British Journal of Radiology, Vo. W», 58-62, 1971.
X. Parker, R.P., E.M. Gunnerson, J.S. Wankling, R. Ellis,
Wenen, IAEA, 1969, "biz, 71.
XI. Detka, J.F,, "APrototype, Ultra-Pure Germanium, orthogonal-Strip Gamma Camera," Medical Radioisotope Scintigraphy, Vol, 1, Wenen, IAEA, 1973, biz. 2hl.
XII, Schlosser, P.A., D.F, Miller, M.S. Gerber, R,F. Redmond, J.W. Harpster, W.J. Collis, W.W. Hunter, Jr.,
"A Practical Gamma Ray Camera System Using High Purity Germanium," voorgedragen op het IEEE luclear Science Symposium, San Francisco, November 1973;
eveneens gepubliceerd in IEEE Trans. lucl. Sci., Vol. US—21, no. 1 februari 197^, biz. 658.
XIII. Owen, R.B., M.L. Awcock, "One and Two Dimensional Position Sensing Semiconductor Detectors," IEEE Trans Ifacl. Sci.. Vol. IIS-15, juni 1968, biz. 290.
In het meer recente verleden hebben onderzoekers bijzonder belang gesteld in het vormen van orthogonale strookmatrix detectors uit p-i-n halfgeleiders, die uit een uiterst zuiver germanium materiaal vervaardigd waren. In dit verband wordt verwezen naar het Amerikaanse octrooischrift 3 761 711 evenals naar de onderstaande publicaties:
XIV. J.F. Detko, "A Prototype, Ultra Pure Germanium, Orthogonal Strip Gamma Camera, "Proceedings of the IAEA Symposium on Radioisotope Scintigraphy, IAEA/SM-
16^/135, Monte Carlo, October, 1972.
XV. Schlosser, P.A., D.W. Miller, M.S. Gerber, R.F. Redmond, J.W. Harpster, W.J. Collis, W.W. Hunter, Jr.,
"A Practical Gamma Ray Camera System Using High Purity Germanium," presented at the 1973 IEEE Huclear Science Symposium, San Francisco, november 1973 j also published in IEEE Trans. Mud. Sci., Vol. NS-21, no. 1,
februari 197^, biz. 658.
Detectors van zeer zuiver germanium beloven vele voordelen zowel wat de oplossing van de gamma-camera als wat de toepasbaarheid
betreft. Zo worden bijvoorbeeld door gebruik te maken van zeer zuiver germanium als detector lithiumverschuivingsinrichtingen en dergelijke voor het verlagen van de onzuiverheidsconcentraties vermeden en behoeft de detector slechts gedurende zijn klinisch gebruik tot de vereiste lage temperaturen gekoeld te worden. Het uitlezen van orthogonale strook- detectoren van germanium wordt beschreven als uitgevoerd onder gebruik- making van een aantal technieken, bijvoorbeeld dat elke strook van de detector met een voorversterker-versterkerkanaal wordt verbonden en vandaar naar een geschikte logische funktie wordt gevoerd en zichtbaar uitgelezen, In een andere inrichting wordt een uitleesstelsel met een vertragingslijn voorgesteld met de bedoeling het aantal voorversterker- versterkerkanalen te verlagen waarbij een techniek van bijzonder belang eenladingssplitsingsmethode gebruikt. Met deze methode of techniek wordt plaatsgevoeligheid verkregen door elke contactstrook van de detector met een ladingverdelend weerstandnetwerk te verbinden. Elk einde van elk netwerk is met een schijnbare aarde of een ladingsgevoelige voor- versterker verbonden, Wanneer een gammastraal in wisselwerking komt met de detector, treedt de vrijgemaakte lading de reeks weerstanden binnen en maakt een verdeling ten opzichte van de grootte van de weerstand tussen zijn toevoerpunt in de reeks en de voorversterkers. Doordat
minder voorversterkers gebruikt worden, worden kostprijs en ingewikkeld- heid van een dergelijk stelsel op voordelige wijze verkleind. Een
meer gedetailleerde beschrijving van deze uitleesinrichting is te vinden in:
XVI, Gerber5 M.S.s Miller, D.W., Gillespie, B., en
Chemistruck, R,S., "Intrumentation For a High Purity Germanium Position Sensing Gamma Ray Detector,"
IEEE Trans, on Nucl. Sci., Vol. NS-22 no. 1, februari, 1975, biz. 1*16
Om de vereiste prestatie en oplossing van het camera- beeld te verkrijgen, is het nodig nagenoeg alle bronnen van ruis of
foute informatie binnen het stelsel uit te schakelen. Bij het onderbreken van een voldoende ruisverlaging kan de prestatie van de beeldvormings- stelsels verslechterd worden tot zij onpraktisch zijn. Tot in het
meer recente verleden zijn ladingsplitsende germaniumdetectoropstellingen
vers/achten is, zie publicatie VII boven. Zoals evenwel uit de volgende beschrijving blijkt zijn dergelijke overwegingen thans betwistbaar.
Een verder aspect van het optimaliseren van de oplossing van de beelden van gamma-camera's schuilt in het noodzakelijkerwijze tegengestelde verband tussen oplossing en gevoeligheido Een aantal onderzoekingen zijn uitgevoerd over dit aspect van het camera-ontwerp, waarbij men van mening was, dat fotonruisbeperkingen, dat wil zeggen
statistische fluctuaties in het beeld,een benedengrensjstellen aan de ruimtelijke oplossing. Verder is er op gewezen, dat de afname van gevoeligheid, die waargenomen wordt bij condentionele collimators van hoog oplossend vermogen eventuele verbeteringen kunnen opheffens
die men beoogt te verkrijgen voor de beeldoplossing. Een uitvoeriger
bespreking van deze beide ontwerpaspecten wordt bijvoorbeeld gegeven in de volgende publicaties:
XVII. E.L. Kë&er en J.F. Coltman, "Modulation Transfer and Scintillation Limitations in Gamma Ray Imaging", J. ITucI. Med. 9, 10, 537-5^5 (1968)
XVIII. B. I'festerman, R.R. Sharma, en J„F. Fowler3
"Relative Importance of Resolution and Sensitivity in Tumor Detection", J. luel. Med. 9. 12 638-640 (1968)
In het algemeen omvat het behandelen van signalen, die bij het ingangsdetectiedeel van gamma-camera's ontvangen worden, een vorm van ruimtelijke of coördinaatidentificatie van fotonen, die de detector bereiken en verder een vorm van analyse van de stralings-
energie, die de detector bereikt. Ruimtelijke analyse kan worden uitgevoerd door verschilsommeringsketens, terwijl de energiebepaling kan worden
uitgevoerd met sommeringsketens. Verder kunnen impulshoogte-analysatoren gebruikt worden als een onderscheidende component van een stelsel voor het bepalen van de aanwezigheid van ware of foute beeldinformatie.
In elkmn de stelsels waarin zowel ruisverschijnselen behandeld worden als gezocht wordt naar een hoge betrouwbaarheid van de ruimtelijke informatie, is een besturing nodig, die een geschikte ruisfiltering
75 1 3 37 2
8
10
15
20
25
30
35
uitvoert onder het scheiden van vare van foute informatie. Buiten het bovenstaande is het nodig, dat de doorvoeringssnelheid van het stelsel gemaximaliseerd wordt, zodat een zo hoog mogelijk aantal "bits of
impulsen, die de gegevens ten aanzien van de ruimte en de energie bevatten, verwerkt kunnen worden.
Een verder bij de werking optredend verschijnsel, dat de neiging heeft de ruimtelijke oplossingskwaliteit van de camera's te verlagen wordt aangeduid als "aliasing". Dit verschijnsel vormt een natuurlijke uitwas van de geometrie van de eerder aangeduide germanium- detector met orthogonale stroken. Een uitvoeriger bespreking van dit aspect van gamma-camera's is te vinden in :
XIX. J.W. Steidley, en anderen, "The Spatial Frequency Response of Orthogonal Strip Detectors: IEEE Trans.
Nucl. Sci., februari, 1976.
Om praktisch te blijven is het nodig dat de beeld geometrie van gamma-camera's van het stilstaande type een zo groot mogelijk
beeldveld geven. Meer in het bijzonder vergen dergelijke overwegingen een gezichtsveld van de camera, dat groot genoeg is om een geheel
orgaan of een significant deel daarvan, dat van belang is, te bevatten.
Dankzij de beperkingena die optreden bij de vervaardiging van detector- kristallen j bijvoorbeeld zeer zuivere germaniumkristallen, is de grootte van de detectorcomponenten in de vaste toestand noodzakelijkerwijze beperkt. Dientengevolge zijn samengestelde detectorconfiguraties nodig waarin een aantal kleinere detectorcomponenten aangrenzend aan elkaar
is opgesteld voor het verkrijgen van een beeldvormingsveld of een stralings- aanvaardingsgeometrie van doelmatig aanmerkelijk grotere afmetingen.
Het samenvoegen van een dergelijk groot aantal detectorcomponenfcon moot | evenwel worden uitgevoerd zonder tegelijkertijd ruisverschijnselen op te
roepen en zonder een beduidend verlies in de juistheid en scherpte van de beeldinformatie, Zo moet bijvoorbeeld in dit laatste opzicht ruimtelijke informatie een consistente betekenis hebben over de gehele uitbreiding van een uiteindelijk weergegeven beeld van een orgaan omdat anders de
klinische evaluatie van deze beelden belemmerd wordt. Voorkeursinrichtingen voor het onderling koppelen van de onderscheiden detectorcomponenten
binnen de totale patroon daarvan zijn beschreven in een samenhangende
De besturingsstelsels, die bij/gamma camera met
uit vele componenten bestaande detectors gebruikt worden, moeten verder beeldgegevens daaruit met een optimale snelheid verzamelen onder het evalueren van de geldigheid daarvan en het er aan toe kennen van een bijpassende adresfunktie. Sen dergelijke adrestoetij zing kan wat aard betreft wijzigen in afhankelijkheid van de uitgekozen wijze, waarop de afzonderlijke detectorcomponenten met het samenstel met elkaar verbonden zijn. Een aanvullende taak van het besturingsstelsel is het identifi- ceren van de ruimtelijke plaats van de interaktie tussen detector en foton voor uitgekozen, maar verschillende energieniveau's. Dit vergt een techniek voor het normaliseren van de ruimtelabels van dergelijke signalen onder het op de juiste wijze evalueren van de energieniveau- toestanden daarvan voor het weergeven van geldige beeldinformatie.
De snelheid waarmede deze gegevens behandeld worden , zoals toewijzen van ruimtelijke regionale faktoren, evenals het evalueren ervan op
geldigheid wordt van bijzonder belang in besturingsstelselss die bedoeld zijn gebruikt te worden bij klinische bestudering van dynamische werkingen.
Bij dergelijke studies moeten dynamische wijzigingen in een beeldcomponent, die in enig segment van het beeldoppervlak optreden nauw gevolgd kunnen worden in overeenstemming met de werkelijke beweging van de beeld-
bron. Dienovereenkomstig is een efficiente beeldsignaalbehandeling in het camera-stelsel nodig.
De onderhavige uitvinding is gericht op een verbeterd stelsel voor het afbeelden van de verdeling binnen een gebied van belang van isotopische materialen, die straling uitzenden. Getypeerd als een gamma camera werkt het stelsel in samenwerking met detectors van het vaste stof type, bijvoorbeeld van de soort met uiterst zuiver germanium, welke detectors een aantal onderscheiden componenten bevatten.
Deze detectorcomponenten zijn wederzijds aangrenzend aan elkaar opgesteld voor het vormen van een samengestelde detector en zijn dienovereenkomstig verbonden met impedantie-afleidende inrichtingen -voor het verkrijgen van ruimtelijke coördinaat parameter uitgangen, die een weergave vormen van de ruimtelijke plaats van overeenkomende wisselwerkingen tussen de straling
77 0 0 7 6 6
10
en de detector vaarop die invalt»
De samenstelling van de detectorcoraponenten kan ver- schillende vormen aannemen. Zo kunnen de componenten bijvoorbeeld gevormd en opgesteld zijn in een samengestelde detector op zodanige wijze, dat elke êên van twee tegenover elkaar liggende geladen opzamel- oppervlakken heefts die binnen een gemeenschappelijk aan straling blootgesteld vlak liggen. Deze componenten zijn dan ingericht lineair georiënteerde groepen van de desbetreffende oppervlakken te vormen, waarbij elk van de groepen van oppervlakken onderling elektrisch
gekoppeld zijn en verbonden zijn met de aangegeven impedantie-inrichting voor het leveren van coördinaatuitgangen9 die aangegeven kunnen worden als de x- en y-coordinaat parameter uitgangen. Deze uitgangen zijn afgeleid uit bijbehorende onderling loodrecht gealinieerde en tegenover gesteld aangebrachte groepen, die samenwerken met een gemeenschappelijke detectorcomponent waarin een wisselwerking met straling» die met de uitgang overeenstemt, optreedt. Een dergelijke operationele groep van componenten wordt in het algemeen een rij-kolomstruktuur genoemd.
De uitgangen van een willekeurige vastliggende groepering van de detector- componenten vormden volgens de uitvinding selectief gefilterd en gesommeerd voor het afleiden van overeenkomende coördinaatkanaalsignalen, evenals een energiekanaalsignaal, die waarden hebben, die verband houden met de vastgestelde ruimtelijke plaats en de gegeven fotonenergie bij een
wisselwerking met een bepaalde detectorcomponent. Een besturingsinrichting, die samenwerkt met de groepering„ regelt de aangegeven sommering en
filtering en leidt een gegevensaanvaardingssignaal af. Verder voert hij terugsteltaken uit om een vervolgende verwerkingsprocedure mogelijk te maken.
Het stelsel omvat verder ruimtelijke coördinaatmulti- plexers en energiekanaalmultiplexers, die zodanig zijn ingericht dat zij geaddresseerd kunnen worden door de aangegeven coördinaatkanaalsignalen en de energiekanaalsignalen. Elk van de multiplexers ia verbonden voor reaktie op een gecodeerd inwerkingsstellingssignaal voor het leveren van de juiste overdracht van de kanaalsignalen aan verdere verwerking.
In dit opzicht ontvangt een procesbesturingsinrichting, die een geheugen- keten bevat, de gegevensaanvaardingssignalen en is ingericht hen
selectief vast te houden in een seriepatroon. De geheugenketen kan in werlcing worden gesteld voor het afleiden van het aangegeven gecodeerde inwerkingsstellingssignaal in overeeenstemming met de in serie aangebrachte gegevens-aanvaardings signalen om de aangegeven overdracht van de kanaal- en energiesignalen tot stand te brengen» Een opeenvolgend werkend besturings middel is aangebracht voor het selectief besturen of inwerking stellen van
« de procesbesturing en voor het regelen van een gehele werkcyclus van ,.*
het stelsel. Verderebehandelingsinrichtingen in het stelsel reageren op de overgedragen kanaalsignalen voor het afleiden van uitleesinformatie,
66X1
die daar/weergave van is en die gebruikt kan worden voor klinische analyse- doeleinden en dergelijke.
Volgens een verder doel en een verder kenmerk van de uitvinding beoogt de uitvinding te voorzien in een opslaginrichting in het besturingsstelsel, die de vorm kan hebben van een reeks van steekproef en vasthoudcomponenten, die wanneer zij in de ontvangstmodus zijn dienen voor het ontvangen van coördinaat- en kanaalsignalena die zijn afgeleid van de aangegeven multiplexers. Bij bediening tot in de vasthoudmoius, worden de signalen vastgehouden gedurende een bepaald interval, terwijl zij worden toegevoerd aan aanvullende signaalbehandelingsfunkties van het stelsel. De aangegeven opeenvolgende besturingswerking van het stelsel wordt verder gedurende dit interval gebruikt voor het uitvoeren van de aangegeven terugstelfuhktie die behoort bij de besturings componenten die direkt de uitgangen van de detectorcomponentgroeperingen verwerken.
Dientengevolge wordt een verbeterde doorvoeringssnelheid voor het stelsel verkregen voor het verbeteren van het beeldvormingsvermogen van de camera.
Een verder deel en een verder kenmerk van de uitvinding is het voorzien in een besturingsstelsel van het boven beschreven type waarin isotope materiaalbronnen van stralings dat wil zeggen r-adio- farmaceutica of dergelijke, die meer dan een fotonenergie hebben,
gebruikt kunnen worden voor het verruimen van de klinische toepasbaarheid.
Voor een dergelijke inrichting bevat het beeldvormingsstelsel componenten, die de aangegeven ruimtelijke coördinaatkanaal- evenals de energiekanaal- signalen, die vanuit de multiplexerfunktie van het stelsel worden
overgedragen behandeld en een normaliseringsbewerking uitvoert van de ruimtelijke kanaalsignalen, zodanig dat zij gekenmerkt worden als weer-
77 00 76 6
12
gevende van slechts nauwkeurige ruimtelijke informatie voor "beeldvormings- doeleinden. Deze bewerking wordt uitgevoerd onder gebruikmaking van
deelnetwerken, die zodanig gevormd en ingericht zijn, dat zij in feite de ruimtelijke kanaalsignalen delen door het bijbehorende energiesignaal, tj De aldus genormaliseerde signalen worden dan op geschikte uitlees-
componenten van het stelsel overgedragen»
Een verder aspect en doel van de uitvinding levert
evaluatiemogelijkheden in het beel&vormingsstelsel» Zo wordt bijvoorbeeld een evaluatie-inrichting in de vorm van een multikanaalanalisator
TQ opgenomen om te reageren op de piekwaarden van elk energiekanaalsignaal dat eraan wordt onderworpen en het evalueren daarvan bij de overdracht vanuit de aangegeven multiplexfunkties en/of de steekproef en vasthoud- componenten. De uitgevoerd analyse is er een, waarin elke energiesignaal piekwaarde geevalueerd wordt ten opzichte van van te voren bepaalde bovenste . en benedenste niveauvensterkriteria, die van te voren zijn ingesteld
in overeenstemming met de bekende fotonenergieniveau*s van de isotoop- materiaalverdeling, waarvan een beeld wordt gemaakt. Wanneer een bepaald energiekanaalsignaal niet aan de vensterkriteria voldoet, voeren de
besturingsfunkties van de uitvinding een aangegeven terugstelverking uit $ 20 om een korte cyclusprestatie van het stelsel tot stand te brengen» waardoor '
een snellere verwerking van een nieuw quant van beddinformatie mogelijk is.
In een uitvoeringsvorm worden twee evaluatietrappen gebruikt, waarvan er één samenwerkt met die ketens, die onmiddellijk de uitgangen van een van te voren bepaald aantal detectorcomponenten verwerken, terwijl de 25 tweede evaluatie volgend op de eerste en na de overdracht van het signaal
aan de verdere behandelingstrappen wordt uitgevoerd.
Een verder doel van de uitvinding is te voorzien in een verbeterd stelsel voor het maken van een beeld van de verdeling van
! isotoopmaterialen, waarin gebruik gemaakt wordt van een detector- 30 inrichting met vaste stof van het type met rijen en kolommen, zoals
boven is beschreven, In een dergelijke uitvoeringsvorm worden de ruimte- lijke coördinaatsignalen, die kunnen worden aangegeven als x- en y-coordi~
naatsignalen en die zijn afgeleid van uitgekozen groeperingen van detector- componenten, bijvoorbeeld vier, aanvankelijk gesommeerd en gefilterd op de 35 boven beschreven wijze en gedurende een dergelijke sommering wordt een
I
77 00 76
tijd-afgeleide van het energiesignaal vanuit elke x- coordinaatuitgangs- en elite y-coordinaatuitgangsverwerkingsapparatuur geleverd voor het opwekken van bijbehorende gegevenssignalen. Deze gegevenssignalen worden dan overgedragen op een eoincidentienetwerk, dat op zijn beurt een even 5 codesignaal opwekt, dat op zijn beurt wordt onderworpen aan de werking
van de eerder beschreven geheugeninrichting. Dienovereenkomstig worden de ruimtelijke coördinaataspecten van de x- en y-kanaalsignalen in het verwerkingsstelsel gevormd voor het op de juiste wijze aangeven van de plaats van de verkregen ruimtelijke informatiesignalen in een uitlees- 10 comtsonent.
Andere doeleinden van de uitvinding zullen gedeeltelijk duidelijk zijn en gedeeltelijk uit het onderstaande blijken.
De uitvinding omvat dienovereenkomstig het stelsel en de inrichting met de constructie, combinatie van elementen en inrichting 15 van delen, die bij wijze van voorbeeld zijn beschreven in de thans
volgende uiteenzetting.
Voor een vollediger begrip van de aard en het doel van de uitvinding wordt verwezen naar de uitvoeriger beschrijving, die thans aan de hand van. de tekening wordt gegeven, waarin
20 fig. 1 een schematische weergave is van een gamma camera inrichting waarin de verbetering volgens de uitvinding gebruikt kan
worden, waarbij in blokschemavorm algemene stuurfunkties zijn aangegeven;
fig. 2 een perspectivische weergave is van een orthogonale strook van een detectorcomponent van zeer zuiver germanium in vaste stof 25 toestand, waarbij een ladings splits ingsweerstan dsnetwerk is opgenomen in
combinatie met voorversterkingselectronica;
fig, 3 een schematische weergave is van een strookdetector van het vaste stoftype en een schematische collimator, die daar funktioneel mee samenwerkt waarbij deze systeemcomponenten betrekicing hebben op een 30 stralingsbron in het gebied van klinisch belang;
figuren k(a) - k(c) schematische en grafische weergaven zijn van de fundamentele geometrie die behoort bij het onderlinge verband van een meerkanaalscollimator en een detector van het vaste stof type;
fig. 5 een perspectivisch aanzicht is van een collimator- • 35 patroons die bij het stelsel volgens de uitvinding gebruikt kan worden;
7 7 0 0 7 6 6
11*
fig. 6 een perspectivisch aanzicht is van twee in elkaar grijpende delen van de collimator van fig. 5 j
fig. 7(a) - 7(c) op respektievelijke en schematische wijze een bronverdeling weergeven ten aanzien van de geometrie van een orthogonale strookdetector en beelduitlezingen ter toelichting van aliasingverschij nselen;
fig. 8(a) - 8(d) vertikaal gealinieerde grafieken zijn die betrekking hebben op de modulatie-overdraagfunktie ten aanzien van de oplossing waarbij deze gegevens betrekking hebben op aliasing-
verschi jnselen9 en fig, 8(a) de collimatormodulatie overdracht funkt i e (MTFc) toont met een FWHM oplossing van 1 „33 1, fig. 8(b) een daaruit volgend frequentiespectrum toont dat verwerkt wordt door de elektronica van het camera-stelsel, fig, 8(c) de elektronische MTF toont voor
bepaalde oplossingen, en fig, 8(d) een camerastelsel toont met MTF waarden, die aliasing aangeven, die door de orthogonale strookdetector van het vaste stoftype wordt ingevoerd;
Figuren 9(a)-9(d) krommen tonens die de resultaten weer- geven van aliasingcorrectie in vergelijking met de krommen van figuren 8(a) - 8(d) waarbij fig. 9(a) het collimator-ontwerp beschouwd als een anti-aliasingfilter, fig. 9(b) het daardoor optredende aliasingfrequentie- spectrum toont, dat door de elektronica van het stelsel verwerkt wordt, fig. 9(c) het resultaat toont van de elektronica, die gebruikt wordt voor het anti-aliasing nafilteren, en fig. 9(d) de MTF van het totale stelsel toont, waaruit de eliminering van de aliasingverschijnselen blijkt;
Fig. 10 een equivalent ruismodelketen is voor detectors van het vaste stof type zoals deze gebruikt worden volgens de onderhavige uitvinding;
Fig. 11 een ketenmodel is van een detectorcomponent en het bijbehorende weerstandshetwerk, hetgeen schematisch een plaatsgevoelige detectorinrichting weergeeft;
fig. 12 een blokschema is van een gamma camera besturings- ntelsel van de vorm die betrekking heeft op een enkele detectorcomponent uitgang;
fig. 13 een blokschema is van een gesleutelde integratie configuratie, die bij de onderhavige uitvinding gebruikt kan worden;
fig. 1H een schema toont van de aan de hand van fig. 13 beschreven configuratie;
fig. 15 een schematische weergave is van de logische componenten van een besturingsinrichting, die bij het stelsel volgens de uitvinding gebruikt kan worden;
fig. 16 een tijdschema is behorende bij de keten volgens de schematische weergave van fig. 15;
fig. 17 een perspectivische en schematische weergave toont van een patroon van detectorcomponenten met aanduiding van de onderlinge verbindingen daarvan voor het vormen van een samengestelde detector of een deel daarvan9 die bruikbaar is bij het stelsel volgens de ui tending;
fig, 18 een blokschema toont van een besturingsstelsel, dat gebruikt wordt voor het ontvangen en behandelen van de uitgangen van de detectorconfiguratie van fig. 17;
fig. 19 een blokschema toont van een uitvoeringsvorm van het besturingsstelsel volgens de uitvinding, zoals dit gebruikt wordt voor het behandelen van signalen, die door de besturingsinrichting van fig9 18 ontwikkeld worden;
fig. 20 een schematisch perspectivisch aanzicht is van een verdere opstelling van detectorcomponenten, die volgens een rij-kolom uitlees geometrie onderling verbonden zijn;
fig. 21 een schematische en perspectivische weergave toont van een andere opstelling van detectorcomponenten3 waarvan elke is voorzien van een impedantie-inrichting van het oppervlaktetype, waarbij de componenten in de aangegeven rij-kolom wijze met elkaar verbonden zijn;
fig. 22 een schematische en perspectivische weergave is van een verder patroon van detectorcomponenten, die volgens de aangegeven rij-kolomgeometrie onderling verbonden zijn;
fig. 23 een blokschema is van een besturingsstelsel, dat gebruikt wordt bij het behandelen van een ruimtelijke kanaaluitgang van de aangegeven onderlinge verbindingsgeometrie voor de rij-kolomdetector- componenten;
fig. 2k een blokschema toont van een besturingsketen, die kan samenwerken met het besturingsstelsel van fig. 23; en
770076 6
16
fig. 25 een blokschema is van de besturingsinrichting, te gebruiken met de aangegeven rij-kolomverbinding van de detectorcomponenten, welke figuur een alternatieve besturingsopstelling toont binnen het
schema van fig. 19.
5 In de thans volgende beschrijving wordt het besturings- stelsel volgens de uitvinding aanvankelijk beschreven in samenhang met de inrichtingen, die gebruikt worden voor het fysiek aanvaarden van gammas taling vanuit een klinisch bepaald gebied van belang. In het bijzonder worden aanvankelijke opvangtechnieken voor het collimeren van 10 dergelijke straling evenals parameters, die voor deze collimering nodig
zijn, toegelicht. Na deze bespreking worden de technieken aangegeven voor het verkrijgen van een geoptimaliseerde systeemprestatie ten aanzien van de ruiseigenschappen die anders souden optreden bij de detector-
eenheid van het vaste stof type volgens de uitvinding. Bij het daarna 15 beschouwen van technieken voor het verbeteren van de doorvoercapaciteit
van het stelsel9 is de bespreking aanvankelijk gericht op een
besturing van een detectorinrichting, die slechts een detectorcomponent bevat. Na deze hoofdbeschrijving worden evenwel voorkeurstechnieken aan- gegeven voor het laten samenwerken van een aantal detectorcomponenten van 20 het vaste stoftype binnen een van te voren bepaalde patroom of mozaik-
configuratie. Wanneer dergelijke configuraties en operationele kriteria daarvoor zijn aangegeven, wordt de bespreking gericht op een besturings- stelsel, dat kan werken met radiofarmaceuticabronnen met meer dan één detecteerbaar energieniveau, welk stelsel dient voor het behandelen van 25 de verkregen signalen evenals het merken en adresseren van hen voor het
verkrijgen van praktische totale beeldvelden waarbij een doelmatige signaalbehandeling gehandhaafd wordt.
Zoals in het bovenstaande is aangegeven wordt gedurende de beoogde klinische toepassing een camera-inrichting volgens de
30 uitvinding gebruikt voor het maken van beelden van gammastraling in
oatienten. In fig. 1 is in het algemeen met 10 een overdreven schematische weergave getoond van een dergelijke klinische opstelling. Deze opstelling toont schematisch het schedelgebied 12 van een patient, waaraan een
van een stralende stof voorzien farmaceuticum is toegediend, welk farma- 35 ceuticum de neiging heeft zich te concentreren in een gebied, dat
77 00 76 6
10
15
20
25
30
van "belang is voor hat onderzoek. Dienovereenkomstig is straling weer- gegeven als komende uit het gebied 12 vanneer de patient is aangebracht op een ondersteuningsvlak 1U. Boven het gebied 12 is de kop of het huis 16 van de gamma camera aangebracht. Zich naar buiten vanuit de zijden van het huis 16 uitbreidend zijn!(de flenzen 18 en 20 aangebracht, die op hun beurt scharnierend verbonden kunnen zijn met een geschikt onder- steuningsgestel s dat niet is weergegeven. Het huis 16 ondersteunt
eveneens een vaeuumkamer 22, die begrensd wordt door een bovenste en een benedenste vacuumkamerplaat 2k resp. 26 gezamenlijk met een hoekig
een zijwand bepalend flensdeel 28. De benedenste vacuumkamerplaat 26 bestaat bij voorkeur uit aluminium en is voorzien van een dun intree vensterdeel 30, waar direkt boven een patroon van onderscheiden detectorcomponenten van het vaste stof type is aangebracht9 zoals in het algemeen met 32 is aangegeven. Het patroon 32 werkt op zijn beurt samen met de
"koude vinger" component 3^ van een omgevingsbesturingsstelsel, dat bij voorkeur een koeleenheid voor het cryogene gebied bevat van het type met een gesloten cycluss in het algemeen met 36 aangeduid. Een ionenpomps
zoals 38 waarborgt het handhaven van het vacuum in de kamer 22, welke pomp samen met de koeleenheid 36 is opgesteld dat samenwerk!rgmet de kamer 22 mogelijk is via de bovenste vacuumplaat 2ks die bijvoorbeeld uitroestvrij staal kan bestaan. Een voorvacuumpomp wordt gebruikt voor het vormen van een voorvacuum in de kamer 22, waarna de ionenpomp het vacuum verhoogt en de druk. in de kamer op 10~^ Torr of lager houdt.
De electronica, die in de kamer 22 is opgenomen, bevat de voorversterkertrappen, bijvoorbeeld veldeffekttransistors ( FET's) zoals bij ifO, die op een plaat k2 zijn gemonteerd, die op zijn beurt een koppeling vormt tussen de koude vinger 3^ en het zijkanaal 28. Door deze verbinding is de plaats W aan een temperatuurgradient onderworpen gedurende de werking van de eenheid, waardoor een uitgekozen ideale temneratuursomgeving voor de werking van de versterkertrappen verkregen wordt. De uitgangen van deze trappen zijn direkt via daaropvolgende elektronische trappen, die zijn weergegeven in een huis W verbonden, die on hun beurt een elektrische verbinding verschaffen met uitwendig
opgestelde besturingselektronica via de leiding k6 en de lijn U8. Om een geschikte werking te verkrijgen wordt de kamer 22 in het algemeen op een
18
temperatuur gehouden van bijvoorbeeld ongeveer 7 7 % ter vijl de FET's 1+0, die op de plaat k2 zijn gemonteerd, op ongeveer 130°K gehouden worden om een lage misvorming tot stand te brengen.
Buiten het vensterdeel 30 en in aliniëring met de detectoropstelling 32 bevindt zich een collimator, die in het algemeen met 50 is aangegeven, Gedurende de werking van de gamma camera wordt
straling, die van de bron 12 afkomstig is, ruimtelijk gecodeerd en wel aanvankelijk bij de collimator 50 door verzwakking of verwijdering van buiten de as liggende straling, die foutieve beeldinformatie aangeeft,
10 De straling, die de collimator 50 passeert, treft het detectorpatroon 32 en een belangrijk deel ervan wordt omgezet in onderscheiden ladingen
of beeldsignalen, De detectoropstelling 32 heeft een zodanige configuratie dat deze signalen worden verdeeld over weerstandsketens evenals over de aangegeven voorversterkertrappen HO, die zich binnen de kamer 22 bevinden.
Ij voor het verkrijgen van aanvankelijke signalen, die de weergave zijn van de ruimtelijke beeldinformatie langs conventionele coördinaatassen en die tevens waarden aangeven voor de stralingsenergieniveau's. Deze gegevens worden dan, zoals schematisch met de lijn 1+8 is aangegeven, aan logische en filterketens toegevoerd, die daarop inwerken voor het afleiden van een 20 beeld van geoptimaliseerde oplossing en scherpte. In dit laatste opzicht
is het bijvoorbeeld gewenst, dat slechts ware beeldinformatie wordt opgenomen uit het orgaan, waarvan een beeld gemaakt wordt. In het ideale geval zou dergelijke informatie de theoretische beeldnauwkeurigheid van het camera stelsel benaderen zoals dit bijvoorbeeld afleidbaar is uit de 25 geometrie van de detectorstruktuur 32 en de collimatoropstelling 33,
evenals de beperkingen van het elektronische filter en besturingsdeel van het stelsel.
Ruimtelijke beeldsignalen en energieniveausignalen afkomstig uit lijn 1+8 worden ingevoerd in antisymmetrische sommerings 20 en energieniveauafleidingsfunkties, die in blok 52 zijn weergegeven.
Zoals meer in bijzonderheden in het volgende wordt beschreven, werkt de sommering, die in blok 52 wordt uitgevoerd in op de ladingen, die aan de weerstandsketens of netwerken worden toegevoerd die behoren bij de ortho- gonale logische strukturering van het detectorsamenstel 32 voor het 35 afleiden van discrete signalen of ladingswaarden, die overeenstemmen met
de plaats van een element in het beeld» Bovendien leiden ketens van het blok 52 een corresponderend signaal af, dat een weergave is van de
energieniveau's van de ruimtelijke informatie. De uitgang van het blok 52 wordt naar de filterversterkings en energiediscriminatiefunkties gevoerd van blok Bestuurt door een logische besturingsfunktie in blok 56 qwerkt blok 5^ op zijn signaalingang om het systeem aan te passen aan parallel en serie gedefinieerde ruiscomponenten door gebruik te maken van
Gauss-versterking of -vormgeving, met inbegrip van trapeziumvormige pulsvormgeving van gegevens, die de ruimtelijke plaats van beeld bits of -signalen weergeven. Op overeenkomende wijze worden de energieniveau's van binnenkomende signalen geevalueerd, waarbij bijvoorbeeld gebruik gemaakt wordt van multiple kanaalanalysatorcomponenten, die bestuurd worden door de logische ketens van 56 voor het tot stand brengen van energèniveauvensters voor gegevens, die binnen het stelsel ontvangen worden. In (it opzicht worden signalen, die boven eft beneden van te voren bepaalde energieniveau's vallen geacht te aijn fout te zijn en geblokkeerd.
"Vanuit de versterking en discriminatietrap 5^ en de logische besturing 56 worden de geanalyseerde signalen toegevoerd aan een informatieweergeef en uitleesfunktie, weergegeven met blok 58. Componenten binnen het
blok 58 zullen weergeefschermen van verschillende configuraties omvatten, beeldoptekeninrichtingen, bijvoorbeeld fotografische apparatuur van het type met onmiddellijk ontwikkelen, stralingsuitleesinrichtingen en dergelijke, die naar de wens van de systeemoperateur bestuurd worden.
Zoals in het bovenstaande is aangegeven wordt bij de onderhavige beschrijving meer in bijzonderheden eerst gekeken naar de configuratie van de collimatorstruktuur 50. Om deze beschrijving te vereenvoudigen wordt evenwel de struktuur van een enkele component in het detectorsamenstel 32 beschreven aan de hand van fig. 2. Een verdere bespreking en verdere figuren zullen de onderlinge verbanden van derge- lijke impedantienet-werken en hun equivalenten aangeven en hoe zij werk- zaam verbonden zijn met een detectorsamenstel met een aantal componenten, Tn ï'ir,. 2 is een overdreven perspectivioehe weergave gegeven van ten dergelijke component van de detectorsamenstel bij 60. De detectorcomponent 60 kan vervaardigd zijn uit zeer zuiver germanium van het p-type door een contact van het n-type aan te brengen op éên vlak en een contact van het
77 0 0 7 6 6
20
10
15
20
25
30
35
p-type op het tegenover-liggende vlak van een rechthoekig vlak kristal.
Dienovereenkomstig dient een gebied van het kristal van zeer zuiver germanium 62 als intrinsiek gebied tussen halfgeleidergebiedscoiitacten 61+ van het p-type en halfgeleider-gebiedscontacten van het n-type
zoals bij 66o Het intrinsieke gebied 62 van de p-i-n detectorcomponenten vormt een gebied, dat verarmd is aan elektronen en gaten wanneer een tegen-
I gestelde voorspanning aan de contacten wordt aangelegd. Groeven, zoals
bij 68a-68c worden in het continue contact of gebied van het p-type op een vlak van de component aangebracht voor het vormen van stroken van geisoleerd halfgeleidermateriaal van het p-type. Op het tegenoverliggende vlak van de detectorcomponent worden op overeenkomende wijze loodrecht daarop gerichte halfgeleiderstroken gevormd door de aanbrenging van groeven 70a-70c, De detectorcomponent die deze algemene geometrie heeft wordt aangeduid als een orthogonale strookdetector of een halfgeleider- detectorcomponent met een strookpatroon. De elektrodestroken bij elk van de tegenover elkaar liggende oppervlakken van component 60 zijn verbonden met uitwendige ladingssplijtweerstandsnetwerken, J0 resp. 72. Het weerstands- netwerk 72 bestaat uit in serie met elkaar verbonden weerstanden
76a-76e die bij hun gemeenschappelijke verbindingspunten verbonden zijn met leidingen die resp, met 78a-78d zijn aangeduid en op hun beurt naar de orthogonale stroken leiden. De tegenover liggende einden van netwerk 72eindigen in voorversterkertrappen 80 en 82, waarvan de resp.
uitgangen bij 8h en 86 ruimtelijke uitgangsgegevens leveren voor inbrenging in de bovenbeschreven sommerings en energieniveau-afleidingsfunktie 82 voor het leveren van een orthogonale of coordinaatuitgang van een detector- component j bijvoorbeeld aangeduid als een y-as signaal.
Op overeenkomende wijze bestaat het netwerk 7^ uit een reeks in serie met elkaar verbonden weerstanden 88a-88e, waarvan de onder- linge verbindingen gekoppeld zijn met de elektrodestroken op het oppervlaken 66 door de leidingen 90a en resp. 90e, Verder leveren voorversterkertrappen 92 en uitgangen op de lijnen 96 resp. 98 die ruimtelijke gegevens
als signalen voeren, die een weergave vormen van de beeldinformatie
langs een x as of een as die loodrecht staat ten opzichte van die van de uitgang van het netwerk 72.
Door een geschikte voorspanning over de detectorcomponent 60
aan te leggen, zoals "beschreven is in het Amerikaanse octrooischrift 3 7^1 711 zal elk beeldvormingsfoton, dat geabsorbeerd wordt een ionisatie veroorzaken, waardoor weer elektron-gaten paren gevormd worden. De aldus verkregen lading wordt verzameld op de orthogonaal opgestelde elektrodestroken door de voorspanning en deze lading vloeit naar het bijbehorende knooppunt van de impedantienetwerken 72 en 7^»
Verder verdeelt de lading zich in evenredigheid met de admittantie van elke keten naar de schijnbare aardingang van de ongeschikte wijze bij de einden aangebrachte voorversterkertrap. Een dergelijke ladings- gevoelige voorversterkertrap integreert de verzamelde lading voor het vormen van een spanningsimpuls, die evenredig is met die lading, Wanneer deze ladingen resp. Qg genoemd worden voor de uitgangen 98 resp. 96 van netwerk 7h en Q^ en Q^ voor de uitgangslijnen 8H resp. 86 van netwerk 72 kunnen de boven aangegeven sommerings-en energieniveau afleidingsfunkties voor ruimtelijke en energiegegevens worden aangewezen.
In dit op zicht blijkt de x-plaats van elke diode, die gedefinieerd wordt door de orthogonale strookgeometrie evenredig te zijn met Q^, Qg en hun verschil, dat wil zeggen (Q^-Q^) en de y-plaats blijkt evenredig met Q^s en hun verschil, dat wil zeggen (Q^-Q^). De energie van de
invallende gammastraal is evenredig met Q^+Qg enCQ^+Q^) en /"(Q.j+Q^-CQ^+Q^)/
of in deze laatste uitdrukking /"(Qg+Qjj) - (Q^C^)/» Zoals eerder is aangegeven is de werkomgeving van het detectorsamenstel 32 en de bij- behorende versterkertrappen er een in het cryogene temperatuurbereik ter vermijding van Johnsonruis en dergelijke.
Als inleiding op een meer gedetailleerde beschouwing van de ruimtelijke oplossing van gammastraling, die op de ingangscomponenten van de gamma camera valt, kan enige waarde ontleend worden aan een
onderzoek van meer of minder typischelarakteristieken van deze invallende straling. Wanneer bijvoorbeeld naar fig. 3 wordt gekeken blijkt een deel van het lichaam van de patient die onderzocht wordt schematisch te zijn afgebeeld bij 100. Binnen het gebied 100 is een radioaktief gemerkt deel van belang 102 aangegeven, uit welk gebied door verval van de stralings- mrkeerstof fotonen worden afgegeven, die het lichaam van de patient
doordringen en er uit treden. Deze fotonen worden dan ruimtelijk geselec- teerd door een deel van de collimator 50 en afzonderlijk gedetecteerd in corwonent 60 om uiteindelijk deel te nemen in het vormen van een beeld-
7 7 0 0 7 6 6
22
weergavee Bij wijze van voorbeeld zijn de banen van zeven dergelijke fotonen weergegeven in de figuur bij a-g om deze beginfunktie, die het camera-stelsel moet uitvoerens toe te lichten, In dit opzicht heeft de collimator 50 tot taak die fotonen te accepteren, die nagenoeg loodrecht naar de detector toe bewegen, aangezien op deze wijze uittredende stralen ware ruimtelijke beeldinformatie verschaffen. Deze fotonen zijn aangeduid 'met de banen a enb waar een direkt binnentreden door de collimator is
aangegeven en een doelmatige wisselwerking en energieuitwisseling in de detectorcomponent 60. De fotonbaan c is niet juist gericht in zo verre, dat hij niet loodrecht naar de detector toeloopt. Bijgevolg geeft voor een geschikte beeldoplossing een dergelijke baan onjuiste informatie, die verzwakt moet worden, zoals schematisch ia aangegeven. Verstrooiings- verschijnselen in de collimator 50 zelf of doordringing van de wanden daarvan geeft niet gecollimeerde fotonen de mogelijkheid de detector te bereiken men zie de banen d en e, De fotonbaan f is een weergave van Comptonverstrooiing in het lichaam van de patient. Een dergelijke ver- strooiing verlaagt de fotonenergie maar kan de baanrichting zodanig wijzigen, dat de acceptatiegeometrie van de camera, waaronder de'colli- mator 50, toestaat dat het foton als beeldinformatie wordt aanvaard. Aange-
zien de detectorcomponent 60 en de bijbehorende elektronica zowel de ruimtelijke plaats als de energie van elk door de collimator doorgelaten foton meten, kan het beeldvormingsstelsel nog steeds,dergelijke foute informatie verwijderen. Bijvoorbeeld in het geval van een Comptonver- strooiing van een foton hetzij in de patient hetzij in de collimators kan de energie daarvan voldoende verlaagd worden om verwijding tot stand te brengen door een energiediscriminatievenster in het stelsel. De foton- baan g toont een toestand, waarin de component 60 onvoldoende absorptie- eigenschappen heeft, zodat het invallende foton, hoewel het ware informatie inhoudt, niet in wisselwerking komt met de detector. Zoals uit het boven- staande duidelijk zal zijn zullen al de duizenden fotonen van de volle energiewaarde, die in de detector geabsorbeerd worden, uiteindelijk worden weergegeven op de ermede overeenkomende ruimtelijke plaats op een beeldvormingsinrichting zoals een elektronenstraalbuis voor het vormen van een beeld van de bronverdeling in het gebied 102 van de patient.
Uiteraard houdt de klinische waarde van de gamma-camera als diagnostisch instrument direkt verhand met de kwaliteit van de uiteindelijke beeld- oplossing.
5 is de beeldoplossing van het camerastelsel in hoge mate afhankelijk van de collimatiekwaliteit die verkregen wordt bij de ingang van de camera door middel van de collimator 50« In het algemeen is de collimator 50 van het type met een aantal kanalen en evenwijdige gaten, waarbij zijn prestatie wordt bepaald door zijn fundamentele geometrische afmetingen, 10 het materiaal waaruit hij is vervaardigd en de vervaardigingstechniek.
Onder verwijzing naar figuren M a ) - M c ) wordt een aanduiding van de geometrische aspecten van collimator 50, evenals aspecten die
betrekking hebben op de fotonenbanen en de ruimtelijke intensiteits- verdeling over de overeenkomende ruimtelijke as van de detectorcompo- 15 nent 6o schematisch aangeduid. Figuur M b ) toont de fotonintensiteits-
verdeling in het middenvlak 60' van de detector, veroorzaakt door een lijnstralingsbron op de afstand b van het buitenvlak van de collimator, dat een zijde bepaald. Er wordt op gewezen, dat de plaats van de bron net L is aangegeven. Het bronpunt L bevindt zich ter wille van de onderhavige analyse, in een vlak 10U, dat evenwijdig is aan het
aan de buitenzijde aangebrachte vlak, dat een zijde van de collimator 50 bepaalt evenals aan het inwendig gelegen vlak, dat een zijde
bepaalt en het vlak, dat bepaald wordt door het middelpunt 60' van de detector 60. De intensiteitsverdeling van de fotonen, die in figuur M b ) is weergegeven, ontstaat onder de veronderstelling, dat de collimator 50 een vaste plaats heeft. In fig, M a ) is anderzijds aangenomen, dat
de collimator 50 gedurende de belichtingsbewerkingen beweegt zodat een driehoekige intensiteitsverdeling van de fotonen ontstaat.
Hen plaats met de waarde R geeft de volledige breedte aan bij het
halve maximum (FÏÏHM) van de ruimtelijke oplossing. Een dergelijk vermogen van het eamera^stelsel een ruimtelijke of plaatsoplossing te geven, kan gedefinieerd worden onder gebruikmaking van verschillende beaaderingen, Voor deze laatste aanduiding FHHM wordt er op gewezen dat deze is
afgeleid van de overweging, dat, indien een zeer kleine stralingsvlek in het voorwerpsvlak aanwezig is, het beeld in het algemeen een uitgesmeer-
Zoals in de bovenstaande beschrijving is aangegeven
2k
de punt zal zijn met in radiale richting afnemende intensiteit.
De plaatsoplossing wordt dan gedefinieerd als tweemaal de radiale afstand waarbij de intensiteit de helft is van de intensiteit in het middelpunt.
Onder beschouwing van fig. M c ) waarbij de analoge drie- 5 hoeken EFG en LOT beschouwd worden kan de oplossing van de collimator 50
in het algemeen worden weergegeven door:
Rc = j (A + B + C) (1)
waarin ^
A = de dikte van de collimator;
10 Ae = de effektieve collimatordikte, dankzij doordringing van het schot;
B = de afstand tussen broö en collimator;
C = de afstand tussen collimator en het middenvlak van de detector;
15 D = de effektieve middellijn van kanaal in de meerkanalige collimator
De effektieve middellijn D wordt geacht vierkant wortel te zijn uit dwarsdoorsnede oppervlak van een bepaald collimator-
kanaala vermenigvuldigd met 1,13,
20 De effektieve collimatordikte wordt bij benadering gegeven door:
h = A - y w ( 2 )
waarin jx (E) de verzvakkingscoëfficient is van het collimatormateriaal bij een fotonenergie E»
Voor een bepaald collimatormateriaal zijn voldoende dikke scheidingswanden nodig voor het verlagen van het aantal fotons
of gammastralen, dat een bepaald collimatorkanaal binnengaat, de scheidings- wand ervan doordringt en uittreedt door de opening van een ander of
aangrenzend kanaal. In fig. M c ) is een dergelijke baan van een foton of gammastraal aangegeven met UV. Er wordt op gewezen dat hierbij het foton of de straal door een collimatorschot of kanaal-begrenzing
gaat van dikte T over een minimale schotafstand W, waarbij de straal of het foton kan uittreden uit het kanaal, dat grenst aan het kanaal waar het oorspronkelijk binnenkwam. Het gedeelte van de fotons of stralen, dat langs de baan UV beweegt en dat werkelijk de schotwand doordringt 25
30
35
77 00 7 6
10
wordt gegeven door de penetratiefaktor:
P = exp (yi (E) W). (3) In het algemeen wordt in deze techniek de collimator
struktuur zodanig ontworpen, dat de penetratiefaktor P gegeven wordt door een waarde van minder dan ongeveer 5 f°. In dit verband kan gewezen worden op de onderstaande publicatie;
XX. H.O. Anger, "Radioisotope Cameras,"
Instrumentation in Nuclear Medicine, G.J. Hine, ed. Vol. 1, Academic Press, lew York, 1+85-552 (1967).
De minimale schotafstand ¥ is te vinden uit de gelijk- vormige driehoeken IJK en UVY met als benadering de waarde;
F = (M
2D + T K '
waarbij verondersteld wordt dat A groter is dan 2D + T, waarin T0 zoals eerder, de dikte van de schotwand is. Het oplossen van vergelijkingen 15 (3) en (1+) voor de schotwanddikte T geeft:
T = -2D In P , }
^i(E) A + 1n P K?J
De waarde T volgens vergelijking (5) dient voor het bepalen van de minimale schotdikte voor de collimator 50, die nodig is voor een bepaalde penetratiefaktor P.
Het geometrische rendement van de collimator wordt bepaald als de verhouding van het aantal gaamastralen of fotonen, dat door de collimator gaat tot het aantal fotonen of gammastralena dat door de bron wordt uitgezonden. In termen van de collimatorparameters kan dit rendement worden aangeduid met:
20
25
30
h '
KD 2
Ag (D + T)
( 6 )
waarin K = 0,238 voor hexagonaal aangebrachte cirkelvormige gaten en 0,282 voor vierkante gaten of kamers in een rechthoekig patroon.
Zoals in het bovenstaande beschreven is volgt de klinische waarde van het gammacameraafbeeldingsstelsel in hoofdzaak uit het vermogen van het stelsel kwaliteitsbeeldoplossing te bereiken. Gezien de optimale beeldoplossing, die praktisch bereikbaar is, is het dan gewenst een ontwerp te verschaffen, dat een zo hoog mogelijk rendement voor die onlossing verschaft» Voor een collimatorontwerp is het gewenst een lage
77 0 0 7 6 6
26
r.chot-penetratiefaktor te verschaffen evenals praktische vervaardigin^s- kosten» Verder leert een beschouwing van vergelijkingen (1) en (6) die in het bovenstaande zijn aangegeven voor de collimatoroplossing resp. het geometrische rendement» dat wanneer de oplossing
verbeterd wordt het rendement van de collimator kleiner wordt. Vastgesteld is, dat een meerkanalige collimator met evenwijdige gaten, waarvan de kanalen rechthoekige dwarsdoorsneden hebben een voorkeursgeometrisch ontwerp vormen. In dit opzicht blijkt dat wanneer deze laatste vergeleken worden met collimatorkanalen, die gevormd zijn als ronde gaten, hexagonaal gepakte patronen of hexagonaal gepakte bundels van buizen en zij alle identieke afmetingen krijgen, de oplossing gelijkwaardig blijft, maar dat het rendement van het voorkeurspatroon met rechthoekige doorsnede van de kanalen een faktor 1 x groter zal zijn dan die van het ontwerp met ronde gaten, terwijl het rendement van de hexagonaal gepakte bundel van buizen in zal liggen tussen de rendementwaarde van de twee boven aangegeven ontwerpen. Bij gevolg wordt, zoals in het bovenstaande is aangegevens
op basis van het maximale rendement bij een gewenste oplossing het ontwerp met rechthoekige gatdoorsnede geprefereerd.
Bij een beschouwing van de materialen, die uitgekozen kunnen worden voor het vervaardigen van de collimator, zijn degene die een ho^e dichtheid hebben, en een hoog atoomnummer geeigend voor nadere beschouwing. In het bijzonder kan vermelding worden gemaakt van wolfraam., tantaai en lood om voor de hand liggende redenen. Het eerste kriterium voor het materiaal is, dat een korte vrije weglengte wordt verkregen bij het beschouwde fotonenergieniveau. Voor het gewenste
energieniveau van 1^0 lceV is de gemiddelde vrije weglengte voor de foton- verzwakking 0,33mm in wolfraam, 0,37 mm in tantaai en 0,^ mm in lood.
Dienovereenkomstig vormt voor een keuze, die gebaseerd is op de gemiddelde vrije weglengte voor verzwakking wolfraam het optimale
collimatormateriaalo Tot dusver hebben evenwel praktische beschouwingen van verwerkingsmogelijkheden en verwerkbaarheid er toe geleid, dat wolfraam en/of tantaai buiten de keuze voor collimatorvervaardiging werden
gehouden. Zo zijn bijvoorbeeld voor meerkanalige collimators met een ronde kanaaldoorsnede wolfraam en tantaai te moeilijk en bij gevolg te kostbaar bij boorbewerkingen en in het algemeen zijn hexagonaal gepakte patronen, die dergelijke dwarsdoorsneden hebben, beperkt tot vervaardiging
in lood. Op overeenkomende wijze kunnen andere ontwerpen, die uit de gewenste materialen gevormd zijn ongeschikt zijn voor conventionele vervaardigings en vormtechnieken, waarbij de kostprijs van een dergelijke vervaardiging prohibitief kan zijn, zelfs voor de verfijnde camera-
apparatuur, waarin de collimator eenheden gebruikt moeten worden.
In de onderhavige voorkeursinrichting wordt een collimator- ontwerp met rechthoekige gaten verschaft, dat vervaardigd kan worden onder gebruikmaking van het optimale materiaal wolfraam. Perspektivisch
is in fig. 5 de collimator weergegeven als bevattende een patroon van onderling evenwijdige kanalen, met zijden, die een vierkante doorsnede bepalen. Deze kanalen bepalen inwendig en uitwendig aangebrachte zijden, die onderling evenwijdig zijn en de kanalen staan axiaal loodrecht op elk van deze zijvlakken. De hogelijk gewenste vierkante struktuur van :?ig. 5 wordt verkregen onder gebruikmaking van het eerder genoemde voor- keursmateriaal wolfraam of tantaai, welke materialen normaal moeilijk of niet praktisch toepasbaar onderworpen kunnen worden aan conventionele
vervaardigingsbehandelingen. Het praktische samenstel van de collimator 50 wordt evenwel verkregen onder gebruikmaking van een aantal aparte
rechthoekige plaatdelen, zoals is aangegeven in het gedeeltelijke samenstel van de collimator 114 van fig. 6. In die figuur wordt er op gewezen dat het deel 110 bestaat uit een vlakke rechthoekige plaat met een hoogte h die overeenstemt met de gewenste collimatordikte A. Vanuit een rand van het deel 110 is een aantal sleuven aangebracht dat op regel- matige afstanden ligt en die onderling evenwijdig zijn en in het algemeen met 112 zijn aangegeven. De sleuven 112 hebben een hoogte die gelijk- waardig is aan h/2 en hebben een zodanige onderlinge afstand dat zij een spoed of hartlijn op hartlijn afstand hebben van D + T. De sleuven worden gevormd met een breedte T + e, waarin e uitsluitend een tolerantie is.
"anneer een aantal plaatorganen zoals bijvoorbeeld bij 110 en 1 i s weergegeven, vertikaal wordt omgekeerd met een wederzijdse oriëntatie en overeenkomende sleuven zoals bij 112 en 116 in elkaar grijpend, kan de collimator worden opgebouwd tot de gewenste afmetingen, zonder dat be- werkelijke vervaardigingsprocedures nodig zijn. Er wordt op gewezen, dat de breedte van de sleuven 112 en 116 een nauwkeurige benadering is van de breedte van elk van de plaatdelen in het patroon met een beheerste tof lating van toleranties. Bij het bepalen van de waarde van de boven-
77 00 76 6
£.3
genoemde spoed van de regelmatig terugkerende sleuven in de plaatdelen, waarbij aangenomen wordt dat aan de oplossingskriteria wordt voldaan, kan een afstand worden gekozen zodanig dat aanpassing aan de hart tot hart elektrodestrook afstand van een detectorcomponent 60 verkregen wordt 5 of een veelvoud daarvan, zodat de schotwanden van de collimator 50
gealinieerd kunnen zijn met minder werkzame groeven, die in de detector gevormd worden. Praktische vervaardigingstechnieken zijn beschikbaar voor het vormen van de sleuven zoals die bij 112 en 116 zijn aangegeven.
In het bijzonder kunnen chemische materiaalverwijderingstechnieken voor dit 10 doel gebruikt worden bij deze technieken wordt een masker van een was-
' type aangebracht op de te bewerken platen, waarbij die delen van het materiaal, die verwijderd moeten worden, ongemaskeerd blijven. De platen worden dan onderworpen aan uitgekozen etsmiddelen , waardoor de sleuven gevormd worden. Na een geschikte reiniging zijn de plaatdelen gereed voor 15 de betrekkelijk eenvoudige assemblage van een volledige collimator.
(
Het gebruik van dergelijke chemische materiaal verwijderingstechnieken
geeft de mogelijkheid de gewenste toleranties bij het vormen van de sleuven aan te houden. Door de weergegeven collimatorstruktuur te gebruiken in combinatie met het optimale plaatmateriaal namelijk wolfraam, kan een 20 berekenbare verbetering van 35 tot Ho % van het collimatorrendement
verkregen worden in vergelijking met hexagonaal gepakte loodcollimators met ronde gaten van identieke afmetingen, en een verbetering van 50 tot 80 % van de schotdoordringingskarakteristieken evenals een gemiddelde verbetering van 5 % van de geometrische oplossing. De eollimatorvervaardigingstechniek 25 en struktuur blijken verschillende voordelen te bieden boven meer
conventionele collimatorstrukturen. Zoals uit het bovenstaande blijkt omvatten deze voordelen de beschikbaarheid voor het ontwerp van de betere afschermeigenschappen van wolfraam; eenvoud van componentontwerp en bij gevolg gemakkelijke assemblage en het gebruik van de optimale
30 geometrie van kamers met rechthoekige doorsnede voor een maximaal geometrisch rendement, Om evenwel deze optimale prestatie te bereiken voeren de
assemblagetechnieken noodzakelijkerwijze smalle spleten inbij de door- snijdingen van de schotwanden van een gerede collimatorstruktuur. Deze spleten bestaan dankzij de toleranties, die nodig zijn om de schotwanden 35 in elkaar te laten passen en de invloed van de gammastraling, die door
deze spleten gaat5 moet beschouwd worden.
In eerdere uiteenzettingen in deze 'beschrijving is aangegeven, dat een schotpenetratie van 5 % of minder van de invallende gammastraling de voorkeur verdient voor het collimatorontirerp. Hieruit volgt,dat de stroomfaktor voor de "beschouwde collimatorstruktuur de zelfde eonfiguratieparameter moet hebben in het belang van de gewenste eenheid van systeem ontwerp. Door gebruik te maken van een geometrische analyse van een worst case kan de vereiste kleinste tolerantie worden afgeleid, die nodig is voor de passende inelkaar grijping van de schot- wanden en voor een gewenste afstand tussen bron en collimator. Een dergelijke analyse zal aangeven, dat de sleuftolerantie bij voorkeur niet meer moet bedragen dan 0,025 mm en nog meer bij voorkeur nog geringer moet zijn in die mate dat praktische vervaardiging nog mogelijk is.
In de bovenstaande bespreking van de funktionele betrekkingen tussen de collimator en het detectorpatroon 32 werd geen commentaar geleverd ten aanzien van de invloed van de aparte elektrode- stroken van de detector op de uiteindelijke beeldoplossing. Gebleken is, dat door de geometrische configuratie orthogonale strookdetectors, zonder geschikte correctie "alias" frequentiecomponenten in de uitgang van het stelsel zullen invoeren. Zo zou bijvoorbeeld in een zuiver lineair stelsel de uitgang van de camera bestaan uit dezelfde ruimtelijke
frequentiecomponenten als de ingang met uitzondering van de mogelijkheid van verlaagd contrast. Bij beschouwing van fig. 7(a)-(c) wordt het
aliasing verschijnsel gedemonstreerd aan de hand van een schematische voorbeeld,Weergave van een strook elektrodedetector 130, Bij de weergave van dit slechtste geval is geen collimator aanwezig en is de elektronische oplossing minder dan een strookbreedte. In fig. 7(a) is een bronverdeling aangegeven, die bijvoorbeeld verkregen kan worden onder gebruikmaking van 3 onderscheiden gecollimeerde puntbronnen, die zich op gelijke onderlinge afstanden bevinden van de 1,5 x de strookafstand. De
reciproce van de periodieke afstand van de componenten, die zijn weer- gegeven kan worden aangeduid met v. De bronverdeling, die is weergegeven, is er een met primaire frequentiecomponenten van v^ = 0 , en v^ = 2^/3.
De broningang is in het weergegeven voorbeeld zodanig aangegeven, dat de drie eigenschappen, die een aliasing verschijnsel accentueren
11 0 0 7 8 6
30
aanwezig zijn9 namelijk een periodieke ingang, 100 % contrast, en een hoge signaal-ruisverhouding.
Fig. 7(b) toont een deel van een strookelektrode- detector 130 waarbij de eerder beschreven detectorgroeven gealinieerd zijn ten aanzien van de ingangssignalen, die zijn weergegeven in fig. 7(a).
Het eên-dimensionale ruimtelijke beeld, dat verkregen kan worden met bijvoorbeeld een meerkanalige analysator is weergegeven in fig. 7(c)
als kromme 132» Voor vergelijking is het overeenkomende ruimtelijke beeld, dat verkregen zou worden in een stelsel met een collimator 9 die in staat is de ingangssignalen op te lossen, een detector met een strookafstand, die voldoet aan het anti-aliaseringskriterium en een anti-aliaserings- elektronisch kanaals aangeduid bij 13^. Dit beeld toont geen alias- componenten.
Bij beschouwing van in het bijzonder de aliasverschijnselen die zijn weergegeven in de kromme 132, zijn de vier laagste ruimtelijke frequenties de volgende:
M' (1) een component bij v = 0, een nulfrequentiecomponent, die de gemiddelde waarde van de vier pieken aangeeft;
(2) een component bij v s 2v /3» hetgeen de frequentie is, s
die gelijk is aan de reciproke van de afstand tussen een van de twee buitenste pieken en de gemiddelde plaats van de twee binnenste pieken,
(3) een component bij v = vgs hetgeen de frequentie is die gelijk is aan de reciproke van de afstand tussen elke van de vier pieken; en
{k) een component bij v = v /3 hetgeen de frequentie is, s die gelijk is aan de reciproke van de afstand
tussen de twee buitenste pieken.
De eerste twee boven aangegeven componenten zijn de
hoofdbroncomponenten, terwijl de tweede twee componenten aliascomponenten zijn van de hoofdbroncomponenten,geconcentreerd bij de eerste harmonische van de strook steekproef frequentie»
Voorafgaande aan een beschouwing van een typische
weergave van de ruimtelijke frequentiereaktie van een één-dimensionale gammacamera als aangegeven in fig. 8(a) - (d) dienen de modulatie
