DE2112354B2 - Szintillationskamera mit einer zwischen einem szintillator und photoelektrischen wandlern liegenden blendenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Szintillationskamera mit so einem Szintillator, einer mit dem Szintillator über einen Lichtleiter optisch gekoppelten Anordnung aus mehreren photoelektrischen Wandlern und einer Licht reflektierenden bzw. streuenden Blendenanordnung zwischen dem Szintillator und den photoelektrischen Wandlern.

Die Anwendung von inkorporierten Radionukliden zur topographischen und funktioneilen Untersuchung von Organen, Gefäßen und Skeletteilen ist in den letzten Jahren zu einer wichtigen Untersuchungsmethode in der Medizin geworden. Dabei werden Gammastrahlen emittierende Nuklide durch Schlucken, Einatmen oder durch intravenöse Injektion in den Körper des Patienten eingebracht. Je nach Art der markierten Verbindung und dem Funktionszustand des zu untersuchenden Organs erfolgt dort eine mehr oder minder starke Anreicherung der Radioaktivität.

Bei genügend hoher Energie der Gamma-Quanten (über 30keV) können mit Detektoren außerhalb des Körpers das radioaktive Verteilungsmuster und seine zeitlichen Veränderungen im Untersuchungsbereich gemessen werden. Diese Meßdaten lassen Rückschiasse zu auf Größe, Form, Lage und Funlciionszustand der untersuchten Organe, Gefäße und Skeletteile. Auch für die Erkennung und Lokalisation von Tumoren und Metastasen ist die beschriebene Untersuchungsmethode von großer Bedeutung. Bei Einführung dieser Untersuchungsmethode wurde das radioaktive Verteilungsmuster im Untersuchungsgebiet durch punktweises Abtasten mit einem Szintillationsdetektor gemessen und analog aufgezeichnet Nach diesem ersten Meßverfahren wird die Untersuchungsmethode allgemein »Szintigraphie« genannt. Heute werden zur Szintigraphie neben den sehr weit entwickelten, aber relativ langsamen, abtastenden Systemen, den sogenannten Scannern, in zunehmendem Maße die sehr viel schnelleren Szintillationskameras verwendet, die das gesamte Untersuchungsgebiet gleichzeitig erfassen und rasch ablaufende Veränderungen im radioaktiven Verteilungsmuster registrieren können.

Eine bekannte Szintillationskamera ist die Szintillationskamera nach Anger (z. B. US-PS 30 U 057 und »Kerntechnik«, 1967, S. 542-545). Der Meßkopf dieser Kamera besteht aus einem großflächigen Szintillationskristall von 28 cm Durchmesser und 1,3 cm Dicke. Durch einen dicken Bleikollimator mit bis zu 4000 parallelen Bohrungen (Vielkanalkollimator) gelangen die Gamma-Quanten in den Szintillationskristall. Die im Kristall ausgelösten Szintillationen werden mit einei hexagonalen Anordnung von 19 Photovervielfachern analysiert und mittels eines fest verdrahteten Analog Computers in elektrische x- und y-Koordinaten-Impulse verwandelt. Diese Impulse werden auf die Ablenkplat ten eines Oszillographen gegeben, der nur danr hellgesteuert wird, wenn im Kristall eine Photoabsorp tion stattgefunden hat Dies wird dadurch erreicht, dat der Summenimpuls der beiden KoordinatensignaU einem Impulshöhenanalysator zugeführt wird, der das Hellsteuersignal (z-Impuls) liefert. Finden im Szintilla tionskristall Photoabsorptionen statt, so erscheinen au dem Oszillographenschirm Lichtpunkte, deren relativ« Lage den Absorptionsorten der Strahlung im Kristal entspricht. Auf diese Weise wird das Detektorbild etwi im Maßstab von 4,5 :1 auf den Oszillographenschirn abgebildet Während der Messung wird das Schirmbilc mit einer Einzelbild- oder Kinokamera integrieren photographiert.

Da ein typischer Szintillationskristall thalliumakti viertes Natriumiodid enthält und dieses hygroskopiscl ist, muß der Kristall hermetisch eingeschlossen sein. Ai der den Photovervielfachern zugewandten Seite dei Kristalls ist zu diesem Zweck ein Glasfenster vorgese hen, das eine Dicke von etwa 1,27 cm hat Zwischen den Glasfenster und den Photovervielfachern befindet siel ein Lichtleiter, der typischerweise eine Dicke in dei Größenordnung von etwa 3,8 cm besitzt. Somit liegt be einer Kamera dieser typischen Abmessungen jed< Szintillation, die in dem Kristall auftritt, mindesten: etwa 5 cm von dem nächsten Photovervielfachei entfernt.

Vorschläge für etwas dünnere Lichtleiter sim bekannt, aber der dünnste dieser Lichtleiter ist immei noch etwa 3,5 cm dick, was bei einer Ankopplung an eil etwa 1,27 cm dickes Glasfenster nur zu einer minimaler Entfernung zwischen Ort der Szintillation und Photo vervielfacher von etwa 4,75 cm führt.

Je weiter jedoch eine Szintillation von den Photovervielfachern entfernt erfolgt, desto schwächer ist das Lichtsignal, das von den Photovervia'faclhern aufgenommen wird; dementsprechend schwächer ist auch das elektrische Ausgangssignal der Photovervielfacher, d. h. das Verhältnis Nutzsignal/Rauschen ist relativ klein. Umgekehrt sind die Signale um so stärker, je näher die Photovervielfcidier dem Ort der Szintiliation liegen. Sowohl die Theorie als auch das Experiment zeigen, daß dies das räumliche Auflösungsvermögen der Kamera verbessert.

Der relativ große Abstand zwischen den Photovervielfachern und dem Szintillationskristall der Anger-Szintillationskamera ist durch die von Anger als essentiell betrachtete Forderung bedingt, daß jeder Photovervielfacher ein relativ ausgedehntes Kristallgebiet »sehen« soll, wobei die einzelnen Gebiete sich überlappen (vgl. Sp. 1, Z. 42-44 und Sp. 3. Z. 20-25 der genannten US-PS). Jedem Phoiovervielfacher ist dabei eine Ringblende mit einer sich konusförmig erweiternden öffnung vorgeschaltet Diese Konusblenden definieren jeweils einen imaginären räumlichen Kegel, der sich koaxial von den Photovervielfachern zum Szintillationskristall erstreckt. Es wird also davon ausgegangen, daß jeder Photovervielfacher jede Szintillation sieht, die in dem zugeordneten räumlichen Kegel auftritt, während vom Ort des Auftretens einer Szintillati on entferntere Photovervielfacher nur geschwächte Lichtanteile empfangen.

Wegen des relativ großen Abstandes der Photover- 3υ Vielfacheranordnung vom Szintillationskristall kommt die Anger-Szintillationskamera (nach US-PS 30 11 057) über eine bestimmte Auflösung nicht hinaus. Bei dieser Kamera wurde ein Auflösungsvermögen in der Größenordnung von 0,95 cm bei einem Kristall von etwa 3S 34,3 cm Durchmesser und einer Gamma Energie von 140 keV als ausgezeichnet angesehen. Bei einem Kristall von etwa 29,2 cm Durchmesser mit einem Gesichtsfeld von etwa 24,1 cm und mit 19 Vervielfachern, die dichter zusammengepackt waren, wurde ein Auflösungsvermögen von etwa 0,64 cm bei 140 keV als hervorragend angesehen.

Man hat zwar versucht, den Abstand zwischen der Photovervielfacheranordnung und dem Szintillationskristall zu verringern, jedoch war dann ein Verlust an Gleichförmigkeit und Linearität zu verzeichnen. Dies bedeutet, daß in einem gleichförmigen Strahlungsfeld das System »helle« und »dunkle« Gebiete erzeugt, die also nicht auf entsprechender Radionuklidkonzentration beruhen; darüber hinaus werden die auf dem Oszillographen erzeugten Lichtsignale von ihrer gewünschten Position versetzt, was zu einer verzerrten Abbildung führt. Ferner ist bekannt, daß ein Verlust an Gleichförmigkeit der Systemempfindlichkeit auftritt. Das bedeutet, daß die Bilder, die aus integrierten Lichtpunkten gebildet werden, helle und dunkle Gebiete wiedergeben, die nicht auf einer entsprechenden Radionuklidkonzentration beruhen. Wegen dieser Schwierigkeiten konnte somit bei der bekannten Szintillationskamera ein gewisser Mindesi;abstand nicht unterschritten werden, wodurch auch die Empfindlichkeit begrenzt blieb.

Aus der Zeitschrift »IEEE-Transactioris on Nuclear Science«, Band NS-13,1966, Nr. 3, Seiten 380 bis 392, ist eine Szintillationskamera der eingangs genannten Art bekannt, bei der die photoelektrischen Wandler mit dem Szintillator über einen lichtdurchlässigen optischen lichtleiter eekoDDelt sind und Licht, das normalerweise auf die Zwischenräume zwischen dem photoelektrischen Wandler fallen würde, durch eine schräge weiße Räche, die als Licht-Ablenkfläche wirkt, reflektiert wird. Die Abmessungen der Licht-Ablenkfläche und der Abstand zwischen photoelektrischen Wandlern und Szintillationskristall werden im Hinblick auf das Erreichen einer optimalen Leistung dabei als kritisch bezeichnet Durch die reflektierenden, weißen Schrägflächen zwischen den photoelektrischen Wandlern wird zwar verhindert daß auf diese Bereiche zwischen den Wandlern treffendes Licht verlorengeht, aber eine wesentliche Verbesserung des Auflösungsvermögens der Szintillationskamera wird durch diese Maßnahme nicht erreicht

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Szintillationskamera der eingangs definierten Art so auszubilden, daß das räumliche Auflösungsvermögen verbessert und Verzerrungen in der Wiedergabe vermieden werden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Blendenanordnung aus einer oder mehreren Abdeckblenden besteht, die zwischen einem oder mehreren der photoelektrischen Wandler und dem Szintillator angeordnet und derart ausgebildet sind, daß sie die Direktübertragung eines Teiles des Lichtes von dem Punkt, an dem eine Szintillation auftritt, auf den diesem Punkt am nächsten liegenden photoelektrischen Wandler verhindern.

Durch die Maßnahme der Verwendung wenigstens einer Abdeckblende zwischen photoelektrischen Wandlern und Szintillator wird erreicht, daß die direkte Übertragung von Licht vom jeweiligen Szintillationsort auf den jeweils am nächsten liegenden photoelektrischen Wandler reduziert wird, wodurch die entfernteren photoelektrischen Wandler einen vergleichsweise größeren Anteil empfangen, wodurch das Sifjnal/ Rausch-Verhältnis verbessert und überraschenderweise eine deutliche Erhöhung der Genauigkeit der Ortsbestimmung der Szintillation unter Vermeidung von Verzerrungen erreicht wird.

Als weitere vorteilhafte Folge der Verwendung von Abdeckblenden zwischen photoelektrischen Wandlern und Szintillationskristall ergibt sich, daß ein relativ dünner Lichtleiter, dessen Dicke in der Größenordnung von etwa 1,27 cm oder weniger liegt, verwendet werden kann. Dadurch kann wiederum die Gesamtlichtmenge, die von allen photoelektrischen Wandlern empfangen wird — und damit die Empfindlichkeit bzw. das Auflösungsvermögen — erhöht werden.

Untersuchungen haben gezeigt, daß bei einer Gamma Quanten-Energie von 140 keV mit einer Kamera, die einen Kristall von etwa 34,3 cm 0 mit einem Gesichtsfeld von etwa 30,5 cm 0 und 19 photoelektrischen Wandlern besitzt, ein Streifenmuster aufgelöst werden konnte, bei dem die Streifenbreite und der Streifenabstand etwa 0,55 cm betrugen.

Vorzugsweise besitzen einige der Abdeckblenden jeweils einen nabenartigen Teil und mehrere radial vom nabenartigen Teil ausgehende speichenartige Teile. Die speichenartigen Teile sind zweckmäßigerweise jeweils symmetrisch zu Ebenen angeordnet, die durch die Achsen von Wandlern verlaufen. Durch Wahl der Länge und Gestalt der Speichen können die Betriebsparameter der Szintillationskamera optimiert werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Abdeckblenden aus einer auf der den Wandlern zugekehrten Seite und/oder der dem Szintillator zugekehrten Seite des Lichtleiters aufgebrachten reflektierenden Schicht. Die Schicht kann

zweckmäßigerweise auf dem Lichtleiter auflackiert sein.

Bei einer Szintillationskamera, bei der die photoelektrischen Wandler auf Kreisringen um einen zentralen Wandler angeordnet sind, ist vorzugsweise der zentrale Wandler weiter entfernt von dem Lichtleiter als die anderen Wandler angeordnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Teilschnittansicht des Meßkopfes einer Szintillationskamera,

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Lichtleiter des Meßkopfes, gesehen von der Seite der photoelektrischen Wandler, und

F i g. 3 eine Draufsicht auf den Lichtleiter, gesehen von der Szintillationskristallseite des Lichtleiters.

In F i g. 1 ist der Aufbau eines Meßkopfes 10 dargestellt; er umfaßt einen Block 18, der in einem Gehäuse 21 eingebaut ist Dieser Block enthält zunächst einen großflächigen Szintillationskristall 20 aus thalliumaktiviertem Natriumiodid. Ein Vielkanalkollimator 22 ist lösbar an dem Gehäuse 21 befestigt Das Gehäuse um den Kollimator besteht aus Abschirmmaterial, beispielsweise Blei, so daß nur diejenige Strahlung den Szintillationskristall 20 erreicht, die durch den Kollimator einfällt. Ein Eingangsfenster 23 ist für Licht undurchlässig, aber für Gammastrahlung in dem allgemein verwendeten Energiebereich durchlässig. Dieses Eingangsfenster ist üblicherweise eine Aluminiumscheibe, die an einem Kristallträgerring 24 hermetisch verschlossen befestigt ist Von dem Kristallträgerring 24 wird weiterhin ein Glasausgangsfenster 25 getragen. Der Szintillationskristall 20 und die Eingangsund Ausgangsfenster 23,25 und ihr Kristallträgerring 24 bilden ein im Handel erhältliches Bauteil. Dieses Bauteil ist an einem Trägerring 27 mittels Befestigungsgliedern 28 befestigt

Es ist weiterhin ein scheibenförmiger Lichtleiter 32 vorgesehen, der aus einem für das aus dem Kristall emittierte Licht transparenten Material besteht Der Lichtleiter 32 hat eine planare Eingangsfläche 33, die an der polierten planaren Ausgangsfläche 34 des Ausgangsfensters 25 anliegt

Neunzehn Sekundärelektronen-Vervielfacher 35Λ, 35ßund 35C— im folgenden photoelektrische Wandler genannt — sind in einer regelmäßigen Konfiguration angeordnet. Die Konfiguration weist einen zentralen Wandler 35Λ auf, einen inneren Ring von sechs Wandlern 35fl um den zentralen Wandler und einen äußeren Ring von zwölf Wandlern 35C Die photoelektrischen Wandler haben an der Fläche 50 Eingangsfenster 36, die angrenzend an den Lichtleiter 32 in einer Weise angeordnet sind, die noch im Detail beschrieben wird Zur Halterung der Wandler, die von ringförmigen Buchsen 42 umgeben sind, ist eine Platte 39 vorgesehen. Die Buchsen sind kompressibel und spannen jeden Wandler in bezug auf die Oberfläche des Lichtleiters 32 vor.

Die Platte 39 und ein weiterer Trägerring 29 sind durch einen Abstandszylinder 43 getrennt und können mittels Muttern 46 auf Bolzen 44 miteinander verspannt werden, wodurch die Wandleranordnung in sich mechanisch stabil ist und in guter optischer Kopplung mit dem Lichtleiter 32 und damit auch mit dem Glasausgangsfenster 25 steht

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Wandlerseite des Lichtleiters 32 Diese Seite ist mit Ausnahme von 19 Löchern 52A 56R 56C an denen die photoelektrischen Wandler angekoppelt sind, mittels eines Überzuges bedeckt, welcher zur Reflektion und Streuung des Lichts durch den Lichtleiter beiträgt.
Wie die F i g. 2 zeigt, befinden sich sechs der zwölf Wandler des äußeren Ringes (C) dichter an dem zentralen Wandler als die übrigen sechs. Um den nutzbaren Bereich des Systems zu erhöhen, hat jeder der weiter innenliegenden Wandler des äußeren Ringes Teilabschirmungen in der Form von Streifen 57, die sich

ίο über die inneren öffnungen 56C erstrecken. Diese Abdeckblenden können auf verschiedene Weise gebildet sein, beispielsweise durch Verwendung von Abdeckband, von Papier oder dergleichen; im allgemeinen werden jedoch Streifen aus dem gleichen lichtreflektierenden Material, wie es für den übrigen Oberzug 51 verwendet wird, aufgebracht. Die sechs streifenförmigen Abdeckblenden 57 können dabei gleichzeitig mit dem Überzug 51 aufgebracht werden, so daß die Streifen praktisch einen Teil des Überzugs darstellen.

In Fig.3 ist die Kristallseite des Lichtleiters 32 dargestellt; er weist einen kreisringförmigen reflektierenden Überzug 60 auf, der aus dem gleichen Material. wie es für den Überzug 51 verwendet wird, bestehen kann. Der innere Durchmesser des Ringes des Überzugs 60 entspricht dem Durchmesser des Fensters 25 (F i g. 1). Somit ist die Kristallseite des Lichtleiters in dem Gebiet, das das Fenster umgibt, mit einem reflektierenden Material überzogen, um die Lichtstreuung zu unterstützen, während das nicht von Abdeckblenden überdeckte Gebiet innerhalb des Überzugs 60 direkt an das Fenster 25 angekoppelt ist.

Eine Abdeckblende 61 für den zentralen Wandler 35/4 und Abdeckblenden 62 für den inneren Ring der Wandler 35ß haben zweckmäßigerweise gemäß F i g. 3 eine speichenähnliche Ausgestaltung mit einer Reihe von Speichen 63, die mittels eines ringförmigen Nabenteiis 64 verbunden sind, in dem sich eine öffnung 65 befindet Die Abdeckblenden sind jeweils zentrisch zum zugehörigen Wandler ausgerichtet. Diese Abdeckblenden, weiche das Licht streuen und reflektieren, können ebenfalls aus dem gleichen Überzugsmaterial hergestellt sein, das für den Überzug 51 verwendet wird, sie können jedoch auch, wie auch die Abdeckblenden 57, auf andere Weise hergestellt sein.

Die F i g. 2 zeigt daß die Speichen jeweils entsprechend der Geometrie der Wandleranordnung angeordnet sind. Jede Speiche ist symmetrisch in einer Ebene angeordnet, die von der Achse des abgedeckter Wandlers und den Achsen anderer Wandler festgelegi ist So ist z. B. der mittlere Wandler über der öffnung 52A der mittlere Wandler der drei Reihen 70,71,72 vor jeweils fünf öffnungen.

Eine weitere Verbesserung kann dadurch erreicht werden, daß der zentrale Wandler weiter von dem Kristall 20 entfernt als die übrigen Wandler angeordnet wird, was in gestrichelten Linien in F i g. 1 dargestellt ist Dies ist eine Möglichkeit zur Beseitigung eines mittlerer »heißen Fleckes«.

Ober die zuvor erwähnten Vorteile hinaus werden mil den Abdeckblenden noch die folgenden Verbesserun gen erreicht:

1. Die Z-Signale sind gleichförmiger. Dies bedeutet daß eine gewichtete Summe der Ausgangssignah aller Wandler gleichförmiger in bezug auf ein« seitliche Lage der Szintülation ist, verglichen mi bekannten Kameras, wo eine beachtliche Verände rung in Abhängigkeit davon vorlag, ob eini

Szintillation unmittelbar unterhalb eines Wandlers oder an einer Stelle unmittelbar unterhalb eines Raumes auftrat, der nicht von einem Wandler bedeckt war.

2. Die Verwendung von Abdeckblenden macht die Empfindlichkeit des Systems für Lichtimpulse in dem Kristall gleichmäßiger. Somit werden »heiße« oder »kalte« Bereiche in dem Bild, welche als Abnormitäten des Untersuchungsobjektes gedeutet werden könnten, in ihrer Abmessung, Anzahl und Intensität verringert.

3. Es kann auch der »Randeffekt«, der als heller Ring im Umfangsteil des Kristalls erscheint, beseitigt werden. Dazu wird ein schwarzer Überzug auf die innere Oberfläche des Abstandszylinders 43 aufgebracht, um aus dem Umfang des Lichtleiters 32 austretendes Licht zu absorbieren.
Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß das Abdeckmaterial auch ein integraler Teil des Lichtleiters sein kann, indem das Kunststoffmaterial, aus dem dei Lichtleiter im allgemeinen besteht, undurchlässig gemacht wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

tD951B/1l

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Szintillationskamera mit einem Szintillator, einer mit dem Szintillator über einen Lichtleiter optisch gekoppelten Anordnung aus mehreren photoelektrischen Wandlern und einer Licht reflektierenden bzw. streuenden Blendenanordnung zwischen dem Szintillator und den photoelektrischen Wandlern, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenanordnung aus einer oder mehreren Abdeckblenden (57, 61, 62, 63, 64) besteht, die zwischen einem oder mehreren der photoelektrischen Wandler (35A 35ß, 35CJ und dem Szintillator (20) angeordnet und derart ausgebildet sind, daß sie die Direktübertragung eines Teiles des Lichtes von dem Punkt, an dem eine Szintillation auftritt, auf den diesem Punkt am nächsten liegenden photoelektrischen Wandler verhindern.

2. Szintillationskamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Abdeckblenden jeweils einen nabenartigen Teil (64) und mehrere radial vom nabenartigen Teil ausgehende speichenartige Teile (63) aufweisen.

3. Szintillationskamera nach Anspruch 1 oder 2, *5 dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckblenden aus einer auf der den Wandlern (35Λ, 35B, 35C) zugekehrten Seite und/oder der dem Szintillator (20) zugekehrten Seite des Lichtleiters (32) aufgebrachten reflektierenden Schicht bestehen.

4. Szintillationskamera nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die speichenartigen Teile (63) jeweils symmetrisch zu Ebenen angeordnet sind, die durch die Achsen von Wandlern (z. B. 35/1 und 35fli>verlaufen.

5. Szintillationskamera nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf dem Lichtleiter (32) auflackiert ist

6. Szintillationskamera nach einem der Ansprüche

1 bis 5, bei der die photoelektrischen Wandler auf Kreisringen um einen zentralen Wandler angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Wandler (35,4J weiter entfernt von dem Lichtleiter (32) als die anderen Wandler (35,8,35Q angeordnet ist.