DE60010782T2

DE60010782T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Klassifizierung von Ereignissen eines Gammastrahlungsdetektors in Echtzeit

Info

Publication number: DE60010782T2
Application number: DE60010782T
Authority: DE
Inventors: Corinne Mestais; Alain Chapuis; Françoise Mathy; Loick Verger
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2020-03-03
Also published as: US6329651B1; FR2790560A1; DE60010782D1; FR2790560B1; EP1037070B1; EP1037070A1; JP2000258536A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Echtzeit-Klassifizierungsverfahren der Detektionssignale eines Gammastrahlendetektors, das ermöglicht, eine Diskriminierung zwischen den einer direkten Strahlung entsprechenden Signalen und den einer indirekten oder diffusen Strahlung entsprechenden Signalen durchzuführen.
Unter direkten Strahlen versteht man Strahlen, die – nachdem sie von einer radioaktiven Zone abgestrahlt worden sind – direkt mit dem Detektor interagieren. Die indirekten Strahlen hingegen interagieren einmal oder mehrmals mit einem die radioaktive Zone umgebenden Stoff bzw. Milieu, ehe sie mit dem Detektor interagieren.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, insbesondere eine Gammakamera, welche das Klassifizierungsverfahren durchführt.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Korrektur der Detektions-Gleichmäßigkeit einer Vielzahl von Detektionselementen des Detektors.
Die Anwendungsgebiete der Erfindung sind insbesondere die Herstellung medizinischer Bilder und die Medizin, zur Herstellung von Gammakameras.
Stand der Technik
In der Nuklearmedizin gibt es bestimmte Diagnoseverfahren, bei denen man dem Patienten Radioelemente in Form eines radioaktiven Tracers wie zum Beispiel Technetium, Jod oder Thallium injiziert.
Anschließend wird eine Gammakamera benutzt, um die vom Patienten stammenden Gammastrahlen zu detektieren und um ein Bild der Gewebe oder des betreffenden Organs herzustellen. Der Kontrast des Bildes hängt von der Fixierung der Radioelemente durch die Gewebe ab.
Die verwendeten Gammakameras sind meistens Kameras des Anger-Typs. Eine solche Kamera ist in der 1 schematisch dargestellt.
Die Gammakamera umfasst im Wesentlichen einen szintillierenden Kristall 10, ausgestattet mit einem Kollimator 12 und einer Vielzahl von Fotovervielfachern 14, die durch ein transparentes Material 16 mit dem Szintillationskristall optisch gekoppelt sind.
Eine Schwerpunktberechnung, durchgeführt mit dem durch jeden Fotovervielfacher als Reaktion auf ein Ereignis gelieferten Signal ermöglicht, die Stelle des Kristalls zu lokalisieren, wo die Gammastrahlung mit dem Material interagiert hat.
Diese Lokalisierung ermöglicht, auch die Position einer radioaktiven Zone 18 zu kennen, die die Strahlung emittiert. Dies ist insbesondere dank des Kollimators 12 möglich, der – wie die 1 zeigt – ermöglicht, die Strahlen zu eliminieren, deren Einfallwinkel nicht im Wesentlichen senkrecht ist zur Eingangsfläche des Detektors.
Die Gammastrahlen, die den Szintillationskristall erreichen, können – wie der Strahl 20 der 1 – Strahlen sein, die nach dem Verlassen der radioaktiven Zone 18 direkt mit dem Detektor interagieren. Diese Strahlen sind Teil eines in der Folge des Texts mit "Direktstrahlung" bezeichneten Phänomens.
Andere Strahlen hingegen interagieren einmal oder mehrmals mit dem die radioaktive Zone umgebenden Stoff bzw. Milieu, ehe sie den Szintillator erreichen. Dies ist zum Beispiel der Fall des Strahls 21 in der Figur, der außerhalb der radioaktiven Zone ein erstes Mal im Körper des Patienten interagiert. Nach dieser ersten Wechselwirkung erreicht ein gestreuter Gammastrahl von schwächerer Energie den Szintillator. Dieses Phänomen, zurückzuführen auf den Compton-Effekt, wird in der Folge des Textes "Streustrahlung" genannt.
Man sieht in der Figur, dass die Streustrahlung eine falsche Lokalisierung der radiaktiven Zone verursachen könnte und zu einer Verschlechterung des Kontrasts des medizinischen Bildes führt, indem sie Geräusch einführt.
Wie oben erwähnt ist die Streustrahlung durch die Tatsache gekennzeichnet, dass ihre Energie niedriger ist als die der Direktrahlung.
Indem man eine Diskriminierung der Detektionssignale durchführt, das heißt diejenigen ausscheidet, deren Energie-Amplitude sich außerhalb eines bestimmten Fensters befindet, ist es möglich, den Beitrag der Streustrahlung zu eliminieren.
Im Allgemeinen legt man ein Amplitudenfenster um den Amplituden-Maximalwert herum fest, in Abhängigkeit der Energie der Signale bei einer bestimmten Emissionsenergie der radioaktiven Zone.
Wenn das Fenster schmal ist, erhöht man den Kontrast des Bildes, indem man die Akzeptanz der Streustrahlung begrenzt. Dies geschieht aber auf Kosten der Anzahl der effektiv detektierten Ereignisse, das heißt der zu Herstellung eines Bildes verwertbaren Ereignisse.
Wenn hingegen das Fenster breiter ist, ist die Zahl der Ereignisse für einen gleichen Messzeitraum größer, aber der Bildkontrast wird schlechter.
Im Rahmen der Anwendungen zur Herstellung medizinischer Bilder ist es nicht möglich, den Patienten zu starke radioaktive Dosen zu injizieren, und außerdem sollte die Untersuchung nicht zu lange dauern. Also sind die Anzahl der pro Zeiteinheit effektiv gemessenen Ereignisse und die Energieauflösung des Detektors wichtige Parameter.
Unter Energieauflösung versteht man das Verhältnis der Energie-Peak-Breite auf halber Höhe einer Verteilung um den Emissionsenergiewert herum zur Emissionsenergie.
Eine neuere Entwicklung von Gammakameras, bei denen die Szintillations-Detektoren durch Halbleiter-Detektoren ersetzt wurden, hat eine Verbesserung der Erfassung der Ereignisse hinsichtlich der Effizienz und Energieauflösung gebracht.
Die Detektoren aus Halbleitern wie zum Beispiel CdTe, CdZnTe, AsGa, PbI₂ konvertieren die Gammaphotonen direkt in Ladungsträger. Für eine Strahlung mit derselben Intensität entspricht die Anzahl der erzeugten Ladungsträger einer Größenordnung, die höher ist als diejenige, die man mit den Szintillationsdetektoren bei indirekter Detektion erzielt. Also ist auch die Auflösung der Halbleiterdetektoren besser.
Die 2 zeigt die Struktur eines Halbleiterdetektors. Dieser umfasst eine Platte 30, die integrierte elektronische Schaltungen 32 trägt und auf die eine Vielzahl Detektionselemente 34 montiert sind.
Die Detektionselemente 34 sind Halbleiterblöcke mit zwei parallelen entgegengesetzten Seiten, auf denen Elektroden vorgesehen sind. Ein an die Elektroden angelegtes elektrisches Feld bewirkt eine Migration der Ladungsträger, das heißt der Elektronen und der Löcher, erzeugt durch die Wechselwirkung der Strahlung mit dem Halbleiter. Die in der Figur nicht dargestellten Elektroden sind auch vorgesehen, die Ladungen aufzunehmen und zu den ICs der Platte 30 zu leiten, um dort ein Detektionssignal zu erzeugen.
Es wandern nicht alle in dem Halbleiter erzeugten Ladungen direkt zu den Elektroden. Die Störstellen in den Halbleitern fangen nämlich einige Ladungsträger bei ihrer Migration ein und reduzieren ihre Lebensdauer, und dies um so mehr, je dicker der Ladungsträger ist.
Die durch eine Gammastrahlung erzeugte Ladung verteilt sich auf eine durch die Elektronen getragene Ladung und eine durch die Löcher getragene Ladung. Die Beweglichkeit der Löcher ist jedoch geringer als die der Elektronen, und ihre Sammeleffizienz ist schlechter. Also tragen nicht alle erzeugten Ladungen im gleichen Maße zu dem schließlich gelieferten Signal bei.
In dem Energiespektrum des Detektionssignals drückt sich dies durch eine "Schleppe" aus, die einer schwächeren Energie als der Energie der Photonen entspricht, die das Material der Detektionselemente erreichen.
Die "Schleppe" ist charakteristisch für das Einfangen von Ladungen vor ihrer Sammlung.
Diejenigen detektierten Ereignisse, deren Energie niedriger ist als die Energie der empfangenen Gammaphotonen, vermischen sich dann wegen des Einfangvorgangs mit jenen, die aus der weiter oben erwähnten Streustrahlung resultieren und deren Energie ebenfalls niedriger ist als die der Direktstrahlung.
Also hat bei den Halbleiterdetektoren das Vorsehen eines Amplitudenakzeptanzfensters für die Signale die Konsequenz, dass nicht nur die der Streustrahlung entsprechenden Ereignisse eliminiert werden, sondern auch die von dem Einfangen der Ladungen betroffenen Ereignisse, die jedoch einer Direktstrahlung entsprechen.
Die Schwierigkeiten beim Sammeln der Ladungen und die Einflüsse auf das Detektionssignal werden in dem Patent FR-2 738 919 beschrieben. Dieses Patent schlägt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwertung eines durch einen Detektor gelieferten Signals vor, die ermöglichen, sich frei zu machen von den schlechten Transporteigenschaften der Löcher in dem Material der Detektionselemente. Das beschriebene Verfahren hat eine elektronische Korrektur nach der Erfassung eines biparametrischen Spektrums des Beitrags derjenigen Ereignisse zum Gegenstand, von denen nicht die gesamte in dem Detektor erzeugte Ladung gesammelt werden konnte und deren Signale eine Gesamtamplitude aufweisen, die kleiner ist als die erwartete Amplitude.
Die praktische Anwendung dieser Methode bei einer Gammakamera für den medizinischen Gebrauch würde erfordern, während der Untersuchung ein biparametrisches Spektrum mit einer guten Statistik für jedes Pixel zu erfassen. Aus Gründen der Dosis und der Erfassungszeit ist dies jedoch im Rahmen der Klinik-Untersuchungen nicht möglich. Die Korrekturverarbeitung würde eine große Speicherleistung erfordern und dazu führen, die anzuwendende Korrektur mittels Programm und nachträglich zu berechnen. Eine solche Verarbeitung ist folglich langwierig und muss ebenso oft durchgeführt werden, wie es in dem Detektor Pixel gibt. Da die Verarbeitung nach der Erfassung erfolgt, ist es unmöglich, das Bild der akzeptierten Ereignisse in Echtzeit anzuzeigen.
Dies stellt für die medizinische Diagnose ein großes Handicap dar.
Eine weitere bei den Detektoren existierende Schwierigkeit besteht darin, dass die Effizienz des Detektierens und Sammelns der Ladungen nicht für alle Detektionselemente gleich ist.
Das Sammeln der Ladungen hängt von der Struktur und der kristallinen Qualität der Detektionselemente ab. Sie hängt auch von dem an die Elektroden angelegten elektrischen Feld ab und von eventuellen Materialdefekten, die Ladungen einfangen könnten.
Auch leichte Änderungen der Oberflächen oder Dicken der Detektionselemente beeinflussen ihre Detektionseffizienz.
Diese Erscheinungen führen zu ungleichmäßigen Bilder, die keine genaue medizinische Diagnose ermöglichen.
A priori wäre es möglich, für jedes Detektionselement einen festen, angepassten Korrekturmultipliktionskoeffizienten zu ermitteln, um eine gleichmäßige Detektionseffizienz zu erhalten.
Diese Lösung ist jedoch nicht zufriedenstellend, denn sie liefe darauf hinaus, bei den ineffizientesten Detektionselementen nicht existierende Ereignisse künstlich zu erfassen (Korrekturkoeffizient über 1) und Ereignisse der effizientesten Detektionselemente zu eliminieren (Korrekturkoeffizient unter 1).
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Klassifizierung der Ereignisse eines Halbleiterdetektors zum Gegenstand, die ermöglichen, die Signale, die von Ereignissen stammen, die aus einer Streustrahlung resultieren, und die Signale von Ereignissen, die aus einer unvollständigen Sammlung von Ladungen resultieren, zu unterscheiden.
Eine weitere Aufgabe besteht dann, ein Verfahren vorzuschlagen, das ermöglicht, eine Korrektur der Detektions-Gleichmäßigkeit der verschiedenen Detektionselemente eines Detektors zu gewährleisten.
Noch eine Aufgabe ist es, ein solches Korrekturverfahren vorzuschlagen, das ermöglicht, selektiv und bevorzugt die Ereignisse zu berücksichtigen, die aus der Direktstrahlung resultieren.
Schließlich ist es auch eine Aufgabe der Erfindung, eine Verarbeitungsverfahren vorzuschlagen, das in Echtzeit und kontinuierlich durchgeführt werden kann, um die Herstellung eines Momentanbilds zu ermöglichen und derart die medizinische Diagnostik zu erleichtern.
Zur Erfüllung obiger Aufgaben hat die Erfindung ein Verfahren zur Klassifizierung von Signalen von Detektionsereignissen eines wenigstens ein Halbleiter-Detektionselement umfassenden Gammastrahlungsdetektors zum Gegenstand. Dieses Verfahren besteht darin:
a) während einer Kalibrierungsphase

– für jedes Ereignissignal einen Amplitudenwert und einen Signalaufsteigzeit-Wert zu ermitteln,
– für eine wenigstens ein Detektionselement enthaltende Gruppe ein biparametrisches Detektionsspektrum von Ereignissen mit Amplituden- und Aufsteigzeitwerten zu erfassen,
– für jedes Spektrum wenigstens ein biparametrisches Akzeptanzfenster zu ermitteln, das jeweils einer für eine Strahlungsenergie charakteristischen Amplitude/Aufsteigzeit-Korrelation entspricht, und

b) während einer Prüfphase

– in Echtzeit für jedes detektierte Ereignissignal jeder Detektionselementegruppe ein Amplituden- und Aufsteigzeitwertepaar zu ermitteln,
– in Echtzeit eine Klassifizierung der Ereignisse durchzuführen, indem die Signale selektiert werden, deren Amplituden- und Aufsteigzeitwerte sich innerhalb des biparametrischen Fensters der entsprechenden Detektionselementegruppe befinden, und die Signale auszuscheiden, deren Amplituden- und Aufsteigzeitwerte sich außerhalb dieses biparametrischen Fensters befinden.

Unter biparametrischem Fenster versteht man ein Fenster, das begrenzt wird durch zwei für die Ereignisse charakteristische Parameter. Es handelt sich im vorliegenden Fall um die Amplitude und die Aussteigzeit der den detektierten Ereignissen entsprechenden Signale.
Die Erfindung basiert auf dem physikalischen Prinzip, gemäß dem die Signale der Ereignisse, die aus der Direktstrahlung resultieren aber der eingangs erwähnten Energiespektrums-"Schleppe" entsprechen, eine andere Korrelation zwischen Amplitude und Aufsteigzeit aufweisen als die Ereignisse, die aus der Streustrahlung resultieren.
Die erste Phase des Verfahrens, das heißt die Kalibrierungsphase kann ohne einen zu untersuchenden Patienten stattfinden.
Eine Strahlungsquelle, die dem radioaktiven Material entspricht, das dem Patienten injiziert wird, wird vor dem Detektor angeordnet. Die Aktivität dieser Quelle und die Aussetzungsdauer können größer sein als bei der Untersuchung eines Patienten. Man kann also in der Kalibrierungsphase ein Spektrum erfassen, das sich über eine große Anzahl Ereignisse erstreckt.
Vorzugsweise benutzt man eine Quelle mit einem im Wesentlichen gleichmäßigen Fluss.
Die Kalibrierungsphase kann gleichzeitig für alle Detektionselemente oder nur für einen Teil der Elemente stattfinden.
Um die Größe des Erfassungsspeichers in der Kalibrierungsphase zu reduzieren, ist es möglich, sukzessive mehrere Gruppen von Detektionselementen zu verarbeiten, von denen jede ein oder mehrere Elemente enthält.
Das Verfahren kann mit einer monoenergetischen Quelle durchgeführt werden oder einer Quelle, deren Emissionsspektrum mehrere Hauptpeaks mit unterschiedlichen Energien aufweist.
In diesem letzteren Fall kann man für jede der Energien der Strahlung ein biparametrisches Fenster ermitteln.
Im äußersten Fall kann man für jede Hauptemissionsenergie der Quelle und für jedes der Detektionselemente des Detektors ein biparametrisches Fenster ermitteln. Insbesondere kann für jedes Detektionselement oder jede Gruppe von Elementen die Kalibrierungsphase sukzessive Schritte umfassen, in denen:

– man eine kontinuierliche Menge von Aufsteigzeit "Scheiben" definiert,
– man jedes Ereignis in Abhängigkeit von seinem Aufsteigzeitwert einer Aufsteigzeit-Scheibe zuteilt,
– man für jede Aufsteigzeit-Scheibe ein Amplitudenspektrum mit den Amplitudenwerten der Ereignisse ermittelt, deren Aufsteigzeit in dieser Aufsteigzeit-Scheibe enthalten ist,
– man für jede Aufsteigzeit-Scheibe ein Amplitudenspektrum-Maximum bestimmt,
– man für jede Aufsteigzeit-Scheibe ein Amplitudenintervall festlegt, das sich beiderseits des genannten Maximums erstreckt.

Die Anzahl der Aufsteigzeit-Scheiben und das jeder Scheibe entsprechende Aufsteigzeitintervall kann in Abhängigkeit von einer erwünschten Auflösungsfeinheit angepasst werden. Das Zeitintervall wird zum Beispiel in der Größenordnung von 50 ns gewählt.
Außerdem versteht man unter einer kontinuierlichen Menge von Aufsteigzeit-Scheiben eine sukzessive Menge von Scheiben, so dass jede obere Aufsteigzeit-Grenze einer Scheibe der unteren Grenze der nachfolgenden Scheibe entspricht.
Schließlich versteht man unter Amplitudenspektrum für jede Amplitude oder für eine kontinuierliche Menge von Amplitudenintervallen die Aufstellung bzw. Darstellung der Anzahl von Ereignissen, deren Signal eine solche Amplitude aufweist.
Vorzugsweise kann man vor der Bestimmung des Maximums jedes Amplitudenspektrums eine Glättung dieses Spektrums durchführen. Diese Glättung kann durch mathematische Berechnung stattfinden.
Das für jede Aufsteigzeit-Scheibe festgelegte Amplitudenintervall kann sich symmetrisch und unsymmetrisch beiderseits des Maximums des Amplitudenspektrums erstrecken.
Außerdem kann die Breite des Intervalls konstant sein oder nicht. Jedoch kann man bei einer bevorzugten Anwendung ein Amplitudenintervall festlegen, das eine von der Amplitude abhängige Breite aufweist, die dem Maximum des Amplitudenspektrums jeder Aufsteigzeit-Scheibe entspricht.
Insbesondere ist es möglich, ein Amplitudenintervall vorzusehen, dessen Breite abnimmt in Abhängigkeit von der Amplitude, die dem Maximum des Amplitudenspektrums jeder Aufsteigzeit-Scheibe entspricht. Die Breite des Intervalls kann auch in Abhängigkeit von der betreffenden Aufsteigzeit-Scheibe reduziert werden.
Eine solche Messung ermöglicht, die Größe der Bedeutung zu reduzieren, die man den Ereignissen mit einer kleinen Amplitude und/oder kleinen Aufsteigzeit beimisst. Diese Ereignisse sind schwieriger von jenen zu trennen, die aus der Streustrahlung resultieren und stellen daher einen weniger interessanten Beitrag zu Herstellung eines Bildes dar.
Während der Prüfphase ist es möglich, für jedes Ereignis zu verifizieren, ob der Amplitudenwert in dem Amplitudenintervall enthalten ist, das der Aufsteigzeit-Scheibe zugeordnet ist, die der Aufsteigzeit-Scheibe des genannten Ereignisses entspricht.
Wenn das Resultat der Verifizierung positiv ist, wird das Ereignis berücksichtigt; im gegenteiligen Fall wird es ausgeschlossen bzw. zurückgewiesen.
Diese Verifizierungsoperation kann schnell und in Echtzeit durch geführt werden, so dass es quasi keine Verzögerung gibt zwischen der Detektion eines Ereignisses und der Herstellung eines das genannte Ereignis berücksichtigenden Bildes.
Nach einer speziellen, möglichen Durchführungsart des Verfahrens kann man in der Phase a) eine Tabelle der Amplituden-/Aufsteigzeitbereichspaare erstellen, in der die Amplituden-/Aufsteigzeitbereichspaare, die dem biparametrischen Fenster entsprechen, einer logischen Validationsgröße der Ereignisse zugeordnet werden, und in dem die Bereichspaare außerhalb des biparametrischen Fensters einer logischen Rückweisungsgröße der Ereignisse zugeordnet werden; in Schritt b) verifiziert man für jedes Ereignis, ob die Amplituden- und Aufsteigzeitwerte einem Amplitudenbereichspaar entsprechen, das einer logischen Validations- oder Rückweisungsgröße zugeordnet ist, und man verwirft die Ereignisse, die einer logischen Rückweisungsgröße entsprechen.
Man kann zum Beispiel den logischen Wert "1" den Amplitude/Aufsteigzeit-Paaren zuordnen, die sich innerhalb des biparametrischen Akzeptanzfensters befinden, und den logischen Wert "0" den Amplitude/Aufsteigzeit-Paaren, die sich außerhalb des biparametrischen Akzeptanzfensters befinden.
Die Erfindung betrifft auch ein Gleichmäßigkeitskorrektur-Verfahren für einen Strahlungsdetektor, das heißt eine Korrektur, um für die verschiedenen Detektionselemente des Detektors eine gleichmäßige Detektionseffizienz zu erhalten.
Dieses Korrekturverfahren arbeitet mit Echtzeit-Klassifizierung, wie weiter oben definiert, und umfasst außerdem während der Kalibrierungsphase:

– das Zählen der Anzahl von detektierten Ereignissen für jede Detektionselementegruppe, wobei jede Gruppe jeweils durch wenigstens ein Detektionselement gebildet wird, und
– das Modifizieren des biparametrischen Fensters, um eine Selektivität der Klassierung für wenigstens eine Detektionselementegruppe zu erhöhen, die eine größere Detektionseffizienz aufweist, und/oder um diese Selektivität für wenigstens eine Detektionselementegruppe zu verringern, die eine kleinere Detektionseffizienz aufweist.

Die Modifizierung des biparametrischen Akzeptanzfensters kann die Anpassung wenigstens einer Amplituden- und/oder Aufsteigzeit-Akzeptanzschwelle der Ereignisse umfassen.
Die Schaffung und Anpassung einer Amplituden- und/oder Aufsteigzeit-Akzeptanzschwelle ermöglicht, für jedes Detektionselement oder für jede Detektionselementegruppe eine mehr oder weniger große Anzahl von Ereignissen zu berücksichtigen, die Signalen mit einer kleinen Amplitude und/oder Aufsteigzeit entsprechen.
Für die effizientesten Detektoren, die sich für eine Erhöhung der Selektivität der Klassifizierung eignen, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, prioritär Ereignisse zu eliminieren, die Signalen mit kleiner Amplitude und/oder kleiner Aufsteigzeit entsprechen und die einen sehr unsicheren Informationsbeitrag zur Herstellung eines Bildes liefern.
Wie weiter oben angegeben, ist es nämlich schwieriger, diese Ereignisse von denen zu unterscheiden, die von der Streustrahlung stammen.
Hingegen ermöglicht das Verfahren für die Detektoren mit der geringsten Effizienz, bei denen es sich empfiehlt, die Selektivität der Klassifizierung zu reduzieren, eine größere Anzahl von Ereignissen zu akzeptieren.
Die zusätzlichen Ereignisse, selbst wenn sie Signalen entsprechen, die eine kleine Amplitude und/oder Aufsteigzeit haben, tragen eine bessere Information bei als die, welche man erlangt, indem man einfach die Anzahl der Ereignisse mit einem arbiträren Korrekturfaktor multipliziert.
Mit anderen Worten ermöglicht das Verfahren, zusätzliche reale Ereignisse eher zu berücksichtigen als fiktive Ereignisse.
Man kann feststellen, das eine zusätzliche Korrektur mittels eines Korrekturfaktors nicht ausgeschlossen ist. Jedoch erstreckt sich eine solche Korrektur dann über einen kleineren Korrekturbereich.
Um die Selektivität der Klassifizierung anzupassen, ist es möglich, die Anzahl der während einer bestimmten Zeit durch ein Detektionselement oder eine Detektionselementegruppe detektierten Ereignisse mit einem Sollwert bzw. Bezugswert der Anzahl der Ereignisse zu vergleichen. Je nach Ergebnis des Vergleichs kann man die Selektivität der Klassifizierung jeweils höher oder niedriger einstellen, wenn die Anzahl der detektierten Ereignisse höher beziehungsweise niedriger ist als der Sollwert bzw. Bezugswert.
Der Sollwert bzw. Bezugswert entspricht zum Beispiel der Anzahl der von der Gesamtheit der Detektionselemente während des festgelegten Zeitraums detektierten Ereignisse. Er kann auch die kleinste durch eines der Detektionselemente detektierte Ereigniszahl sein.
Das Gleichmäßigkeitskorrektur-Verfahren kann individuell für jedes Detektionselement angewendet werden oder für Detektionselementegruppen, die mehrere Detektionselemente umfassen.
Die Erfindung betrifft auch eine Echtzeit-Klassifizierungsvorrichtung für Signale von Detektionsereignissen, die von einer Vielzahl von Detektionselementen stammen. Diese Vorrichtung umfasst:

– Einrichtungen um für jedes Signal einen Signalamplitudenwert und einen Signalaufsteigzeitwert zu messen,
– Datenerfassungseinrichtungen, fähig in einer Kalibrierungsphase für wenigstens eine Detektionselementegruppe ein biparametrisches Spektrum von Amplituden- und Aufsteigzeitwerten zu speichern,
– Einrichtungen, um für jede Detektionselementegruppe wenigstens eine Korrelation zwischen den Amplituden- und Aufsteigzeitwerten zu ermitteln,
– Einrichtungen zur Selektion eines der genannten Korrelation entsprechenden biparametrischen Akzeptanzfensters in dem Spektrum,
– einen Speicher, um für jede Detektionselementegruppe wenigstens ein dem biparametrischen Akzeptanzfenster entsprechendes Amplituden- und Aufsteigzeitwertbereichspaar abzuspeichern, und
– Klassifizierungseinrichtungen der Ereignisse, fähig für jede Detektionselementegruppe die für jedes Detektionssignal in einer Prüfphase gemessenen Amplituden- und Aufsteigzeitwerte zu vergleichen mit den abgespeicherten Wertbereichspaaren und die Ereignisse zu selektieren, deren Werte diesen abgespeicherten Bereichspaaren entsprechen.

Die Vorrichtung kann insbesondere eine Karte mit integrierten Schaltungen mit anwendungsspezifischen Funktionen (ASIC) umfassen, verbunden mit einer die Detektionselemente umfassenden Detektionsmatrix. Die IC-Karte kann dann die Amplituden- und Aufsteifzeitmesseinrichtungen bilden.
Noch genauer kann die Detektionselemente-Matrix mit ersten integrierten Schaltungen des ASIC-Typs verbunden sein, die der Verstärkung, der Formung und der Multiplexierung der Signale des Detektors dienen. Mit dem Ausgang dieser ersten Schaltungen sind zweite Schaltungen verbunden, die dazu bestimmt sind, die Signale so zu verarbeiten, dass man für jedes Signal vier Werte erhält, nämlich die X- und Y-Koordinaten der Position des detektierten Ereignisses in einer durch die Detektionselemente gebildeten Detektionsebene, den Wert für die Signalamplitude und den Wert für ihre Aufsteigzeit.
Die X- und Y-Koordinaten der Position des Ereignisses können einfach Werte in Abhängigkeit von der Position in der Detektionsebene des Detektionselements sein, welches das entsprechende Signal geliefert hat.
Die ersten und zweiten Schaltungen können auf einer oder auf mehreren Karten integriert sein. Diese Karten sind mit einer Aufnahmeplatte der Detektionselemente verbunden.
Die Einrichtungen bzw. Mittel zur Erfassung, zur Bestimmung einer Korrelation, die Selektionsmittel und die Klassifizierungsmittel können in Form eines Computerprogramms zur Verarbeitung der oben genannten Signaldaten realisiert werden. Diese Mittel bzw. Einrichtungen können auch in Form von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen realisiert werden.
Schließlich kann die Vorrichtung außerdem Einrichtungen bzw. Mittel zur Anpassung des biparametrischen Fensters umfassen, um für jede Detektorengruppe eine gleichmäßige Effizienz der Detektion der selektierten Ereignisse zu erhalten. Diese Mittel können ebenfalls in Software-Form realisiert werden.
Wie oben erläutert, ermöglicht die Anpassung des biparametrischen Fensters, die Selektivität der Klassifizierung zu modifizieren und so die zwischen den Detektionseffizienzen verschiedener Detektionselemente existierenden Ungleichheiten zu kompensieren.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Diese Beschreibung, die nur der Erläuterung dient und keinesfalls einschränkend ist, bezieht sich auf die beigefügten Figuren.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die 1, schon beschrieben, ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer Schnittansicht eines Detektors einer Gammakamera des Anger-Typs;
die 2, schon beschrieben, ist eine partiell ausgebrochene und schematische Ansicht eines Halbleiterdetektors;
die 3 ist ein Diagramm, das ein Erfassungsspektrum darstellt, das in dem erfindungsgemäßen Verfahren angewendet wird, um ein biparametrisches Fenster zu bestimmen;
die 4 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Klassifizierungsvorrichtung.
Detaillierte Beschreibung von Realisierungsarten der Erfindung
Die 3 zeigt ein Ereigniserfassungs-Spektrum eines Detektionselements eines Halbleiterdetektors. Die Ereignisse können charakterisiert werden durch einen Aufsteigzeitwert und einen Amplitudenwert des Detektionssignals. Jedoch – da sie von einem selben Detektionselement stammen, haben alle Ereignisse dieses Spektrums folglich dieselben Positionswerte. Die nachfolgende Beschreibung ist jedoch auf eine Gruppe mit mehreren Detektionselementen anwendbar, also auf Ereignisse mit unterschiedlichen Positionswerten.
Aus Gründen der Vereinfachung wurde für das dargestellte Spektrum eine monoenergetische Quelle benutzt.
Das Spektrum der 3 wird während der ersten Phase des Verfahrens erfasst, das heißt der Kalibrierungsphase. Die Erfassung wird fortgesetzt bis zu einer ausreichend großen Anzahl von Ereignissen für eine Verarbeitung des statischen Typs. Das in der 3 dargestellte Spektrum kann zum Beispiel 100 000 Ereignisse umfassen.
Die 3 zeigt die Ereignisse in Abhängigkeit von der Amplitude des entsprechenden Signals, aufgetragen als Abszisse, und der Aufsteigzeit des Signals, aufgetragen als Ordinate.
Der Aufsteigzeitmaßstab ist in "Scheiben" unterteilt, von denen jede eine bestimmte Breite aufweist. In der Figur ist eine einzige Scheibe markiert, mit dem Bezugszeichen t_i.
Jedes in der Kalibrierungsphase detektierte Ereignis ist in der Figur durch einen Punkt dargestellt. Dieser wird einer bestimmten Aufsteigzeit-Scheibe zugeteilt, in Abhängigkeit von der Aufsteigzeit des durch das Detektionselement als Reaktion auf dieses Ereignis erzeugten Signals.
Mit sämtlichen einer selben Aufsteigzeit-Scheibe zugeteilten Ereignissen ermittelt man ein Amplitudenspektrum. Das Amplitudenspektrum kann ermittelt werden, indem man auch den Amplitudenmaßstab in Scheiben unterteilt und indem man die Anzahl der Ereignisse in jeder Amplitudenscheibe erfasst. Zum Schluss kann das Amplitudenspektrum geglättet werden.
Als Beispie ist für die Aufsteigzeit-Scheibe t_i ein Teil der Glättungskurve des Amplitudenspektrums schematisch in die Figur eingetragen. Diese Glättungskurve trägt das Bezugszeichen a_i.
Für jede Aufsteigzeitscheibe sucht man anschließend das Maximum des Amplitudenspektrums oder der Glättungskurve.
Man sieht, dass die Maxima der Amplitudenspektren, die den verschiedenen Aufsteigzeitscheiben entsprechen, sich im Wesentlichen auf einer mit C bezeichneten Kurve befinden.
Diese Kurve ist repräsentativ für eine Korrelation zwischen der Aufsteigzeit und der Amplitude von Ereignissen, die aus der Detektion einer Direktstrahlung resultieren. Diese Kurve wird in der Folge des Textes als "Korrelationskurve" bezeichnet.
In dem Beispiel der Figur gibt es aufgrund der benutzten monoenergetischen Quelle nur eine einzige Korrelationskurve C.
Wenn die Quelle jedoch mehrere unterschiedliche Energieemissions-Spektrallinien umfasst, kann man in dem Spektrum eine entsprechende Anzahl von Korrelationskurven unterscheiden.
In diesem Fall empfiehlt es sich außerdem, für jedes Amplitudenspektrum zu verifizieren, dass das bestimmte Maximum sich auch auf einer "physischen" Kurve befindet. Mit anderen Worten läuft dies darauf hinaus, die Maxima auf Korrelationskurven zu bestimmen, die keine Neigungs- bzw. Steigungsdiskontinuitäten aufweisen.
Ein nachfolgender Schritt besteht darin, für jede Aufsteigzeitscheibe ein Amplitudenintervall zu bestimmen, das sich beiderseits des Maximums des Amplitudenspektrums erstreckt. Zum Beispiel ist in der 3 das der Aufsteigzeitscheibe t_i zugeordnete Intervall mit s_i bezeichnet.
Die Ausdehnung des Intervalls beiderseits der Korrelationskurve kann angepasst werden, um eine Klassifizierungs-Selektivität der mehr oder weniger großen Ereignisse zu erhalten, das heißt um die mit der Streustrahlung verknüpften Ereignisse mehr oder weniger selektiv auszuschließen.
Bei dem dargestellten Beispiel wird die Breite des Amplitudenintervalls für die großen Amplituden und Aufsteigzeiten größer gewählt und für die kleinen Amplituden und Aufsteigzeiten kleiner. Sie kann auch global in Abhängigkeit von der Auflösung der Detektionselemente angepasst werden.
Die Gesamtheit der Amplitudenintervalle um die Korrelationskurve herum, ermittelt für die Gesamtheit der Aufsteigzeiten, bildet in dem beschriebenen Beispiel das biparametrische Akzeptanzfenster F.
IN dem Beispiel der Figur wird das Fenster F abgegrenzt durch zwei Kurven F₁ und F₂, die jeweils durch minimale und maximale Grenzwerte der für jede Aufsteigzeitscheibe gewählten Intervalle gebildet werden.
Wie weiter oben angegeben, haben nicht alle Detektionselemente eines Detektors dieselbe Detektionseffizienz.
Indem man die Größe des biparametrischen Fensters F variiert, ist es möglich, die Klassifizierungs-Selektivität zu modifizieren und folglich die Gleichmäßigkeitsfehler bzw. -mängel zu korrigieren.
Die Modifikation der Größe des Fensters erfolgt vorzugsweise, indem das Fenster an Ereignisse angepasst wird, die den kleinsten Aufsteigzeit- oder Amplitudenwerten entsprechen.
Die Anpassung in dem beschriebenen Beispiel erfolgt durch das Vorsehen einer Amplitudenschwelle und/oder einer Aufsteigzeit-Schwelle, deren Werte) modifizierbar ist (sind). In der Figur sind die Amplituden- und Aufsteigzeitschwellen jeweils mit Tha und Tht bezeichnet.
Zum besseren Verständnis der zweiten Phase des Verfahrens empfiehlt es sich, jetzt das Blockschaltbild der 4 zu betrachten.
Das Bezugszeichen 100 in der 4 bezeichnet eine Matrix aus Halbleiter-Detektionselementen 102, die eine Detektionsebene bilden. Diese Matrix ist mit derjenigen vergleichbar, die mit Bezug auf die 2 beschrieben wurde.
Die durch die Detektionselemente gelieferten Signale werden in eine erste anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASCI) 110 eingespeist. Diese Schaltung umfasst Verstärkungskanäle der Signale für jedes Detektionselement und Multiplexeinrichtungen der Kanäle.
Eine zweite Schaltung 112 dient dazu, die Amplitude und die Aufsteigzeit jedes Signals zu bestimmen und die diesen Größen entsprechenden Werte zu bilden, sowie Werte, welche die Koordinaten der Ereignisse darstellen. Die Koordinaten der Ereignisse sind mit der Position des entsprechenden Detektionselements in der Detektionsebene verknüpft.
Die Werte werden in einen Computer 114 eingespeist, der dazu bestimmt ist, die Berechnungen und Verarbeitungen durchzuführen, die mit der Kalibrierungsphase zusammenhängen, und dazu bestimmt ist, aufgrund der Werte während der Untersuchung ein (medizinisches) Bild herzustellen. Das Bild wird auf dem Bildschirm 116 angezeigt.
Der Computer ist fähig, während der Kalibrierungsphase aufgrund der Werte für jedes Detektionselement eine Akzeptanztabelle mit den Werten "1" und "0" zu erstellen. Die logischen Werte "1" werden entsprechenden Amplitude/Aufsteigzeit-Paaren innerhalb des Korrelationsfensters zugeteilt, und die logischen Werte "0" werden den Amplitude/Aufsteigzeit-Paaren außerhalb des Korrelationsfensters zugeteilt. Noch genauer können die logischen Werte Amplituden- und Aufsteigzeitbereichspaaren zugeteilt werden.
Als Variante können die Tabellen aufgrund der Grenzen des biparametrischen Fensters ermittelt bzw. erstellt werden, das heißt – indem man sich auf die 3 bezieht – aufgrund der das Fenster abgrenzenden Kurven F₁ und F₂ und der Schwellenwerte Tha und Tht.
Die Akzeptanztabellen werden in einem in der 4 mit 120 bezeichneten Speicher abgespeichert.
Während der Prüfphase ermitteln die Schaltungen 110 und 112 aufgrund der Signale der Detektionselemente immer die Amplitudenwerte, die Aufsteigzeitwerte und die Koordinaten der Ereignisse.
Diese Werte werden benutzt, um in Echtzeit die Akzeptanztabelle des entsprechenden Detektionselements abzufragen und den dem Amplitude/Aufsteigzeit-Paar zugeordneten logischen Wert auszulesen.
Wenn dieser Wert "1" ist, wird das Ereignis für die Herstellung eines Bilds berücksichtigt, und wenn dieser Wert "0" ist, wird das Ereignis ignoriert.
Die Abfrage der Akzeptanztabellen erfolgt in Echtzeit durch eine Direktadressierung der betreffenden Tabelle in dem Speicher 120 dank der in dem Ausgangssignal 112 enthaltenen Werte.
Die Modifizierung der Schwellen Tha und Tht kann ebenfalls durch den Computer 114 erfolgen, gemäß dem oben beschriebenen Verfahren, um die Detektionseffizienz der verschiedenen Detektionselemente gleichmäßiger zu machen.

Claims

Verfahren zur Klassifizierung von Signalen von Detektionsereignissen eines wenigstens ein Halbleiter-Detektionselement umfassenden Gammastrahlungsdetektors, bei dem: a) während einer Kalibrierungsphase: – man für jedes Ereignissignal eine Amplitudengröße und eine Signalaufsteigzeitgröße ermittelt, – man für wenigstens eine wenigstens ein Detektionselement enthaltende Einheit ein biparametrisches Detektionsspektrum von Ereignissen mit Amplituden- und Aufsteigzeitgrößen erfasst, – man für jedes Spektrum wenigstens ein biparametrisches Akzeptanzfenster (F) ermittelt, das jeweils einer für eine Strahlungsenergie charakteristischen Amplitude-Aufsteigzeit-Korrelation entspricht, und b) während einer Prüfphase: – man in Echtzeit für jedes detektierte Ereignissignal jeder Detektionselemente-Einheit ein Amplituden- und Aufsteigzeitgrößen-Paar ermittelt, – man in Echtzeit eine Klassifizierung der Ereignisse durchführt, indem die Signale selektiert werden, deren Amplituden- und Aufsteigzeitgrößen sich innerhalb des biparametrischen Fensters der entsprechenden Detektionselemente-Einheit befinden, und die Signale ausgeschieden werden, deren Amplituden- und Aufsteigzeitgrößen sich außerhalb dieses biparametrischen Fensters befinden.
Klassifizierungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem – in Schritt a): – man eine kontinuierliche Menge von Aufsteigzeitgruppen (ti) definiert, – man jedes Ereignis in Abhängigkeit von seiner Aufsteigzeitgröße einer Aufsteigzeitgruppe zuteilt, – man für jede Aufsteigzeitgruppe ein Amplitudenspektrum mit den Amplitudengrößen der Ereignisse ermittelt, deren Aufsteigzeit in dieser Aufsteigzeitgruppe enthalten ist, – man für jede Aufsteigzeitgruppe ein Maximum des Amplitudenspektrums bestimmt, – man für jede Aufsteigzeitgruppe ein Amplitudenintervall (si) festlegt, das sich beiderseits des genannten Maximums erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem man vor der Bestimmung des Maximums jedes Amplitudenspektrums eine Glättung dieses Spektrums durchführt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Amplitudenintervall (si) sich symmetrisch beiderseits des genannten Maximums erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Amplitudenintervall eine Breite aufweist, die abhängig ist von der Amplitude, die dem Maximum des Amplitudenspektrums jeder Aufsteigzeitgruppe entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem man während der Prüfphase für jedes Ereignis verifiziert, ob die Amplitudengröße in dem Amplitudenintervall enthalten ist, das der Aufsteigzeitgruppe zugeordnet ist, die seiner Aufsteigzeit entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem: – während der Phase a) – man eine Tabelle mit Amplituden- und Aufsteigzeitbereichs-Paaren erstellt und abspeichert, in der die dem biparametrischen Fenster entsprechenden Amplituden- und Aufsteigzeitbereichs-Paare einer logischen Validationsgröße der Ereignisse zugeordnet werden, und in der die Bereichpaare außerhalb des biparametrischen Fensters einer logischen Ausscheidungsgröße der Ereignisse zugeordnet sind, und – während des Schritts b) – man bei jedem Ereignis verifiziert, ob die Amplituden- und Aufsteigzeitgrößen einem abgespeicherten, einer logischen Validations- oder Ausscheidungsgröße zugeordneten Amplituden- und Aufsteigzeitbereichs-Paar entsprechen, und man die einer logischen Ausscheidungsgröße entsprechenden Ereignisse ausscheidet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem jede Detektionselemente-Einheit ein einziges Detektionselement umfasst.
Gleichmäßigkeitskorrektur-Verfahren für einen mit wenigstens einem Halbleiter-Detektionselement ausgestatteten Detektor, wobei dieses Verfahren eine Echtzeit-Klassifizierung der Signale von Ereignissen nach Anspruch 1 umfasst, und außerdem während der Kalibrierungsphase umfasst: – das Zählen der Anzahl detektierter Ereignisse für jede Detektionselemente-Einheit, und – das Modifizieren des biparametrischen Fensters, um eine Selektivität der Klassierung für wenigstens eine Detektionselemente-Einheit zu erhöhen, die eine größere Detektionseffizienz aufweist, und/oder um diese Selektivität für wenigstens eine Detektionselemente-Einheit zu verringern, die eine kleinere Detektionseffizienz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Modifizieren des biparametrischen Akzeptanzfensters das Justieren wenigstens einer Akzeptanzschwelle (Tha, Tht) der Amplitude und/oder Aufsteigzeit der Ereignisse umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem man die Anzahl der durch eine Detektionselemente-Einheit innerhalb einer festgelegten Zeit detektierten Ereignisse vergleicht mit einer Einstellgröße der Anzahl von Ereignissen, oder Ereignismengen-Einstellgröße, und in der man jeweils die Selektivität der Klassifizierung erhöht oder verringert, wenn die Anzahl detektierter Ereignisse größer beziehungsweise kleiner ist als diese Ereignismengen-Einstellgröße.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Ereignismengen-Einstellgröße einer durchschnittlichen durch die Gesamtheit der Detektionselemente innerhalb der festgelegten Zeit detektierten Anzahl von Ereignissen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Ereignismengen-Einstellgröße einer kleinsten durch eines der Detektionselemente detektierten Ereignismenge entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem jede Detektionselemente-Einheit ein einziges Detektionselement umfasst.
Echtzeit-Klassifizierungsvorrichtung von Signalen von Detektionsereignissen, die von einer Vielzahl von Halbleiter-Detektionselementen stammen, umfassend: – Einrichtungen (110, 112), um für jedes Signal eine Signal-Amplitudengröße und eine Aufsteigzeitgröße des Signals zu messen, – Datenerfassungseinrichtungen, fähig in einer Kalibrierungsphase für wenigstens eine Detektionselemente-Einheit ein biparametrisches Spektrum von Amplituden- und Aufsteigzeitgrößen zu speichern, – Einrichtungen, um für jede Detektionselemente-Einheit wenigstens eine Korrelation zwischen den Amplituden- und Aufsteigzeitgrößen zu ermitteln bzw. festzulegen, – Einrichtungen zum Selektieren eines biparametrischen Akzeptanzfensters in dem Spektrum, – einen Speicher (120), um für jede Detektionselemente-Einheit wenigstens ein dem biparametrischen Akzeptanzfenster entsprechendes Amplituden- und Aufsteigzeitbereichs-Paar abzuspeichern, und – Klassifizierungseinrichtungen der Ereignisse, fähig für jede Detektionselemente-Einheit die für jedes Detektionssignal in einer Prüfphase gemessenen Amplituden- und Aufsteigzeitgrößen zu vergleichen mit den abgespeicherten Größenbereichspaaren und die Ereignisse zu selektieren, deren Größen diesen abgespeicherten Bereichspaaren entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 15 mit wenigstens einer Karte (110, 112) mit integrierten Schaltungen mit spezifischer Funktion (ASIC), einer Detektionsmatrix (100) zugeordnet, welche die Detektionselemente (102) umfasst und die Einrichtungen zum Messen der Amplitude und der Aufsteigzeit bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Vorrichtung einen Computer (114) umfasst, der in Programmform die Mittel der Erfassung, der Ermittlung bzw. Festlegung einer Korrelation, die Selektionsmittel und die Klassifizierungsmittel enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, die außerdem Einrichtungen zur Einstellung des parametrischen Fensters umfasst, um eine gleichmäßige Detektionseffizienz der für jede Detektoreneinheit selektierten Ereignisse zu erlangen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei der jede Detektionselemente-Einheit ein einziges Detektionselement umfasst.
Gamma-Kamera, ausgerüstet mit einer Vorrichtung nach Anspruch 15.