SE531661C2 - Detektering av strålning och positronemissionstomografi - Google Patents

Description

20 25 30 Eåfi E51 ljusdetektorer, tex. fotomultiplikatorrör. De scintillerande kristallerna svarar på infallet av gammastrålar genom att emittera ett ljussken (fotonenergi), så kallat scintillationsljus, vilket sedan omvandlas till elektroniska signaler av ett korresponderande intilliggande fotomultiplikatorrör. En dator, eller liknande, registrerar läget för varje ljusblixt och prickar in strålningskällan i patientens kropp genom att jämföra blixtar och leta efter blixtpar som uppstår samtidigt och från samma positron- elektronannihilationspunkt. Registrerad data översätts därefter till en PET-bild. En PET-skärm visar sedan koncentrationen av isotoper i varierande färger som anger aktivitetsnivå. Den resulterande PET-bilden visar således en avbildning av neoplasman eller tumörer som finns i patientens kropp.

En sådan detektoranordning är känd för att ha en bra energiupplösning, men relativt dålig spatial och temporal upplösning. Tidiga PET-detektorer fordrade att ett enda fotomultiplikatorrör skulle vara förbundet med varje scintillationskristall, medan idag tillåter PET-detektorer att en enda fotodetektor betjänar flera kristaller, se tex.

US-patenten nr. 4,864,l38, 5,45l,789 och 5,453,623. På så vis förbättras den spatiala upplösningen eller kan antalet erfordrade fotodetektorer minskas.

Icke desto mindre erhålls ändå relativt låga spatiala upplösningar med PET-detektorer som använder sig av scintillatorbaserade fotodetektorer. Ytterligare förbättrad spatial upplösning erfordrar användandet av ett stort antal små fotodetektorer och ett scintillatorsystem, som genererar ljusfotoner enbart i det scintillatorsegment som den infallande strålningen absorberades i. Användandet av ett stort antal fotodetektorer i en stor gruppering eller att 10 15 20 25 30 531 E51 öka anordningens upplösning resulterar i väldigt komplexa och dyra anordningar om det överhuvudtaget är genomförbart.

. Vidare, i medicinska tillämpningar där det är önskvärt att exponera patienten för en minimal mängd joniserande strålning, är det viktigt att detektoranordningen är känslig för låga strålningsnivåer och ändå kunna vara kapabel att diskriminera bakgrundsstrålning. I vissa tillämpningar kanske scintillatorbaserade detektorer inte har tillräckligt höga känsligheter eller signalbrusförhållanden.

Vidare är detektoranordningens ljusdetekteringsanordning typiskt känslig för direkt bestrålning från den infallande strålningen och i så fall måste åtgärder vidtas för att hindra den infallande strålningen från att nå en sådan anordning.

UPPFINNINGEN I SAMMANDRAG Det är således ett syfte med föreliggande uppfinning att tillhandahålla en detektoranordning och ett förfarande för detektering av strålning, vilka samtidigt sörjer för mycket hög temporal och spatial upplösning.

Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en anordning för positronemissionstomografi (PET) respektive ett förfarande för konstruktion av en bild av ett föremål av intresse, från linjära projektioner av strålning som emitteras från föremålet och sedan detekteras, vilka är snabba och sörjer för och en mycket hög spatial upplösning av den skapade bilden. Ännu ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en sådan detektoranordning, en sådan PET-anordning och sådana förfaranden, vilka åstadkommer effektiv brusreducering, och således uppvisar höga signalbrusförhållanden. 10 15 20 25 30 531 E81 Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en sådan detektoranordning, en sådan PET-anordning och sådana förfaranden, vilka åstadkommer spektralt upplöst detektering. Om det rör sig om PET-detektering kan en förbättrad energiupplösning åstadkomma ett färre antal felaktigt korrelerare signalpar. Ännu ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en sådan detektoranordning, en sådan PET-anordning och sådana förfaranden, vilka kan arbeta med tämligen höga strålningsflöden och således åstadkommer snabba undersökningar. Ännu ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en sådan detektoranordning, en sådan PET-anordning och sådana förfaranden, vilka är effektiva, noggranna, pålitliga, lätta att använda samt billiga.

Dessa och andra syften uppnås medelst detektoranordningar, PET-anordningar och förfaranden enligt de bifogade patentkraven.

Genom att tillhandahålla en dubbel detektoranordning, som har en kammare fylld med ett scintillerande och joniserande ämne, vari ljus såväl som elektroner skapas som ett resultat av växelverkan mellan infallande strålning och ämnet, och i vilken ljuset respektive elektronerna detekteras oberoende i en respektive anordningsdetektor, dvs. i en ljusdetektor respektive i en elektronlavindetektor, följt av korrelering av det respektive ljus och elektroner, vilka kommer ifrån respektive samma infallande strålningsfoton, kan detektering utföras, som uppvisar både ljusdetektorers och elektronlavindetektorers betydande fördelar. Speciellt eftersom ljusdetektorer är kända för att åstadkomma hög 10 15 20 25 53¶ 551 energiupplösning och lavinelektrondetektorer är kända för att åstadkomma hög läges- och temporalupplösning, kan den uppfinningsenliga dubbeldetektoranordningen åstadkomma ljusdetektorers höga energiupplösning och samtidigt tillhandahålla elektronlavindetektorers höga läges- och spatialupplösning. En sådan anordning är i högsta grad anpassad för att användas i positronemissionstomografi (PET) för att bortse från annars felaktigt ihoppassade signalpar, varigenom bilder med reducerade brusnivåer kan skapas.

Ytterligare särdrag hos och fördelar med uppfinningen framgår nedan av den detaljerade beskrivningen av föredragna utföringsformer av uppfinningen, vilka visas på de bifogade ritningarna.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Följande uppfinning förstår man bättre genom den detaljerade beskrivningen nedan av utföringsformer av uppfinningen och med hjälp av ritningsfigurerna l-5, som endast är åskådliggörande och inte begränsande för uppfinningen.

Fig. 1 visar schematiskt, i perspektivvy, en strålningsdetektoranordning enligt en första utföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig. 2 visar schematiskt, i tvärsnittsvy, strålningsdetektoranordningen i fig. 1.

Fig. 3 visar schematiskt, i perspektivvy, en anordning för positronemissionstomografi (PET) enligt ytterligare en visad utföringsform av föreliggande uppfinning. 10 15 20 25 533 S51 Fig. 4 visar schematiskt, i tvärsnittsvy, PET-anordningen i fig. 3.

Fig. 5 visar schematiskt, i tvärsnittsvy, en PET-anordning enligt ännu en utföringsform av uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORDKER I förklarande och ej begränsande syfte anges i beskrivningen nedan speciella detaljer, såsom speciella tekniker och tillämpningar för att ge grundlig förståelse för föreliggande uppfinning. För en fackman är det emellertid uppenbart, att föreliggande uppfinning kan realiseras i andra utföringsformer, som avviker med avseende på dessa speciella detaljer. I andra exempel är detaljerade beskrivningar av välkända förfaranden och anordningar utelämnade för att inte tynga beskrivningen av föreliggande uppfinning med onödiga detaljer.

Med hänvisning till fig. 1 och 2, vilka schematiskt i perspektivvy respektive tvärsnittsvy visar en strålningsdetektoranordning 10, kommer en första utföringsform av föreliggande uppfinning beskrivas.

Detektoranordningen 10 innefattar en i huvudsak plan katod 13 respektive anod 35 och sidoväggar 12 (vilka för åskådliggörande ändamål delvis är borttagna i fig. 1), vilka tillsammans avgränsar en ett gastätt utrymme eller kammare ll, vari ett joniserbart och scintillerande ämne kan anordnas. Katod 13 utgör även ett strålningsfönster för infallande strålning, vilken typiskt kan vara gamma- eller röntgenstrålning, och är typiskt orienterad så att den infallande strålningen förs in i anordning 10 huvudsakligen vinkelrät mot planet hos katod 13. 10 15 20 25 30 535 šßfi Det joniserbara och scintillerande ämnet, vilket företrädesvis också ska vara ett lämpligt medium för elektronlavinförstärkning, kan vara i gas, flytande eller fast fas och innefattar typiskt något av Ar, Xe, Kr eller en blandning därav, och valfritt med små mängder av tex.

C02, CH,, Cgg eller isobutan adderat därtill, för att förbättra den erhållbara lavinförstärkningen. Om en gas eller gasblandning används kan den vara under tryck, företrädesvis i ett intervall mellan 1-20 atm. Om ett fast ämne används är det företrädesvis en ädelgas i fast form.

Katoden 13 innefattar ett ledande katodlager 33 valfritt uppburet av ett dielektriskt substrat 34, och anoden 35 innefattar ett flertal, rektangulära, kvadratiska eller på annat vis formade ledande skikt 39 anordnade på ett dielektriskt substrat 40. Anoden 35 utgör också en utläsningsanordning för detektoranordningen 10 och således utgör de ledande skikten 39 utläsningselement för spatialt upplöst detektering av elektroner (skapade som ett resultat av jonisering av ämnet medelst infallande strålning) som drivs och accelereras mot anoden 35.

Ledningselementen 39 är således elektriskt isolerade från varandra medelst det dielektriska substratet 40.

Alternativt tillhandahålls en separat utläsningsanordning vilken kan anordnas i närheten av anod 35, i närheten av katod 13 eller någon annanstans. En sådan utläsningsanordning separeras typiskt från någon intilliggande elektrod medelst ett dielektrikum eller liknande. Några utläsningsanordningsgeometrier som kan användas i föreliggande uppfinning beskriv vidare i vårt svenska patent SE 514475.

Vidare är utläsningsanordningen förbunden med en signalbehandlingsenhet (ej visad) för nödvändig och/eller 10 15 20 25 30 531 E53 önskvärd efterbehandling av insamlade signaldata.

Företrädesvis är utläsningselementen 39 separat förbundna med signalbehandlingskretsen medelst individuella signalledningar. En signalavläsningsenhet (ej heller visad) tillhandahålls för att visa de behandlade signaldata.

Mellan och i huvudsak parallellt med katod 13 och anod 35 är en lavinkatod 37 anordnad, vilken typiskt är en ledande skiva eller liknande försett med ett flertal hål 38, genom vilka elektroner kan passera. Företrädesvis är katodens 37 hål 38 och anodens 35 utläsningselement 39 inriktade med avseende på varandra så att varje hål ligger över ett respektive utläsningselement.

Katoderna 13, 37 och anoden 35 hålls, under drift, vid valda elektriska potentialer medelst en elektrisk strömförsörjningsanordning (ej visad). Företrädesvis är anoden 35 jordad och katoderna 13, 37 hålls vid respektive valda elektriska potentialer så att ett svagt elektriskt fält, kallat drivfält, erhålls huvudsakligen mellan katoden 13 och katoden 37 och ett starkt elektriskt fält, kallat lavinmultiplikationsfält, erhålls huvudsakligen mellan katoden 37 och anoden 35, och möjligen runt katoden 37.

Andra lavinförstärkningsanordningar som kan användas som ett alternativ till lavinkatoden 37 beskrivs ytterligare i vårt ovan nämnda svenska patent SE 514475.

Det skall speciellt noteras att ett joniserbart och scintillerande fast ämne kan anordnas mellan katoden 13 och katoden 37, och att ett annat fast ämne eller fluidum (gas eller vätska), som är lämpligt för 10 15 20 25 30 531 E81 elektronlavinförstärkning kan anordnas mellan katoden 37 och anoden 35.

Detektoranordningens och följaktligen utläsningsanordningens 35 storlek kan variera enormt. I en storytsdetektor, sådan som skulle användas till medicinska avbildningsändamål, kan en utläsningsanordning typiskt ha flera tusen utläsningselement och ha en yttre dimension av upp till 2 m x 2 m. I motsats kan en småytsdetektor, använd för andra tillämpningar, vara mindre än 1 mm x 1 mm.

Vidare innefattar detektoranordningen 10 en ljusdetektor 17 för detektering av scintillerande ljus emitterat i utrymmet ll som ett resultat av växelverkan mellan infallande strålning och ämnet. Ljusdetektorn 17 är företrädesvis anordnad för att detektera ljus emitterat huvudsakligen vinkelrätt mot den infallande strålningen som förs in i kammaren 11 och innefattar typiskt en gruppering av ljusdetekteringselement 17a, såsom tex. fotomultiplikatorrör, fotodioder, CCD-element eller liknande för oberoende detektering av ljus emitterat i kammaren ll.

Vart och ett av ljusdetekteringselementen kan förses med en respektive ljuskollimator 21 så att varje element "ser" en skild del av kammaren ll. Ett alternativ till tillhandahâllandet av individuella kollimatorer för ljusdetekteringselementen är att dela kammare ll i ett flertal kammarsektioner åtskilda av ljusreflekterande eller absorberande väggar (ej visat), varvid var och en av väggarna är huvudsakligen parallell med den infallande gamma- eller röntgenstrålningen så att varje ljusdetekteringselement är kapabelt att detektera ljus emitterat inom en enda kammarsektion. 10 15 20 25 30 Efii 55% 10 På så vis är varje ljusdetekteringselement kapabelt att detektera ljus, härledningsbart från absorption av en respektive i sidled åtskild del av den infallande gamma- eller röntgenstrålningen och således åstadkoms endimensionell avbildning av den infallande strålningen.

En alternativ ljusdetektor kan innefatta, som visas i fig. 2, kollimatorn 21, en fotokatod 23, ett skyddslager 29, ett utrymme eller kammare 31 för att fyllas med ett lavinförstärkande medium, en lavinförstärkare eller fältkoncentrationsanordning 25 inrymd inom utrymme 31 och en utläsningsanordning 27, 28, varvid utläsningsanordningen innefattar en gruppering med utläsningselement 27 anordnade på ett dielektriskt substrat 28 och elektriskt förbundna med signalbehandlingsanordningen medelst individuella ledningar (ej visade). En sådan detektor för detektering av scintillerande ljus beskrivs i vårt svenska patent SE 521032.

Fotokatoden 23 anpassas för att frigöra fotoelektroner i beroende av ljuset som emitteras i kammaren ll och träffar därefter fotokatoden 23. Fotoelektronerna frigörs företrädesvis från en yta 23b (bakre yta) hos fotokatoden 23, som ett resultat av ljuset som träffar en motstående yta 23a (främre yta) hos fotokatoden 23. Vidare drivs och accelereras fotoelektronerna mot lavinförstärkaren 25 och utläsningselementen 27 medelst lämpliga påförda spänningar mellan fotokatoden 23 och lavinförstärkaren 25 respektive mellan lavinförstärkaren 25 och utläsningselementen 27.

Inom och i närheten av lavinförstärkaren, vilken kan innefatta tex. en elektrod försedd med öppningar (liknande lavinkatoden 37 i kammaren ll), är det elektriska fältet fokuserat och som ett resultat därav accelereras och 10 15 20 25 30 53? E51 ll multipliceras elektronerna för att frigöra elektronlaviner (beroende på upprepade kollisioner mellan elektroner och lavinförstärkningsmediet). När dessa elektroner når utläsningsanordningen 27, 28 detekteras de i en eller flera av utläsningselementen 27.

Storleken hos de individuella 1jusdetekteringselementen (fotomultiplikatorrör, fotodioder, utläsningselement etc.) hos ljusdetektor 17 är typiskt större eller mycket större än storleken hos utläsningselementen 39 hos lavinelektrondetektorn 13, 37, 35, så att lägesupplösningen hos ljusdetektorn 17 är sämre eller mycket sämre än hos lavinelektrondetektorn 13, 37, 35. Å andra sidan är ljusdetektorer kända för att ha bättre energiupplösning än vad lavinelektrondetektorer har, och ljusdetektorn 17 i föreliggande uppfinning är utformad och optimerad för att ha så bra energiupplösning som möjligt.

Således är energiupplösningen hos ljusdetektor 17 bättre eller mycket bättre än hos lavinelektrondetektorn 13, 37, 35.

I drift placeras detektoranordningen 10 i fig.l och 2 i vägen för strålningen, y- eller röntgenstrålning, som önskas detekteras. Strâlningen passerar genom katoden 13 och absorberas i ämnet inneslutet i kammaren ll. Som ett resultat därav emitteras scintillerande ljus hv och fria elektroner e' frigörs (se fig. 2). Det scintillerande ljuset detekteras medelst ljusdetektorn 17 (tex. som beskrivs ovan) medan de frigjorda elektronerna detekteras på följande vis.

De påförda elektriska potentialerna åstadkommer att de V frigjorda elektronerna (frigjorda genom jonisering i primära och sekundära reaktioner) drivs parallellt med de elektriska fältlinjerna mot lavinkatoden 37 och anoden 35. Motsvarande 10 15 20 25 30 53? EE? 12 skapade positiva laddningsbärare drivs med de elektriska fältlinjerna mot katoden 13.

Vid lavinkatoden 37 börjar elektronerna accelereras, beroende på det starkare elektriska fältet de erfar, och de växelverkar med ämnet, vilket gör att ytterligare elektron- jonpar skapas. De skapade elektronerna kommer också accelereras i fältet och växelverka upprepade gånger med ny materia, vilket ger upphov till att ytterligare elektron- jonpar skapas. Detta förlopp fortsätter under elektronernas färd i lavinregionen mot anoden 35, belägen i nedre delen av lavinregionen, och på så vis bildas elektronlaviner.

Dessa elektronlaviner resulterar i mycket kraftig och nästan brusfri förstärkning av de primära frigjorda elektronerna och inducerar pulser i utläsningsanordningen 39, där de förstärkta pulserna detekteras individuellt eftersom varje utläsningselement har sin individuella signalledning till signalbehandlingsenheten. Signalbehandlingsenheten behandlar sedan pulserna, formar eventuellt pulserna och integrerar eller räknar pulserna från varje utläsningselement. På motsvarande sätt inducerar de positiva laddningsbärarna pulser som kan detekteras vid katoden 13, eller någon âIIIIEIIStaDS .

Således, genom att åstadkomma en tvådimensionell gruppering av utläsningselement 39 erhålls en detektoranordning 10, vari elektroner, härledningsbara huvudsakligen från jonisering av i sidled åtskilda partier av det infallande strålknippet, kan detekteras separat. Härigenom åstadkommer detektorn tvådimensionell avbildning.

Signalbehandlingsanordningen, vilken kan vara en dator försedd med lämplig mjukvara, innefattar ett korreleringsorgan för att korrelera ljus detekterat av 10 15 20 25 30 534 BBQ 13 ljusdetektorn 17 och lavinförstärkta elektroner detekterade av elektronlavindetektorn 13, 37, 35, vilka är härledningsbara från en enda strålningsfoton. Härigenom identifieras signalerna som uppkommit från sama infallande strålningsfoton i de två detektorsektionerna, och sådan identifiering utförs för alla signaler om det är möjligt.

Eftersom det antas att ljusdetektorn har tämligen hög energiupplösning och tämligen dålig spatial och temporal upplösning, och det motsatta gäller för lavinelektrondetektorsektionen, är det uppenbart att det infallande strålflödet begränsar till vilken grad alla signaler kan korreleras eller inte. Det ska således inses att två infallande strålningsfotoner som detekteras spatialt och temporalt upplösta i lavinelektrondetektorsektionen måste detekteras antingen temporalt eller spatialt upplöst i ljusdetektorsektionen, för att man ska kunna bestämma vilka signaler i de respektive detektorsektionerna som beror på samma infallande foton.

Vidare innefattar signalbehandlingsanordningen ett genereringsorgan för att skapa en enda signal från två korrelerade signaler, dvs. korrelerat detekterat ljus (signal i ljusdetektorn) och detekterade lavinförstärkta elektroner (signal i lavinelektroddetektorn), där den skapade signalen detekteras mera effektivt mot bakgrundsbrus.

Pâ så vis erhålls en detekterad signal som kan vara överlägsen alla de individuella signalerna erhållbara genom att använda någon av detektorsektionerna. Den uppfinningsenliga detektoranordningen kan vara användbar inom en mängd olika områden, såsom tex. det medicinska området omfattande teknikerna datortomografi, radiologi, positronemissionstomografi (PET). Uppfinningen kan också 10 15 20 25 30 531 E51 14 vara lämplig att använda inom icke-destruktiv testning, mikroskopi, samt grund- och tillämpad forskning omfattande tex. neutrondetektering.

Vidare bär de upptagna signalerna spektral information om de detekterade infallande strålningsfotonerna och således åstadkommer detektoranordningen energiupplöst strålningsdetektering. En liknande detektoranordning baserad på en dubbeldetektoranordnig för energiupplöst strålningsdetektering beskrivs i vårt svenska patent SE 522428.

Eftersom det är känt att ljusdetektoranordningar åstadkommer en högre energiupplösning kan detektoranordningen enligt föreliggande uppfinning användas för att åstadkomma utmärkt spatial, temporal såväl som spektral upplösning.

Det skall inses att medan den ovan beskrivna utföringsformen innefattar en detektor vari den infallande strålningen är tänkt att föras in i detektorn genom dess katod finns det inga som helst begränsningar i detta avseende. Den föreliggande uppfinningens koncept är speciellt applicerbart på en planstråledetektor, vari den infallande strålningen, som typiskt är ett plant strålknippe, förs in i detektorn i sidled mellan och huvudsakligen parallellt med katoden och anoden, och vari elektroner, frigjorda som ett resultat av jonisering av nämnda strålning, drivs och accelereras i en riktning som är i huvudsak vinkelrät mot riktningen för den infallande strålningen. För en ytterligare detaljerad beskrivning av en sådan detektorgeometri, se våra ovan nämnda svenska patent SE 514475 och SE 522428.

Ljusdetekteringsanordningen, vilken typiskt innefattar en linjär gruppering av individuella ljusdetekteringselement kan orienteras och anordnas för att detektera ljus i en riktning motsatt eller i huvudsak motsatt de drivna och 10 15 20 25 30 534 E51 15 accelererade elektronernas riktning, eller för att detektera ljus emitterat i en riktning parallellt med den infallande strålningen. Vad avser andra detaljer och egenskaper kan anordningen konfigureras och anordnas som i utföringsformen enligt fig. 1 och 2.

Med hänvisning nu till fig. 3 och 4, vilka schematiskt i perspektivvy respektive tvärsnittsvy, visar en anordning 50 för positronemissionstomografi (PET), kommer en speciellt tillämpad utföringsform av föreliggande uppfinning, att beskrivas.

PET-anordningen 50 innefattar en cylindriskt formad elektronlavindetektorsektion 59 och en ljusdetektorsektion 57 anordnad vid en axiell ända av detektorsektion 59. Inom elektronlavindetektorsektionen 59 anordnas ett patientomrâde, där en patient, eller en del därav, 52 kan placeras. Elektronlavindetektorsektionen 59 innefattar en inre cylindrisk katod 53 genomsläpplig för gammastrålning och en yttre cylindrisk anod 75, varemellan ett lämpligt elektriskt fält påförs under drift medelst en elektrisk strömförsörjningsenhet (ej visad).

Vidare innefattar detektorsektionen 59 en inneslutning vid dess axiella ändar (ej explicit visat, men ljusdetektorsektionen 57 kan åstadkomma inneslutning vid en av ändarna) så att ett fluidumtätt, ringformigt utrymme 51 definieras, vari ett joniserbart och scintillerande fluidum (eller fast ämne) kan anordnas. Det joniserbara och scintillerande fluidet, vilket företrädesvis också är ett lämpligt medium för elektronlavinförstärkning, kan vara något av de ämnen eller blandningar därav som beskrivs i föregående utföringsform. 10 15 20 25 30 537 EB? 16 Anoden 75 innefattar ett flertal separata elektrisk ledande utläsningselement 79 anordnade i en cylinderformad matris, varvid utläsningselementen 79 företrädesvis är rektangulära, kvadratiska eller av annan form och är elektriskt isolerade från varandra. En sådan matris med utläsningselement 79 är, som utförligare beskrivs nedan, kapabel att åstadkomma spatialt upplöst detektering av elektroner skapade som ett resultat av jonisering av fluidet med gammastrålning som förs in genom katoden 53.

Utläsningselementen 79 såväl som katod 53 kan anordnas på respektive dielektriska substrat (ej visade).

Vidare innefattar ljusdetektorsektion 57 ett flertal individuella ljussamlingselement 67 anordnade i en cirkulär form för att detektera allt scintillerande ljus emitterat i en huvudsakligen axiell riktning. I det visade fallet är sexton ljusdetekteringselement 67 anordnade för att täcka hela varvet, 360°, av det cirkulära utrymmets 51 axiella ände. Ljusdetekteringselementen är företrädesvis fotomultiplikatorrör, fotodioder, CCD-element eller andra snabbreagerande ljusdetekteringselement. Speciellt föredras detektorelement som åstadkommer mätningar med hög intensitetsupplösning.

Det skall noteras att utläsningselementens 79 storlek är mindre eller mycket mindre än ljusdetekteringselementens 67 storlek, vilket visas i fig. 4. Eftersom utläsningselementen 79 är fördelade över en cylindriskt formad yta tillhandahålls ett mycket stort antal av dessa jämfört med antalet ljusdetekteringselement 67.

Strålningsdetektering börjar genom injicering av isotoper med kort halveringstid i en patients kropp 52 placerad inom patientområdet i den cylindriska detektorsektionen 59. Isotoperna absorberas av målområden inuti kroppen och 10 15 20 25 30 534 E51 17 emitterar positroner. Positronerna förintas tillsammans med elektroner mycket snabbt genom annihilation. Som ett resultat av varje sådan annihilation emitteras samtidigt två 511 keV-gammastrålar,%, W respektive 3, 3, i motsatta riktningar, dvs. i riktningar åtskilda med l80°. De emitterade gammastrålarna lämnar kroppen, penetrerar genom den cylinderformade katoden 53 och absorberas av det joniserbara och scintillerande fluidet inuti det ringformiga utrymmet 51. Som ett resultat av varje röntgenstråleabsorption emitteras isotropiskt scintillerande ljus hv och fria elektroner e'frigörs.

Ljuset emitterat huvudsakligen i en axiell riktning mot ljusdetektorn 57 (betecknad med pilar i fig. 3) från varje absorberad gammastråle W, h och 3, yadetekteras i en respektive en av de individuella ljusdetekteringselementen. Amplituden eller det integrerade värdet av varje ljusinducerad signal är ett mått på energin hos den korresponderande strålningsfotonen. Således kan signaler som inte ligger inom ett acceptabelt spektralfönster bortses från. Hur detta kan användas på ett nytt sätt beskrivs nedan.

De frigjorda elektronerna e' från varje absorberad gammafoton drivs mot katoden 75 och dess matris med utläsningselement 79 medelst det påförda elektriska fältet.

Motsvarande skapade positiva laddningsbärare drivs mot katoden 53.

Om det elektriska fältet som påförs är tillräckligt starkt accelereras elektronerna kraftigt och växelverkar med fluidet, vilket orsakar att ytterligare elektron-jonpar skapas. De skapade elektronerna kommer också accelereras i fältet och växelverka upprepade gånger med ny materia, 10 15 20 25 30 531 EEÉ 18 vilket ger upphov till att ytterligare elektron-jonpar skapas. Detta förlopp fortsätter under elektronernas färd i lavinregionen mot anoden 75. Det skall noteras att lavinförstärkning kan underlättas om ett lämpligt fältkoncentrationsorgan anordnas mellan katoden 53 och anoden 75.

Elektroner som träffar utläsningselementen 79 inducerar elektriska pulser däri, vilka detekteras. Elektroner som är ett resultat av absorption av en enda gammafoton detekteras individuellt i ett eller flera utläsningselement 79. Genom att åstadkomma ett stort antal små och nära varandra placerade utläsningselement 79 erhålls en god spatial upplösning.

Detektering av två gammafotoner samtidigt i två på olika ställen placerade utläsningselement 79 visar då en annihilation av en positron i patienten längs en rät linje mellan dessa element.

En dator (ej visad), eller liknande, registrerar läget av var och en av dessa projektioner och prickar sedan in strålningskällan inuti patienten. Registrerade data översätts sedan till en PET-bild. En PET-skärm visar koncentrationen av isotoper, tex. i olika färger som visar aktivitetsnivå.

Det skall inses att när man använder en sådan elektronlavindetektor 59 kan en förbättrad spatial och temporal upplösning erhållas till kostnad av en försämrad energiupplösning. Antalet utläsningselement 79 i den uppfinningsenliga detektorn kan vara mycket högt (flera tusen) utan att komplicera eller leda till ett högre pris på detektorn och vidare kan de göras väldigt små, i submillimeterområdet. 10 15 20 25 30 Eßfi S51 19 Som en konsekvens av den begränsade energiupplösningen hos en sådan detektor kan emellertid inte energiinformationen enkelt användas för att reducera bakgrund eller brus. För att förbättra brusreduceringen hos den uppfinningsenliga PET-anordningen med hög upplösning kan ljusdetektorn 57 användas. Genom att korrelera detekterat ljus och detekterade lavinförstärkta elektroner, vilka är härledningsbara från ett enda strålningsfotonpar, kan ett signalpar från nämnda korrelerade detekterade ljus och detekterade lavinförstärkta elektroner skapas, där detta skapade signalpar har spatial och temporal upplösning jämförbar med de detekterade lavinförstärkta elektronernas spatiala och temporala upplösning, och en energiupplösning bättre än de detekterade lavinförstärkta elektronernas spektrala upplösning. Sådan korrelering och signalgenerering repeteras för varje detekterat ljus och varje detekterad elektronlavin och således kan en avbildning med lägre brusnivåer skapas eftersom ljusdetektorns höga energiupplösning bidrar till att bortse från annars felaktigt ihoppassade signaler (dvs. signaler som inte har den förutbestämda energin 511 kev bortses från).

Det skall inses att den uppfinningsenliga PET-anordningen kan varieras på många sätt inte minst vad avser storlek, form och geometri.

Således i fig. 5 visas schematiskt en tvärsnittsvy, av en PET-anordning enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen. Här används en triangulär detektorgeometri istället för den cirkulära som visas i fig. 3 och 4. Tre plana dubbeldetektoranordningar 90 anordnas således med en sned vinkel med avseende på varandra så att en triangulär tvärsnittsform definieras. Dubbeldetektoranordningarna 90 vetter mot patientområdet och varje patient, eller liknande, 10 53% E51 20 52 placerad däri. Varje detektor 90 är liknande den visad i fig. 1 och 2, och innefattar en elektronlavindetektorsektion, innefattande en plan matris med utläsningselement 89 och en ljusdetektorsektion innefattande en grupp av ljusdetekteringselement 87.

Alternativt används fler plana detektorer för att skapa en PET-anordning, tex. fyra stycken för att definiera en anordning med kvadratiskt eller rektanqulärt tvärsnitt, eller till och med ännu fler, för att definiera en anordning med polygonformat tvärsnitt.

Givetvis kan uppfinningen varieras på många olika sätt.

Sådana variationer skall inte anses ligga utanför uppfinningens ram.

Claims (22)

10 15 20 25 30 53? B51 21 PATENTKRAV

1. Detektoranordning för detektering av joniserande småhungkännetecknad av - en kammare (ll; 51) fylld med ett joniserbart och scintillerande ämne, där nämnda kammare är delad i ett flertal strålningsabsorberande volymer separerade av ljusreflekterande eller -absorberande väggar, - en strålningsingång (l3; 53) anordnad så att joniserande strålning (y; X) kan föras in i nämnda kammare i huvudsak parallellt med nämnda ljusreflekterande eller -absorberande väggar, delvis för att jonisera nämnda joniserbara och scintillerande ämne, delvis för att omvandlas till ljus (hv) däri, - en ljusdetekteringsanordning (17; 57) inrättad för temporalt, spatialt och energiupplöst avbildande detektering av en del av nämnda ljus, där nämnda ljusdetekteringsanordning innefattar en gruppering av ljusdetekteringselement l7a, vart och ett kapabelt att detektera ljus emitterat inom en enda av nämnda strålningsabsorberande volymer, - en elektronlavindetekteringsanordning (l9; 59) inrättad för lavinförstärkning av elektroner (e'), frigjorda som ett resultat av nämnda jonisering av nämnda joniserbara och scintillerande ämne, och för temporalt, spatialt och energiupplöst direkt detektering i två dimensioner av nämnda lavinförstärkta elektroners laddningar, 10 15 20 25 30 5337 E51 22 - korreleringsorgan inrättat att korrelera detekterat ljus och detekterade lavinförstärkta elektroner, vilka är härledningsbara från en enda joniserande strålningsfoton och - genereringsorgan inrättat att skapa en enda signal från nämnda, korrelerade, detekterade ljus och detekterade lavinförstärkta elektroner, så att nämnda enda signal får en spatial och temporal upplösning jämförbar med de detekterade lavinförstärkta elektronernas spatiala och temporala upplösning, och en spektral upplösning jämförbar med det detekterade ljusets spektrala upplösning.

2. Detektoranordning enligt patentkrav l, varvid nämnda joniserbara och scintillerande ämne är i flytande fas.

3. Detektoranordning enligt patentkrav l, varvid nämnda joniserbara och scintillerande ämne är i gasfas.

4. Detektoranordning enligt patentkrav 3, varvid nämnda gasformiga ämne har ett tryck över atmosfäriskt tryck.

5. Detektoranordning enligt patentkrav 1, varvid nämnda joniserbara och scintillerande ämne är i fast fas.

6. Detektoranordning enligt något av patentkraven 1-4, varvid nämnda ämne är ett scintillerande medium eller blandat med ett medium för förbättrad lavinförstärkning.

7. Detektoranordning enligt patentkrav 6, varvid nämnda scintillerande medium är något av Ar, Xe, Kr eller en blandning därav, och nämnda medium för förbättrad lavinförstärkning är C02, CH,, Cgg, isobutan, eller en blandning därav. 10 15 20 25 30 53? Eßfi 23

8. Detektoranordning enligt något av patentkraven 1-7, varvid nämnda ljusdetekteringsanordning är orienterad för att avbildande detektera ljus som emitterats huvudsakligen vinkelrätt mot nämnda joniserande strålning, som förts in i nämnda kammare.

9. Detektoranordning enligt något av patentkraven l-8, varvid nämnda ljusdetekteringsanordning innefattar ett flertal ljuskollimatorer (21) anordnade i en gruppering.

10. Detektoranordning enligt något av patentkraven 1-9, varvid nämnda 1jusdetekteringsanordning innefattar en detektor av halvledartyp (57).

11. ll. Detektoranordning enligt patentkrav 10, varvid nämnda detektor av halvledartyp (57) innefattar fotodioder eller CCD-element.

12. Detektoranordning enligt något av patentkraven 1-9, varvid nämnda ljusdetekteringsanordning innefattar - en fotokatod (23) inrättad för att frigöra fotoelektroner i respons på nämnda ljus, - en elektronlavinförstärkare (25) inrättad att lavinförstärka nämnda fotoelektroner och - en utläsningsanordning (27, 28) inrättad att detektera nämnda lavinförstärkta elektroner.

13. Detektoranordning enligt patentkrav 12, varvid nämnda utläsningsanordning innefattar ett flertal 10 15 20 25 30 531 EE? 24 utläsningselement (27) anordnade i en gruppering så att varje utläsningselement är kapabelt att detektera lavinförstärkta elektroner härledningsbara från absorption av ett respektive i sidled åtskilt parti av nämnda joniserande strålning som förts in i kammaren.

14. Detektoranordning enligt något av patentkraven l-13, varvid nämnda anordning för elektronlavindetektering innefattar - en katod (33; 73) och en anod (3S; 75), mellan vilka ett elektriskt fält kan påföras för drivning av nämnda elektroner, frigjorda som ett resultat av nämnda jonisering, - anordning för koncentrering av elektriska fält (37) anordnad mellan nämnda katod och nämnda anod för acceleration av nämnda frigjorda elektroner och därmed för nämnda lavinförstärkning av nämnda frigjorda elektroner och - en utläsningsanordning (35; 75) för nämnda temporalt och spatialt upplösta detektering av nämnda lavinförstärkta elektroner.

15. Detektoranordning enligt patentkrav 14, varvid nämnda utläsningsanordning innefattar ett flertal utläsningselement (39; 79) anordnade i en gruppering så att varje utläsningselement är kapabelt att detektera lavinförstärkta elektroner härledningsbara från absorption av ett respektive i sidled åtskilt parti av nämnda joniserande strålning som förts in i kammaren. 10 15 20 25 30 53? EE? 25

16. Detektoranordning enligt patentkrav 14 eller 15, varvid nämnda elektriska fältkoncentrationsanordning innefattar en elektrod (37) försedd med ett flertal öppningar (38) för att tillåta elektroner att passera genom nämnda elektrod.

17. Anordning för positronemissionstomografi för konstruktion av en tredimensionell bild av ett föremål (52) från linjära projektioner av joniserande strålning som emitterats från föremålet, k ä n n e t e c k n a d a v detektoranordningen (l0; 90) enligt något av patentkraven l-16, för detektering av joniserande strålningen som emitteras från nämnda föremål.

18. Förfarande för detektering av joniserande strålning kännetecknat av stegen att - joniserande strålning förs in i en kammare (1l; 51), som är delad i ett flertal strålningsabsorberande volymer separerade av ljusreflekterande eller -absorberande väggar och fylld med ett joniserbart och scintillerande ämne, i huvudsak parallellt med nämnda ljusreflekterande eller - absorberande väggar, delvis för att jonisera nämnda joniserbara och scintillerande ämne, delvis för att omvandla joniserande strålning till ljus (hv) däri, - åtminstone en del av nämnda ljus detekteras avbildande samt temporalt, spatialt och energiupplöst medelst en ljusdetekteringsanordning (l7; 57) innefattande en gruppering av ljusdetekteringselement l7a, vart och ett kapabelt att detektera ljus emitterat inom en enda av nämnda strålningsabsorberande volymer, 10 15 20 25 30 53? EE? 26 - elektroner (e") frigjorda som ett resultat av nämnda jonisering av nämnda joniserbara och scintillerande ämne lavinförstärkes, och nämnda lavinförstärkta elektroners laddningar detekteras direkt i två dimensioner temporalt, spatialt och energiupplösta medelst en anordning för elektronlavindetektering (35; 75), - detekterat ljus (hv) och detekterade lavinförstärkta elektroner (e'), vilka är härledningsbara från en enda joniserande strålningsfoton (Y, X), korreleras och - en signal från nämnda korrelerade detekterade ljus och detekterade lavinförstärkta elektroner skapas, så att den får en spatial och temporär upplösning jämförbar med de detekterade lavinförstärkta elektronernas spatiala och temporala upplösning och en spektral upplösning jämförbar med det detekterade ljusets spektrala upplösning.

19. Förfarande enligt patentkrav 18, varvid nämnda åtminstone en del av nämnda ljus detekteras huvudsakligen vinkelrätt mot nämnda joniserande strålning, som förts in i nämnda kammare.

20. Förfarande enligt patentkrav 18 eller 19, varvid nämnda temporalt och spatialt upplösta detektering av åtminstone en del av nämnda ljus utförs genom stegen att: - fotoelektroner frigöres i respons på nämnda ljus medelst en fotokatod (23), - nämnda fotoelektroner lavinförstärks medelst en elektronlavinförstärkare (25) och 10 15 53% EE? 27 - nämnda lavinförstärkta elektroner detekteras medelst en utläsningsanordning (27, 28).

21. Förfarande enligt något av patentkraven 18-20, varvid lavinförstärkta elektroner härledningsbara från absorption av respektive en av ett flertal av i sidled åtskilda partier av nämnda joniserande strålning som förts in i kammaren, detekteras separat.

22. Positronemissionstomografiförfarande för konstruktion av en tredimensionell bild av ett föremål (52) från linjära projektioner av joniserande strålning som emitteras från föremålet k ä n n e t e c k n a t a v att nämnda joniserande strålning som emitteras från föremålet detekteras enligt förfarandet enligt något av patentkraven 18-21.