DE2709599A1 - Radiographisches geraet - Google Patents

Description

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

EMI Ltd. 100/496

Radiographisches Gerät

Die Erfindung betrifft ein radiographisches Gerät mit einer Quelle zur Aussendung eines fächerförmigen Feldes von durchdringender Strahlung durch eine Scheibe des Körpers eines Patienten, mit Mitteln zur Erzeugung wenigstens einer Winkelbewegung der Quelle in bezug auf den Körper um eine die Scheibe schneidende Achse, um die Strahlung aus mehreren Richtungen durch den Körper zu schicken, und mit zahlreichen so angeordneten Detektoren, daß sie die Strahlung nach Durchqueren des Körpers empfangen.

Derartige radiographische Geräte werden auf dem Gebiet der Radiographie eingesetzt, das auch unter der Bezeichnung "computerisierte axiale Tomographie" bekanntgeworden ist. Diese Geräte haben den Zweck, die Absorptionskoeffizienten an zahlreichen über

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der ebenen Scheibe des untersuchten Körpers verteilten Stellen in bezug auf die verwendete Strahlung zu ermitteln.

Die Ermittlung der Absorptionskoeffizienten erfolgt dabei durchVerarbeitung der Signale, die ein Maß für die Absorption darstellen, die die Strahlung beim Durchqueren des Körpers auf zahlreichen in der Ebene der Scheibe verlaufenden Strahlenwegen erfährt. Uhi die erforderlichen Signale zu gewinnen, ist es üblich, der Quelle eine Abtastbewegung in bezug auf den Körper zu erteilen und die Strahlung festzustellen, die auf der der Quelle gegenüber liegenden Seite des Körpers austritt, während die Quelle zahlreiche unterschiedliche Positionen in bezug auf den Körper einnimmt. Ein derartiges Gerät ist in der DT-OS 1 941 433 beschrieben.

Wenn die Signale rasch zur Verfügung gestellt werden müssen, wird zweckmäßigerweise eine Quelle verwendet, die ein fächerförmiges, ebenes Strahlungsfeld aussendet, das wenigstens einen nennenswerten Teil der Scheibe erfaßt. Die Ebene des Strahlungsfächers und die Ebene der Scheibe sind dabei koinzident. Das Strahlungsfeld kann aus einem kontinuierlichen Strahlungsfächer bestehen, oder durch Kollimatoren zwischen dem Körper und der Quelle in der erforderlichen Weise aufgespalten werden. An der der Quelle gegenüber liegenden Seite des Körpers ist eine Detektorgruppe angeordnet, so daß jeder Detektor die Strahlung feststellt, die den Körper auf einem bestimmten Strahlenweg verläßt, wobei die Strahlenwege divergieren, und die Quelle und die Detektoren werden um den Körper um eine gemeinsame Achse gedreht, die etwa senkrecht zu den Ebenen der Scheibe und des Strahlungsfächers liegt, so daß Signale erzeugt werden, die sich auf die Absorption beziehen, die die Strahlung beim Durchqueren weiterer Gruppen von Strahlenwegen erfährt. Bei der Drehung der Quelle und der Detektoren um beispielsweise einen Winkel, der etwa um den Winkel des

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Strahlungsfächers größer als 180° ist, werden Signale gewonnen, die sich auf zahlreiche Gruppen von Strahlenwegen beziehen. Eine derartige Technik ist in der DT-OS 2 427 418 beschrieben. Vorzugsweise werden die Signale in Gruppen sortiert, die sich auf etwa parallele Strahlenwege beziehen und dann Gruppe für Gruppe durch ein Verfahren verarbeitet, das in der DT-OS 2 420 500 beschrieben ist, wobei die Tatsache berücksichtigt wird, daß die parallelen Strahlenwege nicht gleichmäßig über der Scheibe verteilt sind. Es sei bemerkt, daß die Daten nicht in Gruppen von parallelen Strahlenwegen sortiert werden müssen, vorausgesetzt, daß die Verarbeitung auf die Verwendung der fächerförmigen Verteilung der Strahlenwege ausgerichtet ist.

Eine Schwierigkeit ergibt sich jedoch hierbei dadurch, daß die einzelnen Detektoren während der Zeit, in der die Daten erzeugt werden, d.h. während der Abtastzeit, zu einer Drift hinsichtlich ihres Gewinns neigen. Da ein gegebener Detektor stets Signale erzeugt, die sich auf Strahlenwege mit einem konstanten senkrechten Abstand von der Drehachse beziehen, verursacht eine solche Drift bei den ermittelten Koeffizienten die Überlagerung von ringförmigen Störungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Störungen zu vermindern.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen dem Körper und den Detektoren zahlreiche Platten derart angeordnet sind, daß sie ein Auftreffen von Strahlung, die von der Quelle auf indirekten Wegen übertragen wird, auf bestrahlte Detektoren vermindern, daß die Quelle und die Platten relativ zu den Detektoren bewegbar angeordnet sind, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Platten trotz der Relativbewegung jedem Detektor dieselbe Ausgangsöffnung darbieten.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten :

Fig. 1 eine schematische Vorderansicht eines

gemäß der Erfindung ausgebildeten Gerätes,

Fig. 2 die Beziehung der Kollimatorplatten zu

den Detektoren und

Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der

Wirkungsweise der Kollimatorplatten

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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Gerät ist eine Röntgenstrahlenröhre 1, vorzugsweise eine Röhre üblicher Bauart mit rotierender Anode auf einem drehbaren Ring 2 angebracht, so daß ein Teil 3 des Körpers eines Patienten bestrahlt werden kann. Die Röhre erzeugt ein weitgehend ebenes, fächerförmiges Röntgenstrahlenfeld 4, und der Körper ruht in einer solchen Lage, daß der Teil 3, der eine Querschnittsscheibe darstellt, in der die Absorptionskoeffizienten ermittelt werden sollen, sich in der Ebene des Strahlenfeldes 4 befindet. Die Drehbewegung des Ringes 2 erfolgt um eine Achse 5, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa in der Mitte des Körperteils 3 angeordnet ist und senkrecht zur Ebene des Strahlenfächers 4 verläuft. Die Antriebskraft für die Drehbewegung des Ringes 2 liefert ein Elektromotor 6, der ein Zahnrad 7 antreibt. Dieses Zahnrad wirkt mit nicht dargestellten Zähnen zusammen, die am inneren Umfang des Ringes 2 angebracht sind. Der Motor 6 ist auf einem stationären Hauptrahmen 8 angebracht, der konzentrisch zum Ring 2 ausgebildet und so groß ist, daß der Körper in Rückenlage in das Gerät eingeführt werden kann. Der Körper ruht auf einem Bett 10, das seinerseits mittels Stützen 11 beiderseits der Abtastvorrichtung gelagert ist. Die Festlegung des Körpers auf dem Bett erfolgt mittels eines Gurtes 12. Fühlmaterial 13, das aus Wasser, einem viskosen oder partikelförmigen Material besteht und sich in einem oder mehreren Kunststoffbeuteln befindet, wird zwischen dem Körper und dem Bett 10 im Bereich der Untersuchung angebracht, um Lufteinschlüsse zwischen dem Körperteil 3 und dem Bett 10 zu beseitigen. Das Material 13 ist so gewählt, daß es die Röntgenstrahlung in gleichem Maße absorbiert wie menschliches Körpergewebe.

Auf dem Hauptrahmen 8 ist ferner eine Bank 14 mit Detektoren angebracht, wobei die Detektoren auf einer Kreisbahn angeordnet sind, die konzentrisch zum Ring 2 ist, aber einen größeren Radius als dieser aufweist, d.h. die Achse 5 bildet auch für die Detektoren den Mittelpunkt. Die Detektoren erstrecken sich über einen Winkel, der gleich der Summe von 180° und dem Spreizwinkel des

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Fächers ist. Da der Spreizwinkel des fächerförmigen Strahlungsfeldes 4 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 40° beträgt, erstrecken sich die Detektoren 14 über einen Winkel von etwa 220°. Dies ist notwendig, damit Signale gewonnen werden können, die sich auf Gruppen mit jeweils gleicher Zahl von parallelen Strahlenwegen beziehen, die über etwa 180° verteilt sind, denn dies ist für eine sehr genaue Arbeitsweise erforderlich, wenn die Signale nach einer Technik verarbeitet werden, die in der erwähnten DT-OS 2 420 500 beschrieben ist. Gegebenenfalls kann sich die Detektoranordnung auch auf die vollen 360° erstrecken.

Jeder Detektor der Gruppe 14 besteht vorzugsweise aus einem Scintillatorkristall , beispielsweise aus mit Thallium aktiviertem Caesiumjodid in Verbindung mit einem lichtempfindlichen Element in Form einer Fotovervielfacheröhre oder einer Fotodiode. Zwischen der Detektoranordnung 14 und dem Körper ist eine Kollimator-Anordnung 15,16 angeordnet, um das Auftreffen von Streustrahlung auf die Detektoren zu vermindern. Das Element 15 der Kollimator-Anordnung besteht aus zwei Platten, die parallel zur Ebene des Strahlenfeldes 4 ausgerichtet sind, und das Element 16 besteht aus zahlreichen Kollimatorplatten, die in einer Richtung parallel zueinander verlaufen und zu den Verbindungslinien zwischen benachbarten Detektorkristallen geneigt sind, was nachfolgend noch näher erläutert wird. Das Element 16 vermindert zwar die Menge der auftreffenden Streustrahlung, jedoch definiert es keinen präzisen Auftreffwinkel für jeden einzelnen Detektor. Hierdurch können die Detektoren Strahlung empfangen, die entlang verschiedener Strahlenwege innerhalb des Strahlungsfeldes 4 verläuft, wenn die Strahlung während der Winkelbewegung des Ringes 2 eine Abtastbewegung in bezug auf die Detektoren ausführt. Der Abstand der Kollimatorplatten muß nicht notwendigerweise auf den Abstand der Detektoren bezogen sein, jedoch ist der Abstand vorzugsweise gleich groß oder kleiner als der Detektorabstand.

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Einige Detektoren der Gruppe 14 müssen in der Lage sein. Strahlung aus jedem Winkel innerhalb des Strahlungsfeldes 4 zu empfangen und somit ist jeder Detektor so ausgelegt, daß er auf die Strahlungsquelle durch eine Ausnehmung mit einem Blickfeld von 40° "sieht".

Bei der Festlegung der Plazierung der Detektoren muß der Tatsache Rechnung getragen werden, daß der Kreis, auf dem die Detektoren angeordnet sind, einen größeren Durchmesser aufweist als die Bahn der wirksamen punktförmigen Strahlungsquelle. Vorzugsweise sind 660 Detektoren vorgesehen, die in bezug auf die Achse einen Winkelabstand von 1/3° aufweisen.

In der Praxis beginnt die aktive Abtastung in einer Position, in der der Fächer eine Gruppe von Detektoren am einen Ende der Detektorgruppe 14 bestrahlt, und der Ring sowie die Quelle 1 werden um die Achse 5 und um den Körperteil 3 gedreht. Wenn die Winkelbewegung fortschreitet, überstreicht die Strahlung die Detektorgruppe 14. Die von den Detektoren der Gruppe 14 erzeugten Ausgangssignale werden mit einer Rate aufgetastet, die durch Taktimpulse bestimmt ist, die von einer Fotozelleneinheit 17 geliefert werden, die auf den stationären Rahmen 8 gelagert ist und mit einer Stricheinteilung 18 auf dem Ring 2 zusammenwirkt. In regelmäßigen Intervallen wird ein Detektor am hinteren Ende des Strahlenfeldes 4 durch einen neuen Detektor am vorderen Ende des Strahlenfeldes 4 ersetzt, so daß stets Abfragewerte derselben Zahl von Detektoren erzeugt werden. Um Kosten zu sparen, können Detektoren, die einen größeren Abstand voneinander haben als der Fächerwinkel, d.h. Detektoren, die nicht zur gleichen Zeit bestrahlt werden können, sich Fotovervielfacher und/oder nachfolgende elektrische Schaltungen auf einer Zeitmultiplexbasis teilen. Der Abtastvorgang ist beendet, wenn alle Detektoren von Strahlung bestrahlt worden sind, die durch den Körper verlaufen ist.

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Eine solche Anordnung ist in der Zeichnung dargestellt. Detektoren, die einen Winkelabstand von mehr als 40° aufweisen, sind über faseroptische Lichtleiter 19 an einen gemeinsamen Fotovervielfacher 20 angeschlossen, und jeder Fotovervielfacher speist einen Kanal, der einen Verstärker 21, einen Integrator 22,der von den erwähnten Taktimpulsen periodisch gelesen und zurückgestellt wird, einen Analog/Digital-ümsetzer 23 und einen logarithmischen Umsetzer 24 enthält. Alle logarithmischen Umsetzer 24 sind an eine Datenverarbeitungsschaltung 25 angeschlossen, die die zugeführten Signale in Gruppen sortiert, die sich auf parallele Strahlenwege durch den Körper 3 beziehen, die die Signale justiert, um die erwähnte Ungleichmäßigkeit des Abstandes der parallelen Strahlenwege zu berücksichtigen, und die die sortierten und justierten Signale nach der in der erwähnten DT-OS beschriebenen Technik verarbeitet, um die Absorptionskoeffizienten an zahlreichen über der den Körperteil 3 enthaltenden Scheibe verteilten Stellen zu ermitteln. Vorzugsweise werden die ermittelten Koeffizienten auf einerAnzeigevorrichtung, z.B. einer Kathodenstrahlröhre 26, sichtbar gemacht, die eine Fotografie der Darstellung ermöglicht, und ferner werden die Koeffizienten einem Langzeitspeicher 27 zugeführt. Der Langzeitspeicher 27 besteht vorzugsweise aus einem Magnetband oder einem scheibenförmigen Speicher. Das Zeitmultiplexverfahren für die Fotovervielfacher und die sich daran anschließenden Kanäle mit den elektrischen Schaltungen wird unter dem Einfluß einer Taktgeberschaltung 28 durchgeführt, die die erwähnten Taktimpulse empfängt und weitere Taktsignale erzeugt, die Tore in der Schaltung 25 betätigen, um die verschiedenen Signale an ihre richtigen Speicherstellen zu bringen.

Die Anordnung der Kollimatorplatten des Elementes 16 ist schematisch in Fig. 2a als Ansicht und in Fig. 2b als Draufsicht wie in Fig. 1 dargestellt. Ferner ist ein Teil der Detektorgruppe 14 sichtbar. Wie in Fig. 1 sind die Kollimatorplatten und die Detek-

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toren auf Kreisen angeordnet, deren Mittelpunkt die Achse 5 bildet, und die Grenzen zwischen den einzelnen Detektoren liegen auf Radien, die von dieser Achse ausgehen. Die Kollimatorplatten der Einheit 16 verlaufen jedoch radial zum Ursprung der Röntgenstrahlenquelle, so daß sie von dort direkt übertragene Strahlung so wenig wie möglich behindern. Aus dem gleichen Grunde sind sie verhältnismäßig dünn. Somit lassen sie direkte Strahlung 29 zu den Detektoren mit geringem Verlust hindurch, jedoch behindern sie Streustrahlung 30. Die Grenze zwischen den einzelnen Detektoren sollte in einer Ebene in der Mitte zwischen zwei benachbarten Detektoren liegen, jedoch brauchen die Detektoren nicht in physikalischer Berührung zu sein.

Es ist allerdings nicht möglich, eine Behinderung wenigstens eines kleinen Teils der direkt von der Quelle ausgesendeten Strahlung durch die Kollimatorplatten der Einheit 16 zu verhindern. Ferner bewegen sich die Kollimatorplatten im Verlauf der Drehung um die Achse 5 relativ zu den Detektoren 14. Wenn die Ausgänge von jedem Detektor gleiche Bedeutung haben sollen, muß sichergestellt werden, daß jeder Detektor in jeder Auftastperiode eines Integrators durch in seinem Heg angeordnete Kollimatorplatten den gleichen Anteil an Strahlung verliert. Würden die Kollimatoren- · platten parallel zu den Grenzenzwisehen den Detektoren liegen (d.h. in einer Richtung senkrecht zur Papierebene in Fig. 2),müßte die Taktung der Integratoren sorgfältig reguliert werden, um diese Wirkung zu erzielen. Anderenfalls könnte nämlich ein Fehler in der Taktgebung, der gleich einerUmfangsbewegung entsprechend der Dicke einer Kollimatorplatte ist, zu einem nicht akzeptablen Fehler führen.

Gemäß Fig. 2 sind daher die Kollimatorplatten der Einheit 16 so angeordnet, daß sie zu den Grenzen zwischen den Detektoren in der genannten Richtung geneigt sind. Die Menge der während

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einer Integrationsperiode jeden Detektor überdeckenden Kollimatorplatten ist dann trotz Taktfehlern konstant, vorausgesetzt, daß der Abstand zwischen den Kollimatorplatten nicht zu groß ist.

Fig. 3 zeigt die Beziehung für einen Detektorkristall 14a, der durch verschiedene Kollimatorplatten 16, die mit ausgezogenen Linien gekennzeichnet sind, abgeschirmt wird. Wenn sich die Kollimatorplatten in bezug auf den Detektor zu der durch die Strichellinien gekennzeichneten Lage bewegen, so ist die gesamte, den Detektor abschirmende Kollimatorplattenlänge gleich geblieben.

Es sei bemerkt, daß auch andere Formen und Anordnungen von Kollimatorplatten verwendet werden können, beispielsweise S- oder winkelförmige Kollimatorplatten, vorausgesetzt, daß die Platten für jeden Detektor trotz ihrer relativen Bewegung die gleiche Ausgangsöffnung für die Strahlung präsentieren. Dies bedeutet, daß bei Zunahme der einen Detektor überdeckenden Abmessungen einer Kollimatorplatte eine andere überdeckende Kollimatorplatte in ihren Abmessungen um das gleiche Maß kleiner werden muß. Der Abstand der Platten muß ausreichend klein sein, um diese Wirkung zu erzielen.

Natürlich können Kollimatorplatten parallel zu den Verbindungslinien zwischen den Detektoren angeordnet werden, wenn die Taktung der Integratoren in der zuvor beschriebenen Weise genau gesteuert wird.

Da der Winkel des Strahlenfeldes 4 mehr als ausreichend ist, um die Breite des Körperteils 3 in der Untersuchungsebene zu erfassen, empfängt jeder Detektor wenigstens einmal während der Untersuchung von der Quelle 1 direkt Strahlung. Die dabei gewonnenen Ausgangssignale werden als Eichsignale verwendet, um die Empfindlichkeit der Detektoren zu prüfen.

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Wenn der Körper in einigen oder allen Abmessungen zu groß ist, um die Eichung für alle Detektoren zu ermöglichen, kann eine Hilfsquelle 31 auf dem Ring 2 außerhalb einer Begrenzung des Strahlenfächers angeordnet und zur direkten Bestrahlung der Detektoren (d.h. nicht durch den Körper) verwendet werden, um die Eichsignale zu gewinnen. Die Hilfsquelle 31 kann eine Röntgenstrahlenröhre oder eine radioisotope Quelle sein, und sie kann Strahlung zu den Detektoren in Form eines bleistiftförmigen Strahls oder in Form eines Strahlenfächers aussenden. Es ist natürlich notwendig das Vorhandensein der Hilfsquelle zu berücksichtigen, wenn entschieden wird, welche Detektoren Fotovervielfacher usw. teilen können. Erforderlichenfalls kann die Hilfsstrahlung eine unterschiedliche Energieverteilung aufweisen als die Hauptquelle 1, so daß die sich auf. die beiden Quellen beziehende Information nach Einspeisung in einen gemeinsamen Kanal auf ihrer Energiebasis getrennt werden kann , was an sich bekannt ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann mehr als eine Röntgenstrahlenquelle 1 vorgesehen werden, um die gesamte Detektorgruppe im Verlauf einer geringeren Winkelbewegung zu bestrahlen.

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Claims (5)

Patentansprüche

1. Radiographisches Gerät mit einer Quelle zur Aussendung eines fächerförmigen Feldes von durchdringender Strahlung durch eine Scheibe eines Körpers eines Patienten, mit Mitteln zur Erzeugung wenigstens einer Winkelbewegung der Quelle in bezug auf den Körper um eine die Scheibe schneidende Achse, um die Strahlung aus mehreren Richtungen durch den Körper zu schicken, und mit zahlreichen so angeordneten Detektoren, daß sie die Strahlung nach Durchqueren des Körpers empfangen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Körper (3) und den Detektoren (14) zahlreiche Platten (16) derart angeordnet sind, daß sie ein Auftreffen von Strahlung, die von der Quelle (1) auf indirektem Wege übertragen wird, auf bestrahlte Detektoren vermindern und daß die Quelle und die Platten (16) relativ zu den Detektoren (14) bewegbar angeordnet sind, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Platten trotz der Relativbewegung jedem Detektor dieselbe Ausgangsöffnung darbieten.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (14) so angeordnet sind, daß die Vorderkanten der Grenzen zwischen benachbarten Detektoren parallel zur Richtung der Achse (5) verlaufen, und daß die Platten (16) in parallelen Ebenen liegen, die zur Richtung der Achse (5) geneigt sind.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (14) auf einem Kreis liegen, dessen Mittelpunkt die Achse (5) bildet, so daß die an den Grenzen zwischen benachbarten Detektoren gebildeten Ebenen sich an der Achse (5) schneiden, daß die Platten (16) auf einem Kreis mit kleinerem Radius liegen, dessen Mittelpunkt ebenfalls die Achse (5) bildet, und daß die Ebenen, in denen die Platten liegen, sich am Ort der Quelle (1)

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ORIGINAL INSPECTED

schneiden.

4. Radiographisches Gerät mit einer Quelle zur Aussendung eines fächerförmigen Feldes von durchdringender Strahlung durch eine Scheibe des Körpers eines Patienten, mit Mitteln zur Erzeugung einer Winkelbewegung der Quelle in bezug auf den Körper um eine die Scheibe schneidende Achse, um die Strahlung aus mehreren Richtungen durch den Körper zu schicken, mit Detektormitteln zur Messung der Intensität der Strahlung nach Durchqueren des Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektormittelaus zahlreichen so nebeneinander angeordneten Detektoren (14) bestehen, daß die Grenzen zwischen benachbarten Detektoren etwa parallel zu der Achse (5) verlaufen, daß zahlreiche ebene Platten (16) zwischen dem Körper (3) und den Detektoren (14) so angeordnet sind, daß ihre Ebenen sich an der Quelle (1) in einer Linie schneiden, die zur Richtung der Achse (5) geneigt ist, und daß der Abstand der Platten in bezug auf den Detektorabstand so bemessen ist, daß die Platten jedem in irgendeiner Zwischenposition bestrahlten Detektor die gleiche Ausgangsöffnung darbieten.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (14) auf einem Kreis liegen, dessen Mittelpunkt die Achse (5) bildet, und daß die Platten (16) auf einem anderen Kreis mit kleinerem Radius liegen, dessen Mittelpunkt ebenfalls die Achse (5) bildet.

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