ОБОЛОЧКА ДЛЯ ГИГРОСКОПИЧЕСКОГО СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО КРИСТАЛЛА ДЛЯ ЯДЕРНОГО ПОСТРОЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2014 года по МПК G01T1/20 

Настоящее изобретение относится, в частности, к системам построения ядерных изображений, в особенности, включающим в себя гигроскопические сцинтилляционные кристаллы и т.п. Однако очевидно, что описанное изобретение применимо также к другим системам построения изображений, другим способам регистрации событий сцинтилляции и т.п.

Сцинтилляционные кристаллы имеют различные свойства, например, плотность, количество света, время релаксации, цвет и т.д., которые определяют качество ядерного детектора. Электроника, обработка сигналов и реконструкция также определяют качество детектора, но преобразование гамма-излучения в видимый свет посредством сцинтилляционного материала часто является ограничивающим фактором. При построении изображений посредством ПЭТ, где хронирование является одной из основных характеристик кристалла, в течение времени были предприняты значительные усилия по выявлению кристаллических веществ с быстрым откликом, обладающих высокой тормозной способностью для преобразования гамма-излучения в световое излучение.

Нахождение всех нужных свойств в едином кристаллическом веществе оказалось трудной задачей. Например, соединения лютеция обычно демонстрируют хорошие возможности хронирования со временем затухания от 35 до 45 наносекунд в зависимости от конкретного соединения, при высоком световом выходе и высокой тормозной способностью. Галогениды лантана обеспечивают значительно более короткие времена отклика и большее количество света, но страдают более низкой плотностью и более низким значением Z (например, атомного числа), что приводит к заметному снижению тормозной способности.

Дополнительной проблемой некоторых кристаллов (например, LaBr, NaI) является их свойство гигроскопичности, что делает их чувствительными к влажности и создает опасность полного исчезновения сцинтилляционных свойств кристалла. Были предприняты попытки инкапсулировать гигроскопические кристаллы путем помещения кристаллов в герметично запечатанную коробку, одна из сторон которой выполнена из стекла, с большими фотоумножительными трубками, которые регистрируют излучение, проходящее через стекло. Наличие стекла между сцинтиллятором и датчиком света приводит к рассеянию света по большой площади, из-за чего плотность сигнала оказывается слишком низкой для некоторых малоразмерных датчиков света, например, полупроводникового лавинного фотодиода, который, при типичном размере от 2×2 мм до 4×4 мм, не может собирать достаточно света для формирования хорошего сигнала.

Другая проблема более легких кристаллов, например, LaBr, состоит в том, что, несмотря на их высокий световой выход и быстрый отклик, низкая плотность и малое Z кристалла приводят к снижению вероятности взаимодействия с кристаллом, и, когда взаимодействие все-таки происходит, такие кристаллы повышают вероятность того, что взаимодействие будет комптоновским (рассеянием), и отбирают лишь часть его энергии, в отличие от фотоэлектрических взаимодействий, где вся энергия фотона преобразуется в свет.

В настоящей заявке предложены новые и усовершенствованные системы и способы для применения малых датчиков в отношении 1:1 с гигроскопическими сцинтилляционными кристаллами, которые позволяют решить вышеупомянутые и другие проблемы.

Согласно одному аспекту, ядерный детектор для системы построения ядерных изображений включает в себя герметично запечатываемую оболочку (50) детектора, совокупность сцинтилляционных кристаллов (32), размещенных в оболочке (50) детектора, совокупность датчиков (34), присоединенных к сцинтилляционным кристаллам (32), и уплотнительный слой (51), который герметично запечатывает сцинтилляционные кристаллы (32) и датчики (34) в оболочке (50) детектора.

Согласно другому аспекту, способ построения ядерного детектора для ядерного сканера включает в себя этапы, на которых размещают совокупность сцинтилляционных кристаллов (32) в оболочке (50) детектора, присоединяют датчики (34) к сцинтилляционным кристаллам (32), и герметично запечатывают сцинтилляционные кристаллы (32) и датчики (34) в оболочке (50) детектора с использованием уплотнительного слоя (51).

Согласно еще одному аспекту, ядерный сканер (12), предпочтительно, позитрон-эмиссионный томограф (ПЭТ) или ПЭТ, использующий времяпролетную технологию (TOF), имеет совокупность детекторов (14), каждый из которых включает в себя совокупность гигроскопических сцинтилляционных кристаллов (32) в оболочке (50) детектора, и совокупность датчиков на основе кремниевого фотоумножителя (SiPM) (34), каждый из которых присоединен к соответствующему кристаллу (32). Каждый детектор дополнительно включает в себя прозрачный слой (52), присоединяющий каждый датчик к соответствующему сцинтилляционному кристаллу (32), причем прозрачный слой имеет толщину от 2 микрон до 10 микрон, и уплотнительный слой (51), который герметично запечатывает датчики (34) и кристаллы (32) в оболочке (50) детектора.

Одно преимущество состоит в поддержании целостности гигроскопического кристалла.

Другое преимущество состоит в обеспечении отношения 1:1 датчиков к сцинтилляционным кристаллам.

Дополнительные преимущества настоящего изобретения станут ясны специалисту в данной области техники из нижеследующего подробного описания.

Изобретение может принимать форму различных компонентов и сочетаний компонентов, а также различных этапов и сочетаний этапов. Чертежи приведены только с целью иллюстрации различных аспектов и не призваны каким-либо образом ограничивать изобретение.

Фиг. 1 - система построения ядерных изображений, которая включает в себя ядерный сканер, имеющий совокупность ядерных детекторов, которые окружают область обследования, в которую объект или пациент введен на опоре для пациента.

Фиг. 2 - вариант осуществления ядерного детектора, в котором гигроскопические сцинтилляционные кристаллы (например, LaBr, NaI и т.п.) запечатаны внутри оболочки детектора с использованием уплотнительного слоя.

На фиг. 1 показана система 10 построения ядерных изображений, которая включает в себя ядерный сканер 12, имеющий совокупность ядерных детекторов 14, которые окружают область обследования 16, в которую объект или пациент введен на опоре 18 для пациента. В одном варианте осуществления, ядерный сканер представляет собой позитрон-эмиссионный томограф, действующий по времяпролетной технологии (TOF-ПЭТ), и ядерные детекторы представляют собой детекторы ПЭТ. В другом варианте осуществления, ядерный сканер представляет собой однофотонный эмиссионный компьютерный томограф (SPECT), и ядерные детекторы представляют собой детекторы SPECT.

Данные сканирования собираются в ходе ядерного сканирования объекта. Для каждого события сцинтилляции, регистрируемого детектором 14, его величина цифруется, и метка времени (например, при использовании ПЭТ и TOF-ПЭТ) генерируется цифрующим компонентом 19 и затем сохраняется в памяти 20 данных и реконструируется в ПЭТ или другое ядерное изображение процессором 22 реконструкции. В одном варианте осуществления, собранные данные сканирования сохраняются в режиме списка (например, снабжаются метками времени и т.д.), и события сцинтилляции, регистрируемые на разных детекторах на противоположных сторонах объекта, анализируются (например, анализатором совпадений и пр.) для определения, происходят ли они из одного и того же события аннигиляции (например, события генерации фотона или позитрона в объекте). В случае идентификации пары соответствующих событий сцинтилляции, выполняется алгоритм трассировки лучей для идентификации линии ответа между двумя событиями сцинтилляции, и точка возникновения позитрона идентифицируется с использованием информации времени пролета. Затем точка возникновения используется при реконструкции изображения объекта.

Реконструированное 3D изображение сохраняется в памяти 24 объема изображения и обрабатывается процессором 26 изображений для отображения на пользовательском интерфейсе 28. В необязательном порядке, процессор изображений отображает объем(ы) изображения на дисплее 29 соответствующей рабочей станции. Пользовательский интерфейс позволяет пользователю вводить информацию, связанную с желаемыми параметрами сканирования, желаемым изображением для представления или просмотра и т.д., и/или манипулировать (например, увеличивать, вращать и т.д.) 3D объем изображения, представленный на пользовательском интерфейсе 28 и/или дисплее 29.

Система дополнительно включает в себя управляющий процессор 30, выполняющий вводимые пользователем команды, поступающие от пользовательского интерфейса, например, инструкции, относящиеся к перемещению опоры для пациента внутрь и наружу области обследования сканера, инструкции, относящиеся к конкретным параметрам сканирования (например, времени сканирования и т.д.), и т.п. Управляющий процессор управляет сканером в ходе сбора данных.

Каждый из ядерных детекторов 14 включает в себя совокупность сцинтилляционных кристаллов 32, каждый из которых присоединен к соответствующему датчику 34, который регистрирует фотонное событие в своем кристалле. Благодаря обеспечению отношения один к одному между датчиками и кристаллами, описанные детекторы позволяют значительно улучшить снятие отсчетов по сравнению с классическими детекторами.

Предусмотрены различные типы сцинтилляционных кристаллов для использования в детекторах 14. Сцинтилляционные материалы могут быть гигроскопическими или негигроскопическими. При использовании гигроскопических сцинтилляционных материалов, полезно герметично запечатывать кристаллы в корпус детектора, во избежание повреждения кристаллов под действием влаги. Например, в одном варианте осуществления, сцинтилляционные кристаллы выполнены из бромида лантана (LaBr). В другом варианте осуществления, кристаллы выполнены из иодида натрия (NaI).

На фиг. 2 показан вариант осуществления ядерного детектора 14, в котором гигроскопические сцинтилляционные кристаллы 32 (например, LaBr, NaI и т.п.) запечатаны внутри оболочки 50 детектора с использованием уплотнительного слоя 51 (например, изоляционного материала, смолы, геля или какого-либо другого пригодного материала), который также делает ядерный детектор воздухонепроницаемым и водонепроницаемым. Фотоны или позитроны 53, 54a, 54b, входящие в кристалл 32, обуславливают событие сцинтилляции, благодаря которому один или более гамма-квантов преобразуются в световые фотоны, излучаемые в кристалл, и испытывают внутреннее отражение в нем, пока не покидают кристалл на его дальнем конце 56. Затем световое излучение может проходить через тонкий соединительный слой 52 и регистрироваться датчиками 34, расположенными на противоположной стороне соединительного слоя 52 относительно кристаллов 32. Соединительный слой может иметь толщину от около 2 микрон до около 500 микрон. В одном варианте осуществления, датчики 34 являются кремниевыми фотоумножителями (SiPM), что облегчает установление отношения один к одному между датчиками и кристаллами благодаря их малому размеру. На основании относительной силы или интенсивности светового излучения и времени регистрации на данном датчике, можно определить кристалл, где происходит событие сцинтилляции. Когда идентичность (например, позиция или положение) кристалла на детекторе 14 известна, собранные данные сканирования можно использовать при реконструкции ядерного изображения объекта, из которого испущен фотон или позитрон (например, с использованием ядерного трассировщика). В одном варианте осуществления, каждый кристалл 32 герметично запечатан с помощью тонкого, например, 2-500-микронного покрытия, которое является отражающим на всех гранях за исключением грани, присоединенной к датчику 34, каковая грань покрыта прозрачным покрытием.

Световое излучение, генерируемое фотоном 53, является примером фотоэлектрического события, в котором фотон не выдерживает соударения с кристаллом (например, фотон полностью преобразуется в световое излучение). Световое излучение, генерируемое фотоном 54, является примером комптоновского взаимодействия, в котором фотон, по меньшей мере, частично выдерживает соударение с кристаллом (например, фотон неполностью преобразуется в световое излучение).

Стрелка, идущая от фотона 54a к фотону 54b, указывает, что единичный фотон 54 инициирует два события сцинтилляции и регистрируется двумя разными кристаллами 32. В таком сценарии, количество (величина) света, испускаемого событием 54a, соответствует величине энергии, поглощенной кристаллом. Величина энергии, оставшаяся для второго события, является функцией угла комптоновского рассеяния. Первое событие обычно поглощает меньшую энергию. Первое событие 54a определяет траекторию регистрируемого гамма-излучения. Второе событие 54b можно использовать для уточнения вычисления энергии гамма-излучения, если второе событие можно спарить с первым, например, на основании относительных времен взаимодействия, близости, комптоновского угла, относительной энергии, глубины взаимодействия и т.д. Определив порядок событий сцинтилляции, можно определить траекторию фотона или позитрона (например, с использованием метода трассировки лучей и т.д.), которая идентифицирует одно из событий как первое по времени из взаимосвязанных событий.

Согласно другому примеру, когда единичный фотон приводит к трем событиям сцинтилляции, событие самой низкой энергии определяется как первое событие, событие более высокой энергии определяется как второе событие, и событие самой высокой энергии определяется как последнее по времени событие. Энергии, регистрируемые из трех событий, эквивалентны, например, 511 кэВ, используемой при построении изображений посредством ПЭТ.

Дополнительно, глубину взаимодействия можно определить из остроты энергетического пика, регистрируемого детектором. Например, острый пик указывает, что событие сцинтилляции произошло вблизи датчика, тогда как скругленный пик указывает, что событие сцинтилляции произошло на удалении от него. Отслеживание относительной глубины также может способствовать идентификации взаимосвязанных событий и соединяющей траектории, а также, насколько вероятно, что гамма-излучение, испытавшее комптоновское рассеяние, имеет второе взаимодействие в матрице сцинтилляционных кристаллов.

В другом варианте осуществления, малые датчики 34 (например, датчики SiPM и т.п.) непосредственно присоединены к дальнему концу 56 их соответствующих сцинтилляционных кристаллов 32, и герметично запечатаны в оболочку 50 детектора уплотнительным слоем 51 (например, изоляционного материала, кварцевого материала и т.п.). В одном варианте осуществления, соединительный слой 52 между сцинтиллятором и датчиком имеет толщину от около 2 микрон до около 500 микрон. Когда кристаллы и датчики выполнены в виде единого полупроводникового устройства, соединительный слой может быть выполнен из стекла или сапфира. Когда фотоны входят в соответствующие кристаллы и инициируют событие сцинтилляции, световое излучение испытывает внутреннее отражение в кристалле и точно регистрируется специализированным датчиком кристалла при выходе из кристалла. Благодаря непосредственному присоединению датчиков 34 к соответствующим кристаллам 32, распределение света остается узким, рассеяние минимизируется. В приведенном примере, лучи из соответствующих фотонов имеют разные сигнатуры, что позволяет оптимально представлять взаимодействие фотонов с соответствующими кристаллами.

В одном варианте осуществления, электрический проводник 60 присоединен к каждому датчику 34 для переноса информации, относящейся к зарегистрированным на нем событиям сцинтилляции. Каждый проводник проходит через уплотнительный слой 51.

В другом варианте осуществления, проводники 60 объединяются в общий кабель или шину и т.п., и кабель пересекает уплотнительный слой в одной точке для уменьшения количества точек пересечения уплотнительного слоя, что, в свою очередь, снижает возможность повреждения герметичного уплотнения. Таким образом, гигроскопические кристаллы дополнительно защищены от влаги.

Зарегистрированные события сцинтилляции снабжаются метками времени и сохраняются в режиме списка в памяти, связанной с ядерным сканером, и анализируются для идентификации пар событий сцинтилляции, которые соответствуют общему событию аннигиляции. Например, события сцинтилляции, зарегистрированные на противоположных сторонах (например, отстоящих на 180°) объекта, могут анализироваться для определения, указывают ли их метки времени, что они были зарегистрированы близко по времени или одновременно, и, таким образом, соответствуют единичному событию аннигиляции. Будучи идентифицирована, линия ответа вычисляется с использованием пары соответствующих событий сцинтилляции в качестве концевых точек, и изображение объекта реконструируется.

Очевидно, что хотя датчики 34, показанные на фиг. 2, изображены с зазорами между ними, такие зазоры призваны показывать, что датчики отделены друг от друга, и что каждый кристалл имеет свой собственный специализированный датчик. Кроме того, очевидно, что площадь поверхности каждого датчика приблизительно совпадает с площадью поверхности дальнего конца 56 его соответствующего кристалла 32.

Изобретение было описано со ссылкой на несколько вариантов осуществления. На основании вышеприведенного подробного описания, можно предложить различные модификации и альтернативы. Изобретение следует рассматривать как включающее в себя все подобные модификации и альтернативы, при условии, что они отвечают прилагаемой формуле изобретения или их эквивалентов.

Изобретение относится, в частности, к системам построения ядерных изображений, в особенности, включающим в себя гигроскопические сцинтилляционные кристаллы и т.п. Ядерный детектор для системы построения ядерных изображений включает в себя герметично запечатываемую оболочку (50) детектора, множество сцинтилляционных кристаллов (32), размещенных в оболочке (50) детектора, множество датчиков (34), присоединенных к сцинтилляционным кристаллам (32), уплотнительный слой (51), который герметично запечатывает сцинтилляционные кристаллы (32) и датчики (34) в оболочке (50) детектора, и проводник (60), проходящий от каждого датчика (34), причем проводники (60) подключены к шине, проходящей через уплотнительный слой (51), для передачи собранной информации для обработки. Технический результат - поддержание целостности гигроскопического кристалла. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ядерный детектор для системы построения ядерных изображений, включающий в себя
герметично запечатываемую оболочку (50) детектора,
множество сцинтилляционных кристаллов (32), размещенных в оболочке (50) детектора,
множество датчиков (34), присоединенных к сцинтилляционным кристаллам (32),
уплотнительный слой (51), который герметично запечатывает сцинтилляционные кристаллы (32) и датчики (34) в оболочке (50) детектора, и
проводник (60), проходящий от каждого датчика (34), причем проводники (60) подключены к шине, проходящей через уплотнительный слой (51), для передачи собранной информации для обработки.

2. Система по п.1, в которой кристаллы (32) являются гигроскопическими сцинтилляционными кристаллами, включающими в себя один или более из бромида лантана (LaBr) и иодида натрия (NaI).

3. Система по любому из предыдущих пунктов, в которой датчики (34) являются датчиками на основе кремниевого фотоумножителя (SiPM).

4. Система по п.1 или 2, дополнительно включающая в себя прозрачный соединительный слой (52) между каждым сцинтилляционным кристаллом (32) и соответствующим датчиком (34), причем соединительный слой (52) имеет толщину примерно 2-500 мкм.

5. Ядерный сканер (12), включающий в себя по меньшей мере один детектор по любому одному из предыдущих пунктов.

6. Способ построения ядерного детектора для ядерного сканера, включающий в себя этапы, на которых
размещают множество сцинтилляционных кристаллов (32) в оболочке (50) детектора,
присоединяют датчики (34) к сцинтилляционным кристаллам (32), и
герметично запечатывают сцинтилляционные кристаллы (32) и датчики (34) в оболочке (50) детектора с использованием уплотнительного слоя (51), и
формируют электрические проводники (60) от датчиков (34) к шине, которая пересекает уплотнительный слой (51), и по которой передаются собранные данные.

7. Способ по п.6, в котором сцинтилляционные кристаллы (32) являются гигроскопическими сцинтилляционными кристаллами, включающими в себя один или более из бромида лантана (LaBr) и иодида натрия (NaI).

8. Способ по п.6 или 7, в котором датчики (34) являются датчиками на основе кремниевого фотоумножителя (SiPM).

9. Способ по п.6 или 7, дополнительно включающий в себя этап, на котором формируют проводник (60), проходящий от каждого датчика (34) через уплотнительный слой (51), причем проводники (60) передают собранную информацию для обработки.

10. Способ по п.6 или 7, в котором датчики (34) присоединены к кристаллам (32) в отношении 1:1, благодаря чему каждый кристалл (32) присоединен к отдельному датчику (34).

11. Способ генерации ядерного изображения объекта с использованием множества ядерных детекторов по любому одному из пп.6-10, включающий в себя этапы, на которых
регистрируют первое событие сцинтилляции (53, 54а) в первом сцинтилляционном кристалле на первом датчике в первом ядерном детекторе, и
регистрируют на втором датчике во втором ядерном детекторе, расположенном напротив первого ядерного детектора по отношению к объекту, второе событие сцинтилляции во втором сцинтилляционном кристалле, и
сохраняют информацию, связанную с первым и вторым событиями сцинтилляции, в режиме списка.

12. Способ по п.11, дополнительно включающий в себя этапы, на которых определяют, соответствуют ли первое и второе события сцинтилляции единичному событию позитронной эмиссии как функции информации метки времени, связанной с первым и вторым событиями сцинтилляции, и определяют линию ответа между первым и вторым событиями сцинтилляции при реконструкции изображения объекта.

13. Способ по п.11 или 12, дополнительно включающий в себя этапы, на которых
определяют глубину взаимодействия позитрона, взаимодействующего с первым сцинтилляционным кристаллом, обуславливая первое событие сцинтилляции (54а), на основании остроты энергетического пика, регистрируемого первым датчиком,
регистрируют на третьем датчике третье событие сцинтилляции (54b), которое происходит в третьем сцинтилляционном кристалле, который располагается в первом ядерном детекторе,
сохраняют информацию, связанную с третьим событием сцинтилляции, в режиме списка, и
определяют, обусловлены ли первое и третье события сцинтилляции единичным событием позитронной эмиссии, на основании одного или более из относительных времен взаимодействия первого и третьего событий сцинтилляции, близости первого и третьего событий сцинтилляции, комптоновского угла между первым и третьим событиями сцинтилляции, относительной энергии первого и третьего событий сцинтилляции, и глубины взаимодействия первого и третьего событий сцинтилляции;
определяют, какое из первого и третьего событий сцинтилляции имеет более низкий зарегистрированный уровень энергии,
идентифицируют событие сцинтилляции с более низким значением энергии как происходящее первым по времени, и
выполняют алгоритм трассировки лучей с использованием идентифицированного первого по времени события сцинтилляции и второго события сцинтилляции, зарегистрированного вторым датчиком во втором ядерном детекторе, для определения линии ответа между первым по времени событием сцинтилляции и вторым событием сцинтилляции.