УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ РАДИОЛОГИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ Российский патент 2018 года по МПК G01T1/20 

Следующее относится к области радиологической визуализации, области эмиссионной томографической визуализации, области детекторов излучения и связанным областям.

В радиологической визуализации излучение, пропускаемое через субъекта (например, в трансмиссионной компьютерной томографии (КТ)) или испускаемое субъектом (например, в позитронно-эмиссионной томографической (ПЭТ) визуализации или однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ)), обнаруживают посредством детекторов излучения, расположенных вокруг субъекта, и применяют подходящую обработку данных, чтобы реконструировать изображение субъекта на основе обнаруженного излучения. Типичный подход для обнаружения излучения состоит в использовании сцинтиллятора, который поглощает частицу излучения (например, гамма-луч, рентгеновский луч, альфа-частицу, бета-частицу и т.д.) и преобразует энергию частицы во вспышку или сцинтилляционный свет. Оптический детектор, такой как трубка фотоумножителя, фотодиод или кремниевое фотоумножительное (SiPM) устройство, оптически соединен со сцинтиллятором для обнаружения вспышки света. Энергию частицы излучения можно оценивать по интегральной интенсивности обнаруженного света. Для обеспечения пространственного разрешения можно использовать массив фотодетекторов, и дополнительно можно использовать логику Anger или другую обработку, чтобы дополнительно локализовать событие обнаружения. Однако пространственное разрешение, которого можно достигнуть таким способом, ограничено.

Для обеспечения более высокого пространственного разрешения сцинтиллятор можно сегментировать на пиксели. Например, можно использовать массив 4×4×22 мм³ сцинтилляционных элементов, чтобы обеспечить пространственное разрешение порядка 4 мм (размер 22 мм обеспечивает глубину с тем, чтобы повысить вероятность поглощения частицы излучения). Массив сцинтилляционных пикселей может быть оптически соединен с массивом фотодетекторов, в котором размер каждого фотодетектора больше такового у одного сцинтилляционного пикселя, а логику Anger или другую обработку используют, чтобы локализовать событие обнаружения. Однако полезно, если каждый сцинтилляционный элемент оптически соединен с одним фотодетектором по схеме один-к-одному так, чтобы пиксели массива детекторов излучения работали независимо.

Чтобы гарантировать, что сцинтилляционный свет удерживают и обнаруживают, отражатели размещают на верхней и боковых частях сцинтилляционного элемента с тем, чтобы направлять сцинтилляционный свет на фотодетектор, расположенный в нижней части сцинтилляционного элемента. (В этом описании «верхняя часть» обозначает поверхность сцинтилляционного элемента, на которую падает излучение, тогда как «нижняя часть» обозначает противоположную поверхность сцинтилляционного элемента, расположенную близко к фотодетектору). Этот подход также может улучшать разрешение по времени.

В дополнение к сбору света другое назначение отражателей состоит в том, чтобы предотвратить оптические перекрестные помехи между смежными пикселями. Оптические перекрестные помехи возникают, когда фотоны сцинтилляционного света проходят через один сцинтилляционный элемент к смежному сцинтилляционному элементу так, что обнаруживается смежным пикселем. Такие перекрестные помехи, как правило, считают нежелательными, поскольку происходит потеря света. Другой тип перекрестных помех представляет собой комптоновское рассеяние частицы излучения с одного сцинтилляционного элемента на смежный сцинтилляционный элемент. Этот тип перекрестных помех, как правило, считают приемлемым, поскольку при обработке сигнала можно распознать, что объединенная интенсивность света, обнаруженного двумя пикселями, соответствует одному событию обнаружения излучения.

Несмотря на то, что отражатели предназначены для предотвращения оптических перекрестных помех, их эффективность в отношении этой цели может быть менее чем удовлетворительной. В среднем, для типичного сцинтилляционного элемента фотон сцинтилляционного света претерпевает приблизительно 10-100 событий отражения, прежде чем достигнет фотодетектора. Ввиду этих множественных отражений (например, 10 отражений) отражатель, обладающий коэффициентом отражения 99%, фактически будет захватывать только приблизительно 90% сцинтилляционного света. Отражатель, обладающий более низким коэффициентом отражения 95%, будет захватывать только приблизительно 60% сцинтилляционного света.

Другие проблемы существующих конструкций отражателей связаны со сложностью производства и эффективностью устройства. Например, в некоторых подходах используют адгезивы для прикрепления отражателей к сцинтилляционным элементам. Однако адгезив может нежелательно влиять на коэффициент отражения, процесс приклеивания отражателей на четыре стороны сцинтилляционного элемента повышает сложность производства, а открепление любого из приклеенных отражателей ведет к выходу пикселя из строя, таким образом влияя на эффективность. Другие подходы включают нанесение отражателя в виде пленки на стороны сцинтилляционного элемента. Однако это влечет за собой сложный процесс трехмерного нанесения покрытия (например, вращение сцинтилляционного элемента во время нанесения покрытия для того, чтобы покрыть все стороны), а коэффициент отражения покрытия может быть менее желаемого. Другие подходы включают оборачивание сцинтилляционного элемента тефлоновой лентой. Однако чтобы сделать возможной структурную стабильность, подходящую для производства, тефлоновую ленту типично оборачивают вокруг сцинтилляционного элемента несколько раз, что увеличивает толщину и нежелательно влияет на активную область массива сцинтилляционных элементов.

Далее предоставлены новые и усовершенствованные устройства и способы, которые преодолевают указанные выше и другие проблемы.

В соответствии с одним раскрытым аспектом, устройство содержит множество преобразующих излучение элементов, выполненных с возможностью преобразования излучения в свет, и слой отражателя, расположенный вокруг множества преобразующих излучение элементов.

В соответствии с другим раскрытым аспектом, раскрыто устройство по непосредственно предшествующему абзацу, в котором множество преобразующих излучение элементов состоит из двух преобразующих излучение элементов и слой отражателя обернут вокруг двух преобразующих излучение элементов, при этом концы слоя отражателя подогнуты между двумя преобразующими излучение элементами. В соответствии с другим раскрытым аспектом, раскрыто устройство по непосредственно предшествующему абзацу, в котором слой отражателя имеет светоотражающий слой, обладающий коэффициентом отражения более чем 90%, расположенный смежно с преобразующими излучение элементами, когда слой отражателя расположен вокруг множества преобразующих излучение элементов, и препятствующий свету слой.

В соответствии с другим раскрытым аспектом, раскрыт способ, содержащий оборачивание светоотражающего слоя вокруг множества преобразующих излучение элементов, преобразующих излучение в свет, для образования блока построения сцинтиллятора массива детекторов.

В соответствии с другим раскрытым аспектом, устройство содержит: преобразующий излучение элемент, выполненный с возможностью преобразования излучения в свет; и слой отражателя, расположенный вокруг преобразующего излучение элемента, причем слой отражателя содержит светоотражающий слой, расположенный смежно с преобразующим излучение элементом, и препятствующий свету слой, расположенный дистально относительно преобразующего излучение элемента.

В соответствии с другим раскрытым аспектом, раскрыто устройство по непосредственно предшествующему абзацу, дополнительно содержащее элемент оптического детектора, оптически соединенный с преобразующим излучение элементом, для образования одного пикселя массива детекторов излучения, обладающего соответствием один-к-одному между преобразующими излучение элементами и элементами оптического детектора, при этом площадь поперечного сечения сочетания преобразующего излучение элемента и слоя отражателя, расположенного вокруг преобразующего излучение элемента, равна или меньше площади поперечного сечения элемента оптического детектора, оптически соединенного с преобразующим излучение элементом.

Одно преимущество заключается в снижении оптических перекрестных помех между пикселями массива детекторов излучения.

Другое преимущество заключается в увеличенном количестве сцинтилляционного света, падающего на фотодетекторы.

Другое преимущество заключается в повышенной точности обнаружения событий излучения.

Другое преимущество заключается в усовершенствованной возможности производства массива сцинтилляционных элементов.

Дополнительные преимущества станут очевидны специалистам в данной области после прочтения и осмысления следующего подробного описания.

На фиг.1 схематически проиллюстрирована система позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) в качестве примера устройства радиологической визуализации, надлежащим образом использующего преобразующие излучение элементы с отражателями, как описано в настоящем документе.

На фиг.2-4 схематически проиллюстрировано производство блока построения сцинтиллятора массива детекторов, содержащего пару преобразующих излучение элементов, обернутых слоем отражателя.

На фиг.5 схематически проиллюстрирован подходящий слой отражателя, содержащий светоотражающий слой и препятствующий свету слой.

На фиг.6 схематически проиллюстрированы два смежных пикселя массива детекторов излучения, в которых использован блок построения сцинтиллятора массива детекторов, сконструированный, как описано со ссылкой на фиг.2-4.

На фиг.7-8 схематически проиллюстрировано построение массива сцинтилляторов из множества блоков построения сцинтиллятора массива детекторов, сконструированных, как описано со ссылкой на фиг.2-4.

Со ссылкой на фиг.1 приведен иллюстративный пример устройства радиологической визуализации, надлежащим образом использующего преобразующие излучение элементы с отражателями, как описано в настоящем документе. Иллюстративный пример представляет собой гибридную систему 10 ПЭТ/КТ визуализации, которая в проиллюстрированном варианте осуществления представляет собой систему ПЭТ/КТ визуализации GEMINI™ (поставляемую Koninklijke Philips Electronics N.V., Eindhoven, Нидерланды). Гибридная система 10 ПЭТ/КТ визуализации содержит гентри 12 для трансмиссионной компьютерной томографии (КТ) с рентгеновской трубкой или другим источником рентгеновского излучения и массивом детекторов рентгеновского излучения (внутренние компоненты не показаны), выполненными с возможностью получения КТ изображений. Гибридная система 10 ПЭТ/КТ визуализации также содержит гентри 14 позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), который содержит массив 16 детекторов излучения (схематически показан частично посредством частичного выреза ПЭТ гентри 14), расположенный в виде кругового кольца внутри ПЭТ гентри 14. Гибридная система 10 ПЭТ/КТ визуализации представляет собой «гибридную» систему в том отношении, что транспортная система 18 для обычных линейных субъектов выполнена с возможностью транспортировки визуализируемого субъекта в любой из КТ или ПЭТ гентри 12, 14.

Несмотря на то, что на фиг.1 проиллюстрирована гибридная система визуализации, раскрытые преобразующие излучение элементы, детекторы излучения и т.д. также пригодны для использования в обособленных системах радиологической визуализации. Кроме того, несмотря на то, что в следующем описании сцинтилляционные элементы ПЭТ массива 16 детекторов излучения используют в качестве иллюстративного примера, раскрытые преобразующие излучение элементы, детекторы излучения и т.д. также пригодны для использования в детекторах излучения для других систем радиологической визуализации, например в проиллюстрированном гентри 12 КТ визуализации или в гамма-камере (не проиллюстрирована) для использования при осуществлении однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) или т.д.

Также со ссылкой на фиг.1, для осуществления ПЭТ визуализации субъекту вводят радиофармацевтический препарат, который содержит радиоактивный изотоп, который испускает позитроны, которые распадаются в событиях электронно-позитронной аннигиляции, каждое из которых испускает две противоположно направленные гамма-частицы 511 кэВ. Расположив субъекта в ПЭТ гентри 14, эти гамма-частицы 511 кэВ обнаруживаются посредством кольцевого ПЭТ массива 16 детекторов излучения в виде двух по существу одновременных событий обнаружения 511 кэВ. Регистрируют время, энергию и пространственное расположение (например, расположение вовлеченных пикселей детектора) для этих по существу одновременных событий обнаружения 511 кэВ. Известно, что исходное событие электронно-позитронной аннигиляции происходит где-то на линии, соединяющей два по существу одновременных события обнаружения 511 кэВ.

В некоторых вариантах осуществления разницу во времени между двумя по существу одновременными событиями обнаружения 511 кэВ (или отсутствие такой разницы во времени, для точно одновременных событий обнаружения) также регистрируют - это обозначают как информацию о времени пролета, и она может обеспечить установление места исходного события электронно-позитронной аннигиляции вдоль линии, соединяющей два по существу одновременных события обнаружения 511 кэВ. Например, если разница во времени отсутствует, то исходное событие электронно-позитронной аннигиляции, вероятно, произошло приблизительно посередине между пикселями, которые обнаружили два по существу одновременных события обнаружения 511 кэВ; при этом, если первое событие обнаружения предшествует второму событию обнаружения, то исходное событие электронно-позитронной аннигиляции, вероятно, произошло относительно близко к тому пикселю, который обнаружил первое событие обнаружения, и относительно далеко от того пикселя, который обнаружил второе событие обнаружения.

Собранные данные ПЭТ (или данные времяпролетной ПЭТ в случае варианта осуществления с времяпролетной ПЭТ) обрабатывают посредством модуля 20 реконструирования ПЭТ изображения, например надлежащим образом реализованного посредством проиллюстрированного компьютера 22 (хотя также предусмотрены другие цифровые устройства обработки данных), исполняющего алгоритм реконструирования, такой как алгоритм фильтрованного обратного проецирования, алгоритм итерационного обратного проецирования или т.д., который генерирует реконструированное ПЭТ изображение по собранным ПЭТ данным. Реконструированное ПЭТ изображение можно отображать на дисплее 24 компьютера 22, хранить в системе 26 архивирования и передачи изображений (PACS) или иным образом использовать и/или хранить.

Хоть и не проиллюстрировано, следует понимать, что данные КТ визуализации, полученные посредством КТ гентри 12, можно аналогичным образом обрабатывать посредством процессора реконструирования КТ изображений (необязательно также реализованного посредством компьютера 22 или альтернативно реализованного посредством другого компьютера или другого отличающегося цифрового устройства обработки данных) для генерации реконструированного КТ изображения, которое можно отображать на дисплее 24, хранить в PACS 26 или иным образом использовать и/или хранить. Преимущественно в гибридной системе 10 ПЭТ/КТ визуализации можно использовать обычную систему координат для КТ и ПЭТ визуализации, таким образом содействуя слиянию или другому комбинированию КТ и ПЭТ изображений.

Со ссылкой на фиг.2-4 описан подходящий способ конструирования блока 30 построения сцинтиллятора массива детекторов. (На фиг.4 проиллюстрирован сконструированный блок 30 построения) В проиллюстрированном подходе два преобразующих излучение элемента 32, такие как сцинтилляционные элементы, оборачивают одним слоем 34 отражателя. На фиг.2-4 сцинтилляционные элементы 32 показаны «с торца» так, чтобы изображенная площадь поперечного сечения соответствовала площади пикселя. Сцинтилляционные элементы 32 также имеют третье измерение, уходящее в страницу в изображении с торца на фиг.2-4, которое представляет собой измерение пикселей в глубину. Типично размеры сторон площади пикселя по существу меньше, чем размер по глубине. В качестве одного иллюстративного конкретного примера каждый сцинтилляционный элемент 32 может иметь размеры 4×4×22 мм³, в котором площадь поперечного сечения 4×4 мм² соответствует площади пикселя, изображенного на фиг.2-4, а размер 22 мм соответствует измерению по глубине, которое «уходит в страницу» и, таким образом, не видно на изображениях с торца на фиг.2-4.

Один слой 34 отражателя имеет высокоотражающую сторону 36 и противоположную заднюю сторону 38, которая может быть высокоотражающей или может быть слегка отражающей, но не настолько отражающей, как высокоотражающая сторона 36, или может быть неотражающей. Как показано в поэтапной последовательности на фиг.2, 3, и 4, один слой 34 отражателя оборачивают вокруг двух преобразующих излучение элементов 32, и концы 40, 42 слоя отражателя закладывают между двумя преобразующими излучение элементами 32. Как результат, слой 34 отражателя расположен в виде одного слоя вокруг внешней части двух преобразующих излучение элементов 32 и в виде двойного слоя, содержащего концы 40, 42 между двумя преобразующими излучение элементами. Слой 34 отражателя оборачивают вокруг двух преобразующих излучение элементов 32, при этом высокоотражающая сторона 36 расположена смежно или обращена к сцинтилляционным элементам 32, а задняя сторона 38 расположена удаленно или дистально относительно сцинтилляционных элементов 32 так, чтобы надлежащим образом расположить высокоотражающую сторону, чтобы удерживать сцинтилляционный свет внутри сцинтилляционных элементов 32.

Слой 34 отражателя можно выполнить из любого слоя или листа, который имеет необходимую высокоотражающую сторону 36 и который можно сгибать, как показано на фиг.3-4, чтобы оборачивать вокруг сцинтилляционных элементов 32. Например, в некоторых вариантах осуществления слой 34 отражателя представляет собой или содержит многослойный полимерный отражатель, такой как отражающий лист Vikuiti™ (поставляемый 3M, St. Paul, Minnesota, США), металлическая фольга или т.д. Следует понимать, что высокоотражающую сторону 36 выбирают так, чтобы она обладала высокой отражающей способностью по меньшей мере в световом спектре сцинтилляционного света, который в свою очередь зависит от материала сцинтиллятора и типа и энергии обнаруживаемых частиц излучения.

В некоторых вариантах осуществления слой 34 отражателя может быть не достаточно гибким в немодифицированной форме, чтобы его оборачивать, как показано на фиг.3-4. Например, пластмассовая основа типичного многослойного полимерного отражателя Vikuiti™ не достаточно гибка, чтобы повторять изгибы на 90°, изображенные на фиг.4. В таких вариантах осуществления разметочные линии 44 (обозначены только на фиг.2) надлежащим образом формируют на задней стороне 38, как проиллюстрировано, или на передней стороне 36 (не проиллюстрировано), или на обеих сторонах слоя 34 отражателя, чтобы облегчить острые сгибы (например 90°).

Также со ссылкой на фиг.2-4 и дополнительно со ссылкой на фиг.5 описан иллюстративный вариант осуществления слоя 34 отражателя. В этом варианте осуществления слой 34 отражателя содержит светоотражающий слой 50, который расположен смежно со сцинтилляционными элементами 32, когда слой 34 отражателя располагают вокруг сцинтилляционных элементов 32. В некоторых вариантах осуществления светоотражающий слой 50 имеет коэффициент отражения более чем 90%. В некоторых вариантах осуществления светоотражающий слой 50 имеет коэффициент отражения более чем 95%. В некоторых вариантах осуществления светоотражающий слой 50 имеет коэффициент отражения приблизительно 99% или более. В некоторых вариантах осуществления светоотражающий слой 50 представляет собой многослойный полимерный отражатель, такой как отражающий лист Vikuiti™ (поставляемый 3M, St. Paul, Minnesota, США).

Слой 34 отражателя необязательно дополнительно содержит препятствующий свету слой 52, расположенный дистально относительно сцинтилляционных элементов 32, когда слой 34 отражателя расположен вокруг сцинтилляционных элементов 32. Основная задача барьерного препятствующего свету слоя 52 состоит в предотвращении оптических перекрестных помех между смежными пикселями. С этой целью в некоторых вариантах осуществления препятствующий свету слой 52 имеет толщину и оптическое поглощение, достаточные для того, чтобы снизать оптические перекрестные помехи между соседними сцинтилляционными элементами 32, вокруг которых располагают слой отражателя, по меньшей мере на 15%. В некоторых вариантах осуществления препятствующий свету слой 52 имеет толщину и оптическое поглощение, достаточные для того, чтобы снижать оптические перекрестные помехи между соседними сцинтилляционными элементами 32, вокруг которых располагают слой отражателя, по меньшей мере на 20%. В некоторых вариантах осуществления препятствующий свету слой 52 представляет собой слой алюминия, который имеет толщину приблизительно пять микрон или более, хотя также предусмотрены более тонкие слои алюминия. Выбор толщины зависит от факторов, таких как длина волны или спектр света, подлежащего блокированию, равномерность способа нанесения слоя на заданную основу и т.д., сбалансированных с производственными факторами, такими как время нанесения и стоимость материалов. Слой алюминия надлежащим образом наносят на заднюю сторону светоотражающего слоя 50 (например, заднюю сторону листа Vikuiti™) посредством вакуумного испарения, металлизации, ионного вакуумного осаждения (IVD), физического осаждения из газовой фазы (PVD) или другого способа нанесения пленки. Необязательно можно сначала наносить тонкий слой адгезива для того, чтобы увеличить адгезию слоя алюминия к светоотражающему слою 50.

Преимущественно использование отдельного светоотражающего слоя 50 и препятствующего свету слоя 52 позволяет оптимизировать каждый слой для его предполагаемого назначения, при этом одновременно удовлетворяя условиям ограничения любой максимальной толщины, которые могут устанавливаться для желаемого расстояния между пикселями в массиве детекторов. Например, несмотря на то, что многослойный полимерный отражатель можно выполнить высокоотражающим, составляющие полимеры типично состоят из оптически прозрачного или просвечивающего материала, и, как результат, многослойный полимерный отражатель сложно сделать полностью непрозрачным. Дополнительной непрозрачности многослойного полимерного отражателя добиваются посредством использования большего количества слоев в многослойной структуре, но это нежелательно влияет на толщину. (Например, некоторые листы Vikuiti™, надлежащим образом используемые в качестве светоотражающего слоя 50, имеют толщину приблизительно 65 микрон и все еще не являются достаточно не прозрачными). С другой стороны, слой алюминия является достаточно не прозрачным при толщине лишь несколько микрон. Однако алюминий является оптически высокопоглощающим материалом, и, таким образом, использование алюминия в качестве материала отражателя может быть нежелательным, поскольку он может вводить нежелательные потери, связанные с поглощением света.

Основная задача препятствующего свету слоя 52 состоит в предотвращении прохождения какого-либо света, который проник за светоотражающий слой 50, в смежный сцинтилляционный элемент и, таким образом, вносит оптически перекрестные помехи. В целом, препятствующий свету слой 52 может быть высокоотражающим или может быть немного отражающим, но не настолько отражающим, как высокоотражающий слой 50, или может быть не отражающим. Если препятствующий свету слой 52 является высокоотражающим или немного отражающим, то он вносит вклад в отражательную способность высокоотражающей стороны 36 слоя 34 отражателя. Это типично для случая сочетания листа Vikuiti™ в качестве высокоотражающего слоя 50 и нанесенного слоя алюминия в качестве препятствующего свету слоя 52. Такой вклад препятствующего свету слоя 52 в отражательную способность, если присутствует, является дополнительным преимуществом препятствующего свету слоя 52.

В целом, имеют место два вклада в удержание света в сцинтилляционном элементе 32. Один вклад состоит в отражении света высокоотражающей стороной 36 слоя 34 отражателя. Другой вклад состоит в полном внутреннем отражении (ПВО) света на (внутренней) поверхности сцинтилляционного элемента 32. В целом, ПВО происходит, когда закон Снеллиуса предсказывает, что угол «прошедшего» света относительно нормали к поверхности равен или превышает 90°. Обозначив показатель преломления материала сцинтиллятора как n_s и показатель преломления материала, непосредственного смежного со сцинтилляционным элементом 32, как n_a, условие для ПВО представляет собой θ≥arcsin(n_a/n_s), где θ представляет собой угол падения света внутри сцинтилляционного элемента 32 на (внутреннюю) поверхность сцинтилляционного элемента 32, также относительно нормали к поверхности. Таким образом, ПВО выше всего для n_a=1, снижается для n_a>1 и полностью исчезает для n_a>n_s.

Если отражатель непосредственно прикреплен к сцинтилляционному элементу, как в случае отражателя, приклеенного или прикрепленного адгезивом на сцинтилляционный элемент, то n_a представляет собой показатель преломления материала отражателя или клея или адгезива, который обычно выше, чем у воздуха. Из этого следует, что приклеивание или прикрепление адгезивом отражателя на сцинтилляционный элемент снижает или даже устраняет ПВО. С другой стороны, если отражатель удален от сцинтилляционного элемента посредством воздушного зазора шириной более глубины проникновения затухающей волны для границы раздела сцинтиллятор/воздух, то n_a представляет собой показатель преломления окружающего воздуха. Преимущественно оборачивая слой 34 отражателя вокруг сцинтилляционных элементов 32, как описано в настоящем описании со ссылкой на фиг.2-4, воздушный зазор в несколько микрон или более (взят в виде среднего по площади поверхности), как правило, присутствует между поверхностью сцинтилляционных элементов 32 и слоем 34 отражателя. Соответственно, подход с оборачиванием, описанный со ссылкой фиг.2-4, позволяет благоприятным образом по существу сохранить вклад ПВО в удержание света.

Чтобы дополнительно усилить или гарантировать вклад ПВО в удержание света, слой 34 отражателя, показанный на фиг.5, необязательно может содержать выступающие элементы или структуры (не показано) на светоотражающем слое 50, которые выполняют функцию разделителей, чтобы обеспечить воздушный зазор между слоем 34 отражателя и сцинтилляционными элементами 32, которого достаточно, чтобы поддерживать ПВО. Дополнительно или альтернативно, такие разделители можно помещать на сцинтилляционные элементы 32 перед оборачиванием слоя 34 отражателя вокруг них.

Другая предполагаемая вариация состоит в том, чтобы слой 34 отражателя содержал структурный формирователь или опору (не проиллюстрировано), которая поддерживает светоотражающий слой 50 и необязательный препятствующий свету слой 52. Например, отражающий слой 50 и необязательный препятствующий свету слой 52 можно изготавливать в виде жесткого или полужесткого листа, который режут на куски вдоль разметочных линий и прикрепляют к дополнительному опорному слою, который достаточно гибок, чтобы повторять сгибы на 90°, показанные на фиг.4. Прикрепление дополнительного опорного слоя можно выполнять до или после нарезания светоотражающего слоя 50 и необязательного препятствующего свету слоя 52 на куски. Структурный формирователь или опорный слой, если используют, может быть или оптически активным или оптически неактивным (например, прозрачный опорный лист, который обеспечивает незначительный коэффициент отражения и незначительное светопоглощение).

Со ссылкой на фиг.6 описана пара пикселей детектора, сконструированная из блока 30 построения сцинтиллятора массива детекторов. На фиг.6 представлен вид в перспективе блока 30 построения сцинтиллятора массива детекторов (так, что теперь видно более длинное измерение в глубину) после оборачивания сцинтилляционных элементов 32 слоем 34 отражателя. Дополнительно, верхняя сторона (то есть сторона, обращенная к источнику падающего излучения, то есть обращенная к исследуемой области в случае ПЭТ гентри 14) покрыта верхним отражателем 60, который в проиллюстрированном варианте осуществления является отдельным от слоя 34 отражателя. Альтернативно, верхний отражатель может представлять собой единое целое со слоем 34 отражателя. Типично верхний отражатель 60 вносит одно отражение в удержание луча света. (Например, любой направленный «вверх» свет отражается один раз от верхнего отражателя 60 и впоследствии направляется «вниз» посредством слоя 34 отражателя и/или посредством ПВО к фотодетектору). Как результат, отражательная способность верхнего отражателя 60 не настолько критична, как отражательная способность слоя 34 отражателя, и верхний отражатель 60 можно прикреплять, например, посредством клея или другого адгезива.

Пара элементов 62 оптического детектора расположена на «нижней» стороне блока 30 построения сцинтиллятора массива детекторов, противоположной стороне, содержащей верхний отражатель 60. Два элемента 62 оптического детектора оптически соединены один-к-одному с соответствующими двумя сцинтилляционными элементами 32 блока 30 построения сцинтиллятора массива детекторов. Например, каждый элемент 62 оптического детектора может представлять собой фотодиод, который видит соответствующий сцинтилляционный элемент. В качестве другого примера каждый элемент 62 оптического детектора может представлять собой кремниевый фотоумножительный (SiPM) элемент, который видит соответствующий сцинтилляционный элемент. Предусмотрена подходящая электрическая соединительная магистраль 64 (показана схематически на фиг.6), чтобы подавать рабочую электрическую мощность на элементы 62 оптического детектора и считывать элементы 62 оптического детектора. Например, электрическая соединительная магистраль 64 может содержать плату с печатной схемой с электронными компонентами, выполненными с возможностью образования схемы управления и считывания фотодиода.

Также предусмотрена смена положений отражателя 60 и элементов 62 оптического детектора (измененная компоновка не проиллюстрирована) так, что элементы 62 оптического детектора соединены с «верхними» сторонами сцинтилляционных элементов 32 (то есть, к источнику частиц излучения), а отражатель 60 к «нижней» стороне. Пока элементы фотодетектора не вызывают значительного поглощения или рассеивания частиц излучения, такая компоновка не является неблагоприятной.

В другом варианте осуществления (не проиллюстрирован), некоторые элементы 62 оптического детектора могут быть соединены с «верхними» сторонами сцинтилляционных элементов 32, и некоторые элементы 62 оптического детектора с «нижней» стороной, при этом соответствующие противоположные стороны сцинтилляционных элементов 32 покрыты отражателем 60. Такая компоновка может быть благоприятной, например если размер элементов 62 оптического детектора превышает размер сцинтилляционных элементов 32.

В варианте осуществления, представленном на фиг.6, площадь поперечного сечения блока 30 построения (включая сочетание двух сцинтилляционных элементов 32 и слой 34 отражателя, расположенный вокруг двух сцинтилляционных элементов 32) равен площади поперечного сечения двух элементов 62 оптического детектора, которые оптически соединены с преобразующими излучение элементами. В более общем случае в некоторых вариантах осуществления площадь поперечного сечения блока построения (включая сочетание сцинтилляционного элемента и слоя отражателя, расположенного вокруг сцинтилляционного элемента) равна или меньше площади поперечного сечения элемента оптического детектора, который оптически соединен с преобразующими излучение элементами блока построения.

Логическое обоснование этих вариантов осуществления состоит в следующем. Как уже отмечено, в целом существует два вклада в удержание и сбор сцинтилляционного света: (i) отражение внешними отражателями 34, 60; и (ii) полное внутренне отражение (ПВО). Не ограничиваясь каким-либо конкретным принципом работы, полагают, что сочетание этих механизмов ведет к существенному вкладу сцинтилляционного света, направляемого по волноводу вдоль воздушного зазора между сцинтилляционными элементами 32 и слоем 34 отражателя. Как результат, если площадь поперечного сечения сочетания сцинтилляционного элемента и слоя отражателя, который расположен вокруг сцинтилляционного элемента превышает площадь поперечного сечения элемента оптического детектора, который оптически соединен со сцинтилляционным элементом, то значительная часть этого направляемого по волноводу периферического сцинтилляционного света может попадать за пределы активной области детектора элемента оптического детектора и, следовательно, будет потеряна. С другой стороны, делая площадь поперечного сечения сочетания сцинтилляционного элемента и слой отражателя равными или меньше площади поперечного сечения элемента оптического детектора, этот направляемый по волноводу периферический сцинтилляционный свет будет попадать внутрь активной области детектора элемента оптического детектора и соответствующим образом вносить вклад в выходной сигнал детектора.

Со ссылкой на фиг.7 и 8, описана сборка массива 70 преобразующих излучение элементов (выполненный массив представлен на фиг.8), содержащего множество блоков 30 построения сцинтиллятора массива детекторов, расположенных в виде массива. Проиллюстрированный массив 70 детекторов представляет собой двухмерный массив 4×4 с 16 элементами, но массивы из большего числа элементов можно аналогичным образом сконструировать, и кольцевой массив (такой как массив детекторов 16 ПЭТ гентри 14 на фиг.1) можно сконструировать посредством объединения плоского двухмерного массива впритык с соседними плоскими массивами под небольшим углом друг к другу, чтобы сформировать N-сторонний многоугольник, где N достаточно велико, чтобы приблизиться к кругу. Массив 4×4 сконструирован из восьми блоков 30 построения сцинтиллятора массива детекторов, каждый из которых содержит два элемента. На фиг.7 и 8 представлен вид «с торца» блоков 30 построения (то есть такой же вид «с торца», как на фиг.4).

Каждый блок 30 построения окружен со всех сторон задней стороной 38 слоя 34 отражателя. Кроме того, если слой 34 отражателя содержит препятствующий свету слой 52, расположенный дистально относительно сцинтилляционных элементов 32, когда слой 34 отражателя расположен вокруг сцинтилляционных элементов 32 (как в слое 34 отражателя, представленном на фиг.5), каждый блок 30 построения окружен со всех сторон препятствующим свету слоем 52. Таким образом, нет препятствия к использованию клея или адгезива при соединении смежных блоков 30 построения. На фиг.7 представлено промежуточное состояние сборки, в котором каждый блок 30 построения приклеен или прикреплен адгезивом к другому блоку 30 построения посредством клея или адгезива 72 с тем, чтобы сформировать элемент подмассива 2×2 (всего четыре элемента подмассива 2×2). Затем используют дополнительный клей или адгезив 74 для формирования двух элементов подмассива 4×2 (показано в разобранном виде на фиг.7 и в собранном на фиг.8), и кроме того затем используют клей или адгезив 76 для формирования финального элемента массива 4×4 70 (снова показано в разобранном виде на фиг.7 и в собранном на фиг.8). Следует принимать во внимание, что такое конструирование можно продолжать схожим образом для формирования массива M×N, где M и N представляют собой целые числа.

На фиг.2-4 слой 34 отражателя нанесен на пару сцинтилляционных элементов 32 посредством оборачивания и подгибания концов 40, 42 слоя 34 отражателя между сцинтилляционными элементами 32. Этот подход имеет преимущество создания элементарного блока 30 построения 2×1, который является относительно структурно жестким и полностью окружен с четырех сторон и посредине слоем 34 отражателя. Эти блоки 30 построения затем легко использовать для конструирования произвольного одномерного или двухмерного массива детекторов. Однако также предусмотрены другие производственные процессы. Например, в некоторых вариантах осуществления небольшое количество клея или адгезива (не показано) размещают между двумя концами 40, 42 слоя 34 отражателя, когда их подгибают между сцинтилляционными элементами 32. Это может сделать блок 30 построения еще более структурно жестким. Также предусмотрены другие паттерны оборачивания. Несмотря на то, что в конкретном примере сцинтилляционные элементы 32 имеют размеры 4×4×22 мм, в целом сцинтилляционные элементы могут иметь размеры i×j×k, где в целом каждый i, j, и k может иметь собственные размеры (например, размеры 4×6×22 мм). Кроме того, предусмотрены сцинтилляционные элементы, которые имеют неквадратные и непрямоугольные поперечные сечения.

В некоторых вариантах осуществления массив может не быть прямоугольным, как на фиг.7 и 8. Например, элементы массива могут быть сдвинуты относительно своих соседей. В одной такой компоновке блок 30 построения приклеивают или прикрепляют адгезивом к другому блоку 30 построения посредством клея или адгезива 72 с тем, чтобы сформировать элемент подмассива 2×2, в котором один блок 30 построения сдвинут относительно другого блока 30 построения на половину размера одного сцинтилляционного элемента 32. В другой такой компоновке каждый элемент подмассива 2×2 может формировать прямоугольный массив и при этом быть сдвинутым относительно соседнего элемента подмассива 2×2 и т.д.

Со ссылкой на фиг.7 и 8, клей или адгезив между блоками 30 построения, между элементами подмассива 2×2 и т.д. типично выбирают так, чтобы он был тонким с тем, чтобы добиться высокого коэффициента упаковки массива сцинтилляторов. Однако в некоторых вариантах осуществления может быть полезным выбрать относительно большую толщину клея или адгезива, так чтобы получаемый массив 70 сцинтилляционных элементов 32 совпадал с массивом элементов фотодетектора 62. По той же причине дополнительный клей или адгезив или схожий материал можно ввести между концами 40, 42 слоя 34 отражателя, чтобы создать дополнительное разделение между сцинтилляционными элементами 32.

Варианты осуществления слоя 34 отражателя, описанные со ссылкой на фиг.5, являются только иллюстративными. Например, вместо многослойного полимерного отражателя, приведенного в качестве примера, светоотражающий слой 50 может представлять собой другой материал или многослойную структуру, такую как тефлоновая лента, белый полиэстеровый материал отражателя или т.д. Аналогичным образом, несмотря на то, что раскрыто алюминиевое покрытие в качестве примера препятствующего свету слоя 52, другие надлежаще оптически поглощающие материалы можно использовать, такие как другие металлы, и вместо нанесения препятствующего свету слоя 52 на светоотражающий слой 50 препятствующий свету слой 52 можно наносить на светоотражающий слой 50 посредством прессования или склеивания (например, используя металлическую фольгу в качестве препятствующего свету слоя 52, который спрессовывают или склеивают со светоотражающим слоем 50). Кроме того, предусмотрено использование препятствующего свету слоя 52 в качестве основы и нанесение или иным образом формирование светоотражающего слоя 50 на препятствующем свету слое. Кроме того, несмотря на то, что идентифицирована польза от использования иллюстративного слоя 34 отражателя, содержащего отдельные светоотражающий и препятствующий свету слои 50, 52, также предусмотрено использование одного слоя для слоя 34 отражателя, в котором один слой выполняет как функцию отражения, так и функцию подавления оптических перекрестных помех. Например, слой отражателя может представлять собой однослойную металлическую фольгу, которую оборачивают вокруг сцинтилляционных элементов 32, как показано на фиг.3-4.

Далее описан пример процесса производства блока построения с фиг.2-4, который фактически выполняли. В этом примере слой отражателя или фольги 34 представлял собой однослойный лист или фольгу Vikuiti™, без отдельного препятствующего свету слоя 52. На первой стадии фольгу отражателя слегка царапали или размечали, чтобы сформировать разметочные линии сгиба 44. Это обеспечивает точное сгибание фольги Vikuiti™, которая в этом примере имела толщину 65 мкм и была относительно жесткой. В фактически выполнявшихся экспериментах царапины или разметку наносили быстро, используя тонкий конический фрезерный инструмент на моторизованной x-y платформе, которую обычно используют для обработки прототипов компонентов плат с печатной схемой (PCB). Платформа x-y имела точность позиционирования приблизительно 8 мкм. Вырезали разметочные линии 44 глубиной приблизительно 50 мкм, чтобы обеспечить легкое сгибание. Во время этого процесса защитную подкладку на сторону с высоким коэффициентом отражения фольги Vikuiti™ (то есть на сторону, которая была удалена от фрезерного инструмента во время разметки) оставляли на месте. Тот же инструмент использовали, чтобы вырезать контур слоя отражателя. Необязательно вырезание контура могло не проходить полностью через защитную подкладку фольги Vikuiti™, таким образом избегали необходимости манипулировать многими маленькими деталями. Другие способы формирования разметочных линий 44 также предусмотрены, такие как лазерная разметка, разметка с использованием режущего плоттера или т.д.

После разметки и разделения слоя отражателя, защитную подкладку фольги Vikuiti™ удаляли и складывали вдоль разметочных линий 44. В фактически выполнявшихся экспериментах складывание выполняли вручную, однако для производства в более крупном масштабе предусмотрено использование автоматической складывающей машины. При складывании можно использовать непосредственно сцинтилляционные элементы или альтернативно складывание можно выполнять вокруг имитаторов или заготовок, выполненных из металла, пластика или т.д., а сцинтилляционные элементы позже вставлять в готовые отражательные решетки.

Если препятствующий свету слой 52 является желательным, то указанный выше процесс можно надлежащим образом модифицировать посредством нанесения на заднюю сторону фольги Vikuiti™ алюминия посредством вакуумного осаждения или другого способа нанесения. Температуру фольги Vikuiti™ во время нанесения следует сохранять достаточно низкой, чтобы избежать теплового повреждения фольги Vikuiti™. Затем процесс разметки и оборачивания выполняют, как ранее. В другом подходе тонкую алюминиевую фольгу или другой препятствующий свету слой приклеивают или прикрепляют адгезивом к задней стороне фольги Vikuiti™ до или после разметки. В некоторых таких вариантах осуществления может быть полезным приклеивать или прикреплять адгезивом алюминиевую фольгу после разметки, приклеивая алюминиевую фольгу только между разметочными линиям с тем, чтобы не препятствовать оборачиванию.

После изготовления блоков 30 построения, два блока построения 2×1 склеивали вместе согласно фиг.7. В фактически выполненной сборке это выполняли с использованием тонкой двухсторонней адгезивной фольги (Optical Clear Adhesdives, доступна в 3M, имеет толщину 25 мкм и подкладки на обеих сторонах). Ожидают, что использование адгезивной фольги вместо клея в качестве адгезива облегчит обращение и повысит эффективность, поскольку не присутствует клей, расползающийся между сцинтилляционным элементом и отражателем. Использование адгезивной фольги также способствует точному расстоянию между пикселями. Однако использование других адгезивов или клеев также предусмотрено. Размещение блоков 30 построения 2×1 относительно друг друга легко достигали посредством размещения их в желобке с шириной, равной ширине двух сцинтилляционных элементов 32, обернутых в слой 34 отражателя.

Измерения фактически сконструированных отражателей показали, что светоотдача находится внутри 95% от того, что достигают с использованием тефлоновой ленты, обернутой в 5-10 слоев. Следует признать, что такое многослойное тефлоновое оборачивание приведет к непрактичной толщине отражателя. Светоотдача была по существу выше, чем то, что получили с использованием одного слоя тефлона. Дополнительные измерения показали, что верхний отражатель 60 (см. фиг.6) можно приклеивать к кристаллам без потери световой эффективности. Также, не ограничиваясь каким-либо конкретным принципом работы, полагают, что это является следствием того, что каждый луч света отражается от верхнего отражателя 60 типично не более чем один раз. Принимая это во внимание, для верхнего отражателя 60 предусмотрено, что он представляет собой непрерывный приклеенный отражатель, перекрывающий всю переднюю сторону массива, который, как ожидают, обеспечивает значительную жесткость массива детекторов.

В качестве другой вариации предусмотрено использование операций разметки, которые формируют разметочные линии 44, чтобы дополнительно определить признаки для совмещения, такие как шипы, для легкого совмещения с массивом фотодетекторов (то есть с элементами 62 оптического детектора).

В этой заявке описаны один или несколько предпочтительных вариантов осуществления. Модификации и изменения могут прийти на ум после прочтения и осмысления предшествующего подробного описания. Подразумевают, что заявку следует толковать как включающую все такие модификации и изменения в такой мере, в какой они входят в объем приложенной формулы изобретения или ее эквивалентов.

Группа изобретений относится к области радиологической визуализации, области эмиссионной томографической визуализации, области детекторов излучения и связанным областям. Сущность изобретений заключается в том, что устройство радиологической визуализации содержит множество элементов, преобразующих излучение в свет; слой отражателя, расположенный вокруг множества преобразующих излучение элементов; слой отражателя обернут вокруг множества преобразующих излучение элементов без адгезива между преобразующими излучение элементами и слоем отражателя, слой отражателя содержит выступающие разделительные элементы или структуры, эффективно обеспечивающие воздушный зазор между слоем отражателя и преобразующими излучение элементами, достаточный для поддержания полного внутреннего отражения на внутренней поверхности преобразующих излучение элементов. Технический результат – повышение пространственного разрешения устройства. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство радиологической визуализации, содержащее:

множество преобразующих излучение элементов (32), выполненных с возможностью преобразования излучения в свет; и

слой (34) отражателя, расположенный вокруг множества преобразующих излучение элементов;

причем слой (34) отражателя обернут вокруг множества преобразующих излучение элементов (32) без адгезива между преобразующими излучение элементами и слоем отражателя,

причем слой (34) отражателя содержит выступающие разделительные элементы или структуры, эффективно обеспечивающие воздушный зазор между слоем отражателя и преобразующими излучение элементами (32), достаточный для поддержания полного внутреннего отражения на внутренней поверхности преобразующих излучение элементов.

2. Устройство по п.1, в котором множество преобразующих излучение элементов состоит из двух преобразующих излучение элементов (32) и слой (34) отражателя обернут вокруг двух преобразующих излучение элементов, причем концы (40, 42) слоя отражателя подогнуты между двумя преобразующими излучение элементами.

3. Устройство по любому одному из пп.1, 2, в котором слой (34) отражателя, расположенный вокруг множества преобразующих излучение элементов (32), содержит:

светоотражающий слой (50), имеющий коэффициент отражения более чем 90%, расположенный смежно с преобразующими излучение элементами, когда слой (34) отражателя расположен вокруг множества преобразующих излучение элементов; и

препятствующий свету слой (52).

4. Устройство по п.3, в котором препятствующий свету слой (52) содержит слой алюминия и светоотражающий слой (50) содержит многослойный полимерный отражатель.

5. Устройство по любому одному из пп.1, 2, в котором слой (34) отражателя, расположенный вокруг множества преобразующих излучение элементов (32), содержит разметочные линии (44), определяющие сгибы слоя отражателя, расположенного вокруг множества преобразующих излучение элементов.

6. Устройство по любому одному из пп.1, 2, в котором множество преобразующих излучение элементов (32) содержит множество сцинтилляционных элементов, и устройство дополнительно содержит:

множество элементов (62) оптического детектора, оптически соединенных с множеством преобразующих излучение элементов (32);

при этом устройство содержит устройство (14) позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), содержащее детектор (16) излучения 511 кэВ, который включает в себя множество преобразующих излучение элементов (32) и слой (34) отражателя, расположенный вокруг множества преобразующих излучение элементов.

7. Устройство по п.6, в котором множество преобразующих излучение элементов (32) содержит множество сцинтилляционных элементов, и устройство дополнительно содержит:

множество элементов (62) оптического детектора, оптически соединенных с множеством преобразующих излучение элементов (32), причем каждый преобразующий излучение элемент (32) из множества преобразующих излучение элементов оптически соединен с одним элементом (62) оптического детектора из множества элементов оптического детектора.

8. Способ радиологической визуализации, содержащий этапы, на которых:

оборачивают многослойный полимерный светоотражающий слой (50) вокруг множества преобразующих излучение элементов (32), преобразующих излучение в свет, для образования блока (30) построения сцинтиллятора массива детекторов; и

располагают металлический препятствующий свету слой (52) на многослойном полимерном светоотражающем слое (50), при этом на этапе оборачивания размещают многослойный полимерный светоотражающий слой (50) смежно с множеством преобразующих излучение элементов (32);

причем адгезив не расположен между преобразующими излучение элементами и многослойным полимерным слоем светоотражателя (50).

9. Способ по п.8, в котором металлический препятствующий свету слой (52) располагают на многослойном полимерном светоотражающем слое (50) в виде нанесенного слоя, который наносят на заднюю сторону многослойного полимерного светоотражающего слоя (50), расположенного дистально относительно преобразующего излучение элемента.

10. Устройство радиологической визуализации, содержащее:

преобразующий излучение элемент (32), выполненный с возможностью преобразования излучения в свет; и

слой (34) отражателя, расположенный вокруг преобразующего излучение элемента, причем слой отражателя содержит многослойный полимерный светоотражающий слой (50), расположенный смежно с преобразующим излучение элементом, и металлический препятствующий свету слой (52), расположенный дистально относительно преобразующего излучение элемента;

причем слой (34) отражателя обернут вокруг преобразующего излучение элемента без адгезива между преобразующим излучение элементом и слоем отражателя.

11. Устройство по п.10, в котором металлический препятствующий свету слой (52) расположен на многослойном полимерном светоотражающем слое (50) в виде нанесенного слоя, который нанесен на заднюю сторону многослойного полимерного светоотражающего слоя (50), расположенного дистально относительно преобразующего излучение элемента.

12. Устройство радиологической визуализации, содержащее:

преобразующий излучение элемент (32), выполненный с возможностью преобразования излучения в свет, причем преобразующий излучение элемент имеет светоотражающие стороны, включающие в себя слой (34) отражателя, обернутый вокруг преобразующего излучение элемента без адгезива между преобразующим излучение элементом и слоем отражателя, причем слой (34) отражателя содержит выступающие разделительные элементы или структуры, эффективно обеспечивающие воздушный зазор между слоем отражателя и преобразующими излучение элементами (32), достаточный для поддержания полного внутреннего отражения на внутренней поверхности преобразующих излучение элементов; и

элемент (62) оптического детектора, оптически соединенный с преобразующим излучение элементом (32) для образования одного пикселя массива (70) детекторов излучения, имеющего соответствие один-к-одному между преобразующими излучение элементами и элементами оптического детектора;

при этом площадь поперечного сечения комбинации преобразующего излучение элемента (32) и слоя (34) отражателя равна или меньше площади поперечного сечения элемента (62) оптического детектора, оптически соединенного с преобразующим излучение элементом.

13. Устройство по п.12, в котором площадь поперечного сечения преобразующего излучение элемента (32), имеющего светоотражающие стороны, равна площади поперечного сечения элемента (62) оптического детектора, оптически соединенного с преобразующим излучение элементом.