ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ К ИЗЛУЧЕНИЮ ДЕТЕКТОР СО СЦИНТИЛЛЯТОРОМ В КОМПОЗИЦИОННОЙ СМОЛЕ

Настоящее изобретение в целом относится к чувствительным к излучению детекторам. Несмотря на приведенное ниже описание его конкретного применения в системе компьютерной томографии (СТ), оно также относится к другим медицинским и немедицинским формирователям изображений.

Система компьютерной томографии (СТ) включает источник ионизирующего излучения, который вращается и испускает излучение, пересекающее исследуемый участок, и чувствительный к излучению детектор, который обнаруживает излучение, пересекающее исследуемый участок. Матрица такого детектора может включать двухмерную матрицу чувствительного к излучению детектора с множеством рядов и колонок дикселей (элементов детектора). Каждый диксель включает элемент сцинтиллятора, излучающий свет, стимулированный поглощением рентгеновских лучей, и оптически соединен с соответствующим элементом фоточувствительной матрицы. Элементы сцинтиллятора принимают ионизирующее излучение и вырабатывают индикационный свет, а фотосенсоры принимают свет и вырабатывают индикационные электрические сигналы. Такие сигналы восстанавливают с целью генерирования данных об объемном изображении, индикационных для исследуемого участка. Данные об объемном изображении могут быть обработаны для генерирования одного или более изображений, индикационных для исследуемого участка.

Традиционно сцинтилляторы могут быть получены в результате спекания сцинтилляционного порошка или кристаллизации при высоких температурах и давлении. К сожалению, осуществление таких процессов, которые являются непростыми и дорогостоящими, обеспечивает получение хрупких сцинтилляторов, требующих кропотливого структурирования для формирования матрицы пикселей сцинтилляторов для чувствительного к излучению детектора.

Могут быть также использованы методы, не включающие спекание и кристаллизацию. Например, Pham Gia и другие (патент US 7265357 В2, поданный 22 ноября 2005 г.) описывают сцинтиллятор, включающий смесь порошкового оксисульфида гадолиния (Gd₂O₂S или GOS) и парафинового воска. К сожалению, GOS имеет показатель (n) преломления, составляющий приблизительно 2,2, а парафиновый воск имеет показатель преломления, составляющий приблизительно от 1,4 до 1,6. Следовательно, несогласованность показателей преломления между этими двумя материалами составляет более 27%, что может привести к относительно сильному рассеянию на границах частиц, снижая тем самым эффективность света.

Pham Gia и другие отмечают, что полимер предпочтительно должен иметь показатель преломления, составляющий более 1,7. Для этого Pham Gia и другие смешивают от 0,5% до 2,0% наночастиц диоксида титана (TiO₂) с парафиновым воском с целью повышения показателя преломления полимера. Добавление 2,0% TiO₂ к парафиновому воску способно повысить показатель преломления полимера и способно уменьшить несогласованность показателей преломления между GOS и полимером таким образом, что такая несогласованность составит не более 25%. Однако такая несогласованность может, тем не менее, привести к относительно сильному рассеянию на границах частиц, что снижает эффективность света. Добавление дополнительно TiO₂ может привести к увеличению рассеяния и мутности.

Аспекты данной заявки направлены на решение вышеупомянутых и других задач.

Согласно одному аспекту чувствительный к излучению детектор включает фотосенсорный элемент и сцинтиллятор, оптически соединенный с фотосенсорным элементом. Сцинтиллятор включает порошковый сцинтиллятор и смолу, смешанную с порошковым сцинтиллятором. Несогласованность показателей преломления между порошковым сцинтиллятором и смолой составляет менее семи процентов (7%).

Согласно другому аспекту система формирования медицинского изображения включает источник излучения, который испускает излучение, пересекающее исследуемый участок, и матрицу детектора, которая обнаруживает излучение, пересекающее исследуемый участок. Матрица детектора включает множество фотосенсорных элементов и сцинтиллятор, оптически соединенный с множеством фотосенсорных элементов. Сцинтиллятор включает порошковый сцинтиллятор и смолу, смешанную с порошковым сцинтиллятором. Несогласованность показателей преломления между порошковым сцинтиллятором и смолой составляет менее десяти процентов (10%).

Согласно другому аспекту чувствительный к излучению детектор включает тонкую волоконно-оптическую пластинку с композиционным сцинтилляционным материалом, содержащим сцинтилляционный порошок, включенный в смолу с согласованным показателем преломления. Согласно одному такому варианту осуществления тонкие волоконно-оптические пластинки ориентированы перпендикулярно падающему рентгеновскому излучению для обнаружения падающего рентгеновского излучения с высокой спектральной разрешающей способностью. Согласно второму варианту осуществления упомянутые тонкие пластинки ориентированы параллельно падающему рентгеновскому излучению для обнаружения падающего рентгеновского излучения с высокой пространственной разрешающей способностью.

Дополнительные аспекты настоящего изобретения станут очевидными для рядовых специалистов в данной области техники после прочтения и понимания следующего подробного описания.

Настоящее изобретение может быть реализовано в различных компонентах и компоновке компонентов, а также на различных этапах и при различной компоновке этапов. Чертежи предназначены только для иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны рассматриваться как ограничивающие настоящее изобретение.

На фиг.1 показана иллюстративная система формирования изображения.

На фиг.2 показан иллюстративный пиксель сцинтиллятора.

На фиг.3 проиллюстрирован график эффективности света дикселя.

На фиг.4 представлен пример способа.

На фиг.5 показан иллюстративный сцинтиллятор.

На фиг.6 показана иллюстративная пластина сцинтиллятора.

На фиг.7 показан иллюстративный сцинтиллятор в связи с матрицей соединенных фотосенсоров, имеющих высокую пространственную разрешающую способность.

На фиг.8 показан иллюстративный многослойный спектральный сцинтиллятор для СТ с соединенными фотосенсорами.

Проиллюстрированная на фиг.1 система 100 компьютерной томографии (СТ) включает поворотную часть 102 гентри, вращающуюся над исследуемым участком 104 вокруг продольной оси или z-оси 106. На вращающейся части 102 гентри установлен источник 108 рентгеновского излучения, такой как рентгеновская трубка, генерирующая и испускающая излучение, пересекающее исследуемый участок 104.

Матрица 110 чувствительного к излучению детектора обнаруживает излучение, испускаемое источником 108 под множеством углов проекции или видов таким образом, чтобы получить проекции, по меньшей мере, в диапазоне ста восьмидесяти (180) градусов плюс веерный угол. Матрица 110 детектора генерирует сигнал или проекционные данные, индикационные для обнаруженного излучения. Следует отметить, что матрица 110 детектора может представлять собой интегрирующий детектор, который интегрирует электрический ток или напряжение, индикационное для обнаруженного излучения, на протяжении периода интеграции, или счетный детектор, энергетически разрешающий обнаруженные фотоны через два или более энергетических окон.

Проиллюстрированная матрица 110 детектора включает множество рядов 112 и колонок 114 пикселей 116 сцинтиллятора, соединенных с соответствующими рядами 118 и колонками 120 фотосенсорных элементов 122. Заполнитель 124 находится, по меньшей мере, между пикселями 116 сцинтиллятора. Согласно одному неограничивающему примеру матрица 110 детектора может включать шестнадцать (16) рядов из шестнадцати (16) дикселей, включая пиксели 116 сцинтиллятора и соответствующие фотосенсорные элементы 122, составляющие матрицу 110 детектора с двумястами пятьюдесятью шестью (256) дикселями. Может быть также использовано другое количество дикселей. Кроме того, может быть использован один пиксель сцинтиллятора с множеством фотосенсорных элементов или наоборот.

Излучение достигает пикселей 116 сцинтиллятора, вырабатывающих индикационный свет, принимаемый фотосенсорами 122. Каждый из фотосенсоров 122, которые могут включать фотодиоды, фотоэлементы или т.п., вырабатывает сигнал, индикационный для света, получаемого от соответствующего пикселя 116 сцинтиллятора. Подразумевается, что указание количества, размера, формы, расстояния между пикселями 116 сцинтиллятора и таких же параметров фотосенсорных дикселей 122 в проиллюстрированной матрице 110 детектора служит для разъяснения, а не ограничения.

Как более подробно описано ниже, пиксели 116 сцинтиллятора включают композиционный материал, такой как смесь порошкового сцинтиллятора и смолы, в которой порошковый сцинтиллятор и смола имеют по существу совпадающие показатели преломления, в результате чего композит имеет относительно более высокую эффективность света по сравнению со смесями с большей несогласованностью показателей преломления. Например, несогласованность показателей преломления может составлять менее десяти процентов (10%), даже менее семи процентов (7%), а эффективность света может составлять более пятидесяти процентов (50%). Такой композит может быть сформирован в результате диспергирования порошкового сцинтиллятора в смоле без спекания порошка или формирования больших кристаллов посредством кристаллизации.

Реконструктор 126 восстанавливает проекционные данные, генерируемые матрицей 110 детектора, с целью генерирования данных об объемном изображении. Данные об объемном изображении являются индикационными для объектов, находящихся на исследуемом участке 104.

Компьютер служит пультом 128 для оператора. Пульт 128 включает устройство вывода, удобное для восприятия человеком, такое как монитор или дисплей, и устройство ввода, такое как клавиатура и “мышь”. Резидент для программного обеспечения на пульте позволяет оператору контролировать и взаимодействовать со сканером 100, например, через графический интерфейс для пользователя (GUI).

Опора 130 для объекта, такая как кушетка, удерживает пациента или другой объект на исследуемом участке 104. Опора 130 для объекта является подвижной, для того чтобы направлять объект относительно исследуемого участка 104 при осуществлении процедуры сканирования.

На фиг.2 показан иллюстративный элемент 116 сцинтиллятора. Проиллюстрированный элемент 116 сцинтиллятора имеет высоту “Н”, составляющую приблизительно три (3) миллиметра (мм), ширину “W”, составляющую приблизительно один (1) мм, и длину “L”, составляющую приблизительно один (1) мм. Проиллюстрированный элемент 116 сцинтиллятора включает композит из порошкового сцинтиллятора и смолы, такой как эписульфид или полиэписульфид. Композит включает около семидесяти (70) процентов по массе соответствующего сцинтиллятора. Как описано в патенте US 4958080, примеры подходящего сцинтиллятора включают монокристаллический LYSO (Lu_1,8Y_0,2SiO₅:Ce_x) или LSO (Ce_2xLu_2(1-x)SiO₅). Примеры соответствующих эписульфидов включают эписульфиды, описанные в патенте US 6534589. Порошковый сцинтиллятор имеет показатель (n) преломления, составляющий приблизительно 1,81, а смола имеет показатель преломления, составляющий приблизительно 1,71. Как таковая, несогласованность показателей преломления составляет приблизительно пять с половиной процентов (5,5%). Эффективность светового выхода проиллюстрированного элемента 116 сцинтиллятора составляет более пятидесяти (50) процентов. Иначе говоря, более пятидесяти (50) процентов оптических фотонов, испускаемых сцинтилляцией от порошка, исходят от основы элемента сцинтиллятора для того, чтобы быть уловленными фотосенсором. На фиг.3 изображен график, показывающий эффективность светового выхода для дикселя данной геометрии, включающего смесь LYSO (n=1,81) и смолы, в зависимости от показателя преломления смолы.

Фиг.4 показывает пример способа формирования проиллюстрированных элементов 116 сцинтиллятора. На этапе 402 получают соответствующее количество смолы и порошкового сцинтиллятора. В одном примере такое получение включает получение приблизительно двух с половиной (2,5) граммов (г) смолы и приблизительно полутора (1,5) г порошка LYSO. На этапе 404 смолу и порошковый сцинтиллятор подвергают обработке. В качестве примера, порошковый сцинтиллятор и смолу подвергают дегазации. Такая дегазация может включать раздельную дегазацию порошкового сцинтиллятора и смолы при комнатной температуре (около двадцати (20) градусов по Цельсию) в вакууме под давлением, составляющим менее трехсот (300) торр. На этапе 406 после приблизительно тридцати (30) минут или более дегазации порошковый сцинтиллятор добавляют к смоле. Согласно одному варианту осуществления порошковый сцинтиллятор добавляют к смоле в вакууме.

На этапе 408 порошковый сцинтиллятор и смолу смешивают. Согласно одному варианту порошковый сцинтиллятор и смолу смешивают при помощи роторной шаровой мельницы, например, в течение ночи, либо при помощи высокоскоростного центробежного смесителя, такого как Synergy Devices Speedmixer, в течение нескольких минут. На этапе 410 смесь обрабатывают. В качестве примера, как описано в патенте US 6531532, смесь может быть подвергнута дегазации в течение двух (2) часов при комнатной температуре в вакууме, составляющем 300 торр или более. На этапе 412 смесь заливают в форму из стекла, политетрафторэтилена (ПТФЭ), другого синтетического фторполимера или иного материала, соответствующую желаемому размеру пластины. На этапе 414 смесь обрабатывают. Например, смесь может быть подвергнута нагреванию в течение приблизительно пятнадцати (15) минут при тридцати (30) градусах по Цельсию в вакууме.

На этапе 416 смесь отверждают в течение приблизительно сорока восьми (48) часов при девяноста (90) градусах по Цельсию. На этапе 418 пластину отжигают охлаждением со скоростью, составляющей двадцать (20) градусов по Цельсию в час, до комнатной температуры, получая пластину сцинтиллятора. Согласно одному примеру ширина пластины может составлять около восемнадцати (18) мм, длина - двадцать пять (25) мм, а высота - три с половиной (3,5) мм. На этапе 420 пластину разрезают на кристаллы, используя прецизионную дисковую пилу или т.п., для формирования элементов сцинтиллятора соответствующего размера. Например, как показано на фиг.2, согласно одному варианту получаемые элементы 116 имеют высоту (Н) около трех (3) мм, ширину (W) - один (1) мм и длину (L) - один (1) мм. Согласно другому примеру получаемые диксели имеют высоту около полутора (1,5) мм, ширину - один (1) мм и длину - один (1) мм. Каждый диксель способен поглощать около девяноста восьми процентов (98%) падающего излучения. Могут быть также использованы и другие размеры. Зазоры между элементами сцинтиллятора могут быть заполнены отражательным заполняющим соединением, таким как соединение, включающее микрочастицы (0,3 µ) диоксида титана (TiO₂) в эпоксидной смоле.

Далее следует описание вариантов.

Согласно другому варианту осуществления увлажняющий агент, такой как поверхностно-активное вещество, включая, но не ограничиваясь перечисленным, стеариновую кислоту, олеиновую кислоту или жирную кислоту, аминамиды и т.п., может быть добавлен к смеси порошкового сцинтиллятора/смолы, что способствует диспергированию порошкового сцинтиллятора в смоле.

Кроме того, в смесь порошкового сцинтиллятора/смолы может быть включен восстановитель, такой как LiAlH₄, NaBH₄, для смягчения окрашивания, которое может возникать из-за индуцируемого излучением формирования небольших молекул, таких как Н₂О, HCl или т.п., в сцинтилляторе.

В вышеописанных примерах порошковый сцинтиллятор включает LYSO. Согласно другому варианту осуществления Lu может быть частично или полностью замещен скандием (Sc), что может привести к меньшей плотности материала сцинтиллятора. В одном случае получаемый материал сцинтиллятора может иметь более низкий показатель преломления по сравнению с LYSO и может улучшить эффективность улавливания света.

Согласно другим вариантам осуществления могут быть использованы другие материалы для сцинтиллятора. Например, один или более следующих материалов могут быть использованы дополнительно или в качестве альтернативы: легированный таллием иодид цезия (CsI(Tl))(n=1,79), легированный таллием иодид натрия (NaI(Tl))(n=1,85), легированный натрием иодид цезия (CsI(Na))(n=1,84), другие щелочные галоиды, LSO, гранаты (общих формул X₃Y₂(ZO₄)₃), где Х представляет собой двухвалентный, а Z представляет собой четырехвалентный ион металла, или X₃Y₂(ZO₄)₃, в которой все ионы металла являются трехвалентными (~1,7<n<~1,9), и/или другие материалы для сцинтиллятора. Несмотря на то, что CsI(Tl) является гигроскопичным и поэтому имеет ограниченное применение в своем монокристаллическом виде, он может быть введен в композиционный материал, причем смола уплотняет его и делает недоступным для воздействия атмосферной влаги.

Примеры подходящих гранатов включают, но не ограничиваются перечисленным, гранаты, легированные Се₃₊ или Pr₃₊, которые в целом представляют собой быстрые эмиттеры, отличающиеся тем, что они имеют время распада, составляющее менее ста (100) наносекунд, такие как Y₃Al₅O₁₂:Ce, Lu₃Al₅O₁₂:Ce, Gd₃Al₅O₁₂:Ce, (Lu,Y,Gd)₃Al₅O₁₂:Ce, (Lu,Y,Gd₃)Ga₅O₁₂:Ce, (Lu,Y,Gd)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce, Ca₃Sc₂Si₃O₁₂:Ce, (Ca)₃(Sc,Al)₂Si₃O₁₂:Ce, Y₃(Sc,Al)₅O₁₂:Ce, Lu₃(Sc,Al)₅O₁₂:Ce, (Lu,Y)₃(Sc,Al)₅O₁₂:Ce, (Lu,Y)₃(Sc,Al,Ga)₅O₁₂:Ce, Y₃Al₅O₁₂:Pr, Lu₃Al₅O₁₂:Pr, (Lu,Y)₃Al₅O₁₂:Pr и гранаты, легированные Nd³⁺ или Er³⁺.

Другие подходящие соединения включают соединения лантанида (Ln=Sc, Y, La, Gd, Lu), такие как LnI₃:Ce, LnBr₃:Ce, LnCl₃:Ce, Ln₂SiO₅:Ce, Ln₂Si₂O₇:Ce, RbLn₂Br₇:Ce, M₂LnH₅:Ce (M=Li, Na, K, Cs, Rb, a H=F, Cl). Другие подходящие соединения включают соответствующие легированные Pr₃₊ материалы. Другие подходящие соединения включают другие материалы, такие как SrS:Ce или CaS:Ce, на которые, кроме того, может быть нанесено тонкое конформное защитное покрытие, например, из Al₂O₃, SiO₂ или т.п., имеющие комбинации таких же решеток основного вещества и покрытий решеток основного вещества, легированных Eu²⁺. Другие подходящие порошковые сцинтилляторы включают ион активатора, время распада с эмиссией которого составляет менее десяти (10) микрон (µ). Подходящие ионы активатора включают, но не ограничиваются перечисленным, Се³⁺, Nd³⁺, Pr³⁺, Eu²⁺, Er³⁺, Tl⁺. Кроме того, порошковый сцинтиллятор может включать тонкое конформное защитное покрытие.

Согласно другим вариантам осуществления могут быть использованы другие смолы. Например, согласно другому варианту осуществления смола включает эписульфид, такой как эписульфид, описанный в патенте US 6534589 В1. Согласно другому варианту осуществления смола включает эписульфид, такой как эписульфид Essilor, описанный в патенте US 6891017. Согласно другому варианту осуществления смола включает эпоксидную смолу с добавкой, такую как описана в патенте US 7274024 В2. Согласно другому варианту осуществления смола включает полимер, содержащий серу, такой как описан в патенте US 7091307 В2. Согласно другому варианту осуществления смола включает поликарбодиимид, такой как описан в публикации патента US 2006/0022356 А17.

На фиг.5 проиллюстрирован вариант осуществления, согласно которому композит 500 сцинтиллятора, такой как описанный выше композит сцинтиллятора, используют в связи с матрицей 502 сцинтиллятора с антирассеивающей решеткой 504. Антирассеивающая решетка 504 включает антирассеивающие пластины, которые могут быть изготовлены из относительно тонкостенного металла. Согласно проиллюстрированному примеру композит 500 сцинтиллятора заливают в промежутки 506 между разделителями 508 до полимеризации. Разделители 508 могут быть покрыты отражающим материалом, таким как тонкий слой белой краски или другой отражающий материал. Такой слой может быть нанесен погружением. В качестве альтернативы, на них может быть нанесено покрытые из алюминия, серебра или другое яркое металлическое покрытие.

На фиг.6 проиллюстрирован вариант осуществления, согласно которому композит сцинтиллятора, такой как описанный выше композит сцинтиллятора, используют для формирования “сцинтилляционных оптико-волоконных” волокон, тонких пластинок или листов 602. Согласно данному примеру композит сцинтиллятора вначале отливают, прокатывают или экструдируют для формирования листов 602, например, толщиной в сто (100) микрон, до полимеризации. Листы 602 могут быть покрыты пленкой 604 с низким показателем преломления (например, n=1,4). Толщина такой пленки 604 может составлять менее двух (2) микрон. Пленка может быть нанесена погружением, выпариванием или другим методом, обеспечивающим получение “флуоресцентных оптико-волоконных” тонкопластинчатых элементов.

На фиг.7 проиллюстрирован вариант осуществления, согласно которому листы 602 используют в связи с матрицей 702 сцинтиллятора, соединенной с матрицей 704 фотодиода. В данном примере листы 602 расположены над фотодиодами 706. Десять (10) листов 602 с покрытиями, каждый из которых имеет толщину около девяносто (90) микрон, размещают между пластинами 708 решетки, при этом наборы из пяти (5) листов установлены на одной линии над соответствующими фотодиодами 706. Такая конструкция сцинтиллятора способна обеспечить подачу света в каждый фотодиод шириной в половину (0,5) мм. В том случае, если в таком варианте выполнения сканера СТ с высокой разрешающей способностью активные участки фотодиодов 706 достаточно малы, разрешающая способность сканера СТ ограничена только размером фокального пятна. Согласно альтернативному варианту осуществления могут быть использованы цифровые элементы для подсчета фотонов. В таком случае для разделения каналов при высоких скоростях подсчета могут быть использованы внутренние переключатели.

На фиг.8 проиллюстрирован вариант осуществления, согласно которому листы 602 используют в спектральной конструкции СТ. Как показано на фиг.8, рентгеновские лучи падают вниз сверху, как изображено на фигуре, где множество листов 602 расположены параллельно один другому и перпендикулярно направлению падающего излучения. При такой конструкции листы 602 подают оптическую мощность латерально на ряды фотодиодов, которые могут быть аналоговыми или цифровыми. Более конкретно, падающее излучение поглощается рядом, состоящим, например, из тридцати листов 602 композиционных сцинтилляторов, каждый из которых имеет толщину, например, сто (100) микрон, уложенных вертикально, для того, чтобы обеспечить нужную силу сопротивления при остановке. Испускаемый флуоресцентный свет ограничивается “волоконной” оптикой, направляющей свет в сторону в виде воронки на чувствительные участки матрицы фотодиодов 802, высота каждого из которых может составлять 100 микрон или более.

Согласно проиллюстрированному варианту использования в спектральном СТ, фотодиоды 802 представляют собой многопиксельные матрицы для подсчета фотонов, лавинное действие Гейгера которых инициируется отдельными падающими фотонами. Образующиеся сигналы обрабатываются при помощи схемы 804 подсчета импульсов и выводятся через считывающую электронику 806. Укладывание в виде платформы обеспечивает достаточную площадь для большого числа диодов напротив каждого сцинтиллятора, что, в свою очередь, обеспечивает широкий динамический диапазон (максимальная скорость подсчета/минимальная скорость подсчета). Согласно одному варианту осуществления длина латерального проецируемого оптического канала внутри каждого листа 602 сцинтиллятора составляет один (1) мм или менее, что обеспечивает существенную степень несогласованности показателей преломления между порошком и пластичной смолой матрицы без существенных световых потерь.

Настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты его осуществления. После прочтения и понимания изложенного выше подробного описания для специалистов в данной области техники станут очевидными возможные модификации и изменения. Предполагается, что настоящее изобретение включает все подобные модификации и изменения при условии, что они входят в объем прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.