ГАММА-ЗОНД ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ИСТОЧНИКА ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ В БИОЛОГИЧЕСКОМ ОБЪЕКТЕ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к медицинской технике, в частности, к медицинским приборам для радионуклидной диагностики, предназначенным для локального определения областей накопления радиофармпрепарата (далее - РФП) в биологическом объекте.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Радионуклидная диагностика - радиометрия внешнего излучения, исходящего из сконцентрированных областей биологического организма после введения РФП.
Основные диагностические свойства РФП определяются, с одной стороны, радионуклидом, а с другой - химическим соединением и его поведением в организме человека. При выборе радионуклида принимают во внимание следующие факторы: испускаемое радиоактивное излучение, энергия и выход γ-квантов, период полураспада радионуклида, а также возможности и условия получения радионуклида. Оптимальный предел энергии гамма-излучения (Еγ) - 100-200 кэВ. При более низких значениях энергии гамма-излучения увеличивается ее поглощение в тканях. С увеличением значения энергии гамма-излучения снижается эффективность детекторов и усложняется техника коллимации. Максимально подходящий радионуклид обладает следующими характеристиками: одна линия гамма-квантов с энергией от 100 кэВ до 200 кэВ, высокий выход линии гамма-квантов, небольшая внутренняя конверсия.
Диагностические приборы, применяемые в радионуклидной диагностике, состоят из детектора, анализирующего и преобразующего блока и запоминающего устройства. Особым типом таких приборов являются компактные гамма-локаторы, или гамма-пробники (англ. gamma-probe), предназначенные для локального определения областей накопления радиофармпрепарата (РФП) в организме.
Известен хирургический гамма-зонд, где в качестве сцинтиллятора используется Т1 Br кристалл (da Costa, F.E., Nuclear Science Symposium Conference Record, 2005 IEEE, 2890-2894 pages). Недостатками данного гамма-зонда являются необходимость применения хирургического вмешательства, недостаточная точность локализации радионуклида, чувствительность к магнитным полям, недостаточная помехоустойчивость к шумам фотоумножителя, низкий световыход сцинтилляционного кристалла относительно кристаллов на основе La (лантана), Br (брома), Lu (лютеция) и других их возможных соединений и наличие зависимости скорости счета импульсов от температуры кристалла.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения (RU 144697 U1, опубл. 27.08.2014, А61В 6/00).
Недостатками наиболее близкого аналога являются: 1) наличие усилителя на выходе из детектирующей части прибора, что ведет к нестабильности аналогового сигнала и высокой вероятности наведения паразитного сигнала на входе в компаратор;2) наличие цифро-аналогового преобразователя, замедляющего обработку сигнала отклика электроники при загрузках порядка нескольких миллионов событий в секунду, что приводит к невозможности работы прибора по стандарту NEMA NU3-2004 (журнал «NMC», November 2009, volume 30-lssue 11 854-861 pages). Недостаточная защита от рассеянного излучения и фоновой активности окружающей среды детектирующей части с боковых сторон приводит к ухудшению чувствительности детектирующей части и зависимости скорости счета импульсов от температуры. Отсутствие системы контроля напряжения питания на радиоэлектронных компонентах платы ведет к неконтролируемой потере качества аналогового сигнала с детектирующей части.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задача, на достижение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение стабильности и надежности работы гамма-зонда для регистрации и локализации источника ионизирующего излучения в биологическом объекте.
Технический результат настоящей полезной модели заключается в повышении качества сигнала детекторной части одновременно с уменьшением уровня шумов фотоэлектронного умножителя.
Технический результат достигается тем, что согласно настоящей полезной модели гамма-зонд для регистрации и локализации источника ионизирующего излучения в биологическом объекте, включает в себя расположенные в корпусе источник питания, детекторный модуль, помещенный в коллиматор, и блок электроники, при этом блок электроники содержит: компаратор, контроллер, блоки индикации, блок температурного контроля детекторного модуля, блок контроля питания и блок включения, причем компаратор выполнен с изменяемым порогом срабатывания на сигнал с детекторного модуля, контроллер выполнен с возможностью обработки и анализа аналогового сигнала, полученного от компаратора, и вывода полученной информации на блоки индикации, также контроллер выполнен с возможностью управления блоками индикации, управления блоком температурного контроля детекторного модуля, блоком контроля питания и блоком включения, источник питания соединен с блоком включения, содержащим преобразователь высокого напряжения, питающий посредством схемы подачи напряжения смещения на детекторный модуль детекторный модуль, и преобразователь низкого напряжения, питающий компаратор, контроллер, блок индикации, блок температурного контроля детекторного модуля, блок контроля питания и блок включения.
Кроме того, детекторный модуль гамма-зонда может быть сменным.
Кроме того, детекторный модуль гамма-зонда может представлять собой полупроводниковый кристалл.
Кроме того, детекторный модуль гамма-зонда может представлять собой матрицу полупроводниковых кристаллов.
Кроме того, детекторный модуль гамма-зонда может представлять собой сцинтилляционный кристалл, соединенный с фотоэлектронным умножителем.
Кроме того, детекторный модуль гамма-зонда может представлять собой матрицу сцинтилляционных кристаллов, соединенных с матрицей фотоэлектронных умножителей.
Кроме того, детекторный модуль гамма-зонда может быть выполнен монолитным в виде герметичного светонепроницаемого контейнера с диффузно-отражающим покрытием.
Кроме того, сцинтилляционные кристаллы могут быть выполнены на основе La (лантана), Br (брома), Lu (лютеция) и других их возможных соединений.
Кроме того, фотоэлектронный умножитель может быть кремниевым фотоумножителем.
Кроме того, блок включения гамма-зонда может представлять собой: механический переключатель.
Кроме того, блок включения гамма-зонда может представлять собой сенсорный переключатель.
Кроме того, блок включения гамма-зонда может представлять собой герконовый датчик.
Кроме того, блоки индикации гамма-зонда могут включать в себя дисплей, звуковой индикатор, световой индикатор.
Кроме того, коллиматор может быть выполнен из свинца и/или вольфрама и на основе соединений из вольфрама.
Кроме того, коллиматор может быть выполнен в виде системы антисовпадения основного и вторичных сигналов по меньшей мере с одной пары дополнительного сцинтилляционного кристалла и фотоэлектронного умножителя.
Совокупность существенных признаков полезной модели позволяет работать с неискаженным аналоговым сигналом, тем самым обеспечивая стабильность функционирования электроники гамма-зонда. Стабильность достигается путем отсутствия возбуждения и самогенерации сигнала с детекторного модуля, что уменьшает уровень электронных шумов. Кроме того, исключение из технического решения цифро-аналогового преобразователя позволяет существенно упростить схему электроники и уменьшить габариты платы гамма-зонда.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.
На фиг. 1 представлена общая блок-схема устройства.
На фиг. 2 и фиг. 3 отражены измеренные для спектрометрических характеристик детектора спектры источников Cs-137 (662 кэВ) и Am-241 (60 кэВ) соответственно
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ.
Пример конкретной реализации предлагаемого устройства в общем виде представлен на фиг. 1. Изображенный на фиг. 1 гамма-зонд содержит коллиматор 1, детекторный модуль 2 и источник питания 8, при этом блок электроники включает в себя компаратор 3, контроллер 4, блоки индикации 5, блок температурного контроля детекторного модуля (не указан), блок контроля питания 7 и блок включения 9. Блок включения 9 соединен с источником питания 8, который подключен к каждому элементу системы через шину SPI 6 (англ. Serial Peripheral Interface, SPI bus - последовательный периферийный интерфейс).
Блок электроники гамма-зонда выполнен в виде компактной многослойной печатной платы, на которой размещены все электронные компоненты. Схема предусматривает возможность монтирования.
Источник питания для всех компонент устройства выполнен в виде Lion - батареи емкостью ~500 мАч (может варьироваться при использовании других емкостей).
Напряжение на выходе аккумулятора U(norm) в зависимости от степени зарядки может варьироваться от 3.7 до 4.5 В. При включении устройства ток аккумулятора подается на преобразователь низкого напряжения. Слои платы запитаны напряжением номиналом в 5 В. Данная модель преобразователя имеет встроенный компаратор, который блокирует подачу питания на компоненты блока электроники при падении напряжения на аккумуляторе до значения U (min) ~ 3 В.
Процесс контроля заряда осуществляется блоком контроля питания 7, который контролирует процесс зарядки и осуществляет управление светодиодной системой индикации разряда. При падении напряжения на источнике питания (аккумуляторе) до величины 3.6 В загорается красный светодиод, сигнализирующий о необходимости подключения зарядного устройства. Контроллер работает корректно при U (norm) и имеет потери по входному сигналу при работе при напряжении питания U (min). Он соединен параллельно с блоком контроля питания 7.
Подача рабочего напряжения на детекторный модуль осуществляется за счет наличия второго преобразователя напряжений - преобразователя высокого напряжения. Напряжение смещения, подаваемого на детекторный модуль, может изменяться посредством управляющих сигналов с контроллера.
Наличие возможности изменения напряжения смещения, подаваемого на детекторный модуль, позволяет компенсировать выходное напряжение в зависимости от температуры детекторного модуля, измеряемой блоком температурного контроля.
Кроме того, контроллер осуществляет управление световой, дисплейной и звуковой индикацией. Контроллер также осуществляет процесс счета импульсов за заданное количество времени. Количество зарегистрированных частиц за единицу времени выводится на сегментный цифровой индикатор. Звуковой индикация реагирует на каждый отдельный импульс характерным единовременным сигналом. Световая индикация представлена световым трехцветным (RGB) светодиодом, при этом контроллер осуществляет управление указанной индикацией на основе интенсивности регистрируемого излучения. При интенсивности падающего излучения ~10 имп/с светодиод горит синим цветом, т.е. контроллер подает электрический сигнал на один конкретный контакт RGB - светодиода. Такая система реализована для нескольких диапазонов частот импульсов. При частоте импульсов менее 500, но более 10 частиц/сек светодиод горит зеленым цветом, от 500 до 1000 - желтым, более 1000 - красным (может варьироваться для определенных настроек кода контроллера).
Излучение, испускаемое радиоактивным изотопом, входящим в состав РФП, можно зарегистрировать при помощи гамма-зонда: скорость счета гамма-квантов будет максимальной в точке расположения опухоли. Таким образом, можно диагностировать опухоль и ее местоположение в биологическом объекте, которое определяется как область повышенной концентрации РФП.
Источник ионизирующего излучения располагается напротив детекторного модуля 2, помещенного в коллиматор 1. Процесс регистрации гамма - излучения, испускаемого РФП, происходит следующим образом. Пройдя через слой биологических тканей гамма-квант попадает в детекторный модуль, где взаимодействует с рабочим веществом детекторного модуля - сцинтиллятором (в одном из вариантов осуществления). Гамма-кванты конвертируют свою энергию в энергию электронов ионизованных атомов в сцинтилляторе. Выбитые с атомных оболочек электроны, продолжая двигаться в веществе, возбуждают атомы сцинтиллятора. Процесс снятия возбуждения происходит путем «сброса» лишней энергии в виде фотонов видимого света. Волновой пакет фотонов, попадая на фотоприемник - кремниевый фотоумножитель (Si ФЭУ) (в одном из вариантов осуществления), рождает самогасящийся гейгеровский разряд и развитие электронной лавины, которая на выходе детектора дает кратковременный электрический импульс (аналоговый сигнал).
Далее аналоговый сигнал с детекторного модуля подается на компаратор с изменяемым порогом срабатывания. На выходе компаратора информация в аналоговом формате подается на контроллер, в котором сигнал с высокой скоростью обрабатывается и кодируется RISC-процессором с симметричной системой команд Гарвардской архитектуры.
Отсутствие аналогового усилителя позволяет работать с неискаженным аналоговым сигналом, обеспечивая стабильность работы электроники, а именно - отсутствует возбуждение и самогенерация сигнала из детекторного модуля, что уменьшает уровень электронных шумов. Кроме того, работа с неискаженным аналоговым сигналом позволяет предотвратить потери сигнала и увеличить эффективность его использования.
После анализа сигнала контроллером цифровой сигнал отображает коррелированные значения регистрации импульсов посредством всех блоков индикации 5, параллельно обеспечивается контроль работы электронной платы с помощью блока контроля питания 7.
Выполнение детекторной части монолитной существенно увеличивает эффективность регистрации ядерного излучения, так как создаются условия для отсутствия оптической связи между ячейками фотоэлектронного умножителя в связи с тем, что сцинтилляционный кристалл приклеен к пикселям МРРС (англ. multi-pixel photon counter).
Монолитная детектирующая часть выполнена в виде герметичного светонепроницаемого контейнера с диффузно-отражающим покрытием, содержит:
- либо, серию сцинтилляционных кристаллов LaBr3:Се, CeBr3, LaCl3:Се (различные конфигурации церия - Се и производных лантана - La и/или брома - Br) и приклеенную к ним микроячеистого кремниевого фотодетектора Si-ФЭУ.
- либо, матрицу полупроводниковых кристаллов.
- либо, сцинтилляционный кристалл, соединенный с фотоэлектронным умножителем.
В описанных вариантах осуществления для выделения узкого конического поля зрения детекторного модуля обеспечена эффективная защита боковых сторон чувствительной части от гамма-излучения. Для гамма-зонда используется коллиматор, который может выполняться из свинца, или вольфрама, или на основе соединений из вольфрама, а блок включения гамма - зонда для локализации источника ионизирующего излучения представляет собой один из: герконовый датчик; механический переключатель; сенсорную поверхность.
Также, в одном из вариантов осуществления может использоваться электронная коллимация. Коллиматор может быть выполнен в виде системы антисовпадения основного и вторичных сигналов по меньшей мере с одной пары дополнительного сцинтилляционного кристалла и фотоэлектронного умножителя.
В варианте осуществления детекторного модуля сменным имеется возможность изменять конструкцию гамма-зонда и его физические параметры в зависимости от поставленных задач и целей.
Для получения спектрометрических характеристик детектора были измерены спектры от стандартных источников гамма-квантов Cs-137 и Am-241, охватывающих весь диапазон энергий гамма-квантов, используемых в радионуклидной диагностике (энергия гамма - квантов от цезия составляет 662 кэВ, америция 20 кэВ и 60 кэВ) (фиг.2, 3). Все измерения проводились при фиксированном рабочем напряжении. Оценено относительное энергетическое разрешение детектора с учетом «пьедестала» электронного нуля электроники.
На фиг. 2 и 3 указаны следующие обозначения: N - счет; Charge, [V*s] - энергетический заряд выраженный в В*с; U, [V] - разность потенциалов на детекторе в В; I, [µА] - темновой ток детектора в микро-Амперах; t, [min] - время набора спектра в минутах; ER, [%] - энергетическое разрешение в %.
Представленное разрешение гамма - зонда по энергиям ионизирующего излучения показывает возможность прибора работать в диапазоне энергий гамма - квантов 20 кэВ до 660 кэВ. Верхний по энергии предел регистрации по энергии определяется свойствами детектирующей части и геометрией детектора, которая позволяет расширить энергетический диапазон до ~1 МэВ.
Гамма-зонд обладает высокой эффективностью регистрации ионизирующего излучения количества импульсов отсчета на МБк (англ. "Sensitivity, [cps/MBq]") по пространственному в мм (англ. "Spatial Resolution, [mm]"PR)) и угловому разрешению в градусах (агнл. "Spatial selectivity, [deg]" - PS)). Расстояние от детектирующего модуля гамма-зонда до ионизирующего радиоактивного источника в мм "L, [mm]", при L(воздух)=30 мм 191/185 cps/MBq (PR/PS), L(вода)=30 мм 112/118 cps/MBq (PR/PS); L(воздух)=50 мм 93/94 cps/MBq (PR/PS), L(вода)=50 мм 47/48 cps/MBq (PR/PS). Приведенные значения, могут варьироваться в зависимости от использования различных видов коллиматоров.
Таким образом, разработанный гамма-зонд позволяет неинвазивно диагностировать злокачественные образования с помощью использования РФП, проникающих в клетки опухоли, и может быть использован при интраоперационном поиске и верификации аденомы паращитовидной железы, поиске микроисточников для брахитерапии в операционном поле или при экстраорганной их локализации, при интраоперационном определении локализации и размеров опухолей различных модификаций.
Вышеприведенное описание поясняет и никоим образом не ограничивает настоящее техническое решение. Хотя настоящая полезная модель описана со ссылкой на примерный вариант осуществления, следует понимать, что пояснения, использованные в данном документе, являются иллюстрационными, а не ограничивающими. Изменения могут быть сделаны в пределах компетенции прилагаемой формулы изобретения. Хотя настоящая полезная модель описана в данном документе со ссылкой на конкретные средства, материалы и варианты осуществления, настоящее техническое решение не ограничивается частностями, раскрытыми в данном документе; скорее, настоящее техническое решение распространяется на все функционально эквивалентные структуры, способы и применения, находящиеся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.