ПРОТРАВЛЕННЫЕ ЛАЗЕРОМ СЦИНТИЛЛИРУЮЩИЕ КРИСТАЛЛЫ ДЛЯ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
LASER ETCHED SCINTILLATOR CRYSTALS FOR INCREASED PERFORMANCE

Изобретение находит конкретное применение в системах формирования изображений позитронно-эмиссионной томографии (PET). Однако понятно, что описанная технология может также найти применение в однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT) и других диагностических системах, других системах формирования изображений или других технологиях формирования изображения.
PET, SPECT и другие технологии формирования медицинских изображений на основе излучения разделяют общую необходимость в компактных и надежных модулях датчиков излучения. В прошлом, SPECT- и PET-модули датчиков излучения типично включали в себя матрицу фотоэлектронных умножителей (PMT), оптически соединенную с сцинтиллирующими кристаллами с помощью промежуточного светонаправляющего слоя. Сцинтиллирующий кристалл преобразует частицу поглощенного излучения в световую вспышку, которая обнаруживается и локализуется посредством фотоэлектронных умножителей с помощью логики Энгера. В некоторых системах обнаружения излучения фотоэлектронные умножители были заменены фотодиодами, которые создают аналоговый сигнал, пропорциональный интенсивности световых вспышек. Фотодиоды предлагают экономичную, низковольтную альтернативу фотоэлектронным умножителям в ситуациях повышенной яркости. Были разработаны датчики с кремниевыми фотоумножителями (SiPM), которые объединяют высокий коэффициент усиления и стабильность фотоэлектронных умножителей с экономичной, низковольтной природой аналоговых фотодиодов.
PET-системы настоящего времени построены из матриц LYSO (лютеций-иттриевых окси-ортосиликатных) кристаллов, покрытых отдельно политетрафторэтиленовой (PTFE) лентой, чтобы отражать свет обратно в кристалл и предотвращать оптические потери и перекрестные искажения между кристаллами.
Увеличение светового выхода сцинтиллирующих кристаллов было испытано с помощью различных обработок поверхности. Травление кристалла кислотой было испытано с плохими результатами. Шлифовка кристаллов увеличивает световой выход. Однако, трудно управлять фактической шероховатостью кристаллов, поскольку абразив изменяется со временем, так как все больше и больше кристаллов шлифуются с помощью одного и того же абразива или суспензии. LYSO является твердым по сравнению с некоторыми шлифовальными зернами. Шлифовка только одной стороны является затруднительной, поскольку машины, используемые для шлифовки кристаллов, типично шлифуют две противоположные стороны одновременно. Шлифовка ухудшает время-пролетную (TOF) синхронизацию кристаллов. Шлифовка устраняет избыточный материал с кристаллов и уменьшает чувствительность кристаллов. Существует необходимость увеличивать световой выход, в то же время поддерживая синхронизацию.
В соответствии с одним вариантом осуществления детекторная матрица для системы формирования изображений включает в себя: матрицу сцинтиллирующих кристаллов, при этом каждый кристалл включает в себя множество сторон и протравляется лазером, по меньшей мере, на одной стороне кристалла, чтобы рассеивать свет, и матрицу фотодатчиков, оптически связанную с матрицей сцинтиллирующих кристаллов.
В соответствии с одним предпочтительным способом настоящей заявки способ содержит: лазерное травление, по меньшей мере, одной стороны каждого из множества отполированных сцинтиллирующих кристаллов; размещение сцинтиллирующих кристаллов в матрице; и оптическое связывание множества фотодатчиков с множеством сцинтиллирующих кристаллов.
В соответствии с другим вариантом осуществления ядерный сканер содержит: множество сцинтиллирующих кристаллов, связанных с множеством фотодатчиков, сцинтиллирующие кристаллы имеют, по меньшей мере, одну поверхность со структурированной маркировкой, чтобы рассеивать свет; процессор восстановления для восстановления выходных сигналов от множества фотодатчиков в изображение; и пользовательский интерфейс для отображения информации пользователю.
Одним преимуществом настоящей заявки является то, что не существует потери материала при использовании процесса лазерного травления.
Другим преимуществом настоящей заявки является то, что световой выход увеличивается.
Другим преимуществом настоящей заявки является то, что времяпролетная синхронизация поддерживается.
Одним дополнительным преимуществом является то, что процесс лазерного травления предоставляет возможность травления множества паттернов, которые должны быть вытравлены в сцинтиллирующем кристалле.
Другие преимущества станут очевидны обычным специалистам в области техники по прочтении и понимании последующего описания.
Чертежи представлены только в иллюстративных целях и не должны истолковываться как ограничивающие формулу изобретения.
Фиг. 1 изображает систему формирования изображений с протравленными сцинтиллирующими кристаллами.
Фиг. 2 изображает трехмерный вид сцинтиллирующего кристалла с одной стороной, протравленной с прогрессирующим паттерном.
Фиг. 3 изображает наглядное сравнение временных разрешений для протравленного сцинтиллирующего кристалла (слева) и непротравленного сцинтиллирующего кристалла (справа).
Фиг. 4 изображает наглядное сравнение энергетических разрешений для протравленного сцинтиллирующего кристалла (слева) и непротравленного сцинтиллирующего кристалла (справа).
Фиг. 5 изображает паттерн в виде сетки, вытравленный в сцинтиллирующем кристалле.
Фиг. 6 изображает диагональный паттерн, вытравленный в сцинтиллирующем кристалле.
Фиг. 7 изображает паттерн в виде сот, вытравленный в сцинтиллирующем кристалле.
Фиг. 8 изображает градиентный паттерн, вытравленный в сцинтиллирующем кристалле.
Фиг. 9 изображает способ построения детекторной матрицы с протравленными лазером кристаллами.
Настоящая заявка предоставляет систему и устройство для протравленных лазером сцинтиллирующих кристаллов. Когда все стороны сцинтиллирующего кристалла являются зеркально отражающими, свет может задерживаться, отражаться взад и вперед или между боковыми стенками и не выходить из сцинтиллятора или выходить постепенно в течение протяженного периода времени, например, как импульс относительно низкой амплитуды длительной продолжительности. Например, свет может стать задержанным в получающейся в результате структуре отражателя при применении зеркальных отражателей с прямоугольными кристаллами. В таких случаях, только доля фотонов, сформированных в кристалле, пропускается в датчик, который оптически соединен с нижней поверхностью сцинтиллятора, которая не покрыта отражателем. Основная часть света может "бесконечно" отражаться по спиральным траекториям между другими пятью из шести поверхностей кристалла вследствие полного отражения внутри кристалла (n=1,82). Предмет изобретения преодолевает вышеупомянутые проблемы посредством травления паттерна на одной или более поверхностях сцинтиллирующего кристалла, использованного в матрице сцинтиллирующих кристаллов PET-датчика.
Фиг. 1 иллюстрирует систему 2 формирования изображений. Система 2 формирования изображений включает в себя датчик 4 для сканирования пациента с помощью одного из PET, SPECT, многомодальной технологии и т.п. Сканер 4 включает в себя датчик 6, чтобы обнаруживать события излучения для формирования изображения пациента. Система 2 формирования изображений включает в себя процессор 8 восстановления, чтобы восстанавливать события формирования изображений от датчика 6 в изображения пациента. Восстановленные изображения отображаются пользователю с помощью пользовательского интерфейса 10 системы 2 формирования изображения. Датчик 6 включает в себя сцинтиллирующий кристалл 12, который имеет вытравленный лазером, определенный пользователем паттерн 14.
Сцинтиллирующий кристалл 12 протравливается с помощью лазера, который создает последовательности микротрещин непосредственно под поверхностью и/или на поверхности кристалла 12. Микротрещины от лазера способны рассеивать свет обратно в кристалл под углами рассеяния, когда свет пытается выйти из кристалла через одну сторону. В одном варианте осуществления кристалл 12 протравливается с помощью технологии подповерхностной лазерной гравировки, когда лазер фокусируется под поверхностью кристалла, чтобы создавать микротрещины под поверхностью кристалла.
Каждый сцинтиллирующий кристалл 12 покрывается диффузионным отражающим слоем 16, таким как PTFE. Необязательно, внешний слой из блокирующего свет материала, такого как гладкая металлическая фольга, может окружать PTFE-слой. Отдельные протравленные кристаллы оптически связываются с отдельными фотодатчиками 18, такими как фотодиод, лавинные фотодиоды (APD), кремниевые фотоумножители (SiPM), фотоэлектронные умножители и т.п. Комбинация кристалла 12 и фотодатчика размещается в матричных комбинациях кристалл/фотодатчик. Фотодатчики 18 могут быть связаны 1-к-1 с сцинтилляторами; а также множество-к-1, 1-к-множеству и множество-к-множеству. Матрица регистрирует события сцинтилляции в кристаллах и передает данные события сцинтилляции модулю датчика для дальнейшей передачи процессору 8 восстановления для хранения и восстановления в изображение пациента. В одном варианте осуществления сцинтиллирующий кристалл 12 оптически связывается с фотодатчиком 18 через световод 20.
Когда излучение, такое как гамма-фотон, входит в сцинтиллирующий кристалл, оно взаимодействует с оболочкой кристалла и либо внутренне отражается, либо выходит через боковые стенки кристалла. Травление паттерна на одной или более поверхностях (например, верхней, нижней или боковой) уменьшает захват оптических фотонов между противоположными отражающими структурами. В то время как световой выход из сцинтиллирующих кристаллов с окружающими отражателями сильно уменьшается с увеличением длины кристалла, травление одной боковой поверхности увеличивает световой выход из длинных (например, имеющих соотношение сторон приблизительно 1,5:1 или более, 2,5:1 или более, 3,5:1 или более и т.д.) кристаллов вплоть до значения, достижимого с гораздо более короткими кристаллами. Более длинные кристаллы имеют большую способность прекращения излучения и являются особенно полезными для больших энергий, таких как применяемые в PET.
Зеркальный отражатель 16, в одном варианте осуществления, включает в себя множество слоев, например, 40-100 слоев в одном варианте осуществления, из очень тонких полимерных материалов с различными коэффициентами преломления. При работе, например, с LYSO-кристаллами, которые имеют пиковый световой выход при 430 нм, зеркальный отражатель оптимизируется, чтобы отражать свет в диапазоне 400-550 нм. В других вариантах осуществления зеркальный отражатель оптимизируется, чтобы отражать свет в диапазоне, который охватывает пиковый световой выход конкретного применяемого кристалла.
В одном варианте осуществления зеркальный отражатель имеет высокую отражающую способность, зеркальноподобную оптическую улучшающую пленку, нанесенную вокруг кристалла 12. В другом варианте осуществления зеркальный отражатель включает в себя множество чередующихся слоев из различных материалов, каждый из различных материалов имеет различный угол отражения. В другом варианте осуществления слой отражателя оптимизирует коэффициент преломления границы раздела кристалл/отражатель, чтобы максимизировать полное внутреннее отражение в кристалле.
В варианте осуществления на фиг. 2, прогрессирующий паттерн 30 вытравливается на одной стороне сцинтиллирующего кристалла 12. Прогрессирующий паттерн 30 показывает протравленные лазером части как затемненные области, а светлые части кристалла остаются в отполированном состоянии аналогично другим поверхностям. Прогрессирующий паттерн 30 не может быть легко выполнен посредством шлифовки или других способов и процессов, так как значительные фрагменты стороны кристалла 12 остаются нетронутыми.
Что касается фиг. 3, представляются графики, которые изображают световой выход в зависимости от времени. Представляется наглядное сравнение графиков временного разрешения для кристалла с протравленным прогрессирующим паттерном (слева) в сравнении с непротравленным полированным кристаллом (справа). Из графиков может быть видно, что кристалл с протравленным прогрессирующим паттерном обеспечивает улучшенное временное разрешение по сравнению с отполированными кристаллами. Более узкий импульс слева отражает 3-пикасекундное улучшение синхронизации по сравнению с непротравленными кристаллами (справа).
Что касается фиг. 4, графики изображают энергетическое разрешение большого числа принятых 511 кэВ гамма-фотонов. Представляется наглядное сравнение графиков энергетического разрешения для кристалла со стороной, имеющей прогрессирующий паттерн (слева), в сравнении с непротравленным отполированным кристаллом (справа). Из более узкого пика может быть видно, что кристалл с протравленным прогрессирующим паттерном (слева) обеспечивает улучшенное энергетическое разрешение по сравнению с отполированными кристаллами (справа). График показывает 40% энергетическое улучшение в сравнении с непротравленными кристаллами (справа).
Различные определенные паттерны могут быть вытравлены в сцинтиллирующем кристалле 12. Пользователь может создавать паттерн с помощью программного обеспечения компьютерного проектирования (CAD). Что касается фиг. 5, показан паттерн в виде сетки, где затемненные области означают протравленные части поверхности 14 кристалла. Что касается фиг. 6, показан чередующийся диагональный паттерн, где протравленные диагональные линии чередуются с непротравленными линиями отполированного кристалла. Что касается фиг. 7, показан паттерн в виде сот. Что касается фиг. 8, показан градиентный паттерн, где интенсивность травления постепенно уменьшается от одного края к другому. Лазер способен изменять интенсивности и скорость развертки или время выдержки лазерного луча, которые влияют на количество света, который диффузно отражается посредством протравленной стороны. Принимается во внимание, что гораздо больше паттернов может быть спроектировано с помощью CAD-программы и вытравлено на сцинтиллирующем кристалле 12.
Сцинтиллирующий кристалл 12 включает в себя верхнюю, нижнюю и четыре боковых стороны. Одна или более сторон сцинтиллирующего кристалла 12 протравливаются с паттерном посредством лазера. Система лазерного травления включает в себя контроллер для управления лазером и снабжает энергией лазер, чтобы протравливать материал. Лазер, используемый для лазерного травления кристалла, выбирается и регулируется так, что мощность лазера создает микротрещины в кристалле без разрушения кристалла, который должен быть протравлен. Лазер обеспечивает значительное управление относительно процесса лазерного травления. Паттерн 14 выполняется лазером посредством использования программы проектирования. Пользователь указывает паттерн, который должен быть вытравлен лазером на кристалле, с помощью программы проектирования, такой как CorelDraw™ и т.п. Программа создает файл для паттерна и выгружает его в контроллер лазерной системы. Лазерная система использует файл и протравливает паттерн на кристалле с помощью лазерного луча. Скорость, выходная мощность и частота лазера могут быть определены пользователем, что предлагает более значительное управление относительно изменения в обработке поверхности, что влияет на количество света, рассеиваемого обратно в кристалл. Это обеспечивает значительное управление над процессом, которого не имеет шлифовка. Будет понятно, что протравленная поверхность не ограничивается боковой поверхностью, и вместо этого может быть верхней или нижней поверхностью.
В одном варианте осуществления сцинтиллирующий кристалл является лютеций-иттриевым окси-ортосиликатом (LYSO). Другие сцинтилляторы, такие как лютеций окси-ортосиликат (LSO), лютеций-гадолиний окси-ортосиликат (LGSO), лютеций-гадолиний-иттрий окси-оротсиликат (LGYSO) или т.п., также рассматриваются. Менее плотный сцинтиллятор, такой как бромид лантана (LaBr) или более высокоплотный сцинтиллятор, такой как сцинтиллятор из германата висмута (BGO), также могут быть применены.
Протравленный кристалл 12 применяется в матрице аналогичных кристаллов, например, в датчике функционального сканера. В целом, длина кристалла является функцией энергии торможения сцинтиллирующего материала. Например, при использовании LYSO-сцинтиллирующего материала для PET могут быть применены кристаллы длиной 10-25 мм. Когда используется LaBr-сцинтиллирующий материал, могут быть использованы кристаллы 20-35 мм. В другом примере, кристаллы длиной 5-20 мм применяются, когда используется BGO-сцинтиллирующий материал. Будет понятно, что предшествующие примеры длин кристаллов являются иллюстративными по природе, и предназначены, чтобы иллюстрировать, что, когда энергия торможения сцинтиллятора увеличивается, длина кристалла может быть уменьшена.
В одном варианте осуществления кристаллы гладко полируются и затем протравливаются с одной стороны. В другом варианте осуществления кристаллы гладко отполированы и размещены в матрице. После размещения в матрице верхние поверхности или нижние поверхности всех кристаллов могут быть протравлены. Например, фрагменты одного или более иллюстрированных паттернов лазерного травления могут быть распределены по двум или более сторонам кристалла.
В другом варианте осуществления PET-сканер является времяпролетным (TOF) PET-сканером. TOF PET-формирование изображений пользуется преимуществом небольшой временной разницы между приемом гамма-фотонов от события общей аннигиляции посредством пары элементов датчиков, чтобы дополнительно локализовать событие аннигиляции позитронно-электронной пары по линии ответа (LOR), определенной между принимающими датчиками. В целом, событие аннигиляции происходит вдоль LOR в точке, более близкой к событию обнаружения гамма-луча, которое произошло первым. Если два события обнаружения гамма-луча происходят одновременно в пределах временной разрешающей способности датчиков, тогда событие аннигиляции наиболее вероятно произошло в средней точке проекции. Протравленные лазером кристаллы, в противоположность отшлифованным кристаллам, увеличивают световой выход без ухудшения TOF-синхронизации, важной для TOF PET-сканера.
В другом варианте осуществления функциональный сканер является сканером однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT). В SPECT-формировании изображений один или более радиофармацевтических препаратов или радиоизотопов вводится в изображаемый объект, так что радиационное излучение испускается от него, как обсуждалось выше. Детекторные головки, установленные на вращающуюся раму, вращаются вокруг объекта, чтобы обнаруживать излучение со множества направлений, каждое направление определяется коллиматором, который соединен с детекторной головкой. Детекторные головки могут вращаться вокруг изображаемого объекта в круговом вращении, выполняя сканирования во множественных дискретных или непрерывных местоположениях в ходе вращения. Альтернативно, детекторные головки могут вращаться по меньшей дуге или выполнять несколько вращений вокруг объекта. Данные излучения, данные проекции или измеренная синограмма, полученные посредством детекторных головок, восстанавливаются, чтобы формировать SPECT-изображение.
Технологии восстановления, применяемые для восстановления данных излучения, могут включать в себя без ограничения итеративное восстановление, восстановление на основе преобразования Фурье, отфильтрованное восстановление проекции или некоторую другую подходящую технологию восстановления.
В другом варианте осуществления функциональный сканер (SPECT, PET, их варианты и т.д.) включен в устройство мультимодального сканера, такое как прибор для проведения магнитно-резонансной томографии (MR), сканер компьютерной томографии (CT) или т.п.
Дополнительно, будет понятно, что датчики сканера (PET, SPECT и т.д.), в которых применяются сцинтиллирующие кристаллы, являются твердотельными датчиками, в соответствии с одним или более вариантами осуществления, описанными в данном документе.
Что касается фиг. 9, изображается способ конструирования детекторной матрицы с протравленными лазером кристаллами. На этапе 102 одна сторона полированных сцинтиллирующих кристаллов протравливается лазером с выбранным паттерном. На этапе 104 материал отражателя наносится вокруг каждого кристалла, чтобы дополнительно отражать свет в кристалл и препятствовать перекрестным помехам между кристаллами. На этапе 106 конструируется матрица сцинтиллирующих кристаллов. На этапе 108 каждый кристалл оптически связывается с фотодатчиком. На этапе 110 связанная матрица устанавливается в модуль датчика для использования в системе формирования изображений.
При использовании системы в PET-диагностическом обследовании, пациент размещается в сканере, и ему вводится радиофармацевтический препарат на этапе 112. Когда частица радиоизотопа радиофармацевтического препарата распадается, она вызывает излучение пары 511 кэВ гамма-лучей в диаметрально противоположных направлениях на этапе 114. Гамма-лучи взаимодействуют с соответствующим сцинтиллирующим кристаллом и создают сцинтилляцию или световую вспышку, характеристической энергии на этапе 116. На этапе 118 свет от каждого сцинтиллирующего кристалла движется через соответствующий сцинтиллирующий кристалл. На этапе 120 фотоны в сцинтиллирующем кристалле, частично, диффундируют и рассеиваются посредством лазерных травлений, частично, одновременно отражаются от полированных поверхностей. Свет, который покидает сцинтиллирующий кристалл, диффузно отражается посредством слоя 16 диффузного отражателя и/или отражается посредством зеркального отражателя, окружающего слой диффузного отражателя на этапе 122. На этапе 124 свет, который преломляется, отражается или проходит непосредственно в световод 20, преобразуется посредством фотодатчика в электронный импульс посредством фотодатчика 18. Электронные импульсы маркируются по времени, и временные метки сравниваются, чтобы находить совпадающие пары, которые определяют LOR на этапе 126. Процессор 8 восстановления восстанавливает LOR в диагностическое PET-изображение на этапе 128.
Хотя система и способ настоящего изобретения были описаны со ссылкой на примерные варианты их осуществления, настоящее изобретение не ограничивается такими примерными вариантами осуществления. Скорее, система и способ, раскрытые в данном документе, допускают множество модификаций, улучшений и/или вариаций, без отступления от своего духа и рамок. Соответственно, настоящее изобретение осуществляет и охватывает такие модификации, улучшения и/или вариации в рамках формулы изобретения, приложенной к нему.