СКАНЕР ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННОЙ ТОМОГРАФИИ И МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СО СПОСОБНОСТЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ПОЛЕТА
POSITRON EMISSION TOMOGRAPHY AND MAGNETIC RESONANCE IMAGING SCANNER CAPABLE OF DETERMINING TIME OF FLIGHT

Настоящее изобретение относится к области формирования изображений. В частности, оно применимо в формировании изображений в сфере медицины, используя комбинацию позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и магнитно-резонансной визуализации (МРВ).
Магнитно-резонансная визуализация (МРВ) комбинирует магнитные поля большой мощности, градиенты магнитного поля и радиочастотные возбуждающие импульсы, чтобы генерировать и пространственно кодировать магнитные резонансы в теле пациента или в ином объекте, изображение которого требуется получить. Магнитные резонансы обрабатываются посредством преобразования Фурье или иным процессом реконструкции, чтобы декодировать пространственное кодирование и создать реконструированное изображение объекта.
В позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) излучающие позитроны радиофармацевтические препараты вводятся в организм пациента или в иной объект, изображение которого требуется получить. Каждая аннигиляция позитронов производит два направленных в противоположные стороны гамма-луча с энергией 511 кэВ. Эти два гамма-луча детектируются посредством радиационных детекторов, окружающих изображаемый объект, посредством чего определяется линия откликов. Множество подобных событий аннигиляций позитронов определяют данные линии откликов типа проекции, которые могут быть реконструированы путем восстановления изображения по проекциям с фильтрацией, итеративной реконструкции или посредством иного способа реконструкции, чтобы произвести реконструированное изображение.
МРВ, как правило, предоставляет изображения с ярко выраженными морфологическими деталями, включающими контрастное изображение мягких тканей. ПЭТ, как правило, используется для формирования функциональных изображений. Ранее было обнаружено, что МРВ и ПЭТ имеют синергетические преимущества. Например, морфология, описываемая посредством МРВ, может предоставить контекст для интерпретации функционального изображения ПЭТ. К сожалению, работа МРВ имеет отрицательные воздействия на работу близлежащего сканера ПЭТ. В сканерах ПЭТ обычно используются сцинтилляторы, чтобы преобразовывать гамма-лучи во вспышки света, а также фотоумножители (ФУ), чтобы детектировать события сцинтилляции. Магнитные поля отрицательно воздействуют на фотоумножители, что делает проблематичным прямое включение аппаратной части сканера ПЭТ в среду сильного магнитного поля сканера МРВ. Получение высококачественных изображений ПЭТ в целом представляется сложной задачей. Отношение сигнал/шум, как правило, имеет низкое значение, поскольку радиоактивность радиофармацевтических препаратов ограничена ввиду соображений излучения, которому подвергается пациент. Кроме того, изображения ПЭТ, как правило, содержат визуальный шум, вызываемый процессом реконструкции линии откликов для построения реконструированного изображения. Теплота и вибрации, производимые компонентами магнитно-резонансной системы, могут дополнительно увеличить визуальные шумы в системах ПЭТ, работающих в среде магнитного резонанса.
Разрешение изображений ПЭТ, а также способность скорости счета сканера ПЭТ, могут быть увеличены путем использования большей плотности размещения радиационных детекторов. Однако меньшие детекторы имеют более низкие скорости счета радиации и, соответственно, более высокий уровень шума. Более того, пространство имеет большую ценность в отверстии сканера МРВ, который уже содержит компоненты МР, такие как главный магнит с криогенным охлаждением, ряд градиентных катушек магнитного поля, стальные прокладки и/или катушки прокладок, радиочастотные катушки и т.п.
Ниже приведено описание усовершенствованных устройств и способов, которые устраняют вышеупомянутые и другие недостатки.
Согласно одному аспекту раскрыта система формирования изображения. Сканер магнитно-резонансной визуализации включает в себя, по меньшей мере, главный магнит и градиентные катушки магнитного поля, размещенные в или на корпусе сканера. Сканер магнитно-резонансной визуализации получает пространственно кодированные магнитные резонансы в области формирования изображения. Множество твердотельных радиационных детекторов, размещенных в или на корпусе сканера, скомпонованы так, чтобы детектировать гамма-лучи, излучаемые из области формирования изображения. Обработка позитронно-эмиссионной томографии со способностью определения времени пролета (ПЭТ ВП) сконфигурирована, чтобы детектировать локализованные линии откликов на основании (i) местоположений, по существу, одновременных обнаружений гамма-лучей, выводимых твердотельными радиационными детекторами и (ii) временного интервала между упомянутыми, по существу, одновременными обнаружениями гамма-лучей. Обработка реконструкции позитронно-эмиссионной томографии со способностью определения времени пролета (ПЭТ ВП) сконфигурирована, чтобы реконструировать локализованные линии откликов, чтобы произвести изображение ПЭТ ВП. Обработка реконструкции магнитно-резонансной визуализации (МРВ) сконфигурирована, чтобы реконструировать полученные магнитные резонансы, чтобы произвести изображение МРВ.
Согласно еще одному аспекту раскрыт способ формирования изображения. Пространственно кодированные магнитные резонансы получают из изображаемой области. Детектируют гамма-лучи, излучаемые из области формирования изображения. Локализованные линии откликов определяют на основании (i) местоположений обнаружений, по существу, одновременно детектированных гамма-лучей и (ii) временного интервала между упомянутыми событиями обнаружений упомянутых, по существу, одновременно детектированных гамма-лучей. Локализованные линии откликов реконструируют, чтобы произвести изображение позитронно-эмиссионной томографии со способностью определения времени пролета (ПЭТ ВП). Полученные пространственно кодированные магнитные резонансы реконструируются, чтобы произвести изображение магнитно-резонансной визуализации (МРВ).
Согласно еще одному другому аспекту раскрыта система формирования изображения. Сканер магнитно-резонансной визуализации включает в себя, по меньшей мере, главный магнит и градиентные катушки магнитного поля, размещенные в или на корпусе сканера. Сканер магнитно-резонансной визуализации получает пространственно кодированные магнитные резонансы в области формирования изображения. Множество твердотельных радиационных детекторов, размещенных в или на корпусе сканера, скомпонованы так, чтобы детектировать гамма-лучи, излучаемые из области формирования изображения. Охлаждающая система соединена с возможностью теплопередачи с, по меньшей мере, одним из главного магнита и градиентными катушками магнитного поля, чтобы охлаждать, по меньшей мере, одно из упомянутого главного магнита и упомянутых градиентных катушек магнитного поля, и она дополнительно соединена с возможностью теплопередачи со множеством твердотельных радиационных детекторов, чтобы охлаждать твердотельные радиационные детекторы. Обработка совпадения сконфигурирована, чтобы детектировать линии откликов на основании местоположений, по существу, одновременных обнаружений гамма-лучей, выводимых твердотельными радиационными детекторами. Обработка реконструкции позитронно-эмиссионной томографии сконфигурирована, чтобы реконструировать линии откликов, чтобы произвести изображение ПЭТ. Обработка реконструкции магнитно-резонансной визуализации (МРВ) сконфигурирована, чтобы реконструировать полученные магнитные резонансы, чтобы произвести изображение МРВ.
Одно преимущество заключается в предоставлении данных изображения ПЭТ ВП, полученных с помощью сканера ПЭТ/МР, которые поддаются реконструкции с меньшим шумом.
Еще одно преимущество заключается в предоставлении сканера ПЭТ/МР, генерирующего изображения ПЭТ с высоким разрешением.
Еще одно преимущество заключается в упрощенной конструкции сканера ПЭТ/МР.
Ряд дополнительных преимуществ и эффектов будет очевиден специалистам в данной области после изучения следующего подробного описания.
Изобретение может быть осуществлено с использованием различных компонентов и комбинаций компонентов и различных операций процесса и комбинаций операций процесса. Чертежи приведены только с целью иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и они не должны быть истолкованы как ограничивающие изобретение.
Фиг.1 - схематическая иллюстрация системы ПЭТ ВП/МРВ, в которой применяются твердотельные радиационные детекторы для получения данных ПЭТ;
Фиг.2 - схематическая иллюстрация поперечного сечения одного из твердотельных радиационных детекторов, в котором используется кремниевый фотоумножитель;
Фиг.3 - схематическая иллюстрация вида сверху кремниевых фотоумножителей;
Фиг.4 - иллюстрация эквивалентной схемы, связанной с одним из лавинных фотодиодов одного из пикселей цифрового кремниевого фотоумножителя;
Фиг.5 - иллюстрация твердотельного радиационного детектора с кремниевым фотоумножителем и множеством сцинтилляторов для предоставления информации глубины взаимодействия;
Фиг.6 - иллюстрация твердотельного радиационного детектора со множеством сцинтилляторов и соответствующим множеством кремниевых фотоумножителей для предоставления информации глубины взаимодействия без необходимости использования различных типов сцинтилляторов;
Фиг.7 - иллюстрация сечения концевой части сканера ПЭТ ВП/МРВ, в котором твердотельные радиационные детекторы покрыты кожухом отверстия корпуса;
Фиг.8 - иллюстрация сечения концевой части сканера ПЭТ ВП/МРВ, в котором твердотельные радиационные детекторы расположены в промежутках между спицами катушки типа "клетка" части МР сканера.
Ссылаясь на Фиг.1, комбинированный сканер 10 позитронно-эмиссионной томографии/магнитно-резонансной визуализации (ПЭТ/МРВ) включает в себя общий корпус 12 сканера, определяющий область 14 формирования изображения (указанная фантомом на Фиг.1), в которой располагается пациент или иной объект 16, изображение которого требуется получить. Декоративный кожух 18 отверстия корпуса 12 сканера облицовывает цилиндрическое отверстие или канал корпуса 14, в котором размечается изображаемый объект 16. Главный магнит 20, размещенный в корпусе 12, генерирует в области 14 формирования изображения главное магнитное поле. Как правило, главный магнит 20 представляет собой сверхпроводящий магнит, окруженный криогенным кожухом 24, однако, также может использоваться резистивный магнит. Градиентные катушки 28 магнитного поля расположены в или на корпусе 12, чтобы накладывать выбранные градиенты магнитного поля на главное магнитное поле внутри области 14 формирования изображения. Как правило, градиентные катушки магнитного поля включают в себя катушки для генерации трех ортогональных градиентов магнитного поля, таких как x-градиенты, y-градиенты и z-градиенты. В некоторых вариантах осуществления цельная радиочастотная катушка 30 с радиочастотным экраном 30s расположена в или на корпусе 12, чтобы вводить радиочастотные возбуждающие импульсы в область 14 формирования изображения. В других вариантах осуществления используется одна или более локальных катушек (не показаны), чтобы вводить радиочастотные возбуждающие импульсы.
Во время получения данных МРВ радиочастотный передатчик 32 соединяется в цельной катушкой 30 через радиочастотную схему 34 переключения, как проиллюстрировано, или соединяется с одной или более локальными катушками, чтобы генерировать магнитные резонансы, по меньшей мере, в той части изображаемого объекта 16, которая расположена в области 14 формирования изображения. Контроллер 36 градиентов приводит в действие градиентные катушки 28 магнитного поля, чтобы пространственно кодировать магнитные резонансы. Например, применяемый в течение радиочастотного возбуждения одномерный градиент магнитного поля производит возбуждение, селективное по слоям; градиенты магнитного поля, применяемые между возбуждением и считыванием магнитных резонансов, предоставляют фазовое кодирование; и градиенты магнитного поля, применяемые в течение считывания магнитных резонансов, предоставляют частотное кодирование. Последовательности импульсов МРВ могут быть сконфигурированы, чтобы производить Декартовские, радиальные, спиральные и другие виды пространственного кодирования.
После радиочастотного возбуждения схема 34 переключения разъединяет радиочастотный передатчик 32 и соединяет радиочастотный приемник 40 с цельной катушкой 30 (или, альтернативно, приемник 40 соединяется с локальной катушкой (не показана)), чтобы получить пространственно кодированные магнитные резонансы из области 14 формирования изображения. Полученные пространственно кодированные магнитные резонансы сохраняются в буфере 42 данных МРВ и реконструируются посредством процессора 44 реконструкции МРВ, чтобы произвести реконструированное изображение МРВ, которое сохраняется в памяти 46 изображений МРВ. Процессор 44 реконструкции МРВ использует алгоритм реконструкции, который подходящим образом декодирует пространственно кодированные магнитные резонансы. Например, если используется кодирование по Декартовской системе, то подходит алгоритм реконструкции быстрого преобразования Фурье.
Комбинированный сканер 10 ПЭТ/МРВ, сверх того, способен формировать изображение ПЭТ посредством множества твердотельных радиационных детекторов 50, которые скомпонованы, чтобы детектировать гамма-лучи, излучаемые из области 14 формирования изображения. В варианте осуществления с Фиг.1 радиационные детекторы 50 расположены на кожухе 18 отверстия, однако, радиационные детекторы 50 могут быть расположены в другом месте в сканере 10 (другие примеры размещения радиационных детекторов 50 приведены на Фиг.7 и 8). При формировании изображения ПЭТ излучающий позитроны радиофармацевтический препарат вводится в изображаемый объект 16. Каждый излученный позитрон аннигилирует с электроном, с образованием двух направленных в противоположные стороны гамма-лучей с энергией 511 кэВ, которые детектируются твердотельными радиационными детекторами 50. На Фиг.1 множество твердотельных радиационных детекторов 10 скомпонованы как множество колец детекторов, однако, могут быть использованы другие компоновки радиационных детекторов.
События обнаружения радиации сохраняются в буфере 52 событий, предпочтительно, в режиме перечня. Каждое сохраненное событие обнаружения радиации, как правило, включает в себя значение энергии и временной штамп, указывающий, когда было обнаружено событие радиации. Опционально, выбранная обработка данных выполняется к событиям обнаружения радиации. Например, может быть применена обработка по логике Ангера, чтобы оценить энергию детектированной частицы и чтобы локализовать местоположение события обнаружения радиации на детекторе. Подобная обработка данных по логике Ангера или другая обработка может быть выполнена с помощью схемы, интегрированной в радиационные детекторы 50, или может быть выполнена после переноса сигнала детектора из детекторов 50 (например, в электронные компоненты, связанные с буфером 52 событий).
Схема 54 обнаружения пар гамма-лучей обрабатывает события обнаружения радиации, чтобы идентифицировать пары, по существу, одновременных обнаружений гамма-лучей, исходящих от единых событий аннигиляции электрон-позитрон. Обработка для идентификации пар гамма-лучей, происходящих из одного события аннигиляции позитрон-электрон, может включать в себя, например, выбор диапазона энергии (то есть пренебрежение событий обнаружения радиации вне выбранного диапазона фильтрации энергии примерно 511 кэВ) и схему обнаружения совпадения (то есть пренебрежение пар событий обнаружения радиации, разделенных друг от друга по времени на интервал, который больше выбранного временного интервала фильтрации). Когда пара гамма-лучей идентифицируется как, по существу, одновременная, процессор 58 линии откликов обрабатывает пространственную информацию, относящуюся к двум событиям обнаружения гамма-лучей, чтобы идентифицировать пространственную линию откликов, соединяющую два обнаружения гамма-лучей. Поскольку два гамма-луча, излученные из-за события аннигиляции позитрон-электрон, направлены в противоположных направлениях, известно, что событие аннигиляции электрон-позитрон произошло где-то вдоль линии откликов.
В ПЭТ ВП радиационные детекторы 50 имеют достаточно большую временную разрешающую способность, чтобы детектировать разность времени пролета между двумя "по существу одновременными" обнаружениями гамма-лучей. Соответственно, процессор 60 времени пролета анализирует временную разность между временными штампами двух событий обнаружения гамма-лучей, чтобы локализовать событие аннигиляции позитрон-электрон вдоль линии откликов. Процессор 60 времени пролета локализует линию откликов внутри интервала расстояния, соответствующего примерно произведению скорости света и временной разрешающей способности радиационных детекторов 50. Результатом, накопленным для большого количества событий аннигиляции позитрон-электрон, является набор данных 62 локализованной проекции. Процессор 64 реконструкции ПЭТ ВП реконструирует данные 62 локализованной проекции в реконструированное изображение, используя любой подходящий алгоритм реконструкции, такой как восстановление изображения по проекции с фильтрацией или итеративная реконструкция с коррекцией. Получающееся в результате реконструированное изображение сохраняется в памяти 66 изображений ПЭТ ВП. Поскольку реконструкция использует данные локализованной проекции, которая, по меньшей мере, частично локализована на линии откликов с помощью информации времени пролета, реконструкция, по существу, является менее шумной, чем при обычной реконструкции изображения ПЭТ, которая обрабатывает линии откликов, полностью протягивающиеся между двумя обнаружениями гамма-лучей.
Изображения ПЭТ ВП и изображения МРВ могут быть выровнены, масштабированы и ориентированы, комбинированы, наложены друг на друга, сравнены друг с другом или иным образом интегрированы процессором 70 обработки изображений после реконструкции. Комбинированные, наложенные друг на друга, расположенные рядом друг с другом или иным образом интегрированные изображения ПЭТ ВП и МРВ отображаются на интерфейсе 72 пользователя, распечатываются, сохраняются, передаются через внутреннюю сеть или Интернет или используются иным образом. В некоторых вариантах осуществления процессор 70 обработки изображения после реконструкции использует алгоритм обработки изображения после реконструкции, сконфигурированный, чтобы действовать либо на изображении ПЭТ или изображении МРВ, либо на обоих этих изображениях. В некоторых вариантах осуществления процессоры 44, 64 реконструкции МРВ и ПЭТ ВП выводят реконструированные изображения, используя одинаковый формат изображения, так что процессор 70 обработки изображений после реконструкции может обрабатывать любой тип изображения без выполнения операций преобразования формата изображения.
Необязательно полученные локализованные проекции и полученные пространственно кодированные данные магнитного резонанса снабжаются информацией временного штампа и вводятся в поток общих данных, такой как поток данных "в режиме перечня". Получающиеся в результате реконструированные изображения ПЭТ ВП и МРВ тогда могут быть выровнены по времени. Подобное выравнивание по времени может быть полезно для коррекции динамических данных, предоставления морфологической основы для молекулярного формирования изображения (моделирования отделений) и тому подобного. Промежуточные изображения МРВ подвижных объектов также могут быть получены путем интерполяции данных магнитного резонанса, снабженных временными штампами.
18
2
5
Как показано на Фиг.2, каждый твердотельный радиационный детектор 50 включает в себя сцинтиллятор 74, который производит сцинтилляцию или вспышку света, когда гамма-луч останавливается сцинтиллятором 74. Вспышка света принимается твердотельным кремневым фотоумножителем (КФУ) 80, который включает в себя матрицу пикселей 82 детектора, неподвижно расположенных на кремниевой подложке 84. КФУ 80 преимущественно является достаточно быстрым, чтобы выполнять формирование изображения ПЭТ ВП, и он, сверх того, по существу, не подвержен воздействию главного магнитного поля, генерируемого главным магнитом 20 части МРВ сканера. Типичные устройства КФУ имеют временную разрешающую способность, которая меньше одной наносекунды. Сцинтиллятор 74 выбирается, чтобы предоставлять высокую останавливающую мощность для гамма-лучей с энергией 511 кэВ посредством быстрого временного затухания вспышки сцинтилляции. Некоторыми подходящими материалами сцинтилляторов являются LYSO (LuYSiO:Ce) и LaBr. Несмотря на то что Фиг.2 иллюстрирует сцинтиллятор 74 как единый кристалл, вместо этого может использоваться матрица из кристаллов сцинтиллятора. Дополнительно, опциональный планарный световод 86 может быть вставлен между сцинтиллятором 74 и КФУ 80, чтобы улучшить передачу фотонов или чтобы распределять свет одного импульса сцинтилляции на более чем одном пикселе КФУ. Сцинтиллятор 74 и опциональный световод 86 опционально заключаются в отражающее покрытие 88, которое направляет свет сцинтилляции к КФУ 80.
3
4
Также ссылаясь на Фиг.2 и дополнительно на Фиг.3, каждый пиксель 82 КФУ 80 включает в себя матрицу лавинных фотодиодов 90, каждый из которых имеет смещение в области пробоя. Фотодиоды 90 подходящим образом работают в режиме работы типа режима Гейгера и проводят ограниченное количество электрического тока до тех пор, пока фотон не поглощается или не детектируется фотодиодом 90 и вызывает переходный пробой. Когда в фотодиоде 90 происходит пробой из-за обнаружения фотона, он проводит большое количество тока, ограниченное смещающей схемой. Таким образом, фотодиоды действуют как переключатели "ВКЛ-ВЫКЛ"; каждый фотодиод находится в состоянии "ВЫКЛ" до тех пор, по он не детектирует фотон, который переводит его в состояние "ВКЛ", чтобы проводить ток. Фиг.3 схематически иллюстрирует матрицу 4×4 из пикселей 82, где каждый пиксель 82 включает в себя матрицу 10×10 из фотодиодов 90, однако, большие матрицы из пикселей, каждый из которых включает в себя большие матрицы из фотодиодов, подходящим образом предоставляют большее пространственное разрешение. Например, в некоторых предполагаемых вариантах осуществления каждый пиксель включает в себя 10-10 фотодиодов. Как правило, каждый фотодиод 90 включает в себя предохранительное кольцо (не показано) вокруг периметра, которое предотвращает лавинный пробой на краях фотодиода 90. Структура предохранительного кольца подходящим образом действует как обычный PN диод с обратным смещением, внутренние поля которого слишком слабы для возникновения лавинного пробоя.
В некоторых вариантах осуществления токи, проводимые фотодиодами 90 каждого пикселя 82, комбинируются аналоговым образом, для создания аналогового пиксельного вывода, соответствующего сумме или комбинации токов фотодиодов. Поскольку каждый фотодиод, находящийся в состоянии электрического пробоя, детектировал фотон, аналоговая сумма токов фотодиодов соответствует количеству фотонов, детектированных пикселем 82, которое в свою очередь соответствует интенсивности вспышки света сцинтилляции у пикселя 82. Подобные аналоговые устройства КФУ описаны, например, в следующих документах: "Твердотельный кремниевый фотоумножитель для широкого спектра приложений", Е.А.Георгиевская, том 5126 протокола 17-ой Международной Конференции Фотоэлектроники и Устройств Ночного Видения (2003); и "Новый Тип Лавинного Фотодетектора, работающего по принципу Гейгера", Ядерные Инструменты и Способы в Физических исследованиях, том.518, стр.560-564 (2004).
DD
Ссылаясь на Фиг.4, в других вариантах осуществления КФУ представляет собой цифровое устройство, в котором каждый фотодиод 90 работает в режиме Гейгера и соединен со связанной пороговой цифровой схемой 100, которая выдает первое бинарное цифровое значение, когда фотодиод 90 смещен в состояние покоя посредством напряжения смещения (V), и второе бинарное цифровое значение, когда фотодиод 90 переходит в проводящее состоянии пробоя. Поскольку выводится цифровое значение, вместо генерации аналоговой суммы токов фотодиодов, интенсивность света, принимаемого пикселем 82, может быть оценена путем цифрового счета количества фотодиодов пикселя 82, для которых связанная цифровая схема 100 перешла ко второму цифровому значению.
6
Также ссылаясь на Фиг.4, когда фотон попадает в фотодиод 90, возникает лавинный пробой, который вызывает большой ток через фотодиод 90. Когда происходит пробой фотодиода 90, процессом лавинного пробоя генерируется большое количество заряда (например, в некоторых лавинных фотодиодах примерно 10 электронов на зарегистрированный фотон). Этот заряд в основном проходит через схему 102 гашения, которая имеет эффективное сопротивление, как правило, в несколько кОм, чтобы ограничивать ток, протекающий через фотодиод 52. В некоторых вариантах осуществления схема 102 гашения представляет собой резистор, как правило, с сопротивлением в диапазоне от 1 кОм до 1 мОм. В других вариантах осуществления применяется активная схема гашения. В состоянии пробоя ток изменяет входное напряжение или ток связанной цифровой схемы 100, чтобы вызвать переход цифровой схемы 100 из состояния покоя, в котором генерируется первое бинарное цифровое выходное значение, в активированное состояние, в котором генерируется второе бинарное цифровое значение. Более того, когда ток ограничивается схемой 102 гашения, остающийся в фотодиоде 90 заряд пространственно распределяется, чтобы уменьшить электрическое поле в регионе лавинного пробоя фотодиода 90. Это экранирование гасит лавинный процесс и приводит к перемещению дрейфом остающихся носителей из зоны лавины/обеднения, вызывая гашение лавинного пробоя и восстановление фотодиода 90.
Цифровой буфер или счетчик 104, соединенный с цифровой схемой 100, считает каждый переход из первого бинарного цифрового состояния во второе бинарное цифровое состояние. То есть цифровой буфер или счетчик 104 считает фотоны, поглощенные связанным фотодиодом 90. Когда детектируется фотон, привод 108 пусковой линии, соединенный с цифровой схемой 100, вызывает установку общей пусковой линии 110 (общей для всех фотодиодов 90 данного пикселя 82). Цифровая схема уровня пикселей (не показана) инициирует счет бинарных переходов фотодиодов 90 пикселя 82 в течение временного периода интеграции, который инициируется первым принятым фотоном, который вызывает установку общей пусковой линии 108. Результирующий счет в течение временного периода интеграции указывает интенсивность света, принятого пикселем 82 в показателях количества поглощенных фотонов. Окончательное подсчитанное количество фотонов передается из схемы посредством шины 112 данных и управления. В некоторых вариантах осуществления цифровой буфер или счетчик 104 представляет собой буфер типа защелки, который сохраняет второе бинарное цифровое состояние, чтобы оно было подсчитано. В таких вариантах осуществления в течение временного периода интеграции каждый фотодиод 90 может сосчитать только один фотон, и буферы-защелки сбрасываются по завершении временного периода интеграции посредством цифровой схемы уровня пикселей. В других вариантах осуществления цифровой буфер или счетчик 104 представляет собой цифровой счетчик, который может считать множество фотонов, детектированных связанным фотодиодом 90, при условии, что в промежутках между приемом фотонов схема 102 гашения переводит фотодиод 90 в состояние покоя. Цифровой КФУ подходящим образом реализован, используя цифровую логику КМОП в сочетании с кремниевыми лавинными фотодиодами.
Устройства 90 КФУ (как аналоговые, так и цифровые), по существу, не подвержены воздействию главного магнитного поля, генерируемого главным магнитом 20. Однако, градиенты магнитного поля, генерируемые градиентными катушками 30 части МРВ сканера, могут вызвать тепло, вихревые токи в металлических проводниках и другие переходящие эффекты, которые могут отрицательно воздействовать на получение данных ПЭТ ВП с использованием твердотельных радиационных детекторов 50.
Ссылаясь на Фиг.1, вентильная схема 120 опционально предотвращает сбор данных из множества твердотельных радиационных детекторов 50, когда действуют градиентные катушки 28 магнитного поля. Например, в некоторых вариантах осуществления вентильная схема 120 детектирует подачу энергии на одну или более градиентных катушек 28 магнитного поля и в ответ генерирует запрещающий сигнал, который предотвращает сбор или сохранение событий обнаружения радиации, выводимых детекторами 50. Когда градиент магнитного поля удаляется, вентильная схема 120 снимает запрещающий сигнал, таким образом, предоставляя возможность возобновления сбора событий обнаружения радиации.
Для формирования изображений сердечной системы вентильная схема 120 опционально сконфигурирована, чтобы выполнять мониторинг сердечного цикла, используя электрокардиограф 122 или иное устройство мониторинга сердечной системы. Вентильная схема 120 предоставляет тактовые сигнала как для части МРВ, так и для части ПЭТ ВП сканера 10 ПЭТ/МРВ, чтобы обеспечить, чтобы при формировании изображения ПЭТ ВР и формировании изображения МРВ данные получались в течение различных, выбранных частей сердечного цикла. Аналогичным образом может управляться пропускание других физиологических функций, таких как дыхание. Физиологическое управление отпирания предотвращает наведение на изображения ПЭТ ВП помех, вызываемых градиентами магнитного поля, которые генерируются в процессе работы части МРВ сканера. Более того, управление пропусканием с помощью физиологического состояния может направить часть формирования изображения ПЭТ ВП в интересную с функциональной точки зрения переходную фазу физиологического цикла, тогда как часть формирования изображения МРВ выполняется в более спокойной фазе физиологического цикла, когда морфологические свойства относительно неизменны.
В некоторых вариантах осуществления управление отпиранием выполняется ретроактивным образом. Данные МРВ и данные ПЭТ ВР получаются непрерывно, и вентильная схема 120 снабжает данные метками или комментариями о сердечном состоянии, состоянии дыхания, прилагаемом градиенте магнитного поля, радиочастотном возбуждении или других параметрах управления отпиранием или множестве параметров. Эти комментарии сохраняются вместе с данными в буферах 42, 52. Во время реконструкции изображения данные могут быть выборочно отфильтрованы, так чтобы, например, реконструировались только те данные ПЭТ ВР, которые получены во время выбранной части сердечного цикла.
Ссылаясь на Фиг.5, разрешающая способность ПЭТ ВП может быть дополнительно увеличена путем предоставления механизма для определения глубины взаимодействия событий обнаружения радиации. Фиг.5 иллюстрирует один подход. Твердотельный радиационный детектор 50' включает в себя два сцинтиллятора 74a, 74b, наложенные друг на друга так, что первый сцинтиллятор 74a расположен максимально близко к области 14 формирования изображения, тогда как второй сцинтиллятор 74b находится максимально далеко от области 14 формирования изображения. Сцинтилляторы 74a, 74b имеют обнаруживаемые различные оптические характеристики, такие как различное время нарастания или время затухания сцинтилляции, различная энергия излученного фотона и тому подобное. КФУ 80' (который, по существу, такой же как КФУ 80 с Фиг.2) оптически соединен со сцинтилляторами 74a, 74b посредством планарного световода 86', чтобы принимать вспышки света сцинтилляции от какого-либо из сцинтилляторов 74a, 74b. Глубина взаимодействия определяется тем, какой из первого сцинтиллятора 74а или второго сцинтиллятора 74b произвел обнаружение гамма-луча, как указывается обнаруживаемыми различными оптическими характеристиками сцинтилляций, произведенных двумя сцинтилляторами 74a, 74b.
Проиллюстрированный детектор 50' включает в себя два сцинтиллятора 74а, 74b, которые предоставляют двухуровневую информацию глубины взаимодействия. В принципе, информация глубины взаимодействия по трем уровням или по большему количеству уровней может быть предоставлена путем наложения друг на друга трех или более сцинтилляторов. Однако наложение трех или более сцинтилляторов согласно компоновке с Фиг.5 имеет определенные сложности. Каждый сцинтиллятор должен иметь оптическую характеристику, которая различима от характеристик других сцинтилляторов в группе, и это различие должно быть обнаруживаемо. Кроме того, чтобы достигнуть КФУ 80', свет от сцинтиллятора, который расположен максимально близко с области 14 формирования изображения, должен пройти через все промежуточные сцинтилляторы, что может привести к оптическим потерям или рассеянию и сопутствующей потере энергетической и/или временной разрешающей способности. Предоставление отражающего покрытия 88' (аналогичного отражающему покрытию 88 с Фиг.2, которое покрывает оба сцинтиллятора 74a, 74b) может улучшить сбор света, но оптические потери или рассеяние на интерфейсах разнородных сцинтилляторов 74а, 74b может все еще представлять проблему.
В некоторых предполагаемых вариантах осуществления уровни сцинтилляторов, предоставляющие информацию глубины взаимодействия, имеют относительное смещение буквально на долю шага пикселя (например, два уровня пикселей сцинтиллятора имеют относительное смещение на половину шага пикселя). В этой компоновке смещенные уровни пикселей сцинтиллятора считываются посредством КФУ, соединенного через световод, используя логику Ангера.
1
2
3
1
Ссылаясь на Фиг.6, описан альтернативный подход для достижения глубины разрешающей способности, в котором используется преимущество относительной тонкости и соответствующей радиационной прозрачности детекторов КФУ. Твердотельный радиационный детектор 50'' включает в себя три сцинтиллятора 74, 74, 74, расположенных друг на друге так, что первый сцинтиллятор 74расположен максимально близко к области 14 формирования изображения, третий сцинтиллятор
3
2
1
3
1
2
3
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
74 расположен максимально далеко от области 14 формирования изображения, а второй сцинтиллятор 74 расположен между первым и третьим сцинтилляторами 74, 74. Сцинтилляторы 74, 74, 74 могут быть одинакового типа, поскольку нет необходимости, чтобы каждый сцинтиллятор имел обнаруживаемую различную оптическую характеристику. Сцинтиллятор 74 оптически соединен с первым КФУ 80, расположенным между первым и вторым сцинтилляторами 74, 74, причем светочувствительная поверхность первого КДУ 80 обращена к первому сцинтиллятору 74. Отражающее покрытие 88 покрывает первый сцинтиллятор 74. Таким образом, фотоны, генерируемые в первом сцинтилляторе 74, направляются к первому КФУ 80, где фотоны детектируется или поглощаются в кремниевой подложке. (Также предполагается разместить отражающее покрытие на тех частях кремниевой подложки, которые свободны от фотодиодов, чтобы возвратить некоторые из фотонов, которые ударились о КФУ 80 в областях, которые не покрыты фотодиодами).
2
2
2
3
2
2
2
2
2
2
3
3
3
2
3
3
3
3
3
3
1
2
3
1
2
3
Аналогичным образом, сцинтиллятор 74 оптически соединен со вторым КФУ 80, расположенным между вторым и третьим сцинтилляторами 74, 74, причем светочувствительная поверхность второго КФУ 80обращена ко второму сцинтиллятору 74. Отражающее покрытие 88 покрывает второй сцинтиллятор 74, чтобы фотоны, генерируемые во втором сцинтилляторе 74, направлялись ко второму КФУ 80. Сцинтиллятор 74 оптически соединен с третьим КФУ 80, расположенным на стороне сцинтиллятора 74, которая удалена от второго КФУ 80, причем светочувствительная поверхность КФУ 80обращена к третьему сцинтиллятору 74. Отражающее покрытие 88 покрывает третий сцинтиллятор 74, чтобы фотоны, генерируемые в третьем сцинтилляторе 74, направлялись к третьему КФУ 80. Таким образом, каждое из устройств 80, 80, 80 КФУ оптически соединено только с одним соответствующим сцинтиллятором 74, 74, 74, что предоставляет возможность прямого определения глубины взаимодействия.
1
2
3
1
2
3
Слоистый радиационный детектор 50'' с Фиг.6 действует благодаря тому, что устройства КФУ достаточно тонкие, и гамма-лучи обычно беспрепятственно проходят через устройства КФУ. С другой стороны, фотоны, генерируемые событиями сцинтилляции, поглощаются подложкой устройства КФУ, таким образом, предотвращая перескоки между блоками сцинтиллятора/КФУ. В слоистом радиационном детекторе 50'' устройства 80, 80, 80 КФУ напрямую оптически соединены с соответствующими сцинтилляторами 74, 74, 74 без промежуточных световодов, однако, для улучшения оптического соединения в состав могут входить световоды. Несмотря на то что проиллюстрирована стопка из трех сцинтилляторов
1
2
3
74, 74, 74 (предоставляющая разрешающую способность глубины взаимодействия по трем уровням), количество наложенных друг на друга сцинтилляторов может быть равно двум или может быть больше трех. Более того, вместо расположения между сцинтилляторами устройства КФУ могут быть скомпонованы на сторонах сцинтилляторов, которые перпендикулярны принимающим гамма-лучи поверхностям сцинтилляторов, или в других положениях, предоставляющих должное оптическое соединение со сцинтилляторами.
На Фиг.1 радиационные детекторы 50 расположены на кожухе 18 отверстия сканера 10 ПЭТ/МРВ. Эта компоновка предоставляет свободную линию прямой видимости между детекторами 50 и изображаемым объектом 16. Однако открытые детекторы могут быть непривлекательны с эстетической точки зрения и предрасположены повреждению из-за контакта с изображаемым объектом 16.
Ссылаясь на Фиг.7, в некоторых альтернативных вариантах осуществления радиационные детекторы 50 расположены внутри кожуха 18 отверстия, например, между радиочастотной катушкой 30 и кожухом 18 отверстия. Эта компоновка в целом более привлекательна с эстетической точки зрения и предоставляет защиту для радиационных детекторов 50. Кожух 18 отверстия обычно изготовлен из пластика, стекловолокна или иного материала, который, по существу, прозрачен для гамма-лучей 511 кэВ; соответственно, ожидается, что размещение радиационных детекторов 50 внутри кожуха 18 отверстия, по существу, не уменьшит эффективность обнаружения радиации.
Ссылаясь на Фиг.8, в других альтернативных вариантах осуществления радиационные детекторы 50 размещены глубже в корпусе 12. В варианте осуществления с Фиг.8 радиочастотная катушка 30 реализована как катушка типа "клетка" с двенадцатью спицами, и множество твердотельных радиационных детекторов расположены примерно на том же радиусе, что и радиочастотная катушка 30, в промежутках между спицами. Эта компоновка обеспечивает эффективное использование ограниченного пространства внутри корпуса 12.
Дополнительно, опциональная система 130 охлаждения градиентных катушек соединена с возможностью теплопередачи с градиентными катушками 28 магнитного поля, чтобы охлаждать градиентные катушки 28 магнитного поля. Поскольку они расположены вблизи радиочастотной катушки 30, твердотельные радиационные детекторы 50 также соединены с возможностью теплопередачи с системой 130 охлаждения градиентных катушек, чтобы охлаждать твердотельные радиационные катушки. В других вариантах осуществления система охлаждения для главного магнита 20 (такая как криогенный кожух 24) аналогичным образом приспособлена для обеспечения охлаждения радиационных детекторов 50. Следует понимать, что охлаждение радиационных детекторов 50 может быть, по существу, меньше охлаждения градиентных катушек 28 или главного магнита 20, между тем оно эффективное. Уменьшение температуры устройств КФУ на несколько градусов может значительно уменьшить темновые токи.
Настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. При прочтении и понимании вышеизложенного подробного описания специалистам в данной области техники будут очевидны модификации и изменения. Настоящее изобретение должно быть истолковано как включающее в себя все подобные модификации и изменения, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.