CZ34271U1 - Zařízení pro multimodální nedestruktivní nebo neinvazivní diagnostiku - Google Patents

Description

Zařízení pro multimodální nedestruktivní nebo neinvazivní diagnostiku

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro multimodální nedestruktivní nebo neinvazivní diagnostiku prováděnou pomocí detekce a digitálního záznamu ionizujícího záření a pronikavého ionizujícího záření, zejména pomocí digitálních zobrazovacích a tomografických rekonstrukcí různých zobrazovacích technik a jejich syntéz.

Dosavadní stav techniky

Současné zobrazovací techniky, které využívají ionizující záření a pronikavé ionizující záření, nacházejí stále více uplatnění v mnoha oborech lidské činnosti. Například jsou využívány pro kontrolu kvality a pro nedestruktivní testování v průmyslu, pro diagnostiku a terapii v medicíně, ave vědě. Dále jsou využívány např. při kontrole zavazadel cestujících, nebo při kontrole zásilek v bezpečnostních aplikacích atp.

Multimodální nedestruktivní nebo neinvazivní diagnostika využívá kombinování obrazů, či tomograficky rekonstruovaných digitálních 3D objektů, z různých zobrazovacích technik. Výstupem je vícedimenzionální kontextuální informace o zkoumaném objektu, např. z jakého je materiálu, jaké je jeho morfblogické složení a struktura atp.

Známá zařízení implementující současné zobrazovací techniky musí vždy obsahovat určité součásti:

Zařízení pro transmisní rentgenovou počítačovou tomografii (dále v textu jen zkratka „CT“) vyžaduje zdroj primárního pronikavého ionizujícího záření a obrazový snímač, na jehož detekční plochu primární ionizující záření dopadá po přímém průchodu zkoumaným objektem.

Zařízení pro rentgenové fluorescenční zobrazování (dále v textu jen zkratka „XRF“) vyžaduje zdroj primárního ionizujícího záření a obrazový snímač, na jehož detekční plochu dopadá sekundární charakteristické rentgenové záření vybuzené ve zkoumaném objektu primárním ionizujícím zářením.

Zařízení pro pozitronovou emisní tomografii (dále v textu jen zkratka „PET“) vyžaduje objekt s aplikovaným zdrojem ionizujícího záření produkujícím do okolí pozitronové částice, interagující s prostředím za vzniku ionizujícího pronikavého gama záření, a v neposlední řadě vyžaduje dvojici protilehlých synchronních obrazových snímačů, na jejichž detekční plochy dopadají produkované sekundární částice pronikavého gama záření.

Zařízení pro jednofotonovou emisní výpočetní tomografii (dále v textu jen zkratka „SPÉCT“) vyžaduje objekt s aplikovaným primárním zdrojem pronikavého ionizujícího záření a obrazový snímač s předsunutým dírkovým kolimátorem ze stínícího materiálu účinné polotloušťky absorbující částice z primárního pronikavého ionizujícího záření, na jehož detekční plochu dopadá primární pronikavé ionizující záření procházející přes dírkový kolimátor.

Zařízení pro zobrazování pomocí jednovrstvé Comptonovy kamery vyžaduje ionizující záření generované aplikovaným primárním zdrojem zářením, které je detekováno pomocí spektrálně citlivého detektoru zaznamenávajícího polohu, čas a energie detekovaných částic. Na základě těchto údajů je vypočten směr letu primárního fotonu, a tím je tak zdroj záření lokalizován.

Materiály a konstrukce obrazových snímačů pro výše uvedené zobrazovací techniky musí být tedy speciálně uzpůsobeny tak, aby byla detekční účinnost maximalizována pro daný typ

- 1 CZ 34271 U1 ionizujícího záření dle konkrétní zobrazovací techniky, tj. aby co nejvíce částic daného ionizujícího záření, např. fotonů rentgenového záření, sekundárních fotonů XRF vytvořilo v obrazovém snímači čitelný signál.

V posledních letech se pro zobrazování pronikavého ionizujícího záření používají stále častěji polovodičové detektory pracující na principu přímé konverze, kdy dopadající ionizující záření vytváří elektrický signál přímo v polovodičovém elementu. Senzorový čip tvořený polovodičovým materiálem je mechanicky napojen na čtecí čip tvořený matricí obrazových elementů (pixelů) pomocí matice mikrometrických kontaktů tzv. bomb-bond. Každý pixel v matici obsahuje vlastní elektroniku, která umožňuje nezávislé zpracování signálu. Takové uspořádání obou čipů tvoří nerozebíratelnou jednotku, která se označuje jako hybridní polovodičový pixelový detektor, nebo zkráceně jako hybridní detektor. V některých případech je čip čtecí elektroniky navržen tak, že umožňuje digitálně zaznamenat informace o každé jednotlivé částici pronikavého ionizujícího záření, která vytvořila elektrický signál ve snímacím čipu.

Jako příklad hybridních polovodičových detektorů je možné uvést polovodičové detektory v odborných kruzích s označením Timepix3. Velikost pixelu není možné zobecnit hromadně pro všechny hybridní polovodičové detektory, protože jednotlivé pixely hybridních polovodičových detektorů jsou zpravidla čtvercového tvaru o odlišné délce strany, jejíž velikost není mezi výrobci hybridních polovodičových detektorů standardizována.

Příkladem konkrétního zařízení pro některé z výše uvedených zobrazovacích technik je technické řešení z dokumentu CZ 27749 Ul, které popisuje zařízení použitelné současně pro rentgenovou spektrometrii a tomografii.

Úkolem technického řešení je vytvoření zařízení pro multimodální nedestruktivní nebo neinvazivní diagnostiku, které by bylo použitelné současně pro více zobrazovacích technik v jedné pracovní relaci, a to zejména pro zobrazovací techniky CT, XRF, PET, Comptonova kamera a SPÉCT.

Podstata technického řešení

Vytčený úkol je vyřešen vytvořením zařízením pro multimodální nedestruktivní nebo neinvazivní diagnostiku podle níže uvedeného technického řešení.

Zařízení pro multimodální nedestruktivní nebo neinvazivní diagnostiku je tvořeno zdrojem ionizujícího pronikavého záření. Dále alespoň jedním prostředkem pro obrazové snímání ionizujícího záření sekundárně vyzařovaného z diagnostikovaného objektu a pronikavého ionizujícího záření pronikajícího diagnostikovaným objektem. Další součástí zařízení je ozařovací polohovatelný stolek pro nesení diagnostikovaného objektu a nosná konstrukce pro držení, polohování a unášení komponentů zařízení, a alespoň jedna řídicí jednotka pro řízení chodu zařízení, sběr dat a jejich prezentaci uživateli.

Podstata technického řešení spočívá v tom, že prostředek pro obrazové snímání je tvořen detekčním prstencem sestávajícím z alespoň z jedné řady hybridních polovodičových detektorů, jejíž dopadová plocha pro ionizující záření a pro pronikavé ionizující záření tvoří alespoň část vnitřní stěny detekčního prstence. Výhodou je pokud hybridní detektory tvoří souvislou dopadovou plochu. Technické řešení může být dále zvýhodněno tím, že řada hybridních detektorů detekčního prstence bude opatřena aktivním chlazením.

Zejména těsné rozmístění detektorů po prstenci umožňuje při použití zařízení podle technického řešení výhodně kombinovat zobrazovací techniku využívající rentgenovou transmisi, zobrazovací techniku PET a zobrazování pomocí tzv. Comptonovy kamery.

-2 CZ 34271 U1

Ve výhodném provedení zařízení podle technického řešení je zařízení opatřeno kolimačním prstencem osazeným alespoň jedním vyjímatelným kolimátorem, přičemž průměr kolimačního prstence je menší než průměr detekčního prstence. Současně je kolimační prstenec zásuvný do detekčního prstence.

Nasazení kolimačního prstence rozšiřuje paletu variant snímací geometrie a umožňuje zařízení diagnostikovat objekt zájmu pomocí zobrazovacích technik SPÉCT a XRF.

Paleta výhod technického řešení může být rozšířena tím, že počet pozic kolimátorů v kolimačním prstenci bude totožný s počtem pozic hybridních polovodičových detektorů. A že použité kolimátory budou dírkové kolimátory s jednou nebo více dírkami.

Jako další přináší výhody do technického řešení to, že nosná konstrukce je opatřena alespoň jedním prostředkem pro unášení zdroje pronikavého ionizujícího záření po volitelné kružnici s totožnou osou detekčního prstence. Taková úprava zařízení umožňuje používání zobrazovací techniky CT.

Jako poslední v řadě je výhodné provedení technického řešení, ve kterém zahrnuje nosná konstrukce průmyslové robotické rameno pro unášení zdroje pronikavého ionizujícího záření.

Mezi hlavní výhody technického řešení patří řádné uplatnění v rámci preklinické praxe, v rámci klinické praxe, ale i v materiálovém výzkumu.

Co se týče preklinické praxe, tak tato oblast je zaměřena na vývoj nových léků a metod pro léčbu rakoviny a různých nemocí. Preklinické testování vždy předchází klinické praxi a je zaměřeno především na malá zvířata (laboratorní myši aapod.). Cílem testování je prokázání kvality, účinnosti a bezpečnosti použití daného léku.

Klinická praxe obnáší systematické testování léku na pacientech, či na zdravých dobrovolnících, jehož hlavním úkolem je prokázat bezpečnost a snášenlivost léku, prokázat a ověřit léčivé účinky daného léku, zjistit, jaké jsou jeho nežádoucí účinky, a určit farmakokinetické parametry a chování léku v lidském organismu.

Zatímco materiálový výzkum probíhá zejména ve vědeckých aplikacích, v průmyslu, v medicíně, a všude tam, kde je potřeba snímat z více úhlů najednou malé objekty/vzorky z různých materiálů a odhalovat tak jejich vnitřní strukturu a složení.

Ve výše uvedených oblastech nasazení zařízení pro multimodální nedestruktivní nebo neinvazivní diagnostiku přináší výhodu univerzálnosti a rychlosti práce, které se pozitivně projevují na kvalitě a ekonomické náročnosti výzkumu.

Objasnění výkresů

Uvedené technické řešení bude blíže objasněno na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 znázorňuje pohled z boku na zařízení pro multimodální nedestruktivní nebo neinvazivní diagnostiku, obr. 2 znázorňuje pohled shora na detekční prstenec a kolimační prstenec upevněné v rámu nosné konstrukce, obr. 3 znázorňuje axonometrický pohled na detekční prstenec,

-3 CZ 34271 U1 obr. 4 znázorňuje axonometrický pohled na kolimační prstenec.

Příklad uskutečnění technického řešení

Na obr. 1 je vyobrazený pohled z boku na zařízení pro multimodální nedestruktivní nebo neinvazivní diagnostiku. Zařízení zahrnuje nosnou konstrukci 3, která je viditelně rozdělena na několik částí.

První část nosné konstrukce 3 je opatřena průmyslovým robotickým ramenem 7, na kterém je upevněn zdroj 2 pronikavého ionizujícího záření. Druhá část nosné konstrukce 3 je stativ, na kterém je nesena další součást nosné konstrukce 3 držící pohromadě dva soustředné prstence 4 a 5. Poslední částí nosné konstrukce 3 je opět průmyslové robotické rameno 7, na kterém je unášen polohovatelný stolek E

Na obr. 2 je vyobrazena součást nosné konstrukce 3, která je osazena detekčním prstencem 4, který je kní nepohyblivě zafixován, a která je dále osazena kolimačním prstencem 5 jemuž je umožněn posuvný pohyb. Kolimační prstenec 5 může při svém posouvání zajet do vnitřku detekčního prstence 4, nebo z něj může být v libovolné míře vytažen.

Na obr. 3 je vyobrazen detail detekčního prstence 4, který vykazuje rám s aktivním chlazením integrovaným v rámu, dále elektroniku pro každý z hybridních polovodičových detektorů a samozřejmě hybridní polovodičové detektory.

Obrazový detektor v podobě detekčního prstence 4 je vždy složen z několika segmentů z obrazových detekčních snímačů (hybridních polovodičových detektorů) s jednotnou podpůrnou konstrukcí s integrovaným chlazením a s montážními otvory. Detekční prstenec 4 má pomocnou konstrukci pro měřící elektroniku. Celá prstencová konstrukce je umístěna na rám umožňující pohyb diagnostikovaných těles z obou ústí detekčního prstence 4.

Hybridní polovodičové detektory mají jednotlivé pixely čtvercového tvaru o délce strany 55 pm, ale existují i jiné čipy např. s délkou strany čtvercového pixelu 75 pm, nebo o délce strany čtvercového pixelu 172 pm. Z pohledu odborníka nelze tedy velikost pixelu zobecnit hromadně pro všechny hybridní polovodičové detektory.

Rozmístění hybridních polovodičových detektorů v těsném uspořádání v detekčním prstenci 4 o libovolném poloměru umožňuje kombinovat zobrazovací techniky ze skupiny zobrazování rentgenovou transmisí, PET a pomocí Comptonovy kamery.

Přidáním osově pohyblivého kolimačního prstence 5 s poloměrem menším než je poloměr detekčního prstence 4 lze doplnit skupinu zobrazovacích technik o metodu SPÉCT a XRF. Na obr. 4 je vyobrazen detail kolimačního prstence 4, který je opatřen multi-dírkovými kolimátory 6. Nosná konstrukce 3 pro nesení kolimačního prstence 5 je opatřena pomocnou konstrukcí, pohybovou mechanikou a pohony pro kolimační prstenec 5, který se zasouvá dovnitř detekčního prstence 4.

Počet pozic pro kolimátory 6 kolimačního prstence 5 je totožný s počtem obrazových snímačů detekčního prstence 4. V detekčním prstenci 4 a ani v kolimačním prstenci 5 se nevyžaduje, aby byly osazeny všechny pozice pro obrazové snímače a kolimátory 6. Pozice pro kolimátor 6 je vždy vybavena alespoň jedním montážním otvorem pro fixaci dírkového kolimátoru 6.

Kolimátorový prstenec 5 lze na různých pozicích osazovat dírkovými kolimátory 6 různých geometrií. Dírkové kolimátory 6 se mohou lišit materiálem, tloušťkou materiálu, počtem dírek (single pinhole, multipinhole) a jejich geometrickým uspořádáním určující zobrazované field-ofview (FOV) neboli oblast zájmu. Možnost měnit kolimátory 6 spolu s možností určování

-4 CZ 34271 U1 poloměru kolimačního prstence 5 s výhodou rozšiřuje paletu variant snímací geometrie při zkoumání diagnostikovaného objektu.

Měření zobrazovací technikou CT je zajištěno pohybem zdroje 2 pronikavého ionizujícího záření po kružnici s totožnou osou jakou má detekční prstenec 4. Poloměr trajektorie zdroje 2 i jeho osový offset vůči středu detekčního prstence 4 je libovolný. Obrazové snímače detekčního prstence 4, na něž dopadá primární ionizujícího zařízení ze zdroje 2 po přímé trase skrze diagnostikovaný objekt jsou použity pro radiografické zobrazování v 2D a V 3D.

Obrazové snímače detekčního prstence 4 mimo primární svazek ionizujícího záření procházejícího diagnostikovaným objektem detekují zpětně odražené záření a charakteristické záření.

Na druhou stranu zobrazovací techniky SPÉCT a XRF vyžadují zasunutí kolimačního prstence 5 dírkových kolimátorů 6 do detekčního prstence 4 obrazových snímačů.

Každá z výše popsaných modalit lze proveditelná samostatně nebo v libovolné kombinaci s libovolným množstvím ostatních zde popsaných modalit.

Zařízení je opatřeno nevyobrazenou řídicí jednotkou, která je realizována počítačem. V zařízeně se s výhodou preferuje formát konektivity USB3, či alternativní, avšak dostatečně rychlý formát přenosového rozhraní.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro multimodální nedestruktivní nebo neinvazivní diagnostiku podle technického řešení nalezne uplatnění v oblasti preklinické medicínské praxe, klinické medicínské praxe a v oblasti materiálových výzkumů.

Claims (8)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro multimodální nedestruktivní nebo neinvazivní diagnostiku zahrnující alespoň jeden prostředek pro obrazové snímání ionizujícího záření a pronikavého ionizujícího záření, ozařovací polohovatelný stolek (1) pro nesení diagnostikovaného objektu, zdroj (2) ionizujícího pronikavého záření, nosnou konstrukci (3) pro držení, polohování a unášení komponentů zařízení, a alespoň jednu řídicí jednotku pro řízení chodu zařízení, sběr dat a jejich prezentaci uživateli, vyznačující se tím, že prostředek pro obrazové snímání je tvořen detekčním prstencem (4) sestávajícím z alespoň jedné řady hybridních polovodičových detektorů, jejichž dopadové plochy pro ionizující záření a pro pronikavé ionizující záření tvoří alespoň část vnitřní stěny detekčního prstence (4).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že hybridní detektory detekčního prstence (4) tvoří souvislou dopadovou plochu.

   -5 CZ 34271 U1
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že řada hybridních detektorů detekčního prstence (4) je opatřena aktivním chlazením.
4. 4. Zařízení podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že je opatřeno kolimaěním prstencem (5) osazeným alespoň jedním vyjímatelným kolimátorem (6), přičemž průměr kolimačního prstence (5) je menší než průměr detekčního prstence (4), a že kolimační prstenec (5) je zásuvný do detekčního prstence (4).
5. 5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že počet pozic kolimátorů (6) v kolimaěním prstenci (5) je totožný s počtem pozic hybridních polovodičových detektorů.
6. 6. Zařízení podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že kolimátory (6) jsou dírkové kolimátory.
7. 7. Zařízení podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že nosná konstrukce (3) je opatřena alespoň jedním prostředkem pro unášení zdroje (2) pronikavého ionizujícího záření po volitelné kružnici mající středovou osu totožnou s osou detekčního prstence (4).
8. 8. Zařízení podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že nosná konstrukce (3) zahrnuje průmyslové robotické rameno (7) pro unášení zdroje (2) pronikavého ionizujícího záření nebo polohovatelného ozařovacího stolku (1).