ES2808908T3 - Obtención de imágenes por retroalimentación de dosis ultra-bajas con fuentes láser Compton de rayos X y rayos gamma - Google Patents

Obtención de imágenes por retroalimentación de dosis ultra-bajas con fuentes láser Compton de rayos X y rayos gamma Download PDF

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Abstract

Un procedimiento, que comprende: proporcionar un haz de una fuente de láser Compton de rayos X o rayos gamma; dirigiendo dicho haz a la primera ubicación de un objeto; detectar, en el umbral de detección de un detector, una primera porción de dicho haz que pasa a través de dicha primera ubicación, para producir una primera señal detectada en dicho detector; siendo el umbral de detección del detector determinado por un número de fotones requeridos en un píxel del detector para lograr un nivel de umbral de detectabilidad, para producir así dicha primera señal detectada; al alcanzar el umbral de detección y producir dicha primera señal detectada, evitar que dicho haz sea propagado a la primera ubicación; determinar un primer número de fotones o una primera energía de haz dirigida a dicha primera ubicación, en el que dicho primer número de fotones o dicha primera energía de haz es la cantidad requerida para producir dicha primera señal detectada en dicho umbral de detección de dicho detector; dirigir dicho haz a una segunda ubicación de dicho objeto; detectar, en dicho umbral de detección de dicho detector, una segunda porción de dicho haz que pasa a través de dicha segunda ubicación, para producir una segunda señal detectada en dicho detector; al alcanzar dicho umbral de detección y producir dicha segunda señal detectada, evitar que dicho haz sea propagado a dicha segunda ubicación; determinar un segundo número de fotones detectados en dicha segunda ubicación si fue determinado dicho primer número de fotones, o una segunda energía de haz detectada en dicha segunda ubicación si fue determinada dicha energía de haz en dicha segunda ubicación, en el que dicho segundo número de fotones o dicha energía de haz es la cantidad requerida para producir dicha segunda señal detectada en dicho umbral de detección; y producir un mapa de las variaciones de densidad de dicho objeto usando (i) dicho primer número de fotones y dicho segundo número de fotones, o (ii) dicha energía de primer haz y dicha energía del segundo haz.

Description

DESCRIPCIÓN
Obtención de imágenes por retroalimentación de dosis ultra-bajas con fuentes láser Compton de rayos X y rayos gamma
El Gobierno de los Estados Unidos tiene derechos sobre la presente invención en virtud del contrato Núm. DE-AC52-07NA27344 entre el U.S. Department of Energy y Lawrence Livermore National Security, LCC, para la operación del Lawrence Livermore National Laboratory.
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
La presente invención se refiere a la obtención de imágenes de rayos X y rayos gamma, y más específicamente, se refiere a las técnicas de reducción de la dosis requerida en dichas técnicas de obtención de imágenes.
Descripción de la técnica relacionada
En la obtención de imágenes convencional de rayos X / rayos gamma en 2-D, el paciente u objeto es iluminado con un amplio campo de rayos X o rayos gamma y la señal transmitida es registrada en una película 2D o en un conjunto de detectores. Las variaciones de densidad dentro del objeto causan variaciones en la transmisión de la radiación penetrante y estas variaciones aparecen como sombras en la película o en un conjunto de detectores. El rango dinámico de esta técnica de formación de imágenes está determinado por la función de respuesta del sistema de detectores. Además, todas las partes del objeto ven el mismo flujo de entrada (fotones por unidad de superficie) y la dosis total que incide en el objeto es establecida por la superficie del objeto y el flujo requerido para penetrar en la región más densa del objeto, es decir, el flujo requerido para resolver las estructuras de interés dentro del objeto. En esta modalidad de imágenes, todo el objeto ve una dosis alta.
Anteriormente se han hecho sugerencias para la obtención de imágenes por retroalimentación píxel a píxel en las que es usada una fuente bremsstrahlung, de ánodo giratorio, en lugar de una fuente de láser Compton. En este caso, al acumularse una cantidad de umbral de fotones en el detector, se envía una señal para desactivar la corriente al ánodo o para bloquear físicamente el haz de rayos X. Este enfoque sufre varios inconvenientes con relación a la invención de la presente divulgación.
a) Las fuentes de ánodos giratorios son dispositivos de CW o cuasi-CW y ninguno de los procedimientos de interrupción mencionados anteriormente son instantáneos. Por lo tanto, es acumulada una dosis mientras la fuente está siendo apagada o bloqueada físicamente. Por otra parte, en el caso de una fuente de láser Compton de rayos X (LCXS) o una fuente de láser Compton de rayos gamma (LCGS) se producen rayos X o rayos gamma por cada interacción de un pulso de láser con un grupo de electrones. Si la señal del detector para desviar el pulso de láser es rápida en comparación con el intervalo de tiempo de un pulso de láser al siguiente y el funcionamiento del interruptor electroóptico es rápido en comparación con el intervalo de tiempo de un pulso de láser al siguiente, entonces la fuente de rayos X o de rayos gamma se puede apagar completamente antes de que ocurra una exposición adicional.
b) Los dispositivos de ánodo giratorio funcionan con grupos de electrones que inciden en el material del ánodo a una velocidad constante. La interrupción de la corriente del haz de electrones puede cambiar el entorno electromagnético alrededor del ánodo y la carga térmica del material del ánodo. El reinicio del haz de electrones no produce necesariamente y de forma instantánea el mismo foco del haz de electrones o flujo de rayos X que el producido durante el funcionamiento en estado estacionario. Por otra parte, en el caso de LCXS, al desviar electroópticamente los pulsos de láser para que no interactúen con el haz de electrones, no se cambia la dinámica del haz de electrones usado en una fuente de láser Compton. El haz de electrones puede permanecer encendido y operativo incluso sin producir rayos X o rayos gamma si no hay fotones láser. Un simple cambio del interruptor electroóptico que devuelve los fotones láser a la región de interacción de láser-electrón producirá una fuente de láser Compton idéntica a la usada para tomar la imagen del píxel anterior.
c) Las fuentes de ánodos giratorios no son muy adecuadas para la producción de haces de rayos X o rayos gamma altamente colimados. Estas producen luz en todas las direcciones y sólo pueden producir haces colimados por el paso a través de aperturas estrechas que a su vez reducen enormemente su flujo. Los dispositivos LCXS y LCGS intrínsecamente producen haces estrechos de fotones. Efectivamente, todas las LCXS pueden ser usadas para obtención de imágenes por retroalimentación de un solo píxel mientras que sólo una pequeña porción de la salida de una fuente de ánodo giratorio puede ser usada de esta manera.
Sumario de la invención
La presente invención representa un nuevo procedimiento de obtención de imágenes de dosis ultra-bajas, de rayos X o de rayos gamma, en base al control electrónico rápido de la salida de una fuente de láser Compton de rayos X o de rayos gamma (LCXS o LCGS). En este procedimiento, las sombras de rayos X o rayos gamma son construidas en un píxel o unos pocos píxeles a la vez mediante la supervisión de la energía del haz de LCXS o LCGS requerida en cada píxel del objeto para lograr un nivel de umbral de detectabilidad en el detector. La energía del haz requerida para alcanzar el umbral de detección es proporcional a la inversa de la opacidad del objeto. La energía del haz para alcanzar el umbral es determinada simplemente midiendo el tiempo de iluminación requerido por la potencia constante de LCXS o LCGS para alcanzar el umbral de detectabilidad en el detector. Una vez alcanzado el umbral de detección, es enviada una señal electrónica u óptica al LCXS/LCGS que permite un rápido cambio óptico que a su vez desvía en el espacio o en el tiempo los pulsos de láser usados para crear fotones Compton. De esta manera se evita que el objeto sea expuesto a más rayos X o rayos gamma Compton hasta que el haz láser Compton o el objeto se muevan de manera que la nueva ubicación de los píxeles pueda ser iluminada. Este procedimiento construye la imagen del objeto con la mínima dosis posible de rayos X o rayos gamma. Un aspecto importante de la presente invención es que este procedimiento de control de retroalimentación en la fuente de rayos X o rayos gamma no perturba en modo alguno el funcionamiento de estado estacionario de los subsistemas de láser o acelerador de LCXS/LCGS y, por lo tanto, el haz disponible para la exposición en cada ubicación de la imagen es idéntico de píxel a píxel una vez desactivado el interruptor activado electrónicamente. Otro aspecto importante de este sistema de obtención imágenes es que el rango dinámico de la imagen no está limitado por el rango dinámico del detector sino más bien por el tiempo en que se está dispuesto a permanecer en un píxel cualquiera. Los usos de la invención en la obtención de imágenes radiográficas de rayos X y rayos gamma incluyen imágenes médicas, evaluación industrial no destructiva de objetos y metrología de precisión.
LCXS y LCGS tienen una salida policromática pero altamente correlacionada con el ángulo. Con el diseño y las aperturas adecuadas, una LCXS o LCGS puede producir un haz estrecho de fotones casi monoenergéticos (ancho de banda relativo de <1%). Los haces monoenergéticos son capaces de producir sombras de rayos X y rayos gamma con mucho menos dosis que las fuentes basadas en ánodos debido a su falta de fotones absorbentes de baja energía. Los haces monoenergéticos sintonizables también pueden ser usados para tomar imágenes del mismo píxel por encima y por debajo del borde k de agentes de contraste específicos y, de esta forma, pueden ser usados para reducir en forma adicional la dosis al objeto.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos, que están incorporados y forman parte de la presente divulgación, ilustran realizaciones de la invención y, junto con la descripción, sirven para explicar sus principios.
La FIG. 1 muestra un diseño general ejemplar de una realización de la invención que usa un interruptor electroóptico después del amplificador láser.
La FIG. 2 muestra un ejemplo de "desviación espacial" de la salida del láser de interacción.
La FIG. 3 ilustra un ejemplo de "desviación temporal" del pulso del láser de interacción.
Descripción detallada de la invención
En la presente invención, una fuente de láser Compton de rayos X (LCXS) o una fuente de láser Compton de rayos gamma (LCGS) es usada en una configuración de obtención de imágenes de retroalimentación, píxel por píxel, para crear sombras de alta resolución, de rayos X o de rayos gamma del material y variaciones de densidad dentro de un objeto arbitrario. Las sombras de rayos X o rayos gamma son construidas en un píxel o unos pocos píxeles a la vez mediante la supervisión del número de fotones de haz LCXS o LCGS requeridos en cada píxel para lograr un nivel de umbral de detectabilidad. La energía del haz requerida para alcanzar el umbral de detección es proporcional a la inversa de la opacidad del objeto. La energía del haz para alcanzar el umbral es determinada simplemente midiendo el tiempo de iluminación requerido por la potencia constante de los fotones LCXS o LCGS para alcanzar el umbral de detectabilidad. Una vez alcanzado el umbral de detección, se envía una señal a LCXS/LCGS para permitir que un interruptor desvíe rápidamente (nanosegundos), ya sea en el espacio o en el tiempo, los pulsos de láser usados para crear fotones Compton. De esta manera se evita que el objeto sea expuesto a más rayos X Compton o rayos gamma hasta que el haz láser Compton o el objeto se muevan de manera que la nueva ubicación de los píxeles esté lista para la iluminación. La imagen del objeto es construida con la mínima dosis posible de rayos X o rayos gamma. Un aspecto importante de la presente invención es que este procedimiento de control de retroalimentación no perturba en modo alguno el funcionamiento de estado estacionario de los subsistemas de láser o acelerador de LCXS/LCGS y, por lo tanto, el haz disponible para la exposición en cada ubicación de la imagen es idéntico de píxel a píxel una vez desactivado el interruptor electroóptico. Otro aspecto importante de este sistema de obtención imágenes es que el rango dinámico de la imagen no está limitado por el rango dinámico del detector sino más bien por el tiempo en que se está dispuesto a permanecer en un píxel cualquiera.
La dispersión de láser Compton (a menudo también denominada dispersión Compton inversa) es el proceso en el que un pulso láser energético es dispersado por un grupo de electrones relativistas de corta duración. Este proceso ha sido reconocido como un procedimiento conveniente para la producción de ráfagas de corta duración de radiación cuasimonoenergética, de rayos X y de rayos gamma. En la técnica, la luz láser incidente induce un movimiento dipolar transversal del grupo de electrones que, cuando es observado en el marco de reposo del laboratorio, parece ser un haz de radiación desplazado por el efecto Doppler y dirigido hacia adelante. El espectro de cualquier fuente de láser Compton se extiende desde DC hasta 4 veces al cuadrado la energía de los fotones láser incidentes para encabezar las colisiones láser-electrón. (El gamma es la energía normalizada del haz de electrones, es decir, la energía del electrón dividida por la energía de la masa restante del electrón. Gamma = 1 cuando la energía del electrón = 511 keV).
Por el cambio de la energía del grupo de electrones, se han producido haces de radiación de alta energía que oscilan de rayos X de -10 keV a rayos gamma de >20 MeV y se han usado para una amplia gama de aplicaciones. El espectro de la luz Compton radiada está altamente correlacionado en ángulo con la dirección de propagación del haz de electrones, con los fotones de mayor energía emitidos sólo en dirección hacia adelante. Con una abertura adecuadamente diseñada colocada en la trayectoria del haz de rayos X o rayos gamma, se pueden crear pulsos de luz de rayos X o rayos gamma cuasimonoenergéticos cuyo ancho de banda (DE/E) es típicamente de 10% o menos. En el Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), se han diseñado sistemas para la generación de rayos gamma de ancho de banda estrecho (ancho de banda del orden de 0,1%) que pueden usarse para excitar resonancias nucleares específicas de isótopos. Tales haces de rayos gamma pueden producirse mediante un diseño optimizado de la interacción del láser y el electrón y con el uso de haces de láser y de electrones de alta calidad cuyos espectros respectivos son menores que 0,1%.
Las fuentes de láser Compton de rayos X (LCXS) y las fuentes de láser Compton de rayos gamma (LCGS) también están altamente colimadas, especialmente en comparación con las fuentes convencionales de rayos X giratorias o de rayos gamma bremsstrahlung. El ángulo del cono para la emisión del espectro de media ancho de banda es de aproximadamente 1 radián en los gamma o del orden de los milirradianes, mientras que el ángulo del cono para la ancho de banda más estrecha, el espectro en el eje puede ser del orden de 10 microrradianes. Las típicas fuentes de ánodos giratorios tienen divergencias de haz de -500 milirradianes. Es este alto grado de colimación lo que hace que los dispositivos LCXS o LCGS sean ideales para las modalidades de obtención de imágenes píxel a píxel. Por ejemplo, una LCGS con un ancho de banda de 0,1% puede tener un diámetro de haz del orden de 100 micrones incluso a una distancia de un metro del punto de creación de los rayos gamma.
El diseño básico de las fuentes de láser Compton de rayos X y rayos gamma es conocido en la técnica. Véase, por ej., la Patente de los Estados Unidos Núm. 8.934.608, titulada "High Flux, Narrow Bandwidth Compton Light Sources Via Extended Laser-Electron Interactions", incorporada en la presente memoria por referencia. Por ejemplo, en la Patente de los Estados Unidos Núm. 8.934.608, un sistema de láser proporciona un rayo UV para conducir la pistola de fotones del acelerador lineal. En una realización, la interrupción de este haz láser apaga los grupos de electrones proporcionados del acelerador lineal. En el resto de la presente divulgación, la salida de cualquiera de los rayos X de los rayos gamma de la fuente de láser Compton se puede denominar haz Compton. La FIG. 1 muestra un diseño general ejemplar de una realización de la invención que usa un cambio electroóptico después del amplificador de láser de una fuente de láser Compton. En la figura, un reloj RF 10 sincroniza tanto el láser de interacción 12 como el láser de la pistola de fotones 14. El láser de la pistola de fotones 14 ilumina el fotocátodo del acelerador lineal 16 que proporciona grupos de electrones a la región de interacción 18, como es conocido en la técnica. La producción del láser de interacción 12 está linealmente polarizada por el polarizador 20, cuya producción está dirigida a un modulador electroóptico 22. En una realización, si no hay voltaje aplicado al modulador E-O 22, se deja pasar la luz de láser que tiene la polarización lineal puesta por el polarizador 20 a través del polarizador 24 y propagar a la región de interacción 18 en la que colisiona con los grupos de electrones para producir una haz de Compton que está dirigido a un objeto 26 para obtención de imágenes. En base a la presente divulgación, los expertos en la técnica reconocerán que una variedad de medios pueden ser usados en lugar de la combinación de polarizadores y modulador E-O descrita con anterioridad para permitir o evitar que el haz láser de salida sea propagado a la región de interacción 18. Al evitar que el haz láser de salida colisione con los grupos de electrones el sistema es apagado efectivamente y no serán producidos rayos X ni rayos gamma de propagación al objeto. Los electrones dispersados por la colisión con el haz láser son recogidos en un colector de electrones 28. El sistema está configurado de manera que una porción del haz Compton que pasa por el objeto pasará a su vez por un tubo de colimación 30 antes de su propagación al detector 32. Entre el detector y el interruptor E-O está conectado un sistema informático 34 con adquisición de datos y medios para controlar el interruptor E-O. En el funcionamiento, se permite que el haz láser sea propagado en la región de interacción de manera que se produzca un haz Compton sólo durante el período de tiempo requerido para que al menos un píxel del detector registre un umbral de señal predeterminado. Una vez que se ha alcanzado este umbral, el sistema informático opera el modulador E-O para evitar que el haz láser sea propagado más allá, cerrando así la producción del haz Compton. El objeto o el haz Compton puede desplazarse a un lugar diferente del objeto y el haz Compton se enciende nuevamente hasta que se alcanza un umbral de detección. De esta manera se puede producir una imagen de la densidad del objeto. Al permitir que sólo sea propagada la cantidad de radiación del haz Compton a cada ubicación del objeto requerida para alcanzar un umbral de detección, la cantidad de radiación absorbida por el objeto se minimiza en cada ubicación del objeto medido.
Como se ha examinado brevemente anteriormente, la salida de una LCXS o LCGS depende de la presencia simultánea de fotones y electrones de láser en el punto de colisión, que a menudo es denominado punto de interacción o, en el ejemplo anterior, región de interacción 18. La eliminación de los fotones láser o los electrones para que no alcancen el punto de colisión elimina completamente la salida de la fuente. Si se desea apagar rápidamente la salida de rayos X o rayos gamma, existen diversas alternativas, algunas de las cuales son descritas a continuación.
1) Un procedimiento de conmutación es desviar el pulso del láser de la región de interacción. Esto puede lograrse pasando un pulso de láser polarizado a través de un interruptor electroóptico compuesto por una célula de Pockels y un polarizador. Un ejemplo de tal configuración fue descrito anteriormente en la realización de la FIG. 1. La FIG. 2 muestra una vista ampliada de tal "desviación espacial" de la salida del láser de interacción 12 descrita en la realización de la FIG. 1. El voltaje 34' aplicado al modulador E-O (célula de Pockels) 22 hace girar la polarización del pulso del láser. Un voltaje de media onda girará la polarización en 90 grados cambiando así la dirección del haz en el polarizador 24. Las ventajas de este procedimiento son que es rápido, dado que la célula de Pockels puede recibir pulsos de nanosegundos, es capaz de conmutar los pulsos energéticos del láser (a nivel de joule y superior), y el procedimiento deja la mayor parte del sistema láser ascendente sin cambios, ni térmicos ni ópticos. Este procedimiento, por supuesto, tampoco perturba en absoluto el acelerador de electrones. Este procedimiento también tiene el menor retraso entre el detector 32 y un estado "apagado" de la fuente Compton.
2) Otro procedimiento de conmutación es desviar el pulso del láser inicial antes de la amplificación en la cadena de láser. Esto se puede hacer a través de diversos procedimientos electroópticos, incluyendo el descrito anteriormente, pero también a través de conmutadores Mach-Zender similares a los usados en la industria de las telecomunicaciones o a través de conmutadores acústicos ópticos. Las ventajas en este caso son que los conmutadores pueden ser más rápidos (sub-nanosegundos) debido al menor tamaño del haz láser y que el costo y el tamaño del dispositivo de conmutación también pueden ser menores. La desventaja es que la mayor parte de la cadena de amplificación del láser no permanece inalterada térmicamente, por lo que puede haber distorsiones transitorias en el haz láser tras el reinicio de la cadena de amplificación. En la presente divulgación, el conmutador Mach-Zender está situado entre el haz inicial y el amplificador. Los conmutadores Mach-Zender son conocidos en la técnica.
3) Otro procedimiento de conmutación es desviar el pulso del láser UV que crea los grupos de electrones en el acelerador lineal. El cambio en este caso puede tener las ventajas descritas en el apartado 2) anterior. La desventaja es que el rendimiento del acelerador de electrones de estado estacionario depende de la carga del haz de electrones en la estructura del acelerador y, por lo tanto, puede haber cambios transitorios en el haz de electrones al reiniciarse.
4) Otro procedimiento de conmutación es programar a destiempo el pulso del láser UV que crea los grupos de electrones en el acelerador lineal. El retraso requerido para mantener el rendimiento del haz de electrones pero perdiendo el pulso del láser es un ciclo de r F o nominalmente 100 ps para un acelerador de RF de alta frecuencia. Dado que el tiempo de tránsito a través de la región en la que interactúan el pulso de electrón y el de láser puede ser mucho menor que 100 ps, los retrasos más pequeños pueden apagar eficazmente la salida de rayos X o rayos gamma, pero estos retrasos también inyectarán electrones desfasados en el acelerador y, por lo tanto, afectarán potencialmente la dinámica de los posteriores grupos de electrones.
5) Aún otro procedimiento de conmutación es programar ligeramente a destiempo los pulsos del láser inicial para la cadena de amplificación del láser. El retraso requerido en este caso es del orden del tiempo de tránsito del láser y del grupo de electrones a través de la región de interacción, que es significativamente menor (picosegundos) que la duración de la ganancia del amplificador del láser (típicamente 100s de microsegundos). Tales retrasos pueden ser creados por diversos procedimientos electroópticos, entre estos una disposición de células de Pockels, como es ilustrado en la FIG. 3. Este procedimiento deja nuevamente la cadena de láser y el acelerador en su configuración térmica y eléctrica estable y permite así un modo de funcionamiento de encendido y apagado instantáneo. Con referencia a la FIG. 3, un pulso del haz inicial del láser inicial de baja energía 50 es propagado a través de una celda Pockels 52 que establece la polarización en paralelo al plano de la página. En esta configuración, el haz pasa a través de los polarizadores 54 y 56 y al amplificador del láser de interacción 58. Un voltaje suficiente aplicado a la célula Pockels 52 hace girar la polarización del haz láser inicial 90 grados. Esto hace que el polarizador 54 refleje el haz al espejo 60 que refleja el haz al espejo 62 que refleja el haz al polarizador 56 que refleja el haz al amplificador del láser de interacción 58. El aumento de la distancia de la trayectoria del haz producido por la reflexión del haz por la célula de Pockels 52 causa un mayor retraso en el tiempo de propagación del haz desde el láser inicial 50 hasta el amplificador del láser de interacción 58. Como ha sido mencionado anteriormente, si este retraso es una pequeña fracción de la duración de la ganancia del medio de ganancia del amplificador de láser, el láser no nota el cambio en absoluto. En el presente caso el cambio requerido para apagar el haz Compton es menos que 1 parte en 1.000.000.
De los procedimientos descritos anteriormente, son preferentes el 1 y el 5, y el 1 es preferente sobre el 5 para las fuentes Compton que usan grupos de electrones muy espaciados.
Para realizar con precisión la obtención de imágenes de retroalimentación, la salida de la fuente debe ser conocida por un medio calibrado secundario diferente a la interceptación de la totalidad del haz con un detector de integración. En el caso del láser Compton, esto puede hacerse de diversas maneras.
Es requerido saber cuántos fotones han incidido en el objeto para alcanzar el umbral de detectabilidad. Se puede suponer que el haz Compton tiene una salida constante y se hace una simple monitorización del tiempo en que el rayo estuvo encendido antes de que sea alcanzado el umbral. Cabe destacar que esto puede producir resultados erróneos si el haz Compton cambia en función del tiempo. Los comentarios a continuación evitan este problema usando las propiedades únicas de los rayos Compton para determinar el flujo absoluto que iluminó el píxel individual del objeto.
1) En primer lugar pueden ser medidos los parámetros del haz de electrones en estado estacionario y luego calibrar la producción de rayos X o rayos gamma en función de la interacción de la energía del haz láser. Dado que la energía del haz láser de interacción no se ve atenuada significativamente por el proceso de dispersión Compton (1 parte en 1010), la medición de la energía del pulso láser después de la región de interacción proporciona una medición de alta precisión del campo láser presente durante la interacción con el grupo de electrones que puede usarse a su vez mediante la calibración previa para determinar el flujo de rayos X o rayos gamma producidos.
2) El espectro producido por la dispersión láser Compton está altamente correlacionado con el ángulo. Para la mayoría de los casos de obtención de imágenes, se desea usar los fotones de mayor energía, cerca del eje, para obtener obtención de imágenes por retroalimentación y eliminar los fotones de menor energía (de mayor absorción) fuera del eje, pasando el haz a través de una abertura. La energía de rayos X o rayos gamma depositada en esta abertura es proporcional a la salida total de láser Compton y proporcional al flujo en el eje usado para la obtención de imágenes. La energía depositada en la abertura puede ser determinada de diversas maneras dependiendo de la composición material de la abertura. Si la abertura, por ejemplo, estuviera fabricada con un material de centelleo, podrían recogerse los fotones de centelleo como medida proporcional del flujo total del haz.
3) Se podría pasar todo el haz o sólo la porción fuera del eje o sólo la porción en el eje del haz antes de la iluminación del objeto a través de una cámara de ionización estándar usada para medir la dosis de rayos X o rayos gamma.
Tras salir del objeto, el haz transmitido no disperso o no atenuado pasa a través de una abertura estrecha, como se muestra en la FIG. 1, cuyo diámetro es el tamaño del diámetro del haz. Esta abertura sirve para rechazar cualquier radiación dispersa de ángulo pequeño del objeto iluminado (un problema común en la radiografía médica). Detrás de la abertura es colocado un detector de alta sensibilidad cuya respuesta está optimizada para ser sensible a los fotones individuales de los rayos X o rayos gamma iluminantes pero no a la radiación visible o UV circundante (tales detectores a menudo son denominados detectores "ciegos a la luz solar"). Cabe destacar que no es crítico que la abertura de rechazo de la dispersión esté delante del detector, pero que al hacerlo se creará una imagen con la menor dosis posible.
El objetivo de las imágenes de rayos X o rayos gamma es determinar las variaciones de densidad dentro del objeto en función de la posición. En esta idea, tal mapa de variaciones de densidad es obtenido por la iluminación de un pixel (o una pequeña área del objeto) a la vez. El número de fotones de rayos X o rayos gamma que inciden en el objeto se incrementa desde cero hasta que son detectados un solo fotón o unos pocos fotones mediante un detector de alta eficiencia. La duración de la iluminación y, por tanto, el número total de fotones incidentes se registra cuando esto ocurre y se asocia al píxel. A continuación, el objeto es desplazado con relación al haz o el haz es barrido hasta una nueva ubicación en el objeto y se repite el procedimiento. De esta manera es obtenido un mapa 2D del número de fotones requeridos para producir un solo fotón o un número umbral de fotones en el detector. A partir de esto, y del conocimiento del espesor total del objeto en función de la posición 2D, es posible determinar la atenuación del objeto en función de la posición 2D y así construir la "radiografía" equivalente del objeto que se obtendría por medios convencionales. Basándose también en la presente divulgación, cabe señalar que este procedimiento de creación de una imagen 2D puede ser ampliado por los expertos en la técnica para producir imágenes tomográficas 3D repitiendo el procedimiento anterior para producir diferentes vistas del objeto. La creación de una imagen 2D de la manera descrita anteriormente tiene las siguientes ventajas distintivas:
1) el flujo total que ilumina el objeto es absolutamente el mínimo posible para determinar la atenuación en una posición dada. Una vez que se ha detectado el fotón umbral (o número de fotones) en una posición dada, se deja de iluminar y se ilumina una nueva posición. Tómese por caso un objeto en el que un área que es 1/10 del área total de la imagen tiene una atenuación 10 veces mayor que el resto del objeto. En la obtención de imágenes convencional, todo el objeto estará sujeto a un flujo suficiente para determinar la atenuación de la pequeña región densa. Si las imágenes son obtenidas mediante la técnica descrita anteriormente, se podría obtener la misma información con una dosis total nominalmente 10 veces inferior al objeto.
2) el rango dinámico de la información de densidad obtenida no depende del rango dinámico del sistema de detección de fotones, sino más bien del rango dinámico mediante el cual se puede ajustar el haz de rayos X o rayos gamma de entrada que, en principio, puede ser muchos órdenes de magnitud mayores que el del detector.
3) la influencia de la dispersión de fotones dentro del objeto sobre la imagen es efectivamente eliminada. La abertura delante del detector, que puede ser un largo tubo colimado de alta densidad alineado con el eje del haz de entrada, evita que los fotones dispersos lleguen al detector de alta eficiencia.
La resolución de la imagen descrita anteriormente es la del área del haz en el objeto. Para las fuentes de láser Compton optimizadas para colimación, el área del haz en el objeto puede ser del orden de 100 micrones. Sin embargo, para las fuentes de láser Compton en las que es usado un punto láser pequeño y pequeños tamaños de puntos de electrones para crear un alto flujo de rayos X o rayos gamma, la divergencia del haz de rayos X o rayos gamma puede ser de milirradianes y el área del haz en el objeto puede ser del orden de los milímetros. Sin embargo, el tamaño de la fuente de láser Compton en este caso puede ser de micrones (10 micrones es un valor fácilmente alcanzable) y, por lo tanto, existe la posibilidad de obtener imágenes de resolución espacial mucho más alta y, de hecho, de mayor resolución que obtenida típicamente de una fuente de ánodo giratorio. Es posible usar obtención de imágenes por retroalimentación con una configuración de láser Compton de punto pequeño para obtener imágenes de baja dosis, alto rango dinámico y alta resolución espacial si es sustituido el detector de un solo píxel por un detector de matriz de píxeles de área pequeña cuyo tamaño de matriz subtiende el tamaño del haz en el objeto. Por ejemplo, si el tamaño del haz fuera de 1 mm en el objeto pero el tamaño de la fuente de láser Compton de los fotones fuera de 10 micrones, se podría usar una matriz de 100 x 100 píxeles de 10 micrones para obtener imágenes de 10 micrones o de mejor resolución del objeto. El valor de umbral de detección que determina el momento de pasar a la siguiente ubicación de la imagen puede ser determinado ya sea por el total de fotones recogidos por toda la matriz o por el nivel mínimo requerido para asegurar que cada píxel ha sido suficientemente iluminado.
También cabe destacar que la obtención de imágenes por retroalimentación con fuentes de láser Compton, tal como es descrita en la presente memoria, se adapta muy bien a los esquemas de imágenes de rayos X de dos colores, en los que se expone el objeto a ser fotografiado a rayos X con energías que están tanto por encima como por debajo de la absorción del borde k del material objetivo. Las dos imágenes se sustraen entonces para crear un mapa de mayor contraste del material deseado que el que se obtendría mediante la obtención de imágenes de un solo color, debido a que las fuentes de láser Compton tienen una alta correlación angular en su salida espectral. Mediante la apertura seleccionando sólo la porción central de la salida del láser Compton se puede obtener un rayo con un ancho de banda muy por debajo de 10%. Ligeros cambios en la energía de los fotones del láser o en la energía del haz de electrones permiten producir haces de rayos X que se sintonizan ya sea por encima o por debajo de la absorción del borde k del material deseado. La dosis requerida para alcanzar un nivel de umbral de detección será, por supuesto, menor para el caso de los fotones por debajo del borde k del material. De este modo, el despliegue de obtención de imágenes por retroalimentación como es descrito en la presente memoria para cada una de las dos imágenes reduce al mínimo la dosis total a la que se somete el objeto.
Por último, es importante señalar que, si bien los ejemplos presentados en la presente memoria sugieren usar una célula de Pockels como un rápido conmutador electroóptico para desviar espacialmente el haz láser de interacción de la interacción con el rayo de electrones para producir fotones Compton, o para retrasar temporalmente el láser de interacción de modo que llegue a la región de interacción en un momento en que no haya electrones, podrían preverse muchos otros medios de desviación espacial y temporal controlados electrónicamente. Estos incluyen, pero sin limitación, sistemas acústicos-ópticos activados electrónicamente, líneas de retardo de fibra óptica controladas electrónicamente, desviación directa de rayos electroópticos, rotación de polarización cruzada de rayos láser, etc. El punto saliente de la presente invención es que la deflexión o el retraso del láser de interacción es realizado de una manera tal que no afecte o perturbe el funcionamiento de estado estacionario del láser o los sistemas de haz de electrones de la fuente de láser Compton, de modo que cuando la señal electrónica que inicia la desviación o el retraso del haz sea eliminada, la fuente de láser Compton regrese inmediatamente a su estado normal de producción de rayos X o rayos gamma. Este aspecto es fundamentalmente diferente de la obtención de imágenes por retroalimentación realizadas con los dispositivos convencionales de ánodo giratorio.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento, que comprende:
proporcionar un haz de una fuente de láser Compton de rayos X o rayos gamma; dirigiendo dicho haz a la primera ubicación de un objeto;
detectar, en el umbral de detección de un detector, una primera porción de dicho haz que pasa a través de dicha primera ubicación, para producir una primera señal detectada en dicho detector;
siendo el umbral de detección del detector determinado por un número de fotones requeridos en un píxel del detector para lograr un nivel de umbral de detectabilidad, para producir así dicha primera señal detectada; al alcanzar el umbral de detección y producir dicha primera señal detectada, evitar que dicho haz sea propagado a la primera ubicación;
determinar un primer número de fotones o una primera energía de haz dirigida a dicha primera ubicación, en el que dicho primer número de fotones o dicha primera energía de haz es la cantidad requerida para producir dicha primera señal detectada en dicho umbral de detección de dicho detector;
dirigir dicho haz a una segunda ubicación de dicho objeto;
detectar, en dicho umbral de detección de dicho detector, una segunda porción de dicho haz que pasa a través de dicha segunda ubicación, para producir una segunda señal detectada en dicho detector;
al alcanzar dicho umbral de detección y producir dicha segunda señal detectada, evitar que dicho haz sea propagado a dicha segunda ubicación;
determinar un segundo número de fotones detectados en dicha segunda ubicación si fue determinado dicho primer número de fotones, o una segunda energía de haz detectada en dicha segunda ubicación si fue determinada dicha energía de haz en dicha segunda ubicación, en el que dicho segundo número de fotones o dicha energía de haz es la cantidad requerida para producir dicha segunda señal detectada en dicho umbral de detección; y
producir un mapa de las variaciones de densidad de dicho objeto usando (i) dicho primer número de fotones y dicho segundo número de fotones, o (ii) dicha energía de primer haz y dicha energía del segundo haz.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicho primer número de fotones o dicha energía de primer haz requerido para alcanzar dicho primer umbral es determinado midiendo el tiempo de iluminación requerido por dicho haz para alcanzar dicho nivel de detectabilidad de primer umbral.
3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicho haz es producido por una fuente que incluye un acelerador lineal para proporcionar una serie de grupos de electrones relativistas dirigidos a una región de interacción, en el que dicha fuente comprende además un láser de interacción para proporcionar un haz pulsado de luz láser dirigido a dicha región de interacción para colisionar con dichos grupos de electrones para producir dicho haz cuasimonoenergético.
4. El procedimiento de la reivindicación 3, en el que la etapa de evitar que dicho haz sea propagado comprende desviar en el espacio dicho haz pulsado de luz láser de la colisión con dichos grupos de electrones.
5. El procedimiento de la reivindicación 4, en el que la etapa de evitar que dicho haz sea propagado evita que dicho objeto sea expuesto a dicho haz cuasimonoenergético hasta que dicho haz cuasimonoenergético o dicho objeto se mueva de forma que pueda ser iluminada una nueva ubicación.
6. El procedimiento de la reivindicación 3, en el que la etapa de evitar que dicho haz sea propagado comprende desviar en el tiempo dicho haz pulsado de luz láser de la colisión con dichos grupos de electrones.
7. El procedimiento de la reivindicación 6, en el que la etapa de evitar que dicho haz sea propagado evita que dicho objeto sea expuesto a dicho haz cuasimonoenergético hasta que dicho haz cuasimonoenergético o dicho objeto se mueva de forma que pueda ser iluminada una nueva ubicación.
8. El procedimiento de la reivindicación 3, en el que la etapa de evitar que dicho haz sea propagado no perturba en modo alguno el funcionamiento en estado estacionario de dicho láser de interacción o dicho acelerador y, por lo tanto, el haz disponible para la exposición en cada lugar de la imagen es idéntico de un lugar a otro durante las etapas de direccionamiento de dicho haz.
9. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicho haz es un haz cuasimonoenergético que tiene un ancho de banda relativo de <20%.
10. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha energía de haz para alcanzar el umbral es determinada midiendo el tiempo de iluminación requerido por la fuente de energía constante para alcanzar dicho umbral de detectabilidad.
11. Un aparato, que comprende:
una fuente de láser Compton de rayos X o rayos gamma para proporcionar un haz, en el que dicha fuente incluye un acelerador lineal para proporcionar una serie de grupos de electrones relativistas dirigidos a una región de interacción, en el que dicha fuente comprende además un láser de interacción para proporcionar un haz pulsado de luz láser dirigido para colisionar con dichos grupos de electrones en una región de interacción para producir dicho haz;
un detector configurado para detectar una porción de dicho haz después de que pasa a través de la ubicación de un objeto;
teniendo el detector un umbral de detección que es determinado por un número de fotones requeridos en un píxel del detector para lograr un nivel de umbral de detectabilidad;
medios para determinar el número de fotones o una energía de un primer haz, en dicha ubicación, que fueron requeridos para alcanzar el nivel de umbral de detectabilidad por dicho detector;
medios adaptados para desviar o retrasar el láser de interacción para evitar que dicho haz sea propagado a dicha ubicación cuando el dicho detector detecte dicho nivel de umbral de detectabilidad, en el que dichos medios para evitar que dicho haz sea propagado a dicha ubicación no afecta sustancialmente o perturba sustancialmente el funcionamiento de estado estacionario de dicho láser de interacción o dicho acelerador lineal.
12. El aparato de la reivindicación 11, en el que dicho medio para determinar el número de fotones o la energía de primer haz en dicha ubicación mide el tiempo de iluminación requerido por dicho haz para lograr dicho nivel de umbral de detectabilidad.
13. El aparato de la reivindicación 11, en el que dicho medio para evitar que dicho haz sea propagado desvía en el espacio o tiempo dicho haz pulsado de luz láser de la colisión con dichos grupos de electrones.
14. El aparato de la reivindicación 11, en el que dicho haz es un haz cuasimonoenergético que tiene un ancho de banda relativo de <20%.
15. El aparato de la reivindicación 11, en el que dicho medio para evitar que dicho haz sea propagado a dicha ubicación desvía el pulso del láser inicial antes de la amplificación en la cadena de láser de dicha interacción láser.
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