ITPI20130069A1

ITPI20130069A1 - Struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione e metodo per localizzare una scintillazione in una matrice di cristalli scintillatori

Info

Publication number: ITPI20130069A1
Application number: IT000069A
Authority: IT
Inventors: Maria Giuseppina Bisogni; Guerra Alberto Del; Matteo Morrocchi
Original assignee: Univ Pisa
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2015-01-16

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: “STRUTTURA PERFEZIONATA DI RIVELATORE A SCINTILLAZIONE E METODO PER LOCALIZZARE UNA SCINTILLAZIONE IN UNA MATRICE DI CRISTALLI SCINTILLATORI”,

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda il settore delle apparecchiature per eseguire tomografie a emissione di positroni, o PET (Positron Emission Tomography), ed in particolare si riferisce ad una struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione adottabile in una apparecchiatura per eseguire tomografie PET.

Inoltre, l’invenzione si riferisce ad un relativo metodo per rivelare una scintillazione utilizzando una siffatta struttura di rivelatore a scintillazione.

Descrizione della tecnica nota

La PET (Positron Emission Tomography) è una tecnica diagnostica in emissione utilizzata per ricostruire la densità di un tracciante β+, ovvero una sostanza radioattiva che emette positroni, all’interno del campione esaminato. Nel caso in cui il soggetto sia una persona l’esame è destinato a indagine clinica, mentre nel caso della PET su animali, trattasi normalmente di cavie, o ratti, a fini di ricerca medica o farmacologica. In entrambi i casi, nel corpo del soggetto da sottoporre a tomografia vengono iniettate sostanze traccianti legate a isotopi radioattivi che si accumulano in particolari organi, o parti, del corpo e ivi decadono.

Lo scanner PET è costituito da un insieme di rivelatori posti attorno al campione in modo da rivelare l’arrivo in coincidenza della coppia di fotoni gamma prodotti dall’annichilazione del positrone nel tessuto. I rivelatori di maggiore diffusione in tale ambito sono composti da cristalli scintillatori accoppiati a fotorivelatori.

I cristalli scintillatori sono sensibili ai raggi gamma e sono in grado di convertirli in fotoni di luce visibile aventi la frequenza caratteristica del materiale nel quale sono realizzati. I fonorivelatori, in generale tubi fotomoltiplicatori, o fototubi sensibili alla posizione, raccolgono tali fotoni e li trasformano in impulsi elettrici che vengono processati da sistemi di acquisizione, che permettono di discriminare eventi significativi dal rumore di fondo del sistema. Molti fattori di merito che determinano le prestazioni dello scanner sono legati alle caratteristiche del rivelatore utilizzato, in particolare alla risoluzione energetica, spaziale, temporale ed alla sensibilità.

I cristalli scintillatori sono in prevalenza costituiti da matrici di pixel, mentre i foto-rivelatori sono foto-tubi (PMT) o più recentemente APD (Avalanche Photo-Diode), o SiPM (Silicon Photo-Multiplier). Questi ultimi sono compatti e insensibili al campo magnetico e trovano possibili applicazioni in scanner combinati PET – MRI (Magnetic Resonance Imaging). I SiPM hanno una risposta molto veloce e quindi risoluzione temporale migliore rispetto ai più tradizionali foto-tubi.

La risoluzione spaziale è legata, nel caso di un cristallo pixellato, alle dimensioni della sezione del pixel. Tuttavia, cristalli troppo piccoli necessitano di un numero di canali di lettura molto elevato ed implicano una elevata complessità ed un maggiore costo dello scanner. La conformazione dei tradizionali scanner implementati con rivelatori SiPM è quella di una serie di cristalli pixellati accoppiati 1 ad 1 su una delle due superfici di base a una matrice di rivelatori SiPM.

In rivelatori con cristalli pixellati accoppiati ad una matrice di foto-rivelatori non si ottiene l’informazione riguardante l’altezza a cui il fotone ha interagito all’interno del singolo cristallo (Depth of Interaction). Questa informazione risulta particolarmente importante nei punti più lontani dal centro del campo di vista, cioè quando l’identificazione della Linea di Volo percorsa dalla coppia di fotoni di annichilazione risulta più imprecisa.

Come noto, infatti, i tomografi PET presentano generalmente geometria cilindrica, perciò i cristalli scintillatori sono disposti lungo un arco di circonferenza, e le distanze tra l’asse di una coppia e quello di un’altra si riducono ai bordi del campo di vista. Inoltre, quando l’asse della coppia di rivelatori comincia ad essere sempre più inclinato rispetto alle superfici dei due rivelatori, si verifica un errore di posizionamento, detto errore di parallasse.

Nelle macchine di tecnica nota, generalmente, si cerca di ridurre l’errore di parallasse diminuendo la lunghezza dei cristalli.

Tuttavia, questa soluzione comporta inevitabilmente una riduzione dell’efficienza di rivelazione.

Un’altra soluzione prevede di impiegare “sandwich” di diversi materiali scintillanti a diversa costante di decadimento della luce di scintillazione. Questa soluzione, tuttavia, risulta complessa strutturalmente e comporta costi elevati.

Sintesi dell’invenzione

È, quindi, scopo della presente invenzione fornire una struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione che consenta di diminuire il numero di canali di trasmissione necessari per trasmettere i segnali elettrici dai fotorivelatori all’unità di elaborazione e che quindi permetta di velocizzare e semplificare l’elaborazione dei dati e di abbattere i costi.

È un altro scopo della presente invenzione fornire una struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione avente una architettura semplificata rispetto a soluzioni di tecnica nota senza deteriorare la risoluzione spaziale dello scanner.

È uno scopo particolare della presente invenzione fornire un metodo per rilevare una scintillazione all’interno di una matrice di cristalli scintillatori che abbia i medesimi vantaggi sopra descritti per la struttura perfezionata di rivelatore.

Questi ed altri scopi sono raggiunti da una struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione, secondo la<presente invenzione, comprendente:>

− una matrice di cristalli scintillatori costituita da un predeterminato numero di pixel, con la funzione di emettere un segnale luminoso quando il loro attraversamento da parte di fotoni ad elevata energia<provoca una scintillazione;>

− un primo gruppo di fotorivelazione disposto su un primo lato della matrice di cristalli scintillatori, detto primo gruppo di fotorivelazione comprendendo una prima pluralità di fotorivelatori di forma allungata orientati lungo una prima direzione e atti a convertire una prima parte del segnale luminoso in un<primo segnale elettrico;>

− un secondo gruppo di fotorivelazione disposto dalla parte opposta rispetto al detto primo gruppo di fotorivelazione sulla matrice di cristalli scintillatori, detto secondo gruppo di fotorivelazione comprendendo una seconda pluralità di fotorivelatori di forma allungata orientati lungo una seconda direzione ortogonale alla prima direzione e atti a convertire una seconda parte del segnale luminoso in<un secondo segnale elettrico;>

− una unità di elaborazione dei segnali elettrici analogici ottenuti da detto primo e detto secondo gruppo di fotorivelazione, detto primo e detto secondo segnale elettrico essendo trasmessi da detto primo e detto secondo gruppo di fotorivelazione all’unità di elaborazione attraverso una unità di trasmissione comprendente una pluralità di canali di trasmissione, a ciascuno dei quali è associato un fotorivelatore, detta unità di elaborazione essendo atta a elaborare detti segnali elettrici secondo una codifica rigacolonna in modo tale da determinare le coordinate spaziali (x,y) del punto di detta matrice di cristalli scintillatori nel quale detta scintillazione si è verificata.

Questa particolare soluzione tecnica consente di ridurre il numero di canali necessari per trasmettere i segnali elettrici dai gruppi di fotorivelazione all’unità di elaborazione rispetto alle soluzioni di tecnica nota. Più in dettaglio, se N è il numero di cristalli per ciascuna riga e per ciascuna colonna della matrice quadrata di cristalli che quindi presenta un numero complessivo di cristalli pari a NxN, la soluzione prevista dalla presente invenzione consente di impiegare un numero complessivo di canali pari a N+N.

In particolare, il primo ed il secondo segnale elettrico sono di tipo analogico.

A seguito della suddetta scintillazione, una prima frazione di energia di scintillazione giunge in corrispondenza del primo gruppo di fotorivelazione, in particolare tramite riflessioni sulle pareti dei cristalli, e una seconda frazione di energia di scintillazione giunge in corrispondenza del secondo gruppo di fotorivelazione. L’unità di elaborazione è vantaggiosamente atta a misurare il rapporto tra la prima e la seconda frazione di energia e a determinare sulla base di tale rapporto la coordinata (z) del punto, ossia del pixel, di detta matrice di cristalli scintillatori nel quale si è verificata la scintillazione.

Vantaggiosamente, i fotorivelatori della prima pluralità, così come i fotorivelatori della seconda pluralità, sono elettricamente connessi in parallelo.

<− fotomoltiplicatori al silicio, o SiPM;>

− contatori di fotoni multi pixel, o MPPC;

− fotodiodi a valanga, o APD;

o una loro combinazione.

I fotorivelatori della prima e della seconda pluralità di fotorivelatori sono preferibilmente fotomoltiplicatori al silicio, o SiPM. Questa tipologia di fotorivelatori è caratterizzata da una risposta molto veloce e consente di ottenere una risoluzione temporale migliore rispetto ad altre soluzioni. Inoltre, i fotomoltiplicatori al silicio, o SiPM, sono insensibili al campo magnetico e pertanto risultano particolarmente adatti ad un impiego nel campo degli scanner combinati PET-MRI, ossia Positron Emission Tomography - Magnetic Resonance Imaging.

In particolare, ciascun fotomoltiplicatore al silicio comprende una matrice di fotorivelatori allo stato solido, o SPAD “Single Photon Avalanche Diode”, collegati in parallelo tra di loro, in modo tale da consentire una lettura di più dispositivi in parallelo su un unico canale analogico.

In una possibile forma realizzativa dell’invenzione, la matrice di cristalli scintillatori comprende una pluralità di singoli cristalli scintillatori separati da materiale non perfettamente riflettente (o parzialmente assorbente), in modo da poter agire sulla percentuale di luce visibile che arriva alle due superfici di base della matrice di cristalli scintillatori in corrispondenza delle quali sono disposte le unità di fotorivelazione.

Preferibilmente, i cristalli scintillatori della matrice sono disposti adiacenti.

Vantaggiosamente, il fotorivelatore di forma allungata presenta forma sostanzialmente rettangolare di larghezza LFe lunghezza lFe ciascun cristallo scintillatore di detta pluralità presenta una sezione sostanzialmente quadrata con lato di una predeterminata lunghezza lC.

Preferibilmente, la lunghezza lCdel lato dei cristalli scintillatori è uguale, o inferiore, alla larghezza LFdel fotorivelatore di forma allungata.

Vantaggiosamente, la predeterminata lunghezza lCdel lato di ciascun cristallo scintillatore della matrice è compresa tra 0.75 mm e 3.00 mm.

Vantaggiosamente, ciascun cristallo scintillatore della matrice presenta una altezza compresa tra 5 mm e 20 mm.

In particolare, la matrice di cristalli scintillatori sono realizzati in Ortosilicato di Lutezio dopato con Ittrio (LYSO).

Vantaggiosamente, tra la matrice di cristalli scintillatori e ciascun gruppo di fotorivelazione è previsto uno strato di materiale otticamente trasparente. Questo può essere grasso ottico avente un indice di rifrazione intermedio tra quello della matrice di cristalli scintillatori e quello dei fotorivelatori.

In questo modo la luce generata all’interno del cristallo viene diffusa su più rivelatori. Ciò consente di ridurre le probabilità che il fotorivelatore interessato dall’evento possa andare a saturazione e quindi consente di eseguire una precisa misurazione della quantità di energia luminosa che raggiunge la superficie di base.

Inoltre, la presenza del materiale otticamente trasparente consente di ridurre la percentuale di luce che viene riflessa all’interfaccia tra cristallo e superficie di base.

In alternativa, come materiale otticamente trasparente può essere impiegato l’epoxy. Più in dettaglio, nel caso di una matrice costituita da una pluralità di cristalli scintillatori, ciascun cristallo scintillatore è rivestito da un rivestimento epossidico bianco, o da un rivestimento metallico, con una riflettività di circa il 90% in modo tale che il segnale raccolto dai fotorivelatori sul primo e sul secondo lato della matrice dipenda dalla profondità di interazione. Infatti, il numero di riflessioni aumenta all’aumentare della distanza tra il punto della matrice nel quale si è verificata la scintillazione e le superfici di estremità dei cristalli e, pertanto, diminuisce la frazione di luce indiretta che arriva ai SiPM.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, un metodo per rilevare la posizione di una scintillazione provocata all’interno di una matrice di cristalli scintillatori dal passaggio di fotoni ad elevata energia comprende le fasi<di:>

− rilevazione di un primo segnale luminoso generato da detta scintillazione da parte di un primo gruppo di fotorivelazione disposto da un lato di detta matrice di cristalli scintillatori, detto primo gruppo di fotorivelazione comprendendo una prima pluralità di fotorivelatori di forma allungata orientati lungo una<prima direzione;>

− conversione da parte di detto primo gruppo di fotorivelazione di detto primo segnale luminoso in un<primo segnale elettrico;>

− rilevazione di un secondo segnale luminoso generato da detta scintillazione da parte di un secondo gruppo di fotorivelazione disposto dal lato opposto a detto primo gruppo di fotorivelazione rispetto a detta matrice di cristalli scintillatori, detto secondo gruppo di fotorivelazione comprendendo una seconda pluralità di fotorivelatori di forma allungata orientati lungo una seconda direzione<ortogonale alla prima direzione;>

− conversione da parte di detto secondo gruppo di fotorivelazione di detto secondo segnale luminoso in<un secondo segnale elettrico;>

− trasmissione di detto primo e di detto secondo segnale elettrico rispettivamente da detto primo e da detto secondo gruppo di fotorivelazione ad una unità di elaborazione attraverso una unità di trasmissione, detta unità di trasmissione comprendendo un canale di trasmissione di segnali elettrici associato a ciascun fotorivelatore di detto primo e di detto secondo<gruppo di fotorivelatori;>

− elaborazione di detto primo e di detto secondo segnale elettrico da parte di una unità di elaborazione, detta elaborazione essendo eseguita secondo una codifica riga-colonna in modo tale da determinare le coordinate spaziali (x,y) del punto di detta matrice di cristalli scintillatori nel quale si è verificata detta scintillazione.

In particolare, il primo ed il secondo segnale luminoso rappresentano rispettivamente una prima ed una seconda frazione di energia luminosa associata a detta scintillazione, detta unità di elaborazione essendo atta a misurare il rapporto tra detta prima e detta seconda frazione di energia e a determinare sulla base di detto rapporto la coordinata z del punto di detta matrice di cristalli scintillatori nel quale si è verificata detta scintillazione.

Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione una macchina per Tomografia ad Emissione di Positroni, o PET, comprende una pluralità di rivelatori a scintillazione come sopra descritti.

Breve descrizione dei disegni

L’invenzione verrà ora illustrata con la descrizione che segue di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai<disegni annessi in cui:>

− la figura 1 mostra schematicamente in una vista prospettica una forma realizzativa prevista dall’invenzione per una struttura perfezionata di<rivelatore a scintillazione;>

− la figura 2 mostra in una vista prospettica il primo e il secondo gruppo di fotorivelazione previsti dalla struttura perfezionata di rivelatore a<scintillazione di figura 1;>

− le figure 3 e 4 mostrano rispettivamente schematicamente in una vista prospettica ed in una vista in pianta i due gruppi di fotorivelazione sovrapposti per determinare secondo una codifica righe-colonne le coordinate del punto della matrice<nel quale avviene la scintillazione;>

− le figure dalla 5 alla 6 mostrano schematicamente in una vista prospettica una variante prevista dall’invenzione di fotorivelatore adottabile dalla struttura di rivelatore a scintillazione di figura 1;− la figura 7 mostra in dettaglio una porzione delfotorivelatore delle figure 5 e 6 per metterne in evidenza le caratteristiche di alcuni componenti<costituitivi;>

− la figura 8 mostra schematicamente in una vista prospettica parzialmente sezionata di una variante della struttura di rivelatore a scintillazione<prevista dall’invenzione;>

− la figura 9 mostra in dettaglio una porzione della vista in sezione di figura 8 per metterne in evidenza<alcune caratteristiche;>

− la figura 10 mostra schematicamente in una vista prospettica una apparecchiatura per tomografie PET nella quale sono installati rivelatori a<scintillazione secondo l’invenzione;>

− le figure dalla 11 alla 14 mostrano schematicamente alcuni risultati sperimentali raccolti durante prove condotte su rivelatori a scintillazione secondo la presente invenzione.

Descrizione dettagliata di alcune forme realizzative

In figura 1 è schematicamente illustrata una struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione 100, secondo la presente invenzione. Essa comprende una matrice 10 di cristalli scintillatori pixellati, ossia costituita da un predeterminato numero di pixel. In particolare, i cristalli scintillatori sono atti ad emettere un segnale luminoso 50 quando l’attraversamento di fotoni 40 ad elevata energia nella matrice provoca una scintillazione. Il rivelatore a scintillazione 100 prevede, inoltre, un primo gruppo di fotorivelazione 20 disposto da un primo lato 11 della matrice di cristalli scintillatori 10. Più in dettaglio, il primo gruppo di fotorivelazione 20 comprende una prima pluralità di fotorivelatori 21, ad esempio 8 fotorivelatori 21a-21h, di forma allungata e orientati lungo una prima direzione 101. Più precisamente, i fotorivelatori 21a-21h sono atti a convertire il segnale luminoso 50 in un segnale elettrico 61.

Da parte opposta al primo gruppo di fotorivelazione 20 rispetto alla matrice 10 è previsto un secondo gruppo di fotorivelazione 30. Questo comprende una seconda pluralità di fotorivelatori 31, ad esempio 8 fotorivelatori 31a-31h, anche questi di forma allungata e atti a convertire il segnale luminoso 52 che raggiunge il secondo gruppo di fotorivelazione 30 in un segnale elettrico 62. I fotorivelatori 31a-31h sono in particolare orientati lungo una seconda direzione 102 ortogonale alla prima direzione 101.

È inoltre prevista una unità di elaborazione 300 atta a elaborare i segnali elettrici analogici 61 e 62 ottenuti dal primo e dal secondo gruppo di fotorivelazione, rispettivamente. In particolare, i segnali elettrici analogici sono trasmessi dal primo e dal secondo gruppo di fotorivelazione 20, 30 all’unità di elaborazione attraverso una unità di trasmissione 200 comprendente una pluralità di canali di trasmissione 201-216. Ciascun canale 201-216 della suddetta pluralità è associato ad un rispettivo fotorivelatore 21a-21h e 31a-31h. L’unità di elaborazione 300 è atta a elaborare i segnali elettrici 61 e 62 secondo una codifica riga-colonna in modo tale da determinare le coordinate spaziali (x,y) del punto, o pixel, della matrice di cristalli scintillatori 10 nel quale si è verificata la scintillazione.

Il suddetto concetto è schematicamente illustrato nelle figure 3 e 4 dove viene mostrato come dalla combinazione delle informazioni derivanti dal primo gruppo di fotorivelazione 20 e dal secondo gruppo di fotorivelazione 30 è possibile determinare le coordinate x e y del punto nel quale è avvenuta la scintillazione.

Questa particolare soluzione tecnica consente di ridurre il numero di canali necessari per trasmettere i segnali elettrici dai gruppi di fotorivelazione all’unità di elaborazione rispetto alle soluzioni di tecnica nota. Più in dettaglio, se N è il numero di cristalli per ciascuna riga e per ciascuna colonna della matrice quadrata 10 di cristalli, che quindi presenta un numero complessivo di cristalli pari a NxN, la soluzione prevista dalla presente invenzione consente di impiegare un numero complessivo di canali pari a N+N invece dei consueti NxN canali utilizzati nelle soluzioni di tecnica nota. Ad esempio, nel caso illustrato nelle figure dalla 1 alla 4, ciascuna matrice di cristalli 10 presenta 8 righe e 8 colonne di cristalli scintillatori per un totale di 64 cristalli scintillatori. L’unità di trasmissione 200 prevede un numero complessivo di 16 canali di trasmissione 201-216, ciascuno dei quali connesso con un rispettivo fotorivelatore 21a-21h e 31a-31h. I canali 201-216 sono collegati ad una unità di gestione dei canali 250 atta a gestire i canali 201-216 e a dialogare con l’unità di elaborazione 300.

In particolare, l’unità di gestione dei canali 250 è atta a segnalare all’unità di elaborazione 300 ogni evento verificatosi all’interno della matrice di cristalli 10 e a identificare il cristallo 15 all’interno del quale si è verificata la scintillazione. Pertanto, l’unità di gestione 250 rappresenta l’elettronica di front end del modulo 100.

Più precisamente, dal primo gruppo di fotorivelazione 20 è possibile ricavare la coordinata x del punto, o pixel, della matrice 10 nel quale si è verificata la scintillazione, e dal secondo gruppo di fotorivelazione 30, ad esempio la coordinata y del medesimo punto. Ciò è possibile in quanto il segnale luminoso viene riflesso dalle pareti dei cristalli scintillatori 15 fino a raggiungere le superfici di estremità 11 e 12 della matrice 10 e quindi i rispettivi fotorivelatori 21 e 31. Nel caso illustrato nelle figure 3 e 4, ad esempio, la scintillazione 50 avviene in corrispondenza del cristallo scintillatore 15, o della porzione della matrice 10, avente coordinate 21d e 31d. In particolare, una volta raggiunto il fotorivelatore 21d del gruppo di fotorivelazione 20 la frazione 51 del segnale luminoso 50 viene convertito in un corrispondente segnale elettrico 61 che viene trasmesso all’unità di elaborazione 300 attraverso il canale 204. Analogamente, dal lato del secondo gruppo di fotorivelazione 30, una volta raggiunto il fotorivelatore 31d, la frazione 52 del segnale luminoso 50 viene convertito in un rispettivo segnale elettrico 62 e inviato attraverso il canale 212 all’unità di elaborazione 300 che elabora i segnali elettrici e risale alle coordinate spaziali del punto di scintillazione della matrice 10.

Come sopra anticipato con riferimento alle figure 3 e 4, a seguito della suddetta scintillazione 50, una prima frazione di energia di scintillazione 51 giunge in corrispondenza del primo gruppo di fotorivelazione 20 ed una seconda frazione di energia di scintillazione 52 giunge in corrispondenza del secondo gruppo di fotorivelazione 30. Secondo una forma realizzativa preferita dell’invenzione, l’unità di elaborazione 300 è vantaggiosamente atta a misurare il rapporto tra la prima e la seconda frazione di energia 51, 52 e a determinare sulla base di tale rapporto la coordinata (z) del punto, ossia del pixel, della matrice di cristalli scintillatori 10 nel quale si è verificata la scintillazione.

In questo modo è possibile misurare la Profondità di Interazione, o Depth of Interaction (DOI), del fotone nella matrice di cristalli 10. In particolare, se F1 è la frazione di energia luminosa raccolta in corrispondenza del primo gruppo di fotorivelazione 20 e F2 è la frazione di energia luminosa raccolta in corrispondenza del secondo gruppo di fotorivelazione 30, è possibile determinare la coordinata z applicando, ad esempio, la relazione (F1-F2)/(F1+F2). I metodi di ricostruzione della profondità di interazione possono variare a seconda delle proprietà ottiche scelte per il materiale che avvolge il cristallo scintillatore.

Questa proprietà è particolarmente importante in apparecchiature per tomografie PET, in particolare aventi piccoli campi di vista, o nei quali la risoluzione spaziale deve essere ottimizzata rispetto all’intensità. La possibilità di poter determinare le coordinate (x,y,z) del punto nel quale si verifica la scintillazione, ossia l’individuazione tridimensionale del punto di rivelazione del fotone, consente di eliminare l’errore di parallasse e contribuisce al miglioramento ed all’uniformità della risoluzione spaziale in tutto il campo di vista dello scanner. La determinazione della Depth of Interaction consente di migliorare la risoluzione spaziale dello scanner per Tomografia con Emissione di Positroni fuori dal centro del campo di vista e di uniformarla nell’intera regione analizzata. In figura 10 è schematicamente illustrata una macchina PET 500 ottenuta installando un predeterminato numero di rivelatori a scintillazione 100 secondo la presente invenzione.

I fotorivelatori 21 possono essere di diverso tipo, in particolare, possono essere impiegati fotomoltiplicatori al silicio, o SiPM, contatori di fotoni multi pixel, o MPPC, fotodiodi a valanga, o APD, o una loro combinazione. In una forma realizzativa preferita, i fotorivelatori 21 del primo e del secondo gruppo di fotorivelatori 20, 30 sono fotomoltiplicatori al silicio, o SiPM. Questa tipologia di fotorivelatori è caratterizzata da una risposta molto veloce e consente di ottenere una risoluzione temporale migliore rispetto ad altre soluzioni.

Ad esempio nella forma realizzativa illustrata nelle figure dalla 5 alla 7 ciascuna unità di fotorivelazione 20, o 30 è costituita da 8 fotorivelatori 21, o 31, ciascuno dei quali ottenuto accoppiando in parallelo un determinato numero di fotomoltiplicatori al silicio, o SiPM, quadrati, ad esempio 8 fotomoltiplicatori 21aa-21ah. Più precisamente, per ottenere ciascun fotorivelatore 21, o 31, è necessario connettere in parallelo le diverse SPAD dei singoli fotomoltiplicatori al silicio, o SiPM.

In alternativa, i diversi fotomoltiplicatori al silicio, o SiPM, possono essere prodotti direttamente in forma rettangolare, quindi senza necessità di assemblare insieme un certo numero di singoli fotomoltiplicatori al silicio di tipo quadrato connettendo in parallelo le rispettive matrici di SPAD 121a-121d.

Come mostrato schematicamente in figura 9, in una possibile forma realizzativa dell’invenzione, la matrice di cristalli scintillatori 10 comprende una pluralità di singoli cristalli scintillatori 15 separati da uno strato 65 di materiale riflettente, o parzialmente assorbente, in modo da poter agire sulla percentuale di luce visibile che arriva alle due superfici di base.

Ciascun fotorivelatore 21 ha una forma allungata sostanzialmente rettangolare e presenta una larghezza sostanzialmente pari alla lunghezza del lato della sezione quadrata di un cristallo scintillatore 15. Il lato di ciascun cristallo scintillatore 15 presenta una lunghezza lC,ad esempio compresa tra 0.75 mm e 3.0 mm. In una forma realizzativa prevista il lato del cristallo scintillatore 15 è pari a circa 1.5 mm ed il fotorivelatore 21 ha una larghezza LFpari a circa 1.5 mm ed una lunghezza lFpari a circa 8 mm.

Ciascun cristallo scintillatore 15 della matrice 10 presenta una altezza h compresa tra 5 mm e 20 mm.

Secondo quanto previsto dall’invenzione, la matrice di cristalli scintillatori 10 può essere realizzata in Ortosilicato di Lutezio dopato con Ittrio (LYSO).

Tra la matrice di cristalli scintillatori 10 e ciascun gruppo di fotorivelazione 20, o 30, può essere previsto uno strato 25 di materiale otticamente trasparente. Lo strato 25 di materiale otticamente trasparente può essere grasso ottico, in particolare avente un indice di rifrazione intermedio tra quello della matrice di cristalli scintillatori 10 e quello dei fotorivelatori 20, o 30. In questo modo il passaggio della luce dalla matrice di cristalli scintillatori 10 ai fotorivelatori 20, o 30 risulta graduale e si evitano pertanto errori di misurazione.

In alternativa, come materiale otticamente trasparente può essere impiegato l’epoxy. Più in dettaglio, nel caso di una matrice 10 costituita da una pluralità di cristalli scintillatori 15, ciascun cristallo scintillatore 15 è rivestito da un rivestimento epossidico bianco, oppure con un avvolgimento in un materiale assorbente non mostrato in figura per semplicità illustrativa, con una riflettività di circa il 90% in modo tale che il segnale raccolto dai fotorivelatori sul primo e sul secondo lato della matrice dipenda dalla profondità di interazione. Infatti, il numero di riflessioni aumenta all’aumentare della distanza tra il punto della matrice nel quale si è verificata la scintillazione e le superfici di estremità dei cristalli e, pertanto, diminuisce la frazione di luce indiretta che arriva ai SiPM.

Si riportano di seguito risultati sperimentali raccolti conducendo alcune prove su un prototipo di rivelatore a scintillazione, secondo la presente invenzione. L’esempio di seguito riportato non intende esaurire le possibilità implicite nel rivelatore a scintillazione oggetto dell’invenzione.

ESEMPIO

In figura 11 è schematicamente illustrato un prototipo di rivelatore a scintillazione costruito secondo la presente invenzione. Esso è costituito da una matrice di 64 cristalli scintillatori 15 di sezione quadrata 1.5 x 1.5 mm<2>distribuiti su 8 righe e su 8 colonne. In corrispondenza delle superfici di base 11 e 12 sono disposti i due gruppi 20 e 30 di rivelatori SiPM, ciascuno dei quali avente dimensione 1.5 x 8 mm<2>. Il rivelatore a scintillazione 100 così conformato è stato poi testato. Il rivelatore a scintillazione 100 prevede un totale di 16 canali analogici di lettura, ossia un canale per ciascuno degli 8 rivelatori SiPM 21 del gruppo di fotorivelazione 20, ed un canale per ciascuno degli 8 rivelatori SiPM 31 del gruppo di fotorivelazione 30, come sopra descritto con riferimento alla figura 1.

In una prima prova eseguita, il rivelatore a scintillazione 100 è stato irraggiato frontalmente con un fascio collimato 40 di fotoni da 511 keV.

Sulla base dei dati ottenuti è stato poi calcolato il numero di eventi registrati per ciascun cristallo 15 della matrice 10 e costruito un relativo istogramma. I risultati della distribuzione del numero degli eventi e quindi degli istogrammi per ciascun cristallo della matrice 10 sono riportati in figura 12. Per dimostrare l’attendibilità del metodo della presente invenzione e verificare che consenta di risalire con precisione alla posizione del punto nel quale si è verificato l’evento, la prova è stata ripetuta utilizzando un fascio collimato 40’ ottenuto traslando il fascio collimato 40 della prova precedente di una distanza pari alla lunghezza di un lato di un cristallo, ossia di 1.5 mm (figura 11). I risultati sono riportati in figura 13. Confrontando i risultati delle figure 12 e 13, ossia i risultati ottenuti irraggiando la matrice 10 di cristalli 15 con fasci collimati distanziati di 1.5 mm è stato dimostrato che il metodo secondo la presente invenzione permette di ricostruire correttamente la posizione (x,y) del cristallo 15 in cui è avvenuto l’evento.

Come mostrato schematicamente in figura 14, il prototipo 100 è stato successivamente irraggiato lateralmente con il medesimo fascio collimato 40 per investigare la capacità di ricostruzione della profondità di interazione del fotone nel cristallo 15. Più in dettaglio, sono state eseguite cinque scansioni a diverse altezze z1-z5 e precisamente alle altezze di -4 mm, -2 mm, 0 mm, 2 mm, 4 mm (considerando come valore 0 mm il centro del cristallo 15) ed è stata, quindi, calcolata l’asimmetria del segnale raccolto sulle due facce dai fotorivelatori 20 e 30. I profili ottenuti per tale parametro sono mostrati in figura 15 insieme al profilo ottenuto mediante irraggiamento frontale della matrice (linea a tratto discontinuo). Il profili mostrano che utilizzando l’asimmetria dei segnali rivelati sulle due facce 20 e 30 della matrice di cristalli scintillatori 15 è possibile ricostruire la Depth of Interaction dell’evento, come sopra descritto nel dettaglio.

È stato quindi ricostruito lo spettro in energia sommando le energie ottenute sui due gruppi di fotorivelatori 20 e 30 e calibrando per il diverso guadagno dei vari SiPM. Il risultato ottenuto è mostrato in figura 16. Il risultato mostra che il metodo di lettura della luce di scintillazione proposto dal presente trovato non preclude la ottenere una esatta ricostruzione dell’energia rilasciata nel cristallo dal fotone gamma.

La descrizione di cui sopra di una forma realizzativa specifica è in grado di mostrare l'invenzione dal punto di vista concettuale in modo che altri, utilizzando la tecnica nota, potranno modificare e/o adattare in varie applicazioni tale forma realizzativa specifica senza ulteriori ricerche e senza allontanarsi dal concetto inventivo, e, quindi, si intende che tali adattamenti e modifiche saranno considerabili come equivalenti della forma realizzativa specifica. I mezzi e i materiali per realizzare le varie funzioni descritte potranno essere di varia natura senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione. Si intende che le espressioni o la terminologia utilizzate hanno scopo puramente descrittivo e per questo non limitativo.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione<(100) caratterizzato dal fatto di comprendere:> − una matrice (10) di cristalli scintillatori (15) costituita da un predeterminato numero di pixel e atti a emettere un segnale luminoso (51) quando il loro attraversamento da parte di fotoni (40) ad elevata<energia provoca una scintillazione;> − un primo gruppo di fotorivelazione (20) disposto su un primo lato (11) di detta matrice (10) di cristalli scintillatori (15), detto primo gruppo di fotorivelazione (20) comprendendo una prima pluralità di fotorivelatori (21) di forma allungata orientati lungo una prima direzione (101) e atti a convertire una prima parte (51) di detto segnale luminoso (50) che raggiunge detta prima unità di fotorivelazione<(20) in un primo segnale elettrico (61);> − un secondo gruppo di fotorivelazione (30) disposto da parte opposta rispetto a detto primo gruppo di fotorivelazione (20) rispetto a detta matrice (10) di cristalli scintillatori, detto secondo gruppo di fotorivelazione (30) comprendendo una seconda pluralità di fotorivelatori (31) di forma allungata orientati lungo una seconda direzione (102) ortogonale a detta prima direzione (101) e atti a convertire una seconda parte (52) di detto segnale luminoso (50) in<un secondo segnale elettrico (62);> − una unità di elaborazione (300) atta a elaborare detto primo e detto secondo segnale elettrico (61,62) ottenuti da detto primo e detto secondo gruppo di fotorivelazione (20,30), detto primo e detto secondo segnale elettrico (61,62) essendo trasmessi da detto primo e detto secondo gruppo di fotorivelazione (20,30) a detta unità di elaborazione (300) attraverso una unità di trasmissione (200) comprendente una pluralità di canali di trasmissione (201-216), a ciascuno canale di detta pluralità essendo associato un fotorivelatore (21,31), detta unità di elaborazione (300) essendo atta a elaborare detti segnali elettrici (61,62) secondo una codifica riga-colonna in modo tale da determinare le coordinate spaziali (x,y) del punto di detta matrice (10) di cristalli scintillatori nel quale si è verificata detta scintillazione.
2. Struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione, secondo la rivendicazione 1, in cui a seguito di detta scintillazione una prima frazione di energia di scintillazione giunge in corrispondenza di detto primo gruppo di fotorivelazione (20) e una seconda frazione di energia di scintillazione giunge in corrispondenza di detto secondo gruppo di fotorivelazione (30), detta unità di elaborazione (300) essendo atta a misurare un rapporto tra detta prima e detta seconda frazione di energia e a determinare sulla base di detto rapporto la coordinata (z) del punto di detta matrice (10) di cristalli scintillatori nel quale si è verificata detta scintillazione.
3. Struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione, secondo la rivendicazione 1, in cui detti fotorivelatori sono scelti tra: <− fotomoltiplicatori al silicio, o SiPM;> − contatori di fotoni multi pixel, o MPPC; − fotodiodi a valanga, o APD; o una loro combinazione.
4. Struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione, secondo la rivendicazione 1, in cui detti fotorivelatori (21,31) di detta prima e di detta seconda pluralità di fotorivelatori sono fotomoltiplicatori al silicio, o SiPM, ciascun fotomoltiplicatore al silicio comprendendo una matrice di fotorivelatori allo stato solido, o SPAD (121a-121d), collegati in parallelo tra di loro, in modo tale da consentire una lettura di più dispositivi in parallelo su un unico canale analogico.
5. Struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione, secondo la rivendicazione 1, in cui detta matrice (10) di cristalli scintillatori (15) comprende una pluralità di singoli cristalli scintillatori (15) separati da uno strato (65) di materiale non perfettamente riflettente, o parzialmente assorbente, in modo da poter agire sulla percentuale di luce visibile che arriva alle due superfici di base di detta matrice (10) in corrispondenza delle quali sono disposte detta prima e detta seconda unità di fotorivelazione (20,30).
6. Struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione, secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui ciascun detto fotorivelatore (21,31) di forma allungata presenta forma sostanzialmente rettangolare di larghezza LFe lunghezza lFe ciascun cristallo scintillatore (15) di detta pluralità presenta una sezione sostanzialmente quadrata di lato di una predeterminata lunghezza lC, detta lunghezza lCessendo uguale, o inferiore, alla larghezza LFdi detto fotorivelatore di forma allungata.
7. Struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione, secondo la rivendicazione 6, in cui detta predeterminata lunghezza lCdi detto lato di ciascun cristallo scintillatore (15) di detta matrice (10) è compresa tra 0.75 mm e 3.00 mm.
8. Struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione, secondo la rivendicazione 6, in cui ciascun cristallo scintillatore (15) di detta matrice (10) presenta una altezza compresa tra 5 mm e 20 mm.
9. Struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione, secondo la rivendicazione 6, in cui detta matrice (10) di cristalli scintillatori (15) sono realizzati in Ortosilicato di Lutezio dopato con Ittrio (LYSO).
10. Struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione, secondo la rivendicazione 6, in cui tra detta matrice (10) di cristalli scintillatori (15) e ciascun gruppo di fotorivelazione (20,30) è previsto uno strato (25) di materiale otticamente trasparente.
11. Struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione, secondo la rivendicazione 10, in cui detto materiale otticamente trasparente è grasso ottico avente un indice di rifrazione intermedio tra quello di detta matrice di cristalli scintillatori e quello di detti fotorivelatori.
12. Struttura perfezionata di rivelatore a scintillazione, secondo la rivendicazione 10, in cui detto materiale otticamente trasparente è epoxy.
13. Una macchina (500) per Tomografia ad Emissione di Positroni, o PET, caratterizzata dal fatto di comprendere una pluralità di rivelatori a scintillazione (100) secondo una qualsiasi rivendicazione da 1 a 12.
14. Metodo per rilevare la posizione di una scintillazione provocata all’interno di una matrice (10) di cristalli scintillatori (15) dal passaggio di fotoni ad elevata energia caratterizzato dal fatto di comprendere le<fasi di:> − rilevazione di un primo segnale luminoso (51) generato da detta scintillazione (50) da parte di un primo gruppo di fotorivelazione (20) disposto da un lato di detta matrice (10) di cristalli scintillatori (15), detto primo gruppo di fotorivelazione (20) comprendendo una prima pluralità di fotorivelatori (21) di forma allungata orientati lungo una prima<direzione (101);> − conversione da parte di detto primo gruppo di fotorivelazione (20) di detto primo segnale luminoso<(51) in un primo segnale elettrico (61);> − rilevazione di un secondo segnale luminoso (52) generato da detta scintillazione (50) da parte di un secondo gruppo di fotorivelazione (30) disposto dal lato opposto a detto primo gruppo di fotorivelazione (20) rispetto a detta matrice (10) di cristalli scintillatori (15), detto secondo gruppo di fotorivelazione (30) comprendendo una seconda pluralità di fotorivelatori (31) di forma allungata orientati lungo una seconda direzione (102) ortogonale<alla prima direzione (101);> − conversione da parte di detto secondo gruppo di fotorivelazione (30) di detto secondo segnale luminoso<(52) in un secondo segnale elettrico (62);> − trasmissione di detto primo e di detto secondo segnale elettrico (61,62) rispettivamente da detto primo e da detto secondo gruppo di fotorivelazione (20,30) ad una unità di elaborazione (300) attraverso una unità di trasmissione (200), detta unità di trasmissione (200) comprendendo un canale di trasmissione (201-216) di segnali elettrici associato a ciascun fotorivelatore (21,31) di detto primo e di detto secondo gruppo di fotorivelatori (20,30); − elaborazione di detto primo e di detto secondosegnale elettrico da parte di una unità di elaborazione, detta elaborazione essendo eseguita secondo una codifica riga-colonna in modo tale da determinare le coordinate spaziali (x,y) del punto di detta matrice di cristalli scintillatori nel quale si è verificata detta scintillazione.
15. Metodo, secondo la rivendicazione 14, in cui a seguito di detta scintillazione una prima frazione di energia di scintillazione giunge in corrispondenza di detto primo gruppo di fotorivelazione e una seconda frazione di energia di scintillazione giunge in corrispondenza di detto secondo gruppo di fotorivelazione, detta unità di elaborazione essendo atta a misurare il rapporto tra detta prima e detta seconda frazione di energia e a determinare sulla base di detto rapporto la coordinata z del punto di detta matrice di cristalli scintillatori nel quale si è verificata detta scintillazione.