RU2007110488A

RU2007110488A - Система позитрон-эмиссионной томографии

Info

Publication number: RU2007110488A
Application number: RU2007110488A
Authority: RU
Inventors: ВАРЕЛА Жуан Мануэл Коэлью ДУШ-САНТУШ
Original assignee: Тагуспарки-Сосьедади Ди-Промосан-И-Дезенвольвименто Ду-Парки Ди-Сьенсьяш-И-Текноложья Да-Ареа Ди-Лисбоа, С.А.; Лип-Лабораторьо Ди-Инструментасан-И-Физика Эшпериментал Ди-Партикулас; Хго-Хошпитал Гарсья Да-Хорта; Ффкул/Ибеб-Фундасан Ди-Сьенсьяш Да-Универсидаде Ди -Лисбоа; Универсидаде Ди-Коимбра/Факульдаде Ди-Медисина/Ибили-Инштитут Биомедику Ди- Инвестигасан Да-Луз-И-Имажем; Инеск Иновасан-Инштитуту Ди-Новаш Текноложьяш (Инов); Инеги-Инштитуту Ди-Энгеньарья Меканика-И-Жештан Индуштрьял
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2008-11-10
Also published as: EP1794622A2; PT103200B; WO2006049523B1; US20080103391A1; WO2006049523A3; RU2381525C2; JP2008514952A; WO2006049523A2; BRPI0516866A; US7917192B2; AU2005301414A1

Claims

1. Система позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ) для исследования с небольшого расстояния, составляющего несколько миллиметров от кожи, частей человеческого тела, включая грудь, аксиллярную область, голову, шею, печень, сердце, легкие, область простаты и/или конечности, или для диагностирования и последующего наблюдения различных форм рака в различных частях человеческого тела, содержащая две подвижные, легкие и компактные головки ПЭТ-детектора, в которые интегрированы более 12000 детекторных каналов, выполненных на основе кристаллов ортосиликата лютеция-иттрия (LYSO) и наборов лавинных фотодиодов (ЛФД), имеющих малое количество соединений с системой запуска и сбора данных и обеспечивающих высокую чувствительность и разрешение в изображении 1 мм по всему полю зрения, заключенному между двумя детекторными пластинами, несущими кристаллы LYSO, отличающаяся тем, что

а. две головки детектора содержат более 6000 кристаллов LYSO, размеры каждого из которых близки к 2×2×20 мм³, два ЛФД на каждый кристаллический пиксел, входную электронику для каждого детекторного канала на основе ЛФД и вспомогательные системы, причем плотность детекторных каналов в головках детектора превышает 0,5·см^-3;

б. система выполнена с возможностью измерения координат точки взаимодействия фотона внутри детектора с погрешностью порядка 1 мм по трем координатным осям за счет использования кристаллов с мелкозернистой гранулярностью и с возможностью осуществления способа измерения третьей координаты, характеризующей глубину взаимодействия (Depth-of-lnteraction, Dol) на основе измерения сцинцилляционного излучения одновременно с двух концов пикселов, образованных кристаллами;

в. система выполнена с возможностью обнаруживать и измерять индивидуальные соударения, соответствующие комптоновским событиям в детекторе, и за счет этого использовать для реконструкции изображения без существенного ухудшения его разрешения события, в которых, по меньшей мере, один из двух ПЭТ-фотонов испытал комптоновскую диффузию в детекторе;

г. система содержит механизированные механические средства, обеспечивающие перемещение головок детектора под ручным или компьютерным управлением, а именно их совместное вращение вокруг двух независимых осей и поступательное перемещение по трем перпендикулярным осям, а также взаимное регулировочное перемещение с обеспечением возможности придавать головкам детектора любые возможные ориентации для выбора наилучшей ориентации применительно к исследуемому органу и вводить их в контакт с кожей пациента (пациентки) для достижения максимальной эффективности и для осуществления сбора данных при нескольких ориентациях, требуемых для реконструкции томографического изображения с чувствительностью не менее 0,10 импульсов в секунду/Бк;

д. входная часть системы считывания имеет синхронную архитектуру, управляемую данными, с возможностью обеспечить для каждого индивидуального канала детектирования на базе ЛФД усиление с низким уровнем шума, дискретное считывание сигнала с тактовой частотой, аналоговое поточное хранение данных и детектирование событий, а также селекцию входного канала и мультиплексирование с подачей на выход контура двух входных сигналов с наибольшей энергией, функционирование в поточном режиме с фиксированной задержкой на частотах до 100 МГц, при этом указанная архитектура реализована в форме специализированной микросхемы (ASIC), обслуживающей 192 входных канала;

е. система запуска выполнена с возможностью осуществления способа измерения в реальном времени моментов детектирования фотонов без введения мертвого времени в процесс сбора данных, причем указанный способ основан на аналого-цифровом преобразовании импульсных отсчетов детектора и на цифровом алгоритме, обеспечивающих возможность вычисления момента фотонного события, необходимого для запуска от совпадения двух фотонов с временным разрешением порядка 1 нс;

ж. архитектура системы запуска и сбора данных основана на сочетании части, функционирующей в синхронном поточном режиме, с системой асинхронного считывания, использующей дублированную шину и способной функционировать со скоростью до 1 миллиона совпадений в секунду при скорости взаимодействия фоновых фотонов, равной 10 миллионам фотонов в секунду, ожидаемой при работе системы ПЭТ для части тела в условиях значительного фонового излучения от всего тела при отсутствии экранирования в головках детектора.

2. Система ПЭТ по п.1, отличающаяся тем, что каждая головка детектора образована детекторными модулями, предпочтительно по 96 модулей на детекторную головку, каждый из которых образован блоками, содержащими по 32 детектора фотонов в виде сцинтилляционных кристаллов LYSO высокой плотности, составляющей 7,4 г·см^-3, способных детектировать фотоны при световом выходе 27 фотон./кэВ с максимумом спектра испускания у 430 нм и с формированием сигнала с постоянной времени 40 нс и имеющих размеры 2×2×20 мм³, при этом указанные кристаллы оптически изолированы в конфигурации 4×8 и сопряжены на обоих концах с наборами ЛФД, причем кристаллы и наборы ЛФД размещены и герметизированы в пластиковых держателях, тогда как поперечные размеры кристаллов выбраны из условия обеспечения желательного пространственного разрешения, а их продольные размеры выбраны из условия обеспечения требуемой чувствительности головок детектора.

3. Система ПЭТ по п.1 или 2, отличающаяся тем, что преобразование испускаемого кристаллом света в электрический сигнал обеспечивается наборами из 4×8 ЛФД, при этом эффективный размер пиксела выбран совместимым с расчетными поперечными размерами кристалла и составляющим 1,6×1,6 мм², квантовая эффективность ЛФД вблизи максимума испускания LYSO составляет около 75%, усиление ЛФД примерно равно 50, темновой ток составляет 2-4 нА, емкость равна 9 пФ, а температурный градиент усиления равен -2,4%/°С, что требует функционирования системы при стабилизации температурного режима.

4. Система ПЭТ по п.1 или 2, отличающаяся тем, что оптические параметры сбора испускаемого кристаллами света посредством пикселов ЛФД расчетным и экспериментальным путем выбраны из условия обеспечения градиента света, распределяемого между верхними и нижними ЛФД, необходимого для измерения Dol с разрешением порядка 2 мм, причем выбор указанных параметров включает выполнение боковых поверхностей кристаллов слегка отполированными с получением значения параметра Ra шероховатости в интервале 15-20 мкм, а верхней и нижней поверхностей отполированными до получения значения указанного параметра Ra менее 1 мкм, тогда как чехол, обеспечивающий указанную оптическую изоляцию, выполненный из сульфата бария (BaSO₄) и имеющий толщину 250 мкм, дополнительно служит держателем для кристаллов, а верхние и нижние поверхности кристаллов оптически сопряжены с эпоксидной смолой, используемой в наборе АФД, посредством слоя толщиной 20 мкм из оптического клея с показателем преломления 1,6, соответствующим показателю преломления эпоксидной смолы.

5. Система ПЭТ по п.1, отличающаяся тем, что механизированные средства выполнены с возможностью

(а) вертикального перемещения для настройки положения пластин по высоте;

(б) горизонтального перемещения для настройки положения пластин;

(в) настройки взаимного положения двух головок детектора, обеспечивающей возможность настройки расстояния между пластинами;

(г) вращения пластин вокруг оси ПЭТ, обеспечивающего оптимальные положения головок детектора и оптимизацию реконструкции томографического изображения;

(д) разворота системы ПЭТ вокруг второй оси, обеспечивающего, в сочетании с вращением вокруг первой оси, возможность исследований при ориентировании головок детектора в любых возможных направлениях.

6. Система ПЭТ по п.1, отличающаяся тем, что входная электронная система считывания, выполненная на основе микросхемы ASIC, рассчитанной на 192 входных канала, имеет специализированную синхронную архитектуру, управляемую данными, работает в поточном режиме на частотах до 100 МГц, отвечающих функциональным требованиям системы ПЭТ, и обеспечивает формирование для каждого входного импульса от ЛФД соответствующих выходных отсчетов синхронно с тактовыми импульсами, при этом выходные данные генерируются только в режиме автозапуска, генерируемого данными, т.е. в случае, когда они соответствуют фотону с энергией, превышающей запрограммированный порог, и с фиксированной временной задержкой, необходимой для функционирования схемы запуска от совпадений.

7. Система ПЭТ по п.1, отличающаяся тем, что входная электронная система в соответствии с п.6 содержит в каждом канале детектора малошумящий усилитель, характеризующийся максимальным зарядом на входе, равным 30 фКл, эквивалентным шумовым зарядом менее 1000 е, рассеиваемой мощностью менее 3 мВт на канал, допустимой общей дозой излучения до 5 крад, формированием выходного сигнала со временем нарастания 30 нс и усилением 30 мВ/фКл.

8. Система ПЭТ по п.1, отличающаяся тем, что входная электронная система в соответствии с п.6 обеспечивает дискретное считывание амплитуды сигнала на выходе усилителей, записывает в каждом такте считанные заряды в наборы конденсаторов, функционирующих в качестве поточных аналоговых запоминающих устройств, и осуществляет параллельную обработку аналоговых сигналов компараторами с включенными на их выходах цифровыми логическими схемами для выявления каналов с сигналами выше порогового уровня.

9. Система ПЭТ по п.1, отличающаяся тем, что входная электронная система в соответствии с п.6 производит для входных сигналов выше порогового уровня считывание из аналоговых запоминающих устройств десяти отсчетов и мультиплексирование данных с подачей их с тактовой частотой в один из двух доступных выходных каналов вместе с идентификацией входного канала, закодированной в виде 10-разрядного потока данных, синхронного с аналоговыми отсчетами данных, с обеспечением коэффициента сжатия в интервале 192-2 в соответствии с требованиями головок компактного и мобильного ПЭТ-детектора.

10. Система ПЭТ по п.1, отличающаяся тем, что входная электронная система в соответствии с п.6 состоит из входных плат (ВП), обеспечивающих прямой интерфейс с детекторными модулями, и сервисной платы для распределения тактовых импульсов и напряжения питания, регулирования опорного напряжения и мониторинга температуры, при этом каждая ВП соответствует заданному, в зависимости от конкретного приложения, количеству модулей, предпочтительно равному 24, и содержит

заданное количество, предпочтительно 4, входных интегральных контуров в виде ASIC на 192 канала;

дискретные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), работающие на частотах до 100 МГц, для каждого выходного канала ASIC, за которыми включены преобразователи из параллельной формы в последовательную, по одному на каждую группу из двух ASIC;

два скоростных канала передачи данных, использующих плоские электрические кабели с 10 дифференциальными парами в каждом кабеле, причем каждый канал функционирует на частотах до 680 МГц;

два плоских кабельных разъема, используемые в линиях управления и синхронизации, для считывания отсчетов с датчиков температуры и для распределения низкого напряжения;

два плоских кабельных разъема, используемые для распределения опорного напряжения для ЛФД, по одному независимому каналу подачи напряжения на 16 пикселов ЛФД.

11. Система ПЭТ по п.1, отличающаяся тем, что система запуска и сбора данных выполнена с возможностью приема потоков цифровых данных от входной системы синхронно с событиями электрон-позитронной аннигиляции, оценивания за период времени короче 100 нс энергии и моментов падения детектированных фотонов на две противолежащие головки детектора, выбора тех фотонов, энергия которых совместима с энергией 511 кэВ, или выявления группы соударений, соответствующих фотонам, испытавшим комптоновскую диффузию в детекторных головках, сравнения моментов, соответствующих всем возможным комбинациям, и считывания данных из релевантных каналов в память компьютера, включая жесткий диск, при выявлении совпадения.

12. Система ПЭТ по п.1, отличающаяся тем, что архитектура системы запуска и сбора данных в соответствии с п.11 основана на структурах поточной обработки, используемых для вычисления амплитуды и момента импульса, в сочетании с памятью для записи данных поточным методом во время обработки команды запуска, с обеспечением за счет указанного сочетания возможности запуска системы при совпадении в реальном времени, без внесения мертвого времени в процесс сбора данных.

13. Система ПЭТ по п.1, отличающаяся тем, что система запуска и сбора данных в соответствии с п.11 состоит из следующих логических модулей: модулей сбора данных и фильтра (СДФ), по одному на каждый входной канал передачи данных, осуществляющих параллельную обработку входных данных, модуля запуска и модуля, являющегося концентратором данных (КД), причем все указанные модули связаны между собой двумя шинами, шиной запуска и шиной сбора данных, а модуль КД связан с компьютером скоростным каналом передачи данных.

14. Система ПЭТ по п.1, отличающаяся тем, что модуль СДФ, выполненный в соответствии с п.13, обеспечивает вычисление энергии фотона и момента взаимодействия для каждого входного канала, выполняя в поточном режиме следующие операции:

(а) поиск пиков - поиск во входном потоке данных применительно к каждому каналу сигнала, превышающего два смежных с ним сигнала;

(б) сортировку и согласование каналов - сортировку идентификаторов каналов детектора, полученных от входных цифровых линий, и приведение в соответствие идентификаторов каналов для двух сторон детекторных пластин;

(в) вычисление оценки базовой линии - вычисление базовой линии, как среднего для двух предварительных отсчетов, предшествующих переднему фронту импульса, и ее вычитание из выборок данных;

(г) нормализацию - умножение данных после вычитания базовой линии на программируемый нормализующий коэффициент;

(д) суммирование энергий фотонов - суммирование амплитуд импульсов из четырех выходных каналов двух согласованных ASIC, соответствующих переднему и заднему кристаллам;

(е) вычисление момента взаимодействия фотона - вычисление момента импульса, задаваемое отсчетом генератора тактовых импульсов при приеме импульса (грубый отсчет), ассоциированном с фазой между пиком импульса и отсчетом генератора (точный отсчет), причем вычисляемый указанный точный отсчет соответствует отношению амплитуды считанного импульса к амплитуде предыдущего импульса, умноженному на нормализующий коэффициент, для максимального импульса в четырех каналах, используемых при вычислении энергии.

15. Система ПЭТ по п.1, отличающаяся тем, что суммарная энергия в четырех каналах в соответствии с п.14 сравнивается с двумя программно заданными порогами, порогом события и комптоновским порогом, причем комптоновский порог используется для идентификации наличия комптоновской диффузии в детекторе, тогда как порог события используется для идентификации поглощения фотона 511 кэВ, при этом, если энергия превышает один из пороговых уровней, информация по данному каналу передается по шине запуска в модуль запуска, выполненный в соответствии с п.13 и получающий информацию от всех модулей СДФ, которые обнаружили либо поглощение фотона, либо комптоновскую диффузию.

16. Система ПЭТ по п.1, отличающаяся тем, что модуль запуска в соответствии с п.13 обнаруживает совпадение ведущее к запуску при выявлении в различных плоскостях кристалла в пределах программируемого временного окна, двух энергетических вкладов, превышающих пороговые значения, при этом модуль запуска посылает в соответствующие модули СДФ сигнал о том, что событие является валидным, а модули СДФ направляют ассоциированные данные через шину сбора данных в модуль КД, выполненный в соответствии с п.13, получающий данные от всех соответствующих модулей СДФ и организующий их в единый пакет, который подлежит отсылке по отдельному каналу передачи данных в компьютер для сбора данных.

17. Система ПЭТ по п.1, отличающаяся тем, что система запуска и сбора данных в соответствии с п.11 содержит пять плат двух различных типов, в том числе четыре платы сбора данных, на которых реализованы модули СДФ в соответствии с п.13, причем каждая из указанных четырех плат соответствует 8 модулям СДФ, и одну центральную плату запуска и концентрации данных, на которой реализованы триггерный модуль и модуль КД в соответствии с п.13, при этом в указанных платах для реализации логики запуска, сбора данных и запоминания использованы программируемые вентильные матрицы с четырьмя миллионами вентилей, а указанные платы установлены в крейте формата 6U с двумя магистральными шинами и с разъемами PCI, реализующими шины запуска и сбора данных по п.13.