WO2013166574A1 - Detection system for determining the location of scintillation events in a monolithic scintillation crystal - Google Patents
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Classifications
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- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
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- G01T1/1642—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions using one or several scintillating elements; Radio-isotope cameras using a scintillation crystal and position sensing photodetector arrays, e.g. ANGER cameras
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- G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
- G01T1/2018—Scintillation-photodiode combinations
- G01T1/20185—Coupling means between the photodiode and the scintillator, e.g. optical couplings using adhesives with wavelength-shifting fibres
Definitions
- the present invention relates to a detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events.
- This system considers that when an X-ray or gamma-photon interacts in a scintillating crystal, the interaction site becomes a source of isotropic emission optical photons.
- the position of the interaction and the energy deposited by the X or gamma radiation photon can be determined by the radiation flux density of the scintillation optical photons measured at different positions in space.
- a process for acquiring and processing photosensor signals is then employed to determine the position of scintillation events.
- the present invention can be used in the field of Medical Physics - including in technologies such as Positron Emission Tomography (PET) and Single Photon Emission Tomography (SPECT) -, Nuclear Physics, Particle Physics, Astrophysics and any other application. for detecting ionizing radiation using scintillating crystals and requiring scintillation event location information.
- PET Positron Emission Tomography
- SPECT Single Photon Emission Tomography
- PET magnetic resonance PET
- PET / MR magnetic resonance PET
- PET systems developed today are based on the use of discrete scintillating crystals using Anger logic, where spatial resolution is influenced by the size of individual crystals.
- the use of smaller crystals improves spatial resolution but decreases sensitivity, as the higher granularity of the detector block scintillating crystals increases the volumes between crystals, which are not sensitive to X and gamma radiation.
- This also adds a higher cost to the system due to increased assembly complexity and the fabrication of crystals, which must be cut and polished using precision mechanics, and the fact that part of the crystal material is wasted during the same cut. .
- Anger's logic is the subject of US301 1057 [Anger1961], referring to a new radiation detector and an instrument to more accurately measure the location of a distributed radiation source. Anger's logic determines the "center of gravity" of the relative intensities of the photomultiplier signals using an esistive chain.
- US7476864 [Bavciera2009] relates to a detector that determines the impact of gamma radiation position within scintillating crystal by calculating the Depth of Interaction (DOI) of radiation in the crystal.
- DOI Depth of Interaction
- the Anger logic [Anger1961] used in monolithic scintillating blocks [Bavciera2009] is less accurate, as it presents slightly larger spatial distortions than the proposal of the present invention.
- US2009 / 0242773 refers to the improved position estimation of photodetection events, where images were compared with Anger logic and substantially less image distortion was observed, which may allow automatic segmentation of the image.
- crystal from raw image data which is particularly beneficial with regard to the simplification of the PET calibration system.
- this technique requires cutting the edges of the scintillating crystal.
- the present invention allows the use of scintillating blocks with larger volume than that presented in [Zhang2009], there is no need of cutting and, consequently, avoiding the waste of crystal material and reducing the manufacturing costs of the crystals (which must be cut using precision mechanics).
- Patent application US2010 / 0044571 deals with a method for determining the three-dimensional position of a scintillation event. It is also necessary to calibrate the equipment using "Look Up Tables" (LUT) tables. obtained experimentally for each detector. On the other hand, in the present invention the only calibration required is energy calibration.
- US6459085 [Chang2002] and US7737407 [Grazioso2010] refer to a system for determining DOI in nuclear imaging and a method and device for providing DOI using the PET technique, respectively. Both techniques make use of light guides. In contrast, the present invention does not use said guides, that is, the The detectors are coupled directly to the scintillating crystal. This facilitates detector construction, and increases the detection efficiency of optical photons, which improves detector energy resolution.
- US7956331 [Lewellen201 1] and US7482593 [Shao2009] also refer to a method of determination or device for determining a scintillation event using discrete scintillating crystals, unlike the present invention using monolithic scintillating crystals. Again, the use of monolithic crystals reduces the cost of crystal manufacturing and the waste of crystal material due to precision cutting of the edges.
- the present invention has unique features and advantages over the state of the art. That is, the detection system proposed here uses monolithic scintillating crystals, avoiding the disadvantages of using discrete scintillating crystals (high crystal manufacturing cost due to cutting and polishing and material waste) associated with a process of acquisition and processing. the most accurate and least non-linearly distorted photosensor signals aimed at obtaining better image quality parameters, reducing the examination time and quantifying the radiopharmaceutical dose administered for each specific application. In choosing the detector block, consideration was given to using as few photodetectors / acquisition channels as possible, reducing system cost while maintaining system spatial resolution at or better than that value. PET systems available today.
- the present system uses the sum of the row and column channels, which reduces the number of photodetectors / acquisition channels from rxs to r + s.
- Another important feature is the Depth Of Interaction (DOI) wind inside the sparkling crystal.
- DOI Depth Of Interaction
- Figure 1 illustrates the side view diagram of the detection system representation exemplifying the generation of the scintillation event by interaction of an X-ray or gamma photon on the scintillating crystal. and the subsequent acquisition and processing of photosensor signals.
- Figure 2 shows the side view diagram of the detection system representation for a front reading.
- Figure 3 illustrates the side view diagram of the detection system representation for a rear reading.
- Figure 4 shows the diagram representing the inline and column summation reading of the photosensor signals from the 8 x 8 photosensor matrix.
- Figure 5 illustrates the scintillation event occurring at position (xo, y 0 , z 0 ) after energy deposition by a gamma or X-ray photon and the detection of scintillation-produced optical photons by an array element of photosensors positioned at (x p , y q ).
- Figure 6 shows the flowchart of the process of determining the position of the 2D interaction of the X or gamma radiation photon.
- Figure 7 illustrates three virtual sources representing the reflections on the crystal faces, which have a reflective material coating. The positions of the virtual sources are relative to the position of the actual source.
- Figure 8 represents the set of optical layers in the detector block and their respective thickness and refractive index values for a wavelength of 420 nm, which corresponds to the peak emission wavelength of an LYSO scintillator.
- Figure 9 shows the adjusted transmittance data calculated for a beam and optical photons traversing the epoxy and Meltmount resin layers as a function of the initial beam angle of incidence.
- Figure 10 presents the general scheme of the detection system used for positron emission tomography.
- the present invention relates to a detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events.
- This system considers that when an X or gamma radiation photon interacts within the scintillating crystal, the interaction site becomes a source of isotropic emission optical photons. The position of the interaction and the energy deposited by the X or gamma radiation photon are determined by measuring the radiation flux density of the scintillation optical photons in different positions of space.
- Figure 1 shows an exemplary diagram of said detection system in which a scintillation event (1) is generated by means of an X or gamma radiation photon (2) which hits the input surface (3) and undergoes an interaction within of the scintillating crystal (4).
- Said system consists of X or gamma radiation (2), a scintillating crystal (4), a set of multiple photosensor elements (5) coupled to one of the faces of (4).
- the detection system further includes other components which are described below.
- Optical coupling means (6) such as a gel or an optical grease or an epoxy based compound or other type of adhesive resin, such as Meltmount resin, not limited to these, is used to provide an optical interface (or coupling) between (4) and (5).
- a reflective optical coating (7) such as Teflon or 3M Enhanced Specular Reflector (ESR), not limited to these, is used to optically isolate the crystal and improve the detection efficiency of optical photons by photosensors.
- a process (8) of acquiring and processing signals (5) is performed to determine the position of scintillation events (1).
- the scintillating crystal is typically and / or approximately a rectangular solid.
- Some possible scintillating crystals are: lutetium oxyortosilicate cerium doped opium (LSO), lutetium fine silicate (LFS) and cerium-doped yttrium yttrium oxyortosilicate (LYSO), not limited to these.
- Photosensors can be of various types such as, for example, photomultiplier tubes (PMT), silicon photodiodes, avalanche photodiodes (APD), and silicon photomultiplier (SiPM), not limited to them. These multiple photosensor elements represent a two-dimensional "photosensor matrix" (2D).
- FIG 2 illustrates, as one embodiment of the invention, the Front Side Readout (FSR) scheme in which X-ray or gamma-2 photons fall into (4) from the input surface (3). ), which is the face on which the photosensor array (5) is coupled. In this embodiment, (5) must have a low attenuation of (2) for the use of a front reading.
- Figure 3 shows a diagram of the Back Side Readout (BSR), which is where (2) focuses on (3), which is the opposite face on which the photosensor array (5) is coupled. Said detection system of this invention may perform front, back and side reading.
- FSR Front Side Readout
- Figure 4 shows a reading diagram of the (5) signals in row (9) and column (10) sums representing a further embodiment of the invention specifically for an 8 x 8 photosensor array array.
- FIG. 5 shows the conventions defined for the x, y and z axes in a monolithic scintillation crystal volume (4) and the generation of a scintillation event (1) at position (x 0 , yo, Zo) by the deposition of energy of a gamma or X-ray photon (2).
- the xy plane defines the plane of the position-sensitive photosensor array (5), optically coupled to (4), and the z 0 position is the interaction depth of (2) within (4).
- the position (x p , y q ) represents the center of one of the matrix elements of (5), where the optical photon detection.
- the matrix of (5) is coupled to the face of the input of (2) (front reading).
- a possible process for determining the values of the x 0 and yo coordinates of gamma or X-ray photon interaction is based on the weighted average calculation with trimming and removal of outliers, that is, points that deviate from the distribution trend. signals collected.
- lj be the intensity of channel j, given by the sum of the signal intensities along the u axis of the photosensor matrix, where u can be the x or y axis.
- the index j ranges from 0 to n-1, where n is the number of channels along u, that is, n can be r or s.
- the factor F has a typical value of 0.4 and depends on the crystal thickness and taterial. Factor F should be chosen so that position determination has an optimal result.
- the method may or may not be used in conjunction with other methods for determining any of the Xo, yo, and ZQ coordinates.
- FIG. 7 shows the convention adopted by the optical photon distribution model incident on the photosensor matrix (5) to define three virtual sources to describe the reflections on the crystal faces, which have a reflective material coating and their positions are defined as follows. according to the position of the actual source.
- the implemented optical photon distribution model is expressed by two functions, Nphj and Nph j , which describe the number of optical photons collected from the sum of the signals of row i (x axis) and column j (y axis), respectively, of the matrix. of photosensors:
- Nph d (Xj; xo; z 0 ) and Nphd (yj; yo; z 0 ) are the sums of the line and column signals, respectively, of the optical photons that are collected and that directly affect the plane of the photosensor matrix.
- each of the functions describes the three virtual sources, positioned at x 0 + Xk, yo + yk and z 0 + Zk, which represent the contributions of specular reflections at the reflecting / scintillating crystal interface.
- All collected optical photons that are not described by the above terms are considered as background radiation. Such photons have suffered at least one They do not reflect the spacial position of the gamma or X-ray photon, but their importance lies in the fact that they contribute to improving the energy resolution of the collected signal.
- the projection distribution in one dimension of these photons is considered uniform, being represented by the constant NpheG-2.1.
- the optical photon distribution model assumes that the projection on the xz and yz planes of the distribution of the optical photons emitted by the energy deposited by an X or gamma radiation photon at the position (xo; yo; zo) and that directly affects the xy plane of the photosensor matrix follows the continuous probability distribution of Cauch-Lorentz [SPIEGEL1992]:
- u is the x or y position along the projection axis relative to the intensity to be determined
- uo is the xo or yo position of the radiation photon or gamma interaction on the projection axis
- z 0 is the position of the interaction depth inside the crystal.
- the detector block used in this As an example it has three interfaces (crystal / resin, resin / epoxy and jpoxy / photosensor), so multiple reflections may occur. These reflections can interfere constructively or destructively, and Fresnel's equations do not take this phenomenon into account.
- the transfer matrix method [AMERICA1995] was used, which is a method employed to analyze the propagation of electromagnetic waves across a series of layers with different thicknesses and refractive indices. The method is based on a matrix formulation of thin film boundary conditions using Maxwell's equations [HECHT2002b]. For an L-layer system, the method consists of calculating the following matrix product:
- nde ⁇ 3 is the effective refractive index of the substrate, which corresponds to silicon in the housing of a silicon diode photosensor.
- the transmittance is defined by:
- the transmittance shall be calculated for parabolic (T p ) and perpendicular (T s ) polarization, and the simple mean of the two values shall be determined:
- Figure 8 shows the layer set of the detector block optics chosen as an example, where a beam of light within the scintillating crystal falls at angle ⁇ 0 at the interface with the Meltmount optical resin and can be reflected at angle ⁇ ⁇ or refracted with angle ⁇ 2 , and so on.
- the refractive index and thickness values of each layer are also indicated.
- the matrix M was determined to calculate the transmittance of the detector block optical system:
- This same function can be represented as a function of the position of the interaction of the X or gamma radiation (u 0 ; z 0 ) and the position u of the intensity of the optical photons collected by the matrix:
- u is the x or y coordinate along the projection axis relative to the intensity to be determined
- Uo is the Xo or y 0 coordinate of the radiation photon or gamma interaction on the projection axis
- z 0 is the position of the depth of interaction within the crystal.
- Figure 9 shows a graphical representation of the calculated transmittance data and the exponential function setting, valid from 0 to 90 degrees.
- the function has been adjusted from zero to the critical angle, which is approximately 56.85 degrees. Above the critical angle, the function provides negative transmittance values, which have no physical significance. Therefore, the model considers these negative values to be zero.
- a d is the distribution normalization factor and Au is the photosensor dimension along the corresponding axis.
- the integral makes the model take into account the photosensor dimensions, which are not negligible when compared to the possible distances from the position of interaction to the photosensor matrix. Since equation 2.17 is valid only for incidence angles greater than or equal to zero> 0, the same condition applies for equation 2.18. However, the result can be determined to negative angles because of the existing symmetry. Solving the definite integral:
- a v1 , A v2 and A V 3 are the normalization factors for each of
- Normalization factors are calculated through the following relationships:
- Nphtotai is the total number of optical photons collected by the photosensor array
- N and i is the number of elements of the photosensor array
- N c is the number of channels for the u axis.
- the model parameters were adjusted using two function adjustment methods: the maximum likelihood method and the nonlinear least squares method. However, other adjustment methods may be used.
- the parameters to be adjusted have initial values close to the actual values, in order to prevent the process of enmity from converging to the wrong minimum point.
- the parameters are limited to a range of values for physical significance and to avoid divergence of the estimated values.
- the initial value of the parameter representing the background radiation (Nph B G) is defined as the simple mean of the two plus signs.
- the lower limit has a typical value of 60% of Nph B G, but can vary from 0 to 90%.
- initial interaction depth value z 0 and its upper limit is defined as the crystal thickness value.
- the lower limit is set to zero.
- the maximum likelihood method is to estimate the true parameters through a vector that maximizes the function of Since the L function is positive, it is more convenient to maximize logarithm of the L function, which has the same maximum point:
- the least squares method is one of the most widely used techniques for determining the best fit of a model or function to an uncorrelated data set.
- the method uses the concept of residue, which is the difference between an observed value m and its respective adjusted value Nph (u ,; P):
- the method consists in maximizing the fit with an estimator that minimizes the sum of the squares of the regression residuals.
- the least squares method estimator is given by:
- the number of observed data "N" must be greater than the number of parameters to be adjusted.
- the method is divided into two categories: linear, used when the parameters have a linear relationship to each other, and nonlinear, used in nonlinear problems where the solution is obtained by iterative methods.
- nonlinear used in nonlinear problems where the solution is obtained by iterative methods.
- a weighted estimator approach should be used:
- ide ⁇ is the uncertainty of the value nrij.
- FIG 10 One of the non-limiting embodiments of the invention is shown in Figure 10, which relates to a detection system employed in the Positron Emission Tomography (PET) technique.
- the PET technique is a noninvasive nuclear medicine imaging method used to obtain the distribution map of a radioactive tracer, called a radiopharmaceutical (1), internally administered to a living organism (12).
- (11) is a biologically relevant chemical labeled with a short half-life positron-emitting radionuclide such as carbon-1, nitrogen-13, oxygen-15 and fluorine-18.
- Gamma radiation photons (2) from positron annihilation interact with the scintillating crystal (4).
- the collected signals go through a signal acquisition and processing unit (13). Recorded data and image reconstruction are performed using a computer (14).
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Abstract
The present invention relates to a detection system for determining the location of scintillation events in a monolithic scintillation crystal. The system is formed by: a source of X-ray or gamma ray radiation, a scintillation crystal, an array of multiple photosensor elements coupled to one of the faces of the scintillation crystal, optical coupling means that provide an optical interface between the scintillation crystal and the photosensor matrix, a reflective optical coating for optically insulating the crystal and improving the optical photon detection efficiency of the photosensors, photosensor signal acquisition and processing in order to determine the location of the scintillation events; and data recording and image reconstruction.
Description
SISTEMA DE DETECÇÃO PARA DETERMINAÇÃO DA POSIÇÃO DE VENTOS DE CINTILAÇÃO EM CRISTAL CINTILADOR MONOLÍTICO" DETECTION SYSTEM FOR DETERMINING THE POSITION OF MONOLITHIC CRYSTAL SCINING WINDS "
CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
A presente invenção refere-se a um sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico. O referido sistema considera que, quando um fóton de radiação X ou gama interage em um cristal cintilador, o local da interação se torna uma fonte de fótons ópticos com emissão isotrópica. A posição da interação e a energia depositada pelo fóton de radiação X ou gama podem ser determinadas por meio da densidade de fluxo de radiação dos fótons ópticos da cintilação medida em diferentes posições do espaço. Um processo de aquisição e processamento dos sinais dos fotossensores é, então, empregado para determinar a posição dos eventos de cintilação. A presente invenção pode ser utilizada no campo da Física Médica - incluindo em tecnologias como Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET) e Tomografia Computadorizada por Emissão de Fóton Único (SPECT) -, Física Nuclear, Física de Partículas, Astrofísica e em qualquer outra aplicação para detecção de radiação ionizante usando cristais cintíladores e que necessite da informação da localização do evento de cintilação. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO The present invention relates to a detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events. This system considers that when an X-ray or gamma-photon interacts in a scintillating crystal, the interaction site becomes a source of isotropic emission optical photons. The position of the interaction and the energy deposited by the X or gamma radiation photon can be determined by the radiation flux density of the scintillation optical photons measured at different positions in space. A process for acquiring and processing photosensor signals is then employed to determine the position of scintillation events. The present invention can be used in the field of Medical Physics - including in technologies such as Positron Emission Tomography (PET) and Single Photon Emission Tomography (SPECT) -, Nuclear Physics, Particle Physics, Astrophysics and any other application. for detecting ionizing radiation using scintillating crystals and requiring scintillation event location information. BACKGROUND OF THE INVENTION
A utilização de técnicas instrumentais de Física Nuclear e de Partículas em aplicações para pesquisa, diagnóstico e terapia na área médica tem aumentado consideravelmente nos últimos anos. Certamente, as técnicas de formação de imagens médicas foram as que mais se beneficiaram das tecnologias desenvolvidas para detectores de partículas. Isso é evidenciado pelas modalidades de imageamento existentes: tomografia por emissão de pósitrons (PET - "Positron Emission Tomography"), tomografia computadorizada por emissão de fóton único (SPECT - "Single Photon
Emission Computed Tomography"), tomografia computadorizada (CT - Computed Tomography"), raios X convencional e outras. The use of Nuclear and Particle Physics instrumental techniques in medical research, diagnosis and therapy applications has increased considerably in recent years. Certainly, medical imaging techniques have benefited most from technologies developed for particle detectors. This is evidenced by existing imaging modalities: Positron Emission Tomography (PET), Single Photon Emission Tomography (SPECT) Emission Computed Tomography "), Computed Tomography (CT), conventional X - ray and others.
A quantidade de aplicações da técnica PET, que é baseada na administração interna de radiofármaco, vem crescendo nos últimos anos, sendo empregada no estudo de processos bioquímicos e fluxo sanguíneo do ser humano e de outros animais, como na detecção de tumores em estágios bastante precoces, o que não é possível em outros exames de diagnóstico por imagens, como tomografia computadorizada, ressonância magnética e ultrassonografia. Além disso, ela também é aplicada em estudos do cérebro e no desenvolvimento de novos medicamentos para o tratamento do câncer. Atualmente, os exames de PET têm sido associados com os exames de tomografia convencional com raios X, permitindo a obtenção da imagem da distribuição do radiofármaco com grande precisão anatómica. Essa associação é chamada de PET/CT. Outra tecnologia híbrida é a PET com ressonância magnética (PET/MR), em que as doses de radiação absorvida pelo paciente são menores que a técnica PET/CT. The number of applications of the PET technique, which is based on the internal administration of radiopharmaceuticals, has been increasing in recent years, being used in the study of biochemical processes and blood flow of humans and other animals, such as the detection of tumors in very early stages. , which is not possible in other diagnostic imaging tests, such as computed tomography, magnetic resonance imaging and ultrasound. In addition, it is also applied in brain studies and in the development of new cancer drugs. Currently, PET scans have been associated with conventional x-ray tomography scans, allowing imaging of radiopharmaceutical distribution with great anatomical accuracy. This association is called PET / CT. Another hybrid technology is magnetic resonance PET (PET / MR), where the radiation doses absorbed by the patient are lower than the PET / CT technique.
Existe um esforço global para o aprimoramento de sistemas de imageamento PET, observado pelo número de estudos que vêm sendo realizados em diversas universidades, centros de pesquisa e empresas de vários países. Vários desses estudos propõem o desenvolvimento de tomógrafos PET dedicados para pequenas regiões, como pequenos animais (ZIEMONS et al., 2005; CHATZIIOANNOU et al., 1999; YANG et al., 2004; ROLDAN et al., 2007; TAI et al., 2005; SURTI et al., 2003; SPINELLIA et al., 2007; SCHãFERS et al., 2005; GUERRA et al., 2006; ISHII et al., 2007; BALCERZYK et al„ 2009; YAMAMOTO et al., 2010; YAMAYA et al., 2011), com a finalidade de estudar processos bioquímicos em nível molecular para investigações farmacológicas, genéticas e patológicas (GUERRA; BELCARI, 2007c, 2007a). Outras aplicações são para partes do corpo humano, como o cérebro (SéGUINOT et al., 2004), e estudos e diagnóstico do câncer de mama (MOTTA et al., 2004; MOSES; Ql, 2004; NEVES, 201 1 ; WEINBERG et al., There is a global effort to improve PET imaging systems, noted by the number of studies being conducted at various universities, research centers and companies in various countries. Several of these studies propose the development of dedicated PET scans for small regions such as small animals (ZIEMONS et al., 2005; CHATZIIOANNOU et al., 1999; YANG et al., 2004; ROLDAN et al., 2007; TAI et al. , 2005; SURTI et al., 2003; SPINELLIA et al., 2007; SCHÃFERS et al., 2005; GUERRA et al., 2006; ISHII et al., 2007; BALCERZYK et al., 2009; YAMAMOTO et al., 2010 ; YAMAYA et al., 2011), in order to study biochemical processes at molecular level for pharmacological, genetic and pathological investigations (GUERRA; BELCARI, 2007c, 2007a). Other applications are for parts of the human body, such as the brain (Séguinot et al., 2004), and studies and diagnosis of breast cancer (Motta et al., 2004; MOSES; Ql, 2004; NEVES, 201 1; WEINBERG et al.,
2005; MACDONALD et al., 2009; YANAGIDA et al., 2010), numa modalidade
hamada de mamografia por emissão de pósitrons (PEM - "Positron Emission lammography"). 2005; MACDONALD et al., 2009; YANAGIDA et al., 2010), in one modality Positron Emission Lammography (PEM).
A finalidade é a construção de tomógrafos PET mais compactos, com custos menores e ainda com melhores resultados de imagem, menor tempo de exame e menor quantidade de radiofármaco administrada para cada aplicação específica (MUEHLLEHNER; KARP, 2006) do que um tomógrafo PET de corpo inteiro possibilitaria para essas aplicações. Os principais avanços da tomografia por emissão de pósitrons para pequenas estruturas se baseiam em dois aspectos (WATANABE et al., 2002): The purpose is to build more compact PET scanners with lower costs and even better imaging results, shorter examination time and lower amount of radiopharmaceutical administered for each specific application (MUEHLLEHNER; KARP, 2006) than a body PET scanner. would make it possible for these applications. The main advances in positron emission tomography for small structures are based on two aspects (WATANABE et al., 2002):
- Aperfeiçoamento da instrumentação para melhora dos parâmetros de qualidade de imagem, como a resolução espacial e sensibilidade do sistema de detecção, e o desenvolvimento de componentes para corrigir fatores físicos responsáveis pela degradação da imagem, como a atenuação de fótons gama e os eventos provenientes de espalhamento Compton. - Improved instrumentation to improve image quality parameters such as spatial resolution and detection system sensitivity, and the development of components to correct physical factors responsible for image degradation, such as gamma photon attenuation and events from Compton scattering.
- Aperfeiçoamento do processo de aquisição de dados para se obter melhor qualidade de imagem e quantificar com mais acurácia parâmetros fisiológicos de interesse clínico e de pesquisa científica. - Improvement of the data acquisition process to obtain better image quality and more accurately quantify physiological parameters of clinical interest and scientific research.
A maioria dos sistemas PET desenvolvidos atualmente é baseada no uso de cristais cintiladores discretos usando a lógica Anger, onde a resolução espacial é influenciada pelo tamanho dos cristais individuais. O uso de cristais menores melhora a resolução espacial, mas diminui a sensibilidade, pois a maior granularidade dos cristais cintiladores do bloco detector aumenta os volumes entre os cristais, que não são sensíveis à radiação X e gama. Isso também agrega um custo maior ao sistema devido ao aumento da complexidade de montagem do mesmo e à fabricação dos cristais, que devem ser cortados e polidos usando mecânica de precisão, além do fato de que parte do material do cristal é desperdiçada durante o mesmo corte. Most PET systems developed today are based on the use of discrete scintillating crystals using Anger logic, where spatial resolution is influenced by the size of individual crystals. The use of smaller crystals improves spatial resolution but decreases sensitivity, as the higher granularity of the detector block scintillating crystals increases the volumes between crystals, which are not sensitive to X and gamma radiation. This also adds a higher cost to the system due to increased assembly complexity and the fabrication of crystals, which must be cut and polished using precision mechanics, and the fact that part of the crystal material is wasted during the same cut. .
Na literatura patentária, a lógica de Anger é objeto da patente US301 1057 [Anger1961], referindo-se a um novo detector de radiação e a um instrumento para medir com mais acurácia a localização de uma fonte de radiação distribuída. A lógica de Anger determina o "centro de gravidade" das
ntensidades relativas dos sinais das fotomultiplicadoras usando uma cadeia esistiva. A patente US7476864 [Bavciera2009] diz respeito a um detector que determina o impacto da posição de radiação gama dentro de cristal cintilador, calculando a profundidade de interação ("Depth of Interation"- DOI) da radiação no cristal. Entretanto, a lógica Anger [Anger1961] usada em blocos cintiladores monolíticos [Bavciera2009] é menos precisa, pois apresenta distorções espaciais um pouco maiores do que a proposta da presente invenção. In patent literature, Anger's logic is the subject of US301 1057 [Anger1961], referring to a new radiation detector and an instrument to more accurately measure the location of a distributed radiation source. Anger's logic determines the "center of gravity" of the relative intensities of the photomultiplier signals using an esistive chain. US7476864 [Bavciera2009] relates to a detector that determines the impact of gamma radiation position within scintillating crystal by calculating the Depth of Interaction (DOI) of radiation in the crystal. However, the Anger logic [Anger1961] used in monolithic scintillating blocks [Bavciera2009] is less accurate, as it presents slightly larger spatial distortions than the proposal of the present invention.
O pedido de patente US2009/0242773 [Zhang2009] refere-se à estimativa de posição melhorada de eventos de fotodetecção, em que as imagens foram comparadas com a lógica Anger e observada uma distorção substancialmente menor da imagem, o que pode permitir a segmentação automática do cristal a partir de dados da imagem bruta, que é particularmente benéfico com relação à simplificação do sistema de calibração PET. Entretanto, esta técnica requer cortes nas arestas do cristal cintilador. Ao contrário, a presente invenção permite o uso de blocos cintiladores com maior volume do que o apresentado em [Zhang2009], não havendo necessidade de corte e, consequentemente, evitando o desperdício de material do cristal e reduzindo os custos de fabricação dos cristais (que devem ser cortados usando mecânica de precisão). US2009 / 0242773 [Zhang2009] refers to the improved position estimation of photodetection events, where images were compared with Anger logic and substantially less image distortion was observed, which may allow automatic segmentation of the image. crystal from raw image data, which is particularly beneficial with regard to the simplification of the PET calibration system. However, this technique requires cutting the edges of the scintillating crystal. On the contrary, the present invention allows the use of scintillating blocks with larger volume than that presented in [Zhang2009], there is no need of cutting and, consequently, avoiding the waste of crystal material and reducing the manufacturing costs of the crystals (which must be cut using precision mechanics).
O pedido de patente US2010/0044571 [Miyaoka2010] trata de um método para determinar a posição tridimensional de um evento de cintilação, sendo necessária também a calibração do equipamento através de tabelas de dados ("Look Up Tables" - LUT), que devem ser obtidas experimentalmente para cada detector. Por outro lado, na presente invenção a única calibração necessária é a calibração em energia. Patent application US2010 / 0044571 [Miyaoka2010] deals with a method for determining the three-dimensional position of a scintillation event. It is also necessary to calibrate the equipment using "Look Up Tables" (LUT) tables. obtained experimentally for each detector. On the other hand, in the present invention the only calibration required is energy calibration.
As patentes US6459085 [Chang2002] e US7737407 [Grazioso2010] referem-se a um sistema para determinar DOI em imageamento nuclear e a um método e dispositivo para fornecer DOI usando a técnica PET, respectivamente. Ambas as técnicas fazem uso de guias de luz. Diferentemente, a presente invenção não utiliza as referidas guias, ou seja, os
otodetectores são acoplados diretamente ao cristal cintilador. Isso facilita a onstrução do detector, e aumenta a eficiência de detecção de fótons ópticos, o que melhora a resolução em energia do detector. US6459085 [Chang2002] and US7737407 [Grazioso2010] refer to a system for determining DOI in nuclear imaging and a method and device for providing DOI using the PET technique, respectively. Both techniques make use of light guides. In contrast, the present invention does not use said guides, that is, the The detectors are coupled directly to the scintillating crystal. This facilitates detector construction, and increases the detection efficiency of optical photons, which improves detector energy resolution.
As patentes US7956331 [Lewellen201 1] e US7482593 [Shao2009] também se referem a um método de determinação ou dispositivo para determinar um evento de cintilação que usam cristais cintiladores discretos, diferentemente da presente invenção que utiliza cristais cintiladores monolíticos. Mais uma vez, o uso de cristais monolíticos reduz o custo de fabricação dos cristais e o desperdício de material do cristal devido ao corte das arestas por mecânica de precisão. US7956331 [Lewellen201 1] and US7482593 [Shao2009] also refer to a method of determination or device for determining a scintillation event using discrete scintillating crystals, unlike the present invention using monolithic scintillating crystals. Again, the use of monolithic crystals reduces the cost of crystal manufacturing and the waste of crystal material due to precision cutting of the edges.
Dentre as referências não-patentárias, o trabalho de [LÍ2010] LI, Z. et al. Nonlinear least-squares modeling of 3d interaction position in a monolithic scintillator block. Physics in Medicine and Biology, v. 55, n. 21 , p. 6515, 2010, é outro método que não faz uso de LUT, porém determina a posição do evento de cintilação usando os sinais individuais da matriz de fotossensores. Na presente invenção os cálculos são feitos com as somas dos sinais em linha e coluna, fazendo com que o número de canais seja reduzido de rxs para r+s. Among non-patent references, the work of [LI2010] LI, Z. et al. Nonlinear least-squares modeling of 3d interaction position in a monolithic scintillator block. Physics in Medicine and Biology, v. 55, no. 21, p. 6515, 2010, is another method that does not use LUT, but determines the position of the flicker event using the individual signals from the photosensor array. In the present invention calculations are made by summing the row and column signals, causing the number of channels to be reduced from rxs to r + s.
Os trabalhos a seguir também representam referências do estado da técnica. Permitem o uso de cristais cintiladores discretos, diferentemente da presente invenção, que utiliza cristais cintiladores monolíticos: The following works also represent prior art references. They allow the use of discrete scintillating crystals, unlike the present invention, which uses monolithic scintillating crystals:
[Huber2003] HUBER, J. et al. Development of the LBNL positron emission mammography camera. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 50, n. 5, p. 1650-1653, 2003. [Huber2003] HUBER, J. et al. Development of the LBNL positron emission mammography camera. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 50, no. 5, p. 1650-1653, 2003.
[Surti2003] SURTI, S. et al. Design evaluation of A-PET: A high sensitivity animal PET camera. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 50, n. 5, p. [Surti2003] SURTI, S. et al. Design evaluation of A-PET: A high sensitivity animal PET camera. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 50, no. 5, p.
1357-1363, 2003. 1357-1363, 2003.
[Abreu2006] ABREU, M. et al. Design and evaluation of the clear-pem scanner for positron emission mammography. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 53, n. 1 , p. 71 - 77, 2006. [Abreu2006] ABREU, M. et al. Design and evaluation of the clear-pem scanner for positron emission mammography. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 53, no. 1, p. 71 - 77, 2006.
[Raylman2006] RAYLMAN, R. R. et al. Development of a dedicated positron emission tomography system for the detection and biopsy of breast câncer.
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, v. 569, n. 2, p. 291 - 295, 2006. [Raylman2006] RAYLMAN, RR et al. Development of a dedicated positron emission tomography system for the detection and biopsy of breast cancer. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, v. 569, no. 2, p. 291-295, 2006.
[Yang2006] YANG, Y. et al. Depth of interaction resolution measurements for a high resolution PET detector using position sensitive avalanche photodiodes. Physics in Medicine and Biology, v. 51 , p. 2131-2142, may 2006. [Yang2006] YANG, Y. et al. Depth of interaction resolution measurements for a high resolution PET detector using position sensitive avalanche photodiodes. Physics in Medicine and Biology, v. 51, p. 2131-2142, May 2006.
Os artigos abaixo são apenas referências bibliográficas para melhor entender os conceitos adotados na invenção: The articles below are only bibliographic references to better understand the concepts adopted in the invention:
[America1995] AMERICA, O. S. of. Fundamentals, Techniques, and Design. 2. ed. New York: McGraw-Hill, 1995. 42.9-42.13 p. [America1995] AMERICA, O. S. of. Fundamentals, Techniques, and Design. 2. ed. New York: McGraw-Hill, 1995. 42.9-42.13 p.
[Hecht2002] HECHT, E. Optics. 4. ed. San Francisco: Addison Wesley, 2002. Cap 4 and Cap 3. [Hecht2002] HECHT, E. Optics. 4. ed. San Francisco: Addison Wesley, 2002. Cap 4 and Cap 3.
[Spiegel1992] SPIEGEL, M. R. Theory and Problems of Probability and Statistics. 2nd. ed. New York: McGraw-Hill, 1992. p. 1 14-115. [Spiegel1992] SPIEGEL, M.R. Theory and Problems of Probability and Statistics. 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1992. p. 1 14-115.
Conclui-se, portanto, que a presente invenção possui características singulares e vantagens em relação ao estado da técnica. Ou seja, o sistema de detecção aqui proposto utiliza cristais cintiladores monolíticos, evitando as desvantagens do uso de cristais cintiladores discretos (custo alto de fabricação dos cristais devido ao corte e polimento e ao desperdício de material), associado a um processo de aquisição e processamento dos sinais dos fotossensores mais preciso e com menos distorções não-lineares que visa obter melhores parâmetros de qualidade de imagem, reduzir o tempo do exame e quantificar a dose de radiofármaco administrada para cada aplicação específica. Para a escolha do bloco detector, foi levada em consideração a possibilidade de usar o menor número possível de fotodetectores/canais de aquisição, reduzindo o custo do sistema e mantendo, ao mesmo tempo, a resolução espacial do sistema em um valor melhor ou equivalente àquele dos sistemas PET disponíveis atualmente. Nesse sentido, o presente sistema usa a soma dos canais em linha e coluna, o que reduz o número de fotodetectores/canais de aquisição de r x s para r+s. Outra característica importante é a capacidade de determinação da profundidade da interação (DOI - "Depth Of Interaction") do
vento dentro do cristal cintilador. A informação DOI melhora onsideravelmente a resolução espacial em todo o campo de visão do sistema, pois determina com melhor exatidão a posição da interação do fóton de radiação X ou gama, evitando erros de paralaxe. DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO It is therefore concluded that the present invention has unique features and advantages over the state of the art. That is, the detection system proposed here uses monolithic scintillating crystals, avoiding the disadvantages of using discrete scintillating crystals (high crystal manufacturing cost due to cutting and polishing and material waste) associated with a process of acquisition and processing. the most accurate and least non-linearly distorted photosensor signals aimed at obtaining better image quality parameters, reducing the examination time and quantifying the radiopharmaceutical dose administered for each specific application. In choosing the detector block, consideration was given to using as few photodetectors / acquisition channels as possible, reducing system cost while maintaining system spatial resolution at or better than that value. PET systems available today. In this sense, the present system uses the sum of the row and column channels, which reduces the number of photodetectors / acquisition channels from rxs to r + s. Another important feature is the Depth Of Interaction (DOI) wind inside the sparkling crystal. The DOI information significantly improves spatial resolution throughout the system's field of view, as it better determines the position of the X-ray or gamma photon interaction, avoiding parallax errors. DESCRIPTION OF THE INVENTION
A descrição da invenção faz referência às seguintes figuras, nas quais: A Figura 1 ilustra o diagrama da vista lateral da representação do sistema de detecção exemplificando a geração do evento de cintilação por meio da interação de um fóton de radiação X ou gama no cristal cintilador e as subsequentes aquisição e processamento dos sinais dos fotossensores. The description of the invention refers to the following figures, in which: Figure 1 illustrates the side view diagram of the detection system representation exemplifying the generation of the scintillation event by interaction of an X-ray or gamma photon on the scintillating crystal. and the subsequent acquisition and processing of photosensor signals.
A Figura 2 apresenta o diagrama da vista lateral da representação do sistema de detecção para uma leitura frontal. Figure 2 shows the side view diagram of the detection system representation for a front reading.
A Figura 3 ilustra o diagrama da vista lateral da representação do sistema de detecção para uma leitura traseira. Figure 3 illustrates the side view diagram of the detection system representation for a rear reading.
A Figura 4 apresenta o diagrama representando a leitura no esquema de somas em linha e em coluna dos sinais dos fotossensores da matriz de 8 x 8 fotossensores. Figure 4 shows the diagram representing the inline and column summation reading of the photosensor signals from the 8 x 8 photosensor matrix.
A Figura 5 ilustra o evento de cintilação ocorrendo na posição (xo, y0, z0), após deposição de energia por um fóton de radiação gama ou X, e a detecção de fótons ópticos, produzidos na cintilação, por um elemento da matriz de fotossensores posicionado em (xp, yq). Figure 5 illustrates the scintillation event occurring at position (xo, y 0 , z 0 ) after energy deposition by a gamma or X-ray photon and the detection of scintillation-produced optical photons by an array element of photosensors positioned at (x p , y q ).
A Figura 6 apresenta o fluxograma do processo de determinação da posição da interação 2D do fóton de radiação X ou gama. Figure 6 shows the flowchart of the process of determining the position of the 2D interaction of the X or gamma radiation photon.
A Figura 7 ilustra três fontes virtuais representando as reflexões nas faces do cristal, as quais possuem um revestimento de material refletor. As posições das fontes virtuais são relativas à posição da fonte real. Figure 7 illustrates three virtual sources representing the reflections on the crystal faces, which have a reflective material coating. The positions of the virtual sources are relative to the position of the actual source.
A Figura 8 representa o conjunto de camadas ópticas existentes no bloco detector e seus respectivos valores de espessura e índice de refração para um comprimento de onda de 420 nm, que corresponde ao comprimento de onda do pico de emissão de um cintilador de LYSO.
Figura 9 mostra os dados ajustados da transmitância calculada para um feixe e fótons ópticos atravessando as camadas de epóxi e da resina Meltmount em função do ângulo de incidência inicial do feixe. Figure 8 represents the set of optical layers in the detector block and their respective thickness and refractive index values for a wavelength of 420 nm, which corresponds to the peak emission wavelength of an LYSO scintillator. Figure 9 shows the adjusted transmittance data calculated for a beam and optical photons traversing the epoxy and Meltmount resin layers as a function of the initial beam angle of incidence.
A Figura 10 apresenta o esquema geral do sistema de detecção usado na tomografia por emissão de pósitrons. Figure 10 presents the general scheme of the detection system used for positron emission tomography.
A presente invenção refere-se a um sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico. O referido sistema considera que, quando um fóton de radiação X ou gama interage dentro do cristal cintilador, o local da interação se torna uma fonte de fótons ópticos com emissão isotrópica. A posição da interação e a energia depositada pelo fóton de radiação X ou gama são determinadas medindo-se a densidade de fluxo de radiação dos fótons ópticos da cintilação em diferentes posições do espaço. A Figura 1 mostra um diagrama exemplificativo do referido sistema de detecção em que um evento de cintilação (1) é gerado por meio de um fóton de radiação X ou gama (2) que incide na superfície de entrada (3) e sofre uma interação dentro do cristal cintilador (4). O referido sistema é constituído por radiação X ou gama (2), um cristal cintilador (4), um conjunto de múltiplos elementos fotossensores (5) acoplado a uma das faces de (4). O sistema de detecção ainda inclui outros componentes que são descritos a seguir. Um meio para acoplamento óptico (6), como um gel ou uma graxa óptica ou um composto baseado em epóxi ou outro tipo de resina adesiva, como a resina Meltmount, não limitados a estes, é usado para fornecer uma interface (ou acoplamento) óptica entre (4) e (5). Um revestimento óptico refletivo (7), como teflon ou 3M ESR ("Enhanced Specular Reflector"), não limitados a estes, é usado para isolar opticamente o cristal e melhorar a eficiência de detecção de fótons ópticos pelos fotossensores. Um processo (8) de aquisição e processamento dos sinais de (5) é executado para determinar a posição dos eventos de cintilação (1 ). The present invention relates to a detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events. This system considers that when an X or gamma radiation photon interacts within the scintillating crystal, the interaction site becomes a source of isotropic emission optical photons. The position of the interaction and the energy deposited by the X or gamma radiation photon are determined by measuring the radiation flux density of the scintillation optical photons in different positions of space. Figure 1 shows an exemplary diagram of said detection system in which a scintillation event (1) is generated by means of an X or gamma radiation photon (2) which hits the input surface (3) and undergoes an interaction within of the scintillating crystal (4). Said system consists of X or gamma radiation (2), a scintillating crystal (4), a set of multiple photosensor elements (5) coupled to one of the faces of (4). The detection system further includes other components which are described below. Optical coupling means (6), such as a gel or an optical grease or an epoxy based compound or other type of adhesive resin, such as Meltmount resin, not limited to these, is used to provide an optical interface (or coupling) between (4) and (5). A reflective optical coating (7) such as Teflon or 3M Enhanced Specular Reflector (ESR), not limited to these, is used to optically isolate the crystal and improve the detection efficiency of optical photons by photosensors. A process (8) of acquiring and processing signals (5) is performed to determine the position of scintillation events (1).
O cristal cintilador é tipicamente e/ou aproximadamente um sólido retangular. Alguns possíveis cristais cintiladores são: oxiortossilicato de lutécio
opado com cério (LSO), silicato fino de lutécio (LFS) e oxiortossilicato de itécio e ítrio dopado com cério (LYSO), não limitados a estes. The scintillating crystal is typically and / or approximately a rectangular solid. Some possible scintillating crystals are: lutetium oxyortosilicate cerium doped opium (LSO), lutetium fine silicate (LFS) and cerium-doped yttrium yttrium oxyortosilicate (LYSO), not limited to these.
Os fotossensores podem ser de diversos tipos como, por exemplo, tubos fotomultiplicadores (PMT), fotodiodos de silício, fotodiodos de avalanche (APD), fotomultiplicadoras de silício (SiPM), não limitados a estes. Estes múltiplos elementos de fotossensores representam uma "matriz de fotossensores" com duas dimensões (2D). Photosensors can be of various types such as, for example, photomultiplier tubes (PMT), silicon photodiodes, avalanche photodiodes (APD), and silicon photomultiplier (SiPM), not limited to them. These multiple photosensor elements represent a two-dimensional "photosensor matrix" (2D).
A Figura 2 ilustra, como uma das modalidades da invenção, o esquema de leitura frontal do sinal (FSR - "Front Side Readout") em que fótons de radiação X ou gama (2) incidem em (4) pela superfície de entrada (3), que é a face em que a matriz de fotossensores (5) está acoplada. Nesta modalidade, (5) deve possuir uma baixa atenuação de (2) para o uso de uma leitura frontal. Outra modalidade da invenção, a Figura 3, mostra um diagrama do esquema de leitura traseira (BSR - "Back Side Readout"), que é aquele em que (2) incidem em (3), a qual é a face oposta em que a matriz de fotossensores (5) está acoplada. O referido sistema de detecção desta invenção pode realizar leitura frontal, traseira e lateral. Figure 2 illustrates, as one embodiment of the invention, the Front Side Readout (FSR) scheme in which X-ray or gamma-2 photons fall into (4) from the input surface (3). ), which is the face on which the photosensor array (5) is coupled. In this embodiment, (5) must have a low attenuation of (2) for the use of a front reading. Another embodiment of the invention, Figure 3, shows a diagram of the Back Side Readout (BSR), which is where (2) focuses on (3), which is the opposite face on which the photosensor array (5) is coupled. Said detection system of this invention may perform front, back and side reading.
A Figura 4 mostra um diagrama de leitura dos sinais de (5) em somas em linha (9) e em coluna (10) representando mais uma modalidade da invenção especificamente para uma matriz com configuração de 8 x 8 de fotossensores. Figure 4 shows a reading diagram of the (5) signals in row (9) and column (10) sums representing a further embodiment of the invention specifically for an 8 x 8 photosensor array array.
O processo de aquisição e processamento dos sinais dos fotossensores determina a posição da interação do fóton de radiação gama ou X dentro do cristal cintilador. Tal processo pode ser implementado via hardware e/ou software. A Figura 5 exibe as convenções definidas para os eixos x, y e z em um volume de cristal cintilador monolítico (4) e a geração de um evento de cintilação (1 ) na posição (x0, yo, Zo), por meio da deposição de energia de um fóton de radiação gama ou X (2). O plano xy define o plano da matriz de fotossensores (5) sensíveis à posição, acoplados opticamente a (4), e a posição z0 é a profundidade de interação de (2) dentro de (4). A posição (xp , yq) representa o centro de um dos elementos da matriz de (5), onde ocorreu a
etecção de fótons ópticos. Neste exemplo, a matriz de (5) é acoplada na face a entrada de (2) (leitura frontal). The process of acquisition and processing of photosensor signals determines the position of gamma or X-ray photon interaction within the scintillating crystal. Such a process may be implemented via hardware and / or software. Figure 5 shows the conventions defined for the x, y and z axes in a monolithic scintillation crystal volume (4) and the generation of a scintillation event (1) at position (x 0 , yo, Zo) by the deposition of energy of a gamma or X-ray photon (2). The xy plane defines the plane of the position-sensitive photosensor array (5), optically coupled to (4), and the z 0 position is the interaction depth of (2) within (4). The position (x p , y q ) represents the center of one of the matrix elements of (5), where the optical photon detection. In this example, the matrix of (5) is coupled to the face of the input of (2) (front reading).
1. Determinação da posição 2D 1. 2D position determination
Um possível processo para determinação dos valores das coordenadas x0 e yo da interação do fóton de radiação gama ou X é baseado no cálculo da média ponderada com trucagem e remoção de "outliers", ou seja, pontos que se afastam da tendência da distribuição dos sinais coletados. A possible process for determining the values of the x 0 and yo coordinates of gamma or X-ray photon interaction is based on the weighted average calculation with trimming and removal of outliers, that is, points that deviate from the distribution trend. signals collected.
Considere uma matriz de fotossensores de r x s elementos. Seja lj a intensidade do canal j, dada pela soma das intensidades dos sinais ao longo do eixo u da matriz de fotossensores, onde u pode ser o eixo x ou y. O índice j varia de 0 até n-1 , onde n é o número de canais ao longo de u, isto é, n pode ser r ou s. Dados todos os valores das intensidades lj de cada canal e as suas respectivas posições Uj ao longo do eixo u, o processo para determinar a posição da interação u0: Consider an array of photosensors of rxs elements. Let lj be the intensity of channel j, given by the sum of the signal intensities along the u axis of the photosensor matrix, where u can be the x or y axis. The index j ranges from 0 to n-1, where n is the number of channels along u, that is, n can be r or s. Given all values of the intensities 1j of each channel and their respective positions Uj along the u axis, the process for determining the position of the interaction u 0 :
1. Determinação do canal de maior intensidade lmax e o seu respectivo índice jmax. 1. Determination of the highest intensity channel l max and its respective index j max .
2. Seleção de todos os canais com intensidade onde e
2. Select all channels with intensity where and
0, 1 <F<0,8 Varredura dos canais de índices jmax até 0 e descarte de todos os canais com intensidades
Varredura dos canais de índices jmax até n-1 e descarte todos os canais com intensidades0, 1 <F <0.8 Scan of j max index channels up to 0 and discard all intensities channels Scan jmax index channels to n-1 and discard all channels with intensities
3. Nova seleção dos canais de índices caso somente o canal
3. New selection of index channels if only channel
de maior intensidade não tenha sido descartado of greater intensity has not been discarded
4. Cálculo da posição uo pela equação 1.1 como sendo a posição média dos canais selecionados, ponderando pelas intensidades selecionadas subtraídas do valor
4. Calculation of the uo position by equation 1.1 as the average position of the selected channels, weighted by the selected intensities subtracted from the value
O fator F possui um valor típico de 0,4 e depende da espessura e do taterial do cristal. O fator F deve ser escolhido de forma que a determinação da posição tenha um resultado otimizado. The factor F has a typical value of 0.4 and depends on the crystal thickness and taterial. Factor F should be chosen so that position determination has an optimal result.
O referido processo é representado graficamente na Figura 6. Said process is graphically represented in Figure 6.
O método pode ou não ser usado em conjunto com outros métodos para determinação de qualquer uma das coordenadas Xo, yo e ZQ. The method may or may not be used in conjunction with other methods for determining any of the Xo, yo, and ZQ coordinates.
2. Determinação da posição 3D 2. 3D position determination
Um outro possível processo que pode ser usado para determinação dos valores das coordenadas Xo, yo e z0 da interação do fóton de radiação gama ou X adota um modelo de distribuição dos fótons ópticos incidentes na matriz de fotossensores. A Figura 7 mostra a convenção adotada pelo modelo de distribuição dos fótons ópticos incidentes na matriz de fotossensores (5) para definir três fontes virtuais para descrever as reflexões nas faces do cristal, as quais possuem um revestimento de material refletor e suas posições são definidas de acordo com a posição da fonte real. Another possible process that can be used to determine the Xo, yo, and z 0 coordinate values of the gamma-ray or X-ray interaction adopts a distribution model of the incident photons in the photosensor matrix. Figure 7 shows the convention adopted by the optical photon distribution model incident on the photosensor matrix (5) to define three virtual sources to describe the reflections on the crystal faces, which have a reflective material coating and their positions are defined as follows. according to the position of the actual source.
O modelo de distribuição dos fótons ópticos implementado é expresso por duas funções, Nphj e Nphj, que descrevem o número de fótons ópticos coletados da soma dos sinais da linha i (eixo x) e coluna j (eixo y), respectivamente, da matriz de fotossensores: The implemented optical photon distribution model is expressed by two functions, Nphj and Nph j , which describe the number of optical photons collected from the sum of the signals of row i (x axis) and column j (y axis), respectively, of the matrix. of photosensors:
onde Nphd(Xj;xo; z0) e Nphd(yj;yo; z0) são as somas dos sinais em linha e em coluna, respectivamente, dos fótons ópticos que são coletados e que incidem diretamente no plano da matriz de fotossensores. where Nph d (Xj; xo; z 0 ) and Nphd (yj; yo; z 0 ) are the sums of the line and column signals, respectively, of the optical photons that are collected and that directly affect the plane of the photosensor matrix. .
A somatória de cada uma das funções descreve as três fontes virtuais, posicionadas em x0 +Xk, yo +yk e z0 +Zk, que representam as contribuições de reflexões especulares na interface refletor / cristal cintilador. Todos os fótons ópticos coletados que não são descritos pelos termos anteriores são considerados como radiação de fundo. Tais fótons sofreram ao menos uma
jflexão dentro do cristal e não portam nenhuma informação da posição spacial do fóton de radiação gama ou X, mas a importância deles reside no fato de que eles contribuem para melhorar a resolução em energia do sinal coletado. A distribuição da projeção em uma dimensão desses fótons é considerada uniforme, sendo representada pela constante NpheG- 2.1. Distribuição de Cauchy-Lorentz The sum of each of the functions describes the three virtual sources, positioned at x 0 + Xk, yo + yk and z 0 + Zk, which represent the contributions of specular reflections at the reflecting / scintillating crystal interface. All collected optical photons that are not described by the above terms are considered as background radiation. Such photons have suffered at least one They do not reflect the spacial position of the gamma or X-ray photon, but their importance lies in the fact that they contribute to improving the energy resolution of the collected signal. The projection distribution in one dimension of these photons is considered uniform, being represented by the constant NpheG-2.1. Cauchy-Lorentz distribution
A lei do inverso do quadrado da distância não se aplica quando as dimensões dos detectores não são desprezíveis quando comparadas a distância da fonte de luz. Por isso, o modelo de distribuição dos fótons ópticos considera que a projeção nos planos xz e yz da distribuição dos fótons ópticos emitidos pela energia depositada por um fóton de radiação X ou gama na posição (xo;yo; zo) e que incidem diretamente no plano xy da matriz de fotossensores obedece à distribuição de probabilidade contínua de Cauch -Lorentz [SPIEGEL1992]: The inverse square law of distance does not apply when the dimensions of the detectors are not negligible when compared to the distance from the light source. Therefore, the optical photon distribution model assumes that the projection on the xz and yz planes of the distribution of the optical photons emitted by the energy deposited by an X or gamma radiation photon at the position (xo; yo; zo) and that directly affects the xy plane of the photosensor matrix follows the continuous probability distribution of Cauch-Lorentz [SPIEGEL1992]:
onde u é a posição x ou y ao longo do eixo da projeção referente à intensidade a ser determinada, Uo é a posição xo ou yo de interação do fóton de radiação X ou gama no eixo da projeção e z0 é a posição da profundidade de interação dentro do cristal. Essa distribuição é normalizada pela área com o seguinte fator:
where u is the x or y position along the projection axis relative to the intensity to be determined, uo is the xo or yo position of the radiation photon or gamma interaction on the projection axis and z 0 is the position of the interaction depth inside the crystal. This distribution is normalized by the area with the following factor:
2.2. Transmissão de fótons ópticos através da janela do fotodetector e da resina óptica 2.2. Optical photon transmission through photodetector window and optical resin
No modelo foi implementado o efeito da transmissão de fótons ópticos através da janela dos fotossensores e da resina óptica, que é descrito pela transmitância de um feixe de fótons ópticos em função do ângulo de incidência. In the model was implemented the effect of optical photon transmission through the photosensor window and the optical resin, which is described by the transmittance of an optical photon beam as a function of the angle of incidence.
A refletância e transmitância de um feixe de fótons ópticos em uma interface de dois meios com índices de refração distintos são descritas pelas equações de Fresnel [HECHT2002a]. No entanto, o bloco detector usado neste
rabalho como exemplo, possui três interfaces (cristal/resina, resina/epóxi e jpóxi/fotossensor) e, por isso, múltiplas reflexões podem ocorrer. Essas reflexões podem interferir de forma construtiva ou destrutiva e as equações de Fresnel não levam em consideração esse fenómeno. Assim, foi usado o método das matrizes de transferência [AMERICA1995], que é um método empregado para analisar a propagação de ondas eletromagnéticas através de uma série de camadas com espessuras e índices de refração diferentes. O método é baseado em uma formulação matricial das condições de contorno em filmes finos usando as equações de Maxwell [HECHT2002b], Para um sistema de L camadas, o método consiste em calcular o seguinte produto de matrizes:
The reflectance and transmittance of an optical photon beam on a two-media interface with distinct refractive indices is described by the Fresnel equations [HECHT2002a]. However, the detector block used in this As an example, it has three interfaces (crystal / resin, resin / epoxy and jpoxy / photosensor), so multiple reflections may occur. These reflections can interfere constructively or destructively, and Fresnel's equations do not take this phenomenon into account. Thus, the transfer matrix method [AMERICA1995] was used, which is a method employed to analyze the propagation of electromagnetic waves across a series of layers with different thicknesses and refractive indices. The method is based on a matrix formulation of thin film boundary conditions using Maxwell's equations [HECHT2002b]. For an L-layer system, the method consists of calculating the following matrix product:
onde
polarização paralela (2.8) ou
p0|arjzacã0 perpendicular (2.9) O ângulo é obtido por meio do ângulo de incidência θο usando a lei de Snell:Where parallel polarization (2.8) or p 0 | ar j zacã perpendicular (2.9) The angle is obtained by the angle of incidence θο using Snell's law:
onde no é o índice de refração do meio incidente, isto é, do cristal cintilador. Assim, o vetor elétrico E0 e o vetor magnético Ho podem ser calculados:
nde η3 é o índice de refração efetivo do substrato, que corresponde a silício no aso de um fotossensor do tipo diodo de silício. A transmitância é definida por:
where n is the refractive index of the incident medium, that is, of the scintillating crystal. Thus, the electric vector E 0 and the magnetic vector Ho can be calculated: nde η 3 is the effective refractive index of the substrate, which corresponds to silicon in the housing of a silicon diode photosensor. The transmittance is defined by:
Como a luz de cintilação é não-polarizada, a transmitância deve ser calculada para polarização pararela (Tp) e perpendicular (Ts), e a média simples dos dois valores deve ser determinada:
Since the scintillation light is non-polarized, the transmittance shall be calculated for parabolic (T p ) and perpendicular (T s ) polarization, and the simple mean of the two values shall be determined:
Além disso, é preciso fazer uma média ponderada das transmitâncias obtidas de acordo com as intensidades dos comprimentos de onda do espectro de emissão do cristal:
In addition, we must make a weighted average of the transmittances obtained according to the wavelength intensities of the crystal emission spectrum:
A Figura 8 mostra o conjunto de camadas do sistema óptico do bloco detector escolhido como exemplo, onde um feixe de luz dentro do cristal cintilador incide com ângulo θ0 na interface com a resina óptica Meltmount, podendo ser refletido com ângulo ΘΓ ou refratado com ângulo θ2, e assim sucessivamente. Os valores do índice de refração e da espessura de cada camada também estão indicados. Figure 8 shows the layer set of the detector block optics chosen as an example, where a beam of light within the scintillating crystal falls at angle θ 0 at the interface with the Meltmount optical resin and can be reflected at angle Θ Γ or refracted with angle θ 2 , and so on. The refractive index and thickness values of each layer are also indicated.
Desta forma, a matriz M foi determinada para o cálculo da transmitância do sistema óptico do bloco detector: Thus, the matrix M was determined to calculate the transmittance of the detector block optical system:
Com os dados da transmitância, foi feito um ajuste de uma função exponencial que descreve de forma aproximada esse comportamento para ângulos de incidência menores que o ângulo crítico:
ssa mesma função pode ser representada em função da posição da interação o fóton de radiação X ou gama (u0; z0) e da posição u da intensidade dos fótons ópticos coletados pela matriz:
With the transmittance data, an exponential function has been adjusted that roughly describes this behavior for incidence angles smaller than the critical angle: This same function can be represented as a function of the position of the interaction of the X or gamma radiation (u 0 ; z 0 ) and the position u of the intensity of the optical photons collected by the matrix:
onde u é a coordenada x ou y ao longo do eixo da projeção referente à intensidade a ser determinada, Uo é a coordenada Xo ou y0 de interação do fóton de radiação X ou gama no eixo da projeção e z0 é a posição da profundidade de interação dentro do cristal. O ajuste foi feito usando o método dos mínimos quadrados não-linear (algoritmo de Levenberg- Marquardt) e os parâmetros encontrados foram: where u is the x or y coordinate along the projection axis relative to the intensity to be determined, Uo is the Xo or y 0 coordinate of the radiation photon or gamma interaction on the projection axis and z 0 is the position of the depth of interaction within the crystal. The adjustment was made using the nonlinear least squares method (Levenberg-Marquardt algorithm) and the parameters found were:
Tabela 1. Valores dos parâmetros do ajuste da equação 2.17, usando o método dos mínimos quadrados não-linear. Table 1. Values of the fit parameters of equation 2.17 using the nonlinear least squares method.
A Figura 9 mostra uma representação gráfica dos dados de transmitância calculados e o ajuste da função exponencial, com validade de 0 até 90 graus. Figure 9 shows a graphical representation of the calculated transmittance data and the exponential function setting, valid from 0 to 90 degrees.
Como pode ser observado no gráfico, a função foi ajustada de zero até o ângulo crítico, que é de aproximadamente 56,85 graus. Acima do ângulo crítico, a função fornece valores negativos de transmitância, os quais não possuem significado físico. Portanto, o modelo considera esses valores negativos como sendo iguais a zero. As can be seen from the graph, the function has been adjusted from zero to the critical angle, which is approximately 56.85 degrees. Above the critical angle, the function provides negative transmittance values, which have no physical significance. Therefore, the model considers these negative values to be zero.
2.3. Distribuição de probabilidade do sinal completa 2.3. Full Signal Probability Distribution
Levando em consideração todos os fatores descritos anteriormente, a Taking into consideration all the factors described above, the
distribuição de probabilidade do sinal dos fótons ópticos coletados que incidem diretamente no plano da matriz de fotossensores é:
Probability distribution of the signal of the collected optical photons that directly affect the plane of the photosensor matrix is:
onde Ad é o fator de normalização da distribuição e Au é a dimensão do fotossensor ao longo do eixo correspondente. A integral faz com que o modelo leve em consideração as dimensões do fotossensor, as quais não são desprezíveis, quando comparadas com as possíveis distâncias da posição de interação à matriz de fotossensores. Como a equação 2.17 é válida somente para ângulos de incidência maiores ou iguais a zero Θ > 0, a mesma condição se aplica para a equação 2.18. No entanto, o resultado pode ser determinado para ângulos negativos por causa da simetria existente. Resolvendo a integral definida: where A d is the distribution normalization factor and Au is the photosensor dimension along the corresponding axis. The integral makes the model take into account the photosensor dimensions, which are not negligible when compared to the possible distances from the position of interaction to the photosensor matrix. Since equation 2.17 is valid only for incidence angles greater than or equal to zero> 0, the same condition applies for equation 2.18. However, the result can be determined to negative angles because of the existing symmetry. Solving the definite integral:
Definindo a função-resposta R do elemento I da matriz de fotossensores como: Defining the response function R of the photosensor array element I as:
De forma análoga, as distribuições de probabilidade de cada uma das três fontes virtuais são dadas por:
Similarly, the probability distributions of each of the three virtual sources are given by:
_nde Av1, Av2 e AV3 são os fatores de normalização de cada uma das where A v1 , A v2 and A V 3 are the normalization factors for each of
distribuições. Os fatores de normalização são calculados por meio das seguintes relações: distributions. Normalization factors are calculated through the following relationships:
onde Nphtotai é o número total de fótons ópticos coletados pela matriz de fotossensores, Nei é o número de elementos da matriz de fotossensores e Nc é o número de canais para o eixo u. where Nphtotai is the total number of optical photons collected by the photosensor array, N and i is the number of elements of the photosensor array, and N c is the number of channels for the u axis.
2.4. Ajuste dos parâmetros do modelo 2.4. Model Parameter Adjustment
O ajuste dos parâmetros do modelo foi feito utilizando dois métodos de ajustes de funções: o método da máxima verossimiíhança e o método dos mínimos quadrados não linear. No entanto, outros métodos de ajustes podem ser usados. The model parameters were adjusted using two function adjustment methods: the maximum likelihood method and the nonlinear least squares method. However, other adjustment methods may be used.
2.4.1. Limites e valores iniciais dos parâmetros do modelo 2.4.1. Limits and initial values of model parameters
Para o ajuste dos dados do modelo de distribuição do sinal ser realizado de forma correta, é importante que os parâmetros a serem ajustados tenham
ilores iniciais próximos aos valores reais, de forma a evitar que o processo de inimização tenha uma convergência ao ponto de mínimo errado. Além disso, os parâmetros são limitados a uma faixa de valores para que possuam significado físico e para evitar a divergência dos valores estimados. For the adjustment of the signal distribution model data to be performed correctly, it is important that the parameters to be adjusted have initial values close to the actual values, in order to prevent the process of enmity from converging to the wrong minimum point. In addition, the parameters are limited to a range of values for physical significance and to avoid divergence of the estimated values.
2.4.1.1. Radiação de fundo (NphBG) 2.4.1.1. Background Radiation (Nph B G)
O valor inicial do parâmetro que representa a radiação de fundo (NphBG) é definido como a média simples dos dois sinais de mais
The initial value of the parameter representing the background radiation (Nph B G) is defined as the simple mean of the two plus signs.
baixa intensidade coletados pela soma em linha ou coluna pela matriz de fotossensores:
low intensity collected by the sum in row or column by the photosensor matrix:
Foi estabelecido para esse parâmetro um limite superior equivalente ao valor inicial. O limite inferior possui valor típico de 60% de NphBG, mas pode variar de 0 até 90%. An upper limit equivalent to the initial value has been set for this parameter. The lower limit has a typical value of 60% of Nph B G, but can vary from 0 to 90%.
2.4.1.2. Posição da interação (xo e yo) 2.4.1.2. Interaction Position (xo and yo)
Um processo que pode ser utilizado para a estimativa inicial da posição da interação no plano xy (x0 e yo) é o do item 1 (Determinação da posição 2D). Porém, outros processos podem ser usados[Malmin2010], One process that can be used for the initial estimation of the interaction position in the xy plane (x 0 and yo) is that of item 1 (2D Position Determination). However, other processes can be used [Malmin2010],
Os limites superior e inferior do valor inicial u, representados respectivamente por usup e Ujnf, foram definidos com os seguintes valores e condições: The upper and lower limits of the initial value u, represented respectively by u sup and Ujnf, were defined with the following values and conditions:
> valor inicial da profundidade de interação z0 e o seu limite superior é definido como o valor da espessura do cristal. O limite inferior é definido como sendo zero. > initial interaction depth value z 0 and its upper limit is defined as the crystal thickness value. The lower limit is set to zero.
2.4.2. Métodos de ajustes 2.4.2. Adjustment Methods
2.4.2.1. Método de máxima verossimilhança 2.4.2.1. Maximum likelihood method
O método de máxima verossimilhança ("Maximum Likelihood" - ML) é um conhecido método estatístico empregado na estimativa de parâmetros de um modelo estatístico, a partir de um conjunto de dados a serem ajustados, Dado um conjunto de número de fótons ópticos detectados dos N canais em linha / coluna {m,; i = 1 ;2; ... ;Nc}, onde Nc, temos que a probabilidade de mi ser obtido no intervalo de rri2 ser obtido no intervalo e
The Maximum Likelihood (ML) method is a well-known statistical method used to estimate the parameters of a statistical model from a set of data to be adjusted. Given a set of N-detected optical photons. inline / column channels {m ,; i = 1,2; ...; Nc}, where Nc, we have that the probability that mi is obtained in the range of rri2 is obtained in the range and
onde
^ o valor da função densidade de probabilidade para mi, sendo que os parâmetros verdadeiros são definidos pelo vetor
. Portanto:
Como o fator é constante, o mesmo pode serWhere ^ the value of the probability density function for mi, where true parameters are defined by the vector . Therefore: Since the factor is constant, the same can be
desprezado para a definição da função verossimilhança L, que é dada por:
neglected for the definition of the likelihood function L, which is given by:
Assumindo que os valores de m, obedecem à uma distribuição de Poisson, a função L é dada por: Assuming that the values of m, obey a Poisson distribution, the function L is given by:
onde λ, = Nphj. where λ, = Nphj.
O método de máxima verossimilhança consiste em estimar os parâmetros verdadeiros
por meio de um vetor que maximiza a função de
rossimilhança L. Como a função L é positiva, é mais conveniente maximizar logaritmo da função L, que possui o mesmo ponto de máximo:
The maximum likelihood method is to estimate the true parameters through a vector that maximizes the function of Since the L function is positive, it is more convenient to maximize logarithm of the L function, which has the same maximum point:
onde ln(mj!) é uma constante. Assim, a estimativa do valor verdadeiro
é determinada com o seguinte estimador:
where ln (mj!) is a constant. Thus, the estimate of the true value is determined with the following estimator:
2.4.2.2. Método dos mínimos quadrados 2.4.2.2. Minimum squares method
O método dos mínimos quadrados é uma das técnica mais usadas para determinar o melhor ajuste de um modelo ou função a um conjunto de dados não-correlacionados entre si. O método usa o conceito de resíduo, que é a diferença entre um valor observado m, e o seu respectivo valor ajustado Nph(u,; P):
The least squares method is one of the most widely used techniques for determining the best fit of a model or function to an uncorrelated data set. The method uses the concept of residue, which is the difference between an observed value m and its respective adjusted value Nph (u ,; P):
O método consiste em maximizar o ajuste com um estimador que minimiza a soma dos quadrados dos resíduos da regressão. O estimador do método dos mínimos quadrados é dado por:
The method consists in maximizing the fit with an estimator that minimizes the sum of the squares of the regression residuals. The least squares method estimator is given by:
No método dos mínimos quadrados, o número de dados observados "N" deve ser maior que o número de parâmetros a serem ajustados. O método é dividido em duas categorias: linear, usada quando os parâmetros possuem uma relação linear entre si, e a não-linear, empregada em problemas não-lineares onde a solução é obtida por métodos iterativos. Quando as incertezas dos dados são diferentes, uma abordagem ponderada do estimador deve ser usada: In the least squares method, the number of observed data "N" must be greater than the number of parameters to be adjusted. The method is divided into two categories: linear, used when the parameters have a linear relationship to each other, and nonlinear, used in nonlinear problems where the solution is obtained by iterative methods. When data uncertainties differ, a weighted estimator approach should be used:
Tomografia por emissão de pósitrons Positron Emission Tomography
Uma das modalidades não limitativas da invenção é mostrada na Figura 10, que se refere a um sistema de detecção empregado na técnica de tomografia por emissão de pósitrons (PET - "Positron Emission Tomography"). A técnica PET é um método de imagem não-invasivo da Medicina Nuclear usado para obtenção do mapa de distribuição de um traçador radioativo, denominado radiofármaco (1 ), administrado internamente em um organismo vivo (12). Em geral, (11 ) é uma substância química com relevância biológica marcada com um radionuclídeo emissor de pósitrons com meia vida curta como, por exemplo, carbono- 1 , nitrogênio-13, oxigênio-15 e flúor-18. Os fótons de radiação gama (2), provenientes da aniquilação de pósitrons, interagem com o cristal cintilador (4). Os sinais coletados passam por uma unidade de aquisição e processamento de sinais (13). Os dados registrados e a reconstrução da imagem são realizados por meio de um computador (14).
One of the non-limiting embodiments of the invention is shown in Figure 10, which relates to a detection system employed in the Positron Emission Tomography (PET) technique. The PET technique is a noninvasive nuclear medicine imaging method used to obtain the distribution map of a radioactive tracer, called a radiopharmaceutical (1), internally administered to a living organism (12). In general, (11) is a biologically relevant chemical labeled with a short half-life positron-emitting radionuclide such as carbon-1, nitrogen-13, oxygen-15 and fluorine-18. Gamma radiation photons (2) from positron annihilation interact with the scintillating crystal (4). The collected signals go through a signal acquisition and processing unit (13). Recorded data and image reconstruction are performed using a computer (14).
Claims
1. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, caracterizado pelo fato de constituir-se de: 1. Detection system for determining the position of scintillation events in monolithic scintillating crystal, characterized in that it consists of:
(a) Uma fonte emissora de fótons de radiação; (a) a source of radiation photons;
(b) Um cristal cintilador monolítico; (b) a monolithic scintillating crystal;
(c) Um conjunto de múltiplos elementos fotossensores acoplado a uma das faces do referido cristal cintilador; (c) an array of multiple photosensor elements coupled to one side of said scintillating crystal;
(d) Um gel ou uma graxa óptica ou um composto baseado em epóxi ou outro tipo de resina adesiva para prover interface óptica entre o cristal cintilador e o conjunto de múltiplos fotossensores; (d) An gel or optical grease or epoxy based compound or other type of adhesive resin to provide optical interface between the scintillating crystal and the multiple photosensor assembly;
(e) Um revestimento óptico refletivo; (e) a reflective optical coating;
(f) Um processo de aquisição e processamento dos sinais dos fotossensores; (f) A process for acquiring and processing photosensor signals;
(g) Um processo de registro dos dados (sinais) e reconstrução da imagem. (g) A process of recording data (signals) and reconstructing the image.
2. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a fonte emissora de fótons de radiação pode emitir raios gama ou raios X. Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 1, characterized in that the source of radiation photons can emit gamma rays or X-rays.
3. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o cristal cintilador compreende oxiortossilicato de lutécio dopado com cério (LSO), silicato fino de lutécio (LFS) e oxiortossilicato de lutécio e ítrio dopado com cério (LYSO). Detection system for determining the position of monolithic scintillating crystal scintillation events according to claim 1, characterized in that the scintillating crystal comprises cerium-doped lutetium oxyortosilicate (LSO), lutetium fine silicate (LFS) ) and cerium-doped yttrium yttrium oxyortosilicate (LYSO).
4. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o conjunto de múltiplos elementos
fotossensores consiste de uma matriz de fotossensores com duas dimensões. Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 1, characterized in that the multi-element array Photosensors consists of an array of two-dimensional photosensors.
5. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os fotossensores compreendem tubos fotomultiplicadores (PMT), fotodiodos de silício, fotodiodos de avalanche (APD) e fotomultiplicadoras de silício (SiPM). Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 4, characterized in that the photosensors comprise photomultiplier tubes (PMT), silicon photodiodes, avalanche photodiodes (APD) and silicon photomultipliers (SiPM).
6. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a resina ou gel óptico compreende resina Epóxi ou Meltmount. Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 1, characterized in that the optical resin or gel comprises Epoxy or Meltmount resin.
7. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o revestimento óptico refletivo consiste de um material isolante usado para isolar opticamente o cristal e melhorar a eficiência de detecção de fótons ópticos pelos fotossensores. Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 1, characterized in that the reflective optical coating consists of an insulating material used to optically isolate the crystal and improve the efficiency of detection of optical photons by photosensors.
8. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o material isolante compreende Teflon e 3M ESR ("Enhanced Specular Reflector"). Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 7, characterized in that the insulating material comprises Teflon and 3M ESR ("Enhanced Specular Reflector").
9. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o processo de aquisição e processamento dos sinais dos fotossensores consiste em realizar os seguintes procedimentos: Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 1, characterized in that the process of acquisition and processing of the photosensor signals consists of the following procedures:
(a) Coleta dos fótons de radiação que incidem na superfície de entrada do cristal cintilador; (a) Collection of radiation photons which affect the input surface of the scintillating crystal;
(b) Leitura dos sinais gerados pela matriz de fotossensores;
(c) Determinação da posição da interação dos fótons ópticos dentro do cristal cintilador e da energia depositada. (b) Reading the signals generated by the photosensor matrix; (c) Determination of the position of the interaction of optical photons within the scintillating crystal and the deposited energy.
10. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a leitura dos sinais gerados pela matriz de fotossensores compreende a leitura frontal, lateral ou traseira, conforme a matriz de fotossensores é acoplada a uma das faces do cristal cintilador. Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 9, characterized in that the reading of the signals generated by the photosensor array comprises the front, side or rear reading according to Photosensor array is coupled to one side of the scintillating crystal.
1 1. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a leitura dos sinais gerados pela matriz de fotossensores consiste na soma dos sinais em linha e em coluna (r x s elementos). Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 9, characterized in that the reading of the signals generated by the photosensor matrix consists of the sum of the inline and column signals (rxs elements).
12. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a determinação da posição da interação dos fótons ópticos dentro do cristal cintilador e da energia depositada consiste em medir a densidade de fluxo de radiação dos referidos fótons em diferentes posições do espaço. Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 9, characterized in that the determination of the position of the interaction of the optical photons within the scintillating crystal and the deposited energy consists in measuring the radiation flux density of said photons at different positions of space.
13. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a determinação da posição da interação dos fótons ópticos dentro do cristal cintilador compreende os planos bidimensional da matriz de fotossensores e tridimensional. Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 9, characterized in that the determination of the position of the interaction of optical photons within the scintillation crystal comprises the two-dimensional planes of the photosensors and three-dimensional.
14. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a determinação da posição bidimensional da matriz de fotossensores consiste no cálculo da média ponderada com trucagem e remoção de pontos que se afastam da tendência da distribuição dos sinais coletados.
Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 13, characterized in that the determination of the two-dimensional position of the photosensor matrix consists of calculating the weighted average with trimming and removal of points that deviate from the distribution trend of the collected signals.
15. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a determinação da posição tridimensional consiste em uma estimativa de parâmetros de um modelo de distribuição dos sinais coletados pelos elementos da matriz de fotossensores. Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 13, characterized in that the determination of the three-dimensional position consists of an estimate of parameters of a signal distribution model collected by the photosensor matrix elements.
16. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o modelo de distribuição dos sinais coletados pelos elementos da matriz de fotossensores consiste em calcular a transmitância de cada feixe de luz, em função do seu ângulo de incidência, gerado pelos fótons ópticos que atravessam a matriz de fotossensores e o meio acoplador óptico. Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 15, characterized in that the distribution pattern of the signals collected by the photosensor matrix elements consists of calculating the transmittance of each light beam, as a function of its angle of incidence, generated by the optical photons that traverse the photosensor array and the optical coupler medium.
17. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o modelo de distribuição dos sinais coletados pelos elementos da matriz de fotossensores consiste em calcular a intensidade dos fótons ópticos, em função da posição da interação, que incidem diretamente na matriz de fotossensores. Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 15, characterized in that the distribution pattern of the signals collected by the photosensor array elements consists of calculating the intensity of the photons optics, as a function of the position of the interaction, which directly affect the photosensor matrix.
18. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o modelo de distribuição dos sinais coletados pelos elementos da matriz de fotossensores consiste em calcular a contribuição das reflexões na interface revestimento óptico/cristal cintilador para a intensidade do sinal coletado pela matriz de fotossensores. Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 15, characterized in that the distribution model of the signals collected by the photosensor matrix elements consists in calculating the contribution of the reflections at the optical coating / scintillating crystal interface for the signal strength collected by the photosensor matrix.
19. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a determinação do valor inicial da posição da interação tridimensional compreende o processo de determinação da posição bidimensional.
Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 15, characterized in that the determination of the initial position value of the three-dimensional interaction comprises the process of determining the two-dimensional position.
2 0. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o processo de aquisição e processamento dos sinais compreende o emprego de software ou de técnicas de eletrônica analógica. Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 1, characterized in that the signal acquisition and processing process comprises the use of software or analog electronics techniques. .
21. Sistema de detecção para determinação da posição de eventos de cintilação em cristal cintilador monolítico, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que sua arquitetura funcional pode ser empregada em técnicas de formação de imagens, compreendendo a tomografia por emissão de pósitrons (PET) e a tomografia computadorizada por emissão de fóton único (SPECT).
Detection system for determining the position of monolithic scintillation crystal scintillation events according to claim 1, characterized in that its functional architecture can be employed in imaging techniques, comprising positron emission tomography (PET) and single photon emission computed tomography (SPECT).
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