WO2017109256A1 - Cámara compton focalizable equipada con detectores de separación variable - Google Patents

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WO2017109256A1
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compton
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absorption
detector
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Inventor
Cesar Domingo Pardo
Luis Caballero Ontanaya
Francisco Javier ALBIOL COLOMER
Jorge AGRAMUNT ROS
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Empresa Nacional De Residuos Radiactivos Enresa
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Universitat de Valencia
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Empresa Nacional De Residuos Radiactivos Enresa
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Universitat de Valencia
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation

Definitions

  • the present invention falls within the scope of imaging techniques by means of gamma radiation. More specifically, the invention relates to a Compton-type gamma camera, which is useful in the field of nuclear medicine, as well as for monitoring nuclear threats, dismantling of radioactively contaminated areas and port security.
  • these processes are performed separately, first identifying the radioactive nuclei and then studying their spatial distribution.
  • gamma radiation spectrometers are used, so that spectra are obtained with the distribution of the intensities of the detected gamma rays, depending on their energy. With this information, it is possible to identify the radioisotopes present, since each one emits characteristic gamma rays in its disintegration.
  • Germanium detectors which need to be refrigerated at -172 and C to optimize their performance
  • high volume scintillation detectors are used at this stage.
  • the design of the collimator in this type of cameras depends on the energy of the gamma rays that are to be detected (the greater the energy of the object gamma rays, the greater the thickness of the collimator must be) and the size of the intended field of vision obtain.
  • the spatial resolution of the cameras with mechanical collimation is determined by the opening of the collimator: the smaller the aperture, the greater the spatial resolution.
  • the detection efficiency is also determined by the opening of the collimator, decreasing significantly as its size decreases.
  • these types of detectors provide specific embodiments to obtain performance in which a certain counting statistic with a certain preset spatial resolution is required, but they are not suitable for other measurement scenarios, lacking general application for different scenarios of detection.
  • the procedure to study the spatial distribution of radioactive sources that involves the use of this type of cameras is to perform a mapping of the area to be controlled, moving the detectors manually or automatically: each position involves an associated measurement (the field The detector's vision is known) which is used to make a final composition with all the measurements in the different positions, obtaining a composite map or mosaic of radiation distribution in the analyzed scenario.
  • This method is very expensive in terms of total measurement time, as well as complex when it is planned and executed.
  • Electronic collimation gamma cameras (known as Compton cameras): they are devices that are based on the Compton interaction of the gamma rays incident in a detection device, and their subsequent reconstruction to determine the position of the radiation emitting sources of radiation incident.
  • the Compton cameras preferably consist of a first detector element that favors the Compton dispersion of the incident gamma rays, and a second detector element where the energy deposited by said rays is measured to reconstruct the path of the original gamma ray and, therefore, , to obtain an image of the spatial distribution of the detected radioisotopes.
  • the analysis using these cameras can be performed for a single energy range, since the radioisotope to be analyzed is known in advance.
  • Compton cameras have shortcomings for the rest of the energies in their spatial resolution and detection sensitivity capabilities.
  • the detection sensitivity of a Compton camera is determined by the intrinsic characteristics of the individual detectors with which it is equipped, as well as its configuration in the device. In this way, once the camera and its detectors have been built, its performance (efficiency, energy and angular resolution) are fixed by construction, and therefore the sensitivity of the system and the set of environments or situations in which it is possible use.
  • the scenarios where the measurements described above are defined are defined by different variables, such as the number and distribution of radiation sources, their activity or intensity, the spectrometry of the radioisotopes to be studied, etc.
  • the design of the camera is always optimized to maximize the performance of the system in its use in the scenario to which it is intended. Any change in the scenario in which the device is used entails a limitation in the performance of the system, impacting directly on the efficiency of the measurement (longer measurement time and / or number of these) or being forced to use other more optimal detection devices for these new environment conditions.
  • the camera is optimized for a certain radiation energy and it is desired to detect a gamma emitting source with a different energy, it may not be possible to register or detect, at least within a certain preset measurement time.
  • Devices and cameras for the detection of neutrons and / or gamma radiation from radioactive sources are also known in the state of the art, such as those described in patent applications US 2012/0256094 A1 and US 8237130 B1. These devices are based on arrays of several detectors, each consisting of a scintillator material coupled to a photosensor or photomultiplier tube. In this type of detection systems, the spatial resolution is determined by the size of the detectors used in the array, while the efficiency is proportional to the number of detectors used. In US 2012/0256094 A1, the energy resolution of neutrons is determined by the distance between mobile detection planes separable from each other. However, this results in a reduction in the field of vision and the detection efficiency of gamma radiation.
  • the present invention proposes a new focusable Compton camera equipment, which by design allows to cover a wider range of detection efficiencies and / or angular and spatial resolutions, so that the accuracy, application fields and the range of scenarios where useful information can be extracted is increased.
  • dynamic targeting allows the system's resolution and efficiency to be modified selectively based on the characteristics of the scenario in which the measurement is performed, thereby increasing the versatility of the system.
  • an object of the present invention is, therefore, to obtain devices that improve the information associated with the formation of images by means of gamma radiation, and identify their distribution of radioisotopes, thus overcoming the limitations of known equipment.
  • a focusable Compton camera comprising: a Compton dispersion detector; one or more absorption detectors, whose planes are aligned or not with the plane of the dispersion detector; and a mechanical system for separating the dispersion and absorption detectors to vary said distance between said detectors.
  • DEC Dynamic Electronic Collimation
  • This method offers the advantage of greater efficiency of electronic collimation (Compton Cameras) compared to mechanics (Anger Cameras), but also allows the dynamic range of the measure, covering a wider spectrum of efficiencies and spatial resolutions.
  • the possibility of carrying out measurements within the entire dynamic range of the device is what provides additional information and added value compared to existing devices based on electronic collimation.
  • the dispersion detector comprises one or more monolithic scintillator crystal (s) or a set of scintillators (pixelated detector) optically coupled to one or more photomultiplier (s) pixelated (s) or one or more semiconductor photosensors based on an array of avalanche photodiodes (APDs) or silicon photomultipliers (or SiPM).
  • the absorption detector comprises a scintillator crystal (monolithic or pixelated) also coupled to a photosensor, both of the pixelated photomultiplier tube type and silicon or SiPM photosensor. This makes it possible to take full advantage of the space of the dispersion and absorption planes as useful detection surfaces, unlike the systems known in the state of the art.
  • the invention allows a measurement procedure to be carried out where the following steps are performed: a) the device is placed in its maximum efficiency configuration, preferably in the geometric center of the room to be measured;
  • the camera is oriented automatically or discreetly to the directions where greater spatial accuracy is required.
  • the invention has the fundamental advantage of having a high dynamic range of performance, for relatively short distances, from a few mm to several cm, between dispersion and absorption detectors. This makes it possible to compose a measure of several sub-measures, each with a different separation between disperser and absorber, giving rise to a global measure composed of several measures, ranging from high-efficiency and low spatial resolution, to high spatial resolution and low efficiency. In this way, it is possible to amplify the detection sensitivity (high efficiency-high spatial resolution) in a single measuring instrument, small, portable and versatile.
  • the dispersion detector can be of the gaseous type with pixelated electrodes, thus allowing the reconstruction of the Compton electron path by means of time-projection chamber techniques.
  • the dispersion detector and / or the absorption detector are pixelated semiconductor detectors with segmented electrodes, such as silicon detectors, germanium hyperpure detectors (HPGe), or CdZn, CdZnTe detectors, etc.
  • HPGe germanium hyperpure detectors
  • CdZn, CdZnTe detectors etc.
  • the reconstruction of the Compton electron trajectory can also be feasible, improving the angular resolution and enabling a reconstruction of the image with few events or low statistics.
  • the range of sensitivity (detection efficiency and angular resolution) of the camera and, consequently, of its performance and potential applications is greatly extended. While in the existing Compton cameras the position of the detectors remains fixed by construction, in the chamber of the invention the operator or user can vary the distance between said detectors, thus expanding the spatial resolution capabilities of the device.
  • the proposed invention allows, by means of its connection to a corresponding processing electronics, to temporarily distinguish the signals registered in the detection planes, thus being able to identify when said signals have been produced simultaneously.
  • the Compton camera and its associated electronics provide a sufficient capacity for spatial and temporal resolution in the detection of signals, reaching a compromise between the activity (amount of radiation) of the environment to be measured. and the sizes of the sensors used.
  • each of the detectors is equipped with electronics for detecting the electrical signals registered by the detectors and converting said signals into digital signals.
  • the camera additionally comprises an image reconstruction device via hardware / software, said equipment comprising a user interface for performing measurements and / or evaluating the results obtained.
  • the mechanical separation system incorporates a piezo motor operated by a mechanical controller.
  • the Compton camera comprises a portable power system.
  • the camera comprises a frame or mobile carriage for transportation, equipped with a complementary mechanical orientation system for controlling and recording the spatial orientation of said camera. More preferably, said orientation system comprises a remote control for its operation.
  • the dispersion and absorption detectors are mounted on supports fixed to a linearly sliding plate, operated by means of the mechanical separation system and thus allowing the distance between said detectors to be varied.
  • the camera comprises a data acquisition system configured with software, to carry out one or more algorithms for reconstruction of the interaction position with the detectors of said camera.
  • a second object of the invention relates to the use of a camera according to any of the embodiments described herein, or of several of said cameras connected by hardware / software, for the control or dismantling of areas contaminated by radiation, for monitoring of radioactive leaks or for the acquisition of molecular imaging or dosimetry.
  • a third object of the invention relates to a method of obtaining data about the spatial distribution of a radioisotope, which comprises the use of a camera or a system. according to any of the embodiments described herein, and where: a plurality of measurements of the radiation emitted by the radioisotope with the Compton chamber are taken, at different separation distances between the dispersion detector and the absorption detectors; and, based on the radiation measurements obtained for different distances, a spatial reconstruction of the emission distribution of said radioisotope is performed.
  • the reconstruction algorithm starts from a much more complete amount of information, than in the case of a conventional Compton camera. This method allows obtaining more detailed information on the identification and determination of the spatial distribution of all radioisotopes analyzed.
  • Figure 1 shows a perspective view of the Compton camera of the invention, according to a preferred embodiment thereof.
  • Figure 2 shows a graph showing the Compton angle (left ordinate axis, expressed in degrees) and angular dispersion (right ordinate axis, expressed in degrees) versus the separation distance between the dispersion and absorption detectors (abscissa, represented in mm), for a sampling of gamma radiation obtained by means of the chamber of Figure 1.
  • the Compton chamber of the invention essentially comprises a dispersion detector (1) and one or more absorption detectors. (2, 2 ') whose central axes of symmetry are preferably (although not necessarily) aligned.
  • This arrangement of detectors in a Compton camera follows the pattern of known electronic collimation gamma cameras.
  • each of the detectors (1, 2, 2 ') is equipped with electronic detection and conversion, through which it is possible to convert the electrical pulses registered by the detectors (1, 2, 2') into digital signals, integrated into the device itself.
  • the camera preferably comprises an image reconstruction device via hardware / software that integrates a user interface through which it is possible to perform measurements and evaluate the results obtained.
  • Said image reconstruction equipment may be integrated, for example, in a computer.
  • the dispersion (1) and absorption (2, 2 ') detectors are preferably formed by a scintillated crystal in combination with position sensitive photomultipliers or solid state photomultipliers.
  • the present invention advantageously incorporates a mechanism of variable separation of the detection planes that form the dispersion (1) and absorption (2 '2') detectors, which allows to configure distances (d ), for example, between 0 and 1 m distance.
  • both detectors (1, 2, 2 ') are preferably mounted on a mechanical separation system (3) that incorporates a piezo-motor, which allows the aforementioned distance (d) to be varied (which will also be referred to as " Focal length ”) by means of a mechanical controller and, therefore, know that distance (d) precisely.
  • the Compton camera of the invention can operate powered by electric current or by means of a battery, so that the device is fully portable, it can be carried by hand by the operator, or mounted on a mobile frame or carriage that allows transport of the set
  • the Compton camera can be mounted on a complementary mechanical orientation system, which allows precise control of its spatial orientation for the realization of a three-dimensional map of the environment under study. Said positioning can be controlled from the camera's user interface, which in turn can be controlled remotely, by means of connection and / or physical and wireless communication.
  • a preferred embodiment of the chamber of the invention is shown, as mentioned, in Figure 1 of this document.
  • the dispersion detector (1) consists, in said embodiment, of a monolithic scintillator crystal or set of scintillators optically coupled to a photosensor based on an array of avalanche photodiodes (APDs), silicon photomultipliers (or SiPM) or multiplex photon counters (MPPC).
  • the absorption detector (2, 2 ') consists of a scintillator crystal also coupled to an MPPC. Also, both detectors (dispersion (1) and absorption (2, 2 ')) are mounted on supports (4, 4', 4 ") that hold them firmly to a plate (5) that can slide linearly through of the mechanical separation system (3), over a wide range of distances (d).
  • this system (3) is connected to a servo-controller (not shown in the figure) which, to its Once, it can be programmed and controlled by a computer with specific software.
  • Figure 2 of this document shows a graph showing the Compton angle (left ordinate axis, expressed in degrees) and angular dispersion (right ordinate axis, expressed in degrees) versus the separation distance (d) between the dispersion (1) and absorption (2 '2') detectors, for a radiation sampling obtained by performing Figure 1.
  • the graph shows how, by varying said distance (d) between 0 and 100 mm, it is possible to obtain angular resolutions between 0 and 20 e , for Compton angles in a range between 0 and 180 e .
  • Example 1 Dismantling of rooms contaminated by radiation.
  • the Compton camera is housed in the center of a room to be analyzed, adjusting its focal length (d) to the minimum. In that configuration, its detection efficiency is maximum. The energies of the gamma transitions that are observed in the energy spectrum are recorded. If the presence of a radionuclide of interest is identified, the focal length (d) is gradually increased in controlled steps. To the extent that it begins to have spatial resolution, it begins to spatially narrow the location of the focus of said radioisotope in the room. You can progressively narrow the location more and more precisely spatial of the radiation focus for a specific radioisotope as the focal length continues to increase, in case the radiation emitting focus is intense enough to compensate for the loss of efficiency, also progressive.
  • Example 2 Monitoring of radioactive leaks.
  • the Compton camera is located in the environment close to the place you want to monitor, with the focal length (d) set to the minimum (maximum efficiency for the entire energy range).
  • the presence or absence of possible contaminating radioisotopes is controlled by the energy spectrum. Once a certain radioisotope of interest is detected, the focal length (d) is progressively increased to spatially limit, progressively, the location of the main focus of said radioisotope.
  • Example 3 Molecular imaging / in-vivo dosimetry.
  • radiotracer compounds for example F-18-FDG (51 1 keV), ⁇ -131 -MIBG (365 keV), Zn-65- porphyrin (1 1 16 keV) or 99mTc (140keV).
  • F-18-FDG 51 1 keV
  • ⁇ -131 -MIBG 365 keV
  • Zn-65- porphyrin 1 1 16 keV
  • 99mTc 99mTc

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Abstract

La presente invención se refiere a una cámara Compton focalizable que comprende: un detector de dispersión Compton (1); uno o más detectores de absorción (2, 2'), cuyos planos se encuentran separados del plano del detector de dispersión (1); y un sistema mecánico (3) de separación de los detectores de dispersión (1) y de absorción (2, 2') para variar la citada distancia (d) comprendida entre dichos detectores (1, 2, 2'). La invención permite mejorar la información asociada a la formación de imágenes por medio de radiación gamma, mediante el cálculo de la distancia de los objetos evaluados, así como identificar la distribución de los radioisótopos presentes en dichos objetos, superando así las limitaciones de otros equipos y cámaras del estado de la técnica.

Description

DESCRIPCIÓN
CÁMARA COMPTON FOCALIZABLE EQUIPADA CON DETECTORES DE SEPARACIÓN VARIABLE
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se enmarca en el ámbito de las técnicas de formación de imágenes por medio de radiación gamma. Más concretamente, la invención se refiere a una cámara gamma de tipo Compton, que resulta de utilidad en el campo de la medicina nuclear, así como para la monitorización de amenazas nucleares, desmantelamiento de áreas radiactivamente contaminadas y seguridad portuaria.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En los procedimientos conocidos para el control por radiación gamma o desmantelamiento de zonas potencialmente contaminadas por material radiactivo, como pueden ser centrales nucleares, resulta necesario obtener información sobre qué radioisótopos están presentes en dichas zonas, en qué abundancia se encuentran y cuál es su distribución espacial. Dicha información condiciona y determina, posteriormente, las acciones a realizar en las labores de control, clasificación y desmantelamiento. En este contexto, la caracterización de zonas radiactivas mediante la detección de radiación gamma conlleva, pues, tres procesos principales:
i) La identificación de los núcleos radiactivos presentes en la zona.
ii) El estudio de la distribución espacial de dichos núcleos radiactivos.
iii) La cuantificación de la actividad asociada a los focos de radiación presentes en la zona afectada.
Normalmente, estos procesos se realizan de forma separada, identificando primero los núcleos radiactivos y estudiando posteriormente su distribución espacial. Para la identificación de los núcleos, se emplean espectrómetros de radiación gamma, de manera que se obtienen espectros con la distribución de las intensidades de los rayos gamma detectados, en función de la energía de los mismos. Con esta información, es posible identificar los radioisótopos presentes, pues cada uno emite rayos gamma característicos en su desintegración. Típicamente, se emplean en esta etapa detectores de germanio (que necesitan estar refrigerados a -172 eC para optimizar sus prestaciones) o detectores de centelleo de gran volumen. Respecto a la distribución espacial de los núcleos radiactivos, actualmente existen dos procedimientos empleados en el estado de la técnica para su estudio, que dependen del tipo de detectores empleados: a) Cámaras gamma de colimación mecánica (conocidas como cámaras de tipo Anger): constan de un detector de radiación sensible a las posiciones acoplado a un colimador de tipo estenopeico o "pin-hole", o de tipo máscara. Ejemplos de este tipo de dispositivos se describen en las solicitudes de patente US 4797701 A, US 4348591 A y EP 0743538 A2. Existen diversos tipos de colimadores mecánicos en función del tipo de campo de visión que se pretende abarcar y de las prestaciones requeridas (colimador convergente o divergente, colimador de agujeros paralelos, colimador de tipo estenopeico o de estructura de máscara codificada). El diseño del colimador en este tipo de cámaras depende de la energía de los rayos gamma que se desean detectar (a mayor energía de los rayos gamma objeto, mayor ha de ser el grosor del colimador) y del tamaño del campo de visión que se pretende obtener. La resolución espacial de las cámaras con colimación mecánica viene determinada por la apertura del colimador: a menor apertura mayor resolución espacial. No obstante, y siendo la principal limitación de este tipo de detectores, la eficiencia de detección también viene determinada por la apertura del colimador, decreciendo significativamente al disminuir el tamaño del mismo.
Así pues, este tipo de detectores proporcionan realizaciones específicas para obtener unas prestaciones en las que se requiere alcanzar una determinada estadística de conteo con una cierta resolución espacial preestablecida, pero no resultan adecuados para otros escenarios de medición, careciendo de aplicación general para diferentes escenarios de detección.
El procedimiento para estudiar la distribución espacial de las fuentes radiactivas que implica el uso de este tipo de cámaras es la realización de una cartografía de la zona a controlar, moviendo los detectores de forma manual o automatizada: cada posición conlleva una medición asociada (el campo de visión del detector es conocido) que se utiliza para realizar una composición final con todas las medidas en las distintas posiciones, obteniéndose un mapa compuesto o mosaico de distribución de radiación en el escenario analizado. Este método es muy costoso en términos de tiempo total de medida, así como complejo a la hora de planificarse y ejecutarse. b) Cámaras gamma de colimación electrónica (conocidas como cámaras Compton): son dispositivos que se basan en la interacción Compton de los rayos gamma incidentes en un equipo de detección, y su posterior reconstrucción para determinar la posición de las fuentes radiactivas emisoras de la radiación incidente. Las cámaras Compton constan, preferentemente, de un primer elemento detector que propicia la dispersión Compton de los rayos gamma incidentes, y de un segundo elemento detector donde la energía depositada por dichos rayos se mide para reconstruir la trayectoria del rayo gamma original y, por tanto, para obtener una imagen de la distribución espacial de los radioisótopos detectados. Algunos ejemplos de este tipo de cámaras se describen en las solicitudes de patente US 7573039 B2, US 8153986 B2 y US 4124804 A.
En determinadas aplicaciones técnicas, por ejemplo en tecnologías de imagen médica, el análisis mediante estas cámaras se puede realizar para un único rango de energía, ya que el radioisótopo a analizar es conocido de antemano. No obstante, en entornos y fuentes radiactivas a priori desconocidas, las cámaras Compton presentan carencias para el resto de energías en sus prestaciones de resolución espacial y sensibilidad de detección. Por su parte, la sensibilidad de detección de una cámara Compton viene determinada por las características intrínsecas de los detectores individuales con los que se equipa, así como de su configuración en el dispositivo. De esta manera, una vez construida la cámara y sus detectores, las prestaciones de la misma (eficiencia, resolución energética y angular) quedan fijadas por construcción, y por tanto la sensibilidad del sistema y el conjunto de entornos o situaciones en las que se puede utilizar.
Las cámaras Compton existentes se diseñan para alcanzar una sensibilidad de detección optimizada para un rango concreto de energías de la radiación incidente, más o menos amplio según la aplicación, y/o en un rango específico de resoluciones energéticas y angulares, que generalmente también vienen optimizadas por la aplicación final de la cámara. Por tanto, y aunque el procedimiento de estudio de la distribución espacial se simplifica en comparación con las cámaras gamma de colimación mecánica, mantienen en común la limitación de las prestaciones debidas al diseño del sistema.
Los escenarios donde se realizan las medidas anteriormente descritas vienen definidos por diferentes variables, como pueden ser el número y distribución de las fuentes de radiación, su actividad o intensidad, la espectrometría de los radioisótopos a estudiar, etc. Así pues, el diseño de la cámara siempre está optimizado para maximizar las prestaciones del sistema en su utilización en el escenario al que está destinado. Cualquier cambio en el escenario en el que se use el dispositivo conlleva una limitación en las prestaciones del sistema, repercutiendo directamente en la eficiencia de la medida (mayor tiempo de medida y/o número de éstas) o el verse obligado a utilizar otros dispositivos de detección más óptimos para dichas nuevas condiciones de entorno. Como ejemplo, si la cámara está optimizada para una cierta energía de la radiación y se desea detectar una fuente emisora gamma con una energía diferente, es posible que ésta no se pueda registrar o detectar, al menos dentro de un cierto tiempo preestablecido de medida.
Esta problemática es aún más evidente si a priori se desconocen las condiciones del escenario objeto de estudio, donde el poder disponer de un equipo versátil reduciría tanto el número de equipos de medida como el tiempo de medida necesario.
Son conocidos también, en el estado de la técnica, dispositivos y cámaras para la detección de neutrones y/o radiación gamma procedentes de fuentes radiactivas, como los descritos en las solicitudes de patente US 2012/0256094 A1 y US 8237130 B1 . Dichos dispositivos se basan en matrices de varios detectores, compuestos cada uno de ellos por un material centelleador acoplado a un fotosensor o tubo fotomultiplicador. En este tipo de sistemas de detección la resolución espacial viene determinada por el tamaño de los detectores empleados en la matriz, mientras que la eficiencia resulta proporcional al número de detectores empleados. En el documento US 2012/0256094 A1 , la resolución energética de los neutrones viene determinada por la distancia entre planos de detección móviles separables entre sí. No obstante, con ello se produce una reducción del campo de visión y de la eficiencia de detección de radiación gamma.
De este modo, el uso de estas tecnologías no resulta trasladable, en la práctica, a cámaras Compton con alta resolución angular, ni a dispositivos de tipo portable, presentando los siguientes inconvenientes técnicos: 1 ) la resolución espacial intrínseca está limitada por el tamaño de los detectores empleados en la matriz que configura cada plano de detección, siendo necesarias matrices de detectores relativamente extensas y suficientemente separadas, para alcanzar cierta sensibilidad espacial, lo cual a su vez conlleva dispositivos de detección relativamente voluminosos, y 2) la eficiencia está limitada por el número de elementos de detección empleados, resultando está severamente afectada por el "espacio muerto" entre los detectores que configuran cada matriz. Además, en dispositivos híbridos para la detección simultánea de neutrones y radiación gamma (US 2012/0256094 A1 ) la resolución energética de radiación se ve limitada por el bajo número atómico (Z) necesario para la detección de neutrones. Esto conlleva un empeoramiento de la resolución angular en la reconstrucción del ángulo Compton, y por lo tanto de la resolución espacial alcanzable para la radiación gamma. Asimismo, el objetivo de US 2012/0256094 A1 es la obtención de medidas de eficiencia estéreo angular donde la fuente procede de un foco más o menos conocido, y el sistema se dispone para ser eficiente en esa dirección, presentando el inconveniente de que, como consecuencia de los elementos de detección empleados, los planos de detección no se pueden acercar totalmente (limitando así la eficiencia estéreo angular); y que, al estar dicha invención orientada a la detección de neutrones, utiliza detectores de baja resolución energética, comprometiendo así la resolución angular de radiación gamma alcanzable con este tipo de dispositivos. En consecuencia, ello hace imposible resolver el problema de inspeccionar un recinto de forma completa y con un único dispositivo, mediante un procedimiento automatizado.
Con el objetivo de solucionar los problemas y limitaciones citados del estado de la técnica, la presente invención plantea un novedoso equipo de cámara Compton focalizable, que por su diseño permite abarcar un rango más amplio de eficiencias de detección y/o resoluciones angulares y espaciales, de modo que se aumenta la precisión, los campos de aplicación y el abanico de escenarios donde se puede extraer información útil. Además la focalización dinámica permite modificar de manera selectiva la resolución y la eficiencia del sistema en función de las características del escenario en el que se realiza la medición, aumentando así la versatilidad del sistema. DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN
Según la información planteada en el apartado anterior, un objeto de la presente invención es, pues, la obtención de dispositivos que mejoren la información asociada a la formación de imágenes por medio de radiación gamma, e identificar su distribución de los radioisótopos, superando así las limitaciones de los equipos conocidos.
Este objeto se realiza, preferentemente, mediante una cámara Compton focalizable que comprende: un detector de dispersión Compton; uno o más detectores de absorción, cuyos planos se encuentran alineados o no con el plano del detector de dispersión; y un sistema mecánico de separación de los detectores de dispersión y de absorción para variar la citada distancia comprendida entre dichos detectores. Este método se denomina en la presente invención como DEC (Dynamic Electronic Collimation), ya que ofrece la ventaja de mayor eficiencia de la colimación electrónica (Cámaras Compton) frente a la mecánica (Cámaras de Anger), pero además permite ampliar el rango dinámico de la medida, cubriendo un espectro más amplio de eficiencias y de resoluciones espaciales. La posibilidad de realizar medidas dentro de todo el rango dinámico del dispositivo es lo que aporta una información adicional y un valor añadido frente a dispositivos existentes basados en colimación electrónica. Ventajosamente, en una realización preferente de la presente invención, el detector de dispersión comprende uno o varios cristal(es) centelleador(es) monolítico(os) o un conjunto de centelladores (detector pixelado) acoplados ópticamente a uno o varios fotomultiplicador(es) pixelado(s) o a uno o varios fotosensores semiconductores basados en una matriz de fotodiodos de avalancha (APDs) o fotomultiplicadores de silicio (o SiPM). Por su parte, el detector de absorción comprende un cristal centellador (monolítico o pixelado) acoplado igualmente a un fotosensor, tanto de tipo tubo fotomultiplicador pixelado como fotosensor de silicio o SiPM. Ello permite aprovechar completamente el espacio de los planos de dispersión y absorción como superficies útiles de detección, a diferencia de los sistemas conocidos del estado de la técnica.
Esta configuración compacta y con bajo "material muerto" o material insensible a la radiación presenta una eficiencia alta, así como una resolución espacial intrínseca elevada (sub- milimétrica). Con estas características, se puede conformar un sistema de detección de bajo volumen y bajo peso, y por lo tanto portable, y que presenta la ventaja fundamental de poseer un rango dinámico de rendimiento alto. De este modo, la invención permite llevar a cabo un procedimiento de medida donde se realizan los siguientes pasos: a) se sitúa el dispositivo en su configuración de máxima eficiencia, preferiblemente en el centro geométrico de la sala que se desee medir;
b) se inicia la adquisición simultánea de posiciones/energía de los rayos gamma y distancia entre planos de detección, variando preferiblemente de forma automatizada de forma continua o discreta y en intervalos conocidos (variación dinámica) la distancia entre ambos planos de detección;
c) se orienta la cámara de forma automatizada o discreta hacia las direcciones donde se requiera una mayor precisión espacial.
Según lo descrito, la invención presenta la ventaja fundamental de poseer un rango dinámico de rendimiento alto, para distancias relativamente cortas, desde pocos mm a varios cm, entre los detectores de dispersión y de absorción. Ello permite componer una medida de varias sub- medidas, cada una de ellas con una separación diferente entre dispersor y absorbente, dando lugar a una medida global compuesta de varias medidas, que van desde alta-eficiencia y baja resolución espacial, hasta alta resolución espacial y baja eficiencia. De este modo, se consigue amplificar la sensibilidad de detección (alta eficiencia-alta resolución espacial) en un único instrumento de medida, pequeño, portable y versátil. En otra realización preferente de la invención, el detector de dispersión puede ser de tipo gaseoso con electrodos pixelados, permitiendo así la reconstrucción de la trayectoria del electrón Compton mediante técnicas del estilo de proyección temporal ("time-projection chamber").
En otra realización preferente de la invención, el detector de dispersión y/o el detector de absorción son detectores semiconductores pixelados con electrodos segmentados, tales como detectores de silicio, detectores hiperpuros de germanio (HPGe), o detectores de CdZn, CdZnTe, etc. Con este tipo de detectores también puede resultar factible la reconstrucción de la trayectoria del electrón Compton, mejorando la resolución angular y posibilitando una reconstrucción de la imagen con pocos eventos o baja estadística.
Mediante la invención propuesta, se amplía notablemente el rango de sensibilidad (eficiencia de detección y resolución angular) de la cámara y, por tanto, de su prestaciones y potenciales aplicaciones. Mientras que en las cámaras Compton existentes la posición de los detectores se mantiene fija por construcción, en la cámara de la invención el operario o usuario puede variar la distancia entre dichos detectores, ampliando así las capacidades de resolución espacial del dispositivo. La invención propuesta permite, mediante su conexión a una electrónica de procesado correspondiente, distinguir temporalmente las señales registradas en los planos de detección, pudiendo así identificarse cuándo dichas señales se han producido de forma simultánea. De este modo, en una realización preferente de la invención la cámara Compton y su electrónica asociada proporciona una capacidad suficiente de resolución espacial y temporal en la detección de señales, alcanzando un compromiso entre la actividad (cantidad de radiación) del entorno que se quiera medir y los tamaños de los sensores utilizados.
De este modo, se puede partir de una situación inicial de máxima eficiencia de detección de radiación y baja resolución angular o espacial (que puede ser incluso nula) a una distancia pequeña entre los detectores, e ir aumentando progresivamente la distancia focal entre ellos, de modo que aumente progresivamente la resolución angular/espacial a medida que disminuye la eficiencia de detección. Se parte, pues, de una configuración inicial de la cámara para ser usada como espectrómetro y obtener información acerca de los radioisótopos presentes en el escenario. Posteriormente, y en función de los radioisótopos presentes, la cámara permite posicionar los detectores para obtener la imagen de mayor resolución para cada uno de los radioisótopos presentes, permitiendo realizar una composición final de máxima resolución espacial con todas las distribuciones individuales de éstos. En una realización preferente de la invención, cada uno de los detectores está equipado con electrónica de detección de las señales eléctricas registradas por los detectores y de conversión de dichas señales en señales digitales. Más preferentemente, la cámara comprende adicionalmente un equipo de reconstrucción de imagen vía hardware/software, comprendiendo dicho equipo una interfaz de usuario para la realización de medidas y/o evaluación de los resultados obtenidos. Se consigue con ello disponer medios en la cámara que permitan un adecuado registro y procesamiento de los datos asociados a las medidas realizadas. En otra realización preferente de la invención, el sistema mecánico de separación incorpora un piezo-motor operado mediante un controlador mecánico.
En otra realización preferente de la invención, la cámara Compton comprende un sistema de alimentación portable.
En otra realización preferente de la invención, la cámara comprende un bastidor o carro móvil para su trasporte, equipado con un sistema de orientación mecánico complementario para el control y el registro de la orientación espacial de dicha cámara. Más preferentemente, dicho sistema de orientación comprende un control remoto para su operación.
En otra realización preferente de la invención, los detectores de dispersión y de absorción están montados en unos soportes fijados a una placa linealmente deslizante, operada por medio del sistema mecánico de separación y que permite variar, así, la distancia entre dichos detectores.
En otra realización preferente de la invención, la cámara comprende un sistema de adquisición de datos configurado con software, para llevar a cabo uno o más algoritmos de reconstrucción de la posición de interacción con los detectores de dicha cámara. Un segundo objeto de la invención se refiere al uso de una cámara según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento, o de varias de dichas cámaras conectadas mediante hardware/software, para el control o desmantelamiento de zonas contaminadas por radiación, para la monitorización de fugas radiactivas o para la adquisición de imagen molecular o dosimetría.
Un tercer objeto de la invención se refiere a un método de obtención de datos acerca de distribución espacial de un radioisótopo, que comprende el uso de una cámara o de un sistema según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento, y donde: se toma una pluralidad de medidas de la radiación emitida por el radioisótopo con la cámara Compton, a diferentes distancias de separación entre el detector de dispersión y los detectores de absorción; y se realiza, a partir de las medidas de la radiación obtenidas para diferentes distancias, una reconstrucción espacial de la distribución de emisión de dicho radioisótopo. De este modo, el algoritmo de reconstrucción parte de una cantidad de información mucho más completa, que en el caso de una cámara Compton convencional. Dicho método permite obtener información más detallada sobre la identificación y determinación de la distribución espacial de todos los radioisótopos analizados.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra una vista en perspectiva de la cámara Compton de la invención, según una realización preferente de la misma.
La Figura 2 muestra una gráfica donde se representa el ángulo Compton (eje de ordenadas izquierdo, expresado en grados) y la dispersión angular (eje de ordenadas derecho, expresado en grados) frente a la distancia de separación entre los detectores de dispersión y de absorción (abscisas, representado en mm), para un muestreo de radiación gamma obtenido mediante la cámara de la Figura 1 .
- Descripción de las referencias numéricas de las Figuras:
(1 ) Detector de dispersión Compton.
(2, 2') Detectores de absorción de radiación.
(3) Sistema mecánico de separación.
(4, 4', 4") Soportes de los detectores.
(5) Placa deslizante. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Se expone, a continuación, una descripción detallada de la invención, referida a una realización preferente de la misma basada en la Figura 1 del presente documento. Dicha realización se aporta con fines ilustrativos, pero no limitativos, de la invención reivindicada.
Tal y como se ha descrito en apartados precedentes, la cámara Compton de la invención comprende, esencialmente, un detector de dispersión (1 ) y uno o más detectores de absorción (2, 2') cuyos ejes centrales de simetría están preferentemente (aunque no necesariamente) alineados. Esta disposición de detectores en una cámara Compton sigue el patrón de las cámaras gamma de colimación electrónica conocidas. En dichas cámaras, cada uno de los detectores (1 , 2, 2') está equipado con electrónica de detección y conversión, a través de los cuales es posible convertir los pulsos eléctricos registrados por los detectores (1 , 2, 2') en señales digitales, de forma integrada en el propio dispositivo. Asimismo, la cámara comprende, preferentemente, un equipo de reconstrucción de imagen vía hardware/software que integra una interfaz de usuario a través de la cual es posible realizar medidas y evaluar los resultados obtenidos. Dicho equipo de reconstrucción de imagen puede estar integrado, por ejemplo, en un ordenador.
Los detectores de dispersión (1 ) y de absorción (2, 2') están formados, preferentemente, por un cristal centelleados en combinación con fotomultiplicadores sensibles a la posición o fotomultiplicadores de estado sólido.
Tal y como se ha descrito anteriormente, la presente invención incorpora, ventajosamente, un mecanismo de separación variable de los planos de detección que forman los detectores de dispersión (1 ) y de absorción (2, 2'), que permite configurar distancias (d) comprendidas, por ejemplo, entre 0 y 1 m de distancia. Para ello, ambos detectores (1 , 2, 2') están preferentemente montados sobre un sistema mecánico de separación (3) que incorpora un piezo-motor, que permite variar la citada distancia (d) (que será denominada, asimismo, como "distancia focal") mediante un controlador mecánico y, por tanto, conocer dicha distancia (d) de manera precisa. La cámara Compton de la invención puede operar alimentada por la corriente eléctrica o por medio de una batería, de manera que el dispositivo es totalmente portátil, pudiendo ser portada en mano por el operario, o montada sobre un bastidor o carro móvil que permita el transporte del conjunto. En el caso de ir sobre un carro móvil, la cámara Compton puede estar montada sobre un sistema de orientación mecánico complementario, que permita controlar su orientación espacial de manera precisa para la realización de un mapa tridimensional del entorno objeto de estudio. Dicho posicionamiento puede ser controlado desde el interfaz del usuario de la cámara, que puede a su vez ser controlado remotamente, por medio de conexión y/o comunicación física e inalámbrica. Un ejemplo de realización preferente de la cámara de la invención se muestra, tal y como se ha mencionado, en la Figura 1 del presente documento. El detector de dispersión (1 ) consta, en dicha realización, de un cristal centelleador monolítico o un conjunto de centelladores acoplado ópticamente a un fotosensor basado en una matriz de fotodiodos de avalancha (APDs), fotomultiplicadores de silicio (o SiPM) o contadores de fotones multipíxel (MPPC). El detector de absorción (2, 2') consta de un cristal centellador acoplado igualmente a un MPPC. Asimismo, ambos detectores (de dispersión (1 ) y de absorción (2, 2')) están montados en unos soportes (4, 4', 4") que los sujetan firmemente una placa (5) que se puede deslizar linealmente por medio del sistema mecánico de separación (3), en un rango amplio de distancias (d). El ejemplo mostrado en la Figura 1 , este sistema (3) va conectado a un servo-controlador (no mostrado en la figura) que, a su vez, se puede programar y controlar mediante un ordenador con un software específico.
Para reconstruir las posiciones y las energías de la interacción de la radiación en los detectores (1 , 2, 2') ha de realizarse la correspondiente lectura electrónica de los fotosensores, que se puede llevar a cabo con sistemas de adquisición de datos y la aplicación de algoritmos de reconstrucción de la posición de interacción con dichos detectores (1 , 2, 2'). Dichos sistemas y algoritmos y su aplicación a cámaras Compton son conocidos en el estado de la técnica.
Para ilustrar los resultados que se pueden obtener mediante la cámara de la invención, la Figura 2 del presente documento muestra una gráfica donde se representa el ángulo Compton (eje de ordenadas izquierdo, expresado en grados) y la dispersión angular (eje de ordenadas derecho, expresado en grados) frente a la distancia de separación (d) entre los detectores de dispersión (1 ) y de absorción (2, 2'), para un muestreo de radiación obtenido mediante la realización de la Figura 1 . En la gráfica se observa cómo, variando dicha distancia (d) entre 0 y 100 mm, es posible obtener resoluciones angulares comprendidas entre 0 y 20e, para ángulos Compton en un rango comprendido entre 0 y 180e.
Ejemplos de aplicación industrial de la invención:
Ejemplo 1 : Desmantelamiento de estancias contaminadas por radiación.
Se aloja la cámara Compton en el centro de una estancia a analizar, ajusfando su distancia focal (d) al mínimo. En esa configuración, su eficiencia de detección es máxima. Se registran las energías de las transiciones gamma que se observan en el espectro de energía. En caso de identificarse la presencia de un radionucleido de interés, se aumenta progresivamente, en pasos controlados la distancia focal (d). En la medida en que se empieza a tener resolución espacial, se comienza a acotar espacialmente la ubicación del foco de dicho radioisótopo en la estancia. Se puede acotar progresivamente, de modo cada vez más preciso, la ubicación espacial del foco de radiación para un radioisótopo concreto en la medida que se sigue aumentando la distancia focal, en caso de que el foco emisor de radiación sea suficientemente intenso para compensar la pérdida de eficiencia, también progresiva. Ejemplo 2: Monitorización de fugas radiactivas.
Se ubica la cámara Compton en el entorno próximo al lugar que se quiere monitorizar, con la distancia focal (d) ajustada al mínimo (máxima eficiencia para todo el rango de energías). Se controla, mediante el espectro de energías, la presencia o ausencia de posibles radioisótopos contaminantes. Una vez detectado un cierto radioisótopo de interés, se aumenta progresivamente la distancia focal (d) para acotar espacialmente, de modo progresivo, la localización del foco principal de dicho radioisótopo.
Ejemplo 3: Imagen molecular / dosimetría in-vivo.
Se inyecta en un animal o paciente con un tumor de ubicación desconocida, uno o varios compuestos radiotrazadores, por ejemplo F-18-FDG (51 1 keV), Ι-131 -MIBG (365 keV), Zn-65- porphyrin (1 1 16 keV) o 99mTc (140keV). A continuación, se hace una adquisición global del paciente con la cámara manteniendo la distancia focal (d) mínima, identificando la(s) zona(s) de mayor conteo instantáneo. En ese(os) punto(s), se aumenta progresivamente la distancia focal (d), de manera que se va perfilando, de forma progresivamente más precisa, la ubicación de dicho radiotrazador. Debido a la alta resolución energética de la cámara, es posible distinguir entre distintos tipos de radiotrazadores y, por lo tanto, obtener información de precisión acerca de la fisiología o naturaleza del tumor.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . - Cámara Compton focalizable que comprende:
- un detector de dispersión Compton (1 );
- uno o más detectores de absorción (2, 2'), cuyos planos se encuentran separados del plano del detector de dispersión (1 ); y
- un sistema mecánico (3) de separación variable de los detectores de dispersión (1 ) y de absorción (2, 2') para modificar la distancia (d) comprendida entre dichos detectores (1 , 2, 2');
caracterizada por que el detector de dispersión Compton (1 ) comprende uno o varios cristales centelleadores monolíticos, o un detector pixelado formado por un conjunto de centelleadores, acoplados ópticamente a uno o varios fotomultiplicadores pixelados, o a uno o varios fotosensores semiconductores basados en una matriz de fotodiodos de avalancha o fotomultiplicadores de silicio;
y por que el detector o detectores de absorción (2, 2') comprende un cristal centellador monolítico o pixelado acoplado a un fotosensor de tipo tubo fotomultiplicador, fotosensor de silicio o fotomultiplicador de silicio.
2. - Cámara según la reivindicación anterior, donde cada uno de los detectores (1 , 2, 2') está equipado con electrónica de detección de las señales eléctricas registradas por los detectores (1 , 2, 2') y de conversión de dichas señales en señales digitales.
3. - Cámara según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente un equipo de reconstrucción de imagen gamma vía hardware/software, comprendiendo dicho equipo una interfaz de usuario para la realización de medidas y/o evaluación de los resultados obtenidos.
4. - Cámara según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el sistema mecánico (3) de separación comprende un piezo-motor operado mediante un controlador mecánico.
5. - Cámara según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un sistema de alimentación portable.
6.- Cámara según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un bastidor o carro móvil para su transporte.
7.- Cámara según la reivindicación anterior, que comprende un sistema de orientación mecánico complementario para el control y el registro de la orientación espacial de dicha cámara.
8.- Cámara según la reivindicación anterior, donde dicho sistema de orientación comprende un control remoto para su operación.
9. - Cámara según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el detector de dispersión (1 ) y de absorción (2, 2') están montados en unos soportes (4, 4', 4") fijados a una placa (5) linealmente deslizante, operada por medio del sistema mecánico (3) de separación.
10. - Cámara según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un sistema de adquisición de datos y configurado con software de reconstrucción de la posición de interacción con los detectores (1 , 2, 2').
1 1 . - Uso de una cámara según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, o de varias de dichas cámaras conectadas mediante hardware/software, para el control o desmantelamiento de zonas contaminadas por radiación, para la monitorizacion de fugas radiactivas o para la adquisición de imagen molecular o dosimetría.
12. - Método de obtención de datos acerca de distribución espacial de un radioisótopo, que comprende el uso de una cámara Compton según cualquiera de las reivindicaciones 1 -10, donde se realizan las siguientes etapas:
- se toma una pluralidad de medidas de la radiación emitida por el radioisótopo con la cámara Compton, a diferentes distancias de separación (d) entre el detector de dispersión (1 ) y los detectores de absorción (2, 2'); y
- se realiza, a partir de las medidas de la radiación obtenidas para diferentes distancias (d), una reconstrucción espacial de la distribución de emisión de dicho radioisótopo.
13. - Método según la reivindicación anterior donde se realizan, asimismo las siguientes etapas:
- se sitúa la cámara en su configuración de detectores de dispersión (1 ) y detectores de absorción (2, 2') de máxima eficiencia; - se inicia la adquisición simultánea de posiciones/energía de los rayos gamma y distancia (d) entre planos de detección de los detectores (1 , 2 ,2'), variando dicha distancia (d), de forma continua o discreta;
- se orienta la cámara, durante la etapa de realización de medidas, hacia las direcciones donde se requiera una mayor precisión espacial.
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