Сцинтиллятор на основе тербия для детектора

Сцинтиллятор на основе тербия для детектора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Приведенные ниже сведения в основном относятся к чувствительному к излучению визуализирующему детектору с матрицей сцинтилляторов на основе тербия (Tb³⁺), при этом основной акцент сделан на применении в области компьютерной томографии (КТ). Однако приведенные ниже сведения также применимы к другим способам визуализации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Сканер компьютерной томографии (КТ) содержит рентгеновскую трубку и матрицу детекторов. Рентгеновская трубка поддерживается вращающимся гентри, который вращается вокруг обследуемой области, вращая тем самым рентгеновскую трубку вокруг обследуемой области. Массив детекторов размещен напротив рентгеновской трубки, с противоположной стороны обследуемой области. Рентгеновская трубка испускает излучение, которое пересекает обследуемую область (и расположенную внутри часть субъекта или объекта) и освещает матрицу детекторов. Матрица детекторов детектирует излучение, пересекающее обследуемую область, и генерирует сигнал, несущий информацию об этой области. Устройство реконструкции реконструирует сигнал, генерируя трехмерные объемные данные визуализации. Процессор данных может обрабатывать трехмерные объемные данные визуализации и генерировать на их основе одно или более изображений.

Обычная матрица детекторов содержит матрицу детекторов на основе сцинтилляторов. Типичная матрица детекторов на основе сцинтилляторов включает в себя матрицу сцинтилляторов, оптически связанных с матрицей фотодиодов. Обычная матрица детекторов на основе сцинтилляторов может включать в себя, например, матрицу сцинтилляторов на основе оксисульфида гадолиния (GOS) (например, Gd₂O₂S:Pr,Ce), оптически связанную с матрицей кремниевых (Si) фотодиодов. Излучение, пересекающее обследуемую область, освещает матрицу сцинтилляторов, которая поглощает фотоны рентгеновского излучения и, в свою очередь, излучает оптические фотоны, которые несут информацию о поглощенных фотонах рентгеновского излучения. Матрица фотодиодов детектирует оптические фотоны и генерирует электрический сигнал, несущий информацию о детектированных оптических фотонах. Устройство реконструкции реконструирует этот сигнал.

Матрица сцинтилляторов на основе Gd₂O₂S:Pr,Ce имеет световой выход примерно 40000 фотонов/МэВ, и послесвечение, подходящее для применения в области КТ. В общем случае, световой выход соответствует эффективности преобразования или способности преобразовывать поглощенные фотоны рентгеновского излучения в оптические фотоны. Таким образом, существует потребность в матрицах сцинтилляторов с более высокой эффективностью преобразования и более высоким световым выходом, с послесвечением, подходящим для применения в области КТ.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Аспекты настоящего документа направлены на преодоление указанных выше и других проблем.

В соответствии с одним из аспектов, система визуализации включает в себя источник излучения и матрицу чувствительных к излучению детекторов, которая включает в себя матрицу сцинтилляторов и матрицу фотодатчиков, оптически связанную с матрицей сцинтилляторов, причем матрица сцинтилляторов содержит Gd₂O₂S:Pr,Tb,Ce.

В соответствии с другим аспектом, способ включает в себя детектирование излучения с помощью матрицы чувствительных к излучению детекторов системы визуализации, причем матрица чувствительных к излучению детекторов включает в себя матрицу (118)s сцинтилляторов на основе Gd₂O₂S:Pr,Tb,Ce.

В соответствии с другим аспектом, матрица чувствительных к излучению детекторов включает в себя матрицу сцинтилляторов и матрицу фотодатчиков, оптически связанную с матрицей сцинтилляторов, причем матрица сцинтилляторов содержит Gd₂O₂S:Pr,Tb,Ce, и количество Tb³⁺ в Gd₂O₂S:Pr,Tb,Ce равно или меньше, чем двести частей на миллион.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение может быть осуществлено с использованием различных компонентов и сочетаний компонентов, а также в виде различных этапов и сочетаний этапов. Чертежи представлены исключительно для иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления, и их не следует рассматривать как ограничивающие настоящее изобретение.

На фиг.1 схематически проиллюстрирован пример системы визуализации с матрицей детекторов, включающей в себя матрицу сцинтилляторов на основе тербия.

На фиг.2, 3 и 4 графически проиллюстрированы кривые временной зависимости интенсивности излучения Gd₂O₂S:Pr,Tb,Ce после возбуждения рентгеновскими лучами соответственно для трех различных количеств Tb³⁺ в сочетании с заранее заданным пороговым значением светового выхода в 200 частей на миллион и заранее заданным пороговым значением времени в 5 мс.

На фиг.5, 6 и 7 графически проиллюстрированы кривые временной зависимости интенсивности излучения Gd₂O₂S:Pr,Tb,Ce после возбуждения рентгеновскими лучами соответственно для трех различных количеств Tb³⁺ в сочетании с заранее заданными пороговыми значениями светового выхода в 200 и 50 частей на миллион и заранее заданными пороговыми значениями времени в 5 и 500 мс.

На фиг.8 проиллюстрирован пример способа детектирования наличия Tb³⁺ в сцинтилляторе.

На фиг.9 проиллюстрирован пример способа визуализации, в котором используется матрица детекторов с матрицей сцинтилляторов, содержащих Gd₂O₂S:Pr,Tb,Ce.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 проиллюстрирована система 100 визуализации, например, сканер компьютерной томографии (КТ).

Система 100 визуализации включает в себя стационарный гентри 102 и вращающийся гентри 104, который поддерживается с обеспечением возможности вращения стационарным гентри 102. Вращающийся гентри 104 вращается вокруг обследуемой области 106 вокруг продольной или оси z 108.

Источник 108 излучения, такой как рентгеновская трубка, поддерживается вращающимся гентри 104 и вращается вместе с ним, и испускает излучение в направлении обследуемой области 106.

Коллиматор 112 источника коллимирует испускаемое излучение для формирования луча в форме конуса, веера, клина и др., который проходит через обследуемую область 106 и расположенную в ней часть объекта или субъекта.

Матрица 114 чувствительных к излучению детекторов прикреплена к вращающемуся гентри 104 и стягивает угловую дугу напротив источника 110 излучения, с противоположной стороны обследуемой области 106. Иллюстративная матрица 114 детекторов включает в себя по меньшей мере один модуль 116 детекторов с матрицей 118 сцинтилляторов, оптически связанной с матрицей 120 фотодатчиков. Матрица 118 сцинтилляторов поглощает рентгеновские фотоны 122 и в ответ испускает оптические фотоны (например, видимый свет или ультрафиолетовое излучение), которые несут информацию о поглощенных рентгеновских фотонах 122. Матрица 120 фотодатчиков детектирует оптические фотоны и генерирует электрический сигнал (ток или напряжение), несущий информацию о детектированных оптических фотонах.

Как более подробно описано ниже, иллюстрируемая матрица 118 сцинтилляторов содержит Gd₂O₂S:Pr,Tb,Ce, где количество тербия (Tb³⁺) в Gd₂O₂S:Pr,Tb,Ce увеличивает световой выход (т.е. эффективность преобразования фотоны-в-свет) по отношению к конфигурации без тербия (Tb³⁺), в то же время удовлетворяя заданному пороговому условию на послесвечение (скорость спада высвечивания). В иллюстрируемом варианте осуществления матрица 120 фотодатчиков связана с задней стороной матрицы 118 сцинтилляторов. В другом варианте осуществления матрица 120 фотодатчиков связана с боковой стороной матрицы 118 сцинтилляторов. Помимо этого, подходящие матрицы сцинтилляторов включают в себя матрицы композитных и керамических сцинтилляторов, например, описанных в US 201000032578 и US 2010/00167909 соответственно, указанные документы включены настоящее описание во всей своей полноте посредством ссылки.

Устройство 124 реконструкции реконструирует сигнал и генерирует данные объемного изображения, несущие информацию об обследуемой области 106 и содержащейся в ней части субъекта или объекта.

Устройство 126 поддержки субъекта, такое как кушетка, поддерживает объект или субъект в обследуемой области 106. Устройство 126 поддержки подвижно в направлении осей х, у и z в сочетании с вращением вращающегося гентри 104 для обеспечения спиральных, аксиальных или других требуемых траекторий сканирования.

Вычислительная система общего назначения служит в качестве консоли 128 оператора, которая включает в себя считываемые человеком устройства вывода, такие как дисплей, и устройства ввода, такие как клавиатура и/или мышь. Программное обеспечение, находящееся в консоли 128, предоставляет оператору возможность управлять работой системы 100, например, предоставляя оператору возможность инициировать сканирование и т.п.

Как уже кратко обсуждалось выше, иллюстрируемая матрица 118 сцинтилляторов легирована некоторым количеством Tb³⁺, что увеличивает световой выход по отношению к конфигурации без Tb³⁺, удовлетворяя при этом заданному пороговому условию на послесвечение.

На фиг.2, 3 и 4 графически проиллюстрированы кривые 200, 300 и 400 временной зависимости интенсивности излучения Gd₂O₂S:Pr,Tb,Ce после прекращения возбуждения рентгеновскими лучами соответственно для трех различных количеств Tb³⁺. На фиг.2, 3 и 4 ось y 202 представляет нормированную интенсивность света в логарифмическом масштабе, а ось х 204 представляет время в логарифмическом масштабе. Для этих примеров установлено пороговое значение 206 светового выхода в 200 частей на миллион (ppm) и пороговое значения 208 времени в 5 миллисекунд (мс). В других вариантах осуществления пороговые значения 206 и/или 208 могут отличаться как в меньшую, так и в большую сторону.

На фиг.2 количество Tb³⁺ в Gd₂O₂S:Pr,Tb,Ce составляет примерно 10 мольных частей на миллион, на фиг.3 количество Tb³⁺ в Gd₂O₂S:Pr,Tb,Ce составляет примерно 50 мольных частей на миллион, и на фиг.4 количество Tb³⁺ в Gd₂O₂S:Pr,Tb,Ce составляет примерно 200 мольных частей на миллион. Из фиг.2, 3 и 4 видно, что условие порогового значения 206 светового выхода удовлетворяется для всех трех количеств Tb³⁺ (10, 50 и 200 частей на миллион) при пороговом значении 208 времени, как показано кривыми 200, 300 и 400, поскольку все кривые 200, 300 и 400 находятся на уровне или ниже порогового значения 206 светового выхода на пересечении 210 порогового значения 206 светового выхода и порогового значения 208 времени.

Приведенные выше выводы сведены в представленной ниже таблице 1.

Таблица 1
Светоотдача для заданного количества Tb3+ за 5 мс
Номер фигуры	Tb3+ (мольных частей не миллион)	Светоотдача (фотонов/МэВ)	Нормализованное послесвечение (частей на миллион) при 5 мс
Фиг.1	0	6700	100
Фиг.2	0	9200	100
Фиг.3	00	3000	200

Из фиг.2, 3 и 4 и таблицы 1 видно, что для порогового значения 206 светового выхода в 200 частей на миллион может использоваться количество Tb³⁺ до 200 мольных частей на миллион. С этим количеством световой выход матрицы 118 сцинтилляторов составляет приблизительно 53000 фотонов/МэВ. Это соответствует увеличению светового выхода на приблизительно 33% по отношению к световому выходу 40000 фотонов/МэВ сцинтиллятора, который обсуждался в разделе "Уровень техники". Могут быть получены более высокие показатели увеличения светоотдачи, например, от более 35% вплоть до 50%, все еще соответствующие требованиям к временной интенсивности света в КТ. Для количества Tb³⁺, превышающего 200 частей на миллион, Tb³⁺ начинает давать доминирующий вклад в послесвечение, увеличивая эффективное короткое послесвечение сцинтиллятора вследствие относительно низкого испускания Tb³⁺ в Gd₂O₂S.

Из фиг.2, 3 и 4 и Таблицы 1 также видно, что для порогового значения 206 светового выхода в 100 частей на миллион или менее может использоваться количество Tb³⁺ до 50 моль частей на миллион. С этим количеством световой выход матрицы 118 сцинтилляторов составляет приблизительно 49200 фотонов/МэВ. Это соответствует увеличению светового выхода приблизительно 23% по отношению к световому выходу в 40000 фотонов/МэВ сцинтиллятора, который обсуждался в разделе "Уровень техники". Из фиг.2, 3 и 4 и таблицы 1 видно, что для порогового значения 206 светового выхода, превышающего 200 частей на миллион, может использоваться количество Tb³⁺, превышающее 200 мольных частей на миллион.

В общем случае, поскольку для Gd₂O₂S:Pr,Ce не характерны потери вследствие гашения, связанного с концентрацией, а также вследствие температурного гашения, очень вероятно, что перенос энергии от состояний кристаллической решетки основы к состояниям Pr³⁺ имеет эффективность меньше единицы, вследствие чего эта энергия не используется для генерации света, который впоследствии должен использоваться в процедурах КТ. В случае Gd₂O₂S:Pr,Tb,Ce дополнительное количество Tb³⁺ обеспечивает дополнительную радиационную рекомбинацию или канал сбора энергии. Однако, поскольку Tb³⁺ обладает гораздо более медленным собственным временем спада, это определяет верхний предел для концентрации Tb³⁺. Слишком высокая концентрация Tb³⁺ приводит к слишком высокой относительной интенсивности света как функции времени по сравнению с интенсивностью света непосредственно после импульса рентгеновского излучения, поскольку только часть фотонов генерируется ионами Tb³⁺, при этом ионы Pr³⁺ также дают вклад в процесс генерации фотонов. В этой связи относительные вклады Tb³⁺ и Pr³⁺ должны подбираться очень тщательно с тем, чтобы не ухудшить такие свойства Gd₂O₂S:Pr,Ce как очень малое послесвечение.

На фиг.2, 3 и 4 указана только одна пороговая точка, а именно пересечение 210, в качестве критерия для определения максимального количества Tb³⁺, которое может быть добавлено в материал сцинтиллятора для увеличения светового выхода. Очевидно, что количество добавляемого Tb³⁺ может быть определено, основываясь более чем на одной пороговой точке. Примеры этого показаны на фиг.5, 6 и 7. Также как и на фиг.2, 3 и 4, на фиг.5, 6 и 7 ось y 202 представляет нормированную интенсивность света в логарифмическом масштабе, а ось х 204 представляет время в логарифмическом масштабе.

Из фиг.5, 6 и 7 видно, что условие второго порогового значения 502 светового выхода в 50 частей на миллион удовлетворяется для всех трех количеств Tb³⁺ (10, 50 и 200 мольных частей на миллион) при втором пороговом значении 504 времени в 500 мс, как показано кривыми 200, 300 и 400, поскольку кривые 200, 300 и 400 находятся на уровне ниже порогового значения 502 светового выхода на пересечении 506 второго порогового значения 502 светового выхода и второго порогового значения 504 времени. В других примерах, в случае необходимости, может быть использовано больше пороговых значений светового выхода и/или времени.

На фиг.8 проиллюстрирован способ детектирования присутствия Tb³⁺ в сцинтилляторе.

Следует отметить, что порядок выполнения перечисленных ниже этапов является иллюстративным и не ограничивающим. Таким образом, порядок выполнения может быть различным, включая одновременно выполняемые этапы. Более того, один или более из этапов могут быть опущены и/или один или более из этапов могут быть включены.

На этапе 802 активируют источник света для освещения матрицы 118 сцинтилляторов. Примером подходящего источника света может служить источник света, испускающий свет с длинной волны 254 нм.

На этапе 804 матрица 118 сцинтилляторов возбуждается под действием освещения.

На этапе 806 матрица 118 сцинтилляторов, в ответ на ее освещение, испускает характеристическое излучение.

На этапе 808 измеряют эмиссионный спектр испускаемого излучения.

На этапе 810 измеренный эмиссионный спектр анализируют для определения, присутствует ли Tb³⁺. В одном из вариантов осуществления это включает в себя идентификацию присутствия эмиссионных линий в области ниже 490 нм, где Pr³⁺ не излучает в этом материале, что и указывает на присутствие Tb³⁺. Такие линии включают в себя линии на примерно 450 нм, 410 нм и 380 нм. Также может наблюдаться эмиссионная линия с высокой интенсивностью на 545 нм. Также могут использоваться и другие подходы.

На фиг.9 проиллюстрирован способ визуализации.

Следует отметить, что порядок выполнения перечисленных ниже этапов является иллюстративным и не ограничивающим. Таким образом, порядок выполнения может быть различным, включая одновременно выполняемые этапы. Более того, один или более из этапов могут быть опущены и/или один или более из этапов могут быть включены.

На этапе 902 с помощью источника 110 излучения создают и испускают излучение.

На этапе 904 испущенное излучение проходит через обследуемую область 106 и размещенную в ней часть субъекта или объекта.

На этапе 906 излучение, проходящее через обследуемую область 106 и размещенную в ней часть субъекта или объекта, принимается матрицей 118 сцинтилляторов, которая поглощает излучение и испускает оптические фотоны, несущие информацию о принятом излучении.

Как уже обсуждалось в данном документе, в одном из вариантов осуществления сцинтиллятор 118 включает в себя некоторое количество Tb³⁺ для обеспечения требуемого светового выхода с требуемой скоростью спада высвечивания. Например, как уже указывалось в настоящем документе, для светового выхода менее 200 частей на миллион при 5 мс или более может использоваться менее 200 частей на миллион Tb³⁺ для увеличения интенсивности света на примерно 33% по отношению к варианту без добавления Tb³⁺.

На этапе 908 оптические фотоны детектируют с помощью матрицы 120 фотодатчиков, которая генерирует электрический сигнал, несущий информацию о детектированном излучении.

На этапе 910 реконструируют электрический сигнал, тем самым генерируя данные объемного изображения, несущие информацию об обследуемой области 106 и содержащейся в ней части субъекта или объекта.

Описанное выше может быть осуществлено при помощи одного или более процессоров, исполняющих одну или более машиночитаемых инструкций, кодированных или реализованных на машиночитаемом носителе, таком как физическая память, которая вызывает выполнение указанными одним или более процессорами указанных различных этапов и/или других функций, и/или этапов. В качестве дополнения или альтернативы, указанные один или более процессоров могут исполнять инструкции, переносимые носителем, не имеющем определенной структуры, таким как сигнал или несущая.

Хотя выше было описано определение количества Tb для сцинтиллятора, основанное на комбинации пороговых значений светового выхода и времени спада, в другом варианте осуществления количество Tb основано на заданном отношении Tb и Pr, Tb и Ce, Tb и Pr и Ce, и/или Tb и других элементов сцинтилляторов. В другом варианте осуществления количество Tb основано исключительно на заданном пороговом значении светового выхода. Примерная относительная светоотдача (LY) (т.е. число между 0 и 1) может быть определена следующим образом: [N(Pr) + 25N(Tb)]/[N(Pr) + 25N(Tb) + 25N(Ce) + 400], где N выражен в мольных частях на миллион. При этом абсолютная светоотдача задается следующим выражением: 45000 * [N(Pr) + 25N(Tb)]/[N(Pr) + 25N(Tb) + 25N(Ce) + 400]. В еще одном варианте осуществления количество Tb основано на других заданных характеристиках.

Изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления. При прочтении представленного выше подробного описания у специалиста могут возникнуть идеи о модификациях и альтернативных вариантах. Все такие модификации и альтернативные варианты следует рассматривать как входящие в состав настоящего изобретения при условии, что они попадают в объем прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.

1. Система (100) визуализации, содержащая:источник (110) излучения иматрицу (114) чувствительных к излучению детекторов, включающую в себя:матрицу (118) сцинтилляторов иматрицу (12 0) фотодатчиков, оптически связанную с матрицей сцинтилляторов, причем матрица сцинтилляторов включает в себя Gd₂O₂S:Pr,Tb,Се, причем количество Tb³⁺ равно или меньше чем пятьдесят мольных частей на миллион.

2. Система визуализации по п. 1, в которой Gd₂O₂S:Pr,Tb,Се включает в себя Tb³⁺ в количестве, при котором световой выход сцинтиллятора ниже заданного порогового значения светового выхода при заданном времени спада.

3. Система визуализации по п. 2, в которой количество Tb³⁺ равно или меньше чем десять мольных частей на миллион.

4. Система визуализации по любому из пп. 2, 3, в которой световой выход составляет примерно 46700 фотонов/МэВ.

5. Система визуализации по любому из пп. 1-3, в которой матрица (118) сцинтилляторов включает в себя композитный материал.

6. Система визуализации по любому из пп. 1-3, в которой матрица (118) сцинтилляторов включает в себя керамический материал.

7. Система визуализации по любому из пп. 1-3, в которой световая эффективность матрицы сцинтилляторов примерно на тридцать три процента превышает таковую для варианта, в котором матрица сцинтилляторов не включает в себя Tb³⁺.

8. Система визуализации по любому из пп. 1-3, при этом система визуализации представляет собой сканер компьютерной томографии.

9. Способ визуализации, содержащий:детектирование излучения с использованием матрицы (114) чувствительных к излучению детекторов системы (100) визуализации, причем матрица чувствительных к излучению детекторов включает в себя матрицу (118) сцинтилляторов на основе Gd2O2S:Pr,Tb,Се, и количество Tb³⁺ равно или меньше чем пятьдесят мольных частей на миллион.

10. Способ по п. 9, в котором Gd₂O₂S:Pr,Tb,Се включает в себя Tb³⁺ в количестве, при котором световой выход сцинтиллятора ниже заданного порогового значения светового выхода при заданном времени спада.

11. Способ п. 10, в котором количество Tb³⁺ равно или меньше чем 10 мольных частей на миллион.

12. Способ по п. 10, в котором световой выход составляет примерно 46700 фотонов/МэВ.

13. Способ по любому из пп. 9-12, в котором матрица (118) сцинтилляторов включает в себя один из композитного материала или керамического материала.

14. Способ по любому из пп. 9-12, в котором световая эффективность матрицы сцинтилляторов примерно на тридцать три процента превышает таковую для варианта, в котором матрица сцинтилляторов не включает в себя Tb³⁺.

15. Способ по любому из пп. 9-12, в котором система визуализации представляет собой сканер компьютерной томографии.