Сцинтилляционный материал

Сцинтилляционный материал

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к сцинтилляционному материалу для использования в обнаружении гамма-фотонов, и более конкретно, для использования в детекторе гамма-фотонов в области позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

При визуализации ПЭТ (позитронная эмиссионная томография) радиоактивную метку вводят субъекту, такому как человек или животное, до их размещения в поле сканирования системы визуализации ПЭТ. Радиоактивная метка поглощается областями тела субъекта и ее распределение отображается после периода поглощения. Впоследствии практикующий врач интерпретирует изображение, показывающее взаимосвязанное накопление радиоактивной метки на конкретных местах и может поставить диагноз пациенту. Радиоактивная метка подвергается радиоактивному распаду, что приводит к образованию позитронов. Каждый акт распада производит один позитрон, который перемещается на несколько миллиметров в человеческой ткани, где он впоследствии взаимодействует с электроном в событии аннигиляции, в результате которого производятся два противоположно направленных гамма-фотона. Два гамма-фотона, причем каждый имеет энергию 511 кэВ, обнаруживаются детекторами гамма-фотонов, расположенными радиально вокруг поля сканирования, каждый из которых производит электрический сигнал при бомбардировании падающим гамма-фотоном. Получающиеся электрические сигналы обрабатываются с помощью электронной схемы обнаружения совпадений, которые через положение датчиков, определяет линию в пространстве, вдоль которой произошло событие аннигиляции. Гамма-фотоны, принятые в пределах +/- 3 нс друг от друга, обычно признаются как совпадающие. Конечные точки этой линии ограничиваются двумя положениями, в которых обнаружены события совпадения, и линия определяется как линия ответа (LOR). Такие линии ответа впоследствии реконструируются для того, чтобы произвести двух- или трехмерное иллюстративное изображение распределения радиоактивной метки в пределах поля сканирования.

В позитронно-эмиссионной томографии с измерением времени пролета частиц (TOF-ПЭТ) небольшая разница во времени между двумя обнаруженными событиями далее используется для локализации положения вдоль линии ответа, на которой проходят события аннигиляции и, таким образом более точно локализуется пространственное положение радиоактивной метки, вызванное событием распада. В позитронно-эмиссионной томографии с измерением глубины взаимодействия (DOI-ПЭТ) многослойные датчики, расположенные на различных радиальных расстояниях от поля сканирования далее обнаруживают глубину, на которой поглощен гамма-фотон. В DOI-ПЭТ эта информация используется для дальнейшего улучшения пространственного разрешения обнаружения путем уменьшения ошибки параллакса.

В системах визуализации ПЭТ детектор гамма-фотонов определен в дальнейшем, содержащим сцинтилляционный материал и оптический детектор. Сцинтилляционный материал создает сцинтилляционный импульс света, когда бомбардируется гамма-фотоном, и оптический детектор, который оптически соединен со сцинтилляционным материалом, преобразует сцинтилляционный импульс света в электрический сигнал. Когда гамма-фотон бомбардирует сцинтилляционный материал, вероятностные события определяют глубину, на которой производится сцинтилляционный свет, в этот момент гамма-фотон передает свою энергию сцинтиллятору и создается сцинтилляционный импульс света, имеющий как характерный спектр длин волн, так и характерное время затухания. Сцинтилляционный материал далее характеризуется глубиной поглощения, в пределах которой поглощается пропорциональная часть l/e принятых гамма-фотонов. Благодаря высокой энергии падающих гамма-фотонов, плотные сцинтилляционные материалы являются предпочтительными для того, чтобы поглощать большую пропорциональную часть падающих гамма-фотонов в пределах практической глубины сцинтилляционного материала.

Вследствие процесса определения пространственного положения событий радиоактивного распада через совпадение детектор гамма-фотонов в системе визуализации ПЭТ должен быть способен к определению различий между падением отдельных гамма-фотонов. Ключевым параметром, который характеризует эту способность, является максимальная скорость обнаружения гамма-фотонов. Способность измерять высокую частоту падения или скорости счета является желательной в измерении изображений с высоким соотношением сигнал-шум в пределах короткого времени сканирования. Короткие времена экспозиции исследования важны для предотвращения артефактов в изображениях, вызванных движениями пациента. Максимальная скорость обнаружения гамма-фотонов находится под влиянием затухания сцинтилляционного света. Время затухания сцинтилляционного материала определяет минимальный интервал между последовательно падающими гамма-фотонами, после которого уже не перекрывается их сцинтилляционный свет. Такие события перекрывания, называемые наложением импульсов, должны быть предотвращены из-за того, что они подавляют способность подсчитывать прием отдельных фотонов. Необходимость уменьшения времени затухания в сцинтилляционных материалах для ПЭТ дополнительно обусловлена потребностью в хорошем временном разрешении в TOF-ПЭТ. Состояние уровня техники относительно времени затухания составляет в настоящее время 25 нс в LaBr_3, подчеркивая, с учетом текущих исследовательских усилий, необходимость в дальнейшем сокращении этого времени.

Световой выход и энергетическое разрешение являются двумя дополнительными параметрами для сцинтилляционного материала, которые характеризуют детектор гамма-фотонов, в частности, в системе визуализации ПЭТ. Световой выход от сцинтилляционного материала является числом сцинтилляционных фотонов, которые произведены падающими гамма-фотонами. Световой выход обычно нормализован к энергии гамма-фотона и выражается как число фотонов, производимых в расчете на 1 МэВ. Таким образом, высокий световой выход, чувствительного сцинтилляционного материала является желательным для обеспечения высокого отношения сигнал-шум детектора гамма-фотонов, поскольку он обеспечивает соответствующий оптический детектор с сильным импульсом света в ответ на каждый падающий гамма-фотон. Сцинтилляционные материалы с хорошим энергетическим разрешением обеспечивают дополнительные средства подтверждения того, что два фотона, обнаруженные в пределах узкого интервала времени, указывают на действительную линию ответа (LOR). Отклоняя события, которые лежат вне заранее заданного энергетического окна, система визуализации ПЭТ может проводить различие между рассеянными гамма-фотонами, траектории которых были изменены при вмешательстве материи и которые имеют энергии, лежащие вне окна, и гамма-фотонами, указывающими на действительную линию ответа (LOR). Один способ обеспечения такого распознавания состоит в том, чтобы определять энергию каждого принятого гамма-фотона, интегрируя сцинтилляционный импульс света, и допускать, что это действительно событие совпадения только, если он обнаружен в пределах узкого временного интервала другого гамма-фотона, а также если его энергия находится в пределах узкого энергетического окна нерассеянных гамма-фотонов. Хорошее энергетическое разрешение обеспечивается за счет использования материалов, имеющих большое значение эффективного атомного числа. При определении энергии гамма-фотона таким путем, наложение импульсов снова должно быть предотвращено путем обеспечения затухания сцинтилляционного света до уровня, когда он больше не смешивается со светом от последующего гамма-фотона, и это снова требует короткого времени затухания.

Таким образом, конструкция детектора гамма-фотонов, в частности используемого в системе визуализации ПЭТ, обуславливается принципиальной необходимостью получать изображения высокого качества, с помощью которых практикующий врач может поставить точный диагноз субъекту. Высокое качество изображений или более конкретно высокое отношение сигнал-шум изображений требуют чувствительного детектора гамма-фотонов, который также отвечает временным ограничениям по быстроте, связанным с уменьшением продолжительности процесса обработки изображений. Это накладывает ряд ограничений на сцинтилляционный материал детектора гамма-фотонов и оптический детектор. Это приводит в первую очередь к необходимости получения сцинтилляционного материала с коротким временем затухания. Обеспечивая световой выход от сцинтилляционного материала достаточно высоким для того, чтобы дать приемлемое отношение сигнал-шум; оптический детектор соответственно оптимизирован так, что его чувствительность улучшена в пределах области оптических длин волн, испускаемых сцинтилляционным материалом. Как правило, детекторы с фотоэлектронными умножителем (ФЭУ) используются в качестве оптического детектора, называемого как аналоговый ПЭТ, а в последнее время твердотельные полупроводниковые оптические детекторы, определенные в настоящем документе как оптические детекторы, произведенные с использованием монолитной полупроводниковой технологии, были использованы для обеспечения более интегрированной системы в том, что называется цифровой ПЭТ.

Самые короткие времена затухания сцинтилляции в сцинтилляционных материалах, пригодных для использования в детекторах гамма-фотонов, традиционно найдены в излучающих в синей области спектра сцинтилляционных материалах (смотри, например, публикацию: Luminescence: From Theory to Applications, Wiley- VCH, Darmstadt, 2007, C. Ronda (Ed.)). Следовательно, излучающие в синей области спектра сцинтилляционные материалы являются предпочтительными, и соответствующий оптический детектор, как правило, ФЭУ в аналоговых системах ПЭТ, оптимизирован для обеспечения высокой чувствительности вблизи длины волны 420 нм пика эмиссии NaI:Tl. Как правило, используются двухщелочные фотокатодные трубки, поскольку они коммерчески доступны. Кроме того чувствительные к синему свету фотоэлектронные умножители являются предпочтительными, так как, не смотря на доступность чувствительных к зелено/желтому свету фотоэлектронных умножителей, имеющих мультищелочные фотокатоды, их более низкая квантовая эффективность делает их менее рентабельными.

Известные сцинтилляционные материалы для ПЭТ (Люминесценция: От теории к приложениям, Wiley-VCH, Darmstadt, 2007, C. Ronda (Ed.)) включают LYSO, LaBr₃ и широкую группу материалов, известных как гранаты (US2006/0219927A1). Сообщалось о сцинтилляции в LYSO со световым выходом 33000 фотонов/MэВ при времени затухания 44 нс, высокой плотности 7,1 г/см³ и энергетическом разрешении приблизительно 10 %, определенном как отношение ПШПВ (полная ширина на полувысоте максимума) энергетического пика обнаружения к пиковой энергии обнаружения. Сообщалось, что в LaBr₃ время затухания 25 нс с улучшенным энергетическим разрешением 3 % и более высоким световым выходом, чем в LYSO. В публикации (K. Kamada и др.: Выращивание монокристалла диаметром 2 дюйма и сцинтилляционные свойства Ce:Gd₃Al₂Ga₃O₁₂. Journal of Crystal Growth 352, 2012, 88-90) сообщалось о световом выходе 35000 фотонов/МэВ монокристалла со структурой граната Ce:Gd₃Al₂Ga₃O₁₂ с временем затухания 68 нс для концентрации церия 1%.

US2012/0223236A1 раскрывает керамические составы со структурой граната в соответствии с составом (Lu, Gd)₃(Al, Ga)₅O₁₂. Сообщалось о времени затухания приблизительно 40 нс для примерного состава (Gd_0,497Lu_0,497Ce_0,006)_3,04(Al_0,6 Ga_0,4)₅О_12,06.

JP2012-180399 раскрывает ряд составов со структурой граната в соответствии с составом Gd_3-x-yCe_xRE_yAl_5-zM_zO₁₂, причем M может быть Ga и RE, редкоземельным металлом может быть Lu. Замечено, что кристаллические составы приводят к повышенному световому выходу до 68000 фотонов/МэВ. Раскрытый керамический состав имеет световой выход 28000 фотонов/МэВ.

JP2012-066994A раскрывает ряд монокристаллических составов со структурой граната в соответствии с составом Gd_3-x-yC_xRE_yAl_5-zGa_zO₁₂, причем RE может быть Lu.

Из приведенных выше источников следует, что монокристаллические материалы исследованы почти исключительно вследствие лучшей комбинации тормозной способности, времени затухания и светового выхода, находимых в монокристаллических материалах.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является обеспечение сцинтилляционного материала с улучшенной чувствительностью для использования в обнаружении гамма-фотонов. Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение сцинтилляционного материала для использования в детекторе гамма-фотонов с улучшенной чувствительностью, а также обеспечение сцинтилляционного материала для использования в системе визуализации ПЭТ с улучшенной чувствительностью.

Эта задача достигается с помощью сцинтилляционного материала, содержащего сцинтилляционный материал-основу, активированную церием; причем сцинтилляционный материал-основа является по меньшей мере одним из группы, содержащей i) гранаты ii) CaGa₂S₄ iii) SrGa₂S₄ iv) BaGa2S₄ v) CaS vi) SrS; и причем количество церия находится в диапазоне от 0,1 мол.% до 1,0 мол.%. В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения; когда количество церия находится в пределах этого диапазона в группе материалов-основ, то взаимодействие между активирующими ионами церия и материалом-основой обуславливает то, чтобы сцинтилляционный свет был излучен с неожиданно высоким световым выходом в ответ на падающие гамма-фотоны. Высокий световой выход демонстрирует улучшенную чувствительность к гамма-фотонам. Этот световой выход особенно удивителен, поскольку он был зарегистрирован в керамическом сцинтилляционном материале, а такие керамические материалы, как правило, считаются не отвечающими требованиям световых выходов для использования в качестве сцинтилляционных материалов. Дополнительные преимущества, вытекающие из раскрытых сцинтилляционных материалов, включают в себя их более низкую стоимость, которая возникает в результате сокращения содержания в них редкоземельного элемента по сравнению с существующими сцинтилляционными материалами. Как только в этих материалах повышается концентрация церия в пределах этого диапазона, то снижаются как световой выход, так и время затухания. Верхний предел концентрации церия в этих сцинтилляционных материалах позволяет избежать режима концентрационного тушения; области, в которой концентрация церия заставляет световой выход падать до уровня, ниже которого может быть получено хорошее энергетическое разрешение. Так ограничивая нижний предел концентрации церия, избегают падения светового выхода при низкой концентрации церия, и, кроме того, время затухания не становится таким длинным, чтобы это ухудшало временные характеристики. Следовательно, существует узкий определенный диапазон концентрации церия, в пределах которого в раскрытых сцинтилляционных материалах-основах может быть достигнута приемлемая сцинтилляция. Высокий световой выход, достигаемый в пределах этого диапазона, делает сцинтилляционный материал пригодным для установления различий между гамма-фотонами с разными энергиями, и поэтому делает его особенно полезным в детекторе гамма-фотонов, и в качестве такового в системе визуализации ПЭТ.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения раскрытая группа сцинтилляционных материалов имеет по существу керамическую структуру. Керамика имеет преимущества, заключающиеся в том, что ее легче изготовить и сформировать, требуется меньше времени для последующей обработки по сравнению с более упорядоченными структурами.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения раскрытая группа сцинтилляционных материалов имеет по существу поликристаллическую структуру. Увеличение структурной упорядоченности сцинтилляционного материала путем перехода от керамической структуры к поликристаллической, влияет на улучшение ее оптической прозрачности при пиковой длине волны излучения. Это уменьшает вероятность повторного поглощения сцинтилляционного света, тем самым, улучшая чувствительность детектора гамма-фотонов или системы визуализации ПЭТ, изготовленной с таким сцинтилляционным материалом.

В соответствии с другим аспектом настоящего раскрытия описанная группа сцинтилляционных материалов имеет по существу кристаллическую структуру. Это дополнительно улучшает ее оптическую прозрачность и вследствие этого чувствительность детектора гамма-фотонов или системы визуализации ПЭТ, изготовленной с таким сцинтилляционным материалом.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения стехиометрия состава сцинтилляционного материала регулируется в целях улучшения его оптической прозрачности. Высокая оптическая прозрачность улучшает эффективность светоотдачи, и, следовательно, улучшает чувствительность сцинтилляционного материала.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения состав раскрытой группы сцинтилляционных материалов регулируется таким образом, что его плотность находится в диапазоне от 5 до 8 г/см³. Это диапазон высоких плотностей в сцинтилляционном материале особенно полезен, поскольку он приводит к сниженному тормозному пути гамма-фотона. При использовании такого материала в детекторе гамма-фотонов снижается толщина и стоимость сцинтиллятора.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения улучшается оптическая чувствительность оптического детектора в детекторе гамма-фотонов с использованием сцинтилляционных материалов по настоящему изобретению в близких к зеленым длинам волн оптического спектра излучения раскрытой группы сцинтилляционных материалов. Это приводит к повышению чувствительности к гамма-фотонам. Предпочтительно, оптический детектор имеет высокую оптическую чувствительность или пиковую оптическую чувствительность в диапазоне длин волн от 450 нм до 700 нм и, еще более предпочтительно, в диапазоне длин волн от 500 нм до 650 нм.

Спектр сцинтилляционного светового излучения, который следует из активирования раскрытого материала-основы церием, находится по существу близко к зеленой области оптического спектра на примерно 550 нм, и, таким образом, хорошо удален от длин волн синего светового излучения, которые обычно связаны с коротким временем затухания. Спектр излучения этих активированных церием материалов-основ вследствие этого традиционно рассматривался бы, как маловероятно приводящий к сцинтилляционному материалу, подходящему для использования в ПЭТ. Действительно, регулирование в этом диапазоне легирующей добавки церия приводит к сравнительно длительному времени затухания в области 60-300 нс, таким образом, хорошо удаленному от областей короткого времени затухания, традиционно искомому для использования в существующих системах ПЭТ. Как описано выше, время затухания сцинтилляционного материала, используемого в детекторе гамма-фотонов, влияет на его максимальную скорость счета. Если время затухания является слишком длинным, то происходит наложение импульсов, препятствующее точному распознаванию отдельных гамма-фотонов. Таким образом, как спектр испускания, так и измеренное время затухания в раскрытой группе активированных церием материалов-основ указывают на сцинтилляционный материал, который является неподходящим для использования в детекторе гамма-фотонов и в системе визуализации ПЭТ. Тем не менее, существует компромисс между площадью приема гамма-фотонов и временем затухания сцинтиллятора в детекторе гамма-фотонов, и кроме того в детекторе гамма-фотонов системы визуализации ПЭТ, причем для заданной плотности потока гамма-фотонов может быть допустимо более длительное время затухания сцинтиллятора, когда сокращается площадь приема гамма-фотонов. Этот компромисс может быть использован для того, чтобы создать сцинтилляционные материалы по настоящему изобретению со сравнительно длительным временем затухания, пригодные для использования в детекторе гамма-фотонов и в системе визуализации ПЭТ, когда традиционное предубеждение исключает их использование, считая, что время затухания слишком длинное.

Компромисс состоит в том, что при прочих равных условиях в детекторе гамма-фотонов максимальная плотность потока обнаруживаемых гамма-фотонов (гамма-фотоны/см²·с) пропорциональна произведению площади приема гамма-фотонов и времени затухания сцинтиллятора.

Следовательно, наложения импульсов можно избежать, сокращая площадь приема гамма-фотонов.

В качестве примера, если максимум плотности потока P₁ гамма-фотона может быть обнаружен в первом детекторе гамма-фотонов, имеющем площадь приема гамма-фотонов A₁ и время затухания tau₁, то та же самая максимальная плотность потока гамма-фотонов Pi может быть обнаружена во втором детекторе гамма-фотонов, который имеет площадь приема гамма-фотона 0,5A₁ и время затухания 2tau₁. Это является следствием того, что для фиксированной плотности потока гамма-фотонов уменьшение площади приема гамма-фотонов пропорционально уменьшает число гамма-фотонов, полученных в данный период времени.

Различные варианты реализации этого компромисса теперь описываются со ссылкой на детектор гамма-фотонов и на аналоговые и цифровые системы ПЭТ, применяющие такой детектор гамма-фотонов. Преимущества этих аспектов настоящего изобретения состоят в том, что они позволяют использовать высокий световой выход сцинтилляционных материалов по настоящему изобретению, которые в силу их длительного времени затухания в противном случае считались бы нецелесообразными. Еще одним преимуществом использования этих сцинтилляционных материалов является то, что присущее им излучение вблизи зеленой области спектра находится в спектральной области, в которой могут быть произведены более чувствительные оптические детекторы и, в конечном счете, более чувствительный детектор гамма-фотонов. Это особенно имеет место, когда используются твердотельные полупроводниковые оптические детекторы, потому что детекторы, такие как кремниевый фотоэлектронный умножитель (SiPM) и детектор с лавинным фотодиодом (APD) могут быть выполнены с возможностью иметь высокую спектральную чувствительность на этих длинах волн. Следует отметить, что сокращение площади приема гамма-фотонов требует выбора нестандартного размера оптических детекторов и реконфигурации временной схемы системы визуализации для того, чтобы выпустить дополнительные временные метки.

Детекторы гамма-фотонов могут быть сформированы в различных конфигурациях. Как определено выше, детектор гамма-фотонов содержит сцинтилляционный материал и оптический детектор. Площадь приема гамма-фотонов детектора гамма-фотонов это то, что приводит к сцинтилляционному свету, который собирается с помощью его оптического детектора. Во избежание неясности, в оптическом детекторе имеется четко выраженный электрический выходной сигнал. Поэтому оптический детектор соответствует одному детектору с ФЭУ в типичной аналоговой системе визуализации ПЭТ, и одному пикселю в цифровой системе визуализации ПЭТ. Как правило, площадь приема гамма-фотонов является такой же, как активная площадь оптического детектора, и поэтому сокращение площади приема гамма-фотонов в детекторе гамма-фотонов сопровождается снижением активной площади в оптическом детекторе. Когда более чем один такой детектор гамма-фотонов объединен в модуль, то модуль имеет модульную площадь приема гамма-фотонов. Такой модуль по настоящему изобретению можно эксплуатировать, подразделяя модульную площадь приема гамма-фотонов на увеличенное число меньших площадей приема гамма-фотонов и используя увеличенное число оптических детекторов с имеющими более длительное время затухания сцинтилляционными материалами по настоящему изобретению. Как и в случае с единственным детектором гамма-фотонов сокращение площади приема гамма-фотонов каждого детектора гамма-фотонов в модуле может сопровождаться сокращением активной площади в оптическом детекторе.

Используя LaBr₃ как эталонный сцинтилляционный материал со временем затухания 25 нс, может быть достигнуто значительное ослабление требования по времени затухания от 25 нс в LaBr₃ до 60 нс или более в группе сцинтилляционных материалов по настоящему изобретению с помощью сокращения площади приема гамма-фотонов с показателем по меньшей мере 60/25=2,4 от той, которая, как правило, используется. Это может сопровождаться сокращением активной площади в оптическом детекторе с таким же коэффициентом.

Оптические детекторы с ФЭУ широко используются в детекторах гамма-фотонов. Типичный ФЭУ, используемый в обнаружении радиоактивной метки FDG в системе визуализации ПЭТ имеет диаметр 1,5", таким образом, активная площадь составляет 11,4 см². В аналоговом ПЭТ, семь таких отдельных детекторов, как правило, объединены в модуль, который принимает гамма-фотоны с площади приблизительно 80 см²; вывод данных с этих семи детекторов считывается одновременно, используя логику Андера, с помощью которой идентифицируют прием гамма-фотонов отдельного детектора. В этом примере каждый детектор с ФЭУ собирает сцинтилляционный свет от элементов сцинтиллятора, имеющих полную площадь поперечного сечения, которая является такой же как активная площадь оптического детектора; таким образом, в каждом детекторе гамма-фотонов площадь приема гамма-фотонов составляет 11,4 см². При сокращении площади приема гамма-фотонов до (11,4/ 2,4=4,75 см²), что составляет приблизительно 5 см², сцинтилляционные материалы по настоящему изобретению, исходя из этого, могут быть использованы, чтобы дать такой же показатель скорости счета, как при коротком времени затухания материалов, используемых в настоящее время. Самый маленький одноэлементный оптический детектор с ФЭУ, который в настоящее время коммерчески доступен, это Hamamatsu R9880U, с активной площадью - 0,5 см². Если бы этот маленький оптический детектор с ФЭУ использовался вместо упомянутого выше ФЭУ, то время затухания сцинтиллятора могло бы быть ухудшено с показателем по меньшей мере (11,4/0,5=22,8), таким образом, до 25 нс × 22,8=570 нс. Это демонстрирует значительную свободу уменьшения как площади приема гамма-фотонов, так и уменьшения активной площади соответствующего оптического детектора, когда этот аспект настоящего изобретения используется в детекторе гамма-фотонов с оптическим детектором с ФЭУ.

Однако твердотельные полупроводниковые оптические детекторы могут быть миниатюризованы в большей степени, чем ФЭУ. В связи с этим, когда сцинтилляционные материалы по настоящему изобретению используются в детекторе гамма-фотонов, в котором оптический детектор представляет собой твердотельный полупроводниковый детектор, то в цифровой системе визуализации ПЭТ возможна намного большая эксплуатация настоящего изобретения. Одним примерным твердотельным полупроводниковым оптическим детектором является Hamamatsu SI 1064 серии, который содержит 16 пикселей, причем каждый пиксел имеет активную площадь 0,09 см², а объединенная активная площадь составляет 1,5 см². Сокращение площади приема гамма-фотонов от 11,4 см² в примере ФЭУ, упомянутом выше, до 0,09 см² в этом цифровом оптическом детекторе позволяет увеличение времени затухания от 25 нс в LaBr₃ к 25 нс × (11,4/0,09)=3170 нс, опять показывая широкие возможности эксплуатации материалов по настоящему изобретению в соответствии с этим аспектом.

В целом, высокий световой выход сцинтилляционных материалов по настоящему изобретению может быть использован для обеспечения более чувствительного детектора гамма-фотонов, когда площадь приема гамма-фотонов находится в следующих диапазонах: менее чем 5 cm²; менее чем 2,5 см²; менее чем 1 см²; менее чем 0,5 см²; менее чем 0,2 см²; менее чем 0,1 см². Активная площадь оптического детектора в таком детекторе гамма-фотонов также может быть в пределах тех же диапазонов и дает начало тем же самым преимуществам. Этот детектор гамма-фотонов может далее использоваться в системе визуализации ПЭТ. На всем протяжении этой серии пределы сокращения площади приема гамма-фотонов делают возможным использование сцинтилляционных материалов со все более и более длительными временами затухания. В материалах по настоящему изобретению в связи с тем, что концентрация церия уменьшена, увеличивается световой выход и увеличивается время затухания. Следовательно, снижение площади приема гамма-фотонов на всем протяжении этой серии приводит к повышенному световому выходу и, следовательно, к более чувствительному детектору гамма-фотонов.

Двумя последствиями сокращения площади приема гамма-фотонов в системе визуализации ПЭТ являются i) увеличение общего количества электрических сигналов, к которым должны быть выданы временные метки и ii) усовершенствование пространственной разрешающей способности системы ПЭТ. Для того чтобы система визуализации ПЭТ позволяла длительное время затухания сцинтилляционных материалов по настоящему изобретению, в то же время, соответствуя желаемой скорости счета, связанной с измерением FDG, система визуализации ПЭТ должна быть способна выдавать с достаточной скоростью временные метки для каждого обнаруженного события, представленного электрическими сигналами на выходе оптического детектора. Практически увеличенное число выходов оптического детектора с сокращением площади приема гамма-фотонов требует более сложной схемы электронной синхронизации. Если система не может удовлетворить этим временным ограничениям, то соотношение площади приема гамма-фотонов, определенное вышеупомянутыми результатами, находится в новом более низком пределе по отношению к максимальной плотности потока гамма-фотонов, которая может быть измерена. Таким образом, этот аспект настоящего изобретения не ограничен конкретной минимальной площадью приема гамма-фотонов или конкретной минимальной площадью оптического детектора. Поэтому настоящее изобретение может быть использовано в области визуализации ПЭТ в детекторе гамма-фотонов, имеющем площадь приема гамма-фотонов или в дополнение к этому размер пикселя, такой же малый, как в примере 1 микрон в квадрате или менее.

Практические системы визуализации ПЭТ также могут быть классифицированы как имеющие определенную площадью считывания гамма-фотонов. Это - общая площадь, которая принимает гамма-фотоны, которые являются данными для считывания системой визуализации ПЭТ вследствие приема гамма-фотонов. Процесс считывания приводит к идентификации пространственного положения в пределах площади считывания, в которой был принят гамма-фотон. Процесс считывания зависит от конфигурации. Один пример реализации аналогового ПЭТ на данный момент имеет площадь считывания приблизительно 80 см², в которой выходные сигналы семи ФЭУ, каждый из которых имеет площадь оптического детектора 11,4 см², считываются после приема гамма-фотона. Логика Андера впоследствии используется, чтобы определить конкретно один из семи детекторов, в котором был принят гамма-фотон. В цифровом ПЭТ, одним примером варианта реализации является счетчик фотонов Philips Digital Photon Counter (PDPC), который имеет площадь считывания приблизительно 10 см². Здесь аналогично, прием гамма-фотона в любом месте в пределах этой площади считывания запускает процесс считывания, что приводит к идентификации оптического детектора, в котором был принят гамма-фотон. В обоих примерах прием гамма-фотона создает площадь считывания гамма-фотонов, в пределах которой были приняты гамма-фотоны неспособные к обнаружению другого события в течение периода времени "запаздывания", во время которого имеет место считывание. Это время запаздывания зависит от времени затухания сцинтиллятора, потому что, как описано ранее, сцинтилляционный свет должен падать до очень низкого уровня между отдельными гамма-фотонами для предотвращения того, что свет от одного события был неправильно интерпретирован как происходящий от близкого во времени события. Как правило, площадь считывания гамма-фотонов не должна принимать другие гамма-фотоны в течение периода приблизительно 10 × время затухания сцинтиллятора. Следовательно, компромисс времени затухания, подробно описанный выше по отношению к площади приема гамма-фотонов, может быть также описан в терминах площади считывания гамма-фотонов: в системе визуализации ПЭТ обнаруживаемая максимальная плотность потока гамма-фотонов (гамма-фотоны/см²⋅с) пропорциональна произведению площади считывания гамма-фотонов и времени затухания сцинтиллятора. Как и в случае площади приема гамма-фотонов уменьшение площади считывания гамма-фотонов делает возможным пропорциональное повышение времени затухания, позволяя посредством этого использование сцинтилляционного материала, который в противном случае рассматривался бы, как обладающий слишком длинным временем затухания. Это следует из сокращения числа обнаруженных событий в любой заданный период времени с сокращением площади считывания.

Преимущества применения этого аспекта настоящего изобретения к системе визуализации ПЭТ теперь иллюстрируются с помощью практических примеров. В аналоговой ПЭТ типичная площадь считывания гамма-фотонов, как было описано выше, составляет примерно 80 см². Принимая LaBr₃ в качестве эталона сравнения сцинтилляционного материала, имеющего время затухания 25 нс; значительное ослабление требований к времени затухания от 25 нс в LaBr₃ до 60 нс или более в группе сцинтилляционных материалов, предлагаемых в настоящем изобретении, может быть достигнуто путем уменьшения площади считывания гамма-фотонов с показателем по меньшей мере 60/25=2,4 от той, которая, как правило, используется. Для ясности, использование материалов, раскрытых в настоящем изобретении в такой системе обычно рассматривалось бы как несоответствующее требованиям по причине их длительного времени затухания. Тем не менее, за счет уменьшения площади считывания гамма-фотонов до 80 см²/2,4=33,3 см² или менее в аналоговой ПЭТ, этот аспект настоящего изобретения теперь делает эти сцинтилляционные материалы пригодными для использования. На практике это дополнительно требует выбора нестандартного размера оптических детекторов и перекомпоновки схемы синхронизации системы визуализации для того, чтобы выпустить дополнительные временные метки.

Такое предубеждение против использования сравнительно длительного времени затухания сцинтилляционных материалов также существует в области цифровой ПЭТ. Однако было понято, что уменьшенная площадь считывания гамма-фотонов, связанная с цифровой ПЭТ по сравнению с аналоговой ПЭТ, делает настоящее изобретение применимым также и в этом случае. Поскольку площадь считывания гамма-фотонов составляет приблизительно (80 см²/10 см²) l/8 от таковой в аналоговом ПЭТ, сцинтилляционные материалы по настоящему изобретению вопреки упомянутому предубеждению относительно времени затухания будут работать с текущей площадью считывания PDPC приблизительно 10 см² в цифровой ПЭТ. Как и в примере, используемом в аналоговой ПЭТ, сцинтилляционные материалы по настоящему изобретению также будут работать за счет уменьшения площади считывания гамма-фотонов до менее чем 10 см² в цифровом ПЭТ, например, путем уменьшения ее с тем же показателем 2,4 до 10 см²/2,4=4,2 см² или менее. Еще одним преимуществом уменьшения площади считывания гамма-фотонов до менее чем 4,2 см² является то, что система визуализации ПЭТ становится более терпимой к еще более длительным временам затухания, и в существующих материалах увеличение во времени затухания сопровождается увеличением светового выхода, поэтому обеспечивается более чувствительный сцинтиллятор. Снова, как и в аналоговой ПЭТ, уменьшение площади считывания гамма-фотонов в цифровой ПЭТ дополнительно требует выбора нестандартного размера оптических детекторов и перекомпоновки схемы синхронизации системы визуализации, чтобы выпустить дополнительные в