Гамма-камера с прямоугольным полем видения

 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к медицинским диагностическим гамма-камерам, предназначенным для ранней диагностики злокачественных опухолей и других заболеваний человека путем визуализации распределения радиоактивных препаратов, вводимых в организм с диагностической целью. Гамма-камера содержит коллиматор, сцинтилляционный кристалл, оптически связанные световод, фотоприемник, а также суммирующие усилители, аналого-цифровые преобразователи, сумматор, детектор импульсов, блок обработки сигналов группы (Y), блок обработки сигналов группы (X), устройство сбора и обработки информации и устройство визуализации. Изобретение позволяет использовать для определения координат сцинтилляций оптимальный алгоритм, существенно улучшающий пространственное разрешение гамма-камеры, и тем самым повысить диагностические возможности аппарата. 7 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к медицинским диагностическим гамма-камерам, предназначенным для ранней диагностики злокачественных опухолей и других заболеваний человека путем визуализации распределения радиоактивных препаратов, вводимых в организм с диагностической целью. Изобретение может найти применение в лечебных, профилактических и научно-исследовательских учреждениях.

Известна гамма-камера, описанная в патенте США N 3011057, кл. G 01 T 1/20, содержащая коллиматор, сцинтилляционный кристалл, световод, фотоприемники, усилители, координатную матрицу, X и Y корректоры, систему сбора и обработки информации и устройство визуализации.

Данная гамма-камера может иметь как круглое, так и прямоугольное поле видения, однако в любом случае ей присущи следующие недостатки: - наличие регулярных нелинейных искажений получаемых изображений, как следствие нелинейной зависимости амплитуды сигнала фотоприемника от расстояния до точки сцинтилляции; - плохое пространственное разрешение, поскольку алгоритм взвешенного среднего, который реализуется в данной гамма-камере для определения координат точки сцинтилляции, не полностью использует информацию, заключенную в совокупности сигналов фотоприемников.

Указанные недостатки частично устранены в приборе, описанном в патенте США N 4228515, G 01 T 1/20, содержащем коллиматор, сцинтилляционный кристалл, световод, фотоприемники, расположенные в виде прямоугольной сборки, усилители, аналого-цифровые преобразователи по числу фотоприемников, два определителя координаты, устройство сбора и обработки информации и устройство визуализации, причем каждый из определителей координат включает в себя устройство нормализации, многовходовый компаратор с числом входов по числу фотоприемников, вычитающее устройство, детектор, переключающее устройство, блоки памяти по числу фотоприемников, два суммирующих устройства, устройство деления.

Недостатком данного прибора является плохое пространственное разрешение вследствие того, что алгоритм определения координат сцинтилляции, реализуемый в этом приборе, не полно использует информацию, содержащуюся в совокупности сигналов фотоприемников.

Данное изобретение решает задачу улучшения пространственного разрешения гамма-камеры.

Решение поставленной задачи достигается тем, что гамма-камера, содержащая коллиматор, оптически сопряженные сцинтилляционный кристалл, световод и фотоприемники, расположенные в виде прямоугольной сборки, аналого-цифровые преобразователи, количество которых равно сумме рядов и колонн в сборке фотоприемников, устройство сбора и обработки информации и устройство визуализации, согласно настоящему изобретению, снабжена двумя группами суммирующих усилителей (группа (X) и группа (Y)). Количество суммирующих усилителей группы (X) равно количеству колонн, а количество суммирующих усилителей группы (Y) равно количеству рядов в сборке фотоприемников, причем вход каждого суммирующего усилителя группы (X) подключен к выходам всех фотоприемников только одной из колонн, а вход каждого суммирующего усилителя группы (Y) подключен к выходам всех фотоприемников только одного ряда. Выходы суммирующих усилителей группы (X) подключены к сигнальным входам аналого-цифровых преобразователей группы (X), а выходы суммирующих усилителей группы (Y) подключены к сигнальным входам аналого-цифровых преобразователей группы (Y). Гамма-камера снабжена также сумматором, вход которого подключен к выходам суммирующих усилителей группы (Y), и детектором импульсов, вход которого подключен к выходу сумматора, а выход - к входам запуска всех аналого-цифровых преобразователей; блоком обработки сигналов группы (X), шина данных которого подключена к выходам данных и выходам "готовность АЦП" аналого-цифровых преобразователей группы (X) и входу "X" устройства сбора и обработки информации; выходы управления - к входам считывания аналого-цифровых преобразователей группы (X) и к одному из входов запуска устройства сбора и обработки информации; блоком обработки сигналов группы (Y), шина данных которого подключена к выходам данных и выходам "готовность АЦП" аналого-цифровых преобразователей группы (Y), и к входу "Y" устройства сбора и обработки информации, выходы управления - к входам считывания аналого-цифровых преобразователей группы (Y) и к второму входу запуска устройства сбора и обработки информации.

Таким образом, сущность настоящего изобретения заключается в том, что благодаря предложенному техническому решению появилась возможность реализовать для определения координат сцинтилляций оптимальный алгоритм, позволяющий существенно улучшить пространственное разрешение гамма-камеры, что повышает диагностические возможности прибора.

Сказанное подтверждается следующим. Благодаря снабжению гамма-камеры суммирующими усилителями и суммированию сигналов фотоприемников отдельно по рядам и колоннам появилась возможность использовать каждый ряд или колонну фотоприемников как самостоятельный элемент для оценки координат сцинтилляции. Это означает, что зная зависимость амплитуды суммарного сигнала ряда фотоприемников от расстояния между средней линией ряда и точкой сцинтилляции, можно определить оценку y-координаты точки сцинтилляции i-м рядом фотоприемников как: Y_i= y_i+r_iδ_i, (1) где Y_i - оценка y-координаты сцинтилляции i-м рядом фотоприемников; y_i-y - координата i-го ряда в сборке; r_i - расстояние от i-гo ряда до точки сцинтилляции; δ_i - коэффициент, принимающий значение +1 или -1 в зависимости от того, выше или ниже i-го ряда произошла сцинтилляция.

Оптимальная оценка Y координаты сцинтилляции (т.е. несмещенная с минимальной дисперсией) может быть получена согласно выражению: , (2) где B_i - соответствующим образом подобранный весовой коэффициент;
k - число рядов в сборке.

Доказательство утверждения (2) можно найти, например, в книге Браунли K. A. (Brownlee К.А.) Statistical Theory and Methodology in Science and Engineering, John Wiley & Sons, New York, 1965. (Русский перевод): Статистическая теория и методология в науке и технике, М., "Наука", 1977).

Все вышесказанное справедливо, разумеется, для оценки координаты X
X_j= x_j+r_jδ_j
, (3)
здесь m - число колонн фотоприемников в сборке;
δ_j - коэффициент, принимающий значения +1 или -1, в зависимости от того, слева или справа от j-й колонны произошла сцинтилляция.

Полученные согласно выражениям (2) и (3) оценки координат сцинтилляции X и Y являются несмещенными оценками с минимальной дисперсией, что означает получение наилучшего пространственного разрешения, поскольку последнее напрямую связано с дисперсиями оценок координат.

Сущность изобретения поясняется конкретным примером его выполнения и чертежами, где на фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемой гамма-камеры и блок-схема блока обработки сигналов, на фиг. 2 - сборка фотоприемников с сумматорами сигналов, на фиг. 3 - блок-схема алгоритма работы блока обработки сигналов группы (Y), на фиг. 4 - блок-схема алгоритма работы блока обработки сигналов группы (X), на фиг. 5 - зависимость "расстояние-сигнал", на фиг. 6 - зависимость "весовой коэффициент-сигнал", на фиг. 7 - пик распределения сигналов по амплитудам.

Гамма-камера состоит (см. фиг. 1) из коллиматора 1, установленного вплотную к сцинтилляционному кристаллу 2, который оптически связан со световодом 3, который, в свою очередь, оптически связан с прямоугольной сборкой фотоприемников 4 (фиг. 2). Выходы каждого ряда фотоприемников 4 объединены между собой и подсоединены к входу одного из суммирующих усилителей 5, которые образуют группу (X), точно также, выходы каждой колонны фотоприемников 4 объединены и подсоединены к входу одного из суммирующих усилителей 5 группы (Y). Выходы суммирующих усилителей 5 группы (X) подсоединены к сигнальным входам аналого-цифровых преобразователей группы (X) 6 (АЦП), а выходы суммирующих усилителей 5 группы (Y) подсоединены к сигнальным входам аналого-цифровых преобразователей группы (Y) 6 (АЦП). Выходы суммирующих усилителей группы (Y) подсоединены также к входу сумматора 7, выход которого подсоединен к входу детектора импульсов 8. Выход детектора импульсов 8 подсоединен к входам запуска всех АЦП 6. Выходы данных и "готовность АЦП" АЦП 6 группы (Y) подсоединены к шине данных блока обработки сигналов группы (Y) 9 (БOCY), выходы данных и "готовность АЦП" АЦП 6 группы (X) подсоединены к шине данных блока обработки сигналов группы (X) 10 (БОСХ), входы считывания АЦП 6 группы (X) подключены к выходам управления БОСХ 10, один из выходов управления БОСХ 10 подключен к первому входу запуска устройства сбора и обработки информации 11 (УСОИ), выходы которого подсоединены к входам устройства визуализации 12 (УВ), а шина данных БОСХ 10 подсоединена также к входу "X" УСОИ 11. Входы считывания АЦП 6 группы (Y) подсоединены к выходам управления BOCY 9, один из выходов управления BOCY 9 подключен к второму входу запуска УСОИ 11, а шина данных БOCY 9 подключена также к входу "Y" УСОИ 11.

Коллиматор 1 представляет собой сотовую конструкцию, выполненную из материала с высоким коэффициентом поглощения для гамма-излучения (обычно свинца или его сплавов). Он пропускает только те гамма-лучи, которые падают нормально к поверхности сцинтилляционного кристалла 2 (см., например, чертеж тА5.176.063).

Сцинтилляционный кристалл 2 служит для преобразования энергии гамма-кванта в энергию световых фотонов сцинтилляции (см., например, ТУ6-09-26-650-90).

Световод 3 служит для формирования светового потока и передачи света от сцинтилляции к фотоприемникам (см., например, чертеж тА7.220.050).

Фотоприемник 4 служит для преобразования светового потока в электрический сигнал. В качестве фотоприемника может быть использован фотоумножитель прямоугольного сечения, например, фотоумножитель R5900U (см. каталог фирмы Hamamatsu "Photomultiplier Tubes and Assemblies for Scintillation Counting and High Energy Physics" май 1998 г.).

Суммирующий усилитель 5 представляет собой дифференциальный усилитель в дискретном или интегральном исполнении, например, микросхема К544УД2 в инверсном включении.

В качестве аналого-цифрового преобразователя 6 может быть использован любой не менее 10-разрядный АЦП с третьим состоянием и временем преобразования не более 1 мкс, например, АЦП на базе микросхемы DSP102 фирмы Burr-Brown (см. чертеж ЮКЕУ.411618.002).

Сумматор 7 служит для определения суммарного сигнала, пропорционального энергии сцинтилляций. Конструктивно сумматор 7 может быть выполнен полностью идентичным суммирующим усилителям 5.

Детектор импульсов 8 предназначен для регистрации акта сцинтилляции. Он может быть выполнен, например, с помощью микросхемы К554СА3, на один из входов которой подается сигнал сумматора 7, а на другой - постоянное напряжение, соответствующее уровню шумов данной сборки фотоприемников. Это напряжение устанавливается при настройке гамма-камеры как минимальное напряжение, при котором не происходит срабатывание детектора импульсов 8 в отсутствие внешнего потока гамма-излучения.

Блок обработки сигналов группы (Y) БOCY 9, блок-схема которого представлена на фиг. 1, предназначен для вычисления оценки Y координаты "y" сцинтилляции. Он состоит из трех блоков памяти: БП 13, БП 14 и БП 15, а также арифметического устройства АУ 16.

Блок памяти 13 (БП 13) представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в памяти которого должны быть предварительно записаны значения координат средних линий рядов фотоприемников. Объем памяти равен 2xk байт, где k - число горизонтальных рядов в сборке фотоприемников (обычно не более 10).

Блок памяти 14 (БП 14) представляет собой ПЗУ, в памяти которого хранятся значения расстояния между центральной линией ряда и точкой сцинтилляции, как функция амплитуды суммарного сигнала ряда, нормированного на суммарный сигнал всех фотоприемников 4. Эти значения определяются в результате предварительной калибровки. Размер памяти равен не менее 512 значений, глубина - 2 байта.

Блок памяти 15 (БП 15) представляет собой ПЗУ, в памяти которого хранятся значения весовых коэффициентов как функция амплитуды суммарного сигнала ряда, нормированного на суммарный сигнал всех фотоприемников 4. Размер памяти не менее 512 значений, глубина - 2 байта. Конструктивно БП 15 эквивалентен БП 14.

В качестве БП 13, БП 14 и БП 15 используются соответствующего объема участки памяти носителя на жестком диске, входящего в состав УСОИ 11.

Арифметическое устройство 16 (АУ 16) считывает данные АЦП 6, управляет работой БОCY 9, производит все необходимые математические операции для осуществления предварительной калибровки и вычисления оценки Y и передает данные на вход "Y" УСОИ 11. В качестве такого устройства может быть использован, например, процессор обработки сигналов ПОС-116 ЮКЕУ 467459.002 ТО на базе микропроцессора TMS320/25.

Блок обработки сигналов группы (X) 10 (БОСХ 10) предназначен для вычисления оценки X координаты "x" сцинтилляции. БОСХ 10 устроен аналогично БОCY 9, за исключением того, что число входов БОСХ 10 равно числу колонн сборки фотоприемников 4, в блоке памяти 17 (БП 17) должны быть записаны значения координат средних линий колонн сборки фотоприемников 4, в блоке памяти 18 (БП 18) хранятся значения расстояния между центральной линией колонны и точкой сцинтилляции, как функция амплитуды сигнала колонны, нормированного на суммарный сигнал всех фотоприемников 4, в блоке памяти 19 (БП 19) хранятся значения весовых коэффициентов A_j как функция амплитуды сигнала колонны, нормированного на суммарный сигнал всех фотоприемников 4. Арифметическое устройство 20 (АУ20) по своему назначению и устройству полностью идентично АУ16.

Устройство сбора и обработки информации 11 (УСОИ 11) воспринимает координатные сигналы X и Y и инкрементирует на 1 единицу элемент матрицы изображения с соответствующими координатами. В результате, после достаточно длительной экспозиции, в матрице сформируется изображение излучающего объекта, т. е. какого-либо органа пациента, в котором накопился радиоактивный препарат. УСОИ 11 производит также обработку полученных изображений (сглаживание и т.д.) для облегчения диагностики. В качестве такого устройства может быть использована, например, "Система автоматизированного сбора и обработки радиодиагностической информации с гамма-камер" СЦИНТИ-116 ЕВНК 941351.001 ТО.

Устройство визуализации 12 (УВ12) служит для визуализации полученной информации. В качестве такого устройства может быть использован любой IBM-совместимый дисплей, например, SUPER VGA COLOR MONITOR Mode=1439SV.

Предварительная калибровка
Предварительная калибровка является необходимым этапом и производится изготовителем при наладке гамма-камеры. Первоначально, в блоки памяти БП 13 и БП 17 заносятся значения x и y-координат средних линий всех рядов и колонн фотоприемников 4. Для дальнейшего осуществления калибровки необходим линейный источник гамма-излучения, длина которого должна быть не меньше максимального размера поля видения гамма-камеры.

Задачей калибровки является создание массивов данных, в которых записаны значения расстояния между центральной линией ряда или колонны фотоприемников 4 и точкой сцинтилляции, как функция нормированного сигнала ряда или колонны. Эти данные в дальнейшем сохраняются в блоках памяти БП 14 и БП 18. Кроме того, задачей калибровки является создание массивов данных, в которых записаны значения весовых коэффициентов A_j, B_i, как функция нормированного сигнала ряда или колонны.

Для получения этих зависимостей линейный источник гамма-излучения перемещается последовательно вдоль осей X и Y поля видения с шагом 1 мм. В каждом положении источника измеряется и записывается в оперативную память АУ 16 или АУ 20 пик распределения сигналов выбранного ряда или колонны фотоприемников 4 (фиг. 7). После того, как в максимуме пика накопится не менее 1000 отсчетов, накопление данных прекращается и определяется средняя амплитуда и ширина пика распределения на половине его высоты. По этим данным строится усредненная для всех рядов (колонн) зависимость расстояния от средней линии ряда (колонны) до точки сцинтилляции. Эти зависимости в виде таблиц значений записываются затем в БП 14 и БП 18.

После того, как определены усредненные кривые "расстояние-сигнал" для рядов и колонн (фиг. 5), весовые коэффициенты A_j и B_i рассчитываются по формулам:

, (4)
где ΔN_i,ΔN_j - ширина пиков распределения на середине высоты.

Производные dN_i/dr, dN_j/dr определяются по кривой фиг. 5 как отношения конечных разностей.

Таблицы значений A_i и B_j (фиг. 6) записываются затем в БП 15 и БП 19. На этом этап калибровки завершается и гамма-камера готова к работе.

Режим работы
Гамма-камера работает следующим образом. Пациент, в организм которого предварительно вводится фармпрепарат, меченный радиоактивным нуклидом, помещается перед входным окном коллиматора 1. Гамма-кванты, образовавшиеся при распаде ядер радиоактивного нуклида и попавшие через коллиматор 1 в сцинтилляционный кристалл 2, возбуждают в нем вспышки света - сцинтилляции. Свет каждой сцинтилляции воспринимается фотоприемниками 4 и преобразуется ими в электрические импульсы, которые суммируются по рядам и колоннам с помощью суммирующих усилителей 5. На выходе сумматора 7 возникает сигнал, равный сумме сигналов всех фотоприемников, амплитуда которого пропорциональна энергии сцинтилляции. Если амплитуда сигнала сумматора 7 превышает уровень суммарного шума фотоприемников 4, то на выходе детектора импульсов 8 появляется запускающий строб, который подается на входы запуска АЦП 6, после чего АЦП 6 производят преобразование аналоговых сигналов, поступивших на их входы, в цифровой код. После завершения преобразования каждым из АЦП 6 на его выходе "готовность АЦП" возникает сигнал, который поступает в шину данных БОСХ 10 или БОCY 9. После того как сигналы "готовность АЦП" возникнут на выходах всех АЦП 6 группы (X), БОСХ 10 начинает пошаговый опрос и считывание содержимого буферов АЦП 6 группы (X). Аналогично, после того как сигналы "готовность АЦП" возникнут на выходах всех АЦП 6 группы (Y), БОСY 9 начинает пошаговый опрос и считывание содержимого всех буферов АЦП 6 группы (Y). Далее БОСХ 10 и БОCY 10 производят вычисление оценок координат сцинтилляции X и Y в соответствие с алгоритмами, блок-схемы которых представлены на фиг. 3 и 4. Когда на входах "1" и "2" запуска УСОИ 11 возникнут сигналы запуска, происходит инкрементация ячейки матрицы изображения, адрес которой соответствует оценкам X и Y точки сцинтилляции.

Далее, описанный выше цикл повторяется до тех пор, пока в УСОИ 11 не накопится достаточно отсчетов для получения статистически достоверного изображения.

Как показали результаты математического моделирования работы гамма-камеры, реализация предлагаемой схемы и алгоритма работы гамма-камеры улучшает разрешающую способность гамма-камеры с 5,0 мм до 3,5 мм по сравнению с прототипом. Это позволит распознавать более мелкие очаги патологии, что увеличит диагностические возможности прибора.

Формула изобретения

Гамма-камера с прямоугольным полем видения, содержащая коллиматор, оптически сопряженные сцинтилляционный кристалл, световод и фотоприемники, расположенные на поверхности световода в виде прямоугольной сборки, аналого-цифровые преобразователи, количество которых равно сумме рядов и колонн в сборке фотоприемников, устройство сбора и обработки информации и устройство визуализации, отличающаяся тем, что она снабжена двумя группами суммирующих усилителей (группы X) и группы (Y)), блоком обработки сигналов группы (X), блоком обработки сигналов группы (Y), сумматором и детектором импульсов, причем вход каждого суммирующего усилителя группы (X) подключен к выходам всех фотоприемников только одной из колонн, а вход каждого суммирующего усилителя группы (Y) подключен к выходам всех фотоприемников только одного ряда, выходы суммирующих усилителей группы (X) подключены к сигнальным входам аналого-цифровых преобразователей группы (X), вход сумматора подключен к выходам суммирующих усилителей группы (Y), а выход - к входу детектора импульсов, выход которого подключен к входам запуска всех аналого-цифровых преобразователей, шина данных блока обработки сигналов группы (X) подключена к выходам данных и выходам "готовность" аналого-цифровых преобразователей группы (X) и входу X устройства сбора и обработки информации, выходы управления подключены к входам считывания аналого-цифровых преобразователей группы (X) и к 1-му входу запуска устройства сбора и обработки информации, шина данных блока обработки сигналов группы (Y) подключена к выходам данных и выходам "готовность" аналого-цифровых преобразователей группы (Y) и входу Y устройства сбора и обработки информации, выходы управления подключены к входам считывания аналого-цифровых преобразователей группы (Y) и к 2-му входу запуска устройства сбора и обработки информации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7