Система позитронно-эмиссионной томографии и магнитного резонанса (пэт/мр) с большим тоннелем

Использование: для формирования изображений магнитного резонанса (МР) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Сущность изобретения заключается в том, что комбинированный блок магнитно-резонансной (МР) и радионуклидной визуализации содержит электрически проводящий полый коробчатый резонаторный элемент (18) для приема радиочастотных сигналов, модуль (24) детектора радионуклидов, установленный внутри резонаторного элемента, и РЧ экран (22), смежный с резонаторным элементом. Технический результат: повышение качества изображения. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящая заявка относится к области медицинской визуализации. В частности, она относится к гибридным системам формирования изображений магнитного резонанса (МР) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и описана с конкретной ссылкой на них. В более общем смысле нижеследующее относится к диагностическим системам формирования изображений, допускающим одновременную или последовательную регистрацию данных ОФЭКТ или ПЭТ и МР.

В позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) радиофармацевтический препарат вводят визуализируемому субъекту, у которого события радиоактивного распада радиофармацевтического препарата образуют позитроны. Каждый позитрон взаимодействует с электроном для получения события аннигиляции электрон-позитронной пары, которая испускает два противоположно направленных γ-луча. Используя цепь определения совпадений, кольцевой массив детекторов излучения, окружающий визуализируемый субъект, определяет совпадающие события противоположно направленных γ-лучей, соответствующих аннигиляции электрон-позитронной пары. Линия ответа (ЛО), соединяющая два совпадающих направления, содержит положение события аннигиляции электрон-позитронной пары. Такие линии ответа аналогичны проекционным данным и их можно восстановить для формирования двух- или трехмерного изображения. В период пролетного времени ПЭТ (ВП-ПЭТ) небольшую разницу во времени между определением двух совпадающих событий излучения γ-лучей используют для того, чтобы определить местонахождение события аннигиляции вдоль ЛО (линии ответа). В ПЭТ глубины взаимодействия (ПЭТ-ГВ) многослойные детекторы ПЭТ способны определять глубину γ-фотона внутри сцинтилляционного кристалла.

В магнитной резонансной томографии (МРТ) исследуемые спины ядер тканей организма, выровненные статическим основным магнитным полем B₀ и возбужденные поперечными магнитными полями B₁, осциллируют в радиочастотном (РЧ) диапазоне. Полученные сигналы релаксации подвергают воздействию градиентных магнитных полей, чтобы определить местонахождение результирующего резонанса. Сигналы релаксации принимают и реконструируют известным образом в изображение с одним или несколькими измерениями.

Гибридные системы формирования изображений ПЭТ/МР предлагают действительно одновременную регистрацию и обещают заполнить пропуск между анатомической визуализацией и биохимической или метаболической визуализацией. В ранних прототипах использовали сцинтилляционные кристаллы, соединенные с длинным жгутом оптических волокон, который проходит за пределами МР системы, чтобы изолировать трубки фотоумножителей (ТФУ) от магнитного поля МР системы, см. Hammer US 4939464. Длинные волокна ведут к потерям света сцинтилляции, воздействуют на разрешение и идентификацию кристаллов, таким образом давая низкую эффективность. Позднее ТФУ интегрировали в постоянный магнит, известный как конструкции разделенного магнита. Эти системы основаны на дорогих конструкциях магнитов и предусматривают визуализацию ПЭТ в пределах малого временного интервала, когда выключают поляризующее и считывающее поле.

Твердотельные фотодетекторы, не чувствительные к магнитным полям, предлагают множество возможных конструкций с одним порталом. Кремниевые фотоумножители (КФУ), состоящие из лавинных фотодиодов, функционирующих в гейгеровском режиме, предлагают высокое быстродействие, высокое разрешение, высокий коэффициент усиления, прекрасное отношение сигнала к шуму (ОСШ) и уменьшение необходимых схем.

Один тип ПЭТ/МР сканера соединяет стандартные ПЭТ и МРТ сканеры бок о бок. Используя схему ПЭТ за пределами МР поля, две системы можно легко интегрировать. Недостаток этой конфигурации состоит в том, что ПЭТ и МРТ данные регистрируют последовательно и пациента перемещают между сканерами. Таким образом оказывают нежелательное воздействие на качество изображения и совмещение образов. Длительное время регистрации вызывает проблемы с синхронизацией, в частности при использовании контрастных средств. В комбинированном ПЭТ/МР сканере детекторы ПЭТ на основе Si-ФУ расположены в центральных пропусках в градиентных катушках. В этой конструкции РЧ экранирование размещают между РЧ катушкой МРТ и детекторами ПЭТ, чтобы пресечь утечку. Добавленное РЧ экранирование вместе с РЧ катушкой уменьшает эффективный радиус тоннеля приблизительно на 10-12 сантиметров.

В настоящей заявке предоставлены новые и усовершенствованные компоновки детектора ПЭТ и катушки РЧ в гибридных системах визуализации ПЭТ/МР, которые преодолевают указанные выше и другие проблемы.

По одному аспекту предоставлен комбинированный блок МР и радионуклидной визуализации для использования в комбинированной системе МР и радионуклидной визуализации. Каждый блок визуализации состоит из полого резонаторного элемента, который выполнен с возможностью вмещать модуль детектора радионуклидов и РЧ экран смежно с резонаторным элементом. Резонаторный элемент выполнен с возможностью принимать и передавать сигналы магнитного резонанса и экранировать детектор радионуклидов от РЧ интерференции.

По другому аспекту предоставлен способ создания комбинированного блока МР и радионуклидной визуализации для использования в комбинированной системе МР и радионуклидной визуализации, который содержит размещение полого резонаторного элемента вокруг модуля детектора радионуклидов так, чтобы поверхности резонаторного элемента экранировали модуль детектора радионуклидов от РЧ излучения, при этом позволяя γ-излучению проходить через одну из поверхностей в модуль детектора радионуклидов.

Одним преимуществом является увеличенный диаметр тоннеля.

Дополнительные преимущества по настоящему изобретению будут понятны специалистам в данной области после прочтения и осмысления следующего подробного описания.

Изобретение может быть выполнено в различных компонентах и компоновках компонентов и в виде различных этапов и в различном порядке этапов. Чертежи служат лишь цели иллюстрирования предпочтительных вариантов осуществления и их не следует толковать в качестве ограничения изобретения.

На фиг.1 схематически представлена комбинированная система ПЭТ/МР.

На фиг.2 представлен вид в поперечном разрезе модуля детектора радионуклидов, размещенного внутри резонаторного элемента.

На фиг.3 представлена схема резонаторного элемента и модуля детектора радионуклидов на расстоянии от РЧ экрана для повышения чувствительности.

На фиг.4 представлена схема резонаторного элемента и радиочастотной ловушки, которая позволяет размещать ближе к РЧ экрану и допускает резонаторный элемент и размещенный модуль детектора радионуклидов большего размера.

Как показано на фиг.1, система 10 диагностической визуализации, способная осуществлять магнитную резонансную томографию и визуализацию излучения испускания, такую как ПЭТ или ОФЭКТ, содержит основной магнит 12, который генерирует однородное во времени поле B₀, проходящее через область 14 исследования. Основной магнит может представлять собой магнит кольцевого или тоннельного типа. Катушки градиентного магнитного поля 16, расположенные смежно с основным магнитом, служат для генерации градиентов магнитного поля вдоль выбранных осей относительно магнитного поля B₀. Радиочастотная (РЧ) катушка, такая как кольцо поперечных электромагнитных (TEM) резонаторных элементов 18 (из которых проиллюстрированы только два), расположена в кольцевой выемке 20 между градиентными катушками 16, окружающими область исследования. РЧ защита или экран 22 расположен между резонаторными элементами и основным магнитом и градиентными катушками.

Резонаторные элементы 18 находятся в емкостном соединении с РЧ экраном 22, который окружает резонаторные элементы с трех сторон. Основная поверхность РЧ экрана 22 расположена смежно с основным магнитом и параллельно осевому направлению тоннеля. Две малые поверхности РЧ экрана, как правило, расположены параллельно концам резонаторных элементов.

Как показано на фиг.2, каждый резонаторный элемент 18 вмещает по меньшей мере один модуль 24 детектора ПЭТ. Резонаторные элементы имеют форму, похожую на коробку, которая выполняет не только функцию проводника, способного передавать и принимать РЧ сигналы, но также адаптирована для того, чтобы экранировать детектор ПЭТ от интерференции РЧ и градиентных катушек. Поверхность 26 резонаторного элемента, расположенная смежно с областью исследования 14, сконструирована из радиопрозрачного материала, который может содержать, но без ограничения, проводящий экран или сетку, тонкую медную фольгу толщиной, например, 35 мкм или что-то подобное. Другие поверхности 28 коробки резонаторного элемента могут представлять собой аналогичный проводящий материал, ламинат медной фольги и блокирующий γ-лучи материал, такой как свинец или что-то подобное. Модуль 24 детектора ПЭТ содержит массив сцинтилляционных кристаллов 32, оптически соединенных со световодами 34, которые передают фотоны из сцинтилляционных кристаллов 32 в массив сенсорных ячеек 36. Каждая сенсорная ячейка обычно содержит массив КФУ, каждый из которых в свою очередь содержит массив APD, работающих в гейгеровском режиме. Сенсорные ячейки электронно соединены со специализированной интегральной схемой (ASIC) 38, которая отвечает за преобразование в цифровую форму и предварительную обработку событий определения фотонов. Схема отвечает за идентификацию модуля детектора излучения, идентификацию пикселя, временные метки, счет фотонов, схему цифрового смещения, схему цифрового включения и схему считывания и другие функции, используемые в визуализации ПЭТ с использованием информации о времени пролета или глубине взаимодействия. Сцинтилляционные кристаллы 32 выбраны так, чтобы обеспечить высокую тормозную мощность, чтобы индуцировать излучение с быстрым затуханием сцинтилляционного выброса во времени. Некоторые подходящие материалы включают LSO, LYSO, MLS, LGSO, LaBr, CsI(Ti) и их смеси. Следует принимать во внимание, что можно использовать другие материалы сцинтилляторов. Сенсорные ячейки 36 выбирают так, чтобы иметь высокие коэффициент усиления и стабильность и при низкой стоимости и низком рабочем напряжении. Подходящие сенсорные ячейки включают как аналоговые, так и цифровые кремниевые фотоумножители (КФУ).

Снова, как показано на фиг.1, контроллер 40 сканирования управляет контроллером 42 градиента, который инициирует подачу градиентными катушками 16 импульсов выбранного градиента магнитного поля через область визуализации, которые могут соответствовать выбранной последовательности магнитной резонансной томографии или спектроскопии. Контроллер 40 сканирования также управляет РЧ излучателем 44, который инициирует генерацию TEM резонаторными элементами 18 B₁ импульсов возбуждения магнитного резонанса и управления. Контроллер сканирования также управляет РЧ приемником 46, который соединен с TEM резонаторными элементами 18, чтобы получать оттуда сигналы магнитного резонанса. Принятые данные от приемника 46 временно хранят в буфере 48 данных и обрабатывают процессором 50 данных магнитного резонанса. Процессор данных магнитного резонанса может выполнять различные функции, как известно в данной области, включая реконструкцию МР изображения, магнитную резонансную спектроскопию и т.п.

Контроллер 40 сканера также управляет модулями 24 детектора ПЭТ для определения излучения 40. Схема 52 определения излучения и дополнение 54 отметкой времени выполняют функции определения и создания отметки времени, не выполняемые ASIC 38. Детектор 56 совпадения определяет совпадающие пары и ЛО, определяемые каждой совпадающей парой. При необходимости процессор 58 времени пролета или глубины взаимодействия (TOF или DOI) извлекает информацию о времени полета или глубине взаимодействия. Процессор 60 реконструкции реконструирует ЛО в представление ПЭТ изображения.

Реконструированные изображения магнитного резонанса, считанные показания спектроскопии и другие обработанные МР данные, скомбинированные любым из множества выбираемых путей посредством процессора 62 слияния, и МР, ПЭТ и комбинированные или слитые изображения отображают в графическом пользовательском интерфейсе 64. Графический пользовательский интерфейс 64 также содержит устройство пользовательского ввода, которое клиницист может использовать для управления контроллером 40 сканирования для выбора последовательностей сканирования и протоколов, комбинаций слитых изображений и т.п.

Как показано на фиг.3, подробно показано увеличенное поперечное сечение TEM элемента 18, расположенного между градиентными катушками 16 и смежным основным магнитом 12 и областью 14 исследования. Резонирующие конденсаторы 70, которые соединяют каждый элемент 18 с РЧ экраном 22, настроены на резонансную частоту TEM элемента и совместно TEM катушки. Чтобы усовершенствовать ОСШ, расстояние между каждым TEM элементом и РЧ экраном максимально, чтобы усовершенствовать чувствительность, заставляя ток течь по пути 72 вдоль поверхностей TEM элемента, в частности вдоль поверхности 26, смежной с областью 14 исследования. Другие поверхности 28 TEM элемента сконструированы так, чтобы иметь высокие омические сопротивления, чтобы направить токи к поверхности 26. Такая компоновка создает свободную от поля область между TEM элементами 18 и РЧ экраном 22 и позволяет линиям 74 подачи транспортировать РЧ сигналы связи к и от резонаторных элементов, ПЭТ сигналы от детекторов ПЭТ, и охлаждение детекторов ПЭТ без интерференции или соединение от РЧ и градиентных полей.

Как показано на фиг.4, альтернативная конфигурация содержит коробку резонаторного элемента более эффективного объема, который может вмещать дополнительные модули детектора ПЭТ или специфичные для ПЭТ схемы. Как указано выше, чувствительность и ОСШ непосредственно связаны с расстоянием между резонаторными элементами 18 и РЧ экраном 22. Вместо пропуска G1 большего размера из варианта осуществления на фиг.3 пропуск G2 меньшего размера по-прежнему может поддерживать или усовершенствовать чувствительность посредством добавления по меньшей мере одного четвертьволнового резонатора 80, например симметричного четвертьволнового согласующего трансформатора, в резонаторный элемент. Четвертьволновый резонатор улавливает нежелательные токи на дне или на боках коробки резонатора. В результате токи коробки резонатора направляют на поверхность 26, смежную с областью исследования.

Изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. После прочтения и осмысления вышеприведенного подробного описания могут быть предусмотрены модификации и изменения. Предполагается, что изобретение должно быть истолковано как включающее в себя все такие модификации и изменения в той мере, в которой они входят в объем прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.

1. Комбинированный блок магнитно-резонансной (МР) и радионуклидной визуализации, содержащий:
электрически проводящий полый коробчатый резонаторный элемент (18) для приема радиочастотных сигналов;
модуль (24) детектора радионуклидов, установленный внутри резонаторного элемента; и
РЧ экран (22), смежный с резонаторным элементом.

2. Комбинированная система МР и радионуклидной визуализации, содержащая:
основной магнит (12), который генерирует статическое магнитное поле в области (14) исследования;
пару градиентных катушек (16), расположенных смежно с основным магнитом (12) и областью (14) исследования, между которыми образована кольцевая выемка (20); и
множество комбинированных блоков МР и радионуклидной визуализации по п.1, расположенных в кольцевой выемке (20) между градиентными катушками.

3. Комбинированная система МР и радионуклидной визуализации по п.2, в которой каждый из резонаторных элементов (18) содержит радиопрозрачную внутреннюю поверхность (26), смежную с областью (14) исследования, и множество других поверхностей (28), смежных с РЧ экраном (22) и расположенных на расстоянии от него.

4. Комбинированная система МР и радионуклидной визуализации по п.2, в которой каждый резонаторный элемент (18) электронно соединен с РЧ экраном (22) посредством конденсаторов (70), выполненных с возможностью настройки рабочей частоты соответствующего резонаторного элемента.

5. Комбинированная система МР и радионуклидной визуализации по п. 3 или 4, в которой:
поверхности (26, 28) резонаторного элемента (18) выполнены с возможностью экранирования модуля (24) детектора радионуклидов от РЧ-помех.

6. Комбинированная система МР и радионуклидной визуализации по п.5, в которой каждый модуль детектора радионуклидов содержит:
массив сцинтилляционных кристаллов (32);
множество кремниевых фотоумножительных сенсорных ячеек (36), оптически соединенных с массивом сцинтилляционных кристаллов (32);
множество ASIC (38), электронно соединенных с кремниевыми фотоумножительными сенсорными ячейками.

7. Комбинированная система МР и радионуклидной визуализации по п.3, в которой омическое сопротивление других поверхностей (28) коробчатого резонаторного элемента (18) выполнено так, чтобы ток тек главным образом по внутренней поверхности (26).

8. Комбинированная система МР и радионуклидной визуализации по пп.3-4, причем радиочастотная ловушка (80) электронно соединена с одной из других поверхностей (28).

9. Комбинированная система МР и радионуклидной визуализации по п.2, в которой
резонаторный элемент (18) электронно соединен с радиочастотным излучателем (44) и радиочастотным приемником (46); и
модуль (24) детектора радионуклидов представляет собой модуль детектора ПЭТ, который содержит схему (54) временных меток и блок (56) определения совпадений.

10. Комбинированная система МР и радионуклидной визуализации по п. 9, дополнительно включающая в себя:
процессор (50) МР резонанса, который обрабатывает данные, принятые посредством резонаторных элементов (18) для получения представлений изображений магнитного резонанса;
процессор (60) ПЭТ реконструкции, который обрабатывает данные от модуля (24) детектора ПЭТ для получения представлений ПЭТ визуализации;
процессор (62) слияния, который комбинирует представления МР и ПЭТ изображений; и
пользовательский интерфейс (64), содержащий дисплей, который отображает представления МР, ПЭТ или комбинированных представлений МР/ПЭТ изображений.

11. Способ создания комбинированного блока магнитно-резонансной (МР) и радионуклидной визуализации, содержащий этапы, на которых:
создают модуль (24) детектора радионуклидов;
размещают полый резонаторный элемент (18) вокруг модуля детектора радионуклидов, причем резонаторный элемент (18) имеет поверхности (26, 28), которые экранируют модуль (24) детектора радионуклидов от РЧ излучения, причем одна из поверхностей (26) прозрачна для γ-излучения.

12. Способ по п.11, дополнительно содержащий этапы, на которых:
устанавливают РЧ защиту в кольцевой выемке (20), которая образована в градиентной катушке (16) магнитной резонансной системы;
устанавливают множество комбинированных блоков МР и радионуклидной визуализации в кольцевой выемке (20) на расстоянии от РЧ экрана (22); и
выполняют емкостное соединение резонаторного элемента (18) с РЧ экраном (22).

13. Способ по п.11 или 12, дополнительно содержащий этапы, на которых:
соединяют РЧ ловушку (80) с одной из поверхностей (28), чтобы инициировать протекание РЧ тока предпочтительно по радиопрозрачной поверхности (26).

14. Способ по п.11 или 12, дополнительно содержащий этапы, на которых:
параллельно принимают γ-излучение через радиопрозрачную поверхность (26) с использованием блока (24) детектора радионуклидов и выполняют по меньшей мере одно из передачи МР возбуждающих сигналов в резонаторные элементы (18) и приема резонансных сигналов от них; и
реконструируют представления радионуклидной визуализации из принятого γ-излучения и представления МР изображений из принятых резонансных сигналов.

15. Способ комбинированной МР и радионуклидной визуализации, содержащий этапы, на которых:
параллельно (a) принимают γ-излучение через прозрачную для γ-излучения поверхность (26) коробчатого резонаторного элемента (18) с использованием блока (24) детектора радионуклидов, который заключен внутри резонаторного элемента (18), и (b) выполняют по меньшей мере одно из передачи МР возбуждающих сигналов и приема резонансных сигналов с использованием резонаторного элемента (18); и
реконструируют представления радионуклидной визуализации из принятого γ-излучения и представления МР изображений из принятых резонансных сигналов.