Установка тайлов для детекторов рет - RU2608973C2
Код документа: RU2608973C2
Чертежи
Описание
Настоящая заявка относится к системам и способам диагностической визуализации. В частности, она находит применение в системах позитронно-эмиссионной томографии (PET) или однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT), обладающих возможностью вторичной визуализации, в число примеров которых входят компьютерная томография (CT), магнитно-резонансная (MR) визуализация, а также SPECT. Описанное ниже находит применение также в автономных PET- или SPECT-сканерах.
Твердотельные PET-детекторы обычно выполнены из сцинтиллирующих кристаллов, соединенных с массивом детекторных диодов на печатной плате (PCB) для образования детекторного пакета. Этот детекторный пакет, иногда называемый тайлом (англ. tile), далее подключается к более крупной PCB, удерживающей множество пакетов. В некоторых конструкциях детекторный пакет подключается к более крупной PCB с использованием жестких соединителей, после чего пакеты тайлов зажимаются между более крупной PCB и рамой детектора. Данная конфигурация оставляет мало пространства для охлаждения, что осложняет конструирование системы охлаждения. Скрепление тайлов с соответствующими электронными элементами также осложняет согласование и точное расположение пакетов, поскольку допуски соединителей складываются и могут влиять на положение PET-детекторов. Помимо этого, конструкция может плохо поддаваться обслуживанию и может быть ненадежной. Поскольку детекторы часто монтируются в конфигурации более чем 2×2 тайла (например, 4×5, 4×6 или 4×7), не ко всем сторонам детекторов имеется доступ. При конфигурации 4×7 существует десять тайлов с недоступными сторонами. Демонтаж детектора, который не имеет открытых сторон, может повредить прилегающие к нему детекторы, поскольку требуется поместить инструмент или палец на кромку детектора, который необходимо снять. При демонтаже детектора, имеющего только одну открытую сторону, детектор может подвергаться воздействию крутящего момента, поскольку сила прикладывается только к одной стороне, что приводит к изгибу и возможному повреждению электрической схемы или детекторных кристаллов.
В настоящей заявке предложено решить эти проблемы с помощью конструкции для установки тайлов. Крепления тайлов, отформованные на опорной поверхности пакета, имеют множество штифтов для размещения и удерживания пакетов. Раскрыт тайл, содержащий массив детекторов излучения, формирующих сигналы в ответ на прием событий излучения, соответствующие электронные элементы, а также крепление, крепящее тайл к опорной конструкции с возможностью теплового обмена с ней, а также размещающее установочную поверхность тайла относительно опорной конструкции. Тайл может включать в себя множество штифтов, некоторые из которых могут иметь резьбу, выполненных с возможностью продолжения через отверстия в опорной конструкции. Крепление тайла может определять плоскую контактную поверхность, выполненную с возможностью теплового контакта с комплементарной поверхностью опорной конструкции. Поверхность тайла, соприкасающаяся с опорной конструкцией, может также иметь ножки или разделители. Тайл может иметь каналы для приема штифтов для крепления тайла к крепежной конструкции. Тайл может иметь электрический соединитель, расположенный на установочной поверхности тайла или утопленный в нее. Детекторы излучения могут представлять собой сцинтиллирующие кристаллы, оптически соединенные с кремниевыми фотоумножителями, или твердотельные детекторы излучения. Модуль детектирования излучения может содержать множество тайлов, а также крепежную конструкцию с охлаждением. Модуль может включать в себя множество отверстий, в которые заходят штифты, крепящие тайлы к крепежной конструкции с охлаждением. Крепежная конструкция с охлаждением может определять комплементарную установочную поверхность, к которой крепится установочная поверхность тайла. Между тайлами и крепежной конструкцией с охлаждением могут использоваться термопаста или тепловые элементы. Крепежная конструкция с охлаждением может определять отверстия, обеспечивающие доступ к электрическим соединителям тайлов. Крепежная конструкция с охлаждением может иметь большее количество отверстий для электрических соединителей и отверстий для крепежных штифтов, чем количество установленных тайлов.
Множество модулей может быть установлено на кольцевой опорной конструкции PET-сканера. Кольцевая опорная конструкция может включать в себя пару колец, на которых установлены модули. Крепежная конструкция с охлаждением может иметь охлаждающую плиту, определяющую большее количество отверстий для электрических соединителей и отверстий для приема крепежных штифтов, чем количество тайлов, а также может дополнительно включать в себя разделительный узел в пространстве между тайлами и одним из детекторных колец, который не допускает приема тайлами косого излучения. Разделительный узел может включать в себя подвижное защитное кольцо, смежное с детекторными модулями, опорное кольцо, а также разделитель, расположенный между подвижным защитным кольцом и опорным кольцом.
Раскрыт также способ установки массива детекторов излучения. Способ содержит установку каждого из множества тайлов в крепежной конструкции с охлаждением, а затем размещение и закрепление крепежной конструкции с охлаждением на кольцевой опорной конструкции. Монтаж может также включать в себя снятие крепежной конструкции с охлаждением с кольцевой опорной конструкции и удаление одного из тайлов из опорной конструкции для ремонта, корректировки или замены тайла. Способ может также включать в себя установку новых, сменных или дополнительных тайлов и повторную установку крепежной конструкции с охлаждением на кольцевой опорной конструкции.
Также раскрыта в общем кольцевая система детектирования PET, содержащая множество круговых опорных колец, множество модулей, установленных на круговых опорных кольцах (каждый модуль включает в себя узел опорной плиты с охлаждением, имеющий множество отверстий, проходящих через опорную плиту с охлаждением), а также множество тайлов, при этом каждый тайл содержит детектор, установленный на узле опорной плиты с охлаждением соответствующего модуля и поддерживаемый им с помощью штифтов, заходящих в отверстия, так что тайл, не имеющий открытых сторон, может быть удален из модуля, не снимая смежные тайлы, путем выталкивания штифтов тайла, который требуется снять, из соответствующих отверстий модуля.
Также раскрыта в общем кольцевая система детектирования PET. Система содержит пару круговых опорных колец, первое круговое защитное кольцо, расположенное смежно с первым из круговых опорных колец, множество модулей, установленных на круговых опорных кольцах и поддерживаемых ими (каждый модуль включает в себя узел опорной плиты с охлаждением, определяющий отверстия для электрических соединителей), а также множество тайлов. Каждый тайл содержит детектор, а также электрический соединитель, расположенный на поверхности тайла или утопленный в нее, так что в отверстие для электрического соединителя заходит электрический соединитель. Каждый тайл установлен на узле опорной плиты с охлаждением соответствующего модуля и поддерживается им, при этом узел опорной плиты с охлаждением определяет большее количество отверстий для электрических соединителей, чем количество установленных тайлов, позволяя устанавливать на соответствующем модуле различное количество тайлов в виде группы, при этом первая сторона группы примыкает к первому круговому защитному кольцу. Система также содержит подвижное круговое защитное кольцо, установленное с возможностью перемещения между вторым из круговых опорных колец и множеством тайлов, так чтобы круговое защитное кольцо располагалось смежно со второй стороной группы тайлов, чтобы круговое защитное кольцо могло быть выполнено с возможностью размещения различного количества тайлов.
Одно из преимуществ заключается в размещении детекторов с большей точностью (более точное совмещение).
Другое преимущество заключается в упрощении демонтажа или снятия детекторных пакетов.
Еще одно преимущество заключается в улучшении передачи тепла и охлаждения.
Другие преимущества настоящего изобретения станут понятны специалистам в данной области техники после прочтения и осмысления нижеследующего подробного описания. Изобретение может быть воплощено в различных компонентах и схемах расположения компонентов, в различных этапах и схемах следования этапов. Чертежи представлены лишь для иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны толковаться как ограничивающие объем изобретения.
На Фиг. 1 схематично показан вид в перспективе гибридной системы, имеющей магнитно-резонансный (MR) сканер и сканер для позитронно-эмиссионной томографии (PET).
На Фиг. 2 показано детекторное кольцо PET.
На Фиг. 3 показан индивидуальный детекторный модуль PET со снятым корпусом, чтобы показать сцинтиллирующие кристаллы.
На Фиг. 4 показан тайл с прикрепленными фотодетектором и сцинтиллирующими кристаллами.
На Фиг. 5A-5D показаны альтернативные варианты осуществления тайлов.
На Фиг. 6 показан вид сбоку, иллюстрирующий множество тайлов, прикрепленных к охлаждающей плите.
На Фиг. 7 показан вид сбоку, частично в разрезе, иллюстрирующий детекторный модуль с сопутствующими опорными конструкциями с охлаждением, установленными на опорных кольцах с кольцевым разделителем для обеспечения дополнительной ширины детекторного кольца, чтобы позволить установить дополнительные тайлы.
На Фиг. 8 показана блок-схема алгоритма, иллюстрирующая способ установки тайла в диагностическом сканере.
Как показано на Фиг. 1, гибридный PET/MR-сканер 10 имеет, в общем, кольцевую систему 12 детектирования PET, расположенную в промежутке между градиентной катушкой и RF-катушкой MR-сканера. В общем кольцевая система 12 детектирования PET и MR-сканер выполнены с возможностью отображения общей области 16 визуализации. Система 12 детектирования PET независимо поддерживается крепежными звеньями 18, проходящими через отверстия 20 в корпусе 14 магнита и между MR-компонентами.
Опора 22 объекта и/или гантри 12 PET непрерывно или пошагово перемещаются в продольном направлении относительно друг друга для формирования наборов данных PET в виде списка, идентифицирующих распознанные события излучения и моменты времени распознавания. Это позволяет каждому детектору охватывать непрерывное множество продольных пространственных местоположений в процессе сканирования, что приводит к более тонкой дискретизации при сборе данных PET в продольном, или Z-направлении. Предполагается также возможность пошагового перемещения в виде коротких продольных приращений, например, менее продольного расстояния детектора. Детекторы могут также перемещаться в окружном направлении непрерывно или аналогичными малыми шагами.
При PET-сканировании в результате события позитронной аннигиляции в области 16 визуализации образуется пара гамма-лучей, которые перемещаются в диаметрально противоположных направлениях. Когда гамма-лучи соударяются с детекторами, регистрируются местоположения детекторных элементов, в которые совершено попадание, а также время соударения. Блок обработки одиночных сигналов осуществляет мониторинг зарегистрированных событий гамма-излучения для одиночных событий гамма-излучения, не составляющих пару с близким во времени событием. Близкие во времени пары событий определяют линии ответа (LOR), реконструируемые в PET-изображение.
На Фиг. 2 показана система 12 детектирования PET из комбинированного PET/MR-сканера или только PET-сканера. Сканер имеет показанное кольцо, поддерживающее 18 модули (три из которых помечены как 30a, 30b и 30c), установленные на наружной поверхности пары круговых колец, образующих кольцевую опорную конструкцию 32. Разумеется, может быть создано большее или меньшее число модулей в зависимости от размера детекторных модулей, а также диаметра колец и области 16 визуализации.
На Фиг. 3 показан детекторный модуль 30. Каждый детекторный модуль 30 включает в себя узел 34 опорной плиты с охлаждением. Множество массивов 36 сцинтиллирующих кристаллов оптически связывают с множеством массивов фотодетекторов (позиция 42 на Фиг. 4), после чего массив детекторов устанавливают на крепление тайла, которое, в свою очередь, устанавливают на охлаждающую плиту.
В координатах Фиг. 3 низ направлен к центру области 16 исследования сканера. Самый нижний уровень модуля (крайний в направлении вовнутрь в отношении области 16 исследования) представляет собой сцинтиллирующие кристаллы, образующие массив. Массив сцинтиллирующих кристаллов установлен ниже и соединен с массивом фотодиодов для образования массива фотодетекторов. Фотодиод массива фотодетекторов присоединен к креплению тайла (позиция 44 на Фиг. 4, но на Фиг. 3 не показано). Данное крепление тайла затем крепится к узлу 34 опорной плиты с охлаждением. Электрические соединители (не показаны) соединяют платы тайлов с платами 33 обработки одиночных сигналов, установленными над опорной плитой с охлаждением. Эти электрические соединители проходят через сопряженные отверстия 39 в тайле и охлаждающей опорной плите 34. В одном варианте осуществления отверстия представляют собой вытянутые прямоугольники для размещения либо электрического соединителя, либо гибкого кабеля. Печатные платы 33 установлены над охлаждающей плитой, но не в контакте с охлаждающей плитой, поскольку PCB не требуют столь значительного охлаждения, как фотодетекторы. Охлаждающая плита 34 имеет множество крепежных отверстий (четыре их них отмечены позицией 38) для приема штифтов (отмеченных позициями 46, 47, 48 и 49 на Фиг. 4) для установки тайлов, а также более крупные отверстия (три из них помечены позицией 39) для прохождения сквозь них соединителей. Узел 34 опорной плиты с охлаждением поддерживает массив детекторов и сцинтиллирующие кристаллы по существу при постоянной пониженной температуре. В некоторых вариантах осуществления охлаждающая плита включает в себя теплопроводящую стенку или юбку, которая продолжается вниз от плиты и окружает массив сцинтиллятора. Охлаждение обеспечивается, например, охлаждающими трубками в опорной плите с охлаждением, чтобы позволить текучей среде циркулировать через плиту.
На Фиг. 4 показан тайл 40. Тайл 40 включает в себя массив 36 сцинтиллирующих кристаллов, оптически соединенный с фотодетекторами 42, соединенными с креплением 44 тайла. Поскольку рабочие характеристики фотодетектора изменяются с рабочей температурой, важно поддерживать их по существу при постоянной пониженной температуре. Поскольку верхняя часть (противоположная сторона относительно кристаллов) фотодетектора имеет электронные компоненты, в некоторых вариантах осуществления ее поверхность может быть нерегулярной. Установка фотодетектора непосредственно на охлаждающую плиту или установка фотодетектора на охлаждающую плиту с использованием термической прокладки между фотодетектором и охлаждающей плитой может не обеспечивать непрерывного теплового контакта вследствие наличия поверхностей электронных элементов. Пустоты между фотодетектором и креплением 44 тайла заполняются термопастой или другим теплопроводящим (но не электропроводящим) материалом. Термопаста, заполняя нерегулярности поверхностей компонентов на фотодетекторе, обеспечивает хороший тепловой контакт между фотодетектором и креплением 44 тайла. Верхняя часть крепления 44 тайла является гладкой, способствуя хорошему тепловому контакту между креплением тайла и охлаждающей плитой 34, хотя тонкий слой термопасты может также использоваться для обеспечения качественного контакта между плитой 34 и креплением 44 тайла.
В дополнение к обеспечению теплового контакта крепление тайла также способствует точному размещению фотодетекторов, что является важным для рабочих характеристик сканеров, предназначенных для получения изображений. Штифты 46-49 механически размещают крепление тайла. В одном варианте осуществления два штифта, например 46 и 49, являются гладкими и главным образом размещают крепление тайла относительно охлаждающей плиты 34. Два других штифта, например 47 и 48, могут иметь резьбу для плотного присоединения крепления тайла к охлаждающей плите с помощью гайки на противоположной стороне охлаждающей плиты относительно крепления 44 тайла. Предпочтительно такая конфигурация позволяет снять центральный тайл (например, тайл, окруженный другими тайлами и не имеющий открытых кромок) путем снятия гаек и приложения силы для выталкивания штифтов из охлаждающей плиты, извлекая отдельный тайл, не имея доступа к его сторонам. Если все четыре штифта проталкиваются по существу одновременно, тайл при извлечении не испытает воздействия крутящего момента, что снижает вероятность повреждения электронных элементов. Все четыре отверстия 38 в охлаждающей плите 34 могут быть гладкими и иметь по существу одинаковый размер, что упрощает изготовление охлаждающей плиты. В одном варианте осуществления верхняя поверхность крепления тайла и нижняя поверхность охлаждающей плиты прошли точную механическую обработку с образованием комплементарных поверхностей для обеспечения высоких характеристик теплопереноса и точного углового размещения тайла.
Крепление тайла имеет отверстие 50, проходящее через верхнюю поверхность, предназначенное для соединителя 52. Если для каждого тайла существует более одного соединителя, потребуется более одного отверстия. Отверстие 50 имеет приблизительно те же размеры и форму, что и отверстие в охлаждающей плите (позиция 39 на Фиг. 3), так что, когда штифты 46-49 входят в отверстия 38, отверстие 50 на тайле совпадает с отверстием 39 в охлаждающей плите, позволяя соединителю 52 из массива фотодетекторов пройти сквозь тайл и охлаждающую плиту для электрического соединения массива фотодетекторов с PCB.
Возможны и другие конфигурации штифтов. Например, все четыре штифта 46-49 могут иметь резьбу. Все четыре штифта также могут быть гладкими, при этом могут использоваться некоторые другие крепежные механизмы. Например, штифты 46-49 могут представлять собой шплинтуемые штифты. На Фиг. 5A-5D показано три других варианта 54, 56 и 58 осуществления тайла 40. На Фиг. 5B крепление 54 тайла имеет отверстия 64, например резьбовые каналы, и соединяется с охлаждающей плитой, имеющей штифты или каналы для приема резьбовых штифтов. Вместо крепления плиты к печатной плате фотодетектора, как показано на Фиг. 5A и на Фиг. 5B, к печатной плате фотодетектора может крепиться множество отдельных ножек, как показано на Фиг. 5C и на Фиг. 5D. На Фиг. 5C крепление 56 тайла имеет четыре ножки 66 с отверстиями или резьбовыми каналами для приема штифтов из охлаждающей плиты или резьбовых элементов, проходящих через охлаждающую плиту. Для сопряжения охлаждающей плиты на обеих Фиг. 5B и 5C используются штифты из охлаждающей плиты или проходящие через охлаждающую плиту. На Фиг. 5C между верхней поверхностью тайла и охлаждающей плитой расположена термическая прокладка или термопаста для передачи тепла через пространство, образованное высотой уступов 66. На Фиг. 5D тайл 58, аналогичный тайлу 40, имеет штифты на тайле, однако имеет ножки 68 с уступами. Уступы тайла 58 и ножки тайла 56 создают пространство для электронных элементов фотодетектора, так что они не повреждаются, когда тайл прикреплен к охлаждающей плите. В тайле 58, как и в тайле 56, термическая прокладка или паста высотой с ножки проводит тепло от массива фотодетекторов к охлаждающей плите. В варианте осуществления на Фиг. 5C и 5D соединитель продолжается от верхней поверхности тайла. Соединитель может продолжаться только на высоту ножки либо может продолжаться в отверстие или сквозь отверстие в охлаждающей плите.
На Фиг. 6 показан вид сбоку охлаждающей плиты и опорной конструкции 34 с тайлами 40a-h (имеют общую позицию 40), установленными под ними (как и на предыдущих чертежах, направление вниз указывает к центру области 16 исследования). Тайлы 40 установлены снизу и крепятся к охлаждающей плите 34 с помощью крепления 44 тайла, которое можно видеть только благодаря его штифтам 48 и 49, т.к. участок кожуха 34, служащего для охлаждения и поддержки, продолжается вниз от участка плиты для образования юбки, внутри которой установлены тайлы. К охлаждающей плите 34 крепится кожух 70, который в одном варианте осуществления является толстым вдоль боков для определения юбки и придания механической прочности, а также имеет тонкий слой алюминия или другого материала, который по существу не блокирует восприятие событий излучения через поверхность, предназначенную для приема излучения. Между массивами кристаллов и кожухом 70 может устанавливаться тонкий слой упругого материала (не показан), например поропласта, для компенсации производственных допусков. В одном варианте осуществления кожух 70 крепится к охлаждающей плите 34 сверху и накрывает тайлы 40 снизу и со всех четырех сторон. Для наглядности кожух 70 показан в разрезе, чтобы можно было видеть тайлы 40.
Крепления тайлов позволяют легко устанавливать тайлы, обеспечивая возможность расширения PET-сканера. PET-сканер может поставляться в конфигурации, при которой имеется пространство для добавления дополнительных тайлов, что показано с помощью модуля на Фиг. 7. Как и ранее, охлаждающая плита 34 поддерживает тайлы 40i-40m, однако имеется пустое пространство 72, прилегающее к тайлам 40i-40m под охлаждающей плитой 34, для приема дополнительных тайлов, если потребуется. Это пустое пространство содержит разделитель 74 и подвижное защитное кольцо 76. Подвижное защитное кольцо 76 расположено непосредственно рядом с тайлами 40 и продолжается незначительно ниже них, блокируя попадание рассеянного излучения в детекторные кристаллы 36 с боковых сторон. В дополнение к экрану, прилегающему к боковой стороне тайлов рядом с разделителем, имеется другой защитный экран 78 на наружной стороне (стороне, противоположной разделителю) тайлов. Пара опорных колец 32, расположенных с наружной стороны разделителя и внутренней стороны массива тайлов, поддерживает детекторы посредством охлаждающих плит 34. Разумеется, разделитель 74 может также представлять собой множество разделительных балок.
Помимо детектора на основе кремниевых фотоумножителей (SiPM), соединенного со сцинтиллирующим кристаллом, возможны и другие виды детекторов. Предполагается использовать детектор на основе теллуридов кадмия и цинка (CZT) или иной твердотельный детектор. Возможно также использование массива сцинтиллирующих кристаллов, соединенного с фотоумножительной трубкой. Детектор или кристалл может быть пикселированным. Может применяться логика Ангера.
Способ установки детекторных кристаллов включает в себя этапы, показанные на Фиг. 8. На этапе 101 тайл закрепляется на опорной конструкции 34 с охлаждением. На этапе 102 опорная конструкция 34 с охлаждением устанавливается на опорные кольца 32. На этапе 103 охлаждающая плита снимается, либо для ремонта/замены тайла, либо для добавления дополнительных тайлов. На этапе 105 тайл демонтируется и ремонтируется, заменяется или повторно выставляется. На этапе 106 разделитель 76 перемещается с целью обеспечения места для установки дополнительных тайлов. Возвращаясь к этапу 101, устанавливаются сменные, отремонтированные или дополнительные тайлы, а на этапе 102 охлаждающая плита повторно устанавливается на опорных кольцах.
Изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. Очевидно, после прочтения и уяснения предшествующего подробного описания могут быть предложены модификации и изменения. Предполагается, что изобретение включает все подобные модификации и изменения, если они входят в объем притязаний прилагаемой формулы изобретения с учетом теории эквивалентов.
Реферат
Изобретения относятся к системам и способам диагностической визуализации. Тайл содержит массив детекторов излучения для позитронно-эмиссионной томографии (PET), которые выполнены с возможностью формирования сигналов в ответ на прием событий излучения, и соответствующие электронные элементы; крепление, выполненное с возможностью установки тайла на крепежной конструкции с охлаждением с возможностью теплового обмена с ней и выполненное с возможностью размещения установочной поверхности тайла относительно крепежной конструкции с охлаждением. Технический результат – улучшение передачи тепла и охлаждения, повышение точности размещения фотодетекторов, упрощение демонтажа или снятия детекторных пакетов. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.
