Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения (варианты)

Полезная модель относится к радионуклидной диагностики в области онкологии. Радионуклидная диагностика - это самостоятельный раздел лучевой диагностики и радиологии в частности, предназначенный для распознавания патологических изменений органов и систем человека с помощью радиофармацевтических препаратов. Технический результат направлен на создание устройства для радионуклидной диагностики для распознавания патологических изменений органов и систем человека с помощью радиофармацевтических препаратов. Технический результат достигается созданием гамма-локатора для локализации источника ионизирующего излучения, содержащего схему включения, схему питания, подключенную к каждому элементу системы через шину SPI, детектирующий элемент, усилитель, компаратор, цифро-аналоговый преобразователь, логический анализатор FPGA, интерфейс передачи данных, при этом детектирующий элемент помещен в коллиматор, в качестве детектирующего элемента используется полупроводниковый кристалл или детектирующий элемент состоит из кристалла laBr₃:Ce и фотоэлектронного умножителя, в качестве которого используется кремниевый фотоумножитель SiPM, или в качестве детектирующего элемента используется матрица сцинтилляционных кристаллов, соединенная с матрицей кремниевых фотоумножителей или матрица чувствительных элементов.

Полезная модель относится к радионуклидной диагностики в области онкологии. Радионуклидная диагностика - это самостоятельный раздел лучевой диагностики и радиологии в частности, предназначенный для распознавания патологических изменений органов и систем человека с помощью радиофармацевтических препаратов.

Известно устройство Surgical gamma probe with TlBr semiconductor for identification of sentinel lymph node, описанное в статье da Costa, F.E., Nuclear Science Symposium Conference Record, 2005 IEEE, 2890-2894 pages. Это хирургический гамма-зонд, где в качестве сцинтиллятора используется T1Br кристалл.

Недостатком такого устройства является необходимость применения хирургического вмешательства, недостаточная точность, чувствительность к магнитным полям, недостаточная помехоустойчивость к шумам фотоумножителя, маленький световыход сцинтилляционного кристалла, и зависимость скорости счета от температуры.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство, описанное в статье Georgiou, M., Evaluation of an imaging gamma probe based on R8900U-00-C12 PSPMT, Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC), 2011 IEEE, 4020-4023 pages, принятое за прототип. Это гамма-зонд на основе R8900U-00-C12 позиционно-чувствительного фотоэлектронного умножителя, соединенного с сцинтиллятором, в качестве которого используется CsI (T1) кристалл, и параллельным коллиматором общего назначения.

Недостатком прототипа является маленький световыход сцинтилляционного кристалла, чувствительность к магнитным полям и зависимость скорости счета от температуры.

Технический результат направлен на создание устройства для радионуклидной диагностики для распознавания патологических изменений органов и систем человека с помощью радиофармацевтических препаратов.

Технический результат по пунктам 1-7 формулы полезной модели (вариант 1) достигается созданием гамма-локатора для локализации источника ионизирующего излучения, содержащего схему включения, схему питания, подключенную к каждому элементу системы через шину SPI, детектирующий элемент, усилитель, компаратор, цифро-аналоговый преобразователь, логический анализатор FPGA, интерфейс передачи данных, при этом детектирующий элемент помещен в коллиматор, в качестве детектирующего элемента используется полупроводниковый кристалл. Защита от рассеянного излучения и фоновой активности окружает детектирующую часть с боковых сторон и формирует узкое поле зрения детектора для улучшения отношения сигнал-шум.

Технический результат по пунктам 8-16 формулы полезной модели (вариант 2) достигается созданием гамма-локатора для локализации источника ионизирующего излучения, содержащего схему включения, схему питания, подключенную к каждому элементу системы через шину SPI, детектирующий элемент, усилитель, компаратор, цифро-аналоговый преобразователь, логический анализатор FPGA, интерфейс передачи данных, при этом детектирующий элемент помещен в коллиматор и состоит из кристалла LaBr₃:Ce и фотоэлектронного умножителя, в качестве которого используется кремниевый фотоумножитель SiPM. Защита от рассеянного излучения и фоновой активности окружает детектирующую часть с боковых сторон и формирует узкое поле зрения детектора для улучшения отношения сигнал - шум. Кристалл LaBr ₃:Ce был выбран в качестве сцинтиллятора, т.к. он имеет следующие характеристики:

- высокая эффективность регистрации (на уровне эффективности регистрации NaI);

- негигроскопичность сцинтиллятора, т.е. возможность работать с ним на открытом воздухе без дополнительной защиты кристалла от влаги;

- высокое значение эффективного атомного номера;

- небольшое время высвечивания.

В качестве фотодетектора гамма-локатора выбран SiPM, т.к. он обладает следующими характеристиками:

- рабочее напряжение лежит приблизительно на 2 В выше чем U_проб (пробойное напряжение), a U_пр составляет всего десятки Вольт;

- превосходное отношение сигнал/шум (ОСШ) по сравнению с обычными лавинными фотодиодами;

- не повреждается от избыточного света;

- выносливые (прочные) и стабильные;

- минимальные требования к электронике;

- малый разброс коэффициента усиления (менее 10%);

- невысокая чувствительность коэффициента усиления к изменению температуры и напряжения питания (к изменению температуры ~3% на 10°C; к изменению напряжения смещения ~1% на 30 мВ);

- возможность регистрации наносекундных вспышек света без искажения формы детектируемого импульса;

- возможность работы, как в режиме счета импульсов, так и в спектрометрическом режиме;

- хорошее временное разрешение (десятки пикосекунд);

- компактность (размеры чувствительной области SiPM - 1 мм², 9 мм ², 25 мм²).

Технический результат по пунктам 17-23 формулы полезной модели (вариант 3) достигается созданием гамма-локатора для локализации источника ионизирующего излучения, содержащего схему включения, схему питания, подключенную к каждому элементу системы через шину SPI, детектирующий элемент, усилитель, компаратор, цифро-аналоговый преобразователь, логический анализатор FPGA, интерфейс передачи данных, при этом детектирующий элемент помещен в коллиматор, в качестве детектирующего элемента используется матрица сцинтилляционных кристаллов, соединенная с матрицей кремниевых фотоумножителей. Защита от рассеянного излучения и фоновой активности окружает детектирующую часть с боковых сторон и формирует узкое поле зрения детектора для улучшения отношения сигнал-шум.

Технический результат по пунктам 24-31 формулы полезной модели (вариант 4) достигается созданием гамма-локатора для локализации источника ионизирующего излучения, содержащего схему включения, схему питания, подключенную к каждому элементу системы через шину SPI, детектирующий элемент, усилитель, компаратор, цифро-аналоговый преобразователь, логический анализатор FPGA, интерфейс передачи данных, при этом детектирующий элемент помещен в коллиматор, в качестве детектирующего элемента используется матрица чувствительных элементов. Защита от рассеянного излучения и фоновой активности окружает детектирующую часть с боковых сторон и формирует узкое поле зрения детектора для улучшения отношения сигнал-шум.

В частном случае, в вариантах 1, 2, 3, 4, коллиматор предлагается выполнить из свинца или вольфрама, в том числе схема включения гамма-локатора для локализации источника ионизирующего излучения представляет собой:

- герконовый датчик;

- механический переключатель;

- сенсорную поверхность;

- инфракрасный датчик расстояния.

Схема включения, представленная одним из выше указанных способов, необходима для активации схемы питания.

Пример конкретной реализации предлагаемого устройства в общем виде представлен на Фиг. 1 и состоит из: детектирующего элемента 1, помещенного в коллиматор 2, усилителя 3, компаратора 4, логического анализатора FPGA (англ. field-programmable gate array - схема логических элементов, программируемая в условиях эксплуатации) 5, интерфейса передачи данных 6, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 7, шины SPI (англ. Serial Peripheral Interface, SPI bus - последовательный периферийный интерфейс) 8, схемы питания 9 и схемы включения 10. Схема включения 10 соединена со схемой питания 9, которая подключена к каждому элементу системы через шину SPI 8.

Пример реализации 1 варианта детектирующего элемента предлагаемого устройства представлен на Фиг. 2 и представляет собой полупроводниковый кристалл 11.

Пример реализации 2 варианта детектирующего элемента предлагаемого устройства представлен на Фиг. 3 и представляет собой сцинтиллятор 12, соединенный с фотоэлектронным умножителем 13.

Пример реализации 3 варианта детектирующего элемента предлагаемого устройства представлен на Фиг. 4 и представляет собой матрицу сцинтилляционных кристаллов 14, соединенную с матрицей кремниевых фотоумножителей 15.

Пример реализации 4 варианта детектирующего элемента предлагаемого устройства представлен на Фиг. 5 и представляет собой матрицу чувствительных элементов 16.

Устройство представляет из себя портативный детектор гамма-квантов, позволяющий диагностировать неглубокие злокачественные новообразования при использовании радиофармпрепаратов (РФП, препарат, содержащий радиоактивные короткоживущие изотопы или их соединения с различными неорганическими или органическими веществами, предназначенный для медико-биологических исследований, радиоизотопной диагностики и лечения различных заболеваний), вводимых (внутривенно, подкожно, ингаляционно, через пищеварительную систему) в организм. РФП способен избирательно накапливаться в органах и тканях, пораженных злокачественным новообразованием, что и происходит по прошествии характерного для данного РФП отрезка времени. Излучение, испускаемое радиоактивным изотопом, входящим в состав РФП, можно зарегистрировать при помощи гамма-локатора: скорость счета гамма-квантов будет максимальной в точке расположения опухоли. Таким образом, можно диагностировать опухоль и ее местоположение в организме, которое определяется как область повышенной концентрации РФП. Источник гамма-квантов располагается напротив детектирующего элемента 1, помещенного в коллиматор 2, сигнал с которого идет на ЦАП 7. Далее аналоговый сигнал подается на усилитель 3, соединенный с компаратором 4. После чего передается на логический анализатор FPGA 5 и интерфейс передачи данных 6. Схема включения 10, соединенная со схемой питания 9 через шину SPI 8 подключена к каждому элементу.

Таким образом, техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является детектор гамма-излучения, предназначенный для диагностики онкологических заболеваний.

1. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения, содержащий схему включения, схему питания, подключенную к каждому элементу системы через шину SPI, детектирующий элемент, усилитель, компаратор, цифроаналоговый преобразователь, логический анализатор FPGA, интерфейс передачи данных, отличающийся тем, что в качестве детектирующего элемента используется полупроводниковый кристалл, который помещён в коллиматор.

2. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 1, отличающийся тем, что коллиматор выполнен из свинца.

3. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 1, отличающийся тем, что коллиматор выполнен из вольфрама.

4. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 1, отличающийся тем, что схема включения представляет собой герконовый датчик.

5. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 1, отличающийся тем, что схема включения представляет собой механический переключатель.

6. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 1, отличающийся тем, что схема включения представляет собой сенсорную поверхность.

7. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 1, отличающийся тем, что схема включения представляет собой инфракрасный датчик расстояния.

8. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения, содержащий схему включения, схему питания, подключенную к каждому элементу системы через шину SPI, детектирующий элемент, усилитель, компаратор, цифроаналоговый преобразователь, логический анализатор FPGA, интерфейс передачи данных, отличающийся тем, чтодетектирующий элемент состоит из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя и помещен в коллиматор.

9. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 8, отличающийся тем, что коллиматор выполнен из свинца.

10. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 8, отличающийся тем, что коллиматор выполнен из вольфрама.

11. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 8, отличающийся тем, что в качестве сцинтиллятора используется кристалл LaBr₃:Ce.

12. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 8, отличающийся тем, что в качестве фотоэлектронного умножителя используется кремниевый фотоумножитель SiPM.

13. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 8, отличающийся тем, что схема включения представляет собой герконовый датчик.

14. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 8, отличающийся тем, что схема включения представляет собой механический переключатель.

15. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 8, отличающийся тем, что схема включения представляет собой сенсорную поверхность.

16. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 8, отличающийся тем, что схема включения представляет собой инфракрасный датчик расстояния.

17. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения, содержащий схему включения, схему питания, подключенную к каждому элементу системы через шину SPI, детектирующий элемент, усилитель, компаратор, цифроаналоговый преобразователь, логический анализатор FPGA, интерфейс передачи данных, отличающийся тем, что в качестве детектирующего элемента используется матрица сцинтилляционныхкристаллов, соединенная с матрицей кремниевых фотоумножителей, детектирующий элемент помещен в коллиматор.

18. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 17, отличающийся тем, что коллиматор выполнен из свинца.

19. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 17, отличающийся тем, что коллиматор выполнен из вольфрама.

20. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 17, отличающийся тем, что схема включения представляет собой герконовый датчик.

21. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 17, отличающийся тем, что схема включения представляет собой механический переключатель.

22. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 17, отличающийся тем, что схема включения представляет собой сенсорную поверхность.

23. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 17, отличающийся тем, что схема включения представляет собой инфракрасный датчик расстояния.

24. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения, содержащий схему включения, схему питания, подключенную к каждому элементу системы через шину SPI, детектирующий элемент, усилитель, компаратор, цифроаналоговый преобразователь, логический анализатор FPGA, интерфейс передачи данных, отличающийся тем, что в качестве детектирующего элемента используется матрица чувствительных элементов, помещенная в коллиматор.

25. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 24, отличающийся тем, что коллиматор выполнен из свинца.

26. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 24, отличающийся тем, что коллиматор выполнен из вольфрама.

27. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 24, отличающийся тем, что матрица чувствительных элементов выполнена на основе полупроводниковых детекторов.

28. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 24, отличающийся тем, что схема включения представляет собой герконовый датчик.

29. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 24, отличающийся тем, что схема включения представляет собой механический переключатель.

30. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 24, отличающийся тем, что схема включения представляет собой сенсорную поверхность.

31. Гамма-локатор для локализации источника ионизирующего излучения по п. 24, отличающийся тем, что схема включения представляет собой инфракрасный датчик расстояния.