APARATO DE ADQUISICION DE DATOS PARA TOMOGRAFIA COMPUTERIZADA POR EMISION DE RADIACION GAMMA Y SU FUNCIONAMIENTO.
Aparato de adquisición de datos para tomografía computerizada por emisión de radiación gamma y su funcionamiento.
Esta invención describe la electrónica de adquisición de un sistema para tomografía por emisión de radiación gamma, que engloba dos técnicas de medicina nuclear relacionadas: tomografía por emisión de fotón único (SPECT) y tomografía por emisión de positrones (PET), con un número reducido de gamma cámaras y un tiempo muerto mínimo, y que integra toda la electrónica de procesado para la caracterización de la radiación y resolución de las coincidencias en un único dispositivo electrónico.
Esta invención simplifica la distribución precisa del reloj a todos los elementos del sistema y reduce los problemas derivados de la sincronización temporal de todos los elementos a una base de tiempos única. Además, consigue: una reducción de costes, frente a un sistema analógico; una reducción en el tamaño y una simplificación del proceso de calibrado del equipo final
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200702836.
Solicitante: UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID
FUNDACION PARA LA INVESTIGACION BIOMEDICA DEL HOSPITAL GREGORIO MARAON.
Nacionalidad solicitante: España.
Provincia: MADRID.
Inventor/es: VAQUERO LOPEZ,JUAN JOSE, GUERRA GUTIERREZ,PEDRO, DESCO MENENDEZ,MANUEL, SANTOS Y LLEO,ANDRES, SPORTELLI,GIANCARLO.
Fecha de Solicitud: 26 de Octubre de 2007.
Fecha de Publicación: .
Fecha de Concesión: 5 de Febrero de 2010.
Clasificación Internacional de Patentes:
- G01T1/16 FISICA. › G01 METROLOGIA; ENSAYOS. › G01T MEDIDA DE RADIACIONES NUCLEARES O DE RAYOS X (análisis de materiales por radiaciones, espectrometría de masas G01N 23/00; tubos para determinar la presencia, intensidad, densidad o energía de una radiación o de partículas H01J 47/00). › G01T 1/00 Medida de los rayos X, rayos gamma, radiaciones corpusculares o de las radiaciones cósmicas (G01T 3/00, G01T 5/00 tienen prioridad). › Medida de la intensidad de radiación (G01T 1/29 tiene prioridad).
- G01T1/161C
- G01T1/202 G01T 1/00 […] › siendo el detector un cristal.
Clasificación PCT:
Fragmento de la descripción:
Aparato de adquisición de datos para tomografía computerizada por emisión de radiación gamma y su funcionamiento.
La presente invención pertenece al campo de la instrumentación para medicina nuclear. En particular, esta invención describe la electrónica de adquisición de datos (front-end electronics) de un sistema para tomografía por emisión, bien de positrones (PET) o bien de fotón único (SPECT).
Estado de la técnica anterior
La tomografía computerizada por emisión engloba dos técnicas de medicina nuclear relacionadas, a saber la tomografía por emisión de fotón único (SPECT) y la tomografía por emisión de positrones (PET). Ambas técnicas son hoy en día de uso rutinario en el estudio de la funcionalidad de los órganos del paciente tanto en el ámbito clínico como en el de la investigación, con especial aplicación en la oncología, cardiología y neurología.
Esta información funcional de los órganos se obtiene a partir de la detección y análisis de la radiación emitida por un radiofármaco administrado al paciente y que previamente ha sido marcado con un isótopo radioactivo. En el caso de SPECT la desintegración del radioisótopo resulta en la emisión de un rayo gamma con una energía característica del radiofármaco empleado, por ejemplo, el 99m-Tc emite rayos gamma a 140 KeV, mientras que en el caso de PET, compuestos como del 18F en su desintegración liberan positrones que, tras colisionar con un electrón, se aniquilan resultando en la emisión de dos rayos gamma con una energía constante de 511 KeV por rayo gamma que, como consecuencia de la conservación del momento, se propagan en direcciones opuestas definiendo una línea denominada línea de respuesta.
En ambos casos, mediante técnicas matemáticas, es posible recuperar la radioactividad en cada punto del espacio a partir de la medida externa de la radioactividad observada desde distintos puntos de vista, en un proceso conocido como reconstrucción tomográfica.
Al instrumento empleado para capturar la radiación gamma se conoce como gamma cámara y consiste esencialmente en un detector de la radiación, elaborado a partir del material denso cuya misión es la de interactuar con el rayo gamma y generar algún tipo de señal, y un amplificador de la señal entregada. A la electrónica capaz de leer la señal generada por la gamma cámara y proporcionar una medida de la energía depositada por el rayo gamma en el material denso antes citado se la denomina equipo de adquisición de datos.
En la solución más tradicional, la gamma cámara emplea un cristal de centelleo como material denso, siendo en la actualidad el ortosilicato de lutecio (LSO) el cristal centelleador por excelencia en PET, y un fotomultiplicador como amplificador y transductor en una señal eléctrica de la señal óptica de centelleo.
En el caso de la PET, la técnica se fundamenta en la detección de los dos rayos gamma resultantes de la aniquilación positrón-electrón para determinar con precisión la línea dentro de la cual tuvo lugar la desintegración, a diferencia de la SPECT que hace uso de un colimador de plomo, wolframio u otro material denso para definir las líneas de respuesta.
La electrónica de lectura suele componerse de una etapa analógica donde se procesan, amplifican y acondicionan las salidas de la gamma cámara, una etapa de conversión analógica-digital para la captura de las distintas señales de interés y una etapa digital donde se realiza algún procesado digital, se estructuran los datos y se envían hacia el exterior. Young et al [1] describen con gran detalle la electrónica de adquisición de un PET de alta resolución, mientras que las invenciones descritas en WO2004005965-2004-01-15, US6072177-2000-06-06 y US5241181-1993-08-31 desvelan los aparatos digitales empleados para la identificación de parejas coincidentes en un sistema PET. Durante los últimos años, el procesado digital ha desplazado progresivamente a las soluciones analógicas. Una solución directa y compatible con el desarrollo de los convertidores analógicos-digitales de alta velocidad se basa en el muestreo continuo y libre de las señales entregadas por el detector de radiación. De este modo se elimina la necesidad de ciertos componentes analógicos, como los discriminadores, filtros de conformado (shaper) o la lógica analógica de coincidencias. Esta técnica ha sido investigada por distintos autores como: V. Jordanov and G.F. Knoll [2]; P.C.P.S. Simóes, J.C. Martins y M.B.A. Correia [3]; M.N. Al-Haddad, C. Lin, W.H. Miller y R.R. Berliner [4]; M. Streun, G. Brandenburg, H. Lame, E. Zimmermann, K. Ziemons y H. Hailing [5]I; Fontaine, R.; Tetrault, M.-A.; Belanger, F.; Viscogliosi, N.; Himmich, R.; Michaud, J.-B.; Robert, S.; Leroux, J.-D.; Semmaoui, H.; Berard, P.; Cadorette, J.; Pepin, C.M.; Lecomte, R. [6] y por los propios solicitantes de esta patente: Guerra, P.; Espinosa, J.; Ortuno, J.E.; Kontaxakis, G.; Vaquero, J.J.; Desco, M.; Santos, A. [7].
Los datos adquiridos proporcionan información sobre la energía de las partículas gamma así como del instante preciso de su detección, ésta última resulta necesaria para la detección de la coincidencia a partir de la marca de tiempos. Existen múltiples criterios para determinar el instante de la detección, cuestión que ha sido estudiada por distintos autores: J.M. Los Arcos, E. García-Toraño, P. Olmos y J. Marín [8]; P. Stenstrom, A. RillbertF. Habte, C. Bohm y S.A. Larsson [9]; y por los propios solicitantes de esta patente: Guerra, P.; Ortuno, J.E.; Kontaxakis, G.; Ledesma, M.J.; Vaquero, J.J.; Desco, M.; Santos,A., [10].
La presente invención tiene por objeto la electrónica de adquisición y detección de la radiación gamma emitida por un isótopo radioactivo, admitiendo dos modos de funcionamiento, uno en el que se adquieren todos los eventos de radiación detectados y que resulta adecuado para la tomografía por emisión de fotón único (SPECT) y otro en el que se impone la coincidencia temporal entre dos eventos de radiación detectados en dos gamma cámaras distintas y que resulta adecuado para la realización de tomografía por emisión de positrones (PET).
Más concretamente, la presente invención tiene por objeto realizar un sistema híbrido para la realización de tomografía por emisión de positrones y de fotón único con, al menos, 2 gamma cámaras y un tiempo muerto, por bloqueo del sistema de adquisición, inferior a 300 nanosegundos, para lo cual se integra todo el sistema de adquisición, la electrónica de procesado para la caracterización de la radiación y la resolución de las coincidencias en un único dispositivo electrónico de propósito específico.
Descripción de la invención
Para paliar las deficiencias mostradas en el actual estado de la técnica se presenta el aparato de adquisición de datos para tomografía computerizada por emisión de radiación gamma basado en muestreo continuo de la señal de centelleo que consiste en, al menos, una unidad dedicada a la adquisición de datos para la detección de la radiación e identificación de eventos válidos; al menos, una unidad dedicada a la adquisición sincronizada de datos biológicos y una unidad maestra de control; y donde la comunicación entre unidades es por medio de un interfaz compartido y en el que la mencionada adquisición de datos para la detección de la radiación consta, al menos, de:
- - una etapa de preamplificación acoplada en continua;
- - al menos, un dispositivo lógico programable (FPGA);
- - un controlador de entrada salida E/S para la comunicación con las otras unidades del sistema;
- - al menos, una memoria de almacenamiento en comunicación con los dispositivos lógicos programables (FPGA);
donde los citados dispositivos lógicos programables (FPGA) integran, al menos, dos módulos de procesado digital de señal para la caracterización de la radiación detectada, un módulo para la identificación de eventos válidos, un módulo para la gestión de estadísticas de la adquisición, un módulo de configuración y un módulo para la comunicación por el citado interfaz de comunicación;
y donde los módulos de procesado digital de señal para la caracterización de la radiación integran, a su vez, submódulos digitales que implementan las funcionalidades. de corrección de la línea base, detección del evento de centello, disparo de la adquisición, estimación de la energía de la interacción, estimación de la posición de la interacción y estimación del...
Reivindicaciones:
1. Aparato de adquisición de datos para tomografía computerizada por emisión de radiación gamma basado en muestreo continuo de la señal de centelleo caracterizado porque consiste en, al menos, una unidad dedicada a la adquisición de datos para la detección de la radiación e identificación de eventos válidos; al menos, una unidad dedicada a la adquisición sincronizada de datos biológicos y una unidad maestra de control; y donde la comunicación entre unidades es por medio de un interfaz compartido y en el que la mencionada adquisición de datos para la detección de la radiación consta, al menos, de:
- - una etapa de preamplificación acoplada en continua;
- - al menos, un dispositivo lógico programable (FPGA);
- - un controlador de entrada salida E/S para la comunicación con las otras unidades del sistema;
- - al menos, una memoria de almacenamiento en comunicación con las FPGAs;
donde las citadas FPGA integran, al menos, dos módulos de procesado digital de señal para la caracterización de la radiación detectada, un módulo para la identificación de eventos válidos, un módulo para la gestión de estadísticas de la adquisición, un módulo de configuración y un módulo para la comunicación por el citado interfaz de comunicación;
y donde los módulos de procesado digital de señal para la caracterización de la radiación integran, a su vez, submódulos digitales que implementan las funcionalidades de corrección de la línea base, detección del evento de centello, disparo de la adquisición, estimación de la energía de la interacción, estimación de la posición de la interacción y estimación del instante de la interacción radiación- material; y porque comparten una misma referencia temporal consistente en un contador incrementado en uno con cada ciclo del reloj que gobierna la ejecución del citado módulo de detección;
y porque el módulo de identificación de eventos válidos admite dos modos de configuración posibles, una especifica para tomografía por emisión de fotón único (SPECT) donde se admiten como válidos todos los eventos provenientes de los módulos de procesado digital de señal para la caracterización de la radiación y otra para tomografía por emisión de positrones (PET) que identifica como válidos las parejas de eventos provenientes de una pluralidad de módulos de procesado digital de señal para la caracterización de la radiación detectada que se encuentran dentro de una ventana temporal, comparando las etiquetas temporales de ambos eventos consistentes en una parte entera, procedente del contador global de tiempos, y una parte fraccionaria, procedente de la citada unidad de estimación del instante de la interacción perteneciente a cada uno de los módulos de detección de la radiación;
el módulo para la gestión de estadísticas de la adquisición lleva cuenta de: el número de eventos detectados por cada módulo de procesado de señal para la detección de la radiación por unidad de tiempo, el número de coincidencias simples y múltiples y de la tasa de pérdidas de eventos, causadas por la sobreocupación de las colas de almacenamientos de datos existentes dentro de los módulos de procesado de señal para la adquisición de la radiación, resolución de coincidencias y comunicación;
y porque la lógica digital integrada en la citada FPGA trabaja con dos relojes independientes: uno empleado para la comunicación con el exterior, por medio de la interfaz compartida, y otro para gobernar el funcionamiento de los restantes módulos del dispositivo y que se encuentra en sincronía temporal con el reloj de muestreo empleado en los coriversores analógicos digitales;
y donde la memoria de almacenamiento en comunicación con las FPGAs almacena tablas de calibrado para la corrección de los datos adquiridos, reempleándose las tablas de calibrado para corregir los datos identificados como válidos en función del modo de adquisición seleccionado y transfiere el resultado a la unidad de comunicación;
y donde el módulo para la comunicación por el interfaz fusiona los datos procedentes de la unidad de estadísticas y del módulo de identificación de eventos válidos en función del modo de adquisición indicador por el registro de control correspondiente en el módulo de configuración; y porque la unidad dedicada a la adquisición de datos para la detección de la radiación genera una señal periódica en sincronía con la referencia temporal empleada en los módulos de procesado digital para la detección de la radiación y registra con respecto a la referencia temporal las transiciones y valores de una pluralidad de señales externas,
la unidad de adquisición de datos biológicos lleva una base de tiempos propia, en sincronía con la señal periódica generada por la unidad dedicada a la adquisición de datos para la detección, y etiqueta cada dato biológico con el valor correspondiente de esta base de tiempos y además genera una señal cuyas transiciones están en sincronía con los datos biológicos.
2. Aparato de adquisición de datos para tomografía computerizada por emisión de radiación gamma según reivindicación 1 caracterizado porque la citada unidad maestra de control consiste en un ordenador personal integrado sobre un circuito impreso único.
3. Aparato de adquisición de datos para tomografía computerizada por emisión de radiación gamma según reivindicación 1 caracterizado porque la integración de la electrónica de adquisición y resolución de coincidencias hace uso de más de un dispositivo lógico programable.
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