Procedimiento y dispositivo para la detección y discriminación de eventos válidos en detectores de radiación gamma.

Procedimiento para la detección y discriminación de eventos válidos en detectores (505, 510) de radiación gamma que comprende los siguientes pasos: obtener un pulso de temporización del detector (505, 510) en el que se detecta un evento; comparar el pulso de temporización obtenido con dos umbrales (U1, U2), generando dos pulsos digitales de comparación cuyos flancos de entrada corresponden a los instantes en que el pulso de temporización supera dichos umbrales (U1, U2); combinar los dos pulsos digitales de comparación de modo que se genera un pulso digital de ventana cuya duración es Tpulso= TA (+-) TB, donde TA es un valor fijo y TB es el intervalo de tiempo transcurrido entre los respectivos flancos de entrada de los pulsos digitales de comparación; y determinar si el evento es válido en función del pulso digital de ventana obtenido.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece fundamentalmente al campo de la instrumentación para medicina nuclear. Un primer objeto de la invención se refiere a un método para la detección y discriminación de eventos válidos, ya sean únicos (por ejemplo para aplicaciones de tomografía por emisión de fotón único, o SPECT) o coincidentes en el tiempo (por ejemplo para aplicaciones de tomografía por emisión de positrones, o PET) . Otro objeto de la invención se refiere a un dispositivo electrónico que implementa el método referido permitiendo a su vez la adquisición de los eventos que pasan el discriminador.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La tomografía computerizada por emisión de radiación gamma engloba dos técnicas pertenecientes al campo de la medicina nuclear: tomografía por emisión de positrones (PET) y tomografía por emisión de fotones únicos (SPECT) . Tanto la PET como la SPECT son modalidades de diagnóstico por imagen nuclear, utilizadas con fines clínicos en oncología, cardiología y neurología principalmente. Ambas técnicas se basan en la administración en concentración traza al paciente, de un compuesto biológicamente activo marcado con algún isótopo emisor de positrones (PET) o de rayos gamma (SPECT) . Tras la asimilación del compuesto por el organismo, que se realiza independientemente de su carácter radiactivo, la utilización de alguna de estas técnicas permite obtener imágenes 2-D, 3-D o 4-D con información cuantitativa sobre la distribución del compuesto en el mismo.

En la técnica PET, la formación de las imágenes se fundamenta en la detección simultánea de dos rayos gamma emitidos en una misma línea y en sentidos opuestos. Estos rayos resultan de la aniquilación de un positrón emitido por el compuesto con un electrón del tejido circundante. La detección de dos fotones provenientes de una misma aniquilación permite determinar la línea dentro de la cual tuvo lugar la desintegración (línea de respuesta) . Tras la adquisición de un número suficiente de eventos, la distribución de actividad obtenida como líneas de respuesta permite la obtención de las imágenes objetivo de esta técnica tras la aplicación de algún algoritmo de reconstrucción de imagen.

En el caso de la técnica SPECT, se detecta directamente la llegada de la radiación gamma emitida por el compuesto. Para obtener información direccional de los rayos gamma detectados en SPECT (líneas de respuesta) , se añade al detector un elemento denominado colimador que discrimina aquellos fotones cuya trayectoria de interacción no cumpla alguna característica definida por el diseño del colimador. Como en el caso de la técnica PET, la información adquirida permite la obtención de las imágenes objetivo de esta técnica tras la aplicación de algún algoritmo de reconstrucción de imagen.

En ambas técnicas, el instrumento empleado para la detección de la radiación gamma comprende normalmente un cristal centellador acoplado a uno o varios elementos fotodetectores, conjunto que recibirá el nombre genérico de “detector” en el presente documento. Cuando un rayo gamma interacciona con el centellador, éste genera fotones de luz que excitan el elemento fotodetector, el cual, a su vez, genera señales pulsadas de corta duración (en el rango de los nanosegundos) . Estas señales indican el instante de ocurrencia de la interacción fotón-detector, la energía depositada por el rayo gamma que los provocó y la posición de interacción del fotón sobre la superficie del detector en detectores sensibles a posición. Dado que la desintegración radioactiva es un proceso aleatorio, el instante de interacción de los fotones y consecuentemente la generación de señales de salida en el detector/es también lo es.

Para la obtención de las imágenes objetivo de estas técnicas, es necesario detectar, digitalizar y transferir a una computadora las señales de salida de los detectores, dado que la información que contienen (energía depositada y posición de interacción) permite generar los datos necesarios para los algoritmos de reconstrucción de imagen. Adicionalmente para aplicaciones PET es crítica la obtención del instante de interacción de cada rayo gamma (con resolución de unos pocos nanosegundos) , dado que este dato permite el agrupamiento de fotones que provengan de una misma desintegración positrónelectrón para la identificación de las líneas de respuesta. A la electrónica capaz de leer las señales

generadas por el/los detectores y proporcionar una medida de las características de las mismas se la denomina sistema de adquisición de datos.

Los sistemas de adquisición de datos de este tipo de máquinas se pueden clasificar en dos grupos fundamentales: aquellos basados en el muestreo continuo de las señales entregadas por el fotodetector y aquellas que utilizan algún circuito de detección de eventos válidos o discriminador (en inglés se suele denominar time pickoff circuit o trigger circuit) para determinar el instante de interacción de los fotones en el detector y disparar como consecuencia la adquisición de las señales asociadas.

El primer grupo de sistemas, básicamente de aplicación en tomógrafos PET, obtiene la información necesaria para la obtención de las imágenes bien mediante el procesado a posteriori de los datos adquiridos en un computador externo, o bien en tiempo real mediante la inclusión de algún tipo de coprocesador como un DSP (Digital Signal Processor) , o alguna combinación de FPGA (Field Programable Gate Array) con DSPs u otro tipo de microprocesadores. Aunque la escalabilidad y potencia de esta aproximación de diseño es clara, su utilización conlleva un alto coste por canal de conversión A-D dado que implica la utilización de frecuencias de muestreo elevadas para proporcionar buena resolución temporal y consecuentemente capacidad suficiente para procesar flujos de datos de varios cientos de Mbps por canal. Las implementaciones pertenecientes a este grupo son más recientes y han sido investigadas por varios autores durante los últimos años. Por ejemplo, se pueden mencionar los siguientes artículos:

- D. P. McElroy, M. Hoose, W. Pimpl, V. Spanoudaki, T. Schüler, and S. I. Ziegler, "A true singles list-mode data acquisition system for a small animal PET scanner with independent cr y stal readout, " Physics in Medicine and Biology, vol. 50, pp. 3323-3335, 2005.

- P. Guerra, J. Espinosa, J. E. Ortuño, G. Kontaxakis, J. J. Vaquero, and M. Desco, "New Embedded Digital Front-End for High Resolution PET Scanner, " IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 53, pp. 770-775, 2006;

- R. Fontaine, F. Bélanger, N. Viscogliosi, H. Semmaoui, M. A. Tétrault, J. B. Michaud, C. Pepin,

J. Cadorette, and R. Lecomte, "The Hardware and Signal Processing Architecture of LabPET™, a Small Animal APD-Based Digital PET Scanner, " IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 56, pp. 3-9, 2009;

Por otro lado, las implementaciones pertenecientes al segundo grupo se caracterizan por utilizar algún tipo o combinación de circuitos analógicos que permiten disparar la adquisición de las señales eléctricas de salida de los fotodetectores únicamente en los momentos en que se detecta un evento válido. Estos circuitos suelen recibir también el nombre de “discriminadores”, ya que además de detectar pueden discriminar en mayor o menor grado entre señales válidas y señales no válidas procedentes del detector. Ejemplos de sistemas implementados usando esta aproximación pueden encontrarse en:

- C. M. Laymon, R. S. Miyaoka, B. K. Park, and T. K. Lewellen, "Simplified FPGA-Based Data Acquisition System for PET", IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 50, pp. 1483-1486, 2003;

- M. S. Judenhofer, B. J. Pichler, and S. R. Cherr y , "Evaluation of high performance data acquisition boards for simultaneous sampling of fast signals from PET detectors", Physics in Medicine and Biology, vol. 50, pp 29-44, 2005;

- J. Proffitt, W. Hammond, S. Majewski, V. Popov, R. R. Raylman, A. G. Weisenberger, and R. Wojcik, "A Flexible High-Rate USB2 Data Acquisition System for PET and SPECT Imaging", IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, vol. 5, pp. 2971-2975, 2005.

Durante muchos años se han diseñado e implementado diferentes técnicas y circuitos orientados a la detección y medida precisa de los tiempos de ocurrencia de las interacciones fotón-detector. Entre ellas la técnica...

1. Procedimiento para la detección y discriminación de eventos válidos en detectores (505, 510) de radiación gamma, caracterizado porque comprende los siguientes pasos:

- obtener un pulso de temporización del detector (505, 510) en el que se detecta un evento;

- comparar el pulso de temporización obtenido con dos umbrales (U1, U2) , y generar dos pulsos digitales

de comparación cuyos flancos de entrada corresponden a los instantes en que el pulso de temporización 10 supera dichos umbrales (U1, U2) ;

- combinar los dos pulsos digitales de comparación generados de modo que se genera un pulso digital de ventana cuya duración (Tpulso) es: Tpulso=TA ± TB

donde TA es un valor fijo y TB es el intervalo de tiempo transcurrido entre los respectivos flancos de entrada de los pulsos digitales de comparación; y

- determinar si el evento es válido en función del pulso digital de ventana obtenido.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 para eventos coincidentes en el tiempo, donde el paso de determinar si un evento es válido comprende determinar si los pulsos digitales de ventana obtenidos para detectores (505, 510) diferentes se solapan en el tiempo: como mínimo un intervalo de tiempo mínimo predeterminado cuando Tpulso=TA – TB; o como máximo un intervalo de tiempo máximo predeterminado cuando Tpulso=TA + TB.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 para eventos únicos, donde el paso de determinar si un evento es válido comprende determinar si la duración del pulso digital de ventana obtenido para un detector (505, 510) tiene: como mínimo una duración mínima predeterminada cuando Tpulso=TA – TB; o como máximo una duración máxima predeterminada cuando Tpulso=TA + TB.

4. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la operación de combinar los dos pulsos digitales de comparación se realiza a través de la implementación de un circuito WMLED (Width Modulated Leading Edge Discriminator) (305, 405) que comprende un flip-flop cuya entrada (D) se mantiene a un nivel lógico constante, donde un primer pulso digital de comparación

está conectado a la entrada ENABLE y un segundo pulso digital de comparación está conectado a través de un bloque de retardo a la entrada CLEAR, siendo la salida (Q) el pulso digital de ventana.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, donde el primer pulso digital de comparación

corresponde al umbral más alto (U1) y el segundo pulso digital de comparación corresponde al umbral 40 más bajo (U2) , obteniéndose un pulso digital de ventana de duración Tpulso=TA - TB.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, donde el primer pulso digital de comparación corresponde al umbral más bajo (U2) y el segundo pulso digital de comparación corresponde al umbral más alto (U1) , obteniéndose un pulso digital de ventana de duración Tpulso=TA + TB.

7. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el circuito WMLED (305, 405) que combina las dos señales digitales de comparación se implementa mediante uno de los siguientes dispositivos: un PLD, un ASIC, una FPGA o cualquier combinación de los mismos.

50 8. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende los pasos de:

- generar, si se ha detectado un evento válido, un pulso digital de disparo;

55. utilizar el pulso de disparo generado para deshabilitar temporalmente el procesado de nuevos eventos en el detector (505, 510) asociado;

- utilizar el pulso de disparo, retrasado en el tiempo un intervalo temporal fijo, para comenzar la adquisición de las correspondientes señales de posición del detector (505, 510) ; y

- digitalizar la señal de posición obtenida.

9. Dispositivo electrónico para la detección de eventos válidos en un detector (505, 510) de radiación gamma, donde dicho detector (505, 510) proporciona un pulso de temporización cuando se detecta un evento, caracterizado porque el dispositivo comprende:

- un primer comparador y un segundo comparador, que comparan el pulso de temporización del detector (505, 510) con dos umbrales (U1, U2) y generan dos pulsos digitales de comparación cuyos flancos de entrada corresponden a los instantes en que el pulso de temporización supera dichos umbrales (U1, U2) ;

- un circuito WMLED (305, 405) que comprende un flip-flop cuya entrada (D) está a un nivel lógico

constante, cuya entrada ENABLE está conectada al primer comparador y cuya entrada CLEAR está conectada a través de un bloque de retardo al segundo comparador, y cuya salida (Q) es un pulso digital de ventana que sirve para determinar si el evento es válido.

10. Dispositivo electrónico de acuerdo con la reivindicación 9, donde el primer comparador 15 corresponde al umbral más alto (U1) , teniendo el pulso digital de ventana una duración de Tpulso=TA - TB

11. Dispositivo electrónico de acuerdo con la reivindicación 9, donde el primer comparador corresponde al umbral más bajo (U2) , teniendo el pulso digital de ventana una duración de Tpulso=TA + TB.

12. Dispositivo electrónico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9-11, donde el circuito WMLED (305, 405) está implementado mediante un PLD, un ASIC, una FPGA o cualquier combinación de los mismos.

13. Dispositivo electrónico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9-12, que además 25 comprende unos contadores de propósito general (540, 545) y un conversor A/D multicanal (541, 546) .

14. Aparato (500) para la detección de eventos válidos en una pluralidad de detectores (505, 510) de radiación gamma que comprende al menos dos dispositivos electrónicos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9-13.

15. Aparato (500) de acuerdo con la reivindicación 14, donde los circuitos WMLED (305, 405) de los al menos dos dispositivos electrónicos están implementados mediante un único PLD, ASIC, FPGA o combinación de los mismos.

OFICINA ESPANOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPANA

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. Ver Hoja Adicional

21 N.O solicitud: 201290029 22 Fecha de presentación de la solicitud: 26.10.2009 32 Fecha de prioridad:

DOCUMENTOS RELEVANTES

27. 283. A 4-7 A w.w MOSES. A method to increase optical timing spectra measurement rates using a multi-hit 4-7, 9-15 TDC. Nuclear Instruments and methods in Physics research, section A. Noviembre 1993, Volumen 336, numerous 1-2, pagina.

25. 261: figura 3. Categoria de los documentos citados x: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoria A: refleja el estado de la tecnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado despues de la fecha de presentación de la solicitud El presente informe ha sido realizado º para todas las reivindicaciones º para las reivindicaciones nO: Fecha de realización del informe 18.09.2012 Examinador J. M. Vazquez Burgos Pagina 1/5

INFORME DEL ESTADO DE LA TECNICA

NO de solicitud: 201290029

CLASIFICACION OBJETO DE LA SOLICITUD G01T1117 (2006.01)

H03K51153 (2006.01) G01R29102 (2006.01) Documentación minima buscada (sistema de clasificación seguido de los simbolos de clasificación)

G01T, H03K, G01R

Bases de datos electrónicas consultadas durante la busqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, terminos de busqueda utilizados) INVENES, EPODOC, wPI, INTERNET

Informe del Estado de la Tecnica Pagina 2/5

OPINION ESCRITA

NO de solicitud: 201290029

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 18.09.2012

Declaración

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y tecnico de la solicitud (Articulo 31.2 Ley 11/1986) .

Base de la Opinión.

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

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OPINION ESCRITA

NO de solicitud: 201290029

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionanlos documentos pertenecientes al estado de la tecnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

27. 283. Agosto 2005 D05 w.w MOSES. A method to increase optical timing spectra measurement rates using a m ulti-hit T DC. N uclear Instruments and m ethods in Physics research, section A. Noviembre 1993, Volumen 336, numeros 1-2, pagina.

25. 261: figura 3. Noviembre 1993

2. Declaración motivada segun los articulos 29. y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/198 , de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

La invención reivindicada presenta un metodo para la detección de eventos validos de un detector de radiación gamma, asi como el dispositivo para la implementación de dicho metodo. Los eventos pueden ocurrir aisladamente o en solape temporal con ot ros. La selección de los mismos se r ealiza a par tir de una se ral i mpulsiva obtenida del detector, m ediante l a traducción de su pendiente (ligada a su vez a la energia del pulso del detector) en la duración de una seral digital, cuyo valor sirve para decidir si el evento se descarta o no. La seral digital se genera con el concurso de un circuito wMLED.

Reivindicación 1

El documento del estado de la tecnica mas próximo al objeto de la reivindicación 1 es D01 y divulga un metodo y un sistema para la adquisición de datos provenientes de la radiación de objetos, basados en el analisis de los pulsos generados por un detector de radiación, a partir de los que se obtiene una seral digital de duración proporcional a la pendiente de los pulsos, que es el parametro que se utiliza para aceptar o descartar el evento.

El documento D01 coincide con la invención reivindicada en que presenta la generación de una seral digital de duración ligada a la pendiente del pulso del detector, asi como en la toma de decisiones sobre la validez del evento a partir del valor de dicha d uración. S in embargo D 01 g enera s olamente un a se ral d igital de dur ación directamente pr oporcional a la pendiente (parrafo 42) , de forma que el descarte de los eventos se realiza en función de si la duración (energia) es menor de un minimo (seral insuficiente) o mayor que un maximo (seral radiactiva diferente de rayos x) . La invención reivindicada va sin embargo mas alla y genera una seral cuya duración es igual a un offset al que se le suma (configuración positiva) o resta (configuración negativa) la duración en si del pulso. Esto es, realiza una manipulación adicional de la seral que modula la duración. Dicho cambio produce un efecto tecnico que no se encuentra en D01, como es permitir una mejor resolución temporal (esto es, representar la energia con serales mas cortas) cuando se resta la duración al offset, lo que facilitala discriminación de eventos coincidentes en el tiempo, o mejorar la resolución (utilizar serales mas largas para eventos de menor energia) , cuando la duración se suma al offset, lo que mejora la detección de eventos de menor energia. Esta modificación no seria evidente para un experto en la materia, ya que no hay información en D01 que pueda dirigir a dicho experto hacia el metodo reivindicado.

Similares consideraciones pueden hacerse con respecto a D02, que presentaun circuito para el examen radiografico, dirigido a descartar impulsos sobre la base de su pendiente y a utilizar los instantes de cruce por los umbrales para calcular con mas precisión el tiempo de inicio del pulso. Lo mismo puede decirse de D03.

Por lo tanto a la luz de D01-D03, la invención objeto de la reivindicación 1 es nueva y presenta actividad inventiva tal como se establece en los articulos 6 y 8 de la Ley de Patentes 1986.

Reivindicaciones 2 a 8

A la vista de las consideraciones expuestas para la reivindicación 1, y teniendo en cuenta el documento D01 como estado de la tecnica mas próximo, cabe concluir tambien que la invención objeto de las reivindicaciones 2 a 8 es nueva y presenta actividad inventiva, tal y como establecen los articulos 6 y 8 de la Ley de patentes de 1986.

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OPINION ESCRITA

NO de solicitud: 201290029

Reivindicación 9

Con respecto al objeto de la reivindicación 9, se considera que el estado de la tecnica mas próximo es el documento D04. En el (figura 1) se muestra un circuito LED (Leading Edge Discriminator) que contiene los dos elementos de dicha reivindicación: un comparador (AD96687) con una tensión de umbral prefijable, y un flip-flop D (MC10131) cuya salida se obtiene mediante la aplicación de la salida del comparador a su entrada ºenableº, al tiempo que se aplica a ºclearº una versión retardada de la salida, realimentada a traves de un ci rcuito RC, con el fin de generar un impulso de longitud fija cuando la seral del comparador adopta el estado adecuado. El documento difiere de la reivindicación en que sólo hay un comparador, ya que una de las dos serales de entrada procede de la salida del biestable, si bien se considera que para un experto en la materia resultaria evidente aplicar estas caracteristicas para obtener un dispositivo como el de la reivindicación 9. En este sentido, el documento D05 (figura 3) constituye un ejemplo del estado de la tecnica con respecto al uso de biestables tipo D en modo asincrono para generar una seral digital delimitada por los flancos de dos entradas diferentes.

Por lo tanto la invención objeto de la reivindicación 9 es nueva y no presenta actividad inventiva tal como se establece en los articulos 6 y 8 de la Ley de Patentes 1986.

1. a 15

Las reivindicaciones 10 y 11 definen la correspondencia entre las dos salidas de los comparadores y las entradas ºenableº y ºclearº del biestable D, lo que se considera que son simplemente posibilidades evidentes que un experto en la materia seleccionaria segun las circunstancias, sin el ejercicio de actividad inventiva.

Las reivindicaciones 12 y 13 hacen referencia al uso de tecnicas muy conocidas, y por lo tanto evidentes para un experto en la materia. El documento D04 contiene referencias explicitas a las de la reivindicación 12, al mencionar circuitos integrados comerciales que las utilizan, lo mismo que el D05, mientras que los documentos D01-D03 hacen lo propio con las de la 13 (dispositivos contadores y conversores analógico-digitales) .

La reivindicación 14 hace mención a una mera multiplicidad de dispositivos como los de las reivindicaciones 9 a 13, sin que de ello se desprenda ningun efecto tecnico nuevo o sorprendente, mientras que sobre la reivindicación 15 se pueden hacer las mismas consideraciones que en el caso de la 12.

Por lo tanto la invención objeto de las reivindicaciones 10 a 15 es nueva y no presenta actividad inventiva tal como se establece en los articulos 6 y 8 de la Ley de Patentes 1986.

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