ES2815376T3 - Procedimientos para radiografía de 2 colores con fuentes de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton - Google Patents

Procedimientos para radiografía de 2 colores con fuentes de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton Download PDF

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Abstract

Un procedimiento, que comprende: proporcionar un haz de rayos X de dispersión generados con láser mediante el efecto Compton (10) con los fotones de mayor energía emitiendo en la dirección hacia adelante; abrir dicho haz de rayos X (10) para crear una primera región del haz en el eje (12) que tiene una energía que es mayor que el borde de absorción de la capa k de un agente de contraste o un material específico dentro de un objeto (50), y una segunda región del haz (14), que tiene una energía que es menor que el borde de absorción de la capa k de dicho agente de contraste o material específico dentro del objeto (50), y donde el haz de rayos X (10) tiene dos regiones espaciales distintas que tienen dos espectros de rayos X distintos, en el que la segunda región del haz (14) rodea a la primera región del haz (12); direccionar dicho haz de rayos X (10) hacia una primera ubicación en un objeto (50); detectar una primera energía de dicha primera región del haz (12) y una segunda energía de dicha segunda región del haz (14) después de que se hayan transmitido porciones de cada una a través de dicha primera ubicación; calcular la diferencia entre dicha primera energía normalizada y dicha segunda energía normalizada; y visualizar dicha diferencia.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimientos para radiografía de 2 colores con fuentes de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton
Declaración respecto al desarrollo o la investigación patrocinada por el Gobierno Federal
El Gobierno de los Estados Unidos tiene derechos en la presente invención de conformidad con el Contrato No. DE-AC52-07NA27344 entre el Departamento de Energía de los Estados Unidos y el proyecto de Seguridad Nacional Lawrence Livermore, LLC, para la operación del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
La presente invención se refiere a la generación de rayos X y rayos gamma mediante dispersión con láser mediante el efecto Compton y, más específicamente, se refiere a la radiología por sustracción que utiliza fuentes de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton.
Descripción de la técnica relacionada
En las técnicas convencionales de formación de imágenes 2D con rayos X/rayos gamma, el paciente u objeto se ilumina con un campo plano de rayos X o rayos gamma y la señal transmitida se registra en una película 2D o en un conjunto de detectores. Las variaciones de la densidad del material dentro del objeto causan variaciones en la transmisión del haz para la radiación penetrante y estas variaciones aparecen como sombras en la película o en un conjunto de detectores. El rango dinámico de esta técnica de formación de imágenes se determina mediante la función de respuesta del sistema detector y mediante el grosor del objeto y la dispersión secundaria de rayos X por el objeto. Además, todas las partes del objeto reciben el mismo flujo de entrada (fotones por unidad de área) y la dosis total que incide sobre el objeto se establece mediante el área del objeto y mediante el flujo requerido para penetrar en la región más densa del objeto, es decir, el flujo requerido para encontrar las estructuras de interés dentro del objeto. En esta modalidad de formación de imágenes, todo el objeto recibe una dosis alta.
Para algunos procedimientos de formación de imágenes en los que el objeto deseado es pequeño o de baja densidad, se inyecta o se ingiere un agente de contraste de número atómico más elevado para proporcionar información específica sobre las estructuras seleccionadas. Por ejemplo, en la angiografía coronaria, el objetivo es obtener imágenes de los vasos sanguíneos y, en particular, localizar áreas de abertura reducida de los vasos sanguíneos o bloqueos. Debido a que la sangre y los vasos sanguíneos son tejidos blandos y de tamaño pequeño, la atenuación total de los rayos X es pequeña en comparación con la matriz de fondo en la que están presentes y, por lo tanto, es difícil, si no imposible, encontrarlos suficientemente en una imagen convencional de rayos X de todo el cuerpo. Para superar este problema, se inyecta en el torrente sanguíneo un material denso generalmente de mayor número atómico que el del material biológico circundante para aumentar la atenuación de los rayos X en las áreas de interés y, al hacerlo, mejorar el contraste. Los agentes de contraste usados en las tareas de formación de imágenes en humanos deben, por supuesto, estar certificados como biológicamente inertes o al menos relativamente inertes. Para la angiografía coronaria, los compuestos que contienen yodo se han usado como agentes de contraste. Se debe señalar que, si bien este procedimiento mejora el contraste y proporciona la información espacial requerida, la dosis recibida por el paciente puede ser muy elevada. Algunos procedimientos de angiografía coronaria pueden exponer al paciente a la dosis permitida de un año completo.
Para aumentar el contraste y/o reducir la dosis requerida para una imagen al nivel de contraste deseado, se ha sugerido y demostrado la formación de imágenes por sustracción de dos colores. En esta modalidad, el paciente se ilumina dos veces con una fuente de rayos X sintonizable, cuasi-monoenergética. En un caso, la fuente de rayos X tiene su energía establecida ligeramente por encima del borde de absorción de la capa k del agente de contraste y en el otro caso se establece ligeramente por debajo. Como se muestra en la figura 1, la sección transversal de absorción para el material de contraste varía drásticamente alrededor de la región de absorción de la capa k, mientras que la sección transversal de absorción para el material circundante puede permanecer relativamente inalterada. Si las dos imágenes se normalizan para tener la misma señal en regiones que no contienen el agente de contraste, entonces una sustracción de las imágenes normalizadas será una imagen cuyo contenido se debe principalmente al agente de contraste.
Si bien los primeros experimentos realizados con luz filtrada a partir de fuentes de rayos X de sincrotrón demostraron que este procedimiento podría aumentar drásticamente el contraste de la imagen y/o reducir la dosis para el paciente, su implementación en entornos clínicos del mundo real ha sido relativamente limitada debido a la falta de fuentes de rayos X cuasi-monoenergéticas, clínicamente compatibles. Las fuentes de sincrotrón son caras (> $ 100 millones), grandes (> 100 m de diámetro) y relativamente poco comunes. Además, la salida de una fuente de sincrotrón es constante y no se puede ajustar rápidamente ni escanearse fácilmente a través del objeto.
También se debe señalar que algunos han intentado usar fuentes de radiación de frenado convencionales para la formación de imágenes con borde k al cambiar la energía del punto final del haz de electrones que incide sobre el ánodo giratorio de modo que los fotones de mayor energía estén por encima o ligeramente por debajo de la absorción del borde k deseada. Sin embargo, en la práctica esto no funciona muy bien, ya que el contenido total de rayos X de una fuente de radiación de frenado se extiende desde la energía del punto final del haz de electrones hasta CC, por lo tanto, la fracción del espectro del haz que está por encima del borde de k es relativamente pequeña en comparación con la producción total de rayos X y la imagen está, por lo tanto, dominada por la absorción de fondo. La dosis para el paciente también es elevada en este modo, ya que proviene principalmente del residuo de baja energía del espectro de la radiación de frenado de la fuente. Hasta cierto punto, este problema puede minimizarse al atenuar el haz con un material con un número atómico bajo que reduzca preferentemente la porción de baja energía del espectro en relación con la porción de alta energía, pero esto, por supuesto, reduce el flujo total de rayos X disponible para la formación de imágenes, aumenta la proporción del contenido de rayos X dispersos y la degradación de la imagen dentro del haz de iluminación de rayos X y requiere un dispositivo de ánodo de corriente más elevada para crear el mismo número de fotones útiles por encima y por debajo del borde K en el objeto.
Tenga en cuenta que el borde de la capa k y no los bordes de absorción de la capa externa, es decir, L y M, se usa generalmente para la formación de imágenes clínicas de dos colores, ya que la energía de rayos X requerida para eliminar un electrón de la capa k generalmente cae en la región de los rayos X de interés de la radiografía clínica, mientras que las absorciones de la capa externa se producen con energías de rayos X más bajas. Sin embargo, se puede implementar el mismo esquema de sustracción de imagen en dos colores, a energías más bajas mediante el uso de los bordes de absorción de la capa externa si el objeto y la fuente son compatibles.
Sumario de la invención
Se describe un nuevo procedimiento para la creación de imágenes de rayos X de sustracción y contraste elevado de un objeto a través de la iluminación escaneada mediante una fuente de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton. La invención utiliza la correlación de ángulo espectral del procedimiento de dispersión por láser mediante el efecto Compton y una abertura y/o detector especialmente diseñado para producir/registrar un haz estrecho de rayos X cuyo contenido espectral consiste en una región en el eje de rayos X de alta energía rodeados por una región de rayos X de energía ligeramente baja. La energía del punto final de la fuente láser con efecto Compton se establece de modo que la región de rayos X de alta energía contenga fotones que estén por encima del borde de absorción de la capa k (borde k) de un agente de contraste específico o material específico dentro del objeto del cual ser van a formar imágenes mientras que la región externa se compone de fotones cuya energía está por debajo del borde k del mismo agente de contraste o material específico. La iluminación del objeto por este haz registrará simultáneamente la respuesta de absorción por encima del borde k y por debajo del eje k del objeto para las regiones iluminadas por las porciones respectivas del haz. Mediante el escaneo del haz o el escaneo del objeto con relación al haz, se puede construir la respuesta espacial completa por encima y por debajo del borde k del objeto. Estas respuestas espaciales cuando se normalizan adecuadamente y se sustraen entre sí crean un mapa que es sensible a la presencia o ausencia del agente de contraste específico o material especial dentro del objeto y, como tal, la imagen de sustracción representa una radiografía de contraste elevado de la presencia del agente de contraste o del material especial dentro del objeto.
La técnica puede usarse para una variedad de tareas de formación de imágenes de rayos X para aumentar el contraste de la imagen en una dosis fija de rayos X al objeto o para reducir la dosis de rayos X requerida para obtener una imagen de rayos X de un contraste deseado. De particular interés es que este procedimiento obtiene los mapas tanto por encima como por debajo del borde k del objeto sin la necesidad de ningún ajuste de la energía del punto final de la fuente de rayos X o cualquier filtrado de haz completo de la fuente de rayos X y puede hacerse sin iluminar el objeto con rayos X de baja energía y no penetrantes, que normalmente están presentes en las fuentes de rayos X convencionales de ánodos rotativos. Las posibles aplicaciones incluyen, entre otras, la angiografía coronaria en la que la sangre se mezcla con yodo como agente de contraste y se usa para proporcionar una imagen de bloqueos arteriales o mamografías de baja dosis en las que se inyecta el seno con un agente de contraste a base de gadolinio y se usa para obtener imágenes de la vascularización asociada con material precanceroso. En ambos casos, las imágenes de rayos X de sustracción de los agentes de contraste pueden proporcionar información vital y hacerlo con una calidad de imagen equivalente o superior y/o una dosis significativamente menor que la radiografía de rayos X convencional.
La invención tiene una amplia variedad de usos que incluyen formación de imágenes de rayos X de contraste elevado, formación de imágenes de rayos X médicas, por ejemplo, angiografía y mamografía, formación de imágenes de rayos X por sustracción de especies atómicas específicas en un objeto o paciente y evaluación no destructiva de partes con componentes múltiples con rayos X, por ejemplo, radiografía específica de elementos de chips de computadoras y componentes.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos, los cuales se incorporan a y forman parte de la divulgación, ilustran realizaciones de la invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención.
La figura 1 muestra el coeficiente de absorción del borde k contra la energía para varios elementos.
La figura 2A muestra un espectro de ancho de banda ancho y abierto con holgura para un haz de una fuente de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton abierta.
La figura 2B muestra un espectro de banda estrecha de alta energía en el eje para un haz de una fuente de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton abierta.
La figura 2C muestra un espectro de menor energía y banda estrecha que rodea un espectro en el eje para un haz de una fuente de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton abierta.
La figura 2D muestra los espectros de correlación de ángulo de los haces de abertura de las figuras 2A-2C La figura 3A muestra una configuración para la formación de imágenes de una fuente de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton por encima del borde k.
La figura 3B muestra una configuración para la formación de imágenes de una fuente de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton por debajo del borde k.
La figura 4A ilustra una realización de una modalidad de dos píxeles de la presente invención.
La figura 4B ilustra una realización de un detector de dos píxeles para su uso con la modalidad de dos píxeles de la figura 4A.
La figura 5A ilustra una realización de modalidad "multi píxel" de la presente invención.
La figura 5B ilustra un detector para su uso con la realización de la figura 5A donde el detector consiste en un conjunto de píxeles 2D que subtiende tanto la porción de alta energía como la de baja energía del haz.
La figura 6A ilustra una realización de una modalidad de "dimensión espacial igual" de la presente invención donde el haz se pasa a través de una ranura, de modo que las dimensiones horizontales o verticales de las porciones del haz sean iguales.
La figura 6B ilustra un detector para su uso con la realización de la figura 6A. La figura 7A ilustra una realización de una modalidad de "haz anular discontinuo" de la presente invención.
La figura 7A ilustra una realización de una modalidad de "haz anular discontinuo" de la presente invención donde el haz es una serie de aberturas/bloqueos de haz que producen haces anulares distintos con contenido de rayos X de alta y baja energía.
La figura 7B ilustra un detector para su uso con la realización de la figura 7A.
La figura 7C muestra una vista ampliada del bloqueo de haz anular 90 ubicado en el haz de rayos X.
La figura 8A muestra una modalidad de "detector desplazado" de acuerdo con la presente invención.
Las figuras 8B-D muestran varias posiciones de un detector en el haz de la realización de la figura 8A.
Las figuras 9Ay 9B muestran una modalidad de "abertura desplazada" de acuerdo con la presente invención. Descripción detallada de la invención
En la presente invención, el procedimiento de dispersión por láser mediante el efecto Compton se usa para crear un haz de rayos X que consiste en dos regiones espaciales distintas con dos espectros de rayos X distintos; una región en el eje tiene fotones de mayor energía y otra región que lo rodea tiene fotones de menor energía. Este haz se usa luego en una modalidad de formación de imágenes de escaneo para producir una imagen de rayos X de sustracción de 2 colores de un objeto. Para ajustes apropiados de la energía del haz de rayos X generados con láser mediante el efecto Compton, esta imagen de sustracción será altamente sensible sólo a la presencia de materiales específicos dentro del objeto radiografiado. Esta imagen de contraste elevado y baja dosis se obtiene sin ajustar la energía del punto final de la fuente de rayos X generados con láser mediante el efecto Compton, es decir, sin sintonizar la fuente de rayos X.
La dispersión de láser mediante el efecto Compton (a veces también conocida como dispersión inversa de Compton) es el procedimiento en el que un pulso de láser energético se dispersa de un grupo de electrones relativistas de corta duración. Este procedimiento ha sido reconocido como un procedimiento conveniente para la producción de explosiones de corta duración de radiación cuasi-monoenergética de rayos X y rayos gamma. Al interactuar con los electrones, la luz láser incidente induce un movimiento transversal de los electrones dentro del grupo. La radiación que se origina de este movimiento cuando se observa en el marco de descanso del laboratorio parece ser un haz de fotones de alta energía dirigido hacia adelante y no desplazable de acuerdo al efecto Doppler. Para las colisiones frontales, el espectro completo de la fuente láser con efecto Compton se extiende desde CC hasta 4gamma veces cuadradas la energía del láser incidente, donde Gamma es la energía normalizada del haz de electrones, es decir, gamma = 1 cuando la energía del Electrón = 511 keV. La energía del punto final de la fuente láser con efecto Compton se puede sintonizar al cambiar la energía del grupo de electrones y/o la energía de los fotones del láser. Este procedimiento ha producido haces de radiación de alta energía que varían desde unos pocos keV a más de un MeV y se han usado para una amplia gama de aplicaciones.
El espectro de la luz de Compton irradiada está altamente correlacionado con el ángulo con respecto a la dirección de propagación del haz de electrones con los fotones de mayor energía emitidos sólo en la dirección hacia adelante. Ver la figura 2. Con una abertura diseñada de manera apropiada colocada en la trayectoria del haz láser con efecto Compton, se puede crear fácilmente un haz de rayos X o rayos gamma cuasi monoenergético cuyo ancho de banda (DE/E) es típicamente del 10 % o menos.
Las fuentes de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton también están altamente colimadas, especialmente en comparación con las fuentes de radiación de frenado convencionales de rayos X o rayos gamma con ánodo rotativo. El ángulo del cono para la emisión del espectro de ancho de banda medio de una fuente láser con efecto Compton es aproximadamente 1 radián en gamma o del orden de los milirradianes y el ángulo del cono para el ancho de banda más estrecho, la porción en el eje del espectro puede ser del orden de las décimas de microrradianes. Las fuentes típicas de ánodos rotativos tienen divergencias de haz de ~ 0,5 radianes. Este grado elevado de colimación hace que las fuentes de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton sean ideales para las modalidades de formación de imágenes píxel por píxel.
Además, la salida de una fuente de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton depende de la presencia simultánea de fotones y electrones del láser en el punto de colisión (el punto de interacción). La eliminación de cualquiera de ellos elimina por completo la salida de la fuente, por lo tanto, facilita que se encienda o se apague rápidamente la salida de rayos X o rayos gamma.
Como se ilustra en las figuras 2A-2D, la presente invención utiliza dos regiones de la salida espectral correlacionada con el ángulo de un haz de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton; la porción en el eje del haz que contiene los fotones de mayor energía y la región inmediatamente alrededor de esta porción del haz que contiene fotones de menor energía. La extensión de la región circundante, el contenido espectral de la región circundante y el número total de fotones en la región circundante en relación con la porción en el eje del haz pueden establecerse fácilmente pasando todo el haz a través de una abertura y/o bloqueos de haz de tamaño fijo. Al operar la fuente de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton con energía de pulso láser fija y carga fija de grupo de electrones, la salida total de la fuente de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton, así como la proporción de fotones de rayos X totales en las dos regiones de interés se puede mantener fija y constante.
Específicamente, la figura 2A muestra una vista lateral en sección transversal de un haz de salida divergente 10 de una fuente de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton. La sección transversal se toma en el plano de la página a través del centro del haz 10. En las siguientes discusiones, el término "eje" se refiere al eje óptico central sobre el cual se propaga el haz 10. La energía del haz 10 es más elevada en la región central del eje 12 y cae con la distancia radial del haz con relación al eje central. Por lo tanto, la región 14 tiene menos energía que la región 12 y la región 16 tiene menos energía que la región 14. Aunque las regiones se muestran en las figuras 2A, 2B y 2C como que tienen distintas líneas de separación entre sí, en realidad, hay de forma continua un cambio de energía desde el haz más energético en el mismo centro hasta la energía más baja en el radio exterior. La figura incluye una vista en sección transversal de una abertura circular 20. En la figura 2A, la abertura 20 tiene un diámetro de abertura que permite que pasen las regiones 12 y 14 y que bloquea una gran porción de la región 16, aunque se deja pasar una pequeña porción. El área bajo la curva 40 de la figura 2D es el espectro de luz de ancho de banda ancho y abertura holgada (energía de rayos X) de la combinación de energías de las porciones de las regiones de haz 12, 14 y 16. La figura 2B ilustra el uso de una abertura de diámetro estrecho 22. El área bajo la curva 42 de la figura 2D representa el espectro de banda estrecha de alta energía en el eje de sólo la región del haz 12. La figura 2C ilustra el uso de una abertura 24 que tiene un diámetro que permite el paso de las regiones de haz 12 y 14 pero no la región 16. Un bloqueo de haz 26 está posicionado para bloquear la región de haz 12 y, por lo tanto, sólo la región 14 puede propagarse hacia un objetivo. Tenga en cuenta que el haz 14 se muestra en una vista lateral y, por lo tanto, el haz es realmente circular con un área central que no tiene energía porque la región del haz 12 ha sido bloqueada por la abertura 26. Por lo tanto, el área bajo la curva 44 de la figura 2D representa el espectro de banda estrecha y baja energía de sólo la región del haz 14. Tenga en cuenta que muchas de las realizaciones ilustrativas que se describen en la presente memoria utilizan aberturas circulares, pero la invención no se limita a una forma de abertura particular. El espectro que se transmite de manera exacta dependerá de la forma y el tamaño de la abertura y/o el bloqueo del haz y la polarización del láser.
Para producir una imagen de rayos X de sustracción de 2 colores, el haz de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton de divergencia estrecha se escanea a través del objeto o se escanea el objeto por trama con relación a un haz fijo o una combinación de escaneo del haz y el objeto. Con fines ilustrativos (ver las figuras 3A y 3B), se supone que el haz es fijo y se propaga en la dirección z y que el objeto se escanea por trama en el plano x-y. El objetivo de una imagen de sustracción de 2 colores es detectar, dentro de este objeto, la presencia de un material atómico específico que se produce de forma natural o se ha agregado artificialmente como un agente de contraste. La energía del haz para la fuente láser con efecto Compton se elige de modo que los fotones del haz de rayos X de alta energía en el eje estén por encima del borde de absorción de la capa k del material atómico/agente de contraste y que los fotones del haz de rayos X de baja energía, circundantes exteriores estén por debajo del umbral de absorción de la capa k. Para cada ubicación en el escáner, el haz de rayos X transmitido incide sobre un detector electrónico sensible a los rayos X que está alineado con el haz de rayos X y se mantiene fijo en el espacio con respecto al haz de rayos X. El detector registra por separado el número de fotones balísticos que inciden sobre él desde las porciones internas y externas del haz de rayos X. Después de escanear completamente el objeto, tanto las porciones internas como las externas del haz habrán expuesto cada una la extensión bidimensional completa del objeto. El registro mediante el detector del número de fotones de rayos X en función de la posición de la porción interna del haz representa la atenuación por el objeto de los fotones por encima del borde k del agente de contraste, mientras que el registro mediante el detector del número de fotones de rayos X para la porción externa del haz representa la atenuación por el objeto de los fotones que se encuentran por debajo del borde k del agente de contraste. Para los materiales dentro del objeto que están compuestos de átomos que son diferentes del átomo absorbente del agente de contraste, la atenuación relativa de los fotones contenidos en las dos regiones del haz de rayos X es básicamente idéntica. Por lo tanto, una sustracción numérica adecuadamente normalizada de las dos imágenes obtenidas mediante el escáner será en primer lugar cero en todas partes excepto donde esté presente el agente de contraste. Esta técnica proporciona una modalidad altamente sensible y de dosis baja para la formación de imágenes de agentes de contraste o materiales atómicos específicos dentro de un objeto, con la condición de que difieran significativamente en el peso atómico a partir de la matriz global del objeto.
Más específicamente, la figura 3A muestra la región de haz 12 proporcionada por el sistema de la figura 2B. La fuente de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton está configurada de modo que la región del haz 12 tenga una energía que esté por encima del borde k de un material de interés en el objeto 50. Tenga en cuenta que un objeto de ejemplo 50 puede ser tejido humano, pero, por supuesto, se puede colocar otro objeto en el haz. La región del haz 12 se propaga en la dirección z a través del objeto 50 y sobre un detector de rayos X 52. Tales detectores se conocen en la técnica. De nuevo, la figura representa el objeto como una persona. En tales casos, la persona puede ingerir o inyectarse un agente de contraste que contenga el material de interés. La persona o el objeto pueden escanearse por trama en el plano x-y para recoger y obtener una imagen de los fotones de rayos X por encima del borde k que no son absorbidos por el agente de contraste. La figura 3B muestra el haz 14 tal como lo proporciona el sistema de la figura 2C. En este caso, sólo se permite que la región del haz 14 se propague a través del objeto 50 y sobre el detector de rayos X 52. La persona o el objeto pueden escanearse por trama en el plano x-y para recoger y obtener una imagen de los fotones por debajo del borde k que pasan a través del objeto. Como se discute en la presente memoria, una sustracción numérica adecuadamente normalizada de las dos imágenes obtenidas mediante los escáneres será en primer lugar cero en todas partes excepto donde esté presente el agente de contraste.
Un ejemplo específico es la angiografía en la que se inyecta un agente de contraste que contiene yodo en el torrente sanguíneo. El yodo tiene número atómico 53 y tiene una energía de absorción del borde k de 33,2 keV. El tejido circundante generalmente está compuesto de átomos de menor peso atómico, por ejemplo, carbono, oxígeno, hidrógeno, etc. Estos átomos no varían significativamente en su atenuación en o alrededor del borde K de 33,2 keV del yodo. Por lo tanto, una imagen de sustracción de 2 colores con un haz de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton sintonizado con el borde k del yodo producirá un mapa de contraste elevado de la ubicación del yodo y, en consecuencia, una imagen de contraste elevado de los vasos sanguíneos que contienen el yodo.
Las siguientes son algunas variaciones ilustrativas de formación de imágenes de sustracción de dos colores con fuentes de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton. La invención no se limita a estos ejemplos.
1. La figura 4A ilustra una realización de una modalidad de dos píxeles de la presente invención. La figura 4B ilustra una realización de un detector de dos píxeles para su uso con la modalidad de dos píxeles de la figura 4A. En esta ejemplificación, el detector contiene sólo dos regiones de detección; una que subtiende la región del haz de alta energía en el eje (región del haz 12) y una que subtiende la región del haz de baja energía circundante deseada (región del haz 14). Tal detector puede construirse mediante las mismas técnicas de micro fabricación usadas para crear diodos de rayos X de silicio. Alternativamente, se puede usar un detector 2D como un CCD de rayos X si los píxeles del detector están agrupados en dos grupos asociados con las dos regiones. La ventaja de esta modalidad es la simplicidad potencial del detector y la reducción de datos. Sin embargo, la resolución espacial de la imagen estará limitada a la extensión espacial del haz en las dos regiones. La figura 4A incluye un tubo Z alto (70) entre el objeto 50 y el detector de rayos X de dos píxeles 56. El tubo Z alto (70) se hace coincidir con el diámetro del haz para evitar que los rayos X dispersos lleguen al detector 54. La figura 4B muestra la cara del detector de rayos X de dos píxeles 54. El área de píxeles redondos internos 64 registra los fotones "por encima" del borde k y la región de píxel anular exterior 66 registra los fotones "por debajo" del borde k.
2. La figura 5A ilustra una realización de modalidad "multi píxel" de la presente invención. La figura 5B ilustra la cara de un detector ilustrativo usado con la realización de la figura 5A donde el detector consiste en un conjunto de píxeles 2D que subtiende tanto la porción de alta energía como la de baja energía del haz. Los elementos de la figura 5A son idénticos a los de la figura 4A, y dichos elementos están numerados de manera idéntica, excepto que esta realización usa el conjunto de detectores de rayos X 2D 56. En esta ejemplificación el detector es un detector 2D de alta resolución, como (pero no se limita a) un detector CCD de rayos X 2D. La resolución espacial de la imagen estará determinada por el espaciado de los elementos CCD y el tamaño de la fuente de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton. El registro numérico y la sustracción de la imagen requerirán más cálculos que la variación 1 anterior. En las realizaciones que utilizan un tipo de conjunto de detector, sólo los píxeles que se encuentran completamente dentro de la región de alta energía se usan para calcular el nivel de energía de esa región. Lo mismo es cierto para la región de baja energía. Sólo los píxeles que están completamente dentro del área del conjunto que detecta la región del haz de menor energía se usan para calcular el menor nivel de energía del haz. Los píxeles que no se encuentran completamente dentro de la región del haz respectivo se descartan en el cálculo. La figura 5B muestra la cara del conjunto de detectores. El área interna de píxeles 74 registra los fotones "por encima" del borde k y la región externa de píxeles 76 registra los fotones "por debajo" del borde k.
3. En una realización que utiliza una modalidad de igual área, el área de las dos regiones de rayos X se establece para que sea la misma. Esto se logra mediante aberturas colocadas en el haz para limitar la extensión del haz exterior circundante o al limitar la extensión del detector subtendido por la región exterior del haz, de modo que el área iluminada por esta porción del haz sea igual al área iluminada por la porción interna del haz. Este modo reduce el gasto computacional asociado con la reconstrucción de la imagen y asegura que una porción del haz no muestree el objeto más que la otra.
4. En una realización que utiliza una modalidad de igual flujo, el tamaño de la región circundante se establece de modo que el número total de fotones contenidos en esta región sea igual al de la región en el eje. Las imágenes registradas por las dos regiones se normalizan de manera natural y, por lo tanto, simplifica la reconstrucción de la imagen.
5. La figura 6A ilustra una realización de una modalidad de "dimensión espacial igual" de la presente invención donde el haz se pasa a través de una ranura, de modo que las dimensiones horizontales o verticales de las porciones del haz sean iguales. La figura 6B ilustra un detector 56 para su uso con la realización de la figura 6A. Los elementos idénticos a los de la figura 5A están idénticamente numerados. En esta ejemplificación, todo el haz se pasa a través de una abertura de ranura 80, de modo que la región circundante está limitada en la dimensión horizontal o vertical para tener el mismo ancho que la región de rayos X de alta energía en el eje. Esto simplifica el algoritmo de escaneo y recuperación de datos. La figura 6B muestra la cara del conjunto de detectores. El área interna de píxeles 84 registra los fotones "por encima" del borde k y la región externa de píxeles 86 registra los fotones "por debajo" del borde k.
6. La figura 7A ilustra una realización de una modalidad de "haz anular discontinuo" de la presente invención. Los elementos idénticos a la realización de la figura 5A están idénticamente numerados. Se coloca una abertura anular 90 de manera que esta produce un área 92 sin fotones entre la región del haz 12' y la región del haz 14'. La figura 7B ilustra la cara de un detector para su uso con la realización de la figura 7A. El perfil del haz de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton para la luz láser lineal polarizada tiene forma ovalada. En esta modalidad se coloca un oscurecimiento anular redondo en el haz para crear las dos regiones espectrales distintas del haz. Este es el procedimiento más simple para crear físicamente las áreas separadas del haz.
7. La figura 8A muestra una modalidad de "detector desplazado" de acuerdo con la presente invención. Los elementos idénticos a la realización de la figura 5A están idénticamente numerados. Las figuras 8B-D muestran varias posiciones de un detector en el haz de la realización de la figura 8A. En esta ejemplificación, un detector de un solo píxel 58 que consiste en un diodo de rayos X y de una abertura/tubo de colimación subtiende un área igual a la porción de alta energía del haz de rayos X. Con el haz de rayos X sostenido de manera fija, el detector se desplaza en el plano transversal a la dirección de propagación del láser, de modo que intercepte alternativamente la porción de baja energía y la porción de alta energía del haz. La figura 8B muestra el detector 58 en la posición de "arriba", de modo que intercepta sólo los fotones "por debajo" del borde k 14. La figura 8C muestra el detector en la posición "media", de modo que intercepta sólo los fotones "por encima" del borde k 12. La figura 8D muestra el detector en la posición de "abajo", de modo que intercepta sólo los fotones "por debajo" del borde k 14. Esta modalidad permite el uso de los detectores más rápidos, más simples posibles y/o menos costosos para construir una imagen de rayos X. Sin embargo, aumenta la dosis percibida por el objeto en un factor de 2.
8. Las figuras 9A y 9B muestran una modalidad de "abertura desplazada" de acuerdo con la presente invención. Los elementos idénticos a la realización de la figura 5A están idénticamente numerados. En esta ejemplificación, se usa un detector fijo 60 que subtiende el área completa de ambas regiones del haz 12 y 14. Después del punto de interacción láser-electrón que produce el haz de rayos X y antes del objeto, se coloca una abertura móvil o bloqueo de haz 110 en el haz. La función de esta abertura es bloquear de manera alterna la porción de alta energía en el eje del haz y la porción de baja energía circundante del haz en sincronismo con la salida de pulso de la fuente de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton. La figura 9A muestra la abertura 110 en la posición "media", de modo que sólo pasa la región del haz 12 que consiste en rayos X de alta energía. La figura 9B muestra la abertura 110 en la posición de "arriba", de modo que sólo pasa la región del haz 14 que consiste en rayos X de baja energía. Este bloqueo de haz alterno podría construirse de varias maneras. Por ejemplo, al colocar un material con número atómico alto de la forma apropiada en un disco con número atómico bajo y girar el disco en el haz a una velocidad que coloque la abertura de modo que la porción de haz deseada se bloquee y se permita que la porción de haz deseada transmita. Esta modalidad registra alternativamente la atenuación del objeto por encima del borde k y por debajo del borde k. Esta modalidad permite el uso de detectores rápidos, simples y/o baratos para construir una imagen de rayos X y no expone el objeto a ninguna dosis más alta que la de las ejemplificaciones de la 1 a la 6 anteriores. Sin embargo, lleva 2 veces más tiempo acumular una imagen con esta modalidad. Se debe señalar que tanto la modalidad del detector desplazado como la de abertura desplazada podrían combinarse y permitiría el uso de un detector de rayos X de área más pequeña. En principio, el tubo de reducción de dispersión 70 que se muestra en esta divulgación también podría ser desplazado en sincronismo con la abertura y/o detector y al hacerlo permitiría un diámetro de tubo más pequeño y una mayor discriminación de fotones de rayos X dispersos no deseados que emergen de la superficie posterior del objeto del cual se forman imágenes.
9. Una realización de la invención se denomina modalidad de doble anillo. En esta ejemplificación no se usa la porción en el eje del haz, sino que se seleccionan dos porciones anulares del haz. Como la energía del contenido espectral del haz disminuye en función del ángulo, es posible seleccionar un anillo interno que contenga fotones de mayor energía que el anillo externo. Como se describió anteriormente, estos dos anillos pueden usarse para construir una imagen de sustracción de 2 colores. No hay ninguna ventaja intrínseca en esta modalidad, excepto que los dos haces tienen factores de forma similares. En esta realización, aunque el anillo interno no está centrado en el eje óptico del haz de rayos X, la fuente de alimentación puede elevarse, de modo que el anillo interno tenga un nivel de energía que esté por encima del borde k de un material de interés.
10. En otro ejemplo que no es una realización de la invención, no se usa ninguna abertura para restringir la extensión del haz láser con efecto Compton y el haz completo incide sobre el objeto del cual se van a formar imágenes. Al eliminar el objeto de la trayectoria del haz, se puede obtener el perfil del haz completo láser con efecto Compton en el detector 2D aguas abajo. La ubicación de los píxeles en este detector estará correlacionada con un rango específico de energías de fotones de rayos X y luego se puede usar como se describió anteriormente para producir una radiografía de sustracción de 2 colores. Esta modalidad es adecuada para aplicaciones en las que la fuente láser con efecto Compton se escanea a través del objeto y para las cuales sería poco práctica una abertura móvil para limitar la extensión del haz externo.
11. En otra modalidad, se usa un detector con intervalo de tiempo para registrar los fotones balísticos por encima y por debajo de los fotones del borde k que llegan al detector y para discriminar cualquier fotón dispersado por el objeto bajo investigación que también podría llegar a la ubicación del detector. El intervalo de tiempo del detector debe ser del orden de duración del pulso de rayos X generados por láser mediante el efecto Compton, es decir, de unas pocas décimas de picosegundos. El intervalo de tiempo debe estar sincronizado con el pulso de rayos X. Esta modalidad no sólo permite un mayor contraste para una dosis fija al eliminar de la imagen los fotones de rayos X de fondo dispersos, sino que también mejora la imagen sustraída al asegurar que sólo los fotones balísticos de la energía correcta estén presentes en las imágenes respectivas por encima y por debajo del borde k. Esta modalidad se puede lograr con un detector 2D de intervalos o un detector de un solo píxel de intervalos.
La descripción anterior de la invención se ha presentado para propósitos de ilustración y descripción, y no está destinada a ser exhaustiva o a limitar la invención a la forma precisa divulgada. Muchas variaciones y modificaciones son posibles en vista de las enseñanzas anteriores. Las realizaciones divulgadas tenían el propósito de solo explicar los principios de la invención y sus aplicaciones prácticas para, de ese modo, permitir a otros expertos en la técnica utilizar mejor la invención en varias realizaciones y con varias modificaciones adecuadas al uso particular contemplado. El ámbito de la invención se va a definir mediante las siguientes reivindicaciones.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento, que comprende:
proporcionar un haz de rayos X de dispersión generados con láser mediante el efecto Compton (10) con los fotones de mayor energía emitiendo en la dirección hacia adelante;
abrir dicho haz de rayos X (10) para crear una primera región del haz en el eje (12) que tiene una energía que es mayor que el borde de absorción de la capa k de un agente de contraste o un material específico dentro de un objeto (50), y una segunda región del haz (14), que tiene una energía que es menor que el borde de absorción de la capa k de dicho agente de contraste o material específico dentro del objeto (50), y donde el haz de rayos X (10) tiene dos regiones espaciales distintas que tienen dos espectros de rayos X distintos, en el que la segunda región del haz (14) rodea a la primera región del haz (12);
direccionar dicho haz de rayos X (10) hacia una primera ubicación en un objeto (50);
detectar una primera energía de dicha primera región del haz (12) y una segunda energía de dicha segunda región del haz (14) después de que se hayan transmitido porciones de cada una a través de dicha primera ubicación;
calcular la diferencia entre dicha primera energía normalizada y dicha segunda energía normalizada; y visualizar dicha diferencia.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la etapa de visualizar dicha diferencia comprende visualizar dicha diferencia ya sea como datos o como imagen.
3. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende además la repetición de las etapas de la reivindicación 1 una pluralidad de veces en diferentes ubicaciones.
4. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende además la repetición de las etapas de la reivindicación 1 una pluralidad de veces rastreando las ubicaciones relativas entre sí de dicho objeto (50) y dicho haz de rayos X (10).
5. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicho haz de rayos X (10) se abre entre dicha fuente y dicho objeto (50), de modo que sólo dicha primera región del haz (12) y dicha segunda región del haz (14) de dicho haz de rayos X (10) se propaguen sobre dicho objeto (50).
6. El procedimiento de la reivindicación 5, en el que sólo una de dicha primera región del haz (12) o dicha segunda región del haz (14) puede propagarse sobre dicha ubicación a la vez, y luego la otra de dicha primera región de haz (12) o dicha segunda región del haz (14) puede propagarse sobre dicha ubicación.
7. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende además eliminar, con un tubo Z alto (70), al menos una porción de los rayos X que han sido dispersados por dicho objeto (50) de ser detectados.
8. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la etapa de detección se lleva a cabo con un detector de rayos X que tiene una región interna para detectar dicha primera energía y una región externa para detectar dicha segunda energía.
9. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la etapa de detección se lleva a cabo con un conjunto de detectores de rayos X 2D.
10. Un aparato para escanear un objeto (50) que tiene un agente de contraste o un material específico, que comprende:
una fuente para proporcionar un haz de rayos X de dispersión generados con láser mediante el efecto Compton (10) con los fotones de mayor energía emitiendo en la dirección hacia adelante;
una abertura (20) para recibir el haz de rayos X (10) y crear una primera región del haz en el eje (12) que tiene una energía que es mayor que el borde de absorción de la capa k del agente de contraste o el material específico dentro del objeto (50) y en el que dicho haz de rayos X incluye además una segunda región del haz (14) que tiene una energía que es menor que el borde de absorción de la capa k de dicho agente de contraste o un material específico dentro del objeto (50), y donde dicho haz de rayos X (10), por lo tanto, tiene dos regiones espaciales distintas que tienen dos espectros de rayos X distintos, en el que la segunda región del haz rodea a la primera región del haz (12);
un detector (52) configurado para detectar una primera energía de dicha primera región del haz (12) y una segunda energía de dicha segunda región del haz (14) después de que se hayan transmitido porciones de cada una a través de una primera ubicación del objeto (50);
un procesador configurado para calcular la diferencia entre dicha primera energía normalizada y dicha segunda energía normalizada; y
un dispositivo de visualización configurado para visualizar dicha diferencia.
11. El aparato de la reivindicación 10, que comprende además una primera abertura ubicada entre dicha fuente y dicho objeto (50), en el que dicha abertura está configurada para permitir sólo que dicha primera región del haz (12) y dicha segunda región del haz (14) se propaguen sobre dicho objeto (50).
12. El aparato de la reivindicación 11, en el que sólo una de dicha primera región del haz (12) o dicha segunda región del haz (14) puede propagarse sobre dicha ubicación a la vez, y luego la otra de dicha primera región del haz (12) o dicha segunda región del haz (14) puede propagarse sobre dicha ubicación.
13. El aparato de la reivindicación 10, que comprende además un tubo Z alto (70) colocado entre dicho objeto (50) y dicho detector (52), en el que dicho tubo Z alto (70) está configurado para eliminar al menos una porción de rayos X que han sido dispersados por dicho objeto (50) de ser detectados.
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