RS56203B1 - Stabilizovani, dugotrajni, nejestivi, spreman za punjenje omot od kolagena i postupak njegove proizvodnje - Google Patents

Description

Nova scintilaciona kamera opš( c namene

a) Oblast tehnike na koju se pronalazak odnosi

Nuklearne tehnike i nauke u medicini. Nuklearna medicina.

Oznaka po Medjunarodnoj klasifikaciji patenata: BI

b) Tehnički problem

Tehnički problem odnosi se na konstrukciju novog tipa vizualizacionog detektora

inkorporiranog u sistem "scintilacione kamere opšte namene - SKON" za dijagnostiku u nuklearnoj medicini, tj. takvog detektora koji u sistemu SKON može da služi kako za planarna, tako i za tomografska SPECT i PET ispitivanja. Novo predloženi tip "SKON detektora" bio bi u prednosti nad niže, u stanju tehnike, navedenim rešenjima koja se odnose na "koincidentne scintilacione kamere opšte namene" i na naše prethodno rešenje sa slojevitim SK detektorom opšte namene inkorporiranim u sistem koincidentnih scintilacionih kamera.

c) Stanje tehnike.

U nuklearnoj medicini vizualizaciona ("imaging") dijagnostika obuhvata planarna, kao i

tomografska ispitivanja SPECT (single photon emission computcd tomographv) i PET (positron emission tomographv) tipa. Planarna i SPECT ispitivanja u kojima se koriste radioizotopi sa emisijom jednog gama fotona (monofotonski emiteri) obavljaju se scintilacionim kamerama ( SK), dok se PET ispitivanja u kojima sc koriste radioizotopi sa pozitronskom emisijom (pozitronski emiteri) koji u efektu imaju dva g ama fotona (emilovana u suprotnim pravcima u odnosu jedan na drugi), obavljaju PET skenerima. Energija najčešće korišćenog monofotonskog emitera, tehnecijuma 99m-Tc, inače najčešće korišćenog radioizotopa u nuklearnoj medicini uopšte, iznosi 140 KeV (kilo elektron volti), dok energija svakog od dva pozitronska gama fotona iznosi po 51 1 KeV. Prirodno je stoga da se Scintilacione kamere i PET skeneri u konslrukcionom pogledu veoma razlikuju. Detektor SK ima veliki ravan scintilacioni kristal natrijum jodida - Nal(TI), pravougaonog oblika dimenzija oko 50 x 38 cm i debljine 9,5 mm, iznad koga je rasporedjen "buket" odredjenog broja fotomultiplikatorskih cevi (photomulliplying tube - PMT) čija je funkcija da odredi 2D lokaciju apsorpcije gama fotona u kristalu. Da bi 2D lokacija odgovarala poziciji emisije gama fotona u organu, fotoni su na putu iz snimanog organa prethodno prošli kroz paralelne otvore olovnog kolimatora postavljenog ispod kristala, tj., izmedju organa i kristala. Ovakvi detektori se stoga nazivaju poziciono osetljivim (PO). Bitna povoljna osobina Nal(Tl) je da od svih do sada poznatih scintilacionih kristala emituje najveći broj svetlosnih fotona po jedinici energije upadnog gama fotona i stoga je isti neophodan u konstrukciji SK detektora. Statička pozicija ovakvog detektora u toku snimanja služi za dobijanje planarnog snimka odredjenog organa. Medjutim, ukoliko se ovakav detektor mehaničkim sistemom načini obrtnim oko objekta - pacijenta, iz serije planarnih snimaka u luku od ! 80° do 360° dobija se

kompjuterskom rekonstrukcijom snimak tomografskog preseka, tj. SPECT snimak odredjenog organa pomoću monofotonskog cmitera.

Nepovoljna osobina Nal(Tl) kristala je njegova relativno mala gustina (3,67 g/cm<3>) i stoga je nedovoljno efikasan za detekciju jakih energija pozitronskih gama fotona. PETskcncristoga koriste scintilacione kristale znatno veće gustine, kakvi su najčešće bizmut germanat (BGO)

(7,13 g/cm<3>) ili lutecijum oksi orto silikat (LSO) (7,40 g/cm<3>). Ovi kristali imaju, medjutim, slabiju emisiju scintilacione svetlosti od Nal(Tl) kristala (pogotovo BGO), i stoga ne mogu da se koriste u konstrukcionom obliku SK detektora. Imajući osim toga u vidu da je u pozitronskoj detekciji potrebno simultano deteklovati dva opon entna ga ma fotona, PET skener sadrži "ring<1>" od malih BGO ili LSO kristala, koji povezani sa sistemom mnogobrojnih PMT iznad njih čine prstenasti niz malih detektora postavljenih kružno oko objekta - pacijenta i povezanih koincidentnom elektronikom. Dva takva mala detektora koji se u prstenu približno nalaze jedan nasuprot drugom, prilikom istovremenog aktiviranja od strane dva oponentna gama fotona odredjuju (izmedju sebe, na putu kroz objekat) "projekcionu liniju" na kojoj se dogodila pozitronska emisija. Iz velikog broja ovakvih linija koje se različito ukrštaju dobija se kompjuterskom rekostrucijom tomografski, tj. PET snimak preseka odredjenog organa pomoću pozitronskog emitera.

Bitan praktičan nedostatak ovakve situacije je da je za kompletan nuklearno medicinski servis potrebno imati dva veoma skupa uredjaja, i obrtnu SK za planar - SPECT snimanja, kao i PET skener za PET snimanja. Ovakva situacija provocira ideju o neophodnosti vizualizacionog sistema opšte namene za nuklearnu medicinu. Ovde je odmah jasno da konstrukcioni tip PET skenera ne može da se prilagodi i za detekciju monofotonskih gama emitera, pogotovo ne za primarnu detekciju planarnih snimaka velikih organa (pluća i dr.), iz kojih, kako je napred istaknuto, rezultiraju i SPECT tomogrami. Sistem opšte namene moguće je jedino načiniti adaptacionim izmenama obrtnog sistema SK i za PET snimanja, koji sistem bi u tom slučaju morao da poseduje (najmanje) dva adaptirana SK detektora.

Ovakvu situaciju prvi rešavaju u drugoj polovini devedesetih godina prošlog stoleća konstruktori američke kompanije "ADAC" (danas inkorporiranu u multinacionalnu kompaniju "Philips") time što su u obrtni sistem SK stavili dva oponentno postavljena SK detektora i iste povezali elektronskom koincidencijom da bi simultanom detekcijom oba detektora registrovala odgovarajuće lokacije oba pozitronska gama fotona i izmedju njih projekcionu(e) liniju(e), čijom akumulacijom se računarskom rekonstrukcijom dobija tomografski PET snimak. Za PET snimanja kristal je ogoljen, bez olovnog kolimatora ispred, da bi oba detektora primala pozitronske gama folone pod različitim uglovima i time uvećala efikasnost. Za planar - SPECT snimanja monofotonskim emiteri ma, medjutim, neophodno je staviti olovni kolimator ispred kristala koji na isti propušta samo medjusobno paralelne, perpendikularne na kristal, gama fotone. U planar verziji koristi se samo jedan SK detektor, dok u SPECT verziji svaki od njih clelektujc nezavisan snimak, koje je zatim moguće superponirati i time ubzati SPECT detekciju. U planar verziji sistem radi u statičnom, dok u SPECT-PET verziji sistem radi u rotacionom (oko objekta - pacijenta) modalitetu. Tak od je, da bi sistem bio opšte namene, kod ovih SK detektora povećali su debljinu Nal(Tl) kristala na 16 mm radi efikasnije detekcije pozitronskih emitera. Time je, medjutim, svesno pogoršana prostorna rezolucija (dakle, i finoća snimka) kod planar - SPECT snimanja. Ipak, i pored toga, zbog izuzetnog komercijalnog efekta, ovakve koinci dentne SK opšte namene (kako su ih nazvali) u svoj proizvodni program za nuklearnu medicinu uvrstile su, pored Philips-a, i druge dve najveće multinacionalne korporacije kakve su "Siemens" i "General Electric".

Da bi u sistemu opšte namene još više poboljšali efikasnost za PET detekciju, a ipak očuvali (a ne, pogoršali) prostornu rezoluciju planar - SPECT snimaka, mi smo predložili originalno rešenje za SK detektor opšte namene, u okviru rotacionog koincidentnog sistema SK sa dva detektora (Bosnjakovic V.: Imaging Detcctor for Universal Nuclear tvledicinc Imager. United States Patent No.: US 6,194,728 J31, Feb. 27, 2001.'). Još više smo podebljali veliki Nal(Tl) kristal, na 19 mm, ali smo ga umetanjem stakla (nescintilacionog materijala) podelili na dva sloja jednake debljine od po 9,5 mm. Lokaciona 2D informacija dobija se na konvencionalan način iz rasporeda PMT cevi iznad kristala. Ali, sa bočno vertikalnih strana ovakvog kristala izvlačimo takodje informaciju o tome u kom se od slojeva dogodila apsorpcija gama fotona, ovu informaciju stavljamo u elektronsku koincidenciju sa 2D informacijom o lokaciji, i time dobijamo informaciju i o lokaciji apsorpcije u jednom od slojeva kristala. U ukupnom efektu dobijamo zapravo 3D informaciju o apsrpciji u ovako slojevitom, debelom kristalu. Ovde u punoj meri koristimo Sncll-ov zakon o refrakciji - refleksiji (scintilacione) svctlosli u odnosu na dva transparenina materijala ( kristal, u' oba sloja "obložen" staklom) koji imaju različite refrakcione indekse. Naime, dok najveći deo scintilacione svetlosti nastale u jednom' od slojeva kristala, posle odredjene refrakcije, ide prema PMT ccvima koje odrccljuju 2D lokaciju, manji deo posle refleksije od stakla ide ka bokovima dotičnog sloja kristala na koji su nalepljeni spoljni svetlosni kolimatori (Exl. LC), a iz kojih fiberopticima svetlost odlazi do posebno postavljenih PMT cevi koje odredjuju dubinsku lokaciju u odgovarajućem sloju kristala.

d) Izlaganje suštine pronalaska

Suština je u konstrukciji no vog SK detektora za novi sistem scintilacione kamere o pšte

namene ( SKON) koja bi još više poboljšala performanse kako za planar -- SPECT tako i za PET ispitivanja. Suštinske novine u ovom našemlešenju, u odnosu na rešenje dato u našem napred navedenom, prihvaćenom US patentu, su sledeće:

- dl) Umesto Nal(Tl), koristimo nedavno pronadjeni novi scintilacion i kristal veoma povoljnih karakteristika, LaBn( Ce3') tj. cerij umom aktivisani lanlan bromid (van Loef E.V.D., Dorenbos P. and van Eijk CAV.E.: High-energv-resolution scintillator: Cc<3>^ activated LaBr3. Applied Physics Lctlers. 79, 10, 1573, Sepl. 3, 2001/). Nai me. u odnosu na akluelno korišćeni Nal(Tl) kristal, LaBr^Ce"'') emiluje znatno veću količinu scintilacione svetlosti ("light yield") po jedinici energije upadnog gama fotona, što doprinosi znatno boljoj energetskoj ("energv resoluton") a time i prostornoj rezoluciji, i poseduje znatno kraće vreme trajanja scintilacionog impulsa ("decay time") omogućavajući time znatno veću brzinu brojanja (izrazito značajno kod velikih PO kristala - detektora kakve posedujti scintilacione kamere). Lantan bromid karakteriše osim toga i relativno niska tačka topljenja ("melting point"), slično natrijum jodidu, što garantuje i njegovu relativno jeftinu proizvodnju. Dakle, potencijalno veoma "cost effective" scintilacioni kristal! - d2) Jedina nepovoljna karakteristika LaBn^Ce<31>) je njegova relativno niža gustina (5,29 g/cm<3>) koja, iako nešto bolja - veća od one koju ima Nal(Tl) kristal, ipak nije optimalna za efikasnu detekciju jačih gama energija, pogotovo ne onih koje poseduju pozitronski emiteri. Niska gustina lantan bromida, medjutim, može da se kompenzuje njegovom povećanom debljinom radi efikasne detekcije pozitronskih emitera, ali uz uslov da se, kao i u napred navedenom našem rešenju (US Patent), kristal načini sloj evitim kako bi se ostvarila i zadovoljavajuća prostorna rezolucija, kako za planar - SPECTlako i za PET ispitivanja. - d3) Dva sloja kristala lantan bromida su sada u SKON detektoru nejednake debljine, donji - niži sloj je 9,5 mm i gornji - viši sloj 19,0 mm debeo, što ukupno čini 28,5 mm. Debljine slojeva proračunate su u smislu da obe imaju veoma sličan apsorpcioni efekat za energiju pozitronskih gama fotona (36,0 % i 37,5 %) , a da ukupnom debljinom znatno poboljšaju ukupan apsorpcioni efekat istih (73,5 %), približavajući ga onom kod PET skenera. Monofotonska energija 99m-Tc - a, pak. skoro u potpunosti (92,5 %) apsorbovaće se u nižem sloju lantan bromida, iz kog sloja jedino i uzimamo lokacionu 2D informaciju za monofotonske emilere nižih energija, doprinoseći time izvanrenoj prostornoj rezoluciji za ove emitere. -đ4)Slojevi kristala lantan bromida nisu razdvojeni kao u prethodnom rešenju staklom, već samo viskoznim tankim (~1,0 mm) slojem " optical bond- a", čime je smanjen broj svetlosnih refrakcija izmedju dva sloja kristala. Uslov je, medjutim, da "optical bond" ima veoma blizak (nešto manji - niži) refrakcioni indeks (Rl) onom koji ima kristal lantan bromida (RT - 1,945). -d5)Na gornji - viši sloj kristala nalepljen je, kao i u standardnoj SK konstrukciji sa jednoslojnim Nal(Tl) kristalom, sloj stakla sa nižim RI od kristala čija je funkcija da snop svetlosti svake od gama interakcija u kristalu refrakcijom "proširi" na lokalni heksagonalni raspored od 7 PMT cevi koje su nalepljene na gornju površinu stakla. Ovakvo staklo naziva se svetlovod - " light guicle" ( LG). i u standardnoj SK konstrukciji sa Nal(Tl) kristalom (čiji RI iznosi 1,85) RI ovog stakla je 1,53. U našoj novoj SKON verziji, medjutim. LG bi bio pretstavljen slojem s<p>ecijalno<g>stakla fhaevv flinO čiji RI iznosi 1. 89, tako da bi isti ( ili veoma sličan) RI trebalo da ima i " optical bond" kojim su slepljcna kako oba sloja kristala medjusobno, tako i gornji sloj kristala sa LG-om. Potrebna debljina LG- a sa ovakvim RI proračunata je na 6,5 mm, a u odnosu na navedene debljine slojeva lantan bromida. Ovim lokalni heksagonalni raspored od 7 PMT cevi, kao osnovna jedicinica iz buketa od ukupno 55 PO PMT cevi koje su nalepljene na gornju površinu LG-a, apsorbuje maksimalnu količinu scintilacione svetlosti iz interakcije koja dolazi iz oblasti naniže upravljenog vertikalnog domena srednje PMT cevi jednog od lokalnih 7 PMT rasporeda, na oblast niže lociranih slojeva kristala. Ovakav vertikalni domen zahvata sa maksimalnom efikasnošću svetlost koja naviše pada na ceo heksagonalni lokalni raspored od 7 PMT cevi (od kojih svaka ima 7,6 cm u prečniku), ukupnog prečnika od 23,5 cm (tj., 3 PMT cevi, plus dva medjtiprostora). - d6) Pošto detektor SKON sistema ima (samo) dva sloja lantan bromida, a njegov gornji (deblji) sloj je sa obe površine obložen refraktivno - refleklivnim materijalima (staklo i "optical bond"), dubinsku lokacionu informaciju (" Depth of Intcraction" - DOL) izvlačimo samo iz ovog gonjeg sloja. DOI signal iz ovog sloja imaće jasno izraženu, visoku amplitudu, dok će niska amplituda iz ovog sloja, ispod odredjenog praga, ukazati da signal potiče iz donjeg sloja kristala. - (17) Ovim rešenjem (DOI signal samo iz gornjeg sloja) ne samo da je cela konstrukcija uprošćenija (i cost efektivnija) već je, što je mnogo hitnije, omogućeno da donja p ovršina donjeg sloja kristala ostane bez glatko reflektivne staklene površine. Ovo je izuzetno značajno zbog toga što je sad ova površina načinjena difuzno refiektivnom. što znatno doprinosi efikasnosti akumulacije svetlosti od strane PO rasporeda PMT cevi koji se nalazi iznad oba sloja kristala. Naime, pored direktne svetlosti koja iz svake gama interakcije, iz oba sloja kristala, ide ka iznad rasporedjenim PMT ccvima, sada preciznosti 2D lokacije doprinosi i dodatni difuzno reflektovani deo svetlosti iz iste interakcije. Ovde treba istaći da na efikasnost detekcije difuzno reflektovene svetlosti od strane PO rasporeda PMT cevi posebno utiče Lambert-ov zakon o difuznoj refleksiji koji kaže da je verovatnoća pravca difuzno reflektovanog svctlosnog fotona direktno proporcionalna veličini kosinusa ugla koji pravac ovog fotona zaklapa sa vertikalom na difuzno reflektivnu površinu; dakle, veći kosinus - manji reflektovani ugao u odnosu na vertikalu! Drugim recima, bez obzira na upadni ugao svctlosnog fotona na difuzno reflektivnu površinu, velika većina fotona rcllektovaće se pod uglom veoma bliskim vertikali (tj. blizu 90°) na difuznu površinu. Ovo znači da će u novom detektoru SKON konstrukcije praktično svi difuzno reflektovani svetlosni Totemi poreklom iz donjeg sloja kristala proći kroz slicon bond izmedju dva sloja kristala, kao i kroz staklo LG-a, na putu naviše do lokalnog PO rasporeda 7 PMT cevi. Biće, dakle, sa maksimalnom efikasnošću zahvaćena i direktna i difuzno rellektovana svetlost, porekla iz interakcije kako iz donjeg tako i iz gornjeg sloja kristala. A sve ovo doprinosi boljoj energetskoj rezoluciji i prostornoj rezoluciji slike. - d8) Pri proračunima geometrijske efikasnosti ( GE ) lokalnog 7 PMT rasporeda za svetlost iz domena oba sloja kristala, koristili smo se našom posebno razvijenom formulom za sred nju

( prosečnu) dubinu prodora gama fotona odredj ene energije, u materijalu odredjene gustine

(ovde, lantan bromid), i odredj ene debljine sloja - d^. Formula je načinjena kako za sloj na koji gama foton nailazi primarno i u njemu biva apsorbovan, u našem slučaju donji sloj, tako i za sledeći sloj u kome je gama foton apsorbovan kada je već prošao kroz prethodni sloj. Ovakva teorijska novost u egzaktnom predvidjanju vrednosli odredjene konstrukcije dala nam je izuzetno značajne podatke u teorijskom proračunu energetske rezolucije novog SKON detektora, koja se pokazala izuzetno zadovoljavajućom. Pošto je prostorna rezolucija detektora direktna funkcija njegove energetske rezolucije, ovakva teorijska novost za procenti prosečne dubine prodora gama fotona, dsr, ukazujući preko proračuna GE na izuzetno dobru energetsku rezoluciju (završno izvedenu formulom Poisson-ove statistike), indicira i veoma dobru prostornu rezoluciju budućeg SKON sistema kako za monofotonske tako i za pozitronske emiterc.

- d9) Ukupan broj poziciono osetljivih PM T cevi, 55, odnosno 49 od 3 inča (=7.6 cm) u dijametru i 6 od 2 inča (=5.1 cm) ostaje isti kao i u UNMI verziji u našem napred navedenom prihvaćenom US patentu. Medjutim, ras pored PO PMT cevi (posmatrano u horizontalnom preseku) je u SKON detektoru bitno drugačiji. Šest 2- inčnih PO PMT cevi sada su ubačene nad ivicom dužih strana pravougaonog velikog LaBij tCe3^ kristala, za razliku od prethodne solucije kada su u UNMI verziji bile nad ivicom užih strana Nal (TI) kristala. -dlO)Zahvaljujući ovakvom PMT rasporedu spoljni svetlosni kolimatori, Ext. LC. nale pljeni su na kraće strane pravoug aonog kristala i podcijeni na dva dela. Spoljna strana svakog od ovih delova, na koju se u razvučenom obliku nalepljuju snopovi fiberoptika koji provode svetlost do DOI PMT cevi (a nad kojom cevi snop zauzima kružni oblik fotokatode PMT cevi), svojom površinom od 2 inča odgovara istovetnoj površini 2-inčne DOI PMT cevi. Budući da su sad Ext. LC sa fiberopticima nalepljeni samo na gornji sloj kristala, ovo rešenje je racionalnije i tehički jednostavnije izvodljivo. Na ovaj način duža strana detektora oslobodjena je od Ext. LC, fiberoptika, itd., što mnogo bolje odgovara metalnom kućištu glave detektora koje nosi olovni oklop, jer su sad za duže spoljne strane kućišta fiksirane osovine kojima se novi SK detektor kaci za mehaničku konstrukciju obrtnog nosača dvaju SK detektora u okviru sistema SKON. - dll) Ext. LC- i su takodje načinjeni od novo upolrebljenog haevv fiint st akla i nalepljeni novo predloženim opt ical bondom na gornji sloj kraće bočne strane lantan bromid kristala. - dl2) Uku pno 4 DOI PMT cevi. veličine dva inča, sme.štene su zgodno u uglovima koso zasečenog kristala (posmatrano u horizontalnom preseku), gde za njih može da se ubaci poseban mali nosač sa komadom havy fiint stakla na koje su (vertikalno postavljeni) DOI PMT nalepljeni, a sa čije donje strane su nalepljeni fiberoplici dovodeći svetlost iz. Ext. LC-a.

c) Kratak opis slika nacrta

- Slika 1 prikazuje vertikalni presek kroz deo SKON detektora.

- Slika 2 prikazuje horizontalni presek SKON detektora.

- Slika 3 prikazuje shematski pravce maksimalnih uglova: 1 - svctlosnog fotona upravljenog direktno naviše ka lokalnom PO rasporedu 7 PMT, i 2 - svctlosnog fotona upravljenog naniže ka dnu i zatim difuzno reflektovanog naviše ka lokalnom PO rasporedu 7 PMT; oba fotona potiču iz, dsl-, donjeg sloja kristala lantan bromida, za energiju tehnecijuma 99m-Tc.

- Slika 4 prikazuje elektronsku shemu funkcionisanja SKON detektora.

f) Detaljan opis pronalaska

S obzirom da se pronalazak odnosi na novi SK detektor za novi sistem SKON, koji je dat

serijom suštinskih inovacija u odnosu na rešenje izneto u našem napred navedenom, prihvaćenom US patentu, detaljan opis pronalaska radi odgovarajućeg prikaza celine sadrži kako suštinske novine navedene u poglavlju d), tako i neke elemente iz rešenja prethodno

datog u našem prihvaćenom US patentu. Na ovaj način, dcteljan opis pronalaska sadrži sledeće elemente: fl) Teorijske osnove konstrukcije (fl.l. Karakteristike lantan bromid kristala; fl.2. Karakteristike stakla korišćenog za LG i Ext. LC, kao i optical bond-a; fl.3. Snell-ov zakon refrakcije - refleksije svetlosti i dubina interakcije u slojevitom kristalu; fl .4. Eksponencijalni zakon atenuacije radijacije i njene apsorpcije; fl.5. Nezavisnost efikasnosti DOI sistema od debljine sloja kristala); f2) Elemente konstrukcije SKON detektora sa pozivom na slike nacrta (12.1. vertikalni presek; f2.2 horizontalni presek); L3) Elemente funkcionisanja SKON detektora sa pozivom na slike nacrta (13.1. Pravci direktnih i reflektovanih svetlosnih fotona ka PO PMT sistemu; f3.2. Elektronska shema funkcionisanja SKON detektora i SKON sistema); f4) Teorij ske aspekte evaluacije konstrukcije SKON detektora (f4.1. GE sistema DOI, specifičnog za SKON konstrukciju; T4.2. Originalan pristup odredjivanju dsr; f4.3. GE lokalnog PO rasporeda 7 PMT cevi, koji služi za odredjivanje 2D lokacije u SKON detektoru; f4.4. Efikasnost konverzije svetlosnih fotona u broj fotoelektrona od strane lokalnog PO 7 PMT rasporeda; L4.5. Odredjivanje energetske rezolucije, Er, na bazi Poisson-ove statistike); f5) Rezultate teorijske evaluacije performansi, i vredn osti kao ceiine. no vog SKON detektora (f5.1. Apsorpciona efikasnost donjeg i gornjeg sloja kristala za gama energije 140 i 511 KeV; f5.2. dsr(cm) za gama energije 140 i 51 1 KeV, u donjem i gornjem sloju kristala; L5.3. GE DOI sistema; f5.4. GE PO 7 PMT rasporeda - sistema; T5.5. EYdonjeg i gornjeg sloja kristala za gama energije 140 i 51 1 KeV).

fl) Teorijski osnovi konstrukcije. fl. l. Karakteristike lantan bromid kristala.<2>Novopronadjeni kristal Lal3i'j(Ce31) tj. cerijumom aktivisani lantan bromid ima sledeće bitne karakteristike - prednosti (u poredjenju sa Nal(Tl)): "energv resolution" - 2.8% FVVTIM @ 662 KeV (9,8% FWHM @ 140 KeV); "light yield" - 61.000 svet. fotona / MeV (40.000 svet. fotona / MeV); "decay time" - 35 ns (90%) (2.30 ns (67%)); gustina - 5,29 g/cm<3>(3.67 g/cm<3>);

RI - 1,945 (1,85); "melting point" - 783° C (660° C). fl. 27. Karakter istike sta kla koj e bi se koristilo za LG i Ext. LC, kao i optical bond- a. U novoj SKON konstrukciji detektora pored novog kristala, a radi potpunog iskorišćenja njegovih karakteristika, izbor stakla za LG i Ext. LC kao i optical bond-a postaje veoma bitan. Zapravo, bitni su refrakcioni indeksi ovih materijala koji bi doprinosili maksimalno velikom prostornom uglu svctlosnog snopa, dakle maksimalno velikoj količini scintilacione svetlosti koja se sa mesta interakcije gama fotona u kristalu širi kako naviše prema PO rasporedu PMT cevi, tako i naniže prema difuzno reflektivnoj površini. Radi se, dakle, o mogućnosti najpreciznijeg odredjivanja 2D lokacije interakcije gama fotona, drugim rečima o dobijanju najbolje mogućih performantnih karakteristika kakve su energetska i prostorna rezolucija novog sistema. Kako je napred navedeno, Rl-i ovih materijala treba da su maksimalno bliski RI-u lantan bromida. Stoga smo za staklo LG-a i Ext. LC-a potencijalno izabrali haevv fiint staklo čiji je RI - 1,89. Optical bond, medjutim, ne postoji komercijano sa ovako visokim RI, ali smatramo da ne bi bio veći tehnološki problem da se isti napravi sa Rl-om koji bi iznosio oko 1,90. U daljim kalkulacijama smo stoga pretpostavili da i optical bond ima, kao i haevv fiint staklo, RI - 1,89. fl. 3. Snell- ov zakon refrakcije - refleksije svetlosti. Osnovna formula Snell-ovog zakona glasi:

gde su: a - ugao svctlosnog fotona u sredini iz koje potiče, u odnosu na vertikalu na glatku ogledalasto reflektivnu graničnu površinu izmedju dve sredine; a.\- ugao svctlosnog fotona u sredini u koju se prelomio, u odnosu na vertikalu na glatku ogledalasto reflektivnu graničnu površinu izmedju dve sredine; ii| - refrakcioni indeks sredine u koju se svellosni foton prelomio; n - refrakcioni indeks sredine iz koje svetlosni foton potiče. Iz ovog izraza sledi da ukoliko prelomni ugao, ct|, iznosi 90° u odnosu na vertikalu, dakle ukoliko je paralelan sa ravni izmedju dve refrakcione površine, upadni ugao, a, pretstavljaće tkzv. granični ugao. Naime, dalje povećanje ugla, a , uzrokovaće refleksiju svctlosnog fotona od glatke površine

nazad u sredinu iz koje je potekao, i to pod istim uglom pod kojim je i upao na glatku reflektivnu površinu. U ovakvoj situaciji granični ugao, a, sledi iz izraza (1): sin a = sin ai*ni/ n , gde za slučaj da jc, ct| = 90° (a budući da je sin 90° — 1), imamo i ugao, a, kao: odakle njegov komplementarni ugao do vertikale u odnosu na glatku reflektivnu graničnu površinu, tj. upadni ugao na ovu površinu, p, nazvan kritični ugao, iznosi: jasno je da će svi upadni svellosni fotoni na ovakvu površinu sa uglom, < p, biti reflektovani nazad u sredinu iz koje su potekli, dok će oni sa uglom, > p, biti prelomljeni u sredinu sa, RI = ni. Praktičan zaključak u vezi sa projektom SKON detektora jc da će svi svellosni foloni iz sloja scintilacionog kristala obloženog odredjenom vrstom stakla ili optical bond-a (sa RI manjim od RI kristala) čiji je ugao, > P, ići naviše (ka PO rasporedu PMT cevi) i naniže (ka drugom - donjem sloju kristala i difuzno reflektivnoj površini na dnu) doprinoseći 2D lokacionoj informaciji, dok će oni fotoni čiji je ugao, <P, biti reflektovani ka bočnim stranama kristala, čime će biti dobijen i 3D podatak o sloju kristala u kome se dogodila interakcija, fl. 4. Eksponencijalni zakon atenuacije ( i apsorpcij e) radijacije. Apsorbovana frakcija gama fotona, A, u materijalu odredjene debljine (napr. sloju scintilacionog kristala), posle atenuacije u istom, data je poznatim eksponencijalnim izrazom: gde jc: e — osnova prirodnih logaritama; u — linearni atenuacioni koeficijent, za odredjenu gama energiju u materijalu odredjene gustine (cm<-1>); cl - ulazna granična debljina materijala (sloja kristala) u kome je radioaktivnost apsorbovana (cm); dl - izlazna granična debljina materijala (sloja kristala) u kome je radioaktivnost apsorbovana (cm). U slučaju donjeg sloja kristala gde je ulazna granična debljina, d = 0 cm, izraz: e"M d = 1. f 1. 5. Nezavis nost efikasnosti DOI sistema od deblj ine sloja kristala. Interno prostiranjc svetlosnih fotona unutar sloja kristala obloženog glatko refiektivnim ogledaiastim površinama (staklo, optical bond) ograničeno je kritičnim uglom. p. Ukoliko debljinu sloja kristala razmatramo kao njegov vertikalni presek tada vertikalnu geometrijsku efikasnost (VGEn(,i) zahvatanja svetlosnih fotona koji ostaju unutar sloja posle gama interakcije (i šire se posle višestrukih ogleđalastih refleksija ka bočnim vertilkalnim stranama sloja), možemo posmatrati kao odnos izmedju spoljne površine srednjeg olsečka sfere (gde otsečak pretstavlja debljinu DOI sloja kristala), Si, i ukupne površine sfere (imajući u vidu izotropsku emisiju svetlosti posle gama interakcije u centru sfere), S; poluprečnik sfere spaja njen centar, koji se nalazi na sredini srednjeg horizontalog otsečka - DOI sloja kristala, i prvu tačku dodira svctlosnog fotona sa graničnom horizontalom otsečka - granicom sloja kristala (posle koje nastaje prva interna ogledalasta refleksija), a gde je nagib poluprečnika u odnosu na horizontalu dat uglom, P; (ada imamo:

gde je: r - poluprečnik sfere, t - debljina otsečka sfere - sloja kristala. Vidimo da je VGE|)0i proporcionalna sinusu kritičnog ugla, P; zavisi, dakle, samo od veličine kritičnog ugla bez obzira na to kolika je debljina DOI sloja kristala.

fl)Elementi konstrukcije SKON detektora sapozivom na slike nacrta.f2. 1. Vertikalni presek kroz deo SKON detektora. Vertikalni presek SKON detektora, po deki njegove duže osovine, dat je na slici 1. Prikazani su sleđeći konstrukcioni elementi: 1 - gornji sloj kristala LaBr3(Ce<3+>), debljine 19 mm; 2 - donji sloj kristala LaBr3(Ce<3+>), debljine 9,5 mm; 3 - tanak sloj optical bond-a iztnadju dva sloja kristala kao i izmedju gornjeg sloja kristala i LG-a, debljine~1 mm; 4 - LG (haevv fiint staklo), debljine 6,5 mm; 5 - difuzno reflektivni premaz na dnu donje površine donjeg sloja kristala; 6 - PO PMT cevi, fotokatode 3" u prečniku; 7 - DOI PMT cevi, fotokatode 2" u prečniku; 8 - Ext. LC (haevv fiint staklo) na bočnoj strani

gornjeg sloja kristala; 9 - fibcroptička veza izmedju E.\t. LC i DOI PMT; 10 - svetlosno absorptivni (black mattc) premaz bočno vertikalnih strana donjeg sloja kristala; 11 - aluminijumski oklop bloka dvoslojnog kristala; 12 - olovni kolimator za detekciju monofotonskih emitera, koji se skida pri detekciji pozitronskih emitera; 13 - čelično kućište SKON detektora ispunjeno zaštitnim slojem olova. F2. 2. Horizontalni presek. Morizontalni presek SKON detektora dat je na slici 2. Prikazani su sledeći konstrukcioni elementi: 1 - kristal LaBr3(Ce<3+>), gornji sloj, 2D dimenzije 50 x 38 cm (istih dimenzija je i donji sloj, koji se na ovom preseku nalazi ispod gornjeg sloja); 4 - LG (haevv fiint staklo); 6 - PO PMT cevi, fotokatode 3" u prečniku; 7 - DOI PMT cevi, fotokatode 2" u prečniku; 8 - Ext. LC (haevv fiint staklo), na užoj bočnoj strani gornjeg sloja kristala; 9 - fibcroptička veza izmedju Ext. LC i DOI PMT; 14 - deo na kome je prikazan vertikalni presek; 15 - efektivno vidno polje SKON detektora; 16 - PO PMT cevi, fotokatode 2" u prečniku.f4) Teorijski aspekti evaluacije konstrukcije SKON detektora,f' 4. 1. Uku pna GE sistema DOI. specifičnog za SKON konstrukciju. DOI sistem, koji možemo nazvali i DOI kanal, funkcioniše zapravo samo u okviru gornjeg sloja kristala obloženog sa obe (i gornje i donje) strane ogledalasto reflektivnim površinama. Na vertikalno bočnim užim stranama ovog sloja kristala nalepljeni su Ext. LC-i koji preko fiberoptika odvode svetlost do DOI PMT cevi. Visina amplitude električnog impulsa iznad odredjenog praga ukazuje dali se interakcija gama fotona dogodila u ovom sloju kristala ili, ukoliko je neznatne veličine (nešto iznad fona) ista potiče iz donjeg sloja kristala. GE za svetlost iz DOI kanala, zapravo za ostatak svetlosti koji nije iskorišćen za 2D lokacionu informaciju, bitna je radi pouzdanog odredjivanja veličina amplituda električnog signala. GE sistema DOI razmatramo kao vertikalno prostiranje svetlosti unutar debljine DOI kanala - sloja kristala, tj. kao vertikalnu geometrijsku efikasnost - VGEDOi, i kao horizontalno prostiranje unutar dužine i širine istog, tj. kao horizontalnu geometrijsku efikasnost - HGEDOi. Odredjivanje VGED0, smo razmotrili napred u okviru. fl.5., a ovde bi razmotrili dobijanje HGEDOi, i iz VGEI)0ii HGE„0irezultujuću ukupnu geometrijsku efikasnost sistema DOt - UGEnoi- UGEn0ibi se razmotrila kao izloženost širine, tj. užih strana kristala na koje su nalepljeni Ext. LC-i, snopu svetlosnih fotona iz interakcije gama fotona koja se (kao i pri razmatranju VGED01) dogodila u geometrijskom centru gornjeg sloja kristala. Kako svaku od polovine užih strana kristala pokriva po jedan Ext. LC, kojih time ima ukupno 4, ugao, y, pod kojim svetlost iz centra kristala ide ka polovini uže strane, bio bi dat tangensom izmedju poluširine, m, i poludužine, n, kristala: znajući ugao, y, frakcija svetlosti koja ide ka 4 Ext. LC-a u odnosu na ukupno emitovanu svetlost iz centra horizontalnog preseka, bila bi kao HGE,)r,idata sa:

UGEDOibi tada bila data sa:

F4. 2, Originalan pristup odredji vanju d^. Definicija reprezentativne prosečne - srednje DOI dubine gama fotona u okviru jednog od slojeva kristala, ds, , bila bi bitna za teorijsku

evaluaciju performansi SKON detektora, kao i, uopšteno, za teorijsko predvidjanje performansi potpune konstrukcije SK detektora (kristal, LG, PMT-i) bez. obzira dali je načinjen sa jednoslojnim ili višeslojnim kristalom. Ovakva definicija bi takodje mogla da bude od značaja za konstrukciju specifičnog(ih) kolimatora za nisko i srednje energetske monofotonske emitere, kao i za digitalnu obradu slika i korekcionih shema kod detekcije ovih emitera. Takodje, definicija prosečne DOI dubine bila bi od krucijalnog značaja u PET detekciji sa koincidentno vezanim, oponentnim glavama dva SKON detektora za dodeljivanje 3D adresa (2D + DOI adresa sloja) u svakoj od pojedinih glava, budući da bi poznate 3D adrese a time i projekcione linije izmedju istih značile odmah i obavljenu korekciju za "para!lax error" u pozicioniranju - lociranju gama interakcije.

Imajući u vidu eksponencijalnu prirodu procesa atenuacije gama fotona u kristalu (i bilo kom drugom materijalu), ne možemo uzeti linearnu polovinu debljine kristala za prosečnu DOI dubinu. Takodje, za prosečnu DOI dubinu ne možemo uzeti ni vrednost inverznog linearnog atenuacionog koeficijenta, 1/p ( cm), koja se inače koristi kao "mean free path", tj. kao prosečan domet - put gama fotona odredjene energije u odredjenom materijalu, budući da ovim parametrom nije definisana debljina tog materijala. Naime, ovako definisan prosečni domet kod jačih gama energija završavao bi izvan predvidjenih debljina slojeva kristala!

Uključujući u funkciju eksponencijalnog procesa atenuacije, pored energije gama fotona, karakteristika (gustine) materijala, i njegovu debljinu, istu smo razmatrali kao odredjeni integral eksponencijalne funkcije atenuacije čije granice odgovaraju početnoj (kroz koju fotoni prodiru) i završnoj (kroz koju je napuštaju) granici debljine materijala - kristala. U tom slučaju, dsr , kako je napred definisano, može analitički da se izvede pristupom "srednje - prosečne ordinate". Srednja ordinata, ysr, odredjenog integrala dobija se iz poznate površine ispod opadajuće eksponencijalne funkcije odredjenog integrala, P (cm ), i poznate vrednosti za apscisu (debljinu kristala) ovog integrala, x (cm), pri čemu je srednja ordinata zapravo strana pravougaonika koji sa drugom stranom, x, zaklapa površinu koja je jednaka onoj ispod krive funkcije odredjenog integrala:

U ovakvoj situaciji, dx, tačka na apscisi iz koje srednja ordinata dotiče krivu eksponencijalne funkcije, x(ysr) (cm),odredila bi i srednju apscisu, xsr(cm), koja se prostire izmedju početne granice kristala - integrala,\\(cm), i, x(ysr):

na ovaj način srednja apscisa pretstavljala bi realnu prosečnu - srednju dubinu dometa gama fotona, dsr, u sloju kristala čija je debljina definisana granicama odredjenog integrala. Analitički put dobijanja vrednosti za, dsr , bio bi sledeći. Razvojem i integraljenjem diferencijalnog koeficijenta opadajuće eksponencijalne funkcije:dy I dx = e~', x y - Je~/Mc/.v ,dobijamo oblik neodredjenog integrala koji ima vrednost:J e~', xdx = (-e"'" / //) + c ;tada, površina koju definiše odredjeni integral, kao razlika relevantnih neodredjenih integrala gde konstante, c, iz njihovih vrednosti iščezavaju, ima svoj eksplicitan oblik:Jf t=.r, '<? " rdx=jV</>,<r,ć/>.r- jV^Vv=>(e""'"'<1>- e',, x') l/. i.Odavde, srednja ordinata bila bi data sa:

čime se dobija eksplicitan oblik za računanje srednje ordinate u granicama izmedjuX| iX2, koje bi istovremeno pretstavljale početnu i završnu granicu debljine sloja kristala kroz koji prolaze gama fotoni. Ovakva situacija upravo vredi za gornji sloj kristala gde je srednja ordinata indeksirana kao, ysri-

U slučaju jednoslojnog kristala, ili pak donjeg sloja dvoslojnog kristala, gde integralimo izmedju x = xoi x =X|,X2se zamenjuje saX|, aX| sa xokoje ima nultu vrednost. Tada, prethodna jednačina (11), sa srednjom ordinatoin koja je indeksirana kao, ysr, postaje:

Srednje x, ili srednja apscisa, xsr, tj. srednji - prosečni domet gama fotona ti ovom sloju može tada da se izvede na sledeći način:ysrlyx- e~' n' r => = )\ e' f' x"; odavde, smena u jednačini (12) daje relaciju: gde je, yx=1 ; tada se srednji domet gama fotona, xsr (cm), izvodi kao:

gde je: xi- debljina jcdnoslojnog, ili donjeg sloja dvoslojnog kristala (cm); u - linearni atenuacioni koeficijent (cm"1).

U slučaju gornjeg sloja dvoslojnog kristala, izraz (11) razvija se za računanje srednjeg dometa x, indeksiranog kao, xsri, iz sledećeg:

I yx-e~f'x"^ =>yw. J 2 =yxe, gde smena u izrazu (11) daje relaciju:

odakle se izvodi eksplicitan oblik za računanje, xsr|, kao: gde su xiiX2početna -ulazna i završna -izlazna granična debljina gornjeg sloja kristala (cm), a gde se vrednost yx| frakcije dobija iz poznate eksponencijalne atenuacione jednačine:>'t, = yr„ e~'' X' >8c'e Je>J\„= '- Oznake parametara koji bi bili specifični za pronalazak -

konstrukciju SKON detektora, dsr, i, ds,-i, u ovoj evaluaciji date su "nespecifičnim simbolima" koji ih zamenjuju, xsr, i, xM|, kakvi se uobičajeno koriste u uopštenom lipu analitičkog razmatranja i razvoja. Praktično, dsr, (zamenjujući, xsr) je kao srednji domet gama fotona u donjem sloju kristala, ili u jednoslojnom kristalu, dato izrazom (14) a, ds,i, (zamenjujući, xsr|) kao srednji domet u gornjem sloju izrazom (16). Analogno, i vrednostiXii xiu ovim izrazima bile bi zamenjene odgovarajućim indeksima dji d2.

f4. 3. GE lokalnog PO rasporeda 7 PMT cevi u SKON detektoru. Lokalni PO raspored od 7 heksagonalno rasporedjenih PMT cevi veličine fotokatode od 3" (3 inča = 7.62 cm), kao osnovna jedicinica iz buketa od ukupno 55 PO PMT cevi koje su nalepljene na gornju površinu LG-a, računa 2D poziciju - lokaciju apsorpcije gama fotona u kristalima savremenih komercijalnih digitalnih gama scintilacionih kamera. Iste su, kako jc napreci pomenuto, snabdevenc relativno tankim (9,5 - 16,0 mm) jednoslojnim Nal(Tl) kristalom. Pri tom je debljina ovakvog relativno jednostavnog kristala, kao i na njega nalepljenog LG stakla, odredjena empirijski bez ikakve teorijske predradnje u smislu određivanja GE za scintilacionu svetlost. Ovakav princip računanja 2D lokacije primenjen je i u našem SKON detektoru koji je, medjutim, znatno kompleksnija konstrukcija snabdevena debelim i to dvoslojnim LaBr3(Ce<3+>) kristalom. Kako od GE za svetlost lokalnog PO rasporeda 7 PMT cevi najdirektnije zavise bitni performantni parametri kakvi su energetska rezolucija i sledstveno prostorna rezolucija detektora, teorijskim aspektima evaluacije GE lokalnog 7 PMT rasporeda posvetili smo posebnu pažnju. Imajući u vidu izotropsko širenje svetlosti sa mesta gama interakcije u kristalu, evaluacija GE izvedena je kako za direktno primljenu sa mesta apsorpcije gama fotona tako i za difuzno refiektovanu svetlost sa dna donjeg sloja kristala. GE je izvedena za oba sloja kristala, i za obe bitne gama energije od interesa 140 i 511 KeV, vodeći računa da i direktna i difuzno reflektovana svetlost posle refrakcije u LG-u obuhvate ceo heksagonalni lokalni raspored od 7 PMT cevi (od kojih svaka ima 7,6 cm u prečniku), ukupnog prečnika od 23,5 cm (tj., 3 PMT cevi, plus dva medjuprostora od po 0.35 cm). Standardizaciju teorijskog testa GE izveli smo na taj način što smo GE lokalnog 7 PMT rasporeda za obe gama energije, evaluirali za emisiju svetlosti iz reprezentativnih prosečnih dubina za donji, d.sr, i za gornji, dsrI, sloj kristala, a koje se nalaze na vertikalnoj osi srednje PMT lokalnog 7 PMT rasporeda upravljenoj naniže u domen sloja(eva) kristala.

Pri ovakvoj evaluaciji GE razmatramo zapravo prostorne uglove širenja svetlosti iz, dsr, i, d.,ri, i to direktne ka lokalnom 7 PMT rasporedu i indirektne ka difuzno refiektivn<p>j površini, odakle je reflektovana svetlost takodje zahvaćena lokalnim 7 PMT rasporedom. Pri razmatranju širenja direktne svetlosti imamo sledeće odnose:

gde je: R(cm) - poluprečnik prostornog "polu ugla'1, 8, koji se nalazi na spoju gornjeg sloja kristala sa staklom LG-a; ED(cm) - efektivna debljina kristala od, dsl, ili, ds,i, do spoja gornjeg sloja kristala sa staklom LG-a; R](cm) - poluprečnik prostornog "polu ugla", 5|, koji se nalazi na spoju LG stakla sa PMT rcasporedom; LG(cm) - debljina stakla LG-a; 8, i njegov prelomljeni ugao u LG-u, S|. su odgovarajući prostorni uglovi (u stepenima) u napred navedenom smislu.

Drugim recima, poluprečnik, R, odredjen uglom, 5, i ED-om, činilac je direktnog prostiranja svetlosti u kristalu prema PMT rasporedu, a poluprečnik,R\,odredjen uglom, 8] (prelomljeni ugao, 5), činilac je daljeg aditivnog širenja iste količine svetlosti ti staklu LG-a. Ovim zbir, R + Ri, pretstavlja i ukupni (totalni) poluprečnik dometa direktnog širenja svetlosti prema lokalnom rasporedu 7 PMT cevi:

koji je apriorno definisan poluprečnikom (tj. polovinom napred pomenutog prečnika) lokalnog rasporeda 7 PMT cevi: R.(ot ci,r = 1 1.75 cm.

Pošto smo debljine slojeva kristala takodje apriorno odredili (d3)) na osnovu apsorpcione efikasnosti za ključne gama energije (140 i 51 1 KeV), a debljinu stakla LG-a minimizirali na 6.5 mm radi oplimiziranja prostorne rezolucije detektora, u postupku optimiziranja direktne GE podešavamo ugao, 5, i sledstveno njegov prelomljeni, 5|, sve dok ne dobijemo, Rl0t ciir = 11.75 cm. Praktičan izraz za ovaj postupak u kome podešavamo samo ugao, 8, dok ne dobijemo zadovoljavajuću vrednost za, Rtotdir , sledi iz izraza 19, 17 i 18. Naime: Rtoidii = (ED<*>tan 5) + (LG<*>tan 5i) ; pošto na osnovu napred navedenog Snell-ovog zakona (fl.3 i formula 1) možemo da stavimo: sin 8i= ni\\\ * sin 5 , odakle sledi izraz, za ugao. 8| :

5]= sin"'(n / ni* sin 5), praktičan izraz za evakuaciju ugla, 5, na, Rmidir, dobija oblik:

Princip, tj. standardizaciju odredjivanja indirektne GE postavili smo imajući dominantno u vidu Lambert-ov zakon difuzne refleksije svetlosti. Lambcrt-ov zakon kaže da jc verovatnoća pravca reflektovanog zraka direktno proporcionalna kosinusu ugla koji zrak zaklapa sa vertikalom na difuzno reflektivnu površinu. Odavde sledi da će bez obzira na upadni ugao većina reflektovanih zraka biti bliska vertikali na difuzno reflektivnu površinu. Prostorni uglovi zraka za indirektnu GE prostiru se naniže ka difuzno reflektivnoj površini takodje iz, dsr, ili, dsri, zavisno od sloja kristala i gama energije koja se razmatra. Pošto i reflektovani zraci treba da zahvate, R,0l,i,r= 11.75 cm, princip smo postavili tako da odgovarajući poluprečnik prostornog ugla na difuzno reflektivnoj površini, Rm(|jr, zahvati distancu produženih osa srednje i periferne PMT cevi iz 7 PMT rasporeda. Dakle, distancu od dva PMT poluprečnika i jednog medjuprostora, iznoseći, Rmc|jr= 7,95 cm. Na ovaj način u skladu sa Lambertovim zakonom verovatnoća je da će se snop reflektovanih zraka proširiti maksimalno na veličinu Rmuiir= 11.75 cm. RnKiir, ima svoj prostorni ugao, 5?, koji bi bio dat sa:

gde je, EDi(cm), efektivna debljina kristala iz, dsr, ili, dsri, naniže do difuzno reflektivne površine. Iz napred navedenih veličina računamo direktnu, DGE, i indirektnu, IGE, geometrijsku efikasnost principom odnosa površina odgovarajućih otsečaka sfere i ukupne površine sfere, imajući u vidu izotropsko širenje svetlosti. Na ovaj način GE bi u principu bila data sa;

gde je: S2- površina otsečka sfere zahvaćenog sa, 2 R , ili sa, 2 \\m\n ; S - ukupna površina sfere; r - poluprečnik sfere = ED / cos 8 (u slučaju DGE), ili, ij= EDi/ cos 82 (u slučaju

IGE); h - visina otsečka sfere (cm) = r - ED (u slučaju DGE), ili, hi= n - EDi(u slučaju IGE). Iz navedenih relacija sledi da bi u slučaju DGE, a na osnovu izraza (20), imali:

Analogno, u slučaju IGE imali bi: IGE^(1 - cos 82) / 2 , s tim što bi zbog gubitka usled difuzne refleksije izraz trebalo pomnožiti sa koeficijentom refleksije, K = 0,98 , pa imamo:

Ukupna - totalna geometrijska efikasnost, TGE, data je zbirom direktne i indirektne efikasnosti:

f4. 4. Konverzija svetlosnih fotona u broj fotoelektrona od strane lokalnog PO 7 PMT ras poreda. Efikasnost konverzije svetlosnih fotona u broj fotoelektrona od strane lokalnog 7 PMT rasporeda zavisi od broja svetlosnih fotona cmitovanih po jedinici upadne gama energije -N|_p, totalne geometrijske efikasnosti i efikasnosti fotokatode PMT cevi - QE. Iz navedenog sledi da bi izraz za dobijeni broj fotoelektrona -Npr;, po jednoj PMT cevi, bio: f4. 5. Odredjivanje energetske rezolucije, Ey_, na bazi Poisson- ove statistike. Poznat je teorijski način dobijanja vrednosti energetske rezolucije, ET, na bazi poznatog broja fotoelektrona, Npe, primenom principa Poisson-ove statistike. Na ovaj način, Ey(% EV/HM), je data sa:

f5) Rezultati teorijske evaluacije performansi, i vrednosti kao celine, novog SKON detektora.

f5. 1. Apsorpciona efikasnost donjeg i gornj eg sloja kristala za gama energ ije 140 i 511 KeV.

Na osnovu eksponencijalnog zakona atenuacije (i apsorpcije) radijacije formulisanog izrazom (4) izračunata jc apsorpciona efikasnost slojevitog lantan bromid kristala i dobijene sledeće vrednosti: donji sloj (debljina 9,5 mm), 140 KeV - 92,4% i 511 KeV - 36,1% ; gornji sloj (debljina 19 mm), 140 KeV - 7,6% i 511 KeV - 37,8%. Ono sto je veoma zadovoljavajuće

je daje praktično celokupna gama energija 140 KeV apsorbovana u donjem sloju indicirajući dobru prostorno rezolutivnu moć za najšire primenjivani monofotonski emiter, 99m-Tc, dok je pozitronska gama emisija 511 KeV praktično podjednako rasporedjena na oba sloja kristala, ukazujući takodje na dobru prostorno rezolutivnu moć za pozitronske emitere putem inherentne korekcije za grešku u paralaksi.

f5. 2. dSL_( cm') za gama ener<g>ije 140 i 511 KeV, u donjem i gornjem sloju kristala.

Reprezentativni prosečni - srednji DOI dometi gama fotona u okviru pojedinih slojeva kristala, i to, dsr, za donji sloj i, ds,i, za gornji sloj, koji su bitni za teorijsku evaluaciju performansi SKON detektora, kao originalno izvedeni parametri specifični za njegov pronalazak - konstrukciju i računati na osnovu izraza (14) i (16), imali su sledeće vrednosti: dsr, za donji sloj (debljina 9,5 mm), 140 KeV - 3,8 mm i 511 KeV - 4,6 mm; dSI-i, za gornji sloj (debljina 19 mm), 140 KeV - nebitno, jer je veoma mala frakcija gama fotona ove energije apsorbovana u gornjem sloju, i, 51 1 KeV - 8,8 mm (od granice sa donjim slojem).

f5. 3. GE DOI sistema. Ukupnu GE DOI sistema, UGEDOi, posmatramo kao proizvod njegove vertikalne i horizontalne GE koja sledi iz izraza (8). VGEn0ii HGEDOidobijamo prethodno iz izraza (5) i (7). Uglove, a i j3, kao činioce VGEDOidobijamo iz izraza (2) i (3). Imajući u vidu napred navedene refrakcione indekse lantan bromid kristala (fl.l), haevv fiint stakla (Fl.2) i optical bond-a čiji je RI isti kao i haevy fiint stakla, granični ugao a iznosi 76,3° i sledstveno kritični ugao (3, 13,7°. Tada, VGEDOi, kao sinus ugla (3, iznosi 0,237 (23,7 %). HGEDOidobijamo iz izraza (7) koji uključuje ugao, y; isti je na osnovu izraza (6), dat tangensom izmedju poluširine, m (19 cm) i poludužine, n (25 cm) kristala. Na ovaj način ugao, y, iznosi 37,2°, a EIGEoo, time iznosi 0,413 (41,3 %). UGE00I na osnovu izraza (8) tada iznosi 0."DFnt9.8 %. što će dati sasvim zadovoljavajuću veličinu DO! sisnala izccmitu shjs hriscs&^ifMm,

Naime, isti će elektronskim putem lako biti diskriminisan od signala iz donjeg sloja kristala koji će, ukoliko se interakcija u njemu dogodila, biti tek nešto iznad veličine fona.

f5. 4. GE PO 7 PMT rasp oreda - sistema. U okviru teorijske evaluacije performansi ovog sistema iznosimo rezultate dobijenih vrednosti za sledeće parametre od interesa, navedene za oba sloja kristala i za obe ključne gama energije 140 i 511 KeV: uglovi 5, i 82 , i DGE, IGE i TGE. Vrednosti za, Rt0, (i,r i Rim|;r, navedene su prethodno u F4.3. Donj i sloj kristala. 140 KeV: 5 - 73,6°, 52= 87,3°, DGE = 35,9 %, IGE = 46,7 %, TGE = 82,6 %. Donj i sloj kristala. 51 1 KeV: 8 = 74,0°, S2= 86,8°, DGE = .36,2 %, IGE = 46,2 %, TGE = 82,4 %. Gornji^ kristala. 140 KeV: Rezultati nisu dati zbog praktično neznatne efikasnosti i time neupotrebljivosti gornjeg sloja kristala za ovu gama energiju. Gornji sloj kristala. 511 KeV: 5 = 75,7°, 82= 76,3° (ovo je zapravo kritičan ugao, kao maksimalan koji iz ovog sloja može da se naniže kroz optical bond uputi ka difuzno reflektivnoj površini na dnu donjeg sloja kristala), DGE = 37,6 %, IGE (na osnovu ovakvog52) =37, 4%, TGE = 75,0 %. Rezultati ukazuju na vrlo dobru TGE oba sloja kristala za gama energiju 511 KeV, kao i na takodje veoma dobru TGE donjeg sloja kristala za gama energiju 140 KeV.

F5. 5. Konverzija svetlosnih fotona u broj fotoelektrona od strane lokalnog PO 7 PMT

ras poreda i EY j:lonieg i gornjeg slo ja kristala za gama energi je 140 i 511 KeV. Broj

fotoelektrona po jednoj PMT lokalnog 7 PMT rasporeda - N|>£, da! je izrazom (26). Komponente izraza, pored TGE, su i broj svetlosnih fotona po jedinici upadne gama energije -- Nu>, i efikasnost fotokatode PMT cevi - QE. Napred je pomenuto (fl.l.) da kristal LaBr3(Ce<3+>) emituje 61.000 svet. fotona / MeV, što za energiju 140 KeV čini 8540 svet. fotona, a za energiju 511 KeV 31171 svet. fotona. Na osnovu navedenog Npi-; za donji sloj kristala, za 140 KeV iznosi 251,9 po fotokatodi PMT, a za 51 1 KeV 917,9 po fotokatodi PMT; za gornji sloj kristala, za 511 KeV, Nre iznosi 835,8. Iz ovih vrednosti, primenom principa Poisson-ove statistike, sledi i vrednost za energetsku rezoluciju, EY, datu u procentima "pune širine na polovini maksimuma<1>' (i<;>WHM) energetskog impulsa. Tako E^za donji sloj kristala, za 140 KeV iznosi 6,3 %FWHM, a za 51 1 KeV iznosi 3.3 %FWHM; za gornji sloj kristala, za 511 KeV, EYiznosi 3,5 %FWHM. Iz napred navedenih razloga vrednost za 140 KeV, za gornji sloj kristala nije data. U komentaru dobijenih teorijskih vrednosti za energetsku rezoluciju novog SKON detektora mora se istaći da su izrazito povoljne vrednosti dobijene za oba sloja kristala, za obe gama energije od značaja; znatno povoljnije od izmerenih vrednosti EYkod detektora koji se danas koriste u praksi. A povoljne vrednosti energetske rezolucije ukazuju da bi napravljeni sistem od dva SKON detektora imao takodje povoljne vrednosti prostorne rezolucije, najznačajnijeg performantnog parametra za kvalitet dobijenih medicinskih slika. Ista bi takodje trebalo da bude znatno povoljnija od one koju imaju sistemi koji se danas upotrebljavaju u medicinskoj praksi, čime bi dijagnostička medicinska korist bila znatno unapredjena.

g) Način industrijske ili druge primene pronalaska.

Napred je navedeno da se tehnički problem odnosi na konstrukciju novog tipa vizualizacionog

detektora inkorporiranog u sistem "scintilacione kamere opšte namene - SKON" za dijagnostiku u nuklearnoj medicini. Sistem SKON-a pripadao bi najsofisticiranijim iz grupacije medicinskih uredjaja visoke tehnologije, i kao takav mogao bi da bude odgovarajuće proizveden od strane velikih proizvodnih, najčešće multinacionalnih, sistema koji se ovakvom tehnologijom bave.

Claims (9)

1. Za konstrukciju novog detektora za novi sistem scintilacione kamere opšte namene (SKON), karakterisanog time, što se koristi novo pronadjeni scintilacioni kristal, cerijumom aktivisani lantan bromid - LaBi'3(Ce3+).

2. Za posebnu konstrukciju dvoslojnog scintilacionog kristala, naznačenu time, što su slojevi kristala nejednake debljine.

3. Za poseban optički spoj ("optical bond") slojeva scintilacionog kristala, naznačen lime, što se tanki viskozni optički spoj koristi bez. dodatnog tankog sloja stakla, i ima refrakcioni indeks blisko manji ili identičan onome koji ima scintilacioni kristal.

4. Za novu vrstu svetlovodnog stakla "ligbt guide" (LG), naznačenu time, što je LG načinjen od specijalnog (haevv fiint) stakla čiji jc refrakcioni indeks blisko manji ili identičan onome koji ima scintilacioni kristal.

5. Za novi način bočnog izvlačenja dubinske DOI lokacionc informacije o gama interakciji u dvoslojnom kristalu, naznačenog time, što se DOI informacija izvlači samo iz gornjeg sloja kristala.

6. Za dobijanje poboljšane 2D lokacione informacije u dvoslojnom kristalu, u kome se DOI informacija izvlači samo iz gornjeg sloja, naznačenu time, što je donja površina donjeg sloja kristala načinjena difuzno reflektivnom.

7. Za novu formulu za odredjivanje prosečne dubine prodora gama fotona. naznačenu time, što formula obuhvata energiju gama fotona, gustinu materijala kroz koji foton prodire, kao i debljinu sloja materijala bez obzira dali se dotični sloj nalazi na početku prodora ili iza slojeva kroz koji su gama fotoni prethodno prošli.

8. Za novi raspored i materijal staklenih spoljnih svetlosnih kolimatora - Ext. LC, naznačen time, što su kolimatori načinjeni od fiint stakla i po 2 od njih nalepljeni na svakoj od kraćih bočnih strana pravougaonog dvoslojnog kristala, i to samo na njegov gornji sloj.

9. Za smanjeni broj od ukupno 4 i pogodniji raspored DOI PMT cevi, naznačen time, što je po jedna od svake cevi smeštena u po jednom od 4 ugla koso zasečenog kristala (posmatrano u horizontalnom preseku), i svaka najkraćim putem povezana fiberopticima sa bližom polovinom svctlosnog kolimatora.