1. No category

Nuklearno medicinska
tehnologija in instrumentacija
1. del
Marko Grmek
Nuklearno medicinska tehnologija in
instrumentacija
Priporočena literatura:
- Powsner RA, Powsner ER. Essential nuclear medicine
physics. Melden: Blackwell Publishing, 2006.
- Cvelbar f, Fidler V, Prepadnik M. Nuklearno-medicinska
tehnologija. Ljubljana: Medicinski razgledi, 1992.
- Šuštaršič J. Nuklearna medicina. Ljubljana: Tehniška založba
Slovenije, 1999.
- ZiessmanHA, O’Malley JP, Thrall JH. Nuclear medicine: The
requisites in radiology. Philadelphia: Elsevier, 2006.
Nuklearno-medicinske preiskave
Pri izvedbi nuklearno-medicinske preiskave
potrebujemo:
• Radioaktivni vir - radiofarmak
(odprti vir ionizirajočega sevanja)
• Posebne naprave (nuklearno medicinska instrumentacija)
(merilni sistemi v nuklearni medicini)
- Gama kamera
- PET skener
- Gama sonda
- Kalibrator doz (odmerkov)
- Gama in beta števci
- Merilniki: kontaminacije, hitrosti doze, WBC
Nuklearno-medicinske preiskave
Scintigram prikaže razporeditev radiofarmaka v
telesu bolnika
v dveh dimenzijah
v treh dimenzijah
Energije in doseg ionizirajočih sevanj v tkivu
jedro
celice
premer
celice
1 milimeter
Alfa sevanje 8.4 MeV
(213-Po)
Beta sevanje 1.7 MeV
(32-P)
Beta sevanje 0.15 MeV (153-Sm)
Augerjevi elektroni
alfa
beta
(111-In, 177-Lu)
Gama sevanje 141 keV
(99m-Tc)
(elektromagnetno valovanje)
razpolovna debelina v tkivu7 cm,
atenuacija 12%/cm.
gama
Interakcija gama sevanja s snovjo
• Fotoefekt
(Fotoelektričen efekt)
• Comptonsko sipanje
(Comptonski efekt)
• Tvorba parov
Gama kamera
Gama (Angerjeva) kamera in PET skener
•
•
•
•
Analogne (starejše)
Poldigitalne (semidigitalne)
Digitalne
Polprevodniške
• Planarna
• Tomografska (SPECT)
- enoglava
- več glava
Pozitronsko sevalne tomografske (PET)
- PET skener
- Koincidenčna gama kamera
Gama kamera
• Kolimator
• Kristal
• Fotopomnoževalka
• Predojačevalnik in ojačevalnik
• Enokanalni (večkanalni) analizator
• Analogno-digitalni pretvornik
• Ležišče (postelja)
• Računalnik
Gama kamera
DIGITALNA GAMA KAMERA
Digitalno pozicijsko vezje izračuna
težišče (XT, YT) scintilacijskega snopa
svetlobe, ki vpade na sistem
fotopomnoževalk, iz njihovih
digitaliziranih amplitud signalov S ter
koordinat središč fotopomnoževalk X
in Y po formuli:
XT=(S1X1+S2X2+..+SNXN) /Z
YT=(S1Y1+S2Y2+..+SNYN) /Z
Vsota S1+S2+….+SN = Z je sorazmerna
energiji gama žarka.
Omogoča hkratno krajevno in časovno spremljanje
porazdelitve radioaktivnosti v telesu.
Glava gama kamere
Digitalna informacija
Elektronika detektorja
Električni signal
Fotopomnoževalke
Svetloba
Kristal NaI
Kolimator
Ionizirajoče sevanje
Gama žarki
Gama kamera - delovanje
• Gama žarek, ki vpade v kristal skozi možno smer v kolimatorju, povzroči
v kristalu scintilacijo (utrinek svetlobe v vijoličastem delu svetlobnega
spektra), ki jo zaznajo (registrirajo) fotopomnoževalke v sorazmerju z
njihovo bližino.
• K težiščni koordinati prispeva največ pozicija fotopomnoževalke, ki je
najbližje mestu absorpcije gama žarka oziroma mestu scintilacije.
• Število fotopomnoževalk vpliva na točnost določitve težiščne koordinate.
Več kot je fotopomnoževalk, bolj natančna je določitev mesta scintilacije
in s tem boljša prostorska ločljivost kamere.
• Obstaja optimalno število fotopomnoževalk, pri kateri dobimo najboljšo
prostorsko ločljivost. Če bi pretirano povečali število fotopomnoževalk,
bi postali njihovi signali šibki in s tem nenatančni, kar bi imelo negativen
učinek na točnost izračuna težišča. Največje gama kamere (45x60 cm)
imajo do 100 fotopomnoževalk.
Polprevodniška gama kamera
Kolimator
• Omejuje dostop fotonov do
kristala gama kamere.
• Dovoljuje neposreden pogled
le na eno področje
preiskovalnega telesa.
• Svinčene pregrade, tulci ali
plošče z vzporednimi ali kako
drugače oblikovanimi
luknjicami.
Kolimiranje je nujno potrebno za nastanek slike.
Paralelni kolimator
Velikost slike je enaka velikosti organa.
Občutljivost (senzitivnost) in
ločljivost (resolucija) kolimatorja
je odvisna od:
• debeline stene odprtin (sept)
• premera odprtin
• dolžine odprtin
Paralelni kolimatorji
• Manjše odprtine,
manjši zorni kot
boljša resolucija
• Večja globina odprtin
(debelina kolimatorja),
manjši zorni kot
boljša resolucija
• Manjše odprtine,
večja globina odprtin
manjša senzitivnost
Kolimator
Debelina sept in kot upada gama žarka
Kolimator s tankimi vmesnimi stenami je primeren za
kolimiraje fotonov z nizkimi energijami (pod 200 keV),
z debelejšimi pa za kolimiranje visokih energij (nad 200 keV)
• pri 99m-Tc (140 keV) je debelina sept manjša od 0.2 mm
oziroma kolikor dopušča mehanska izvedba;
• pri 131-I (365 keV) pa je večja od 2 mm.
Vrste kolimatorjev glede na energijo
• Nizko energijski
- high sensitivity
- all purpose
- high resolution
- ultra high resolution
• Srednje energijski
• Visoko energijski
Oddaljenost vira sevanja od kolimatorja
θ
optimalno = kontaktno
θ
Vrste kolimatorjev glede na vpadni kot
gama žarkov
•
•
•
•
Paralelni
Pin-hole
Divergentni
Konvergentni
Paralelni kolimator
Pin-hole kolimator
Pin hole kolimator
12 cm
6 cm
kontakt
S približevanjem slikanemu delu se vidno polje je manjša.
Scintilacijski dogodek
Scintilacijski kristal
Gama žarek - foton
Scintilacija
Svetlobni fotoni
Scintilacijski detektor
Pretvori gama žarek v vidno svetlobo
1.
2.
Absorpcija fotonov
Scintilacija vidne svetlobe
(0.23 mikrosekunde)
•
Debelina kristala - NaI kristal
1/4, 3/8, 1/2 inče
(inča=2,54cm)
Debelina kristala vpliva na
senzitivnost in ločljivost
Večja debelina kristala = večja
senzitivnost in manjša ločljivost
•
•
Absorpcija gama žarkov v kristalu
Kristal NaI (Tl)
Lastnosti:
• relativno gost (=3.67g/cm3), zato je dober absorber
• vsebuje elemente z relativno visokim atomskim
številom (I Z=53) – višji odstotek absorpcije z
fotoefektom
• se učinkovito odziva na vzbujanje z γ žarki (fotoni) v
območju 50-250 keV
• relativno učinkovit scintilator, ki za en foton vidne
svetlobe potrebuje približno 30 eV absorbirane
energije- γ žarkov
• transparenten za lastno scintilacijsko svetlobo, zato se
izgubi-absorbira zelo malo svetlobe pri relativno
velikem kristalu
Kristal NaI (Tl)
Slabosti:
• NaI(Tl) kristal je zelo lomljiv zato je zelo občutljiv na
mehanske in termične strese (hitre temperaturne
spremembe - dovoljena hitrost je 3 oC/uro)
• NaI(Tl) kristal je higroskopičen (občutljiv na vlago),
zato mora biti hermetično zaprt (zaradi
higroskopičnosti lahko porumeni pri čemer se
zmanjša svetlobna prevodnost)
Fotopomnoževalka - PMT
Fotopomnoževalka spremeni
svetlobni v električni signal
električni signal
PMT zazna
svetlobo pri
scintilaciji
svetlobni vodnik
kristal
gama žarek
Fotopomnoževalka - PMT
Število fotonov vidne
svetlobe
30
30
120
180
50
110
500
130
20
100
120
40
30
Fotopomnoževalka - PMT
• Učinkovitost pretvorbe vidne svetlobe v izbite elektrone je
znana in se imenuje količinska učinkovitost-quantum
efficiency. Tipične vrednosti pretvorbe so 1 do 2
fotoelektrona na 10 fotonov vidne svetlobe.
• Tipični faktor pomnožitve izbitih elektronov je x 3 do x 6 na
dinodo, v fotopomnoževalki pa za faktor najmanj 106.
• PMT za svoje delovanje potrebuje visoko napetost-HV.
Napetost mora biti zelo stabilna saj je faktor pomnožitve
izbitih elektronov zelo občutljiv na spremembo dinodne
napetosti. Pri spremembi napetosti za 1% se anodni tok
(električni impulz) spremeni za okoli 10%. (Iz višine
električnega impulza določimo energijo radioaktivnega sevanja).
Ojačenje signala
Ojačanje106
Pozicijsko vezje – vrednost signalov
Y
X+=XY+:Max Y-:Min
X+: Min X-: Max
X+=X-
Y+ = Y-
Y+=Y-
X+:Max X-:Min
Y+=Y-
X
X+=XY+:Min Y-:Max
Pozicijsko vezje – energijski signal (Z)
Vsota signalov iz vseh fotopomnoževalk
nam da energijski signal Z.
Z=
+
x
+
x+
+
y
+
y
Energijski spekter gama kamere
Število countov in kvaliteta scintigrama
50 k countov
250 k countov
1000 k countov
Na čas akvizicije vpliva količine informacije (gama žarkov, ki prihajajo iz
telesa preiskovanca). Akvizicija traja običajno od 1 sekunde do 30 minut.
Count rate gama kamere do ~ 100.000 countov/sek.
Računalnik v povezavi z gama kamero
• Zajema podatke, ki jih posreduje gama kamera.
• Upravlja delovanje gama kamere.
• Shranjuje podatke, ki jih posreduje gama kamera.
• Omogoča prikaz scintigrafskih slik.
• Omogoča dodatno obdelavo shranjenih podatkov.
Zajemanje signala (podatkov) in matrika
Število countov v
matričnem elementu
Tehnične lastnosti gama kamere
• Prostorska ločljivost (spatial resolution)
- intrinsic (notranja) – (z odkritim kristalom – brez kolimatorja)
- extrinsic (geometrijska)
• Energijska ločljivost
• Enakomernost (uniformity)
- notranja
- geometrijska
• Linearnost
• Učinkovitost (efficiency)
- notranja
- geometrijska
• Občutljivost - števnost (sensitivity)
- notranja
- celotna (with scatter)
Prostorska ločljivost
• Predstavlja najmanjšo razdaljo med
točkastima izvoroma, ki ju lahko še ločimo.
Enaka je širini profila točkastega izvora na
polovični višini (FWHM).
• Večja je širina, slabša je ločljivost.
Prostorska ločljivost
• Intrinsic (notranja)
- kristal
- fotopomnoževalke
- pozicijsko vezje
• Extrinsic (geometrijska)
- kolimator
- matrika
Notranja ločljivost
število fotopomnoževalk in debelina kristala
• Število PMT (37, 61, 91) - več fotopomnoževalk:
– boljše geometrične lastnosti
– slabše statistične lastnosti
• Debelina kristala - s večanjem debeline kristala se:
– zmanjšuje ločljivost
– povečuje učinkovitost
Geometrijska ločljivost –
kolimator in matrika
Rg = d*(ae + b + c)/ae
•
•
•
•
d = širina odprtine
c = oddaljenost kolimatorja od sredine kristala
b = oddaljenost kolimatorja od točke meritve
ae = efektivna dolžina odprtine (debelina kolimatorja)
Matrike, ki se uporabljajo pri scintigrafskih slikanjih:
- 64x64,
- 128x128,
- 256x256.
Prostorska ločljivost
Prostorska ločljivost(Rt) je odvisna od:
– notranje ločljivosti (Rn)
– geometrijske ločljivosti (Rg)
– od sipanja v telesnih tkivih (Rs).
Rt = (Rn2 + Rg2 + Rs2)1/2
Prostorska ločljivost - nizkoenergijski kolimatorji
Energijski ločljivost in okno
Energijska ločljivost ~10%
Okno 20%
Enakomernost - uniformnost
• Integralna čez celo sliko
• Diferencialna od točke do točke
UFOV (Useful Field of View)
CFOV (Central Field of View)
Matrika 64 x 64
IU = (Max-Min)/(Max+Min)
Enakomernost - merjenje
•Intrinzična enakomernost
- Točkast vir na razdalji
•Ekstrinzična enakomernost
- 57-Co-57 ploščati vir
- Flat tank
- Dynamic line phantom
Enakomernost -tipične vrednosti
CFOV Integral
CFOV Differential
UFOV Integral
UFOV Differential
3.0%
2.1%
3.6%
2.3%
Linearnost
• Linearnost je opredeljena kot
sposobnost kamere, da pravilno
reproducira ravno mrežo
linearnih radioaktivnih izvorov.
Korekcije
Informacijo, ki jo posreduje gama kamera je možno v
dobršni meri popraviti s pomočjo korekcijskih matrik.
Korekcijske matrike:
• Enakomernosti
• Linearnosti