3. Основные физические характеристики медицинских гамма-камер

   1. Собственная эффективность

В тех случаях, когда γ-кванты испытывают многократное рассеяние в кристалле, генерируемые X и Y сигналы не точно отражают координаты первичного взаимодействия, так как свет создается в нескольких областях кристалла в пределах временного интервала, меньшего чем временное разрешение ФЭУ. Если существенная доля падающих фотонов испытывает многократное рассеяние, то это может привести к уменьшению пространственного разрешения до неприемлемого уровня. Наиболее эффективный прием борьбы с многократным рассеяниям заключается в уменьшении толщины кристалла, при этом возникает дополнительный положительный эффект, связанный с улучшением энергетического разрешения из-за уменьшения параллакса при распространении света. Но с другой стороны, уменьшение толщины кристалла приводит и к уменьшению собственной эффективности регистрации фотонов.

На рис. 3.7 проводится сравнение эффективностей регистрации фотонов разных энергий для двух толщин кристалла; 12,7 и 6,35 мм. Эта величина определяется как доля γ-квантов, падающих нормально на плоскую поверхность кристалла, которые полностью отдают свою энергию в кристалле либо вследствие фотоэлектрического поглощения, либо в результате многократного комптоновского рассеяния. Как видно из рис. 3.6 для основной γ-линии р/н ¹³¹I с энергией 364 кэВ собственная пиковая эффективность для толщины кристалла 12,7 мм равна 0,3, в то время как для 140 кэВ фотонов р/н ^99mТс она равна 0,9. Этот пример наглядно демонстрирует, что сочетание гамма-камеры Ангера с генераторами ^99mTc явилось важнейшим шагом в развитии инструментария радионуклидной диагностики.

Рис. 3.7. Сравнение зависимости от энергии фотонов собственной пиковой

эффективности кристалла NaI(TL) для двух толщин кристалла

Анализ распределения РФП, испускающих более высокоэнергетичное излучение, чем ^99mTc, требует применения кристаллов большей толщины, иначе произойдет уменьшение эффективности регистрации. Увеличение толщины кристаллов в гамма-камере приводит к ряду нежелательных эффектов. Тем не менее, имеются важные приложения (например, регистрация аннигилляционных фотонов с энергией 0,511 МэВ), в которых толщина кристалла повышается до 15 – 25 мм. С возникающими при этом отрицательными эффектами борются с помощью цифрового процессинга.

2. Эффективность коллиматора

Коллиматор в гамма-камерах прикрепляется непосредственно к лицевой стороне кристалла для ограничения поля видимости, чтобы γ-кванты, образующиеся вне изучаемой области, не могли попасть в детектор. Коллиматоры делаются обычно из материалов с высоким атомным номером высокой тормозной способностью таких, как вольфрам, свинец (наиболее экономичный вариант) и платина. Коллиматоры производятся различного размера, формы и могут включать один или много каналов для просмотра поля интереса.

Классификация коллиматоров чаще всего проводится по типу фокусирования. В зависимости фокусирования они разделяются на коллиматоры: с параллельными отверстиями; каналами, сходящимися в одной точке (конвергентными); каналами, расходящимися из одной точки (дивергентными) и пинхольными (рис. 3.8)

Рис.3.8. Четыре основных типа конструкции коллиматоров для гамма-камер

Пинхольные коллиматоры имеют коническую форму с одним отверстием и применяются для визуализации небольших органов таких, как щитовидная железа, и обеспечивают увеличение изображения. Конвергентные коллиматоры применяются для увеличения изображения, когда орган интереса по размерам меньше размера детектора. Дивергентные коллиматоры, наоборот, применяются, когда размеры органа интереса (например, легкого) шире размеров детектора. Коллиматоры с параллельными отверстиями изготавливаются с большим количеством параллельных каналов (от 4000 до 46000), которые нормальны к поверхности детектора. Они наиболее часто используются в ЯМ и обеспечивают изображение один к одному. Геометрические параметры различных типов коллиматоров показаны на рис. 3.9 и 3.10, расчет геометрических характеристик описывается ниже.

Рис. 3.9. Геометрические параметры коллиматора с параллельными

отверстиями (А) и конвергентного коллиматора (Б)

Рис.3.10. Геометрические параметры дивергентного коллиматора (В) и

пинхольного коллиматора (Г)

Расчетные формулы [4] приводятся отдельно для каждого типа коллиматора, при этом используются следующие обозначения: G – геометрическая эффективность для точечного источника; R – ширина распределения на половине высоты; I(r) – плоскость изображения точечного источника, расположенного в точке P; R₀ – геометрическое пространственное разрешение в объектной плоскости; l_e – эффективная длина отверстия (канала); a_e – эффективная аппертура; A_open – площадь одного отверстия на стороне кристалла; A_unit – площадь одного отверстия, включая междуканальный материал вокруг отверстия (например для круглых отверстий A_unit пропорциональна (A + S)²). для других форм отверстий A_open и A_unit табулированы Ангером. При выводе уравнения для R предполагается однородное параллельное перемещение коллиматора относительно точечного источника P.

Коллиматор с параллельными каналами:

(3.5)

(3.6)

где

Конвергентный коллиматор:

(3.7)

(3.8)

(3.9)

Дивергентный коллиматор:

(3.10)

(3.11)

(3.12)

где F – расстояние между плоскостью изображения и локальной точкой, расположенной на задней стороне коллиматора.

Пинхольный коллиматор:

(3.13)

(3.14)

(3.15)

Основными параметрами, влияющими на эффективность и разрешение коллиматоров, являются форма и площадь поперечного сечения отверстий, длина каналов и толщина свинца септума ( перегородки) между каналами, которая определяет долю площади кристалла, открытую для излучения. Оптимальная толщина септума зависит от средней длины свободного пробега фотонов и изменяется с энергией.

Коллиматоры с параллельными каналами подразделяются на коллиматоры высокого разрешения, универсальные и высокой чувствительности. Кроме того, существует классификация по энергии: низкоэнергетические, высокоэнергетические и "среднеэнергетические". Высокочувствительные коллиматоры имеют наименьшую толщину, в то время как коллиматоры с высоким разрешением, наоборот, наибольшую.

В настоящее время начали выпускаться "ультра-высоко-энергетические" коллиматоры, предназначенные для регистрации 511-кэВ фотонов. Фирмы предлагают также несколько специальных типов коллиматоров, например, веерные коллиматоры и конусные коллиматоры. У веерных коллиматоров каналы по одной координате являются сходящимися, а по другой параллельными. У конусных коллиматоров каналы сходятся по двум координатам. Оба типа предназначены для увеличения изображений небольших объектов. Наконец, кроме коллиматоров с круглыми сечениями каналов начали производиться коллиматоры с квадратной, гексагональной и даже треугольной формой поперечного сечения. Эти типы коллиматоров обеспечивают более высокое пространственное разрешение, чем коллиматоры с круглыми каналами.