3.4.4. Гамма-камеры

Для обнаружения распределения радионуклидов в разных органах используют гамма-топограф (сцинтиграф), который автоматически регистрирует интенсивности радиоактивного препарата (сцинтиграмму). Это сканирующий счетчик, который постепенно проходит большие участки над телом больного. Регистрация излучения фиксируется, например, штриховой отметкой на бумаге. Это дает сравнительно грубое распределение ИИ в органах. Более детальные сведения можно получить методом авторадиографии. На исследуемый объект наносится слой чувствительной фотопленки, в которой оставляют след содержащиеся в объекте радионуклиды. Полученный снимок называют радиоавтографом или авторадиограммой.

Установки, позволяющие проводить количественный анализ сцинтиграмм, получили, возможно, не очень точно отражающее их основное назначение, но общепринятое название гамма-камер.

Функционально гамма-камера представляет собой совокупность четырех основных блоков: коллиматора, позиционно-чувствительного детектора γ-квантов, электронной системы формирования координатных сигналов и устройства представления и регистрации изображения [39].

Позиционно-чувствительным детектором (ПЧД) γ-квантов называют детектор, который позволяет определять координаты попадания в него квантов γ-излучения и, как правило, одновременно и энергию, переданную квантом чувствительному объему детектора. ПЧД — основной, принципиально важный блок гамма-камеры, определяющий качество получаемого изображения и специфику прибора в целом. Наиболее общие требования, предъявляемые к характеристикам ПЧД и вытекающие из назначения и условий применения гамма-камер, касаются эффективности регистрации и площади чувствительной поверхности детектора. Для визуализации быстропротекающих процессов в организме, например, прохождения РФП через камеры сердца, требуется получать статистически достоверные изображения за время не более 0,1 с. Поэтому к детекторам гамма-камер предъявляются требования высокой эффективности регистрации в диапазоне энергий примерно до 500 кэВ. Максимальные требования к полезной площади детектора предъявляются при визуализации скелета пациента и выражаются в величине площади примерно 50×200 см. Для большинства исследований внутренних органов и систем, проводимых с помощью гамма-камер, достаточно иметь площадь детектора порядка 10³ см², позволяющую одновременно визуализировать, например, оба легких или легкое и печень. Указанное значение полезной площади обычно считается минимально допустимым при конструировании гамма-камеры.

Наибольшее распространение на практике получили сцинтилляционные позиционно-чувствительные детекторы (СПЧД). Сцинтилляционный метод регистрации удачно сочетает высокую эффективность регистрации и хорошее быстродействие с большой полезной площадью детектора. Тем самым все существующие диагностические методики обеспечиваются достаточным энергетическим и пространственным разрешением.

Основными метрологическими характеристиками гамма-камеры, опреде-ляющими информативность и эффективность диагностического процесса, являются чувствительность, пространственное и энергетическое разрешение, характеристика скорости счета, однородность и линейность изображения.

Все характеристики гамма-камеры можно разделить на системные и соб-ственные. Системные характеристики измеряются для гамма-камеры вместе с коллиматором, при этом значения характеристик для различных коллиматоров могут существенно различаться. Поскольку обычно гамма-камеры снабжаются несколькими сменными коллиматорами, целесообразно наряду с системными рассматривать собственные характеристики, измеряемые без коллиматора.

Блок-схема классической гамма-камеры (типа Ангера) состоит из корпуса детекторной головки, фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), коллиматора, сцинтилляционного кристалла, линейного усилителя с сумматором, амплитудного селектора, системы представления данных, изображения исследуемого органа. γ-кванты, испускаемые РФП, распределенным в теле пациента, через коллиматор попадают на СПЧД. Параметры коллиматора обычно выбираются так, чтобы обеспечить попадание γ-излучения из каждого элементарного объема источника на соответствующий достаточно малый элемент чувствительной поверхности детектора. Тем самым осуществляется преобразование трехмерного распределения РФП в проекционное двумерное распределение частоты актов взаимодействия γ-квантов с веществом детектора, т.е. планарное распределение сцинтилляционных вспышек света.

При попадании γ-кванта в сцинтилляционный кристалл возникает вспышка света, под воздействием которой на анодах всех ФЭУ одновременно появляются импульсы тока, амплитуда которых тем выше, чем ближе расположен данный ФЭУ к точке сцинтилляции. Сигналы ФЭУ усиливаются зарядово-чувствительными предусилителями и поступают на резисторную матрицу. Выход каждого предусилителя подключается ко входам сумматоров позиционных сигналов через сопротивления резисторной матрицы, величина которых определяет вклад данного ФЭУ в суммарный сигнал. На выходе резисторной матрицы формируются четыре позиционных сигнала +X, -X, +Y, -Y и энергетический сигнал Z. Сопротивления матрицы рассчитываются так, чтобы позиционные сигналы +X, +Y линейно возрастали в положительном направлении соответствующих осей координат, а –X, –Y — в отрицательном. При этом разность позиционных сигналов +X и –X (+Y и –Y) прямо пропорциональна одноименной координате сцинтилляции и меняет знак в центре сцинтилляционного кристалла. Энергетический сигнал формируется суммированием сигналов всех ФЭУ с равными весами на входе сумматора энергетического сигнала. При настройке детектора индивидуальной регулиров-кой чувствительности ФЭУ за счет изменения ускоряющего напряжения между динодами добиваются независимости амплитуды энергетического сигнала от местоположения сцинтилляций. Сформированный таким образом энергетичес-кий сигнал пропорционален энергии взаимодействия γ-кванта с веществом кристалла и может использоваться для дискриминации неинформативных событий. Координатные сигналы X и Y определяют местоположение каждого полезного акта взаимодействия в кристалле. Совокупность сигналов X, Y, Z позволяет сформировать изображение распределения РФП.

Основной характеристикой коллиматора и детектора в целом является чувствительность к точечному источнику γ-излучения, определяемая как средняя частота регистрируемых импульсов при размещении такого источника в точке непосредственно перед детектором. Не менее важным свойством гамма-камеры является способность передавать без искажений информацию обо всем характере пространственного распределения радионуклида в объекте, или пространственное разрешение, определяемое через функцию передачи модуляции. Требования высокой чувствительности и высокого пространственного разрешения противоречат друг другу, и для достижения оптимума используются коллиматоры различных конструкций.

Кроме чувствительности и пространственного разрешения, используются другие характеристики гамма-камер: пространственная неоднородность чувст-вительности, линейность функции отклика, размер поля зрения, быстродейст-вие и т.д. Современные гамма-камеры значительно отличаются от классической гамма-камеры типа Ангера по уровню характеристик и имеют существенные конструктивные и функциональные отличия. К основным изменениям, опреде-ляющим современный облик гамма-камеры, относятся: применение пороговой схемы формирования сигналов и световодов с переменной оптической плотно-стью; наличие микропроцессорной системы автоматической настройки и стаби-лизации блока детектирования; применение встроенных микропроцессорных систем коррекции неоднородности и нелинейности изображений и средств современной вычислительной техники для автоматизации сбора данных, представления, обработки и архивации изображений.

В результате функциональной специализации сложились следующие основные модификации гамма-камер: стационарные, сканирующие все тело человека; томографические; специализированные (передвижные, для кардиологических исследований).

Основными конструктивными элементами стационарной гамма-камеры являются блок детектирования, штатив и контрольно-измерительный пульт. Помимо этих основных элементов в комплект гамма-камеры входят ряд вспо-могательных приспособлений, поставляемых по желанию заказчика, как-то: сменные коллиматоры, кровать-каталка, видеомонитор для контроля правиль-ности укладки пациента и т.п. Блок детектирования закрепляется на штативно-поворотном устройстве, управление перемещениями блока детектирования осуществляется с помощью выносного малогабаритного пульта.

Особое место среди прочих типов гамма-камер занимают камеры, сканирующие все тело (ВТ) человека (типа ВТ). Такие гамма-камеры снабжены устройством перемещения блока детектирования вдоль тела пациента и системой синхронного перемещения изображения относительно матрицы, на которой осуществляется регистрация изображения. В различных модификациях гамма-камер типа ВТ применяется как перемещение штатива с блоком детектирования относительно ложа пациента (ВТ типа 1), так и перемещение специального стола, на котором расположен пациент, относительно неподвиж-ного блока детектирования (ВТ типа 2). Достоинством камер типа 1 является относительно небольшая площадь, необходимая для размещения системы, не-достатком — необходимость значительных конструктивных изменений штати-ва и трудность обеспечения равномерного движения штатива с блоком детекти-рования из-за их значительной массы. Достоинствами камер типа 2 являются относительная простота и малая требуемая мощность электромеханических узлов, возможность использования стандартной гамма-камеры без каких-либо конструктивных изменений, зато безусловным недостатком является требование большой площади (примерно вдвое большей, чем для камер типа 1).

Для обследования нетранспортабельных больных используют передвижные гамма-камеры. Передвижные гамма-камеры по сравнению со стационарными имеют меньший диапазон энергий γ-излучения и меньший размер поля зрения, в остальном же они не отличаются от стационарных по метрологическим характеристикам.

Важную тенденцию, присущую современному приборостроению, отражает интенсивное внедрение в работу сцинтилляционных гамма-камер цифровых электронных устройств. Можно утверждать, что в ближайшем будущем все аналоговые гамма-камеры полностью трансформируются в цифровые. Первым шагом в этом направлении была замена аналогового осциллографического дисплея на цифровой графический и переход от аппаратного управления режимом исследования к диалоговому, т.е. к диалогу оператора с встроенной микропроцессорной системой. Изображение формировалось на матрице размером 256×256 элементов и воспроизводилось как минимум с 64 градациями яркости. Современные матрицы позволяют получать значительно более высокое разрешение и число градаций яркости, но главное здесь не в количественных показателях исследования (прогресс технологий может существенно расширять эти возможности), а в качественном изменении характера исследования. Переход к цифровой обработке информации позволяет резко сократить время обследования (повторные обследования не требуются), получать многочисленные копии изображений, изменять в широких пределах контраст изображения, вводить результаты исследования в компьютер для последующей всесторонней обработки в соответствии с имеющимся пакетом программ (следовательно, повышать надежность и воспроизводимость полученной информации) и т.п. Работа в диалоговом режиме позволяет резко снизить требования к технической подготовке оператора и тем самым многократно расширить сферу применения аппаратуры. В цифровых гамма-камерах блок детектирования можно рассматривать как устройство ввода данных в компьютер и управляемое от самого компьютера. Следовательно, цифровую гамма-камеру вполне логично объединить конструктивно с компьютерной системой обработки информации, превратив их в интегрированный измерительно-информационный комплекс.