Климанов Физика ядерной медицины Ч.1 2012

Рис. 3.4. Типовая геометрия измерения распределения РФП в пациенте

Предположим, что γ-квант провзаимодействовал в позиции (*) около ФЭУ 6. Наибольшее количество света в этом случае получит фотокатод ФЭУ 6, количество же света упавших на фотокатоды других ФЭУ будет обратно пропорционально их расстоянию до точки взаимодействия. Из четырех зависящих от направления сиг-

как взаимодействие произошло в левом квадранте. Привязку сигнала к X-, Y-координатам можно провести по следующим формулам:

где k – константа; k/Z – коэффициент усиления.

Схема на рис. 3.5 показывает также процесс отображения на экране ЭЛТ (или ином дисплее) точек взаимодействия фотонов в кристалле. Позиционные X и Y сигналы поступают на вертикальную и горизонтальную отклоняющие пластины ЭЛТ. Одновременно Z сигнал анализируется амплитудным анализатором, и если его амплитуда находится в пределах заданного окна, то электронный

141

пучок ЭЛТ отпирается. В результате пучок ударяет в точку, определяемую координатами X и Y. Сигналы открытия входа регистрируются счетчиком для подсчета полного количества импульсов в изображении.

Рис. 3.5. Электронная схема получения взвешивающего фактора для гаммакамеры с семью ФЭУ. Локализация точки взаимодействия γ-кванта достигается суммированием взвешенных выходных сигналов от ФЭУ по четырем направлениям. Позиционные сигналы, представляющие X- и Y-координаты точки взаимодействия, подаются на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Z- сигнал производит открытие входа, если амплитуда импульса находится в заданном окне (адаптировано из [4])

142

Большинство современных камер имеет несколько окон в амплитудном анализаторе и возможность получать отображение распределения на дисплее для каждого окна. Это позволяет анализировать распределения нескольких р/н. В современных гаммакамерах применяется, кроме того, оцифровывание сигналов, компьютерная обработка изображений и другие усовершенствования.

Рис.3.6. Исследование пациента на современной гамма-камере с двумя детекторами

3. Основные физические характеристики медицинских гамма-камер

3.1.Собственная эффективность

Втех случаях, когда γ-кванты испытывают многократное рассеяние в кристалле, генерируемые X и Y сигналы не точно отражают координаты первичного взаимодействия, так как свет создается

внескольких 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

143

многократным рассеяниям заключается в уменьшении толщины кристалла, при этом возникает дополнительный положительный эффект, связанный с улучшением энергетического разрешения изза 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

144

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 аннигиляционных 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.

3.2.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 и 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.

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

145

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

(рис. 3.8)

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), нормальных 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)

146

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; le – эффективная длина отверстия (канала); ae – эффективная аппертура; Aopen – площадь одного отверстия на стороне кристалла; Aunit – площадь одного отверстия, включая междуканальный материал вокруг отверстия (например для круглых отверстий Aunit пропор-

циональна (A + S)2), для других форм отверстий Aopen и Aunit табулированы Ангером. При выводе уравнения для R предполагается

однородное параллельное перемещение коллиматора относительно точечного источника P.

Коллиматор с параллельными каналами:

A2

G open ; (3.5)

4 le2 Aunit

ма зависит от средней длины свободного пробега фотонов и изменяется с энергией.

Коллиматоры с параллельными каналами подразделяются на коллиматоры высокого разрешения, универсальные коллиматоры и коллиматоры 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 "ультравысокоэнергетические" 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.

3.3.Системная чувствительность

Системная чувствительность характеризует способность гаммакамеры эффективно регистрировать падающие на детектор фотоны. Чувствительность гамма-камеры определяется как число отсчетов, регистрируемых системой в единицу времени, на каждую единицу активности, присутствующей в плоском источнике, расположенным по центру на поверхности коллиматора перпендикулярно к его оси (с-1·Бк-1). Чувствительность зависит от ряда факторов, в том числе от геометрической эффективности коллиматора, собственной фотоэффективности детектора, установленного уровня дискриминации амплитудного анализатора импульсов (ААИ), мертвого времени системы и др.

При определении чувствительности рекомендуется в зависимости от типа коллиматора использовать жидкие источники 99mTc,

149

203Hg и 131I в кювете диаметром 100 мм и высотой 3 мм, выбирать энергетическое окно 20 % и скорость счета не более 104 имп./с [3].

3.4.Пространственное разрешение

Пространственное разрешение гамма-камеры определяется как способность прибора верно воспроизводить изображение объекта, четко вырисовывая в результате распределение активности в объекте. Количественно оно может быть определено как наименьшее расстояние между двумя параллельными линейными источниками, при котором на изображении они воспринимаются раздельно. Пространственное разрешение гамма-камеры включает две составляющие: собственную (внутреннюю) и внешнюю, обусловленную, главным образом, коллиматором. Собственное разрешение связано с точностью, с которой взаимодействие может быть локализовано внутри кристалла. Оно измеряется с помощью регистрации трансмиссионного изображения узкощелевого (ширина < 1 мм) фантома и определения распределения отсчетов в направлении, перпендикулярном к длинной оси щели. Кривая результирующего распределения называется функцией расширения (размытия) линии (англ. a line spread function (LSF)). Количественно собственное разрешение определяется как полная ширина на половине высоты распределе-

ния (англ. full-width-at-half-maximum (FWHM)) (рис. 3.11).

150