Климанов Физика ядерной медицины Ч.1 2012

Рис. 3.16. Диаграммное представление преувеличенных нелинейностей в одномерном варианте. Стрелки показывают перемещение сетки изображения в результате корректировки нелинейности [4]

Используя массив поправочных факторов, детектируемые события перемещаются на истинные X-, Y-локализации точек взаимодействия фотонов (в пределах внутреннего разрешения камеры). Для этого в электронную систему современных гамма-камер производители встраивают специальный микропроцессор, в память которого вводятся таблицы с поправочными факторами. Так как обычно гамма-камеры имеют небольшой дрейф характеристик со временем, то эти данные требуется периодически корректировать.

На рис. 3.17 показаны результаты улучшения изображения после введения коррекции энергетического отклика, нелинейности и неоднородности.

161

Рис. 3.17. Изображения жидкого источника в кювете (A1, B1, С1, D1)) и за четырех секторным щелевым фантомом (A2, B2, C2, D2)): (А1, А2) – без коррекции; (B1,B2) – c коррекцией энергетического отклика; (С1, С2) – с коррекцией энергетического отклика и нелинейности; (D1, D2) – с коррекцией неоднородности [4]

162

3.7.4. Автоматическая настройка ФЭУ

Оптимальное функционирование систем, выполняющих on-line коррекцию энергетической чувствительности и нелинейности, возможно только при условии постоянной подстройки ФЭУ. Сегодня фирмы применяют несколько методов для автоматического мониторирования и корректировки коэффициента усиления ФЭУ. Первой такую гамма-камеру выпустила на рынок General Electric. В основе их подхода лежит применение внешних источников света, в качестве которых используются световые диоды, и локализация фотопика в амплитудном спектре от внешнего источника 99mTc. Светодиоды прикрепляются к каждому ФЭУ. Для повышения стабильности их работы применяется температурная стабилизация. Длительность световых импульсов от 1 до 2 мкс. Выходные заряды от ФЭУ, вызываемые световыми вспышками, интегрируются по нескольким световым импульсам и сравниваются с опорным напряжением. Если различие превышает допустимый уровень, то включается автоматическая подстройка коэффициента усиления ФЭУ. Мониторирование осуществляется каждык 10 мс, время подстройки коэффициента усиления 100 мс.

3.7.5. Эффекты высокой скорости счета

Как отмечалось в главе 2, существенным недостатком сцинтилляционных детекторов с кристаллом NaI(Tl) является потеря части импульсов при высокой скорости счета вследствие эффекта наложения импульсов. Наложение импульсов, кроме того, приводит к одновременной регистрации двух событий (на самом деле отстоящих друг от друга на малый временной интервал) как одного события с амплитудой, отличающейся от обоих первичных событий. Если одно или оба события относятся к фотопикам, то тогда амплитуда нового события находится вне заданного интервала окна ААИ и событие будет отброшено, что приведет к потере отсчетов. Если, с другой стороны, "одновременно" регистрируются два фотона, испытавших комптоновское рассеяние, то они могут в сумме создать событие, эквивалентное по амплитуде фотопику, в результате событие будет зарегистрировано а пределах установленного окна ААИ. Но X-, Y- позиции события окажутся в изображении пе-

163

ремещенными куда-то в зону, расположенную между обоими событиями. Это вызывает искажение изображения. Таким образом, чрезмерно высокая скорость счета создает как потери в отсчетах, так и искажение изображения. На рис. 3.18 представлен пример изображения четырехсекторного квадратного бар-фантома при разных скоростях счета.

Рис. 3.18. Изображение четырех секторного квадратного бар фантома при разной скорости счета гамма-камеры: A – 10000 c-1; B – 100000 с-1[4]

Данная проблема становится особо актуальной для динамических процедур ЯМ. В литературе проводились активные обсуждения по поводу методики измерения мертвого времени гамма-камер, связанные с тем, что сцинтилляционные камеры включают как парализуемые, так и непарализуемые цепи (см. глава 2). Эти системы имеют разные зависимости наблюдаемой скорости счета от скорости поступления входных импульсов (рис. 3.19). В результате обсуждения был одобрен метод расщепленного источника, предложенный Адамсом с коллегами [10]. Если мертвое время найдено, то скорость счета для парализуемой системы рассчитывается по формуле:

164

где nt – истинная скорость счета (т.е. скорость счета при пренебрежимо малом мертвом времени); n0 – наблюдаемая скорость счета;

τ– мертвое время, измеренное методом расщепленного источника.

Вэтом методе используются два источника 99mTc достаточно высокой активности, чтобы создать скорость счета (0,10/ τ) ± 20 % при размещении их снизу камеры. Сначала измеряется скорость

счета от первого источника n1, затем от двух источников, размещенных рядом друг с другом, n12 и, наконец, от одного второго источника n2. Мертвое время парализуемой системы находится из выражения:

Рис. 3.19. Зависимость регистрируемой скорости счета от входной скорости поступления импульсов для трех разных систем

Результат измерения τ зависит от доли счета в полном энергетическом спектре, которая включается в энергетическое окно, так как

165

компоненты системы, участвующие в измерении мертвого времени, работают перед ААИ. Кроме того, значение мертвого времени зависит также от вклада рассеянного излучения.

В технических данных гамма-камеры обычно указывается наблюдаемая скорость счета для 20 % энергетического окна, при которой из-за мертвого времени теряется 20 % отсчетов. Другой часто специфицируемый параметр представляет скорость счета, при которой зависимость наблюдаемой скорости счета от активности источника приобретает отрицательный наклон. Эта величина является абсолютным пределом для прибора. В современных гаммакамерах эти величины находится в интервале 120000 – 170000 с-1 для 20 % потери счета и 350000 с-1 для абсолютного предела.

Следует упомянуть, что разработчиками было создано несколько вариантов гамма-камер, удовлетворительно работающих при существенно больших загрузках с помощью укорочения длительности импульсов (до 106 с-1, например в [11]). Однако это привело к ухудшению энергетического разрешения. Компания "Филипс", разделив детектор на отдельные зоны, довела допустимую загрузку до 4·106 с-1, однако данное решение существенно усложнило конструкцию гамма-камеры. Кроме того, эта модель разрабатывалась специально для регистрации аннигиляционных фотонов.

3.8.Многокристальные и полупроводниковые гамма-камеры

В предыдущих разделах обсуждались особенности и технические характеристики традиционной гамма-камеры с тонким, но широким кристаллом NaI(Tl), свет от которого регистрировался сборкой ФЭУ. В этом разделе рассмотрим другие конструкции камер, некоторые из которых потенциально являются достаточно перспективными

Многокристальная гамма-камера состоит из матрицы индивидуальных γ-детекторов, кристаллов или твердотельных детекторов толщиной от 2 до 10 мм, упакованных в единую конструкцию, образующую поле видимости гамма-камеры. Внутреннее разрешение такой системы определяется размерами детекторов. Задача позиционной электроники здесь заключается в простом определении – какой из детекторов активирован? Дополнительным преимущест-

166

вом такого устройства является возможность работы при высокой скорости счета. Недостаток многокристальной камеры состоит в относительно слабом внутреннем разрешении (> 1 см). В настоящее время коммерческих предложений по ней нет.

Главной особенностью следующей разработки, предложенной в середине 80-х годов прошлого века, является применение позици- онно-чувствительных ФЭУ (ПЧФЭУ). Такие ФЭУ имеют значительно большую площадь фотокатода (6 х 6 см2). Принцип их работы иллюстрируется на рис. 3.20.

Рис. 3.20. Схематическое изображение позиционно-чувствительного ФЭУ [4]

Внутри ПЧФЭУ расположена двумерная сетка динодов, пространственно организованных так, что они идут от фотокатода к решетке перекрещивающихся анодных проволочек, расположенных на расстоянии 2 – 3 мм друг от друга. Считывание электрического заряда и расчет локализации сцинтилляции света в кристалле подобны таким же операциям в гамма-камере Ангера. Преимущество этой системы в том, что ПЧФЭУ обеспечивает определение

167

локализации события в пределах 2 – 3 мм. Вместе с тем, у нее существуют те же проблемы однородности и линейности, как и у гамма-камеры Ангера. Детальное описание одного из вариантов гамма-камеры с ПЧФЭУ и кристаллом CsI(Tl) дается в работе [12].

Внастоящее время этот тип гамма-камеры коммерчески доступен.

Вследующей новой разработке применено сочетание многокристального детектора и ПЧФЭУ [13,14]. Камера имеет несколько реализаций – от переносного прибора до стационарной камеры с большим поле обзора и предназначена для проведения сцинтимаммографии. Недостатками этого варианта являются большая нелинейность в периферийной области и сильное проявление эффекта мертвого времени. Производство таких камер налажено в нескольких компаниях.

Альтернативой ФЭУ в последнее время успешно выступают полупроводниковые светодиоды (англ. light-sensitive semiconductor photodiode (SPD)). Преимущество SPD – малые размеры, что позволяет их монтировать на каждом отдельном кристалле (в многокристальном варианте), относительно большая активная площадь и небольшое "мертвое" пространство. SPD имеют также высокую квантовую эффективность, от 70 до 80 %, по сравнению с 20 % у ФЭУ, однако коэффициент усиления SPD на много порядков меньше, чем у ФЭУ. Кроме того, у них высокие токи утечки, поэтому отношение сигнал-шум меньше, чем у ФЭУ, что приводит к худшему энергетическому разрешению. Другой существенный недостаток SPD – сбор электронно-дырочных пар из обедненной носителями зарядов области полупроводника от 2 до 10 раз медленнее, чем распространение электронов через диноды ФЭУ. Следствием является большие потери счета при высокой скорости входных событий.

Несколько групп разработали SPD системы гамма-камер [15]. Эти камеры могут рассматриваться как настоящие плоские панели, так как их полная толщина меньше 1 см. Компания Digirad

Corporation создала коммерческую систему, состоящую из 4096 кристаллов CsI(Tl) размером 3 х 3 х 6 мм3, сочлененных с матрицей 64 х 64 SPD. Кристаллы CsI(Tl) при работе в паре с SPD имеют ряд преимуществ перед NaI(Tl), в частности, более походящий к SPD спектр света.

168

Полупроводники с прямым детектированием излучения (англ. SDR) представляют большой потенциальный интерес для разработчиков гамма-камер с высоким энергетическим разрешением. Германиевые и кремниевые детекторы нашли широкое применение в гамма-спектроскопии. Но их применение в гамма-камерах было затруднительно из-за необходимости охлаждения до температуры жидкого азота. Ситуация изменилась с появлением SDR-детекторов на базе диодов с обратно смещенными p-n-переходами. Они могут работать при комнатной температуре, но для детектирования γ- излучения с достаточно высокой эффективностью необходима широкая протяженность района, обедненного носителями заряда (именно он является чувствительной областью), высокое напряжение смещения и материал с высокой тормозной способностью. Наиболее подходящим на сегодняшний день является теллурид- кадмий-цинк (СdZnTe или CZT). Он может работать при комнатной температуре, имеет приемлемое отношение сигнал-шум, энергетическое разрешение от 2 до 5 % . Однако глубина района у CZT, обедненного носителями заряда, порядка 5 мм, что ограничивает его применение, в основном, низкоэнергетическим γ-излучением.

Детекторы CZT сегодня достаточно дорогие, поэтому они применяются в переносных гамма-камерах с небольшим полем обзора. Например, в работе [16] описана переносная CZT гамма-камера с площадью 3,2 х 3,2 см2 с 256 CZT кристаллами размерами 2 х 2 мм2. Разрешение камеры 8,6 % для 140-кэВ фотонов и внешнее пространственное разрешение 2,2 мм FWHM на поверхности низкоэнергетического вольфрамового коллиматора высокого разрешения. В последних моделях энергетическое разрешение для 140-кэВ фотонов улучшено до 6 %.

4. Тесты контроля качества работы гамма-камер

Для проверки качества изображения, создаваемого устройствами визуализации, требуется регулярно выполнять ряд тестов работы гамма-камер. По частоте выполнения тесты разделяются на ежедневные, еженедельные, ежемесячные и ежеквартальные. Наиболее общеупотребительные тесты – это позиция фотопика, однородность и пространственное разрешение камеры. Эти тесты про-

169

водятся с прикрепленными к гамма-камере коллиматорами (внешние) или без коллиматоров (внутренние) для каждого радионуклида (р/н), применяемого в клинических исследованиях.

Вметоде внутреннего тестирования источник конкретного р/н, содержащий в шприце приблизительно от 100 до 200 мкКи (от 3,7 до 7,4 МБк) активности, размещается по нормали к детектору на расстоянии от четырех до пяти размеров поля обзора для обеспечения однородности облучения детектора.

Вметоде внешнего тестирования применяется плоский источник из пластика, содержащего необходимый р/н, который размеща-

ется непосредственно на поверхности коллиматора. При работе с 99mTc такой источник приготавливается добавлением нескольких

мКи активности 99mTc в заполненный водой плоский тонкий пластиковый контейнер. Раствор должен быть хорошо перемешан и не содержать воздушных пузырьков. Из-за неудобства ежедневного приготовления такого источника и лишнего облучения персонала можно применить альтернативный твердый плоский источник 57Со, который выпускается в форме прямоугольных и круглых листов. По испускаемой энергии (122 и 136 кэВ) 57Со близок к 99mTc. Ко- бальт-57 имеет период полураспада ~ 270 дней, поэтому может использоваться в течение одного – двух лет.

4.1.Ежедневные тесты

Ежедневной проверки требует положение фотопиков для всех р/н, используемых в клинике. Это является необходимым для настройки центра окна ААИ на центр фотопика. В старых аналоговых моделях гамма-камер подстройка положения фотопиков производится с помощью изменения высокого напряжения на ФЭУ. В современных цифровых моделях эта операция выполняется автоматически через соответствующую опцию меню. Если положение фотопика изменилось больше, чем на 10 %, камера должна быть отрегулирована. Для этого имеется специальная компьютерная программа.

Однородность отклика детектора проверяется ежедневно с помощью плоского жидкого или твердого источника 57Со, размещаемого на поверхности низкоэнергетического коллиматора с высоким

170