Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_148_библиотеки_им_акад_М_И_Перельмана
.pdf
https://t.me/med1917
БИБЛИОГРАФИЯ
GADD, R., et al., Protocol for Establishing and Maintaining the Calibration of Medical Radionuclide
Calibrators and their Quality Control, Measurement Good Practice Guide No. 93, National Physical
Laboratory, UK (2006).
GROTH, M.J., Empirical dose rate and attenuation data for radionuclides in nuclear medicine,
Australas. Phys. Eng. Sci. Med. 19 (1996) 160–167.
NATIONAL HEALTH AND MEDICAL RESEARCH COUNCIL (Australia), Recommended
Limits on Radioactive Contamination on Surfaces in Laboratories, Radiation Health Series No. 38,
NHMRC (1995).
SCHRADER, H., Activity Measurements with Ionization Chambers, Monographie Bureau
International des Poids et Mesures No. 4 (1997).
277
https://t.me/med1917
ГЛАВА 10
НЕВИЗУАЛИЗИРУЮЩИЕ ДЕТЕКТОРЫ И СЧЕТЧИКИ
П. Б. ЗАНЗОНИКО
Кафедра медицинской физики,
Мемориальный онкологический центр Слоуна Кеттеринга,
Нью-Йорк, Соединенные Штаты Америки
10.1. ВСТУПЛЕНИЕ
Исторически ядерная медицина в основном была специальностью,
основанной на визуализации, с использованием таких разнообразных и все
более сложных методов, как прямолинейное сканирование, (планарная)
визуализация с помощью гамма-камеры, однофотонная эмиссионная
компьютерная томография (ОФЭКТ) и позитронно-эмиссионная томография
(ПЭТ). Однако обнаружение радиации при отсутствии визуализации остается
важным компонентом ядерной медицины. В этой главе рассматриваются
принципы работы, производительность, применение и контроль качества
(КК) различных устройств для обнаружения и измерения радиации при
отсутсвии визуализации, используемых в ядерной медицине, включая
измерительные приборы, калибраторы доз, счетчики лунок,
интраоперационные датчики и датчики поглощения органов. Связанные
темы, в том числе основы обнаружения радиации, статистика ядерного
подсчета, электроника, общие параметры работы приборов и устройства
визуализации для ядерной медицины, подробно рассматриваются в других
главах этой книги.
10.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ДЕТЕКТОРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Детекторы излучения, встречающиеся в ядерной медицине, в целом
можно охарактеризовать как сцинтилляционные или ионизационные
детекторы (рис. 10.1). В сцинтилляционных детекторах видимый свет
генерируется при возбуждении атомов кристалла или другого сцинтиллятора
излучением, преобразуется в электронный сигнал или импульс и усиливается
фотоумножителем (ФЭУ) и его высоким напряжением (500–1500 В). В
ионизационных детекторах свободные электроны, образующиеся в результате
ионизации радиацией останавливающего материала внутри чувствительного
объема, электростатически собираются с помощью напряжения смещения
(10–500 В) для создания электронного сигнала. Как в сцинтилляционных, так
и в ионизационных детекторах «необработанный» сигнал затем формируется
и усиливается. Для некоторых типов детекторов полученные импульсы
сортируются по их амплитуде (или высоте импульса), которая связана с
энергией рентгеновских или γ-лучей, поглощенной в детекторе.
278
–
– – – – – –
Подсчитываются импульсы в заданном диапазоне длительности импульса
Импульс, отсортированный по амплитуде (высоте)
Сформированный и усиленный импульс
«Необработанный» электронный сигнал
(импульс)
Высокое напряжение
500–1500 В
Трубка
фотоумножителя
Фотокатод
Кристалл
Рентгеновское или γ-излучение
Материал
детектора
Рентгеновское или γ-излучение
Катод
Анод
Напряжение
смещения
10–500 В
a) Сцинтиляционный детектор
b) Ионизационный детектор
https://t.me/med1917
10.2.1. Детекторы ионизации
Детекторные материалы в наиболее распространенных ионизационных
детекторах являются газообразными, поэтому такие детекторы часто называют
газонаполненными детекторами; однако, как обсуждается ниже, также
существуют твердотельные ионизационные детекторы. Двумя наиболее широко
распространенными детекторами ионизации газа в ядерной медицине являются
калибраторы дозы и счетчики Гейгера. Принципиальное различие между этими
детекторами заключается в величине напряжения смещения между анодом и
катодом, что графически показано на рис. 10.2. Когда напряжение смещения
меньше 300 В, пары ионов (т. е. свободные электроны и положительные ионы),
образующиеся при прохождении излучения через чувствительный объем, могут
рекомбинировать, тем самым предотвращая попадание по крайней мере
некоторых электронов на анод и создавая искусственно низкий сигнал. Поэтому
диапазон 0–300 В называют областью рекомбинации.
Рис. 10.1. Основная конструкция и принципы работы (a) сцинтилляционных и (b)
ионизационных детекторов
При напряжении смещения 300 В все первичные электроны (т. е.
электроны, образующиеся непосредственно в результате ионизации материала
детектора падающим излучением) собираются на аноде, и сигнал детектора,
таким образом, максимизируется. Поскольку нет дополнительных первичных
279
300
1200
900
600
10
6
10
3
1
10
9
Сигнал (общее количество электронов на первичный электрон)
Область спонтанных разрядов
Область ионизирующей камеры
Область счетчика Гейгера
Напряжения смещения (В)
https://t.me/med1917
9
10
Рис. 10.2. Сигнал (выраженный как коэффициент усиления, то есть общее количество
электронов на один первичный электрон, образующийся в материале детектора) как функция
напряжения смещения для газонаполненных ионизационных детекторов. Принципиальным
отличием таких детекторов является величина напряжения смещения между анодом и
катодом. Указанные коэффициенты усиления и напряжения являются приблизительными
электронов, которые нужно собирать, дальнейшее увеличение напряжения
смещения (до 600 В) не приводит к увеличению сигнала. Диапазон
напряжений 300–600 В, где суммарный сигнал эквивалентен числу первичных
электронов и, следовательно, пропорционален энергии падающего излучения,
называется областью ионизационной камеры. Однако при напряжении
смещения 600–900 В большая электростатическая сила притяжения анода
ускоряет свободные электроны по мере их движения к аноду до достаточно
высоких скоростей, чтобы выбросить дополнительные орбитальные
электроны (т. е. вторичные электроны) внутри чувствительного объема, что
способствует увеличению общего сигнала — чем выше напряжение, тем более
энергичны электроны и тем больше вторичных электронов добавляется к
общему сигналу. Таким образом, число электронов, составляющих общий
сигнал, пропорционально первичному числу электронов и энергии падающего
излучения, поэтому диапазон 600–900 В называется областью
пропорционального счетчика. При дальнейшем увеличении напряжения
смещения, превышающем 900 В (до 1200 В), свободные электроны
(первичные и вторичные) ускоряются до очень высоких скоростей и ударяют
280
https://t.me/med1917
по аноду с достаточной энергией, чтобы выбить дополнительные электроны с
самой поверхности анода. Эти третичные электроны, в свою очередь,
ускоряются обратно к поверхности анода и выбрасывают еще больше
электронов, эффективно формируя электронное «облако» над поверхностью
анода и предоставляя постоянный общий сигнал даже при дальнейшем
увеличении напряжения смещения. Диапазон 900–1200 В называется
областью счетчика Гейгера (или области Гейгера–Мюллера). Важно отметить,
что величина заряда, представленного этим электронным облаком, не зависит
от количества электронов, инициирующих его образование. Поэтому, в
отличие от сигналов ионизационной камеры и пропорциональных счетчиков,
сигнал счетчика Гейгера не зависит от энергии падающего излучения.
Наконец, за пределами напряжения смещения 1200 В атомы внутри материала
детектора ионизируются даже в отсутствие ионизирующего излучения (т. е.
подвергаются спонтанной ионизации), создавая искусственный сигнал;
диапазон напряжений выше 1200 В известен как область самопроизвольного
разряда.
Хотя напряжение смещения является принципиальным различием
между различными типами газонаполненных ионизационных детекторов,
могут быть и другие различия. Например, чувствительный объем может быть
запечатан или не запечатан. Негерметизированные чувствительные объемы
содержат только воздух при атмосферном (окружающем) давлении. Для
детекторов с открытыми объемами сигнал должен быть скорректирован путем
расчета разницы между температурой и давлением, при которых детектор был
откалиброван (обычно стандартные температура и давление: 27 °C и 760 мм
рт. ст. соответственно) и условиями окружающей среды при времени
фактического измерения. Для детекторов с герметичными объемами можно
использовать газы, отличные от воздуха (например, аргон), и газ может
находиться под давлением, предоставляя более высокую тормозную
способность и, следовательно, более высокую чувствительность, чем
детекторы, имеющие газ при отсутствии давления в чувствительном объеме.
Кроме того, могут использоваться различные геометрические расположения
анода и катода, такие как параллельные пластины (используются в некоторых
ионизационных камерах), проволока вдоль оси цилиндра (используется в
счетчиках Гейгера) и т. д.
Функциональные свойства и, следовательно, применение различных
типов ионизационных детекторов — ионизационных камер,
пропорциональных счетчиков и счетчиков Гейгера — в значительной степени
определяются их соответствующим сигналом, зависящим от напряжения
смещения (таблица 10.1). Ионизационные камеры широко используются в
лучевой терапии для калибровки мощности терапевтических установок, а
также в ядерной медицине в качестве калибраторов дозы (т. е. устройств,
используемых для анализа радиофармацевтической активности).
Относительно низкая чувствительность ионизационных камер не является
серьезным недостатком для таких применений, поскольку интенсивность
излучения обычно довольно велика. Однако стабильность реакции является
281
https://t.me/med1917
важным преимуществом, поскольку она позволяет использовать
необусловленную электроэнергию переменного тока (т. е., предоставляемую
обычными настенными розетками). Пропорциональные счетчики из-за
необходимости стабильного напряжения смещения и, следовательно,
специализированных источников питания ограничены исследовательскими
приложениями (например, в радиобиологии), где как более высокая
чувствительность, так и возможность распознавания энергии могут быть
выгодными. В пропорциональных счетчиках часто используется
незагерметизированный чувствительный объем, пропускающий газ. Счетчики
Гейгера из-за их высокой чувствительности и стабильности по напряжению
(позволяющих использовать портативный источник питания, например,
обычную батарею), широко используются в качестве измерительных приборов
для измерения уровней радиации окружающей среды и обнаружения
радиоактивного загрязнения. Для таких приложений решающее значение
имеет чувствительность, а не энергетическая дискриминация. Как и в случае с
калибраторами дозы, счетчики Гейгера имеют герметичные чувствительные
объемы, что позволяет избежать необходимости корректировки температуры
и давления.
В дополнение к более привычным газонаполненным ионизационным
детекторам теперь доступны твердотельные ионизационные детекторы.
Такие детекторы основаны на семействе материалов, известных как
полупроводники. Соответствующая разница между (кристаллическими)
твердыми телами — проводниками, изоляторами и полупроводниками —
связана с шириной их соответствующих электронных «запрещенных»
энергетических щелей. В полупроводнике высшие энергетические уровни,
занятые электронами, полностью заполнены, но запрещенная зона
достаточно узка (< 2 эВ), чтобы осуществить радиационное или даже
тепловое возбуждение при комнатной температуре, тем самым позволяя
небольшому количеству электронов пересечь запрещенную зону и занять
энергетические уровни среди пустых верхних энергетических уровней. Такие
электроны подвижны и, следовательно, могут быть собраны напряжением
смещения, причем амплитуда результирующего сигнала эквивалентна числу
электронов, образующихся при излучении, и, следовательно,
пропорциональна энергии излучения. Хотя многие полупроводниковые
материалы имеют достаточно большую энергетическую щель (~ 2 эВ),
должны быть доступны методы получения кристаллов, относительно
свободных от структурных дефектов. Дефекты (т.е. неровности
кристаллической решетки) могут захватывать электроны, образующиеся в
результате излучения, и, таким образом, уменьшать общий собранный заряд,
ухудшая чувствительность и общие характеристики детектора
полупроводников. Для теллурида кадмия (CdTe), теллурида кадмия-цинка
(CZT) и йодистой ртути (HgI2) были разработаны практические и достаточно
экономичные методы выращивания кристаллов, и эти детекторы были
включены в коммерческие интраоперационные гамма-зонды и, в
ограниченном объеме, в гамма-камеры с малым полем зрения.
282
Ионизационный
детектор
Пропорциональный
счетчик
Счетчик
Гейгера
Рабочий диапазон
напряжения смещения
300–600 В
600–900 В
900–1200 В
Реакция стабильна по
отношению к напряжению?
а
Да
Нет
Да
Чувствительность
b
Низкая
Средняя
Высокая
Способен различать
энергию?
c
Да
Да
Нет
Назначение
Калибратор дозы
Исследование
Обзорный измеритель
https://t.me/med1917
ТАБЛИЦА 10.1. СВОЙСТВА ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ИОНИЗАЦИОННЫХ
ДЕТЕКТОРОВ
а
Стабильность по отношению к напряжению смещения соответствует постоянному
сигналу в соответствующем диапазоне рабочих напряжений детектора. В отличие от
ионизационных детекторов и счетчиков Гейгера, пропорциональные счетчики нестабильны по
отношению к напряжению смещения и, следовательно, требуют специализированных,
высокостабильных источников напряжения для постоянства отклика.
электронов, непосредственно создаваемых падающим излучением и, следовательно,
пропорционально его энергии, как в ионизационных детекторах и пропорциональных
счетчиках, излучения разных энергий могут быть распознаны (т. е. разделены). в зависимости
от амплитуды сигнала.
б
Чувствительность детектора связана с его коэффициентом усиления (см. рис. 10.2).
в
Если общее количество электронов, составляющих сигнал, пропорционально количеству
10.2.2. Сцинтилляционные детекторы
В сцинтилляционных детекторах излучение взаимодействует и отдает
энергию в сцинтилляторе, чаще всего с кристаллическим твердым веществом,
таким как йодид натрия, легированный таллием (NaI (Tl)). Выделенная таким
образом энергия излучения преобразуется в видимый свет. Поскольку свет
излучается изотропно (т. е. во всех направлениях), внутренняя поверхность
светонепроницаемого кристаллического корпуса покрыта отражающим
материалом, так что свет, излучаемый по бокам и передней части кристалла,
отражается обратно в сторону ФЭУ (рис. 10.3); это максимизирует количество
собираемого света и, следовательно, общую чувствительность детектора. Между
задней частью кристалла и входным окном ФЭУ находится световод, который
сегодня представляет собой просто тонкий слой прозрачного оптического геля.
Световод оптически соединяет кристалл с ФЭУ и, таким образом,
максимизирует передачу (> 90 %) светового сигнала от кристалла в ФЭУ. При
попадании света от кристалла фотокатод, расположенный на внутренней
поверхности ФЭУ, испускает электроны. Сразу за фотокатодом (который
находится на земле, то есть при 0 В) находится фокусирующая сетка, на которой
поддерживается относительно низкое положительное напряжение порядка 10 В.
Когда электроны проходят через фокусирующую сетку, они притягиваются
относительно большим положительное напряжение ~300 В на первом из ряда
283
https://t.me/med1917
небольших металлических элементов, называемых динодами. В результате удара
каждого электрона с высокой скоростью происходит выброс с поверхности
динода в среднем трех электронов. Выброшенные таким образом электроны
затем притягиваются еще большим положительным напряжением ~ 400 В на
втором диноде. Удар этих электронов о поверхность второго динода
выбрасывает в среднем еще три электрона на каждый падающий электрон.
Обычно ФЭУ имеет 10–12 таких динодов (или каскадов), каждый из которых на
~ 100 В более положителен, чем предыдущий динод, в результате чего общий
коэффициент электронного усиления для всего ФЭУ составляет 310–312. На
последнем аноде формируется выходной сигнал. Выходной сигнал ФЭУ
неправильной формы затем формируется предусилителем и далее усиливается в
логический импульс, который может быть дополнительно обработан
электронным способом. Получающиеся в результате электрические импульсы,
амплитуды (или «высоты») которых пропорциональны числу электронов,
образующихся на фотокатоде ФЭУ, поэтому также пропорциональны энергии
падающего излучения. Затем эти импульсы можно отсортировать по их высоте с
помощью дискриминатора энергии (также известного как анализатор высоты
импульса), а импульсы с высотой импульса (т. е. энергией) находятся в пределах
заданного окна энергии фотопика (как показано парой пунктирных
горизонтальных линии, перекрывающие импульсы на рис. 10.3),
подсчитываются таймером/скалером.
К преимуществам сцинтилляционных детекторов относятся:
— высокая плотность электронов (определяется массовой плотностью ρ и
эффективным атомным номером Z
эфф
);
— высокая светоотдача;
— для некоторых применений, таких как ПЭТ, скорость излучения света.
Высокая массовая плотность и эффективный атомный номер
максимизируют тормозную способность кристалла (т. е. коэффициент
линейного затухания μ) и, следовательно, чувствительность. Кроме того,
кристалл с более высоким атомным номером будет иметь более высокую
долю фотоэлектрических взаимодействий, чем комптоновские
взаимодействия, что облегчает энергетическую дискриминацию фотонов,
которые подверглись рассеянию перед попаданием в кристалл. Высокая
светоотдача снижает статистическую неопределенность (шум) сцинтилляции
и связанного с ней электронного сигнала и, таким образом, улучшает
энергетическое разрешение и подавление рассеяния. Другие соображения по
поводу детектора включают в себя:
— прозрачность кристалла для собственных сцинтилляций (т. е.
минимальное самопоглощение);
— согласование показателя преломления η кристалла с показателем
преломления фотоприемника (в частности, входного окна (η ≈ 1,5) ФЭУ);
— согласование длины волны сцинтилляции со световым откликом
фотодетектора (фотокатод ФЭУ с максимальной чувствительностью в диапазоне
длин волн 390–410 нм, или синем);
— минимальная гигроскопичность.
284
https://t.me/med1917
На сегодняшний день к наиболее широко используемым сцинтилляторам в
ядерной медицине относятся: NaI(Tl), германат висмута (BGO), оксиортосиликат
лютеция, легированный церием (LSO(Ce) или LSO) и оксиортосиликат гадолиния,
легированный церием (GSO(Ce) или GSO). NaI(Tl) используется в гаммакамерах/системах ОФЭКТ, счетчиках лунок и зондах поглощения органов и остается
наиболее широко используемым сцинтиллятором в клинической практике; BGO,
LSO и GSO являются предпочтительными сцинтилляторами в ПЭТ-сканерах из-за
их более высокой тормозной способности для позитрон-негатронных
аннигиляционных фотонов с энергией 511 кэВ. Йодид цезия, легированный таллием
и натрием (CsI(Tl) и CsI(Na) соответственно) и вольфрамат кадмия, а также NaI(Tl),
BGO и LSO также использовались во интраоперационных зондах.
10.3. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ДЕТЕКТОРА РАДИАЦИИ
Детекторы радиации можно количественно охарактеризовать множеством
различных рабочих параметров, особенно для таких детекторов, как гаммакамеры, которые локализуют (изображение), а также подсчитывают излучение.
Однако для детекторов и счетчиков радиационного излучения, не
осуществляющих получение изображения, наиболее важными параметрами
производительности являются чувствительность (или эффективность),
энергетическое разрешение и скорость счета (или «скорость»).
10.3.1. Чувствительность
Чувствительность (или эффективность) — это обнаруженная скорость
счета на единицу активности (например, количество импульсов в минуту на
мегабеккерель). Поскольку скорость счета, обнаруженная при определенной
активности, сильно зависит от геометрии источника-детектора и промежуточной
среды, характеристика чувствительности может быть неоднозначной.
Существует два различных компонента общей чувствительности:
геометрическая чувствительность и внутренняя чувствительность.
Геометрическая чувствительность — это доля испускаемого излучения, которая
пересекает детектор или попадает на него, то есть доля общего телесного угла,
охватываемая источником на детекторе. Следовательно, она прямо
пропорциональна площади радиационно-чувствительного детектора, а для
точечного источника обратно пропорциональна квадрату расстояния источникдетектор. Собственная чувствительность — это доля излучения, попадающего на
детектор, которая задерживается внутри детектора. Собственная
чувствительность напрямую связана с толщиной детектора, эффективным
атомным номером и массовой плотностью и уменьшается с увеличением энергии
фотонов, поскольку фотоны с более высокой энергией обладают большей
проникающей способностью и с большей вероятностью пройдут через детектор
при отсутствии взаимодействия.
Характеристические рентгеновские лучи и γ-лучи испускаются
радиоактивно распадающимися атомами с четко определенной дискретной
285
https://t.me/med1917
энергией. Однако даже при отсутствии рассеяния выходные импульсы в
результате поглощения этих излучений будут возникать в диапазоне энергий,
что отражает относительно низкое энергетическое разрешение детектора. По
этой причине во многих детекторах излучения используется своего рода
энергоселективный подсчет с использованием энергетического диапазона или
окна, так что излучения учитываются только в том случае, если их
обнаруженные энергии лежат в этом диапазоне (рис. 10.3 и 10.4 (а)). По
крайней мере, для сцинтилляционных детекторов используется так
называемое «20 % энергетическое окно фотопика», Eγ ± 10 % Eγ, (например,
126–154 кэВ для гамма-излучения
99m
Tc с энергией 140 кэВ), где Eγ – энергия
фотопика рентгеновского или γ-луча, который регистрируется. При таком
энергоселективном подсчете общая чувствительность, по-видимому,
увеличивается по мере расширения окна энергии фотопика. Однако это
приводит к принятию как более рассеянного, так и первичного (т. е.
нерассеянного) излучения.
Для каждого радионуклида и энергетического окна (если применимо), для
которого используется конкретный детектор, детектор следует калибровать, то
есть определять его чувствительность (например, в импульсах в минуту/МБк) S
при установке и периодически в дальнейшем:
где Rg — общая (т. е. суммарная) скорость счета (cpm) радионуклидного
источника (RS);
Rb — фоновая (BG), или холостая, скорость счета (cpm);
A0 — активность (МБк) радионуклидного источника при калибровке;
λ — физическая константа распада (в мес–1 или а–1, в зависимости от периода
полураспада) калибровочного радионуклида;
∆t — временной интервал (в месяцах или годах соответственно, опять же в
зависимости от периода полураспада) между калибровкой радионуклида и
текущим измерением.
Как отмечалось, чувствительность сильно зависит от геометрии счета
источник-детектор (включая размер и форму источника, а также расстояние
источник-детектор), и измеренное значение, таким образом, применимо точно
только для геометрии, используемой для измерения.
10.3.2. Энергетическое разрешение
Энергетическое разрешение количественно определяет способность детектора
разделять или различать излучения разных энергий. Как показано на рис. 10.4 (b),
энергетическое разрешение обычно определяется шириной колоколообразного
фотопика, определяемой как полная ширина на половине высоты (FWHM = ∆E),
выраженная в процентах от энергии фотопика E
γ
. Это
286
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана