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
для электронной коллимации. Хотя ФЭУ на сегодняшний день являются
наиболее широко используемыми фотоприемниками для ПЭТ, они несколько
громоздки и высокочувствительны к магнитным полям. По этим причинам они
часто не используются в комбинированных системах ПЭТ/МРТ, где
пространство ограничено и требуется работа в сильных магнитных полях. В
этих и некоторых других областях применения фотодиоды на основе
полупроводников являются альтернативой ФЭУ. Следует отметить, что в этих
приложениях полупроводниковое устройство используется совместно со
сцинтилляционным детектором и используется для обнаружения
сцинтилляционного света, а не фотонов аннигиляции. Лавинные фотодиоды
имеют гораздо меньший коэффициент усиления, чем ФЭУ, но могут быть
очень малыми и, как было показано, эффективны в условиях сильного
магнитного поля. Их низкое усиление требует очень малошумящей
электроники, и они также чувствительны к небольшим колебаниям
температуры.
Ограниченность пространства и стоимости означает, что отдельные
сцинтилляционные кристаллы обычно не подключаются непосредственно к
отдельным фотоприемникам по принципу «один к одному». Вместо этого
наиболее распространенной схемой является блочный детектор, в котором
группа кристаллических элементов совместно использует меньшее
количество ФЭУ (рис. 11.32). Конструкция каждого блока варьируется в
зависимости от производителя и модели сканера, но обычно включает матрицу
из кристаллических элементов, световод и четыре ФЭУ. Примером
конфигурации может быть матрица размером 8 × 8 из плотно упакованных
кристаллических элементов размером 4,4 мм × 4,0 мм × 30 мм, где самый
длинный размер находится в радиальном направлении для максимальной
эффективности обнаружения. Световод позволяет распределять свет между
четырьмя круглыми ФЭУ, и относительное распределение света зависит от
расположения кристалла, с которым взаимодействовал фотон. Положение (x,
y) события обнаружения вычисляется по выходным данным четырех PMT с
использованием взвешенного центроидного алгоритма, аналогичного логике
гнева гамма-камеры. Хотя отдельные кристаллы могут быть
идентифицированы таким образом, отклик не является линейным по всему
блоку из-за различий в расположении различных кристаллических элементов
относительно ФЭУ. Экспериментально определенные справочные таблицы
используются для привязки измеренного положения (x, y) к
соответствующему элементу детектора, эффективно выполняя своего рода
коррекцию линейности. Таким образом, для локализации сигналов от гораздо
большего числа кристаллических элементов требуется всего четыре ФЭУ.
Количество кристаллических элементов, деленное на количество PMT в
системе PET, называется коэффициентом кодирования. Высокий коэффициент
кодирования подразумевает более низкие производственные затраты и,
следовательно, желателен.
357
https://t.me/med1917
Рис. 11.32. (а) Блок детектора ПЭТ, состоящий из сцинтилляционного материала,
соединенного с массивом фотоумножительных трубок. Сцинтиллятор разделен на массив
отдельных кристаллических элементов. Четыре фотоумножительные трубки используются
для считывания сигнала с матрицы кристаллических элементов 8 8. (б) Положение x и y
каждого фотона определяется по сигналу, измеренному каждой из четырех
фотоумножительных трубок, обозначенных A–D, с использованием приведенных уравнений
Одним из преимуществ описанной выше конструкции является то, что
каждый блок работает независимо от окружающих его блоков. Это приводит к
высокой скорости счета, поскольку свет не передается между блоками, а на PMT
одного блока не влияют события обнаружения в соседнем блоке.
Альтернативное расположение, называемое разделением по квадрантам,
увеличивает коэффициент кодирования за счет размещения PMT в углах
соседних блоков. Это расположение отличается от обычной конструкции блока
тем, что на каждый PMT теперь может попадать свет максимум из четырех
разных блоков. Это может привести к лучшему пространственному разрешению
и более высокому коэффициенту кодирования, но также может привести к
большим проблемам с простоями при высоких скоростях счета.
В другой альтернативе блочной конструкции используется подход,
аналогичный тому, который используется в обычных гамма-камерах. Эти
конструкции с Ангер-логикой включают детекторные модули, которые имеют
гораздо большую площадь поверхности по сравнению с обычными блочными
детекторами, например, 92 × 176 мм. Каждый модуль состоит из множества
небольших кристаллических элементов, которые соединены через световод с
массивом из нескольких ФЭУ. Свет распространяется на большую площадь, чем
в блочной конструкции, и информация о местоположении получается с
помощью Ангер-логики таким же образом, как и в гамма-камере. Фотоэлементы,
используемые в этой конструкции, обычно больше, чем те, что используются в
блочных детекторах, что увеличивает коэффициент кодирования. Модули
детекторов большей площади осуществляют более равномерный сбор света по
сравнению с блочными конструкциями, что приводит к более равномерному
разрешению по энергии. Однако недостатком такой конструкции является то,
что широкое распределение света между многими ФЭУ может привести к
проблемам с простоями при высоких скоростях счета.
358
https://t.me/med1917
11.3.3.3. Конфигурации сканера
Детекторы, описанные выше, являются строительными блоками,
используемыми для создания комплексных систем сканирования. Были
разработаны различные конфигурации сканеров, хотя доминирующая
конструкция состоит из кольца детекторов, которое полностью окружает
пациента (или объект исследования) в одной плоскости (рис. 11.33 (а)). Как и в
других системах сканирования, эта плоскость называется поперечной или
трансаксиальной плоскостью, а направление, перпендикулярное этой плоскости,
называется осевым или z-направлением. Несколько колец детекторов
расположены в цилиндрической геометрии, что позволяет одновременно
получать несколько поперечных срезов. Поскольку для обнаружения совпадений
требуются два противоположных детектора, система полного кольца такого типа
позволяет получать данные о совпадениях под всеми углами около 180°. Хотя в
поперечной плоскости достигается полный угловой охват, в осевом направлении
охват гораздо более ограничен. Ограничения по стоимости и, в некоторой
степени, ограниченная переносимость пациентом протяженных туннелей
означают, что кольца детектора обычно простираются всего на несколько
сантиметров в осевом направлении. Системы всего тела человека обычно имеют
AFOV около 15–20 см, хотя тенденция в разработке сканеров заключалась в
увеличении AFOV, что увеличивало как чувствительность, так и количество
поперечных срезов, которые могут быть получены одновременно.
Рис. 11.33. (a) Система ПЭТ с полным кольцом, показанная в поперечной плоскости,
показывающая, как каждый детектор может формировать события совпадения с
определенным количеством детекторов на противоположной стороне кольца. Для
наглядности это веерообразное расположение линий отклика показано только для восьми
детекторов. Пунктирная линия указывает на то, что поле обзора изображения обязательно
меньше диаметра кольца детектора. (b) Система ПЭТ, показанная сбоку, указывает на
ограниченный охват детектора в направлении z. Заштрихованная область указывает на
совпадающее поле зрения. Пунктирные линии указывают на одиночное поле зрения. Торцевые
экраны уменьшают, но не устраняют обнаружение одиночных фотонов за пределами поля
зрения совпадения при работе в трехмерном режиме.
359
https://t.me/med1917
Диаметр кольца детектора значительно варьируется в зависимости от
конструкции, и этот размер отражает предполагаемое исследовательское или
клиническое применение. Системы для мелких животных могут иметь диаметр
кольца около 15 см, системы, ориентированные на мозг человека, – около 47 см,
а системы для всего тела человека – около 90 см. Системы с диаметрами колец,
которые могут вместить все тело, явно более гибкие с точки зрения спектра
исследований, которые могут быть выполнены. Однако меньшие диаметры
колец имеют преимущества с точки зрения повышенной чувствительности,
благодаря большему телесному углу восприятия, и потенциально лучшего
пространственного разрешения, благодаря уменьшению эффектов
неколлинеарности фотонов. Следует отметить, что преимущество
пространственного разрешения осложняется проблемами большей глубины
взаимодействия по мере уменьшения диаметра кольца детектора и возможности
измерения более коротких кристаллов или глубины взаимодействия может
потребоваться. Кроме того, эффективное поле обзора изображения всегда
меньше диаметра кольца детектора, поскольку регистрация совпадений между
всеми возможными парами детекторов (например, между соседними
детекторами в кольце) не поддерживается. Кроме того, ПЭТ-системы имеют
кольцевые экраны на двух концах кольца детектора, которые уменьшают размер
порта для пациента. Эти торцевые экраны предназначены для уменьшения
вклада одиночных фотонов из-за пределов совпадающего поля зрения
(рис. 11.33 (b)). Поле совпадения относится к объему, который окружает
система детектора, в пределах которого возможно обнаружение совпадений.
Одиночные фотоны, исходящие из-за пределов поля совпадения, не могут
привести к истинным событиям совпадения, но могут регистрироваться как
случайные, а также могут способствовать простою детектора. Уменьшение
размера этих торцевых экранов позволяет увеличить размер порта для пациента,
но также приводит к большему однофотонному загрязнению.
В отличие от систем ОФЭКТ с вращающейся камерой, в которых
различные проекции получаются последовательно, системы ПЭТ с полным
кольцом одновременно получают все проекции, необходимые для формирования
томографического изображения. Это имеет очевидное преимущество с точки
зрения чувствительности, а также осуществляет короткое время получения, что
может быть важно для динамических исследований. Однако системы с полным
кольцом связаны с высокими производственными затратами, и по этой причине
в некоторых ранних разработках ПЭТ использовался подход с частичным
кольцом. В этих конструкциях два детектора большой площади были
установлены с противоположных сторон от пациента, и полный угловой отбор
проб был достигнут путем вращения детекторов вокруг оси z. Зазоры в кольце
детектора привели к снижению чувствительности, и конструкция с частичным
кольцом теперь обычно используется для прототипных систем. Другим
связанным подходом к проектированию ПЭТ-систем было использование
гамма-камер с двумя головками, модифицированных для работы в режиме
совпадения. Использование модифицированных гамма-камер позволило
создать более дешевые системы, способные выполнять как ПЭТ, так и ОФЭКТ.
360
https://t.me/med1917
Однако низкая производительность ПЭТ на основе NaI означает, что в
настоящее время этот подход прекращен.
Современные клинические системы имеют AFOV, достаточный для охвата
большинства отдельных органов, но для достижения охвата всего тела требуется
перевод пациента. Учитывая клиническую важность исследований онкологии всего
тела, механизм перевода пациента через сканер стал важным компонентом
современных ПЭТ-систем. Кровать пациента или система для перемещения
пациента должны быть изготовлены из материала с низким коэффициентом
амортизации, но все же должны быть способны выдерживать потенциально очень
тяжелых пациентов. Он должен иметь большой диапазон перемещения, чтобы
можно было проводить исследования всего тела за один проход при отсутствии
необходимости изменения положения пациента. Точное управление движениями
также имеет решающее значение, особенно для систем ПЭТ/КТ, где важно точное
согласование двух отдельно полученных методов. Специально для ПЭТ/КТ были
разработаны усовершенствованные системы управления пациентами,
гарантирующие, что любое отклонение кровати одинаково как для КТ, так и для
ПЭТ-обследования, что осуществляет точное выравнивание независимо от веса
пациента. Хотя большинство коек для пациентов имеют изогнутую форму для
повышения комфорта пациента и лучшей механической поддержки, многие
производители также могут предоставить плоский поддон, который более
совместим с позиционированием при лучевой терапии.
11.3.4. Сбор данных
11.3.4.1. Обработка совпадений
Основой обнаружения совпадений является то, что пары связанных фотонов
аннигиляции с энергией 511 кэВ могут быть связаны вместе детекторной системой
на основе времени их измерения. Предполагается, что два фотона, обнаруженные в
течение короткого промежутка времени, возникли в результате одной и той же
позитронно-электронной аннигиляции, и регистрируется событие совпадения.
Временной интервал, определяющий, когда события считаются совпадающими,
обозначается 2τ и является системным параметром, который обычно не
настраивается пользователем. Чтобы свести к минимуму случайные совпадения,
этот интервал должен быть как можно короче, и для типичных систем, основанных
на BGO, 2τ может составлять около 12 нс. Более короткие временные окна
становятся возможными благодаря таким материалам детектора, как LSO, которые
имеют более быстрое время затухания сцинтилляции и, следовательно, лучшее
временное разрешение. Дальнейшее сокращение окна совпадения ограничено
различиями во времени прихода двух фотонов. Для электрон-позитронной
аннигиляции, происходящей на краю поперечного поля зрения, одному фотону
пришлось бы преодолеть лишь небольшое расстояние, в то время как другому
фотону, возможно, пришлось бы преодолеть почти весь диаметр кольца детектора.
Предполагая диаметр кольца 90 см и скорость света 3 ×
м/с, можно видеть, что
можно ожидать максимальной разницы во времени около 3 нс.
361
Усилитель
Обрабтчик
совпадений
В соритровку
Усилитель
Анализатор
высоты
импульса
Анализатор
высоты
импульса
https://t.me/med1917
Когда фотон попадает на ПЭТ-детектор, генерируется электрический
импульс (рис. 11.34). Затем дискриминатор постоянной доли выдает цифровой
логический импульс, когда сигнал детектора достигает фиксированной доли
высоты пикового импульса. Этот цифровой логический импульс определяется как
имеющий длительность τ и подается в модуль совпадения, который определяет,
формирует ли он событие совпадения с каким-либо из сигналов от других
детекторов в кольце. Событие совпадения указывается, если существует
перекрытие по времени между отдельными логическими импульсами от двух
разных детекторов. Другими словами, совпадение было бы идентифицировано,
если бы два события обнаружения были зарегистрированы в течение интервала
времени, не превышающего τ. Фотон, обнаруженный в момент времени t, может,
таким образом, образовывать совпадение с другим фотоном, обнаруженным в
интервале t + τ. Альтернативно, он может образовывать совпадение с более ранним
фотоном, обнаруженным в пределах t – τ. По этой причине 2τ часто называют
временным окном совпадения. Согласованная синхронизация сигналов от каждого
детектора в системе, очевидно, необходима для осуществления эффективного
захвата истинных совпадений в пределах временного окна совпадения. Различия в
характеристиках различных компонентов детектора и длине кабеля могут
приводить к переменным временным смещениям. По этой причине для
характеристики и компенсации временных различий между различными
детекторами в кольце выполняются корректировки выравнивания по времени.
Рис. 11.34. Схемы совпадения позволяют связать два события обнаружения фотонов друг с
другом на основе времени их поступления. Фотоны, обнаруженные в точках A и Б,
генерируют сигналы, которые усиливаются и анализируются для определения того,
соответствуют ли они критериям приемлемости энергии. Те сигналы, которые попадают в
окно приема энергии, генерируют логический импульс (ширина τ), который передается в
процессор совпадений. Событие совпадения указывается, если оба логических импульса
попадают в указанный интервал (2τ)
362
https://t.me/med1917
Обнаружение совпадений предполагает, что были обнаружены только два
фотона, но при одновременном многократном распаде возможно, что три или
более фотонов будут зарегистрированы отдельными детекторами в пределах
временного интервала совпадения. Когда это происходит, неясно, какая пара
детекторов соответствует законному совпадению, и множественные события
такого рода часто отбрасываются. Это обстоятельство, скорее всего, возникает
при наличии большого количества активности в поле зрения или вокруг него, и
это способствует потере счета при высоких скоростях подсчета. Другой
возможный сценарий заключается в том, что в пределах временного интервала
совпадения обнаруживается только один фотон, и никакое случайное событие не
будет зарегистрировано. Эти события обнаружения одиночных фотонов
являются результатом ряда причин: угол испускания фотонов был таким, что
только один из двух фотонов аннигиляции падал на детекторы; один из двух
фотонов аннигиляции рассеивался за пределами поля зрения; один из двух
фотонов аннигиляции поглощался телом; и фотоны, исходящие из-за пределов
области совпадения. Хотя эти одиночные фотоны не могут образовывать
истинные совпадения, они являются основным источником случайных
совпадений.
Описанный выше механизм регистрирует так называемые события
быстрого совпадения, которые состоят из истинных, случайных и
разрозненных совпадений. Относительная доля каждого компонента зависит
от таких факторов, как скорость подсчета, размер распределения затухания
(размер пациента) и геометрия сбора данных (2-D или 3-D). Полезную
информацию предоставляет только компонент trues, а случайные и
разрозненные совпадения необходимо свести к минимуму. Случайная
составляющая поддерживается на максимально низком уровне путем
установки временного окна совпадения на наименьшую продолжительность,
соответствующую временному разрешению системы. Рассеянная
составляющая поддерживается на максимально низком уровне за счет
выделения энергии. В дополнение к предоставлению информации о
местоположении и времени, импульс, генерируемый детекторами, может быть
интегрирован с течением времени, чтобы осуществить измерение энергии,
накопленной в детекторе. В блочном детекторе с четырьмя ФЭУ сумма
сигналов от каждого ФЭУ пропорциональна общему количеству
генерируемого сцинтилляционного света и, таким образом, общей энергии,
депонированной в материале детектора. В предположении, что фотон был
полностью поглощен детектором, этот сигнал предоставляет измерение
энергии фотона и может быть использован для отклонения фотонов с более
низкой энергией, которые подверглись комптоновскому рассеянию внутри
пациента. На практике энергетическое разрешение большинства систем ПЭТдетекторов таково, что окно приема энергии должно быть установлено
достаточно широким, чтобы избежать отклонения слишком большого
количества нерассеянных фотонов с энергией 511 кэВ. Для систем на основе
BGO типичным является диапазон приема энергии 350–650 кэВ. Поскольку
рассеяние под малым углом может привести лишь к небольшой потере
363
https://t.me/med1917
энергии, многие из этих рассеянных фотонов будут приняты в пределах
энергетического окна, несмотря на тот факт, что они не несут полезной
информации. Таким образом, энергетическая дискриминация уменьшает, но
не устраняет рассеянные совпадающие события, и требуется дополнительная
компенсация.
11.3.4.2. Геометрия сбора данных
Сканеры, состоящие из нескольких детекторных колец, предоставляют
расширенный осевой охват и выгодны для быстрого сбора объемных данных.
Однако наличие нескольких детекторных колец вызывает вопросы,
касающиеся оптимальных комбинаций детекторов, которые следует
использовать для измерения совпадений событий. В системе только с одним
кольцом детекторов геометрия сбора данных проста, поскольку каждый
детектор измеряет события совпадения с другими детекторами на
противоположной стороне того же кольца. Когда в систему добавляются
дополнительные кольца детекторов, можно разрешить регистрацию событий
совпадения между детекторами в разных кольцах. Это означает включение
фотонов, которые были испущены в направлениях, наклонных к поперечной
плоскости. Учитывая, что фотоны испускаются во всех направлениях,
увеличение максимальной разности колец увеличивает допустимый угол
наклона и, следовательно, повышает чувствительность системы. Геометрия
сбора данных относится к расположению пар детекторов, которым разрешено
формировать события совпадения, и на практике предполагает наличие или
отсутствие межплоскостных перегородок (рис. 11.35). Сбор данных с
установленными перегородками называется двухмерным режимом; сбор
данных при отсутствии каких-либо межплоскостных перегородок называется
трехмерным режимом. Обозначение 2-D/3-D относится к геометрии съемки, а
не к результирующим изображениям, поскольку оба режима создают похожие
объемные изображения.
В режиме 2-D сбора данных матрица перегородок вставляется между
кольцами детектора. Эти перегородки имеют кольцевую форму и обычно
изготавливаются из вольфрама. Назначение перегородок состоит в
физическом поглощении фотонов, падающих под большими наклонными
углами относительно поперечной плоскости, позволяя пропускать только те
фотоны, которые падают приблизительно перпендикулярно оси z сканера. Эти
перегородки существенно отличаются от коллиматоров с параллельными
отверстиями для гамма-камер, поскольку в случае с ПЭТ коллимация в
поперечных плоскостях не осуществляется. За счет физического
предотвращения попадания почти всех косых фотонов на детекторы скорость
счета существенно снижается, что приводит к низкой частоте случайных
совпадений и малому времени простоя детектора. Кроме того, двумерное
получение связано с низкой частотой рассеянных совпадений, поскольку
только фотоны, испускаемые в поперечной плоскости и рассеивающиеся в
ней, могут проходить через перегородки. Однако, если происходит
364
https://t.me/med1917
комптоновское взаимодействие, вероятность того, что рассеянный фотон
выйдет под косым углом, высока. Фотоны, которые подвергаются
комптоновскому взаимодействию, рассеиваются под углом, который
распределен по 4π, поэтому, хотя фотон может быть рассеян в плоскости,
более вероятно рассеяние вне плоскости. Фотоны, рассеянные под косыми
углами, будут поглощаться перегородками, эффективно уменьшая долю
измеряемых рассеянных совпадений.
Рис. 11.35. (a) 2‑D и (б) 3‑D геометрии сбора данных. В режиме 2‑D перед детекторами
вставляется ряд кольцевых перегородок таким образом, чтобы поглощать фотоны,
падающие под наклонными углами. В трехмерном режиме эти перегородки удаляются,
позволяя косым фотонам достигать детекторов. Трехмерный режим связан с высокой
чувствительностью, но также с повышенным рассеянием и случайными долями, последнее
частично связано с одиночными фотонами вне поля зрения совпадения
В режиме трехмерной съемки перегородки полностью удаляются из поля
зрения, и больше нет никакой физической коллимации, ограничивающей
фотоны, падающие на детекторы. События совпадения могут регистрироваться
между детекторами в разных кольцах и, потенциально, между всеми
возможными комбинациями колец. Фотонам, испускаемым под косыми углами
365
https://t.me/med1917
относительно поперечной плоскости, больше не препятствуют попадать на
детекторы, и чувствительность системы существенно повышается по
сравнению с двухмерным получением данных. Типичным является увеличение
чувствительности примерно в пять раз, хотя точное значение зависит от
конфигурации сканера и распределения источников. В режиме 2D
чувствительность незначительно варьируется между соседними срезами, но не
сильно меняется в режиме AFOV. В трехмерном режиме изменение
чувствительности в осевом направлении намного больше и имеет треугольный
профиль с пиком в центральном срезе. Треугольный профиль осевой
чувствительности можно понять, рассмотрев точечный источник,
расположенный в центре первого среза на одном из крайних концов сканера.
Истинные события совпадения могут быть зарегистрированы только между
детекторами в первом кольце. По мере перемещения источника к центральному
срезу события совпадения могут регистрироваться между растущим числом
комбинаций колец детекторов, что приводит к повышению чувствительности.
Как следствие существенного увеличения чувствительности, трехмерный
захват связан с более высокой частотой подсчета детекторов, что приводит к
большему количеству случайных совпадений и большему времени простоя, чем
соответствующие снимки в 2-D режиме. Кроме того, трехмерный режим не
может использовать преимущества подавления рассеяния, осуществляемого
межплоскостными перегородками, и, как следствие, регистрирует значительно
увеличенную долю рассеянных совпадений.
Преимуществом 3D-съемки является значительное повышение
чувствительности по сравнению с 2D-съемкой. Ожидается, что это приведет к
получению изображений с улучшенным статистическим качеством или,
альтернативно, к сопоставимому качеству изображения при более коротком
времени сканирования или уменьшенной вводимой активности. На практике
оценить относительное преимущество трехмерной съемки сложно, поскольку
это связано со значительным увеличением как случайных, так и рассеянных
составляющих. Оба этих нежелательных эффекта можно исправить с
помощью программных методов, но эти исправления сами по себе могут быть
зашумленными и потенциально неточными. Кроме того, относительный вклад
случайных чисел и рассеянных фотонов зависит от конкретного пациента.
Случайные числа и доли рассеяния определяются как частота случайных
чисел или доля рассеяния, деленная на частоту истинных значений, и обе
величины увеличиваются с увеличением размера пациента. Как случайные
величины, так и доли рассеяния существенно выше в 3D по сравнению с
2D-режимом. В 3D-режиме доли рассеяния более 50 % являются обычными,
тогда как 15 % более типичны для 2D-режима. Случайные доли более
вариабельны, поскольку зависят от исследования, но случайные величины
часто превышают истинные в трехмерном режиме.
Показателем качества, который иногда полезен при рассмотрении
производительности систем сканирования, является скорость подсчета,
эквивалентная шуму (NECR). NECR эквивалентен скорости подсчета
совпадений, которая будет иметь те же шумовые свойства, что и измеренная
366
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана