Федоров Однофотонная вычислителная томография 2008

блока детектирования, общий вес которого при поле изображения 180 × 240 мм не превысит 25 кг.

Рис. 6.3. Отечественная гамма-камера МиниСкан

Томографические гамма-камеры предназначены для получе-

ния трансаксиальных проекций в круговой геометрии измерений. С этой целью конструкция штатива томографической гаммакамеры, или эмиссионного компьютерного томографа (ЭКТ) обеспечивает перемещение блока детектирования по замкнутой траектории (круговой, эллиптической или тангенциальной) вокруг продольной оси тела пациента, располагаемого на специальном кон-

171

сольном ложе. Полезное поле изображения ЭКТ составляет 380 мм и более. Визуализация реконструированных срезов осуществляется на цифровом графическом дисплее. Так как ЭКТ позволяет одновременно получить 32 – 64 и более параллельных сечений объекта, можно осуществить трехмерную визуализацию распределения РФП в теле пациента. Эта возможность особенно важна в тех случаях, когда местоположение патологии в теле пациента заранее неизвестно.

Другим важным достоинством ЭКТ является его универсальность. При неподвижном детекторе ЭКТ позволяет проводить все статические двумерные исследования, как и обычная гамма-камера с широким полем изображения. Благодаря наличию вычислительной системы обработки данных можно осуществить любые динамические исследования, проводимые на обычных гамма-камерах, сопряженных с клиническим компьютером. Сочетание возможностей двумерной статической и динамической сцинтиграфии с возможностью трехмерной визуализации распределения радиофармпрепарата в организме пациента делает ЭКТ наиболее универсальным и широко применимым прибором в арсенале современной радионуклидной диагностики. Общий вид томографической гаммакамеры приведен на рис. 6.4.

Наиболее ответственным и сложным узлом ЭКТ является шта- тивно-поворотное устройство (гентри), которое обеспечивает как вращение детектора (томографический режим), так и линейное сканирование (режим сканирования всего тела). Последнее, как отмечено ранее, достигается двумя способами: перемещением всего штативно-поворотного устройства по направляющим рельсам в направлении, перпендикулярном оси вращения детектора, или перемещением пациента, расположенного на подвижном томографическом столе вдоль оси вращения детектора.

Примерами ЭКТ первого типа являются ZLC 370 и ZLC 750 фирмы «Сименс» (Германия), GCA-90B фирмы «Тошиба» (Япония) и Omega 500 фирмы «Техникэйр» (США). При конструировании таких установок на первый план выступают сложности обеспечения равномерного движения штативно-поворотного устройства, масса которого с детектором может превышать 2000 кг.

172

Рис. 6.4. Общий вид гамма-камеры ZLS 750 в комплекте со специальным столом

Примеры сцинтиграмм всего тела и отдельных органов человека, полученных на томографической гамма-камере в планарном режиме измерений, приведены на рис. 6.5.

К ЭКТ второго типа относятся Rota Camera фирмы «Сименс» (Германия), Dyna Scan фирмы «Пиккер» (США) и некоторые другие. Для этих гамма-камер томографический стол подвижно закрепляется на штативно-поворотном устройстве и может линейно перемещаться вдоль оси вращения, проходя через отверстие в опоре штативно-поворотного устройства.

Конструкция и материал томографического стола играют важную роль для качества томографических изображений. Стол должен иметь консольную конструкцию с выносом ложа от опоры на 1,5 – 1,8 м, что требует от материала ложа высокой прочности. С другой стороны, ложе должно иметь малую толщину и изготовляться из материала с низким поглощением фотонов. При таких противоречивых требованиях выбор материала является не простой задачей. В настоящее время лучший материал – карбоноволокнистые пластмассы, имеющие высокую прочность и незначительное поглощение фотонов (примерно 7 % для фотонов с энергией 140 кэВ). Для большей жесткости ложу придают вогнутый

173

профиль. При сканировании всего тела площадь круглого сцинтилляционного кристалла используется не полностью.

Рис. 6.5. Сцинтиграммы костей скелета с 99mTc-полифосфатом (555 МБк, 106 имп./12 мин) и печени с 99mTc-серным коллоидом (222 МБк, 5 105 имп./2 мин), полученные на ЭКТ ZLS 750

Полезной площадью при этом является вписанный в круглый торец кристалла квадрат или прямоугольник. По этой причине в ЭКТ Omega 500, GCA-90В и AXISTM («Пиккер», США) примене-

ны кристаллы прямоугольной формы с размерами 36,8 × 50,8; 35 × 50 и 39,3 × 53,3 см соответственно, что расширяет область томографического обследования и позволяет быстро получить изображение всего тела без применения специальных полудивергентных коллиматоров.

Конструкция штативно-поворотного устройства гамма-камер Dyna Scan, GCA-90В и некоторых других обеспечивает возможность установки двух блоков детектирования, закрепленных друг против друга в диаметрально противоположных (оппозитных) точках орбиты. Это вдвое повышает чувствительность системы при томографическом сборе информации и соответственно снижает время обследования. Однако при этом значительно повышается стоимость системы, усложняется ее конфигурация и требуется высокая идентичность характеристик детекторов, что приводит к определенным техническим сложностям. Тем не менее, такие современные ЭКТ, как, например, цифровые гамма-камеры GCA-90В и

174

AXISTM, имеют двухдетекторную конфигурацию, а новейшая томографическая гамма-камера IRIXTM («Маркони», США) – трехдетекторную конфигурацию (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Общий вид гамма-камеры IRIXTM с расположением трех прямоугольных детекторов под углом 120° друг к другу

В последнем томографе предусмотрена возможность изменения угла между детекторами, позволяющего получить конфигурации расположения детекторов с углами 180°, 90°, 102°, 120° и др., что повышает быстроту и качество ОФЭВТ.

К детекторам ЭКТ предъявляются высокие требования по пространственной однородности чувствительности. Это вызвано тем, что неоднородность изображения после математической реконструкции существенно увеличивается и может приводить к возникновению артефактов. Поэтому современные модели ЭКТ снабжены микропроцессорными системами для цифровой коррекции неоднородности. У большинства ЭКТ при ОФЭВТ детектор движется по круговой орбите. Однако у гамма-камер AXISTM и IRIXTM с изменяемой позицией детекторов последние при вращении перемещаются тангенциально, что позволяет использовать траектории движения небольшого размера, вплоть до 24,7 см в диаметре. При-

175

ближение коллимированного детектора к объекту при конечных размерах параллельных каналов коллиматора уменьшает поле зрения гамма-камеры, его увеличение по глубине объекта и улучшает качество восстановленного изображения. Перемещение детектора по орбите в большинстве моделей ЭКТ осуществляется двумя способами: непрерывно и с дискретными остановками по числу проекций, при которых и происходит сбор томографических данных.

Несомненный интерес представляет система Philips SKYLigt, являющаяся новойразработкой в семействе гамма-камер (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Общий вид гамма-камеры Philips SKYLigt

Она имеет оригинальную конструкцию без жесткого генри с двумя прямоугольными детекторами на свободном потолочном подвесе. Это позволяет использовать практически любую геометрию измерений и вывод информации раздельно от каждого блока детектирования. Гамма-камера снабжена устройством автоматической смены коллиматоров и широкими возможностями последующей обработки изображений.

Внедрение цифровых электронных устройств в сцинтилляционных гамма-камерах отражает общую тенденцию, характерную для

176

современного приборостроения. По мере увеличения возможностей и снижения стоимости цифровых устройств они становятся более выгодными, чем аналоговые системы, и обеспечивают большую гибкость в разработке, что ведет к улучшению характеристик приборов, упрощает процесс исследования, снижает возможность ошибки и повышает информативность получаемого изображения.

Параметры ЭКТ разных фирм и моделей могут быть почерпнуты из проспектов и литературы. Здесь же в качестве примера приведем некоторые параметры гамма-камеры ZLC 750 с полем изображения 38,7 см, основанные на стандарте NEMA. Системное пространственное разрешение в водном фантоме на расстоянии 10 см, ПШПМ/ПШДМ, мм, для ППИ с коллиматорами высокого разрешения 8,3 / 21,3 и общего назначения 9,6 / 23,2. Те же параметры в воз-

духе 7,1 / 13,0 и 8,7 / 15,9.

Системная чувствительность с коллиматорами высокого разрешения / общего назначения, (с мкКи)-1, 3,7 / 5,7. Собственное пространственное разрешение ПШПМ/ПШДМ, мм, для ЦПИ и ППИ ≤ 3,8 / ≤ 7,2. Энергетическое разрешение < 11,4 % (99mTc). Интегральная однородность изображения для ЦПИ/ППИ, %, ±6,0 / ±9,5. Интегральная пространственная линейность изображения для ЦПИ/ППИ, мм, ≤ 0,5 / ≤ 0,8. Характеристика скорости счета при 20 % потерь и максимальная, (имп./с) 103, соответственно 140 и 200. Многооконное пространственное смещение ≤ 2,0 мм. Поперечное и продольное разрешения ПШПМ в воздухе при ОФЭВТ (не определяемые стандартом NEMA) при радиусе траектории вращения детектора 20 см одинаковы и равны 13 и 16 мм соответственно для коллиматоров высокого разрешения и общего назначения.

Ранее были рассмотрены контролируемые параметры гаммакамер общего назначения. Для томографических гамма-камер важен выбор параметров дискретизации при регистрации данных. Применив подходы, рассмотренные для РВТ, определим, что число отсчетов в проекции при ОФЭВТ составит Nξ ≥ H / ∆ξ = 2H / r ,

где H – размер сечения, ∆ξ – шаг дискретизации, r – размер элемента изображения. Ранее (разд. 3.5.2) было определено, что ∆ξ = r2 . На практике осуществляют шаг линейной выборки

177

∆ξ = (0,4 − 0,7) r . Число проекций должно быть равно Nθ = = (π/ 2)Nξ = πH / r .

Для оптимизации ОФЭВТ важен также правильный выбор коллиматора, радиуса вращения системы, смещения и ширины энергетического окна регистрации, диапазона углов регистрации, размера элемента (или матрицы) изображения, времени регистрации одной проекции и значения вводимой активности.

При ОФЭВТ для томографов с вращающейся гамма-камерой, помимо описанных ранее процедур, требуются дополнительные тесты и измерения, которые приведены ниже.

Механические испытания, включающие контроль положения оси вращения гамма-камеры и ее параллельности относительно поверхности коллиматора. Кроме того, необходимо проверять точность угла поворота и скорость вращения камеры. Возможные отклонения этих параметров будут вызывать большие искажения в изображении. Необходимо также проводить контроль точности установки ложа томографа, чтобы свести к минимуму погрешности, связанные с расположением пациента.

Испытания электронной части аппаратуры, включающие со-

вмещение осей х и у гамма-камеры с осью вращения, определение зависимости изменений энергетического спектра от угла поворота камеры, а также определение размера элемента изображения. Последнее особенно важно, поскольку по размеру элемента изображения можно судить о стабильности работы аналого-цифровых преобразователей, используемых для формирования цифровых изображений.

Контроль качества системы, включающий томографическую регистрацию излучения точечного источника, необходимую для определения центра вращения системы. Полученные данные используются для дальнейшего сопоставления проекционных данных и реконструированного изображения. Кроме того, для коррекции неоднородности чувствительности проводят сбор данных от однородного источника при общем числе отсчетов порядка 3 × 107.

Условия регистрации данных в обоих указанных тестах должны быть такими же, как и при реальных томографических обследованиях пациентов, т.е. с тем же коллиматором и при том же размере элемента изображения.

178

Дополнительные измерения для контроля качества могут вклю-

чать в себя следующие процедуры:

а) измерение однородности по поперечному сечению объемного источника;

б) измерение поперечного (в пределах одного сечения) и продольного (толщины сечения) пространственного разрешения;

в) определения чувствительности в пересчете на общее количество отсчетов в секунду, приходящихся на единицу активности и единицу объема, с помощью цилиндрического фантома из оргстекла, заполненного радиоактивным раствором;

г) оценка контраста в полученном после реконструкции изображении по разности отсчетов в малой области интереса и в окружающей ее области, которая еще позволяет выявлять область интереса на окружающем ее фоне;

д) определение коэффициента выявляемости – отношения концентрации изотопа, определенной по изображению, к его истинной концентрации в зависимости от размера объекта и пространственного разрешения.

6.2. Аппаратная функция

Измерения, проводимые в реконструктивной томографии, связаны с оценкой линейных интегралов. В таких оценках присутствуют погрешности, обусловленные шириной пучка фотонов, увеличивающейся при удалении от коллиматора; квантовыми флуктуациями зарегистрированных фотонов; просчетами и конечным собственным пространственным и энергетическим разрешением детектора; неоднородностью среды; геометрическим ослаблением излучения; регистрацией рассеянных фотонов; неидеальностью рассмотренных ранее параметров гамма-камер и т.п. Возможные методы уменьшения и компенсации основных погрешностей рассмотрены в рекомендуемой литературе. Например, для уменьшения первой из перечисленных выше погрешностей применяют высокоразрешающие коллиматоры и траектории перемещения детектора, обеспечивающие минимальное расстояние от поверхности детектора до сканируемого объекта. Однако полностью эти погрешности на стадии измерений убрать не удается, и они влияют на аппаратную функцию (PSF – point spread function) ЭКТ, которую

179

часто используют при исследовании и сравнении методов вычислительной томографии. Аппаратная функция представляет собой изображение точечного источника. Если не учитывать влияние на нее реальной измерительной системы и использовать метод, обеспечивающий точное восстановление, то аппаратная функция является δ-функцией Дирака. С учетом перечисленных погрешностей в ОФЭВТ, так же как и в РВТ, необходимо использовать при реконструкции изображений аподизирующую функцию. При этом действительная аппаратная функция не будет иметь идеальную форму δ-функции и может быть использована для выбора аподизирующей функции.

Определим связь аппаратной функции ε(x, y) с аподизирующей функцией A1(χ) . Из (5.13) по определению АФ получим

Повторив выкладки, сделанные при выводе формулы для функции фильтра, и перейдя к полярным координатам (см. п. 5.4), найдем

Таким образом, АФ представляет собой преобразование Ханкеля от аподизирующей функции.

Выведем формулу для аппаратной функции с простой аподизирующей функцией (5.16):