5.2 Гамма-камера

5.2 Гамма-камера

Гамма-камера – основной инструмент современной радионуклидной диагностики. Гамма-камеры предназначены для визуализации и исследования кинетики радиофармпрепаратов во внутренних органах и физиологических системах организма пациента с целью ранней диагностики онкологических, сердечно-сосудистых и других заболеваний человека. Гамма-камеры применяются в лабораториях радиоизотопной диагностики городских клинических больниц, научно-исследовательских медицинских институтов, онкодиспансерах и других медицинских учреждений.

Помимо диагностических исследований щитовидной железы, почек, печени и желчного пузыря, головного мозга, легких, сердца и др., современные гамма-камеры должны обеспечивать сканирование всего тела пациента (скелета) и компьютерную томографию внутренних органов для получения трехмерной информации.

Современная гамма-камера содержит многоканальный коллиматор, кристалл NaI(Tl) с большой площадью поверхности, световод для оптической связи кристалла с гексагональной матрицей ФЭУ и блока аналоговых электронных устройств, обеспечивающих определение координат и амплитуд сигналов. Все указанный компоненты заключены в свинцовый экран достаточной толщины, чтобы свести к минимуму фон от источников радиации, находящихся вне поля зрения камеры.

Коллиматор служит для селекции по направлению g -квантов, падающих на камеру. В коллиматоре с параллельными отверстиями (каналами) на сцинтиллятор попадают лишь те g-кванты, которые движутся перпендикулярно поверхности коллиматора. Коллиматор определяет также геометрическое поле зрения камеры и обусловливает пространственное разрешение и чувствительность всей системы. Для построения распределений радионуклидов с различной энергией g -излучения и достижения приемлемого компромисса между пространственным разрешением и чувствительностью применяют набор из коллиматоров нескольких типов. Помимо коллимоторов с параллельными отверстиями существуют и коллиматоры с единственным отверстием малого размера, предназначенные для визуализации малых, приповерхностных органов, а также коллиматоры со сходящимися или расходящимися отверстиями для получения изображений всего тела и органов средних размеров.

Пространственное разрешение и эффективность конструкции коллиматора с параллельными отверстиями можно связать с размерами коллиматора. Если L – длина отверстия, d – его диаметр, а z – расстояние от источника до коллиматора, то пространственное разрешение коллиматора Rc даётся выражением

5.2 Гамма камера (1)

Отсюда следует, что пространственное разрешение улучшается с увеличением длины отверстий или их числа на единицу площади коллиматора при оптимальной толщине септы. Таким образом, чем большее число отверстий меньшего диаметра можно разместить на одной и той же площади, тем выше разрешение. Кроме того, весьма существенно то, что пространственное разрешение можно повысить, если уменьшить расстояние между источником и поверхностью коллиматора.

Геометрическая эффективность g коллиматора определяется выражением

5.2 Гамма камера (2)

где t – толщина свинцовой септы между отверстиями, K – постоянная, зависящая от формы отверстия (например, для шестигранных отверстий, расположенных в узлах гексагональной матрицы, К = 0,26). Следует заметить, что в случае точечного источника, находящегося в воздухе, величина g не зависит от расстояния между источником и коллиматором, поскольку квадратичная зависимость в знаменателе (2) компенсируется ростом экспонированной площади детектора.

Собирающий коллиматор с большим числом отверстий даёт наилучшее сочетание высокого разрешения и чувствительности, достигаемое за счёт уменьшения поля зрения системы, а также, ценой определённых искажений изображения. Рассеивающий коллиматор с большим числом отверстий обеспечивает большое поле зрения, особенно при работе с гамма-камерой с малой площадью детектора. Однако в этой конструкции как пространственное разрешение, так и чувствительность снижены, а наличие зависимости увеличения от глубины приводит к искажениям в изображении.

Сцинтилляционные кристаллы. В большинстве гамма-камер применяются тонкие (толщиной 6 – 12 мм) одиночные сцинтилляционные кристаллы иодистого натрия, активированого таллием NaI(Tl). Эти кристаллы большого диаметра (до 50 см) излучаю свет в сине-зелёной области спектра (в близи длины волны 415 нм), что согласуется со спектральной характеристикой стандартных бищелочных ФЭУ. Они характеризуются большим атомным номером и высокой плотностью, причём их линейный коэффициент поглощения излучения при энергии 150 кэВ составляет 2,22 см -1. Таким образом в кристалле толщиной около 10 мм поглощается 90% g -квантов с энергией 150 кэВ. Время высвечивания для кристалла равно 230 нс, что позволяет достичь скоростей счёта порядка нескольких десятков тысяч отсчётов в секунду без изменения свойств сцинтиллятора. Кристалл NaI(Tl) имеет наибольший световой выход из всех наиболее известных неорганических сцинтилляторов (табл.1) и хорошо пропускает собственное излучение. Несмотря на гигроскопичность и, следовательно, необходимость герметизации, этот кристалл практически незаменим при энергиях g -излучения около 100 кэВ. Разрешение по энергии для тонких кристаллов NaI(Tl) составляет 10 – 12% при энергии 150 кэВ.

Световод. Из-за высокого коэффициента преломления кристалла NaI(Tl) равного 1,85, для оптического сопряжения сцинтиллятора и ФЭУ необходимо применять световод. Это уменьшает потери света при его прохождении к ФЭУ, поскольку световоды изготавливают из прозрачной пластмассы с коэффициентом преломления, близким к 1,85, а его форму тщательно подбирают в соответствии с конфигурацией фотокатода ФЭУ. Кроме того, применение световода позволяет уменьшить флуктуации в эффективности съёма света по поверхности сцинтилятора. В последнее время вместо световода стали применять микропроцессорную систему коррекции изобрадения.

Фотоумножитель. Оптимальной конфигурациец с точки зрения плотной упаковки фотоумножительных трубок (с круглым или гексагональным сечением) на поверхности круглого сцинтилляционного кристалла является гексагональная матрица, состоящая из 7, 19, 37, 61 и т.д. ФЭУ. Спектральная характеристика фотокатода ФЭУ согласуется со спектром светового излучения сцинтиллятора путём введения бищелочных материалов (таких, как SbK2Cs). Фотоумножительные трубки тщательно подбираются по коэффициенту усиления с тем, чтобы упростить регулировку ФЭУ для получения однородного распределения чувствительности по поверхности сцинтиллятора при приложении высокого напряжения и регулировке усиления ФЭУ.

Блок аналоговых электронных устройств. Для получения позиционной информации от аналоговых выходных устройств фотоумножительных трубок используется емкостная (а в последнее время и резистивная) схема. По относительной интенсивности выходных сигналов определяют координаты x и y сцинтилляционного события и создаю четыре сигнала (x+, x–, y+, y–) для формирования изображения на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и (или) на запоминающем осциллографе. Полная интенсивность сигнала z (её не следует путать с пространственной координатой) даётся выражением

z = x++ x+ y++ y , (3)

А координаты x и y записываются в виде

5.2 Гамма камера (4)

 

5.2 Гамма камера (5)

где k – постоянная. Эти выражения иногда называют логическими соотношениями Энгера.

Сигнал z подаётся на одноканальный амплитудный анализатор импульсов (ОАА), который имеет два уровня ограничения с тем, чтобы определить, соответствует ли пришедший сигнал ожидаемому сигналу от зарегистрированного g -кванта. Современные гамма-камеры оснащены двумя или тремя ОАА, что позволяет одновременно регистрировать несколько световых импульсов. При высоких скоростях счёта квантов аналоговые устройства могут перегружаться из-за взаимного положения сцинтилляционных сигналов от детектора. Кроме того, в системе начинают возникать сбои (пропуски импульсов) из-за наличия собственного времени восстановления электронных устройств гамма-камеры. Истинная скорость счёта (N) системы связана с наблюдаемой скоростью счёта (n) выражением

5.2 Гамма камера (6)

где t – постоянная времени восстановления, которая приблизительно равна 4 мкс.

Свинцовый экран. Чтобы свести к минимуму регистрацию паразитного излучения из областей вне поля зрения коллиматора, сцинтилляционный кристалл и электронные устройства гамма-камеры помещают в массивный свинцовый экран. При разработке гамма-камер для уменьшения массы вращающихся частей приходится значительно уменьшать габариты защитного экрана. многие гамма-камеры снабжены экранами, которые достаточны лишь для минимальной защиты от низкоэнергетических g -квантов (с энергией менее 250 кэВ), и это вместе с использованием тонких кристаллов позволяет применять лишь низкоэнергетические радионуклиды (99Tcm111In, 123I, 201Tl). Основная современная тенденция развития гамма-камер – увеличение потока информации без повышения дозы радиофармпрепаратов, вводимых пациенту. Это позволяет сократить время исследования, улучшить качество изображения, а в ряде случаев – расширить функциональные возможности. Технически это достигается за счет увеличения площади поля зрения детектора, перехода от детекторов с полем зрения круглой формы к прямоугольной и увеличения числа детекторов. В настоящее время все ведущие производители и поставщики гамма-камер: Siemens, General Electric, Toshiba, Sopha Medical освоили производство и поставляют модели гамма-камер с двумя детекторами прямоугольной формы с размерами поля зрения не менее 350 — 510 мм. Цена этих гамма-камер – от 600 тыс.долларов и выше.