Transcript Opakovanie2

Kliknúť pre vloženie textu
NUKLEÁRNA MEDICÍNA
Prístroje na detekciu žiarenia
OPAKOVANIE 2
01
Scintilačný detektor gamakamery
Scintilačný detektor využíva vlastnosti
niektorých látok scintilátorov, ktoré pri
prechode fotónov ionizujúceho žiarenia
vyvolávajú záblesky - scintilácie.
02
Scintilačný detektor gamakamery
Detektor gamakamery
03
Scintilačný detektor gamakamery
Konštrukčné usporiadanie detekčného
systému gamakamery
•
•
•
•
•
•
•
•
Kolimátor (je oddeliteľnou súčasťou detektora)
Scintilačný kryštál (NaI (Tl) iodid sodný aktivovaný
táliom)
Svetlovodič/Optický kontakt (zlepšenie optického
kontaktu a prechodu svetla)
Fotonásobiče (premena svetelného impulzu na
elektrický signál)
A/D konvertory (premena analógového signálu
na signál digitálny)
Amplitúdový analyzátor
Polohové a sumačné obvody
Počítač pre spracovanie obrazu
04
Scintilačný detektor gamakamery
Princíp scintilačného detektora
•
•
•
•
•
•
Excitácia scintilátora fotónom gama
Deexcitácia vzbudených atómov scintilátora
Vypudenie svetelného fotónu pri deexcitácii
Premena svetelného fotónu na elektrický impulz
Zosilnenie elektrického impulzu
Zaznamenanie a spracovanie (vyhodnotenie)
elektrického impulzu počítačom
04
Scintilačný detektor gamakamery
Scintilátor = scintilačný kryštál
Je materiál/látka, ktorá pri prechode ionizujúceho žiarenia
vyvoláva záblesky-scintilácie (detektory scintilačných kamier
sú vyrábané z materiálu NaI(Tl) iodid sodný aktivovaný táliom)
Svetelný výťažok
Je definovaný ako počet svetelných fotónov, pripadajúcich na
jednotku energie žiarenia gama absorbovanej v scintilátore.
Ak fotón o energii 100 keV vybudí 2000-3000 svetelných
fotónov, fotón s energiou 200 keV vybudí 4000-6000
svetelných fotónov.
Čím vyššiu má energiu fotón gama, pohltený v
scintilátore, tým väčší svetelný záblesk vybudí.
05
Scintilačný detektor gamakamery
Prechod fotónu gama scintilátorom
Pri prechode fotónu gama scintilátorom môžu nastať deje:
1.
2.
3.
Absorbcia fotónu gama-scintilácia
Comptonov rozptyl, sekundárny fotón sa znovu rozptýli
a pohltí sa pri fotoelektrickom jave. Všetka energia
fotónu sa absorbuje v kryštáli.
Comptonov rozptyl, sekundárny fotón unikne z kryštálu
4.
Fotón opúšťa kryštál až po dvojnásobnom rozptyle
06
Scintilačný detektor gamakamery
Premena svetelného fotónu na elektrický impulz
Svetlovodič → Optický kontakt → Fotonásobič
Svetlovodič sa používa ak je potrebné chrániť fotonásobič pred vplyvom
teploty/silnými magnet. poľami, alebo ak sa prevádza scintilácia zo scintilátora s
väčším priemerom na fotonásobič o menšom priemere. Na výrobu svetlovodičov
sa používajú najčastejšie organické sklá (polymetyl metakrylát, kremenné sklo...)
Optický kontakt
Aby sa predišlo nežiadúcim odrazom svetla, vkladá sa medzi detektor
a čelo fotonásobiča vrstva materiálu-optický kontakt, ktorá týmto
odrazom zabráni a zvedie svetlo k fotonásobiču. Najčastejšie sú
to silikónové oleje a silikónové gély.
08
Scintilačný detektor gamakamery
Fotonásobič je dôležitá súčiastka v scintilačnom detektore, ktorá
zabezpečuje premenu svetelného signálu (svetelného záblesku,
vzniknutého v scintilačnom kryštáli) na elektrický impulz.
Skladá sa z častí:
- fotokatóda
- systém dynód
- anóda
Obr. : Schéma fotonásobiča
09
Scintilačný detektor gamakamery
Obr. : Typy fotonásobičov
10
Scintilačný detektor gamakamery
Mŕtva doba scintilačného detektora
Mŕtva doba detektora, resp. jeho rozlišovacia doba je minimálny
časový interval, ktorý uplynie od zaregistrovania jednej častice
do okamihu, keď je detektor schopný registrovať ďalšiu časticu.
Scintilácia v detektore musí odznieť, detektor sa musí deexcitovať.
11
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
FOTONÁSOBIČ
kolimátor FOTÓN
ZOSILŇOVAČ
signálu
REGISTRÁCIA
SVETLA
FOTÓN
GAMA
FK
D
INTEGRÁTOR
486552
A
foton
POČÍTAČ
IMPULZOV
scintilačný
krištáľ
ZDROJ VN
ANALYZÁTOR
DISKRIMINÁTOR
analýza energie
Obr.: Detekcia fotónu gama pomocou detetektora
gamakamery a spracovanie signálu.
07
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
DETEKTOR
ZOSILŇOVAČ
ANALÝZA POLOHY
OBRAZ
+y
Y
ZOSILŇOVAČ
x
+x
-x
bod
X
y
z
KS F
sum.signál
-y
analógový
signál
Obr.: Elektronické spracovanie signálu z detektora
do formy obrazu.
ANALÝZA
ENERGIE
08
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
1. Analýza energie
S určením polohy scintilácie
prebieha i analýza intenzity
scintilácie.
V prípade scintilačných kryštálov
je intenzita scintilácie (vzniknuté svetlo) úmerná energii absorbovanej
v scintilátore (kryštále) → je generovaný signál Z.
Vytvorenie signálu Z zabezpečujú tzv. sumačné obvody, ktoré sčítavajú
veľkosť odozvy všetkých fotonásobičov a prevádzajú ju na absorbovanú
energiu scintilácie.
Takto vytvorený signál vstupuje do amplitúdového
analyzátora.
Pre každú scintiláciu je takto určená jej poloha a
energia fotónu gama, ktorý scintiláciu vyvolal.
09
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
Amplitúdový analyzátor
Gamagrafia vychádza z predpokladu, že detekuje gama žiarenie
rádionuklidu, ktorý bol vo forme rádiofarmaka aplikovaný do organizmu
pacienta. Vhodne orientované fotóny gama žiarenia prechádzajú
kolimátorom a sú zachytené detektorom.
V skutočnosti však istá časť vyžiarených gama fotónov interaguje s
tkanivom pacienta vo forme Comptonovho rozptylu. Comptonovým
rozptylom sa jednak znižuje energia gama fotónu a jednak fotón
gama môže zmeniť svoj smer. Prítomnosť rozptýlených gama
fotónov spôsobuje v obraze šum, je preto vhodné ich
eliminovať.
Určité množstvo rozptýlených fotónov je možné zo
zobrazovania vylúčiť pomocou amplitúdového analyzátora.
10
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
Amplitúdový analyzátor – nastavenia okna fotopíku
Amplitúdový analyzátor je dôležitou súčasťou detekčného reťazca každej
gamakamery. Signál Z, ktorý nesie informáciu o energii dopadajúceho
fotónu je vedený cez amplitúdový analyzátor. Užívateľ má možnosť nastaviť
tzv. hornú a dolnú hladinu okienka analyzátora.
Okienko analyzátora prepustí len impulz, ktorý bol vyvolaný fotónom
o energii vyššej ako dolná diskriminačná hladina a nižšej ako horná
diskriminačná hladina.
Oblasť medzi dolnou a hornou diskriminačnou hladinou
sa nazýva okno fotopíku.
11
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
Obr.: Amplitúdový
analyzátor.
Okno fotopíku.
12
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
Obr.: Energetické okno fotopíku pre 99mTc.
13
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
Obr.: Energetické okno fotopíku pre 99mTc pri
prechode fotónov gama telom pacienta.
14
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
Nesprávne nastavenieoblasť spojitého spektra,
zhoršenie kvality obrazu.
Správne symetrické
nastavenie energet. okna.
Nesprávne nastavenieeliminuje síce rozptýlené
žiarenie, avšak výrazne
znižuje citlivosť.
Obr.: Energetické okno fotopíku pre 99mTc
pri scintigrafii štítnej žľazy.
15
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
Obr.: Možnosť nastavenia i viacerých energetických
okien pre rádionuklidy s viacerými fotopíkmi.
16
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
2. Určenie polohy scintilácie
Svetelné fotóny, ktoré vznikli v dôsledku interakcie žiarenia gama s
kryštálom sa v ňom šíria všetkými smermi. Najviac svetla sa dostane do
fotonásobiča, ktorý je najbližšie k miestu interakcie fotónu gama s
kryštálom (miesto scintilácie).
Na výstupe tohto fotonásobiča vznikne impulz, ktorého amplitúda je
väčšia ako amplitúda odoziev zo vzdialenejších fotonásobičov.
Na základe hodnotenia odoziev zo všetkých fotonásobičov určia
tzv. polohové obvody výslednú súradnicu scintilácie [X,Y].
17
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
Určenie polohy scintilácie
Obr.: Scintilácia po absorbcii fotónu gama a
následné ožiarenie fotonásobičov.
18
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
Určenie polohy scintilácie
Obr.: Určenie polohy scintilácie pomocou
polohových obvodov.
19
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
Určenie polohy scintilácie
Obr.: Funkcia polohových
obvodov.
fdfg
20
Tvorba scintintigrafického obrazu
Elektronické spracovanie detekovaného signálu
Určenie polohy scintilácie
Obrázok ilustruje funkciu polohových obvodov.
Keby distribúcia rádiofarmaka bola zobrazená len pomocou jednotlivých
fotonásobičov, získaný obraz by mal veľmi zlé, klinicky nedostačujúce
rozlíšenie. Bolo by možné sledovať len fotonásobiče, ktoré zaznamenali
nejaký impulz.(Ak by každému impulzu bola priradená len súradnica
odpovedajúceho fotonásobiča, počet bodov by bol obmedzený len na
počet fotonásobičov).
Použitím polohových obvodov sa dosiahne výrazného zlepšenia
v rozlíšení, pretože pri každom jednotlivom zaznamenamom
impulze je určená jeho súradnica (adresa do buniek)
presne podľa prednastavenej akvizičnej matice.
21
Tvorba scintintigrafického obrazu
Scintigrafický obraz – analógová gamakamera
22
Tvorba scintintigrafického obrazu
Scintigrafický obraz – analógová gamakamera
Analógová scintilačná gamakamera podľa obrázku poskytuje tzv.
analógové scintigrafické obrazy na tienidle osciloskopu.
Obraz je na obrazovke osciloskopu prítomný počas detekcie
fotónov gamakamerou. Po skončení snímania (odchode pacienta)
takýto obraz mizne. V súčasnosti sa táto technológia už nepoužíva.
Aby bolo možné obraz uchovať, fotografoval sa z obrazovky
fotoaparátom.
Z praktických dôvodov sa tiež používal tzv. perzistentný osciloskop.
Z obrazovky perzistentného osciloskopu nemizli obrázky
okamžite, ostávali tam počas nastavenej doby
a potom plynule slabli až zmizli.
23
Tvorba scintintigrafického obrazu
Scintigrafický obraz – prechod od analógovej k digitálnej kamere
Analógový obraz je tvorený stopami,
ktorých poloha na obrazovke osciloskopu
odpovedá polohe zábleskov v scintilačnom
kryštále - obr a).
V súčasnosti sa analógový obraz nepoužíva
a pre jednoduchšiu prácu sú analógové
gamakamery v praxi digitalizované.
Na analógový obraz je premietnutá zvolená
matica zobrazenia, ktorá vymedzuje, kde
sa budú impulzy ukladať v pamäti počítača
do obrazových elementov /pixelov – obr b).
Každému pixelu je priradená adresa a je
vypočítaný počet impulzov, ktorý sa v danom
pixeli nachádza – obr c).
V pamäti počítača sa ukladá digitalizovaný
obraz, ktorý je tvorený počtom impulzov v
jednotlivých pixeloch – obr d).
24
Tvorba scintintigrafického obrazu
Scintigrafický obraz – digitálna kamera
25
Tvorba scintintigrafického obrazu
Scintigrafický obraz – digitálna kamera
Plne digitálna gamakamera sa od analógovej líši v tom, že každý
fotonásobič má svoj analógovo-digitálny prevodník ADC →
osciloskopická obrazovka je nahradená ADC a pamäťou počítača.
Vlastný proces konevrzie na digitálny signál je spustený impulzom Z,
ktorý oznamuje že bol detekovaný validný fotón žiarenia gama.
Súradnice X a Y potom AD prevodník prevedie na bitovú kombináciu
a pošle ju na odpovedajúcu adresu bunky v počítači.
V pamäti počítača je pre zápis digitalizovaných impulzov
vyčlenená tzv. obrazová matica (býva to 64x64,
128x128, 256x256 , výnimočne i 512x512 buniek).
Každá bunka - pixel v obrazovej matici topograficky
odpovedá určitému miestu v zobrazovanom objekte.
26
Tvorba scintintigrafického obrazu
Vplyv matice na scintigrafický obraz
Obr.: CT obraz, nahrávaný
do matice 512x512 a
postupne výpočtovo
prevádzaný do nižších
matíc až po 64x64.
27
Tvorba scintintigrafického obrazu
Vplyv matice na scintigrafický obraz
Obr.: Vplyv matice zobrazenia na kvalitu
scintigrafického obrazu.
Čím je väčší rozmer matice zobrazenia,
tým je veľkosť pixelu menšia a detaily
obrazu sú lepšie rozlíšiteľné.
Od určitého bodu je však zbytočné ďalej
zväčšovať maticu, pretože kvalita
zobrazenia je limitovaná možnosťami
rozlíšenia samotného zobrazovacieho
Zariadenia - gamakamery.
28
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Aby bolo možné získať obraz rozloženia rádiofarmaka v tele
pacienta je nutné a žiaduce detekovať iba tie fotóny žiarenia
gama, ktoré sa pohybujú v určenom smere.
Žiadaný smer je určený konštrukčným usporiadaním
gamakamery a rekonštrukčnými algoritmami pre tvorbu
obrazu.
Fotóny gama nie je možné fokusovať tak ako je to možné v
optike pri fotónoch svetla s použitím šošoviek.
V prípade jednofotónovej emisnej tomografie sa
za účelom eliminácie fotónov gama z nežiaducich
smerov používajú zariadenia – kolimátory.
03
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Kolimátor
Kolimátor je clona, vyrobená z tienaiaceho materiálu
(najčastejšie olova, alebo volfrámu) ktorá vymedzuje smer
fotónov, dopadajúcich na scintilačný kryštál a tiež zorné pole
gamakamery.
Najčastejšie je to platňa s väčším počtom husto a rovnomerne
rozmiestnených otvorov určitého tvaru, veľkosti a smeru.
Bez oslabenia prechádzajú kolimátorom len fotóny letiace v
smere osi otvorov kolimátora. Ostatné fotóny
prichádzajúce z iných smerov sú absorbované v
olovených prepážkach (septách) medzi otvormi,
na kryštál nedopadajú a nie sú detekované.
04
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Rozdelenie kolimátorov
Kolimátory možno deliť z viacerých hľadísk, no vo všeobecnosti ich
rozdeľujeme podľa:
Sklonu otvorov kolimátora
Energie detekovaného žiarenia gama
Rozlíšenia/citlivosti, ktoré je možné s ich použitím dosiahnuť
05
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Rozdelenie podľa sklonu otvorov kolimátora
1.) Kolimátory s paralelnými otvormi
2.) Kolimátory so šikmými otvormi
06
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Rozdelenie podľa energie detekovaného žiarenia
07
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Rozdelenie podľa energie detekovaného žiarenia
1.) Kolimátory pre nízke energie
Najčastejšie používané pre 99mTc (140 keV). Sú subtílnejšej
konštrukcie s veľkým počtom drobných otvorov s pomerne
tenkými prepážkami 0.2 - 0.5 mm.
2.) Kolimátory pre stredné energie
Najčastejšie používané pre 67Ga (93, 185, 300 keV) a
111In (171, 245 keV).
Majú robustnejšiu konštrukciu s prepážkami 1 - 2 mm.
3.) Kolimátory pre vysoké energie
Najčastejšie používané pre 131I (364 keV). Majú
robustnejšiu konštrukciu s prepážkami 2 - 4 mm.
08
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Rozdelenie podľa energie detekovaného žiarenia
Obr.: Paralelné kolimátory podľa
energetickej triedy detekovaného
žiarenia.
09
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Rozdelenie podľa rozlíšenia/citlivosti
1.) Kolimátory s vysokou citlivosťou (HS – High Sensitivity)
Majú pomerne krátke a veľké otvory a tenké prepážky, aby
kolimátorom prešlo čo najviac fotónov gama z väčšieho
priestorového uhla pre každý otvor. S touto zvýšenou citlivosťou
sa však spája výrazne horšia rozlišovacia schopnosť, ktorá sa
pomerne rýchlo zhoršuje so vzdialenosťou od čela kolimátora.
Kolimátory HS sa používajú pomerne zriedka.
2.) Kolimátory s vysokým rozlíšením (HR – High Resolution)
Majú dlhšie a drobnejšie otvory (cca 1-2 mm) s tenkými
prepážkami (cca 0,2 – 0,4 mm), takže každý otvor sníma
žiarenie z pomerne malého priestorového uhla. Vyššie
rozlíšenie amozrejme vedie k nižšej citlivosti
( detekčnej účinnosti ). Tento kolimátor sa v
súčasnosti javí ako jeden z optimálnych pre
detekciu žiarenia gama.
10
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Rozdelenie podľa rozlíšenia/citlivosti
3.) Kolimátory s ultra vysokým rozlíšením
(UHR – Ultra Heigh Resolution)
Majú dlehé a veľmi drobné otvory (cca 1 mm) s dostatočne
tenkými prepážkami (cca 0,1 - 0,2 mm), čo zaručuje veľmi dobrú
rozlišovaciu schopnosť. Citlivosť je však výrazne znížená →
až 4-násobne. Používa sa veľmi zriedka.
4.) Kolimátory s vhodným pomerom rozlíšenie/citlivosť
(AP – All Purpose)
Spolu s HR kolimátorom je najčastejšie používaný
v bežnej praxi.
11
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Kolimátor typu Pinhole
d – veľkosť otvoru pinhole kolimátora
α – uhol pinhole kolimátora
h – výška pinhole kolimátora
x – vzdialenosť zobrazovaného objektu
(zdroja) od čela kolimátora
θ – uhol, pod ktorým vniká fotón gama
do kolimátora
Kolimátor typu Pinhole sa používa pri
zobrazovaní malých orgánov (štítna
žľaza, obličky, bedrové kĺby u
novorodencov).
12
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Kolimátor typu Pinhole
Kolimátor typu pinhole má jeden
otvor v olove (alebo wolfráme) o
priemere 3 až 5 mm ( prípadne
obsahuje súbor nadstavcov s
otvormi rôznych priemerov ).
Kolimátor typu pinhole má tieto vlastnosti:
Poskytuje prevrátený a zväčšený obraz snímaného objektu.
Zväčšenie klesá s rastúcou vzdialenosťou objektu od čela.
Vykazuje veľmi dobré priestorové rozlíšenie v prípade,
že zobrazovaný objekt je od neho vo veľmi malej
vzdialenosti.
Nevýhodou kolimátorov pinhole je ich nízka citlivosť v porovnaní
s kolimátormi s paralelnými otvormi a
skreslenie obrazu zvlášt pri zobrazovaní objektov s
veľkou hrúbkou.
13
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Kolimátor typu Fan beam
x – vzdialenosť zobrazovaného
objektu (zdroja) od čela
kolimátora
f – ohnisková vzdialenosť
Kolimátor typu Fan beam je
konvergentný kolimátor, používa sa
pri SPECT vyšetreniach mozgu.
14
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Kolimátor s paralelnými otvormi
d – veľkosť otvoru kolimátora
t – šírka prepážky (septa) medzi otvormi
kolimátora
h – výška paralelného kolimátora
x – vzdialenosť zobrazovaného objektu
(zdroja) od čela kolimátora
Je v rôznych obmenách (LEAP, LEHR,
MEGP, HEHR) najviac používaným
kolimátorom v nukleárnej medicíne.
15
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Kolimátor s paralelnými otvormi
Obr.: Vplyv vzdialenosti od čela kolimátora na
rozlíšenie v obraze.
17
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Typy kolimátorov a zobrazenie v kryštáli
18
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Systémové rozlíšenie: gamakamera + kolimátor
19
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Systémové rozlíšenie: gamakamera + kolimátor
20
Kolimácia pri detekcii žiarenia
Ďakujem za pozornosť!
22