Гамма-локатор для выявления сторожевых лимфатических узлов на основе

Гамма-локатор для выявления «сторожевых» лимфатических узлов на основе сцинтилляционного кристалла и кремниевого фотоумножителя Канцеров В. А. , Ягнюкова А. К. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Москва 2013 г.

Концепция гамма-локатора Задача радионуклидной диагностики: локализация источника излучения гамма-квантов (радиофармпрепарата) в биологическом объекте Радиофармпрепарат (РФП) вводится в организм и накапливается в областях злокачественных новообразований С помощью детектора гамма-излучения определяют области повышенной концентрации РФП Гамма-локатор – детектор гамма-квантов в области энергий 60 -600 кэ. В; медицинский прибор, предназначенный для определения локальных источников гамма-излучения в мягких тканях организма человека после введения радиофармпрепарата

Области использования гамма-локатора Интраоперационный поиск «сторожевых» лимфатических узлов: результаты биопсии СЛУ являются объективным диагностическим критерием распространения злокачественного процесса Хирургическое удаление злокачественных новообразований Поиск сторожевого лимфоузла Биопсия и гистологический анализ СЛУ Оптимальными РФП для выявления «сторожевых» лимфатических узлов признаны наноколлоидные препараты, меченные технецием-99 м: • • • «Nanocis» , диаметр частиц < 100 нм – поставки прекращены с 2007 г. ; «Нанотех, 99 m. Tc» - на стадии клинических испытаний; «Технефит, 99 m. Tc» - сертифицирован для исследований печени; предварительное фильтрование через мембрану с размером пор 100 нм.

Области использования гамма-локатора Неинвазивный поиск злокачественных образований – при условии использования специфических и неспецифических РФП, проникающих в опухолевые клетки Рис. 1. Схема работы с гамма-локатором 99 m. Tc-MIBI, 99 m. Tc-тетрофосмин – примеры неспецифичных РФП; проникновение молекул из крови через клеточную мембрану носит характер пассивной диффузии по градиенту концентрации

Регистрирующая часть гамма-локатора Прибор создан на основе сцинтиллятора, где происходит конвертирование γ-квантов в фотоны, и фотоприёмника для регистрации этих фотонов Использованы последние достижения как в сцинтилляционной методике (LYSO, La. Br 3: Ce), так и в фотоприемниках (Si. PM) Рис. 2. Внешний вид детектирующей части гаммалокатора: сцинтиллятор LYSO и фотоприемник

Выбор сцинтиллятора Таблица 1. Сравнение характеристик сцинтилляторов Световыход относительн о ρ, г/см 3 световыхода Na. I(TI) Эфф. Z τ, нс λmax, нм Гигроскопичнос ть № Сцинтилляторы 1 Na. I(TI) 1 3, 67 50 230 415 + 2 LSO ~ 1 7, 41 66 40 440 - 3 LYSO 1, 2 7, 1 -7, 3 63 40 420 - 4 La. Br 3: Ce 1, 3 5, 08 51 60 350 +

Выбор фотоприемника Таблица 2. Сравнение характеристик Si. PM и ФЭУ N Характеристики Si. PM ФЭУ 1 Коэффициент усиления ~106 3 Максимальная спектральная чувствительность, нм 440 450 4 Uсм, В 25 -90 1000 -2000 5 Эффективность регистрации, % 30 -40 1 -20 8 Размеры ~1 мм 2 ~1 см 2 9 Чувствительность к магнитным полям Нечувствитель ны Чувствительн ы

Экспериментальная установка На рис. 3. приведена схема экспериментальной установки, с помощью которой проводились измерения Рис. 3. Схема экспериментальной установки. Si. PM- фотодиод; сцинтиллятор – LYSO, La. Br 3: Се; У. - усилитель; Л. Р. - линейный разветвитель; Л. З. - линия задержки; Д. - дискриминатор; QDC – зарядово-цифровой преобразователь (Lecroy 2249)

Экспериментальные данные Спектры Si. PM Hamamatsu 3 х3 мм 2 Сцинтиллятор La. Br 3: Ce Сцинтиллятор LYSO Ист. 137 Сs (662 кэ. В) ER=8% Рис. 4. Экспериментальные спектры Ист. 137 Cs (662 кэ. В) ER=13%

Экспериментальные данные Спектры La. Br 3: Ce Si. PM Hamamatsu 3 x 3 мм 2 Ист. 99 m. Tc (140 кэ. В) ER=32% Si. PM Ketek 3 x 3 мм 2 Ист. 99 m. Tc (140 кэ. В) ER=34% Рис. 5. Экспериментальные спектры

Реализация гамма-локатора: прототип 1 Детектирующая часть при помощи кабеля соединена с блоком электроники. Результат измерений выводится на цифровой индикатор. Рис. 6. Прототип 1 Рис. 7. Блок-схема прототипа 1

Измерение характеристик прототипа 1: пространственное разрешение Детектор Коллиматор Рис. 8. Схема измерения пространственного разрешения и параметры коллиматора Координатное разрешение - ширина на полувысоте функции зависимости счета от координаты, перпендикулярной оси детектора. Рис. 9. Зависимость скорости счета от координаты. Ист. 57 Co (124 кэ. В); FWHM = 21 мм

Измерение характеристик прототипа 1: пространственная селективность Пространственная селективность определяется углом наклона, на который надо повернуть зонд, чтобы скорость счета снизилась в два раза. Критерием является ширина на полувысоте функции распределения скорости счета по полярному углу. Коллиматор Детектор Рис. 10. Схема измерения пространственной селективности Рис. 11. Зависимость скорости счета от полярного угла. Ист. 57 Co (124 кэ. В); FWHM = 16º

Реализация гамма-локатора: прототип 2 Рис. 12. Прототип 2. Через разъем USB локатор подключается к компьютеру. Специальное программное обеспечение позволяет осуществить индикацию результата, регулировку напряжения и порогов дискриминации. DC-DC Рис. 13. Внешний вид платы и блок-схема прототипа 2

Экспериментальные данные В прототипе 2 для определения положения фотопика был снят интегральный спектр. Нижней границе фотопика соответствует выделенная пунктиром область. Рис. 14. Интегральный спектр источника Cs-137 (662 кэ. В)

Температурная нестабильность Рис. 15. Зависимость скорости счета от времени Рис. 16. Зависимость рабочего Uсм от температуры В ходе измерений обнаружилось снижение скорости счета детектора со временем. Это объясняется температурной нестабильностью Si. PM (рабочее напряжение смещения линейно растет с температурой, коэффициент 56

Термокомпенсация В преобразователе постоянного напряжения (МАХ 1932) заложена возможность температурной компенсации выходного напряжения с помощью терморезистора. Рис. 17. Схема включения терморезистора Расчет резистивного делителя проверялся путем имитации работы NTC термистора подстроечным многооборотным резистором. Следующий этап: измерение зависимости выходного напряжения от температуры с Рис. 18. Компенсация выходного напряжения с помощью терморезистором.

Эффективность регистрации гамма-квантов а. б. Рис. 19. Зависимость скорости счета от расстояния между детектором и источником; а. – Co-57 (124 кэ. В), б. – Cs-137 (662 кэ. В) Для определения эффективности регистрации гамма-излучения (источник Со -57, 124 кэ. В) была построена зависимость скорости счета детектора от расстояния между источником и детектором; сплошной линией проведена расчетная зависимость, полученная из табличной активности источника. Экспериментальные точки аппроксимируются зависимостью вида 1/R 2, следовательно, приближение точечного источника допустимо.

Прототип 2: координатное разрешение и пространственная селективность Рис. 20. Зависимость скорости счета от координаты. Ист. 57 Co (124 кэ. В); FWHM = 8 мм Рис. 21. Зависимость скорости счета от полярного угла. Ист. 57 Co (124 кэ. В); FWHM/2 = 26º

Сравнение прототипа 2 с зарубежными аналогами Таблица 3. Сравнение характеристик гамма-локаторов Производитель (страна) Europrobe Cs. J, Eurorad (Франция) C-Trak Omni. Probe, Care Wise (США) Neoprobe 2000 (США) Гамма-локатор 2 (МИФИ) Координатное разрешение, мм Пространственная селективность, ° Чувствительность, имп/с/к. Бк 14 35 7 15 50 23 15 36 10 8 26 12

План работ над гамма-локатором 1. Изготовление нового прототипа с учетом дополнительных требований: - термокомпенсация (или выбор другого Si. PM); - замена сцинтилляторов, содержащих лантан или лютеций; - возможность вывода аналогового сигнала; - цифровая и звуковая индикация; - миниатюризация корпуса; 2. Сотрудничество с медицинскими центрами 3. Возможность мелкосерийного производства 4. Разработка прототипа компактного медицинского детектора гамма-квантов на основе теллурида кадмия.

Перспективы работы с Cd. Zn. Te в качестве детектора для медицины 1. Небольшой размер кристалла (5 х5 х2 мм 3) обеспечивает высокое энергетическое разрешение (4% на Со-57, 124 кэ. В) без потери эффективности регистрации (~70%); 2. Высокое энергетическое разрешение позволяет исключить события, связанные с комптоновским рассеянием, что приводит к улучшению координатного разрешения и пространственной селективности; 3. Использование матриц на кристаллах CZT позволяет создать компактные гамма-камеры с небольшим полем зрения, высоким пространственным разрешением и контрастом изображения, что является востребованным инструментом современной медицинской визуализации

Спасибо за внимание!