Системы гамма-отображения • Задачей систем гамма-отображения является исследование человеческого организма с помощью радиоактивных изотопов, или радионуклидов (РН), которые входят в состав специальных веществ – радиоактивных фармакологических препаратов (РФП), которые вводятся в организм через кровеносные сосуды (вены), дыхательные пути или пищеварительный тракт. • РФП вместе с кровью, воздухом или пищей разносятся по организму и накапливаются в определенных местах. • С помощью приборов определяют их место накопления и интенсивность излучения.
• Наиболее широко в радионуклидной диагностике используются технеций 99 m. Tc, индий 113 m. In и йод 131 I. • Два первых радионуклида дают только -излучение. • Главной областью их применения является визуализация -изображений. • Индекс «m» означает «метастабильный» . • От обычных изотопов метастабильные отличаются более высокой внутриядерной энергией, которую они теряют вместе с -квантом. • Изотоп 131 I кроме -излучения дает еще и -излучение и поэтому используется также и в лучевой терапии.
• Источниками получения искусственных радионуклидов служат реакторы, циклотроны и специальные портативные генераторы. • Последние являются основными источниками, поставляющими 99 m. Tc и 113 m. In. • Короткоживущие нуклиды получают из первичных относительно долгоживущих изотопов, которые называют материнскими, а получаемые изотопы называют дочерними. • Материнские РН поставляют из реакторов в жидкой или газообразной форме, например, молибден 99 Мо – в виде раствора NH 4 Mo. O 4.
Схема генератора для хроматографического получения 99 m. Тс из 99 Мо 1 - Раствор NH 4 Mo. O 4 - играет роль элюента 2 - Разделительная колонка 3 - Элюат 4 - Фильтр 5 - Свинцовый защитный корпус
• Раствор NH 4 Mo. O 4 поступает в разделительную колонку, через которую пропускается хлорид натрия. • В результате образуется элюат, который проходит через фильтр и поступает в герметичный сосуд емкостью около 10 мл. • В колонке происходит распад материнского РН. • Изотоп 99 Мо захватывает электрон и становится технецием 99 m. Тс. • При этом он входит в соединение Na(99 m. Тс. О 4) – пертехнетат. • Колонка находится в защитном корпусе из свинца 5, вся установка также закрыта защитным кожухом.
Технические средства радионуклидной диагностики • Практически во всех аппаратах и системах для РН диагностики используется гамма-излучение. • Для его регистрации и обработки получаемой информации используются радиометры, сканеры, гамма-камеры и эмиссионные томографы.
Установка для радиометрии 1 - Сцинтиллятор 2 - ФЭУ 3 - Свинцовый кожух 4 - Световод 5 - Коллиматор
• Детектор, закрепленный на штативе, принимает и преобразует гамма-излучение, исходящее от источника, в данном случае накапливающегося в щитовидной железе. • Наиболее часто детекторы -квантов выполняют на сцинтилляторах и, в отличие от детекторов рентгеновского излучения, они почти всегда работают в режиме счета. • В аппаратном блоке счетчик подсчитывает электрические импульсы, вызываемые сцинтилляциями за определенный интервал времени. • Цифровые данные преобразуются с помощью ЦАП в аналоговый сигнал, который может быть выведен на регистратор.
Сканер как гамма-топограф
• Первым шагом к визуализации в радионуклидной диагностике было создание и применение сканеров – устройств для графического отображения на бумаге информации о накоплении РН в исследуемой области. • Сканер осуществляет пошаговое обследование (механическое сканирование) достаточно обширного участка тела, в котором находится РФП. • Кроме основных узлов, присущих любому радиодиагностическому прибору, он имеет еще устройство для перемещения коллимированного детектора над поверхностью тела и средства для построения изображения
• Изображение, называемое гамма-топограммой, получают с помощью пера, которое наносит штрихи на бумагу. • Перо управляется соленоидом. • Детектор построчно обходит исследуемый участок тела с заранее заданной скоростью, которую выбирают с учетом интенсивности излучения РФП – чем больше частота регистрируемых импульсов, тем быстрее можно перемещать датчик. • От детектора в аппаратный блок поступает определенное количество импульсов за единицу времени, а на соленоид подается некоторое число импульсов тока. • Перо наносит штрихи на бумагу.
• Чем больше импульсов в единицу времени поступит от детектора, тем больше штрихов будет нанесено на бумагу. • Таким образом, густота штрихов отображает интенсивность излучения из некоторой малой области тела. • Для большей наглядности гамма-топограмму изображают цветными штрихами. • Обычно используют три цвета. • Каждый цвет соответствует определенной частоте импульсов, получаемых от детектора. • Сканеры позволяют проводить обследование участков с большими площадями – 400 мм. • К их недостаткам следует отнести большое время, необходимое для получения изображения.
• Этап истинной визуализации в радионуклидной диагностике начался с появлением гамма-камеры. • Первая гамма-камера была изготовлена в 1952 г. в США под руководством Энгера. • Она представляет собой устройство с многоэлементным детектором, позволяющее получить пространственное изображение распределения радиоактивности в исследуемом объекте.
Блок-схема гамма-камеры
• В гамма-камере отдельные световые вспышки, возникающие в сцинтилляторе, регистрируются не одним ФЭУ, а несколькими. • С помощью специальных преобразовательных устройств получают информацию о месте возникновения вспышки и ее энергетических параметрах. • Первые гамма-камеры имели небольшое число ФЭУ (7 – 9) шт. • Причем, использовались ФЭУ большого диаметра. • Современные гамма-камеры содержат 75 – 90 ФЭУ, но их принцип действия в основном остается прежним.
ПЧД гамма-камеры
• Гамма-кванты попадают на сцинтиллятор через узкие отверстия свинцового коллиматора. • Возбуждаемые в сцинтилляторе световые вспышки по световодам поступают на фотокатоды ФЭУ. • Электрические сигналы от ФЭУ преобразуются в электронном блоке. • В современных гамма-камерах этот блок выполняет большинство предварительных преобразований и выдает информацию в цифровой форме, вводимую в ЭВМ. • Все внутренние узлы защищены свинцовым кожухом • Коллиматор, по сути, представляет собой свинцовое сито большой толщины с круглыми или шестигранными отверстиями диаметром 1, 5 – 1, 7 мм.
• Распределение света между отдельными ФЭУ, а следовательно и амплитуды выдаваемых ими импульсов, зависит от места вспышки. • Предположим, что -квант вызвал вспышку на оси центрального ФЭУ Ф 7. • Тогда амплитуда полученного от него сигнала будет максимальной, а остальные ФЭУ дадут сигналы с меньшими, но равными амплитудами. • Если же поглощение кванта и сцинтилляция произойдут ближе к периферии, то ФЭУ Ф 1, Ф 2, Ф 7 дадут примерно одинаковые сигналы, а остальные – меньшие, в зависимости от удаленности от места вспышки. • Как видим из рисунка, ФЭУ располагаются в правильном шестиугольнике. • Такая конфигурация встречается и в современных гаммакамерах с большим числом ФЭУ, но большинство их них имеет детекторы прямоугольной формы.
• Главной задачей, решаемой при визуализации гамма-изображения, является определение координат и энергии -кванта (вспышки). • И раньше и теперь она в основном решается аналоговыми средствами. • Раньше – потому, что не было быстродействующих АЦП и ПЭВМ, теперь – потому, что количество ФЭУ в гамма-камере стало очень большим, и применение АЦП для преобразования сигналов каждого ФЭУ в отдельности привело бы к чрезмерным аппаратным затратам. • Хотя, при современном уровне развития элементной базы, возможен и этот путь.
Матрица ФЭУ
Резисторная матрица
• На рисунках изображены матрица из 19 ФЭУ (такая конфигурация была самой распространенной в гамма -камерах 80 -х годов минувшего столетия) и резисторная матрица. • Разобьем массив ФЭУ по квадрантам прямоугольной системы координат XOY. • Обозначим координаты центров ФЭУ первого квадранта как X+, Y+, второго квадранта – как X-, Y- и т. д. • Идея определения координаты и энергии сцинтилляции заключается в том, чтобы использовать для этого электрические сигналы ФЭУ. • Эти сигналы усиливаются предварительными усилителями. • При идентичности всех ФЭУ и предварительных усилителей их выходные сигналы будут зависеть только от места и энергии сцинтилляции.
Формирование пространственной зависимости позиционных сигналов • • • 1 - зависимость амплитуд импульсов ФЭУ, расположенных вдоль оси Х, от местоположения сцинтилляций на этой оси 2 – зависимость амплитуд энергетического сигнала, полученного суммированием сигналов всех ФЭУ, от координаты сцинтилляции Х 3 – зависимость амплитуд импульсов ФЭУ после их преобразования резисторной матрицей от координаты сцинтилляции 4 – Зависимость амплитуды позиционного сигнала Х- , полученного суммированием сигналов ФЭУ на соответствующем выходе резисторной матрицы от координат сцинтилляции 5 – зависимость амплитуды позиционного сигнала Х+ от координаты сцинтилляции Х 6 – пространственная зависимость результирующего координатного сигнала, равного разности позиционных сигналов Х+ и Х-
• Чтобы по сигналам ФЭУ определить координаты вспышки, вводят дополнительный преобразователь, представляющий собой группу сумматоров, которые суммируют сигналы ФЭУ с весовыми коэффициентами, соответствующими координатам центров ФЭУ. • Структурная схема координатноэнергетического преобразователя приведена выше.
Аналоговый преобразователь сигналов детектора гамма-камеры
• Следует учитывать, что полярность выходных сигналов всех ФЭУ, т. е. их предварительных усилителей, одинакова. • Поэтому при определении координат отдельно суммируются амплитуды сигналов ФЭУ, расположенных в соответствующих положительных и отрицательных полуплоскостях. • Вес каждого ФЭУ ( ) в общем сигнале определяется его положением: чем ближе к краю матрицы находится ФЭУ, тем больше его вес независимо от полуплоскости, в которой он находится. • Вес ФЭУ задается сопротивлениями резисторной матрицы: чем он больше, тем меньше сопротивление весового резистора.
• Суммы координат центров ФЭУ разных полуплоскостей обозначены как X+, Y+, X– , Y–. • Результирующие координаты определяются как разности X = X + – X – и Y = Y +– Y –. • Таким образом, при униполярных сигналах X+, Y+, X– , Y– результирующие координатные сигналы Х и Y могут оказаться положительными, отрицательными и равными нулю. • Однако полученные таким способом координаты сцинтилляции зависят от энергии -кванта, вызвавшего эту сцинтилляцию. • Чтобы избавиться от этой зависимости, величины • X+ – X– и Y+– Y– делят на энергетический сигнал Z и, таким образом, получают скорректированные энергонезависимые координаты и .
• Очевидно, что при изменении энергии кванта будут пропорционально изменяться величины числителей и знаменателей в выражениях, а следовательно их отношения будут определяться только координатами центров ФЭУ. • Корректоры координат в структурной схеме представляют собой аналоговые делители сигналов. • Поэтому к ним предъявляются повышенные требования в отношении быстродействия, шумов и дрейфа.
• Количественной мерой энергии -кванта, вызвавшего сцинтилляцию, служит сумма амплитуд сигналов от всех ФЭУ. • Эти сигналы суммируются с одинаковыми весовыми коэффициентами. • Далее возможны два пути преобразования информации – аналоговый и цифровой. • В первом случае координатные и энергетические сигналы подаются на электронно-лучевую трубку, причем координатные сигналы воздействуют на ее отклоняющую систему, а энергетические – управляют яркостью электронного луча. • В результате на экране ЭЛТ возникает изображение, состоящее из отдельных точек с различной поверхностной плотностью распределения.
• Цифровой путь более сложен, но в современных гамма-камерах применяется только этот путь. • Его сущность заключается в следующем. • Аналоговые координатные и энергетические сигналы с помощью АЦП преобразуются в цифровые данные и вводятся в ЭВМ. • В памяти ЭВМ изображение формируется в виде матрицы 512, 256 или другой размерности. • Каждая ячейка матрицы соответствует определенной точке детектора с известными координатами. • Данные координатных АЦП служат для адресации элементов матрицы.
• Если энергетический сигнал Z, вызванный сцинтилляцией в некоторой точке детектора, попадает в установленное энергетическое окно, то в ячейку матрицы с адресом, задаваемым координатными АЦП, добавляется (инкрементируется) единица. • В результате, в процессе обследования, в отдельных ячейках матрицы накапливаются различные числа, которые служат мерой интенсивности -излучения в данном элементарном объеме исследуемой области. • Эту информацию на изображении кодируют цветом: большой интенсивности соответствует белый цвет, меньшей – желтый, красный, зеленый и т. д.
Виды исследований на эмиссионном томографе
• В первых гамма-камерах детекторные головки были неподвижными или имели ограниченное перемещение, и для получения -изображений различных участков тела перемещали стол пациента. • Современные гамма-камеры могут работать в статическом режиме, сканировать пациента вдоль тела и производить томографирование
• Такие установки называют одноэмиссионными (или однофотонными) томографами. • В режиме сканирования гамма-камера медленно перемещается вдоль тела пациента и в результате получается цветное -изображение всего тела. • Такие исследования проводят для обнаружения метастазов в костных структурах. • В режиме томографирования детекторная головка вращается вокруг ложа с пациентом. • При этом получают несколько кадров (проекций), на основании которых можно затем реконструировать изображения сечений (гамма-томограммы) любой ориентации.
Конструкция гамма-камеры
Скачать презентацию Системы гамма-отображения Задачей систем гамма-отображения является исследование
Лекция 20.ppt