stringtranslate.com

Гамма-камера

Пример сцинтиграфического исследования легких

Гамма -камера ( γ-камера ), также называемая сцинтилляционной камерой или камерой Энгера , представляет собой устройство, используемое для получения изображений гамма-излучения, испускающего радиоизотопы, метод, известный как сцинтиграфия . Приложения сцинтиграфии включают раннюю разработку лекарств и ядерную медицинскую визуализацию для просмотра и анализа изображений человеческого тела или распределения введенных в медицинских целях, вдыхаемых или принимаемых внутрь радионуклидов , испускающих гамма-лучи .

Методы визуализации

Кодированная апертурная маска для гамма-камеры (для SPECT )

Сцинтиграфия («сцинтиграфия») — это использование гамма-камер для захвата излучения, испускаемого внутренними радиоизотопами, с целью создания двумерных [1] изображений.

Визуализация SPECT (однофотонная эмиссионная компьютерная томография), используемая в ядерном кардиологическом стресс-тестировании , выполняется с использованием гамма-камер. Обычно один, два или три детектора или головки медленно вращаются вокруг пациента.


Строительство

Гамма-камера
Схематическое поперечное сечение детектора гамма-камеры
Детали поперечного сечения гамма-камеры

Гамма-камера состоит из одной или нескольких плоских кристаллических плоскостей (или детекторов), оптически соединенных с массивом фотоумножительных трубок в сборке, известной как «головка», установленной на гантри. Гантри подключена к компьютерной системе, которая управляет работой камеры, а также получает и сохраняет изображения. [2] : 82  Конструкция гамма-камеры иногда известна как конструкция отсекового излучения.

Система накапливает события или подсчеты гамма- фотонов , которые поглощаются кристаллом в камере. Обычно используется большой плоский кристалл иодида натрия с легированием таллием NaI(Tl) в светонепроницаемом корпусе. Высокоэффективный метод захвата этой комбинации для обнаружения гамма-лучей был открыт в 1944 году сэром Сэмюэлем Карраном [3] [4] , когда он работал над Манхэттенским проектом в Калифорнийском университете в Беркли . Лауреат Нобелевской премии физик Роберт Хофштадтер также работал над этой техникой в ​​1948 году . [5]

Кристалл мерцает в ответ на падающее гамма-излучение. Когда гамма-фотон покидает пациента (которому ввели радиоактивный фармацевтический препарат ), он выбивает электрон из атома йода в кристалле, и возникает слабая вспышка света, когда дислоцированный электрон снова находит минимальное энергетическое состояние. Первоначальное явление возбужденного электрона похоже на фотоэлектрический эффект и (особенно с гамма-лучами) эффект Комптона . После того, как вспышка света произведена, она обнаруживается. Фотоумножительные трубки (ФЭУ) за кристаллом обнаруживают флуоресцентные вспышки (события), а компьютер суммирует подсчеты. Компьютер реконструирует и отображает двумерное изображение относительной пространственной плотности подсчетов на мониторе. Это реконструированное изображение отражает распределение и относительную концентрацию радиоактивных индикаторных элементов, присутствующих в визуализируемых органах и тканях. [6] : 162 

Анимированная схема физики гамма-камеры и ее основных компонентов

Обработка сигнала

Хэл Энгер разработал первую гамма-камеру в 1957 году. [7] [8] Его оригинальная конструкция, часто называемая камерой Энгера, до сих пор широко используется. Камера Энгера использует наборы вакуумных фотоумножителей (ФЭУ). Обычно каждая трубка имеет открытую поверхность диаметром около 7,6 см , и трубки расположены в шестиугольных конфигурациях позади поглощающего кристалла. Электронная схема, соединяющая фотодетекторы, соединена так, чтобы отражать относительное совпадение флуоресценции света, воспринимаемое элементами матрицы шестиугольных детекторов. Все ФЭУ одновременно обнаруживают (предполагаемую) одну и ту же вспышку света в разной степени, в зависимости от их положения относительно фактического индивидуального события. Таким образом, пространственное расположение каждой отдельной вспышки флуоресценции отражается в виде рисунка напряжений внутри матрицы соединительной схемы.

Местоположение взаимодействия гамма-излучения с кристаллом можно определить, обработав сигналы напряжения от фотоумножителей; проще говоря, местоположение можно найти, взвесив положение каждой фотоумножительной трубки по силе ее сигнала, а затем вычислив среднее положение из взвешенных положений. [2] : 112  Общая сумма напряжений от каждого фотоумножителя, измеренная анализатором амплитуды импульса , пропорциональна энергии взаимодействия гамма-излучения, что позволяет различать различные изотопы или рассеянные и прямые фотоны. [6] : 166 

Пространственное разрешение

Для получения пространственной информации об излучении гамма-излучения от объекта визуализации (например, клеток сердечной мышцы человека, поглотивших внутривенно введенный радиоактивный медицинский рентгеноконтрастный агент, обычно таллий-201 или технеций-99m ), требуется метод корреляции обнаруженных фотонов с точкой их происхождения.

Обычный метод заключается в размещении коллиматора над детекторным кристаллом/матрицей ФЭУ. Коллиматор состоит из толстого листа свинца , обычно толщиной от 25 до 55 миллиметров (от 1 до 2,2 дюйма), с тысячами смежных отверстий в нем. Существует три типа коллиматоров: коллиматоры низкой энергии, средней энергии и высокой энергии. По мере того, как коллиматоры переходили от низкой энергии к высокой энергии, размеры отверстий, толщина и перегородки между отверстиями также увеличивались. [9] При фиксированной толщине перегородки разрешение коллиматора уменьшается с увеличением эффективности, а также с увеличением расстояния источника от коллиматора. [10] Анализатор амплитуды импульса определяет полную ширину на половине максимума , которая выбирает определенные фотоны для внесения вклада в конечное изображение, тем самым определяя разрешение коллиматора. [11] [10]

Отдельные отверстия ограничивают фотоны, которые могут быть обнаружены кристаллом, конусообразной формой; вершина конуса находится в срединном центре любого данного отверстия и простирается от поверхности коллиматора наружу. Однако коллиматор также является одним из источников размытия изображения; свинец не полностью ослабляет падающие гамма-фотоны, между отверстиями могут быть некоторые перекрестные помехи .

В отличие от линзы, используемой в камерах видимого света, коллиматор ослабляет большую часть (>99%) падающих фотонов и, таким образом, значительно ограничивает чувствительность системы камеры. Для обеспечения достаточной экспозиции для системы камеры, чтобы обнаружить достаточное количество сцинтилляционных точек для формирования изображения, должно присутствовать большое количество излучения. [2] : 128 

Были предложены и испытаны другие методы локализации изображения ( точечное отверстие , вращающийся пластинчатый коллиматор с CZT ); [12] однако ни один из них не получил широкого распространения в повседневной клинической практике.

Лучшие современные конструкции систем камер могут различать два отдельных точечных источника гамма-фотонов, расположенных на расстоянии от 6 до 12 мм в зависимости от расстояния от коллиматора, типа коллиматора и радионуклида. Пространственное разрешение быстро уменьшается с увеличением расстояния от лицевой стороны камеры. Это ограничивает пространственную точность компьютерного изображения: это нечеткое изображение, состоящее из множества точек обнаруженных, но не точно локализованных сцинтилляций. Это является основным ограничением для систем визуализации сердечной мышцы; самая толстая нормальная сердечная мышца в левом желудочке составляет около 1,2 см, а большая часть мышцы левого желудочка составляет около 0,8 см, всегда движется и большая ее часть находится за пределами 5 см от лицевой стороны коллиматора. Чтобы помочь компенсировать это, лучшие системы визуализации ограничивают подсчет сцинтилляций частью цикла сердечного сокращения, называемого стробированием, однако это еще больше ограничивает чувствительность системы.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ thefreedictionary.com > сцинтиграфия Ссылки: Dorland's Medical Dictionary for Health Consumers, 2007 Saunders; Saunders Comprehensive Veterinary Dictionary, 3-е изд. 2007; McGraw-Hill Concise Dictionary of Modern Medicine, 2002 McGraw-Hill Companies
  2. ^ abc Saha, Gopal B. (2006). Физика и радиобиология ядерной медицины (3-е изд.). Нью-Йорк: Springer. doi :10.1007/978-0-387-36281-6. ISBN 978-0-387-30754-1.
  3. ^ «Счетные трубки, теория и применение», Курран, Сэмюэл С., Academic Press (Нью-Йорк), 1949
  4. ^ Fletcher, WW (2004). «Керран, сэр Сэмюэл Кроу (1912–1998)». Оксфордский национальный биографический словарь . Оксфордский национальный биографический словарь (онлайн-ред.). Оксфорд: Oxford University Press. doi :10.1093/ref:odnb/69524. (Требуется подписка или членство в публичной библиотеке Великобритании.)
  5. ^ "Robert Hofstadter – Biographical". Нобелевская премия . Получено 29 сентября 2016 г.
  6. ^ ab Khalil, Magdy M. (2010). "Элементы гамма-камеры и систем SPECT". Основные науки ядерной медицины . Гейдельберг: Springer. ISBN 978-3-540-85961-1.
  7. ^ Tapscott, Eleanore (2005). «Пионер ядерной медицины, Хэл О. Энгер, 1920–2005». Журнал технологий ядерной медицины . 33 (4): 250–253. PMID  16397975.
  8. ^ Anger, Hal O. (1958). "Сцинтилляционная камера". Review of Scientific Instruments . 29 (1): 27–33. Bibcode : 1958RScI...29...27A. doi : 10.1063/1.1715998.
  9. ^ Разави, Сейед Хосейн; Калантари, Фараз; Багери, Махмуд; Намиранян, Насим; Нафиси-Могадам, Реза; Марданшахи, Алиреза; Эмами-Ардекани, Алиреза; Собхан Ардекани, Мохаммед; Разави-Ратки, Сеид Казем (01 июля 2017 г.). «Характеристика коллиматоров низкой, средней и высокой энергии для обычных изотопов в ядерной медицине: исследование Монте-Карло». Иранский журнал ядерной медицины . 25 (2): 100–104. ISSN  1681-2824.
  10. ^ ab Sorensen JA, Phelps ME (1 января 1987 г.). Физика в ядерной медицине (PDF) . Elsevier - Health Sciences Division. стр. 336. ISBN 978-0808918042. Архивировано из оригинала (PDF) 14 января 2022 г. . Получено 14 января 2022 г. .
  11. ^ "Совместная серия лекций CI-JAI по передовым ускорителям. Визуализация и детекторы для медицинской физики. Лекция 5: Гамма-камеры" (PDF) . Институт Кокрофта. Архивировано из оригинала (PDF) 31 января 2021 г. Получено 14 января 2022 г.
  12. ^ Zeng, Gengsheng L.; Gagnon, Daniel; Matthews, Christopher G.; Kolthammer, Jeffery A.; Radachy, Jason D.; Hawkins, William G. (20 июня 2002 г.). «Алгоритм реконструкции изображения для вращающегося коллиматора с пластинами». Medical Physics . 29 (7): 1406–1412. Bibcode :2002MedPh..29.1406Z. doi :10.1118/1.1485057. PMID  12148720. S2CID  13092740.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки