GAMMA-KAMERA Felépítés, korrekciók Szcintillációs számláló részei Fény Fotoelektron-sokszorozó csı Jelfeldolgozó Varga József Debreceni Egyetem OEC Nukleáris Medicina Intézet Na-jodid kristály Anód Diszkriminátor Számláló Fotokatód Optikai ablak 2010. Gamma-kamerák 2010 Gamma-kamerák felépítése 2 Anger-rendszerő rendszerő gamma-kamera felépítése 2010 Gamma-kamerák felépítése 3 1. Kollimátor 2. Kristály: NaI (Tl) 3. Fotoelektronsokszorozók 4. Impulzusok 5. Anger-áramkör 6. X, Y Koordináták 7. Jó események 8. Tárolócsöves oszcilloszkóp 9. Analóg-digitál átalakítók 10. Számítógép 2010 Gamma-kamerák felépítése 4 Teljesen digitális gamma-kamera Gamma-kamerák típusai Analóg: Anger-féle mátrix-áramkör dekódolja a koordinátákat (számítógéphez csatlakozhat) (Fél-) digitális: digitális korrekciók (energia, linearitás, érzékenység) Teljesen ( full ) digitális: külön ADC minden fotoelektron-sokszorozón a koordináták és korrekciók digitális számolása 2010 Gamma-kamerák felépítése 5 2010 Gamma-kamerák felépítése 6 Detectors for the Gamma-Camera are in most cases large area scintillator detectors, typically Nal-crystals with up to 50 cm diameter and 6-12 mm thickness which emit a blue green light of λ=415 nm. A typical spectrum for γ-radiation of Eγ 150 kev indicates a resolution of 10-12 12 %. Phototubes are closely packed and optically coupled to the scintillator crystal to achieve high light collection efficiency. The typical arrangement gives an hexagonal array for 7, 19, 37, up to 61phototubes phototubes. Forrás: A. Aprahamian, Univ. of Notre Dame 2010 Gamma-kamerák felépítése 7 Detektor tor Kollimátoros képalkotás IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII Kristály fotoelektron-sokszorozók + elıerısítık A képalkotáshoz ismerni kell az érzékelt fotonok mozgási irányát A kollimátor azokat a γ-kvantumokat engedi tovább, amelyek kb. merılegesek a detektor síkjára. Mátrixáramkör Differenciáldiszkriminátor Ólomkollimátor Forrás: Freek Beekman et al., Utrecht 2010 Gamma-kamerák felépítése 8
Áthatolás a lyukak falán A furatok falán áthatoló sugárzás következményei I-131 pontforrás képe alacsony energiájú, nagy felbontású (LEHR= low energy, high resolution ) kollimátorral A LEHR kollimátor lyukjai hatszögletőek septal penetration Csökkent felbontás Megnövekedett háttér A vékony nyalábra mért és az effektív elnyelési együttható lényegesen különbözik 2010 Gamma-kamerák felépítése 9 2010 Gamma-kamerák felépítése 10 Kollimátorok SPECT-hez: nyalábformák Kollimátor hatása a felbontásra Kúpos Legyezı Közepes felbontású kollimátorral begyőjtve 3 detektoros kamera, legyezı nyalábú kollimátor Ferde Párhuzamos 2010 Gamma-kamerák felépítése 11 2010 Gamma-kamerák felépítése 12 Pinhole kollimátor Forrás: Meikle S., Sydney 2010 Gamma-kamerák felépítése 13 2010 Gamma-kamerák felépítése 14 Klinikai SPECT térbeli felbontása: ~ 15 mm Jelenlegi kisállat SPECT és PET: térbeli felbontása: 1.0-2.5 mm Micro-SPECT = speciális kisállat SPECT, 0.2-0.4 mm felbontással Felbontás hatása patkányagy-fantomra: Korrekciók a modern gamma-kamerákban: ENERGIA Annak kompenzálása, hogy ugyanolyan energiájú részecskére a fotoelektron-sokszorozók különbözı jelnagysággal válaszolnak Megoldás: energia-ablak csúsztatása 2 mm 1 mm 0.5 mm 0.25 mm 0 mm Forrás: Freek Beekman et al., Utrecht 2010 Gamma-kamerák felépítése 16
2010 Gamma-kamerák felépítése 17 2010 Gamma-kamerák felépítése 18 Korrekciók a modern gamma-kamerákban: LINEARITÁS A becsapódásokhoz tartozó koordináták számolásakor fellépı helyfüggı torzítás kompenzálása Megoldás: koordináta-csúsztatás ( event shifting ) (valós idıben) 2010 Gamma-kamerák felépítése 19 2010 Gamma-kamerák felépítése 20 Korrekciók a modern gamma-kamerákban: ÉRZÉKENYSÉG (Uniformitás) Az összes maradék torzítás: a kristály egyenletes besugárzásakor nyert képen az energiaés linearitás-korrekció után még megmaradt egyenetlenségek kompenzálása Megoldás: események véletlenszerő hozzáadása ill. elnyelése. 2010 Gamma-kamerák felépítése 21 2010 Gamma-kamerák felépítése 22 Érzékenység-korrekció korrekció hatása A rendszer felbontásának összetevıi Belsı felbontás Energia-felbontás (Tc-99m: általában 11% alatt 15%-os ablak használható) A kollimátor felbontása Statisztikai (Poisson) zaj Forrás: J.R. Halama, Loyola Univ. 2010 Gamma-kamerák felépítése 23 2010 Gamma-kamerák felépítése 24
Pontszétterjedési függvény távolságfüggése 2010 Gamma-kamerák felépítése 25 2010 Gamma-kamerák felépítése 26 Távolság és felbontás Példa: Szürkeállomány MRI-bıl kiemelve (szegmentálás) Félérték-szélesség (mm) Távolság (cm) 2010 Gamma-kamerák felépítése 27 szétterjesztve a PET felbontásával 2010 Gamma-kamerák felépítése 28 Felbontás és érzékenység Szokásos kollimátorok Kollimátor Energia (kev) Falvastagság (mm) Izotópok Alacsony en. (LE) Közepes en. (ME) Magas en. (HE) Ultra-magas en. (UHE) 140-200 0,2-0,3 Tc-99m, Tl-201, Xe-133, I-123 <300 1,1-1,4 Ga-67, In-111, I-123 360-500 1,3 3,0 I-131 511 3,0 4,0 pozitron-sugárzók 2010 Gamma-kamerák felépítése 29 2010 Gamma-kamerák felépítése 30 Holtidı Számlálási sebesség és holtidı beérkezı részecskék bénítható detektált részecskék beérkezı részecskék nem bénítható detektált részecskék 2010 Gamma-kamerák felépítése 31 2010 Gamma-kamerák felépítése 32
Impulzusok torlódása és spektrum Kristályvastagság és érzékenység 2010 Gamma-kamerák felépítése 33 2010 Gamma-kamerák felépítése 34 Az emissziós leképezés nehézségei Beütésszámok hibája: Zaj: Poisson közelítés: Gauss, Elnyelés: homogén közegben exponenciális Szórás: A felbontást csökkenti a beütés szórása beütés Tc-99m, 20%-os ablak: a szórt sugárzást belemérjük 60 o -os eltérítésig! VC( n) = n 100% n VC( 2n) = 2n n * 100% = * * 100% 2n 2 n A sugárzásmérés eredménye tehát annál pontosabb, * minél nagyobb a minta radioaktivitása, és * minél hosszabb a mérési idı. 2010 Gamma-kamerák felépítése 35 2010 Gamma-kamerák felépítése 36 Bomlás statisztikai leírása Felbontás és zaj Normális eloszlás: f norm ( µ, σ, x) 2 1 ( ) x µ exp σ 2π 2σ = 2 Poisson-eloszlás: f Poisson ( µ, x) x µ e = x! µ, 0.140 0.120 0.100 0.080 0.060 0.040 0.020 Sőrőség-függvények Normális Poisson σ = µ 0.000 0 5 10 15 20 25 30 2010 Gamma-kamerák felépítése 37 2010 Gamma-kamerák felépítése 38 A paletta-választás szerepe Szórás Terh. Nyugalmi a terheléseshez normalizálva; magas küszöb Nyug. Nem folytonos paletta 2010 Gamma-kamerák felépítése 39 2010 Gamma-kamerák felépítése 40
Átszórás korrigálása kép esetén EKG-kapuzás Kiindulás: magasabb energiájú csatorna képe Szétterjesztés Arányos kivonás 2010 Gamma-kamerák felépítése 41 Példa: Kapuzott szív vértartalom 2010 Gamma-kamerák felépítése 42 A DISA SPECT vizsgálat elve (Double isotope, simultaneous aquisition) UHE kollimátorok Tc-99m és F-18 egyidejő impulzusgyőjtés Képfeldolgozó számítógép 2010 Gamma-kamerák felépítése 43 Tc-99m és F-18 spektruma Tc-99m F-18 Vezérlı-adatgyőjtı számítógép 2010 Gamma-kamerák felépítése 44 Spectrumok: Tc-99m & Kr-81m Szórt F-18 2010 Gamma-kamerák felépítése 45 2010 Gamma-kamerák felépítése 46 Kettıs jelzéses vizsgálatok Tüdı perfúzió és ventilláció Perfúzió: 99m-Tc MAA Ventilláció: Kr-81m gáz Embolia Szívizom perfúzió és anyagcsere SPECT (nagy energiájú kollimátorral) Perfúzió: 99m-Tc MIBI Anyagcsere: F-18 FDG Pozitron-sugárzók leképezése: lehetıségek Gammakamera nagy energiájú kollimátorral: - igen alacsony érzékenység - rossz felbontás Dedikált PET kamera - a legjobb képminıség - drága Gammakamera-detektorok koincidencia-módban: - a kezelhetı fluxus korlátozott gyengébb képminıség - kedvezıbb ár a PET-nél Életképes 2010 Gamma-kamerák felépítése 47 2010 Gamma-kamerák felépítése 48
Koincidencia-leképezés: elınyök Koincidencia-detektálás 180 -on: - magasabb érzékenység (nincs kollimátor) - jobb jel/zaj viszony Könnyebb elnyelés-korrekció (a két út összege = testvastagság) * Fiziológiásabb radiofarmakonok (C-11, N-13, O-15, F-18) Dinamikus tomográfia lehetséges PET-tel (folyamatos detektálás minden irányból) 2010 Gamma-kamerák felépítése 49