Gamma-kamera vizsgálata Mérési útmutató Készítette: Lantos Judit Czifrus Szabolcs BME NTI 2012. november
1. Dozimetriai összefoglaló A gamma-kamera vizsgálatához folyékony radioaktív izotópot ( 99m Tc) használunk. Mivel a folyékony izotópok kezelése jelentősen eltér a zárt sugárforrások kezelésétől, az alábbiakban felsoroljuk a legfontosabb dozimetriai tudnivalókat. 1. Az első szabály: sohasem szabad megijedni. Adott esetben az izotóp mellé tett dózismérő műszer jelentős dózisteljesítmény-értéket mutathat, ami ijesztőnek hathat. A dózisteljesítmény azonban a pontszerűnek tekinthető forrásoktól távolodva a távolság hatványával négyzetesen csökken. Szintén ijesztő lehet, ha az izotóp rácseppen a kezünkre (gumikesztyűre). Az ijedtségből baj származhat (pl. elesés, megszúrjuk magunkat vagy mást stb.). 2. Dozimetrikus nélkül nyitott sugárforrással dolgozni nem szabad. 3. A technécium-generátor lefejését és a folyékony izotóppal való munkákat a 108-as laborban, az erre a célra előkészített helyeken kell elvégezni. A fantomok előkészítés és dozimetriai ellenőrzés után kivihetők a laborból. 4. Az izotóppal mindig megfelelő védőöltözetben dolgozunk. Ez begombolt köpenyt és gumikesztyűt jelent. 5. Az izotópot csak akkor vesszük ki az ólomvédelemből, ha előtte alaposan végiggondoltuk, hogy milyen műveleteket fogunk elvégezni. 6. Amennyiben lehetséges, a műveleteket ólomüveg mögött végezzük el. Ez gyakorlatilag teljes sugárvédelmet biztosít. 7. Fokozott figyelmet és óvatosságot kíván, hogy az izotóp hígításához, illetve a fantomok előkészítéséhez injekciós tűvel ellátott fecskendőt használunk. A tűre mindig vissza kell tenni a tűvédőt. 8. A kezünket (a viselt gumikesztyűt) mindig potenciálisan szennyezettnek kell tekinteni. Azzal semmi olyat nem szabad megfogni, amit esetleg elszennyezhetünk (arcunk, hajunk, ruhánk stb.). 9. A gumikesztyű fel- és lehúzását gyakorolni kell a kísérlet elkezdése előtt. 10. Arra az időre, amíg a 108-as laborban folyékony izotóppal dolgozunk, a mobiltelefonokat ki kell kapcsolni. Idegesítő, zavaró lehet, ha cseng vagy jelez és a potenciálisan szennyezett kezünkkel (rajta gumikesztyű) nem tudjuk megfogni. 2
2. Elméleti összefoglaló A nukleáris medicina története az 1920-as évekig nyúlik vissza. A technológia alapja a Hevesy György által kifejlesztet radioaktív nyomjelzés (1923), mely során egy biológiailag aktív molekula valamely atomjának helyére az atom egy radioaktív izotópját helyezik el. A kémiai azonosság miatt a sugárzás mozgása az élő szervezetben a biológiai folyamatok megzavarása nélkül követhető nyomon. A mesterséges radioaktív izotópok előállításának felfedezése (Frédéric Joliot-Curie és Irène Joliot-Curie, 1934) intenzív kísérleti munkát indított el, melyben a sugárzás különböző kórállapotokra gyakorolt hatását kezdték vizsgálni. 1950-ben készült el az első képalkotásra is alkalmas eszköz (Benedict Cassen, 1D), majd1956-ban Hal Anger létrehozta az első olyan gamma kamerát, melynek struktúráját a mai napig is használják. 1. ábra. Gamma kamera sematikus felépítése. A gamma kamera az 1. ábrán látható fő komponensekből épül fel. A vizsgált objektumból kilépő gammasugárzást szcintillációs detektor nyeli el, majd alakítja látható fotonokká. Leggyakrabban talliummal dópolt NaI egykristályt alkalmaznak detektorként. Előnyei a magas fényhozam, viszonylag egyszerű és olcsó gyárthatóság, hátrányai a nem túl magas átlagos rendszámából adódó alacsony hatásfok és a mechanikai gyengesége (könnyen törik, higroszkópos). A kristályt optikai üveg választja el a látható fotonok detektálására szolgáló PMT csövektől. Ez segít a keletkező fény szétterítésében a fotodetektorok felé. A PMT-ket általában négy vagy hatszöges rácsban helyezik el, működésükhöz magas feszültségre (600-1000 V) van szükség. A beérkező sugárzás irányának korlátozásához kollimátorra van szükség. A leképezés módja szempontjából párhuzamos, konvergens, divergens és pinhole kollimátorokat különböztethetünk meg. E négy esetben a kristályon megjelenő vetület az objektum különböző mértékben nagyított képe. A kollimátorokat valamilyen nagy rendszámú anyagból, jellemzően ólomból, wolframból állítják elő. A geometriai paraméterek (vastagság, lyukátmérő, szepta) meghatározzák az elérhető érzékenységet és felbontást, így különböző célokra a gyártók általában különböző típusú kollimátorokat biztosítanak. A detektálni kívánt sugárzás energiája döntő fontosságú a kollimátor paramétereinek megválasztásához, hiszen, ha nem elegendő az elnyelés mértéke, a fotonok nagy hányada jut a detektorra, így a kép elmosódik. Fordított esetben pedig nem cél a kis energiás sugárzás teljes leárnyékolása. 3
A gamma kamerák forgatásával, (a fejek számának növelésével,) tomográfiás rekonstrukcióval az aktivitás 3D eloszlása is leképezhető, ezeket az eszközöket nevezik SPECT-nek (Single-photon Emission Computed Tomography). Gamma kamerás felvételekhez leggyakrabban Tc-99m (140 kev), I-123 (127 kev), I-131 (365 kev), Th-201 (167 kev) izotópokat használnak, energiájuk a 30-300 kev tartományba esik. A gyakorlat során Tc-99m izotópot fogunk használni, mely a Mo-99 β - bomlásából származó metastabil izotóp, felezési ideje 6 óra. E rövid felezési idő miatt a laborokban, kórházakban Mo-99-et (felezési ideje 67 óra) tárolnak ún. technécium generátorokban, majd a felhasználás előtt ebből vonják ki a szükséges technéciumot. A detektorra érkező fotonok helyét legegyszerűbben az Anger-elv alapján, a PMT jelekkel súlyozott PMT koordináták alapján kaphatjuk meg. A nyers képek korrekciók nélkül mind intenzitásukban, mind geometriailag torzak, a berendezés működéséhez elengedhetetlenek bizonyos kalibrációs lépések. Ezek közül a gyakorlat szempontjából a következőek fontosak: a linearitás kalibráció biztosítja, hogy két d távolságra elhelyezett objektum a látótérbeli pozíciójuktól függetlenül a keletkező képen is megőrizze távolságát; az energia kalibráció során az egyes pixelekben mért események energiaspektrumát rögzítjük, hogy a későbbiekben energiaszűrést lehessen végezni; az uniformitás kalibráció hatására kollimátor nélkül, homogén megvilágítás mellett eredményül homogén képet kapunk. A gamma kamerák képminőséget meghatározó paramétereinek objektív vizsgálatához elterjedten alkalmazzák a NEMA NU-1 szabvány ajánlásait. A következőkben a gyakorlat szempontjából releváns jellemzők szabványos mérési módját tekintjük át. Homogenitás A homogenitás vizsgálatához a megfelelően árnyékolt Tc-99 forrást helyezzük a kamerától ötszörös UFOV (Useful Field Of View) távolságra. A mérés során a számlálási sebesség ne lépje túl a 20 kcps értéket 15 %-ra nyitott energiakapu mellett (szükség esetén réz lemezekkel árnyékolható a forrás). A gyűjtött képek pixelmérete essen a 6.4 mm ± 30% tartományba. A szélső, kis intenzitású pixelek kizárása után a képet egy 3 3-as konvolúciós szűrővel simítjuk, majd a teljes beütésszámmal normáljuk. Az integrális homogenitást a minimális és maximális pixelintenzitásból az alábbi összefüggés alapján számítjuk:. A differenciális uniformitás egy sorban vagy oszlopban található 5 egybefüggő pixel két eleme közötti maximális intenzitáskülönbséget jellemzi a fenti formulával analóg módon:. Térbeli felbontás A térbeli felbontás méréséhez egy vonalforrás (kapillárisba töltött folyadék) válaszát használjuk adott kollimátor mellett. A mérést az előzőekhez hasonlóan Tc-99 izotóppal végezzük úgy, hogy a számlálási sebesség ne lépje túl a 20 kcps értéket 15 %-ra nyitott energiakapu mellett. A digitális felbontás (voxelméret) legyen a várható felbontás 0,1-szerese, az összes beütésszám a legintenzívebb pixelben legyen legalább 10 000. A félértékszélességet 4
a mért képen felvett vonalprofil alapján határozzuk meg. Ehhez a maximális értéket a maximális intenzitású pixel és két szomszédjára illesztett parabolából számítjuk, majd a félértékszélsség megállapításához interpolálunk. Érzékenység A méréshez használt referencia aktivitást értéke kegyen legalább 5 % pontos, illetve az időt legalább perc pontosan kell regisztrálni. Helyezzük a fantomot 10 cm távolságra a kamerától, majd gyűjtsünk legalább 4 M beütést. A mért képen látható beütésszámból az alábbi összefüggés alapján számítható a bomláskorrigált számlálási sebesség: ahol R a bomláskorrigált számlálási sebesség, C a képen egy kör alakú ROI-ban (Region Of Interest) mérhető beütésszám, T a gyűjtés kezdetének időpontja, T cal az aktivitáskalibráció időpontja, T half az izotóp felezési ideje, T acq a mérés időtartama. A rendszer érzékenysége a fenti összefüggés felhasználásával: ahol A cal a fantom T cal időpontban mért aktivitása. 3. A laborgyakorlat előkészítése A gyakorlat előkészítéséhez le kell fejni a Tc-generátort és el kell készíteni a fantomokat. A Tc-generátorból igen jelentős mennyiségű (több száz MBq aktivitású) izotóp kerül ki egy fejés alkalmával. Ennek csak egy részét használjuk a méréshez. Az előkészítés lépései a következők (ezeket a 108-as laborban végezzük el): 1. A generátort lefejjük (ha a dózisteljesítmény túl nagy, ezt a lépést az oktató végzi el). 2. Meghatározzuk a lefejt Tc aktivitását. Ezt egy kalibrált dózisteljesítmény-mérő műszer (FH-40G) segítségével végezzük el. 3. A teljes kinyert aktivitás függvényében a kapott oldatot hígítjuk. A hígítást úgy kell elvégezni, hogy zárt ampullában lévő sóoldathoz adunk technécium-oldatot fecskendő és tű segítségével. Annak érdekében, hogy a sóoldathoz befecskendezett izotópoldatot az ampullában kialakuló nyomástöbblet ne tudja az ampullából kinyomni, a befecskendezés után a fecskendővel legalább annyi levegőt kell az ampullából kiszívni, mint amennyi oldatot bejuttattunk. 4. Az oldat segítségével elkészítjük a következő fantomokat: a) kb. 10 MB-es forrás uniformitás-vizsgálathoz b) vonalforrás c) kis kiterjedésű források felbontás vizsgálathoz d) források háromdimenziós fantomhoz 5
A pontforrást és a kis kiterjedésű forrásokat úgy készítjük el, hogy a technéciumot vattacsomóra cseppentjük. A cseppentés előtt az izotópot fel kell szívni a vákuumampullából a fecskendőbe. A cseppentéseket óraüvegen vagy Petri-csészében elhelyezett vattacsomókra végezzük. A háromdimenziós fantom készítéséhez is ilyen vattacsomókra van szükség. A vonalforrást üvegcsőbe töltött izotópoldat adja. Ennek elkészítéséhez fokozott figyelemre van szükség. Mivel az üvegcső vékony, az oldatot nagyon lassan, a cső fala mentén lefolyatva kell a csőbe tölteni az injekciós tű (és fecskendő) segítségével. Ennek során fokozottan fennáll annak veszélye, hogy megszúrjuk a kezünket vagy eltörjük az üvegcsövet. Az üvegcsövet feltöltés után lezárjuk. 5. Az elkészített forrásokat megfelelő csomagolásba helyezzük, majd dózisteljesítménymérés után kézben levisszük a reaktorcsarnokba a gamma-kamerához. 4. A mérés menete A mérés a reaktorcsarnokban található gamma-kamerával történik. A kamera és a hozzá tartozó szoftver kezelését a mérés kezdete előtt gyakoroljuk. Mérési feladatok 1. Uniformitás (homogenitás) vizsgálat (intrinsic) Ehhez a vizsgálathoz a gamma-kamera kollimátorát eltávolítjuk. Felvesszük a kristály nagyobbik méretének ötszörös távolságra elhelyezett, kb. 10 MBq-es forrás által létrehozott képet. A NEMA NU-1 szabvány szerint 64x64-es mátrixban rögzítjük a képet, 12 M beütést begyűjtve. A kiértékelés során meg kell határozni a differenciális és integrális uniformitást a szabvány szerint. Ezt a vizsgálatot megismételjük a 20%- nál jobban megnyitott energia-ablakkal is. Rövidebb vizsgálatot végzünk úgy is, hogy kikapcsoljuk az uniformitás-korrekciót, majd az energia-korrekciót (külön-külön). 2. Pontforrás képének vizsgálata, felbontóképesség-mérés A mérés során változtatni kell a forrás-kollimátor távolságot. Fel kell venni a pontforrás képét a következő forrás-kollimátor távolságoknál: 0 cm, 4 cm, 8 cm, 12 cm és 16 cm. Minden esetben a forrás képére Gauss-görbét kell illeszteni és meg kell határozni annak félérték-szélességét. A 4 cm-es forrás-távolságnál meg kell vizsgálni, hogy az energia-ablak nyitása, illetve zárása milyen hatással van a felbontóképességre. 3. Felbontóképesség vizuális vizsgálata A skálával ellátott Petri-csészébe helyezett két kis kiterjedésű forrás képét kell felvenni. A csipesz segítségével a forrásokat egymáshoz képest addig kell mozgatni, amíg a kapott képek vizuálisan elkülöníthetők. A mérést el kell végezni 4 cm-es, 8 cm-es és 12 cm-es forrás-távolságban. 4. Gamma-kamera érzékenységének meghatározása A kalibrált dózismérő segítségével 10% pontossággal meghatározható a forrás aktivitása. A megnyitott energia-ablak változtatásával meg kell határozni, hogy mekkora a detektor-kollimátor rendszer detektálási hatásfoka az energia-ablak függvényében. (A holtidő-korrekció értéke 1/(1-n*T), ahol n a számlálási sebesség, T pedig a rendszer holtideje [6,5 μs]. Bizonyítani kell, hogy feltett kollimátor és az alkalmazott kis aktivitású források mellett a detektor holtideje elhanyagolhatónak tekinthető). 6
5. Linearitás vizsgálata A vonalforrás segítségével képet készítünk a forrás x irányú, majd y irányú helyzetében. Mindkét felvételt megismételjük kikapcsolt linearitás-korrekció mellett. A képeket vizuálisan értékeljük. 6. Felbontóképesség és érzékenység vizsgálata a kollimátor függvényében A kamera eredeti kollimátorát kicseréljük különböző kollimátorokra és mérjük egy adott távolságban pontforrás segítségével a felbontóképességet és a hatásfokot. 7