Гамма камера - Gamma camera

Пример исследования сцинтиграфией легких

А гамма-камера (γ-камера), также называемый сцинтилляционная камера или же Камера гнева, это устройство, используемое для изображения гамма-излучения, испускающего радиоизотопы, метод, известный как сцинтиграфия. Применение сцинтиграфии включает раннюю разработку лекарств и ядерно-медицинская визуализация для просмотра и анализа изображений человеческого тела или распределения введенных, вдыхаемых или проглоченных лекарств радионуклиды испускающий гамма излучение.

Методы визуализации

Кодированная апертура маска для гамма-камеры (для ОФЭКТ )

Сцинтиграфия («scint») - использование гамма-камер для захвата излучения, испускаемого внутренними радиоизотопами, для создания двумерных[1] изображений.

ОФЭКТ (однофотонная эмиссионная компьютерная томография) визуализация, используемая в ядерной кардиологическое стресс-тестирование, выполняется с помощью гамма-камер. Обычно один, два или три детектора или головки медленно вращаются вокруг туловища пациента.

Многоголовочные гамма-камеры также могут использоваться для позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) сканирование, при условии, что их аппаратное и программное обеспечение может быть настроено на обнаружение «совпадений» (почти одновременных событий на 2 разных головках). Гамма-камера ПЭТ заметно уступает ПЭТ-визуализации с помощью специально разработанного ПЭТ-сканера, поскольку кристалл сцинтиллятора имеет низкую чувствительность к аннигиляционным фотонам высокой энергии, а площадь детектора значительно меньше. Однако, учитывая низкую стоимость гамма-камеры и ее дополнительную гибкость по сравнению со специальным ПЭТ-сканером, этот метод полезен там, где затраты и ресурсные последствия ПЭТ-сканера не могут быть оправданы.

Строительство

Гамма камера
Схематический разрез детектора гамма-камеры
Детали поперечного сечения гамма-камеры

Гамма-камера состоит из одной или нескольких плоских кристаллических плоскостей (или детекторов), оптически связанных с массивом фотоумножители в сборке, известной как "голова", установленной на портале. Портал подключается к компьютерной системе, которая управляет работой камеры, а также собирает и сохраняет изображения.[2]:82 Конструкция гамма-камеры иногда называется конструкцией отсекательного излучения.

Система накапливает события или подсчитывает количество гамма фотоны которые поглощаются кристаллом в камере. Обычно большой плоский кристалл йодид натрия с легированием таллием в светонепроницаемом корпусе. Высокоэффективный метод захвата этой комбинации для регистрации гамма-лучей был открыт в 1944 г. Сэр Сэмюэл Карран[3][4] пока он работал над Манхэттенский проект на Калифорнийский университет в Беркли. Лауреат Нобелевской премии по физике Роберт Хофштадтер Также работал над техникой в ​​1948 году.[5]

Кристалл сцинтилляты в ответ на падающее гамма-излучение. Когда гамма-фотон покидает пациента (которому вводили радиоактивный фармацевтический ), он выбивает электрон из атома йода в кристалле, и возникает слабая вспышка света, когда дислоцированный электрон снова находит состояние с минимальной энергией. Первоначальное явление возбужденного электрона аналогично явлению фотоэлектрический эффект и (особенно с гамма-лучами) Эффект Комптона. После появления вспышки света ее обнаруживают. Фотоумножитель трубки (ФЭУ) за кристаллом обнаруживают флуоресцентные вспышки (события), и компьютер суммирует их количество. Компьютер восстанавливает и отображает на мониторе двухмерное изображение относительной пространственной плотности счета. Это восстановленное изображение отражает распределение и относительную концентрацию радиоактивных индикаторных элементов, присутствующих в отображаемых органах и тканях.[6]:162

Анимированная схема физики и основных компонентов гамма-камеры

Обработка сигналов

Хэл Энгер разработал первую гамма-камеру в 1957 году.[7][8] Его оригинальный дизайн, часто называемый камерой Anger, широко используется и сегодня. Камера Anger использует наборы вакуумная труба фотоумножители (ФУП). Обычно каждая трубка имеет открытую поверхность около 7,6 см диаметром, а трубки расположены в форме шестиугольника за поглощающим кристаллом. Электронная схема, соединяющая фотодетекторы, имеет проводку, чтобы отражать относительное совпадение световой флуоресценции, воспринимаемое элементами шестиугольной матрицы детекторов. Все ФЭУ одновременно обнаруживают (предположительно) одну и ту же вспышку света в разной степени, в зависимости от их положения от фактического отдельного события. Таким образом, пространственное расположение каждой одиночной вспышки флуоресценции отражается в виде диаграммы напряжений в матрице соединительных цепей.

Местоположение взаимодействия между гамма-лучами и кристаллом может быть определено путем обработки сигналов напряжения от фотоумножителей; Проще говоря, местоположение может быть найдено путем взвешивания положения каждой трубки фотоумножителя по силе его сигнала, а затем вычисления среднего положения на основе взвешенных положений.[2]:112 Общая сумма напряжений от каждого фотоумножителя, измеренная анализатор высоты пульса пропорциональна энергии взаимодействия гамма-лучей, что позволяет различать различные изотопы или рассеянные и прямые фотоны.[6]:166

Пространственное разрешение

Чтобы получить пространственную информацию о гамма-излучении от объекта визуализации (например, клеток сердечной мышцы человека, которые поглотили внутривенно введенный радиоактивный материал, обычно таллий-201 или технеций-99m, агент медицинской визуализации) необходим метод корреляции обнаруженных фотонов с их точкой происхождения.

Обычный метод - разместить коллиматор над детекторным кристаллом / массивом ФЭУ. Коллиматор состоит из толстого листа вести обычно толщиной от 25 до 75 миллиметров (от 1 до 3 дюймов) с тысячами смежных отверстий. Отдельные отверстия ограничивают фотоны, которые могут быть обнаружены кристаллом, конусом; острие конуса находится в центре средней линии любого заданного отверстия и проходит от поверхности коллиматора наружу. Однако коллиматор также является одним из источников размытия изображения; свинец не полностью ослабляет падающие гамма-фотоны, могут быть некоторые перекрестные помехи между отверстиями.

В отличие от линз, используемых в камерах видимого света, коллиматор ослабляет большую часть (> 99%) падающих фотонов и, таким образом, значительно ограничивает чувствительность системы камеры. Должно присутствовать большое количество излучения, чтобы обеспечить достаточную экспозицию для системы камеры для обнаружения достаточного количества сцинтилляционных точек для формирования изображения.[2]:128

Другие способы локализации изображения (точечное отверстие, коллиматор вращающейся планки с CZT ) были предложены и протестированы;[9] 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 радионуклеида. Пространственное разрешение быстро уменьшается с увеличением расстояния от лица камеры. Это ограничивает пространственную точность компьютерного изображения: это нечеткое изображение, состоящее из множества точек обнаруженных, но не точно локализованных сцинтилляций. Это главное ограничение 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, она всегда движется и большая часть ее находится за пределами 5 см от поверхности коллиматора. Чтобы помочь компенсировать это, более совершенные системы визуализации ограничивают подсчет сцинтилляций частью цикла сердечных сокращений, называемым стробированием, однако это еще больше ограничивает чувствительность системы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ thefreedictionary.com> сцинтиграфия Цитирование: Медицинский словарь Дорланда для потребителей здравоохранения, 2007 г., Сондерс; Полный ветеринарный словарь Сондерса, 3-е изд. 2007; Краткий словарь современной медицины Макгроу-Хилла, 2002 г., составленный McGraw-Hill Companies
  2. ^ а б c Саха, Гопал Б. (2006). Физика и радиобиология ядерной медицины (3-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. Дои:10.1007/978-0-387-36281-6. ISBN  978-0-387-30754-1.
  3. ^ "Счетные трубки, теория и приложения", Карран, Сэмюэл С., Academic Press (Нью-Йорк), 1949 г.
  4. ^ Флетчер, В. В. (2004). "Курран, сэр Сэмюэл Кроу (1912–1998)". Оксфордский национальный биографический словарь. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета.
  5. ^ "Роберт Хофштадтер - Биографический". Нобелевская премия. Получено 29 сентября 2016.
  6. ^ а б Халил, Магди М. (2010). «Элементы гамма-камеры и ОФЭКТ-систем». Основные науки ядерной медицины. Гейдельберг: Springer. ISBN  978-3-540-85961-1.
  7. ^ Тапскотт, Элеонора (2005). "Пионер ядерной медицины, Хэл О. Энгер, 1920–2005". Журнал технологий ядерной медицины. 33 (4): 250–253. PMID  16397975.
  8. ^ Гнев, Хэл О. (1958). «Сцинтилляционная камера». Обзор научных инструментов. 29 (1): 27–33. Bibcode:1958RScI ... 29 ... 27А. Дои:10.1063/1.1715998.
  9. ^ Zeng, Gengsheng L .; Ганьон, Даниэль; Мэтьюз, Кристофер Дж .; Kolthammer, Jeffery A .; Радачи, Джейсон Д .; Хокинс, Уильям Г. (20 июня 2002 г.). «Алгоритм реконструкции изображения для вращающегося коллиматора планки». Медицинская физика. 29 (7): 1406–1412. Bibcode:2002МедФ..29.1406З. Дои:10.1118/1.1485057. PMID  12148720. S2CID  13092740.

дальнейшее чтение

  • Х. Гнев. Новый прибор для картирования гамма-излучателей. Biology and Medicine Quarterly Report UCRL, 1957, 3653: 38. (Радиационная лаборатория Калифорнийского университета, Беркли)
  • Гнев, ХО (июль 1964). «Сцинтилляционная камера с многоканальными коллиматорами». Журнал ядерной медицины. 5: 515–31. PMID  14216630.
  • Шарп, Питер Ф .; Gemmell, Howard G .; Мюррей, Элисон Д. (2005). Практическая ядерная медицина. Лондон: Спрингер. ISBN  978-1-85233-875-6.
  • США 6359279, Gagnon, Daniel & Matthews, Christopher G., "Детектор для ядерной визуализации", опубликованный 19 марта 2002 г. 
  • США 6552349, Gagnon, Daniel & Matthews, Christopher G., "Детектор с некруглым полем зрения", выпущенный 2 апреля 2003 г. 
  • Черри, Саймон Р .; Соренсон, Джеймс А .; Фелпс, Майкл Э. (2012). Физика в ядерной медицине (4-е изд.). Филадельфия: Эльзевьер / Сондерс. ISBN  978-1-4160-5198-5.

внешняя ссылка