Устройства для гамма-интроскопии
1. Физические основы исредства радионуклидной интроскопии
1.1 Радионуклиды ирадиоактивные фармакологические препараты
Задачейрадионуклидной диагностики является исследование человеческого организма спомощью радиоактивных изотопов, или радионуклидов (РН). Они входят в составспециальных веществ – радиоактивных фармакологических препаратов (РФП), которыевводятся в организм через кровеносные сосуды (вены), дыхательные пути илипищеварительный тракт. РФП вместе с кровью, воздухом или пищей разносятся поорганизму и накапливаются в определенных местах. С помощью приборов определяютих место накопления и интенсивность излучения.
РН вмедицинской радиологии используются для диагностики и терапии, причем, в первомслучае применяют РН, дающие только g-излучение, а во втором также и b- или a-излучение, которые имеют большую энергию и меньшуюпроникающую способность, чем g-излучение.
Наиболееважными для диагностики параметрами РН являются энергия g-кванта, активность РН и периодполураспада. Энергия g-квантаРН для диагностики обычно лежит в пределах 100 – 360 кэВ. Активность РНизмеряется в беккерелях (1Бк равен одному распаду в секунду) и удиагностических РН имеет величину от единиц до нескольких десятков МБк.Разумеется, активность зависит от общего количества РФП. Для диагностикииспользуют РФП в небольших количествах, содержащие короткоживущие изотопы спериодом полураспада несколько суток, часов и даже минут. Это позволяетпроводить исследования с малыми дозами облучения. Кроме того, применяют такиеРФП, которые быстро выводятся из организма естественным путем.
Результирующаяскорость убывания активности зависит от скорости выведения РФП из организма ихарактеризуется эффективным периодом полувыведения
/>,
где Т –период полураспада радионуклида, Тб – период полувыведения РФПбиологическим путем.
Важнымсвойством РФП является тропность – способность проникать именно в те органы,которые собираются исследовать. К РФП предъявляют также требования по чистоте –химической, радиохимической и радионуклидной. Химическая чистота РФПопределяется наличием в нем посторонних нерадиоактивных веществ. Особоевнимание при этом уделяют примесям тяжелых металлов. Радиохимическая чистотаопределяется долей РН, находящегося в РФП в необходимой химической форме.Радиохимическая чистота – это доля общей активности препарата, обусловленнаянеобходимым РН.
Наиболеешироко в радионуклидной диагностике используются технеций 99mTc, индий 113mIn и йод 131I. Два первых радионуклида дают толькоg-излучение. Главной областью ихприменения является визуализация g-изображений. Индекс «m» означает «метастабильный». От обычныхизотопов метастабильные отличаются более высокой внутриядерной энергией, которуюони теряют вместе с
g-квантом.Изотоп 131Iкроме g-излучения дает еще и b-излучение и поэтому используетсятакже и в лучевой терапии.
Источникамиполучения искусственных радионуклидов служат реакторы, циклотроны и специальныепортативные генераторы. Последние являются основными источниками, поставляющими99mTc и 113mIn. Короткоживущие нуклиды получают изпервичных относительно долгоживущих изотопов, которые называют материнскими, аполучаемые изотопы называют дочерними. В табл.1 приведены параметры 99mTcи 113mIn и их материнских РН.
Таблица1 Параметрыкороткоживущих РНДочерний РН Период полураспада Энергия, кэВ Материнский РН Период полураспада 99mTc 6 ч 140 99Мо 67 ч 113mIn 100 мин 393 113Sn 118 сут
Как видно изтабл.1, дочерние изотопы весьма короткоживущие, и готовить их нужнонепосредственно перед исследованием.
/>
Раствор NH4MoO4 играет роль элюента 1. Он поступает в разделительнуюколонку 2, через которую пропускается хлорид натрия. В результате образуетсяэлюат 3, который проходит через фильтр 4 и поступает в герметичный сосудемкостью около 10 мл. В колонке происходит распад материнского РН. Изотоп 99Мозахватывает электрон и перемещается из шестой группы таблицы Менделеева в седьмую,становясь технецием 99mТс. При этом он входит в соединение Na(99mТсО4) – пертехнетат. Колонка находится в защитномкорпусе из свинца 5, вся установка также закрыта защитным кожухом.
МатеринскиеРН поставляют из реакторов в жидкой или газообразной форме, например, молибден 99Мо– в виде раствора NH4MoO4. Схема генератора для получения 99mТс из 99Мо показана на рис1. Он основан на хроматографическом методе разделения веществ.
Технеций 99mТс применяется в 90% всехдиагностических процедур в ядерной медицине. Это объясняется егокороткоживучестью, малой энергией g-кванта и относительной простотой получения. С помощью 99mТс проводят распознавание опухолеймозга, исследование центральной и периферической гемодинамики, исследованиещитовидной железы, костной системы. В 1990 г. было произведено 300000 генераторов технеция. Стоимость таких генераторов достаточно высока (около 300 долл.). Однакоосновной проблемой здесь является поставка исходного сырья – молибдена.
Крометехнеция 99mТси индия 113mIn вядерной медицине широко применяют и много других изотопов:
йод 131I, 132I – для исследования йодного обмена, функции печени и почек;
хром 51Cr – в гематологии;
24Na, 42Ka, 86Rb, 82Br – изучение водно-солевого обмена;
198Au, 111In – легкие, печень, головной мозг;
газообразныенуклиды 133Xe, 75Kr – легкие, центральная ипериферическая гемодинамика;
75Se, 32P – исследования в онкологии.
Широкоприменяются также короткоживущие и ультракороткоживущие изотопы с позитроннымраспадом. Речь о них пойдет ниже.
1.2 Параметры и технологиясцинтилляторов
Качество работы гамма-камеры зависитпрежде всего от детекторной системы и ее «сердца» — сцинтиллятора.Поэтому он заслуживает отдельного рассмотрения. Как уже отмечалось выше, вкачестве сцинтилляторов детекторных систем применяют NaI(Tl).Однако в некоторых случаях применяют и другие соединения, например, CsI(Na), CsI(Tl) – для счета a-частиц, LiF(W) и LiI(Eu) –для счета нейтронов. Параметры некоторых сцинтилляторов в сравнении с NaI(Tl) приведены в табл.3.
Таблица 3 Параметры сцинтилляторов.Тип сцинтиллятора NaI(Tl) CsI(Na) CsI(неактиви-рованный) LiF(W) Плотность, г/см3 3,67 4,51 4,51 2,64 Температура плавления, К 924 894 894 1133 Коэффициент преломления 1,85 1,84 1,95 1,4 Гигроскопичность да да слабая нет Длина волны излучения, нм 415 420 310 430 Световой выход, в % к NaI(Tl) 100 85 5 – 6 3 – 5 Время основного свечения, мкс 0,23 0,63 0,01 40
Как видно из таблицы, самый большойсветовой выход имеет кристалл NaI(Tl). Однако он очень гигроскопичен итребует надежной герметизации. Кристаллы CsI и LiF(W) имеют малый световой выход, но вобоих случаях сцинтилляции вызываются a-частицами, энергия которых велика ( во втором случае припоглощении нейтрона литий распадается с выделением a-частицы). Все кристаллы существеннотяжелее стекла, а коэффициент преломления у них почти такой же.
Большинство кристаллов излучают синийсвет, и только CsI дает УФ излучение.Сцинтилляция характеризуется временем основного свечения и послесвечения,которое составляет несколько процентов от основного. Этот параметр определяетмаксимально возможную скорость счета. Например, для кристалла NaI(Tl) она составляет около 4×106 имп/с, что намного больше встречающейся напрактике максимальной скорости счета.
Технология изготовлениясцинтилляционных кристаллов весьма сложна, и поэтому стоят они дорого.Производство сцинтилляторов и детекторов для РН диагностики, и в частности, длягамма-камер – чрезвычайно наукоемкая отрасль. Выпуском таких детекторов ужедавно занимается научно-производственное объединение НИИ монокристаллов (г.Харьков). Его продукция успешно конкурирует на мировом рынке и экспортируетсяво многие страны, в том числе, США, Японию и др.
Рассмотрим кратко технологиюпроизводства самых распространенных кристаллов NaI(Tl).Кристалл NaI(Tl) выращивают в специальной вакуумной печи (камере). Ее конструкцияпоказана на рис.2.
/>
Рисунок 2. Камера для выращиваниякристаллов NaI(Tl).
Кристалл 1 вытягивают из расплавасмеси 99% NaI и 1% Tl. Исходное сырье плавится в платиновом тигле 2. Применениетакого дорогого материала объясняется чрезвычайной агрессивностью расплава NaI, которой не выдерживает никакойдругой материал. Температура плавления 924 К, или 650о С, указаннаяв табл.1, относится, вообще говоря, к NaI. Температура плавления таллия меньше. В процессе плавки он испаряется иего приходится постоянно добавлять.
Нагрев печи обеспечивается двумянагревателями – боковыми 3 и нижним 4, вмонтированными в футеровку печи. Сырьепоступает через питатель 5 в периферийную часть тигля, которая отделена отцентральной части ситом 6, отсеивающим посторонние включения.
Для формирования кристалла используютзатравку 7 – твердый кристалл NaI(Tl), прикрепляемый к держателю 8.Затравку приводят в соприкосновение с расплавом сырья в моменттермодинамического равновесия (когда жидкая фаза не кристаллизуется, а твердая– не плавится). Кристаллодержатель и тигель вращаются в одну или в разныестороны для усреднения температурных полей. При этом кристалл медленно вытягиваетсяиз расплава.
После нахождения точкитермодинамического равновесия управление передают системе автоматическогорегулирования. Она следит за тем, чтобы соблюдался баланс масс: масса сырья,поступившего в тигель должна быть равна приращению массы вытягиваемогокристалла, иначе говоря, уровень расплава в тигле должен оставаться постоянным.За этим следит датчик контроля уровня 9. Он представляет собой металлическийэлектрод, нагретый до температуры расплава (чтобы при соприкосновении срасплавом не создавать температурной неоднородности). Этот электрод находится внепосредственной близости от поверхности расплава. Когда уровень расплавадостигает электрода, прекращается подача сырья и наоборот – при снижении уровняподача сырья возобновляется.
/>
Диаметр кристаллов NaI(Tl) достигает 500 мм, а вес – 550 кг. Их выращивание длится около двух недель. Готовый кристалл помещают в осушенную вакуумную камеру.Затем его распиливают на диски толщиной 9 – 10 мм. Распиловку производят натянутой синтетической нитью, смачиваемой дистиллированной водой. Диск,предназначенный для детектора гамма-камеры, шлифуют с обеих сторон игерметизируют в специальном контейнере (рис.3).
Кристалл NaI(Tl) 1помещают в контейнер 2 из алюминия, закрывают сверху (со стороны установки ФЭУ)специальным стеклом 3, которое выполняет функции световода, и герметизируюткомпаундом. Внутреннюю поверхность контейнера покрывают слоем MgO 4 белого цвета, играющего рольдиффузного отражателя. Внешнюю поверхность стекла, не занятую ФЭУ, также покрываютслоем MgO. Это позволяет повыситьрезультирующую эффективность регистрации. Выполненный таким образом детекторможет служить десятки лет. Кроме круглых детекторов применяют также детекторыпрямоугольной формы. Для этого диск NaI(Tl) нагревают до размягчения и поддавлением формуют из него прямоугольную пластину. Прямоугольные детекторы имеютбольшее поле зрения и обладают лучшей однородностью по краям. В заключениеэтого раздела рассмотрим еще один способ (оптический) уменьшения линейныхискажений и улучшения однородности чувствительности детектора. Он состоит вприменении отражающих масок, накладываемых на световод со стороны, прилегающейк сцинтиллятору (рис.4). Маски представляют собой отражающие покрытия,окрашенные черной краской со стороны ФЭУ. Они ограничивают количество прямыхпопаданий фотонов, образующихся в результате сцинтилляции, на фотокатоды ФЭУ.Большинство из них попадают на фотокатоды путем многократных отражений от масоки диффузного отражателя на внутренней поверхности контейнера сцинтиллятора. Темсамым улучшается форма амплитудно-пространственных характеристик ФЭУ,выравнивается чувствительность по площади детектора, уменьшаются линейныеискажения. Узор маски зависит от места расположения ФЭУ и обычно подбираетсяэкспериментально.
/>
Рисунок 4. Отражающие маски.
2. Устройство и важнейшие аналоговыеузлы эмиссионного томографа
Эмиссионный компьютерный томограф(ЭКТ) представляет собой сложный электронно-вычислительный комплекс, насыщенныйразнообразными электронными и электро-механическими узлами. До сих пор в ЭКТсохраняется высокий удельный вес аналоговых средств первичной обработкиинформации, хотя недалеко, видимо, то время, когда они, как и УЗ сканеры,станут преимущественно цифровыми. Но для этого нужно создать новые электронныетехнологии и преодолеть некоторые трудности, в том числе и экономическогохарактера.
2.1 Структурная схема и конструкцияЭКТ
Здесь мы рассмотримустройство и принцип работы однофотонного ЭКТ на основе выпускаемого фирмой «Монокристалл– Оризон» (Украина) эмиссионного томографа ГКС-301Т «Тамара»(ГКС означает – гамма-камера сцинтилляционная, Т – с режимом томографирования).Обобщенная структурная схема этого устройства приведена на рис.5. Количество функциональныхузлов в ней невелико, однако каждый из них достаточно сложен. Блок детектора восновном соответствует структурной схеме, приведенной на рис.2. Существенноновым в нем является автоматическое управление режимами ФЭУ, с помощью которогодобиваются более высокой однородности детектора по площади. Кроме того, дляэнергетической коррекции координатных сигналов X = X+ – X–иY = Y+– Y– их делят не на энергетические сигналыZ, а на суммы X+ + X–и Y++ Y–.Это позволяет уменьшить погрешность, обусловленную дрейфом и разбросомпараметров координатных резисторных матриц.
Блок обработки и управления служит, восновном для коррекции линейности и однородности. В него также входит системаавтоматической накопления и стабилизации (САНС), которая управляет режимамиФЭУ. Накопление заключается в подсчете числа импульсов, принимаемых отдельнымиФЭУ, т.е. формировании их спектров. Фотопики этих спектров затем сравниваются сэталонными (реперными), и в случае их отклонения производится автоматическоеизменение режима ФЭУ. Этот блок управляет также разверткой координат присканировании тела.
/>
Рисунок 5. Структурная схемаэмиссионного томографа.
Блок приводов осуществляетперемещение различных механических узлов томографа: угловое перемещение иорбитальное вращение детекторной головки, изменение высоты ее подъема, линейноеперемещение гамма-камеры или ложа пациента при линейном сканировании, изменениеего высоты. К блоку приводов отнесены и датчики линейных и угловых перемещений.
Перед проведением исследований натомографе с помощью специального монитора укладки находят очагγ-излучения, соответствующий предполагаемой области обследования. Этопозволяет уменьшить вероятность ошибок и промахов. На экран монитора укладкитакже выводится некоторая служебная информация (координаты детектора, ложа идр.). Для управления комплексом, как правило, достаточно ПЭВМ среднего класса ссовмещенным сопроцессором, который выполняет вычислительные функции.Координатные и энергетический сигналы могут поступать в ЭВМ в аналоговой илицифровой форме. В первом случае интерфейс ЭВМ будет более сложным: он содержиттри АЦП, во втором – требуется высокое быстродействие канала связи.
На рис.6 показаны общий вид (а) инекоторые узлы (б, в) эмиссионного томографа. Детекторная головка 1 (вместе сколлиматором) закреплена на коромысле 2, на противоположном конце которогонаходится противовес 3, и может вращаться относительно коромысла. Коромыслозакреплено на кольцевом штативе 4 и может подниматься и опускаться. Для этогослужит раздвижной шток 5 (актуатор) с установленным на нем электродвигателем.Кроме того, коромысло вместе с детектором может вращаться в кольцевом штативе врежиме томографирования. В отсеке 6 находятся блок обработки и управленияинформацией, а также электронная система управления приводами и сами приводынекоторых узлов.
Пациент располагается на специальномстоле 7 (стол пациента) с подвижным ложем. Для продольного сканирования теламогут использоваться два варианта перемещения. В одном из них томограф движетсяпо рельсам вдоль неподвижного стола, а во втором – томограф неподвижен, аперемещается ложе стола. В современных ЭКТ применяется второй вариантсканирования. Монитор укладки 8 размещается в верхней части томографа. Натомографе имеется пульт местного управления, с помощью которого по мониторуукладки производят выбор начального места обследования.
/>
На рис.6, б, в показаны узлы приводауглового перемещения детекторной головки и коромысла. В статическом режиме ирежиме сканирования детекторная головка с высокой точностью должнаустанавливаться параллельно горизонтальной плоскости. Эта установкапроизводится посредством шагового двигателя через многоступенчатый редуктор исоответствующего датчика углового положения (ДУП). Круговое вращениеосуществляется с помощью системы вложенных колец – подвижного и неподвижного. Кподвижному кольцу крепится правый шарнир актуатора Высота подъема, а притомографировании – орбитальный радиус R, вычисляется по формуле R = L×sinα, где L – расстояние между осями вращения коромысла и детектора.Угол α измеряется соответствующим датчиком углового положения.
Массы отдельных узлов томографадостаточно внушительны. Так, круглая детекторная головка (с коллиматором)диаметром 39 см весит около 500 кг, а прямоугольная – еще больше. Тем не менее,для привода используются маломощные двигатели (не более 100 Вт), так как все подвижныечасти хорошо сбалансированы, а перемещения происходят очень медленно. Числофирм, выпускающих устройства для радионуклидной интроскопии, в том числе иоднодетекторные гамма-камеры, сравнительно невелико (6 – 7). К ним относится ифирма «Монокристалл – Оризон». В табл.4 приведены важнейшие параметрыоднодетекторных ЭКТ ведущих фирм. Как видно из таблицы, все они применяютпрямоугольные детекторы. Фирма «Монокристалл – Оризон» также переходитна выпуск томографов типа ОФЭКТ с прямоугольным детектором с наибольшим полемзрения. Кроме того, он имеет самую высокую скорость счета при 20% потерь инаименьшую стоимость. Наилучшее разрешение (и его равномерность) имеет ЭКТфирмы «Toshiba». Все ведущие фирмы продольноесканирование осуществляют перемещением ложа стола пациента.
Таблица 4. Сравнительныехарактеристики однодетекторных ЭКТ. Параметры «Siemens» DIACAM «General Electric» STARCAM XR «Toshiba» GCA-901SA «Монокристалл-Оризон» ГКС-301Т «Монокристалл-Оризон» ОФЭКТ Эффективное поле зрения, см 53,3´38,7 50,8´36,8 50,8´38,1 39 54,0´41,0 Количество ФЭУ 59 91 107 75 59 Простанственное разрешение (центр-край), мм 4,5/4.7 3.8 3,6 4/4,7 4,/4.5 Скорость счета (максимальная/c 20% потерь), тыс. имп/с 290/120 300/150 230/- 200/120 300/200 Стоимость, тыс. долл. 400 400 400 150 200