Gamma kamera felépítése

Tankönyv Fizikusoknak » Nukleáris medicina fizikusoknak » Gamma kamera és képalkotása » Gamma kamera felépítése

A kamera alapja egy szcintillációs detektor, amely kiegészül a pozíció-érzékenységet biztosító kollimátorral. Az ábrán látható egy sematikus rajz a kamera részeiről. A detektálandó gamma-foton először egy kollimátoron halad át, majd a fényvisszaverő réteggel bevont szcintillációs kristályban szcintillációs (fény)fotonokat kelt. A reflektorbevonat azért szükséges, hogy a szcintillációs fény a detektor felé haladjon és ne vesszen el. A keletkezett fotonok fényvezető üvegen áthaladva PMT-mátrixba csapódnak. A PMT-k körül permalloy mágneses árnyékolás található annak érdekében, hogy az esetlegesen jelenlévő mágneses tér ne zavarja a fotoelektron-sokszorozók működését. A legkülső burkolás pedig egy ólom árnyékoló ház, mely a kristályt védi a szórt gamma-fotonoktól.

1. ábra

Ahogyan azt egy korábbi fejezetben megmutattuk, a PMT kimenőjelén található zajt a szcintillációs fotonok számának statisztikája határozza meg, és nem a PMT erősítése.

Jelek mintavételezése
A mintavételezett jelet már előerősítette és formálta egy aluláteresztő szűrővel a front-end elektronika. Erre azért van szükség, mert a fényvezető réteg Gauss-eloszlásúra szórja szét a fényt, és így minden PMT-n egy állandó zaj jelenik meg. A gamma-foton érkezési helyétől távoli PMT-k zaja pedig rontja a pozícionálás pontosságát.

Gamma kamerák lehetnek analógak és digitálisak attól függően, hogy a beérkező jel digitalizálása melyik szinten történik. Analóg kamerák esetében egy osztó ellenállás-mátrix sarokjeleket (4 féle) állít elő, melyeket ezután digitalizál; ezzel szemben a digitális kamerák esetén minden erősített és formált PMT jelet külön csatorna digitalizál.

Az ADC-k 40-50 MHz-el működnek és jellemzően 12 bitesek. Ebből (a jelenleg használatos) mintavevő elektronikán 48-64 független ADC csatorna van, melyeknek a jelei sorosítva érkeznek a feldolgozást végző FPGA-ba (Field Programable Gate Array). A soros jelek frekvenciája ~0,6 GHz, ezért ehhez speciális nagyfrekvenciás nyák tervezése szükséges. Az FPGA-ban történik az ADC csatornák párhuzamosítása, és a csúszó időablakos integrálás, amely során egy regisztert töltünk fel folyamatosan a beérkező jelekkel, és meghatározott időközönként kiolvassuk a tartalmát. Szintén itt történik a pile-up események rejekciója, az alapvonal helyreállítása (abban az esetben, ha hosszú ideig nem érkezik szcintillációs jel), az ethernet csomagok készítése és továbbítása, kommunikáció az adatgyűjtést vezérlő számítógéppel és akár a pozíció számítás is.

Kollimátor
A kollimátor használata biztosítja, hogy az izotóp térbeli eloszlását leképezhessük, és ne csak a forrás jelenlétéről kapjunk információt. Több típusa is létezik a kollimátoroknak, amelyek közül a legelterjedtebb a párhuzamos lyukú, jellemzően méhsejtes struktúra. Ez az elrendezés kialakítható hajtogatott lemezes és öntéses technikával is. Ezenkívül létezik még konvergáló fan beam vagy cone beam struktúra, amik között a különbség az, hogy milyen irány(ok)ban konvergálnak a kollimátor lyukak. A pinhole kollimátor, amely egyetlen vagy néhány egymástól távolabb elhelyezkedő apertúrából áll, szintén nagyítást valósít meg, ahogyan a konvergáló kollimátor is. A nagyítás árán azonban beszűkül a látómező.

2. ábra

A kollimátor leképezési jellemzői, az érzékenysége és a felbontása (pontválasz félérték-szélessége), erősen függ a kollimátor-forrás távolságtól és természetesen a kollimátor típusától. A kollimátorok érzékenysége nagyon kicsi, mert tipikusan csak a fotonok ~0,05%-át engedik át.

A párhuzamos kollimátor három mérettel jellemezhető – a furat mérete (d), a hossza (l) és a szeptum (fal) vastagsága (t). Ezeknek a méreteknek a megfelelő megválasztásával valósítható meg a kamera kívánt felbontás-érzékenység aránya. Ez a beállítás egy optimalizációs feladat, mert a felbontás növelésével az érzékenység romlik. Emiatt alkalmazásonként eltérő kollimátorok előállítása szükséges az éppen megkövetelt leképezési jellemzőknek megfelelően. Létezik LEHR (low energy – high resolution), UHR (ultra-high resolution) és LEGP (low energy general purpose) kollimátor a piacon.

3. ábra

A kollimátor-kamera rendszer pontválasza közel Gauss-eloszlású, ahol a szórás a kollimátor-forrás távolságtól a következő összefüggés szerint függ: $\sigma (r)=\sqrt{(p_1+p_2 r)^2+\sigma_{intr}^2}$ , ahol $\sigma_{intr}$ a kamera intrinsic felbontása.

4. ábra

A pinhole kollimátor apertúrája kisállat vizsgálatok esetén 1 mm-es, míg humán alkalmazásoknál 4-6 mm-es. A leképezés tulajdonképpen a camera obscurának felel meg, és a nagyítás miatt a felbontása akár az intrinsic felbontás alá is mehet.
$D_{eff}=\sqrt{D^2+\frac{2Dtan(\alpha /2)}{\mu}$ és $\sigma_{pinhole}=\sqrt{(\frac{\sigma_{intr}}M)^2+(1+ \frac 1 {M})D_{eff}^2}$
, ahol M a nagyítás, $D_{eff}$ az élpenetrációval növelt apertúra lyukátmérő, μ az apertúra lineáris gyengítési együtthatója adott gamma-energián. A képletekből látszik, hogy az élpenetráció kis lyukméret (~1 mm) esetén domináns és csökkentése érdekében célszerű nagy gyengítési tényezőjű anyagot választani az apertúrának. Ilyen például a wolfram és az arany is.

Az érzékenységet (S) növelhetjük, ha több apertúrát használunk és nem csak egyet (multi-pinhole leképezés):
$S=cos^3(\gamma) \frac{D_{eff,sens}^2}{16 r^2}$

Export

Medical Imaging

Site Language: English

Gamma kamera felépítése

Sidebar

Medical Imaging

Site Language: English