Izotóp képalkotás
A RadiWiki wikiből
BEVEZETŐ
Az izotóp képalkotó eljárások során készített képek a szervezetbe juttatott radioaktív anyag megoszlását tükrözik. Korábban ezeket a képeket úgynevezett rektilineáris kamerával készítették, melyeket később felváltott a gammakamera és a SPECT. A gammakamera a gammafotonokat emittáló radioaktív forrásról készít képet, némileg hasonlóképpen a fényképezőgéphez, ugyanakkor a röntgenkép készítésével is számos hasonlóságot mutat.
A gammakamera főbb alkotórészei.
A gammakamera főbb alkotórészeit a 130. ábra mutatja. Minden alkotórész specifikus feladatot lát el azon célból, hogy a gammafoton-képet fény-képpé alakítsa, majd ezt a fény-képet megfelelő módon megjelenítse. Az első alkotórész a kollimátor, melynek feladata, hogy a gammaképet a szcintillációs kristály felületére vetítse. A szcintillációs kristály abszorbeálja a gammafotonokat és azokat fényfotonná konvertálja. A kristály ellenkező oldalán megjelenő fény-kép intenzitása (fényessége) rendkívül alacsony, ezért ezt közvetlen módon nem látnánk. Ezért kell egy fotoelektron sokszorozó rendszert alkalmazni, melynek két specifikus feladata van: egyrészt a fény-képet elektromos pulzussá alakítja, majd erősíti, másrészt az elektromos pulzust lokalizálja. A fotoelektron sokszorozóból kimenő elektromos jel három összetevőből áll, melyek közül az egyik a gammafoton energiáját reprezentálja, a másik két elektromos jel pedig a kép területén lokalizálja az előző jel pozícióját. A foton energiáját reprezentáló elektromos jel egy úgynevezett jelanalizátorba megy, mely segít az energiaspektrum megfelelő részének megjelenítésében. A jelanalizátorból származó információ további számítógépes feldolgozást is lehetővé tesz.
A GAMMAKAMERA JELLEMZŐI
Ahhoz, hogy a gammakamerát a különböző vizsgálatokhoz megfelelőképpen tudjuk használni, ismernünk kell a kamera képalkotással összefüggő jellemzőit. Bizonyos vizsgálatoknál kívánatos ezeket a jellemzőket megváltoztatni annak érdekében, hogy megfelelő vizsgálati eredményt kapjunk.
Érzékenység
Egy átlagos vizsgálat során a radioaktív anyagból kilépő gammafotonoknak csak nagyon kis hányada vesz részt a kép kialakításában. Ennek egyik fő oka, hogy a radioaktív anyagból a fotonok a tér minden irányába bocsátódnak ki és természetesen csak azok a fotonok lesznek értékesek a képalkotás szempontjából, melyek a gammakamera irányába tartanak, illetve a kollimátor-nyílásokon keresztül a szcintillációs kristályban abszorbeálódnak. Azok a fotonok tehát, melyek a kristályban nem abszorbeálódnak, elvesznek és „fölöslegesek” az izotóp képalkotás szempontjából. A kamera érzékenysége tehát az a tulajdonság, mely megadja, hogy milyen arányban van egymással a kibocsátott és detektált gammafotonok mennyisége.
A kamera érzékenységét számos tényező befolyásolja, így például legfőképpen a kollimátor fajtája, szerkezete. A legtöbb gammakamera rendszernek cserélhető kollimátorjai vannak, ez egy olyan tényező, mellyel a kamera érzékenységét változtatni tudjuk. Egy általános probléma, hogy az a kollimátor, amely a legnagyobb érzékenységgel rendelkezik, a legnagyobb képi elmosódottságot is okozza. Sok esetben ez utóbbi két jellemző közötti jó kompromisszumot kell megtalálni.
Egy következő tényező a szcintillációs kristály vastagsága, mely jelentősen befolyásolni tudja a kamera érzékenységét. A detektor hatékonysága és a kamera érzékenysége lecsökken abban az esetben, ha a gammafoton kölcsönhatás nélkül áthalad a kristályon. Ebből következik, hogy a vastagabb kristály növeli az érzékenységet, különösképpen nagyenergiájú fotonok esetén, ugyanakkor a vastagabb kristály fokozza az elmosódottságot (geometriai pontatlanság).
A kamera érzékenységét a jelanalizátor beállítás is módosítja, mivel a jelanalizátor határozza meg azt az energiatartományt, amelyből a kép készül. Ha ezt az energiatartományt nagyon szűkre szabjuk vagy a spektrum nem megfelelő részére helyezzük, akkor a kamera érzékenysége jelentős mértékben csökkenhet.
Minden kamerának van egy úgynevezett holtideje, mely holtidő alatt a kamera nem képes újabb fényfoton kibocsátására, a hosszabb holtidő értelemszerűen csökkenti az érzékenységet, mely különösen nagy becsapódási sűrűségnél jelentkezhet. A kamerák érzékenysége 100-1000 cps/Ci tartományban változnak . Mivel 1 Ci nagyjából 37.000 foton/sec kibocsátást jelent, az izotóp képek a kibocsátott fotonok mintegy 3%-ából születnek.
A látómező (FOV – Field Of View)
A látómező a gammakamerának azért fontos tulajdonsága, mivel ez a paraméter szabja meg, hogy a test mekkora részét tudjuk egyidejűleg leképezni. A látómező függ a kristály méretétől, a kollimátor típusától, valamint bizonyos esetekben a kamera-tárgy távolságtól.
A KOLLIMÁTOR
Az izotóp képalkotásban a kollimátor célja a gammafotonok „rávetítése” a szcintillációs kristály felületére. Valójában elvét és alkalmazását illetően számos analógiát fedezhetünk fel a radiográfiában használt rácsokkal. A kollimátort általában ólomból vagy wolframból készítik, mely elemek nagy rendszámuk miatt jó fotonelnyelő képességgel rendelkeznek. A kollimátor nyílások a leképezendő test egy-egy pontját képviselik, általában több száz nyílás található egy kollimátorban egymáshoz nagyon közel annak érdekében, hogy a testről, illetve a látómezőről minél pontosabb képet kapjunk. A fenti elvet a 131. ábra mutatja. Általában a gammakamerához több cserélhető kollimátor tartozik, melyek jelentősen különbözhetnek vastagságuk, kollimátor nyílások száma és mérete, valamint a nyílások orientációja tekintetében. Ezek a paraméterek jelentősen befolyásolják a kamera érzékenységét, a látómezőhöz tartozó kép nagyítását és kicsinyítését és a kép elmosódottságát. A felhasználónak tisztában kell lenni az említett paraméterek hatásaival annak érdekében, hogy a vizsgálatot optimális technikai feltételek mellett végezhesse el.
A kollimátor működési elve.
A kollimátor választás talán legfontosabb szempontja a gammafoton energiája, mely meghatározza a foton áthatolóképességét, hiszen minél nagyobb energiájú a foton, annál vastagabb anyagon képes keresztül hatolni, míg az alacsony energiájú fotonok könnyebben elnyelődnek. A kollimátor nyílásokat elválasztó lamellák feladata nem más, mint a szomszédos kollimátornyílásból átlépő fotonok abszorpciója. Értelemszerű, hogy alacsony energiájú fotonok esetén viszonylag vékonyabb lamellavastagság is megfelelő lehet, melynek előnye, hogy egységnyi területen lényegesen több kollimátornyílás helyezkedhet el, mely javítja az érzékenységet és a felbontóképességet. Ugyanakkor vastagabb falvastagságot kell alkalmazni nagyenergiájú gammafotonoknál a szomszédos nyílásokból való áthatolás „veszélye” miatt.
Az ábrán megfigyelhető, hogy a vékony lamellavastagságú kollimátorban a nagyenergiájú gammafotonok jelentős penetrációt mutatnak a szomszédos kollimátornyílások irányába, melynek eredményeképpen a pontszerű objektum elmosódott foltként fog leképeződni. A vastag lamellafalú kollimátor ezt a problémát kiküszöböli, jól definiált pontos képet ad. Ha vastagfalú kollimátort alacsony energiájú gammafotonokkal használjuk, nyilvánvalóan szintén jó leképezést kapunk, de a kamera érzékenysége romlani fog. A kollimátor nyílások különböző orientációjúak lehetnek, melynek köszönhetően a leképezés jellege más és más lehet.
Alacsony és magas energiájú kollimátorok összehasonlítása.
Párhuzamos falú kollimátor
A 133. ábra egy parallel falú kollimátort és annak leképezését illusztrálja. Ezesetben a látóteret (FOV) a kristály mérete (átmérője) határozza meg és a látótér a tárgy-kamera távolságtól független. A leképezett kép mérete az objektum méretével megegyezik és ez az összefüggés szintén független a kamera-objektum távolságtól.
Következésképpen a párhuzamos falú kollimátor sem nem kicsinyít, sem nem nagyít. A kollimátoron azok a gammafotonok jutnak csak keresztül, melyek közel párhuzamosak a kollimátor nyílások falával. Ha feltételezzük, hogy az objektum (radioaktív forrás) és a kollimátor között nincsen abszorpció, akkor érthető, hogy a párhuzamosan haladó fotonok száma az objektum-kamera távolságtól nem függ. Ezért a kamera érzékenysége a párhuzamos falú kollimátorok esetén nem változik a távolsággal. A négyzetes sugárfogyás tehát ilyen esetben nem érvényesül.
A divergáló falú kollimátor
A divergáló falú kollimátorban a kollimátor nyílások legyezőszerűen kinyílnak a kristály felszínétől (134. ábra). Ezen elrendezés miatt a kamera a kristálynál nagyobb objektum leképezésére alkalmas. A látómező a kollimátor-objektum távolsággal arányosan nő és ezen kollimátortípus fő előnye a megnövekedett látómezőben rejlik. A látómező megnövekedése két tényező függénye: a tárgy-kamera távolság, valamint a kollimátor nyílások angulációja, mely tipikus divergáló falú kollimátorban a kollimátortól 15 cm-re a látómező másfélszeresére növekszik.
Párhuzamos falú kollimátor.
Divergáló falú kollimátor.
A divergáló falú kollimátor ez esetben kisebb képet „vetít” a kristályfelületre, mint az objektum aktuális mérete, azaz a divergáló falú kollimátor kicsinyít. A kicsinyítés mértéke a kollimátor-objektum távolsággal arányosan nő. Mivel a kicsinyítés távolságfüggő, ezért torzítás jelensége is létrejöhet, hiszen a kamerához közelebb eső struktúrák kicsinyítése kisebb lesz, mint a kamerától távolabb eső struktúráké. Például két azonos méretű góc különböző mérettel ábrázolódik, ha a kamerától eltérő távolságban helyezkednek el. A divergáló falú kollimátorral szerelt kamera érzékenysége csökken a tárgy-objektum távolság függvényében. Amennyiben a radioaktív forrás (objektum) a kollimátor felületétől messzebb kerül, az abból érkező fotonok kisebb számú kollimátor nyíláson fogják az objektumot reprezentálni, azaz az adott objektum relatív mérete a megnövekedett látómezőben csökken.
Konvergáló falú kollimátor
A konvergáló falú kollimátorban a kollimátor nyílások a kollimátor előtti pont felé konvergálnak, épp ellenkezőleg, mint a divergáló falú kollimátor esetén (135. ábra). Valójában néhány kollimátor „kifordítható”, azaz divergáló vagy konvergáló kollimátorként is használható. A konvergáló falú kollimátor esetén a látómező a kamera-objektum távolsággal arányosan csökken, azaz ez a kollimátorfajta nagyított képet „vetít” a kristályra. Hasonlóan a divergáló falú kollimátorhoz, a leképezett kép méretváltozása a távolsággal arányos. Ahogy a radioaktív forrást a kollimátortól távolabb helyezzük el, egyre több kollimátor nyíláson képesek a forrásból származó gammafotonok áthaladni, melynek következtében a kamera érzékenysége is növekedni fog. Az érzékenység megközelítőleg a távolság négyzetével arányos. Az érzékenység növekedés és a nagyítási tulajdonságok miatt a konvergáló falú kollimátor elsősorban kis szervek, mint például pajzsmirigy, vese, szív vizsgálatára alkalmas. Hasonlóan a divergáló falú kollimátorhoz, a konvergáló falú kollimátor is torzít, elsősorban a látómező széli részén.
Konvergáló falú kollimátor.
SZCINTILLÁCIÓS KRISTÁLYOK
A gammakamerában a kristálynak csakúgy, mint bármely szcintillációs detektor esetén, két feladata van: 1. a gammafotont abszorbeálni, 2. a gammaképet fény-képpé alakítani. A gammakamerában használt kristály általában korong alakú. A kristály átmérője és vastagsága is fontos tényező a kamera jellemzőit illetően, mivel a kristály átmérője alapvetően meghatározza a látómezőt, a kristályvastagság pedig az érzékenységre és a kép elmosódottságára van hatással. A látómezőt természetesen az alkalmazott kollimátor típusa és adott esetben az objektum-kamera távolság is befolyásolja. A kristály vastagságát növelve általában csökken a gammafoton penetráció és ezzel javul az érzékenység. Ugyanakkor növekszik a kép elmosódottsága is. A fenti okokból kifolyólag a kristályvastagságot úgy választják meg, hogy az a legésszerűbb kompromisszum legyen az érzékenységet és a képminőséget figyelembe véve. A tipikus kristályvastagság leggyakrabban 1-1,5 cm.
FOTOELEKTRON SOKSZOROZÓ CSÖVEK
A fotoelektron-sokszorozó csöveket hexagonális alakzatban helyezik el, és számuk a kitöltendő terület nagyságától függően változik. A legelső gammakamerában csupán 7 cső helyezkedett el, manapság 90-nél több csövet alkalmaznak a gammakamerákban. A fotoelektron-sokszorozó csövek elsődlegesen a kristályból érkező fényfotonokat elektromos jellé alakítják és azokat felerősítik, valamint a jel lokalizációját is rögzítik. Ez utóbbi információ szükséges a képi megjelenítéshez, melynek elvét a 136. ábra illusztrálja.
Három fotoelektron-sokszorozó cső által keletkező különböző nagyságú elektromos jel egy adott fotonból.
Feltételezzük, hogy a gammafoton az ábra szerinti pontban nyelődik el és vált ki fényfotonokat. A fényfotonok minden irányba indulnak és nem csupán egy fotoelektron sokszorozó csőbe érkeznek, hanem több egymás melletti csőben is jelet generálnak. A fényjel, melyet egy adott fotoelektron-sokszorozó cső „lát”, annál erősebb lesz, minél közelebb van a fényforráshoz. Az ábra szerint a B cső helyezkedik el a fényforráshoz legközelebb és ez a cső érzékeli a legnagyobb fényjelet, melynek következtében viszonylag nagy elektromos jelet generál. Az ábra szerinti C csőbe kevesebb fényfoton érkezik és az A csőbe – mivel ez van a legmesszebb – a legkevesebb, és ennek megfelelően a keletkező elektromos jelek is a beérkezett fotonmennyiséggel arányosak. Összefoglalva, ha egy gammafoton elnyelődik a szcintillációs kristályban, akkor egyszerre több fotoelektron sokszorozó cső is működésbe lép a gammafoton elnyelődésének lokalizációja körül és a keletkező elektromos jelek nagysága a fotoelektron sokszorozó cső pozíciójától, illetve a gammafoton abszorpciójának lokalizációjához való viszonyától függ.
A KÉP KELETKEZÉSE
A gammakamerában a fotoelektron sokszorozó csövekből érkező elektromos jelek adják a képalkotás alapját. Ezeket az elektromos jeleket egy sajátos rendszer (áramkör) dolgozza fel, mely az egy gammafoton abszorpciója során keletkező összes aktivált csőből érkező elektromos jelet feldolgozza. A rendszer feladata, hogy meghatározza a gammafoton becsapódások lokalizációját és intenzitását. A lokalizáció jellemzésére az áramkör két új jelet generál, melyek a képmátrixban megadják a horizontális (x) és vertikális (y) koordinátákat.
Az áramkör következő funkciója, hogy a fotoelektron sokszorozó csövekből érkező jeleket kombinálja és a gammafoton lokalizációnak megfelelően annak energiájával arányos nagyságú jelet generáljon. Ez utóbbi elektromos jelet egy speciális jelanalizátor dolgozza fel (jelmagasság analizátor), mely előkészíti a képi megjelenítést.
Az elektromos jelekből a megjelenítő egység készít látható képet. A hagyományos megjelenítő egységek katódsugárcsöves monitorokat alkalmaznak.
SPEKTROMETRIA
A legtöbb izotópdiagnosztikai alkalmazásban egy specifikus gammafoton forrásból származó fotonok detektálása és megjelenítése a cél. Ugyanakkor problémát okozhat más sugárforrások jelenléte, hiszen az ezekből származó fotonokat is érzékelheti a detektor (137. ábra).
Spektrométer szelektivitása adott energia tartományon belül.
Az elsődleges sugárforrásból származó fotonok Compton-kölcsönhatásba is kerülhetnek akár sugárforráson belül és kívül elhelyezkedő anyagokkal, melynek következtében szórt sugárzás is érheti a detektort. Ha a képalkotó rendszer a szórt sugárzást is megjeleníti, a szórt sugárzásból keletkező kép nem korrellál a fotont kibocsátó sugárforrás lokalizációjával. Ezért a szórt sugárzás képi torzítást okoz, mely lehetetlenné teszi, hogy az elsődleges sugárforrást tartalmazó szerv/elváltozás méretét, alakját és az izotóp aktivitását meghatározzuk. Az elsődleges sugárforráson kívül egyéb források is általában jelen vannak. Ilyenek lehetnek a kozmikus sugárzás, természetben előforduló sugárzó izotópok, izotóp szennyeződés, melyekből származó sugárzást összefoglaló néven háttérsugárzásnak nevezünk. A képalkotás során a háttérsugárzás csökkenti a keletkező kép kontrasztját és aktivitás számolás esetén hibát okoz. Néha az izotóp vizsgálat során kétféle izotópot is a szervezetbe juttatnak, ilyenkor az adekvát megjelenítés a leképező rendszer szelektivitásán múlik. A leképező rendszer szelektívé tehető egy spektrométer alkalmazásával, mely a detektált és erősített jeleket analizálja. A spektrométer valójában az a feldolgozó áramkör (pulzusmagasság analizátor), mely a detektor jeleket feldolgozza. A spektrométer célja, hogy egy adott elsődleges sugárforrás által reprezentált energia-tartományt lehessen megjeleníteni/számolni, és az ezen kívül eső energia-tartományokat ebből a folyamatból kizárja. A felhasználó tehát a spektrométer, illetve pulzusmagasság analizátor beállítással tudja kiválasztani a megfelelő elektromos jeleket.
A gammaspektrum
A szcintillációs detektor által generált pulzusok sem lesznek teljesen azonosak, mivel a radioaktív forrásból származó gammafotonok energiája is eltérő lehet. Eltérést okozhat a gammafotonok Compton-kölcsönhatása, valamint a detektor rendszerben fennálló statisztikai faktorok jelenléte. A következőkben ezeket a tényezőket vizsgáljuk meg és azt, hogy a zavaró tényezőket hogyan lehet kiküszöbölni a spektrométer helyes alkalmazásával.
Az egyszerűség kedvéért tegyük fel, hogy a vizsgált radioaktív anyag csupán egyetlen energiájú gammafotonokat bocsát ki. Egy ilyen monoenergetikus forrásból származó fotonok spektrumát egy ideális detektor rendszerrel megjelenítve a 138. ábra mutatja. Az ideális detektor rendszerben a monoenergetikus fotonok csak egyféle és azonos nagyságú pulzusokat generálnak. Ilyen pulzusok spektruma vonalas lenne (138. ábra) és a pulzusmagasság a fotonenergiával arányos. Sajnos a valóságos detektor-rendszerekben egy adott fotonenergia nem azonos nagyságú pulzusokat generál, hanem bizonyos tényezők miatt a pulzusmagasság kisebb-nagyobb mértékben változó.
Monoenergetikus forrásból származó fotonok spektruma ideális detektor esetén.
Statisztikai változások
A 136. ábrán a gammafoton abszorpció és elektromos jel keletkezés közötti eseményeket ábrázoltuk. A gammafoton abszorpciója számos fényfoton keletkezését okozza. Egy adott energiájú gammafoton abszorpciója esetén is lehet a generált fényfotonok mennyiségében ingadozás és a keletkezett fotonok sem feltétlenül a fotoelektron sokszorozó csőben nyelődnek el, hanem néhány fényfoton már magában a kristályban is abszorbeálódhat. A kristályon belüli fényfoton elnyelődést bizonyos mértékig befolyásolja, hogy a gammafoton kristály mely részén okozott szcintillációt. A fotoelektron sokszorozóban, illetve a fotokatódban kibocsátott elektronmennyiség, melyet a fényfotonok generálnak, szintén kisebb-nagyobb mértékben ingadozik. Ezek az ingadozások összeadódnak és természetes módon hatással vannak a kimenő elektromos jel nagyságára. Ennek következtében egy adott energiájú gammafoton esetén is a jelsorozat különböző nagyságú pulzusokból tevődik össze, melyet a 139. ábra mutat.
A detektor pulzus nagyság változását meghatározó tényezők.
Monoenergetikus sugárforrás és detektor által keletkező pulzus spektrum.
A valóságban a monoenergetikus spektrum sem lesz vonalas, hanem egy kissé kiszélesedett csúccsal jellemezhetjük a monoenergetikus gammasugárzást. A detektorrendszer egyik fontos jellemzője, hogy egy adott energiánál a detektálás milyen mértékben ingadozik, melyet a pulzus méretének és kiszélesedésének mértékével jellemezhetünk. Ezt a jellemzőt a detektor energiafelbontó képességének is hívjuk, melyet a félérték-szélességgel jellemzünk és általában az átlagos pulzusmagasság százalékában fejezzük ki. A 140. ábrán demonstrált példában a félérték-szélesség 10 egység és az átlagos pulzusmagasság 70 egység, ennek megfelelően a félérték-szélesség = 10/70 • 100 = 14%. A félérték-szélességet tekinthetjük a pulzusmagasság átlagos szórásának. Az ideális detektor rendszerben félérték-szélesség 0 lenne. A valóságos szcintillációs detektor- rendszerek energiafelbontása általában 10-15% között változik. Az energiafelbontó képességet számos tényező befolyásolja, úgy mint a szcintillációs kristály, a fotoelektron sokszorozó csövek minősége és az erősítő rendszer stabilitása. Az energiafelbontó képesség jelentősen romlik, például törött kristály esetén, ahol „szabálytalan” fénytranszmisszió jöhet létre.
Ha egy detektorrendszer energiafelbontása rossz (azaz nagy a félérték-szélessége), az a monoenergetikus fotonok esetén kapott nagy pulzusingadozásban nyilvánul meg. Ennek az a következménye, hogy a spektrométerrel nehezen választhatók el különböző energiájú, illetve forrásból származó jelek. A 140. ábrán bemutatott spektrum a gammafotonok fotoelektromos kölcsönhatásból származó teljes abszorpciójából származik. Ezért ezt a csúcsot a spektrumban fotocsúcsnak is nevezik. A következőkben megvizsgáljuk az egyéb kölcsönhatások spektrumra gyakorolt hatását.
Compton-szóródás
A Compton-kölcsönhatás során a gammafoton energiája csökken és haladásának eredeti iránya megváltozik. Compton-kölcsönhatás az izotóp képalkotás során számos helyen bekövetkezhet, úgy mint magában a radioaktív anyagban, a radioaktív anyagot körülvevő szövetekben és a szcintillációs kristályban. A legtöbb Compton-kölcsönhatás azonban a radioaktív anyagot körülvevő szövetekben jön létre, melynek vastagsága értelemszerűen nem közömbös a képalkotás szempontjából. Ha a szórt fotonok is részt vesznek a képalkotásban, a keletkező kép nem fogja hitelesen reprezentálni a radioaktív anyag megoszlását. Ebből kifolyólag kívánatos, hogy a szórt fotonokat kizárjuk a képalkotás folyamatából. Ez részben lehetséges, mivel a szórt fotonok energiája kisebb lesz az elsődleges fotonok energiájánál (141. ábra). Egy adott primér fotonenergia esetén (pl. 140 keV) a szórt foton energiája a szóródás szögétől függ. Azok a fotonok, melyek előrefele szóródnak (a detektor felé), viszonylag kevés energiát vesztenek és ezért az energiájuk 140 keV-nál nem sokkal kisebb. A statisztikai változások miatt a detektor ezen fotonok némelyikét 140 vagy annál nagyobb keV-nak érzékeli. Tehát a statisztikai változások miatt a fotocsúcs és a szórt fotonok spektruma jelentős átfedésben lehet.
Szórt fotonok spektruma adott testrészben.
A Compton-kölcsönhatás során a 180º-kal, azaz visszafele szóródott fotonok rendelkeznek a legalacsonyabb energiával. 140 keV-os elsődleges fotonok esetén a 180o-kal szóródott fotonok energiája 90 keV. Ez azt jelenti, hogy a 140 keV-os elsődleges gammafoton sugárzás esetén a fotonenergiák 90-140 keV között lehetnek. Ugyanakkor néhány foton több Compton-kölcsönhatásban is részt vehet, ezért számos foton rendelkezik 90 keV-nál alacsonyabb energiával. Az energiaspektrum azon része, mely a szórt sugárzást reprezentálja (alakja és amplitudója) a fentiek alapján számos tényezőtől függ, elsősorban azonban a radioaktív sugárforrást körülvevő szövet vastagságától és minőségétől. Ugyancsak lényeges szempont a fotocsúcs és a szórt spektrum amplitúdójának aránya. Ha a Compton-kölcsönhatás a szcintillációs kristályban jön létre, akkor egy sajátos spektrumkomponens alakulhat ki. Ha egy 140 keV-os foton a kristályban egyetlen Compton-kölcsönhatást „szenved”, a maximális energiaveszteség – 180o-os szóródás esetén – 50 keV lehet. A 180o-nál kisebb szögben szóródó fotonok nagyobb energiájúak lesznek és a spektrum azon szélét, mely a nagyenergiájú Compton-fotonokat reprezentálja, Compton-szélnek hívják.
Kristályban keletkező spektrumkomponens.
Karakterisztikus röntgensugárzás
Ha a gammafoton egy viszonylag nagy rendszámú atommal lép kölcsönhatásba, fotoelektromos abszorpció jöhet létre. A fotoelektromos kölcsönhatás során az atomból egy elektron lökődik ki, mely az adott elektronpályán egy „lyukat” hoz létre. A lyukat egy másik elektronpályáról származó elektron fogja betölteni, mely folyamat során karakterisztikus röntgenfoton szabadul fel. A karakterisztikus röntgenfoton energiája a két elektronpálya energiájának különbségével egyenlő. A karakterisztikus röntgensugárzás ezért mindig meghatározott energiával rendelkezik, azaz az energiaspektrumban ideális esetben jól meghatározott értékeknél ábrázolódik.
Ha a karakterisztikus röntgensugárzás a kristályon kívül keletkezik, akkor a spektrumban a sugárzásra jellemző energiával jelenik meg. A legtöbb esetben a gammakamera kollimátora, melyet a radioaktív forrás és a detektorkristályok közé helyezünk, ólomból készül, melyben 77 keV-os karakterisztikus röntgensugár keletkezhet és az energiaspektrumban ennek megfelelő kis csúcs jelenhet meg. Ha azonban a karakterisztikus röntgenfoton magában a kristályban keletkezik, egy más típusú spektrumkomponens keletkezik (142. ábra).
Az izotóp képalkotásban használt izotópokból felszabaduló gammafotonok energiája a radiográfiai képalkotásban használt fotonoknál általában nagyobb. Ezen fotonok és az anyag kölcsönhatása csakúgy mint az alacsonyabb fotonenergia tartományban megoszlik a fotoelektromos és Compton-kölcsönhatás között. A jód nagy rendszáma miatt a radiográfiában jó kontrasztanyag, azaz abban az alkalmazásban elsősorban a fotoelektromos kölcsönhatás dominál és a Compton-effektus elenyésző. A gammakamera nátriumjodid kristályában azonban a Compton-effektus is viszonylag jelentős.
A nátriumjodid kristályban a fotoeffektusnak két következménye is van, egyrészt a fényjelenség, melyet a fotoelektron sokszorozók segítségével mérni tudunk, másrészt a karakterisztikus röntgensugárzás, mely másodlagos sugárzás a kristályban elnyelődhet és ezesetben fényfotont produkál, de bizonyos esetekben ez a másodlagos foton a kristályból „elszökhet”. Ha túl sok karakterisztikus röntgenfoton szökik el, akkor az általuk képviselt energiamennyiség is eltűnik az adott kölcsönhatásból. Ennek az a következménye, hogy a spektrumban egy újabb csúcs jelenik meg, melynek pozícióját a primér fotonenergia és a karakterisztikus foton energiájának különbsége adja meg. Ezt a csúcsot nevezik „szökési” (escape) csúcsnak (142. ábra).
Háttérsugárzás
Nincs olyan környezet, amely háttérsugárzástól mentes lenne. A háttérsugárzást a kozmikus sugárzás, a természetben előforduló radioaktív atomok (építőanyagok) és a környezeti szennyeződés okozza. A háttérsugárzás energia spektruma az egyes összetevők relatív arányától függ, de az egyszerűség kedvéért általában úgy tekintik, hogy minden energia tartományban egyenletes megoszlású.
Különböző összetevőkből keletkező összetett (Composite) spektrum.
Az összetett spektrum
Egy tipikus detektorrendszer által rögzített energiaspektrum számos összetevőkből áll, amelyeket a fentiekben tárgyaltunk. Az összetett spektrum az egyes komponensek összeadódásából áll, melyet a 143. ábra demonstrál. Az egyes összetevők relatív aránya számos tényezőtől függ és jelentősen különbözhet az adott diagnosztikai eljárástól függően. Az ábrán bemutatott spektrum ennek elvét mutatja be, nem pedig egy konkrét esetet. A legtöbb esetben az összetett spektrumban megkülönböztethetünk „kívánatos” és „nem kívánatos” összetevőket. Értelemszerűen a fotocsúcs lenne a „legkívánatosabb összetevő”, mivel ez reprezentálja azon fotonokat, melyek közvetlenül a radioaktív forrásból származnak. Azt, hogy mit tekintünk nem kívánatos összetevőnek, részben a diagnosztikai eljárás természetétől is függ. Így például a legtöbb diagnosztikai képalkotó eljárás során a szórt sugárzást nem kívánatosnak tekintik. Erről még a későbbiekben szót ejtünk.
A PULZUSMAGASSÁG ANALIZÁTOR
A spektrométer általánosságban egy olyan eszköz, mellyel a felhasználó a spektrum egy meghatározott részét képes kiválasztani/használni. A legtöbb izotópdiagnosztikai készülékben ez a spektrométer a pulzusmagasság analizátor. A pulzusmagasság analizátor a detektor és a számláló vagy megjelenítő egység között helyezkedik el, azaz a detektorból érkező elektromos jelek áthaladnak a pulzusmagasság analizátor egységen, mielőtt feldolgozásra kerülnének. A pulzusmagasság analizátor alapvető funkciója, hogy csak bizonyos nagyságú jeleket enged át, a beállított értéknél kisebb jeleket pedig kiszűri. A 144. ábrán a pulzusmagasság analizátor működési vázlata látható. A pulzusmagasság analizátoron áthaladó jeleket két állítható funkció segítségével szűrjük: az ún. alapvonal és az ablak funkciókkal.
Pulzusmagasság analizátor alap funkciója.
A legtöbb pulzusmagasság analizátoron a pulzusmagasság egy tetszőleges skálán értékelhető. A 144. ábrán bemutatott példában ez a tetszőleges skála 0-100 egység beosztású. A detektor és erősítőrendszerek megfelelő kalibrációjával ez a tetszőleges skála egy adott fotonenergia tartományt tud értékelni, illetve megjeleníteni. Például, ha ezen a 0-100 egység skálán 0-200 keV fotonenergia tartományt szeretnénk értékelni, akkor a detektor és erősítőrendszert úgy kell kalibrálnunk, hogy a legmagasabb energiaértékhez, azaz a 200 keV-hoz a skála 100-as értékét állítsuk, a 0 érték pedig a háttérnek felel meg. Az alapvonal állításával határozhatjuk meg azt a minimum pulzusamplitudót, mely érték alatti pulzusokat az analizátor kiszűri. Az ablak funkcióval az átengedhető pulzusmagasság tartományt tudjuk definiálni, azaz az átengedhető pulzusok maximális értékét határozzuk meg. Az ablak funkció beállítása vagy a pulzusmagassággal, vagy ennek százalékával függ össze. A 144. ábrán az alapvonalat 60 egységre állították és az ablakszélesség pedig 20 egységnyi. Ez azt jelenti, hogy ezzel a beállítással a pulzusmagasság analizátoron a 60 és 80 egység közötti pulzusok mehetnek át, azaz a 120-160 keV energiájú fotonokat kívánják detektálni.
Vizsgáljuk meg a 144. ábrán beállított alapvonal és ablak funkciók, hogyan viszonyulnak az ábrán szereplő három különböző pulzushoz. Az 50 egységnyi pulzus (100 keV) a beállított alapvonal érték alatt van, ezért ennek továbbítását az analizátor megakadályozza. A 70 egységnyi pulzus (140 keV) az alapvonal és az ablak funkciók által beállított méréstartományban helyezkedik el, ezért ez a jel a számláló/megjelenítő rendszer felé tovább haladhat. A 90 egységnyi pulzus (180 keV) az ablakszélesség felső határán kívül esik, ezért az analizátor ennek a jelnek a továbbhaladását is gátolja.
Pulzusmagasság analizátor ablak alkalmazása adatgyűjtés meghatározására.
A pulzusmagasság analizátor beállítása valójában mindig a fotonenergia spektrumhoz igazodik (145. ábra). Ahogy az ábrán látható, az alapvonal és ablakbeállítások határozzák meg, hogy a spektrum melyik részét használjuk adatgyűjtésre, illetve képalkotásra. Természetesen az ablakot a spektrum vizsgálni kívánt részére helyezzük, melyet leggyakrabban a fotocsúcs jelent. A görbe alatti terület lefedett része jelenti azt a relatív fotonmennyiséget, melyet céljainknak megfelelően használni tudunk. Ha az ablakot kiszélesítjük, akkor a spektrum nagyobb részét fogjuk be és egyben a mért fotonmennyiség is emelkedni fog. Ebből következik, hogy széles ablakbeállítással gyorsabb adatgyűjtés lehetséges, azaz egy bizonyos számú fotonbecsapódás rövidebb idő alatt bekövetkezik. Ugyanakkor a széles ablakbeállítás hátrányos lehet abból a szempontból, hogy a kívánatos és nem kívánatos spektrum tartományok közötti különbségtétel jelentősen rosszabb lehet. A legtöbb esetben a spektrum nem kívánatos része a kívánatos résznél (fotocsúcs) alacsonyabb energiájú, ezért pontos alapvonal és ablakbeállítással megfelelő adatgyűjtésre nyílik lehetőség.
vissza a tartalomhoz: KÉPALKOTÁS ESZKÖZEI - avagy az orvosi képalkotás fizikája
