Izotóp képminőség
A RadiWiki wikiből
Tartalomjegyzék |
BEVEZETŐ
A gammakamerával készült izotóp kép jól láthatóan különbözik az egyéb képalkotó módszerekkel nyerhető képtől, leginkább a kontrasztérzékenység tekintetében, mivel a gammakamera nem az adott szövet(ek)ről ad képet, hanem a radioizotóp koncentrációjáról. Az érzékenység tehát attól függ, hogy az adott szövetféleség milyen mértékben képes a radioizotópot dúsítani. Számos olyan patológiás állapot van, melyben az izotóp képalkotás rendkívül jó kontrasztérzékenységgel bír. A gammakamera általában viszonylag gyenge felbontóképességgel és nagyobb képzajjal rendelkezik, mint az egyéb képalkotó modalitások. Ebben a fejezetben az izotóp képminőséget meghatározó tényezőket ismertetjük, valamint azt, hogy ezeket miként lehet optimalizálni az izotóp képalkotási folyamat során.
KONTRASZT
Az izotóp képalkotásban a kontraszt abból származik, hogy egy adott objektumból környezeténél több vagy kevesebb sugárzás származik. Ha az objektum sugárzása környezeténél nagyobb, azt a gyakorlatban melegnek vagy forrónak nevezzük, ha pedig kisebb, akkor hidegnek (pl. meleg vagy hideg göb struma esetén). A beteg szervezetében lévő szerv vagy elváltozás egy ún. belső kontraszttal rendelkezik a környezetéhez képest. A környezetében lévő sugárzás származhat:
- ugyanabból az izotópból
- szórt sugárzásból
- a betegben lévő másik izotópból
- külső sugárforrásokból.
A belső kontraszt általában a vizsgálni kívánt terület és az azt környező terület „aktivitásbeli” különbségétől függ. A belső kontrasztot számos tényező befolyásolja, mely közül a leginkább fontos maga a fiziológiás funkció, mely az izotóp dúsulást, illetve felvételt meghatározza. A gammakamera egyik feladata éppen a vizsgálni kívánt objektum és környezete közötti kontraszt növelése lenne. Ezt a funkciót a pulzusmagasság analizátor teszi lehetővé, mely a sugárzó objektumot elkülöníti a környezetben előforduló sugárzásoktól. A pulzusmagasság analizátor alkalmazásával már egy kontrasztosabb képet kapunk, mely kép kontrasztja nagyobb, mint a korábban említett belső kontraszt (146. ábra).
146. ábra Kontraszt megjelenítése a képalkotás három különböző pontjában.
Mivel a szórt fotonok energiája kisebb, mint a sugárforrásból közvetlen érkező fotonoké, ezért a pulzusmagasság analizátorral ezeket részben el lehet különíteni. Az elsődleges és szórt fotonok közti energia különbség két tényezőtől függ: az elsődleges fotonenergiától, valamint a szóródás szögétől. Például egy 140 keV-os foton ha 90o-kal szóródik, a szórt foton energia 116 keV lesz. Ez nem több, mint 20% különbség az elsődleges fotonenergiához képest. Ha feltételezzük, hogy a szóródás fele 90o-nál kisebb (azaz a detektor felé haladnak a szórt fotonok), akkor a szórt fotonok energiája nem sokkal fog különbözni az elsődleges fotonenergiától.
147. ábra Szórt sugárzás kizárása a pulzusmagasság analizátor ablak segítségével.
Ahogy korábban tárgyaltuk, a szcintillációs detektorrendszer energia felbontása nem teljesen pontos, illetve kismértékben szétterjed (10-15%). Ez a szétterjedés, illetve pontatlanság viszonylag kis energia különbség esetén, mely a fent említett szórt és elsődleges gammafotonok között áll fenn, lehetetlenné teszi, hogy a képalkotás során a szórt sugárzást teljesen kiküszöböljük a feldolgozott adatokból. A 147. ábra egy tipikus fotonenergia spektrumot ábrázol, mely az elsődleges és szórt sugárzásból származik.
A pulzusmagasság analizátor pontos ablakbeállításával a szórt sugárzás jelentős részétől meg lehet szabadulni, de a képben ennek ellenére marad a szórt fotonokból származó információ is.
A 148. ábrán összehasonlíthatjuk a szórt sugárzással és anélkül kapott képek minőségét. A szórt sugárzás különösen a hideg elváltozásoknál okoz problémát, melynek környezetében fokozott sugárzás áll fenn.
148. ábra Egy radioaktív tárgy képe szórt sugárzással és anélkül.
Bizonyos esetekben két különböző radioizotóp is jelen lehet a szervezetben, de csak az egyik izotóp megjelenítése szükséges. A két különböző izotópból származó sugárzás „elválasztása” jelentősen függ attól, hogy az általuk kibocsátott fotonok energiája egymással milyen viszonyban van. A 149. ábra jól illusztrálja ezt a problémát.
149. ábra Két különböző izotópenergia spektrumának átfedése.
Ha a két fotocsúcs között jelentős energia különbség van, akkor az ábra szerinti B izotóp képalkotása nem jelent problémát. Ugyanakkor az A izotóp leképezése komoly problémát jelenthet, mivel az A izotóp fotocsúcsa jelentősen átfed a B izotópból származó szórt sugárzással.
ELMOSÓDOTTSÁG ÉS FELBONTÓ KÉPESSÉG
Az elmosódottság mérésére a 150. ábrán demonstrált módszert alkalmazzák az izotóp képalkotásban. Az elmosódott képen egy képpont nem egy köralakú homogén denzitású/intenzitású képletként ábrázolódik, hanem centrálisan nagyobb a denzitás, mely a periféria felé egyre csökken és határa pontosan nem meghatározható. Egy ilyen elmosódott képpont méretét az ábrán látható módon határozhatjuk meg. Mivel az elmosódottság miatt a képpont intenzitása nem egyenletes, felmerül a kérdés, hogy a pont melyik dimenzióját adjuk meg a méret meghatározására. Ezért az a gyakorlat terjedt el, hogy minden esetben egy denzitás/intenzitás profilt kell felvenni a távolság függvényében és ennek a denzitásprofil félérték-szélességénél (FSZ) határozzuk meg a képpont méretét. Ilyen módon az elmosódottságot tehát mm-ben adhatjuk meg a denzitásprofil félérték-szélességnél.
150. ábra Elmosódottság mérése.
Mivel az elmosódottság a képpontot kiterjeszti, ezért egymás mellett elhelyezkedő kis objektumok (képpontok) elkülönítése nehézségekbe ütközhet. A képalkotó módszerekben ezért az elmosódottság mértékét a felbontó-képességgel is jellemezni szokták. Ez abból adódik, hogy az elmosódottságot általában a felbontóképesség meghatározására szolgáló teszt-tárgyakkal szokták megmérni. Egy ilyen teszt-tárgyat mutat be a 151. ábra. Ez a tárgy ólomcsík sorozatokat tartalmaz, mely tárgyat egy nagy homogén sugárforrásra helyeznek. A teszt-tárgy négy részében az ólomcsíkokat elválasztó távolság különböző és mindegyik negyedet a cm-enkénti vonalpárok (egy ólomcsík és egy hézag) jellemzik. Az elmosódottságot a teszt-tárgy leképezésével állapíthatjuk meg, mégpedig úgy, hogy a még külön ábrázolódó vonalpárokat meghatározzuk. A felbontás és elmosódottság között az alábbi összefüggés érvényes: felbontás (vonalpár/cm ) = 1/FSZ (cm) Ez a két mennyiség tehát egymással fordítottan arányos, ahogy az elmosódottság növekszik, a felbontóképesség csökken. Az izotóp képalkotásban az elmosódottságnak számos oka lehet és a felhasználónak ezekkel tisztában kell lenni, hogy az elmosódottságot a lehető legjobban csökkenteni tudja.
151. ábra Gammakamera elmosódottság mérésénél használt teszt-tárgy.
Mozgás
Nyilvánvalóan a képalkotási folyamat közben, ha a páciens elmozdul, a képen elmosódottság jön létre. Az elmosódottság mértéke az elmozdulással arányos lesz, mely elmozdulás az adatgyűjtés során következik be.
Gammakamera elmosódottság
A gammakamera elvéből és működéséből fakadóan kétféle elmosódottsággal kell számolni, az úgynevezett belső és kollimátor elmosódottsággal, melyeket a 152. ábra demonstrál.
152. ábra Gammakamera elmosódottság két fajtája: Belső elmosódottság és kollimátor elmosódottság
Belső elmosódottság
Vegyünk egy pontot a szcintillációs kristályban és egyben tételezzük fel, hogy a sugárforrás egy adott pontjából származó összes gammafoton ebben a pontban nyelődik el. Ebben a kristálypontban keletkező fényfotonok a kristály felszíne felé haladva széttartanak és ennek következtében a kristály felületén ez a pont már elmosódott „foltként” jelenik meg. Az elmosódottság mértéke többé-kevésbé a kristályvastagsággal arányos (hasonló folyamat zajlik az erősítő-ernyőkben is). A kristály vastagságának megválasztása mindig egy kompromisszum keresés az elmosódottság mértéke és a kamera érzékenység szempontjából. A vastagabb kristályban több gammafoton tud elnyelődni, ezért a gammakamerát érzékenyebbé teszi, ugyanakkor a belső elmosódottság is fokozódik. Ezzel szemben egy vékony kristály csökkenti az elmosódottságot és különösen olyan radioizotópok alkalmazásánál érdemes használni, mely izotópok alacsony energiájú fotonokat bocsátanak ki. A kristály felületén megjelenő fény-kép elektronikus úton kerül a megjelenítő rendszerhez. Az elektronikus rendszer sem képes nagyon pontosan lokalizálni a képpontokat, mely folyamat szintén fokozza az elmosódottságot. Manapság a gammakamerák belső elmosódottságának mértéke - a kristály felszínen mérhető - hozzávetőleg a 2-5 mm-es tartományban van. A belső elmosódottság jelentősen csökkent az elmúlt évtizedekben a kristály és elektronikus technológia fejlődése következtében.
Az elmosódottság mértéke egy adott kamera elrendezésben a vizsgált objektum-kamera távolságtól is függ. A képminőségre általánosságban jelentős hatással van a vizsgált tárgy nagyságának és az elmosódottság mértékének viszonya. Ezért az elmosódottság mértékét nem csak a kristály felületén kell figyelembe venni, hanem az objektum pozíciójában is. Ha párhuzamos falú kollimátort használunk, a belső elmosódottság bármely kamera-objektum távolságban azonos lesz. Ugyanakkor divergáló és konvergáló falú kollimátoroknál a belső elmosódottságra az objektum-tárgy távolság is jelentős hatással van. Ezt ábrázolja a 153. ábra.
153. ábra A kollimátor tulajdonságainak hatása a belső elmosódottság és a tárgy méretének visszonyára.
Ha divergáló falú kollimátort használunk, a belső elmosódottság mértéke az objektum adott pozíciójában meghatározva növekedni fog az objektum-kamera távolság függvényében. Ennek oka abban rejlik, hogy a divergáló falú kollimátor kicsinyíti a képet és a kicsinyítés mértéke az objektum-kamera távolsággal növekszik. Ezért, ha az objektumot a kamerától messzebb helyezzük el, a keletkező kép kisebb lesz, következésképpen a képméret és belső elmosódottság aránya növekszik. A konvergáló kollimátornál nagyítás jön létre, a belső elmosódottság a kép méretéhez viszonyítva csökkenni fog, ahogy a nagyítás mértéke, azaz a kamera-objektum távolság növekszik. Összefoglalva tehát a belső elmosódottság mértéke kicsinyítő és nagyító kollimátorok esetén távolságfüggő. A kicsinyítés növeli, a nagyítás csökkenti a belső elmosódottság mértékét.
Kollimátor elmosódottság
A gammakamerában a kollimátor feladata, hogy a radioaktív objektum minden egyes pontjából érkező gammafotonokat a szcintillációs kristály megfelelő pontjára „fókuszálja”. Mivel a kollimátor nyílások véges számúak, a kristály bizonyos képpontja nem feleltethető meg az objektum egyetlen adott pontjával (154. ábra). Ez a körülmény a gammafoton képet a kristályon elmosódottá teszi, melyet kollimátor elmosódottságnak nevezünk. Legkönnyebben úgy érthetjük meg a kollimátor elmosódottság jelenségét, ha a kristályban lévő képpontból indulunk ki (151. ábra). Ideális esetben a képalkotó rendszerünk látómezőjében egy képpont a leképezendő objektum azonos méretű képpontjának felelne meg. Ugyanakkor egy valóságos kollimátor esetén a kristályban kialakult képpont az objektum sokkal nagyobb pontját/területét reprezentálja. Ennek következtében a kristályban lévő képpont szempontjából minden tárgypont nagyobb, mint a valóságban vagy másként kifejezve, elmosódott. Ha egy kis tárgyat - melynek mérete a kollimátor nyílással megegyezik - a kollimátor felszínére helyezünk, akkor a képen is azonos nagyságú lesz, mint a valóságban. Ha ezt a tárgyat a kollimátor felszíntől eltávolítjuk, egyre nagyobbnak tűnik és egyben egyre elmosódottabb is lesz. Ezt a jelenséget azonban nem szabad összekeverni a konvergáló és divergáló falú kollimátorok által okozott kicsinyítéssel és nagyítással. Itt csupán egyetlen kollimátornyílás jellemzőit és geometriai viselkedését vizsgáltuk. Az elmosódottság mértéke ebben az összefüggésben egyetlen kollimátornyílás nagyságával, illetve látómezejével függ össze. A kollimátor nyílások nagyságától függően a kamera adott esetben nem képes egymás mellett elhelyezkedő kis objektumokat elkülöníteni. A 130. ábrán három kicsi sugárforrás helyezkedik el A, B és C pontokban, melyek a kollimátor elmosódottság miatt egy pontnak látszanak a képen. A kollimátor elmosódottságot három fő tényező határozza meg: 1. a kollimátornyílás nagysága, 2. a kollimátornyílás hosszúsága, 3. kamera-objektum távolság. Egyben ez a három tényező határozza meg egy pontnak a kristályra eső látómezőjét egy kollimátornyílás esetén. A kamera tehát egy pontszerű fotonforrás méretét egyetlen kollimátornyílás látómező nagyságával azonosítja. A 154. ábra különböző kollimátor nyílások esetén mutatja be az elmosódottság mértékét.
154. ábra Elmosódottság és kollimátornyílás összefüggése.
A kollimátornyílás átmérőjének csökkenése az elmosódottságot csökkenti és ugyanilyen eredményt okoz a kollimátornyílás hosszúságának növelése is. Egy adott vizsgálattípus megtervezésénél az elmosódottság és érzékenység közti kompromisszumot kell mindig mérlegelni. Azok a tényezők - a kollimátornyílás átmérője és hosszúsága -, melyek csökkentik az elmosódottságot, egyben csökkentik a detektor hatásfokát és a kamera érzékenységét is. A kollimátorokat az elmosódottság és érzékenység jellemzői alapján szokták kategorizálni, mint például nagy felbontású, nagy érzékenységű kollimátorok (155. ábra).
155. ábra A gammakamera érzékenység és kollimátor elmosódottság összefüggése.
Minden kollimátor esetében az elmosódottság a távolság függvényében növekszik és erre fontos emlékezni, amennyiben a vizsgált objektum nincs közvetlen kontaktusban a kollimátor felületével. A 155. ábrán látható az az általános összefüggés, mely a kollimátor elmosódottság és a távolság viszonyát mutatja. 0 távolság esetén, azaz a kollimátor felületén fennálló elmosódottság gyakorlatilag csak a belső elmosódottságot reprezentálja, és ahogy a kollimátor felszíntől a vizsgált objektum távolodik, a belső elmosódottsághoz fokozatosan adódik hozzá a kollimátor elmosódottság is.
KÉP-ZAJ
Az izotóp képalkotásban a zaj forrása a fotonok véletlenszerű eloszlása a leképezendő kép területén. A gammakamera által készített kép lényegesen több zajt tartalmaz, mint például egy hagyományos röntgenkép. Ennek oka abban rejlik, hogy az izotópképek lényegesen kevesebb fotonból készülnek, mint a röntgenképek. A zaj nagysága (a fotonkoncentráció ingadozása)
156. ábra A gammakamera elmosódottság összefüggése a radioaktív tárgy és kollimátor közti távolsággal.
fordítottan arányos a kép készítéséhez használt fotonok számával. Tehát a zaj csökkenthető a képalkotás során használt fotonszám növelésével. A kép-zaj értékelésére a kamera elmosódottság mértékével azonos területet kell használni. Így a nagy elmosódottsággal rendelkező kamera kevésbé zajos képet készít, mivel az elmosódottság valójában kiátlagolja az egyenetlen fotonkoncentrációt egy nagyobb területen. A kép-zaj és fotonkoncentráció összefüggését a 157. ábra illusztrálja. A felső mezőben köralakú területek ábrázolódnak, melyek egyenletes eloszlású radioaktív forrásból származnak. Ebben a példában nincs eltérés a radioaktivitás térbeli eloszlásában, ezért a képen megjelenő eloszláskülönbség a természetes véletlenszerű fotonbecsapódástól függ. A véletlenszerű fotonbecsapódás okozta ingadozás a kép-zaj alapvető oka, illetve jellemzője. A 157. ábrán látható felső panelben az átlagos fotonbecsapódási ráta 100/cm2 és az ettől való ingadozást, illetve standard deviációval a zajt matematikailag is leírhatóvá lehet tenni. Ha az átlagos fotonbecsapódás száma 100 és a standard deviáció 10, akkor a kép-zajt 10%-ban határozzuk meg. Az alsó panelben az átlagos fotonbecsapódás száma 100/cm2. Ezesetben a standard deviáció (√1000) 32 lesz, azaz 3,2%. Ez a példa tehát jól mutatja, hogy ha a kép készítéséhez több fotont használunk, a fotonkoncentráció ingadozása egy adott területen csökken és ezáltal a kép-zaj is kisebb lesz. A zaj fordítottan arányos az átlagos fotonszám négyzetgyökével.
157. ábra A kép-zaj és fotonkoncentráció összefüggés.
158. ábra A „góc” és a háttér kontraszt visszonya zaj és zajmentes környezet esetén.
A patológiás eltérések láthatósága
A kép-zaj a képminőséget általánosságban rontja és ezáltal nehézséget okozhat bizonyos eltérések diagnosztizálásában. Vegyük a 155. ábrán demonstrált esetet. A képmezőben ábrázolt területben a „góc” több radioaktív anyagot vett fel és ezáltal mintegy 20%-os kontraszttal bír a környezetéhez képest. Amennyiben a képalkotó rendszer teljesen zajmentes, a góc észrevétele nem okoz semmiféle problémát. Ugyanakkor, ha a detektálásra használt gammakamera területegységenként 100 fotont használ a megjelenítésre, a helyzet jelentősen megváltozik. A kontraszt-zaj arány ezesetben 2:1 lesz. Általánosságban azt tartják, hogy az izotóp képalkotásban legalább 4:1-hez kontraszt-zaj arány szükséges, hogy egy eltérést megbízhatóan detektálni tudjunk. Az ábrán illusztrált esetben tehát növelni kell a kép készítéséhez szükséges fotonszámot, melynek következtében a zaj szintje csökkenni fog.
EGYENLETESSÉG
Mivel a gammakamerával a radioaktív anyag megoszlását kívánjuk detektálni, alapvető feltétel, hogy a teljes leképező felület területén a kamera egyenletes érzékenységű legyen. Egyenetlen érzékenység előfordulhat például, ha a fotoelektron sokszorozó csövek beállítása nem kiegyensúlyozott. A legtöbb modern gammakamerában speciális áramkörök biztosítják, hogy a detektorsorok egyenetlenségei korrigálásra kerüljenek. A kamera detektálási egyenetlenség kiszűrése miatt a kamerát rendszeresen ellenőrizni kell, melyet a kamera teljes felszínét lefedő homogén radioaktív forrás segítségével végeznek.
vissza a tartalomhoz: KÉPALKOTÁS ESZKÖZEI - avagy az orvosi képalkotás fizikája
