Podstawowym urządzeniem wykorzystywanym w diagnostyce nuklearnej jest
kamera scyntylacyjna (gamma kamera), służąca do uzyskiwania obrazów
scyntygraficznych.
Obraz scyntygraficzny
– odwzorowanie rozkładu substancji promieniotwórczej
w obszarze ciała zawierającym badany narząd.
Fundamentalne części gamma-kamer:
1. Kolimator
– rzutuje rozkład substancji radioaktywnej, nagromadzonej w
badanym obszarze ciała na powierzchnię kryształu detektora; przepuszczane są
niemal wyłącznie promienie równoległe do kierunku otworów kolimatora.
Najczęściej stosowane są kolimatory równoległootworowe. Do danego typu
badania należy wybierać typ kolimatora, biorąc również pod uwagę energię
rejestrowanych fotonów (kolimatory wysoko- lub niskoenergetyczne)
2
. Kryształ scyntylacyjny – pochłania przepuszczone przez kolimator fotony i
zamienia je w fotony światła. Powstający na tylnej ścianie kryształu obraz
świetlny ma bardzo małą jasność i nie nadaje się do bezpośredniej obserwacji.
Detekcja promieniowania gamma
Podczas przejścia promieniowania jonizującego przez materię oddziałuje ono z
atomami, przekazując im energię. Przekazywanie to odbywa się na drodze
jonizacji i/lub wzbudzania atomów ośrodka.
Powszechnie używanym scyntylatorem jest kryształ jodku sodu aktywowany
nielicznymi atomami talu, które zaburzają strukturę kryształu i są odpowiedzialne
za występowanie scyntylacji.
3.
Układ fotopowielaczy – znajduje się za kryształem. Zmienia obraz świetlny w
ciąg impulsów elektrycznych i jednocześnie wzmacnia je, wpływając tym samym
na natężenie obrazu.
Fotopowielacze
– lampy elektronowe, które produkują impuls elektryczny po
stymulacji bardzo słabym sygnałem świetlnym. Fotokatoda lampy wytwarza od 1
do 3 fotoelektronów na każde 10 fotonów światła widzialnego. Impuls elektryczny
uzyskiwany na wyjściu fotopowielacza jest proporcjonalny do liczby fotonów
padających na fotokatodę.
4
. Obwód elektroniczny – po wzmocnieniu i odpowiednim ukształtowaniu impulsów
elektrycznych, opuszczających układ fotopowielaczy tworzy 3 sygnały elektryczne
opisujące każdy foton gamma.
Sygnał Z jest proporcjonalny do energii fotonu. Sygnały X i Y opisują miejsce
zarejestrowania fotonu w krysztale scyntylacyjnym.
Sygnał Z przekazywany jest do analizatora amplitud. Jeśli amplituda sygnału
mieści się w tzw. Okienku analizatora to do formowanego obrazu dodawany jest
kolejny impuls. Impuls ten wyświetlany jest jako mały punkt świetlny, w położeniu
określonym przez sygnały X i Y.
W kamerach kreowane są zazwyczaj równocześnie dwa obrazy analogowe: jeden
służy bezpośrednio wizualizacji rejestrowanych fotonów, drugi wykorzystywany
jest do przenoszenia obrazu na film
– dla dokumentacji badania.
Oddziaływanie promieniowania gamma z materią
Wysokoenergetyczne fotony, pochodzące z rozpadów nuklidów, przekazują materii
swoją energię głównie poprzez oddziaływanie z elektronami ośrodka, przez który
przechodzą. Powstające w czasie tych oddziaływań wysokoenergetyczne elektrony
są ostatecznie odpowiedzialne za zdeponowanie energii fotonów w ośrodku.
Pierwszy ośrodek – ciało pacjenta.
Drugi
– kryształ scyntylacyjny w detektorze gamma kamery.
Energia fotonów wykorzystywanych w rutynowej diagnostyce nuklearnej (30 – 400
keV) przekazywana jest ośrodkom w wyniku:
- zjawiska fotoelektrycznego
- zjawiska Comptona
Komputerowy zapis i przetwarzanie danych scyntygraficznych.
Większość kamer scyntylacyjnych połączona jest z komputerami, które
umożliwiają przeprowadzanie rejestracji obrazów w postaci cyfrowej, a
następnie ich wielokrotne wyświetlanie, przetwarzanie i liczbowe opracowanie.
Programy komputerowe umożliwiają przeprowadzanie trzech podstawowych
typów rejestracji:
- statycznej
- dynamicznej
- typu list-mode
Rejestracja statyczna
Każdy obraz tworzony jest indywidualnie. Koniec rejestracji obrazu następuje po
osiągnięciu założonej liczby zliczeń lub po upływie założonego czasu. Rejestracja
nowego obrazu (np. w innej projekcji) rozpoczyna się manualnie przez osobę
wykonującą badanie.
Rejestracja dynamiczna
Komputer automatycznie przechodzi do rejestracji kolejnego obrazu po
osiągnięciu założonej liczby zliczeń lub po upływie czasu przeznaczonego na
akwizycję pojedynczego obrazu.
Rodzajem akwizycji dynamicznej jest akwizycja tomograficzna, sprzężona z
rotacyjnym ruchem kamery wokół ciała pacjenta.
Rejestracja typu list-mode
Stanowi alternatywę dla akwizycji dynamicznej. Jest to szczególny rodzaj
zbierania danych, niemożliwy do zrealizowania z pominięciem komputera. Oprócz
parametrów przestrzennych, opisujących położenie zarejestrowanego fotonu,
zapisywany jest czas (mierzony względem początku badania) zarejestrowania
danego fotonu.
Przy zapisie do pamięci komputera, informacja analogowa docierająca z kamery
zostaje popróbkowana i staje się obrazem cyfrowym: wartość zapisana w
każdym elemencie macierzy obrazowej reprezentuje sumę wszystkich zliczeń,
zarejestrowanych przez kamerę w kwadratowym obszarze o boku a.
Im więcej elementów liczy macierz w pamięci komputera, tym lepiej zostanie
zachowana rozdzielczość w obrazie rozkładu aktywności. Z drugiej jednak
strony, zliczenia w każdym elemencie obrazu cyfrowego sa nierozłącznie
związane z szumem statystycznym
Przetwarzanie danych
Przetwarzanie zarejestrowanych obrazów scyntygraficznych jest postępowaniem
opartym na przesłankach teoretycznych i/lub doświadczalnych, służącym
uzyskiwaniu obrazów komputerowych maksymalnie zbliżonych do
rzeczywistego rozkładu radioaktywności w obrazowanym narządzie.
Czynność ta praktycznie ogranicza się do filtrowania danych.
Najpopularniejsza klasa filtrów:
1.
filtry gładzące – poprawiają stosunek sygnału do szumu
2.
filtry wyostrzające – nastawione na odzyskanie strat rozdzielczości poniesionych
podczas rejestracji. Filtry te wzmacniają określone pasmo niskich częstotliwości
przestrzennych, składających się na obraz.
Dalszym (lub niezależnym) etapem przetwarzania obrazów komputerowych może
być postępowanie służące uzyskaniu liczbowej informacji o rozkładzie zliczeń w
poszczególnych obszarach obrazów. Komputer pozwala na naniesienie regionu
(ów) zainteresowania ROI na obraz i odczytanie całkowitej, średniej, maksymalnej i
minimalnej liczby zliczeń w każdym regionie.
Jest to szczególnie użyteczne w badaniach dynamicznych- krzywe rozkładu
aktywności w funkcji czasu pozwalają na liczbową ocenę zmian radioaktywności w
wybranym regionie ciała lub narządu.
Technika SPECT
Scyntygrafia planarna nie jest techniką zadowalającą w określaniu miejsca,
rozległości i stopnia uszkodzenia tkanki. Wynika to z dwuwymiarowej prezentacji
trójwymiarowych obiektów.
Tomografia emisyjna pojedynczych fotonów służy do tworzenia - przy pomocy
komputera-
dowolnych przekrojów trójwymiarowego rozkładu radioaktywności w
badanych narządach. Technikę tomograficzną rozwinięto celem ograniczenia efektu
nakładania się struktur i poprawienia kontrastu w obrazie.
Parametry jakości obrazów scyntygraficznych
Kontrast
– jest miarą różnicy pomiędzy zliczeniami zarejestrowanymi w obszarach
przylegających do siebie struktur. Wysoki kontrast w obrazie zapewnia lepszą
ocenę rozkładu radioaktywności i prowadzi do bardziej jednoznacznych wyników
badania.
Kontrast w obrazie zależy przede wszystkim od kontrastu w obrazowanym
obiekcie, który opisuje różnicę w stężeniu radioznacznika w przylegających
strukturach w ciele pacjenta. W uproszczeniu: im wyższy kontrast struktury o
podwyższonej lub obniżonej radioaktywności, która chcemy uwidocznić, tym
wyższy jest kontrast w obrazie obiektu.
Rozdzielczość
-
Czynnikiem decydującym o tym, jak „ostro” badany obiekt może zostać
zobrazowany jest geometryczna rozdzielczość kamery scyntylacyjnej z
kolimatorem. Niedoskonałość rozdzielczości najjaskrawiej objawia się przy
obrazowaniu żródła punktowego; jego obraz scyntygraficzny nie jest punktem, ale
rozmytą plamką. Przekrój przez ten obraz ma kształt krzywej dzwonowej z
maksimum odpowiadającym zliczeniom w środku plamki. W przypadku dużych
obiektów ujemny wpływ niedoskonałej rozdzielczości gamma-kamery powoduje
rozmycie brzegów obiektu. W przypadku małych – istotne obniżenie kontrastu w
obrazie z powodu rozmywania się zliczeń na większą powierzchnię.