Detektorer för strålningsmätning

Transkript

1 Detektorer för strålningsmätning Vad mäter man? Strålningsfysikaliska mått Aktivitet (Bq) Aktivitet per areaenhet (Bq/cm 2 ) Absorberad dos ( Gy) Effektiv dos ( Sv) Dosrat ( Sv/h)

2 Vad mäter man: Absorberad dos Utsätts man för strålning kan man tala om den energi som utvecklas när strålningen absorberas i kroppen: Absorberad dos = absorberad energi per massenhet (J/kg) Istället för J/kg används Gy (Gray) Ofta används uttrycken stråldos och dos

3 Vad mäter man: Ekvivalent och Effektiv dos Olika typer av strålning kan ha olika skadeverkan på levande celler jämfört med den energi som överförs. Därför har man infört en korrektion för detta när man talar om risken med joniserande strålning. Efter denna korrektion kallar vi det EKVIVALENT DOS. Viktat för olika biologisk skadeverkan. Enhet Sievert (Sv) Då en Sv är ett ganska stort mått används ofta millisievert (msv) Den absorberade dosen av alfastrålning och neutronstrålning är här kraftigt uppräknad genom multiplikation med en viktfaktor på 20. För beta- gammaoch röntgenstrålning gäller att den ekvivalenta dosen = den absorberade dosen. Vi talar även om EFFEKTIV DOS, vilken är viktad för olika organs känslighet (enhet Sv).

4 Dosnivåer Nuklearmedicinsk undersökning 1-10 msv Dödlig dos msv

5 Dosnivåer Nuklearmedicinsk undersökning 1-10 msv Dödlig dos msv

6 Aktivitetsmätare - Doskalibrator Används för att bestämma aktiviteten i ampuller, sprutor etc. Gasdetektor formad som en cylinder. Ger en ström som mäts (i ampere). Strömmen räknas om till Bq (radionukliden måste specificeras) Mätområde från ca 100 kbq till 100 GBq.

7 Aktivitetsmätare - Doskalibrator

8 Kontaminationsinstrument Används för att kontrollera arbetsytor, kläder mm. * Visar pulser/s. Kan omvandlas till Bq/cm 2 GM rör eller liknande gasdetektor Ska inte användas för att uppskatta dosrat!!

9 Geiger-Muller-rör

10 Persondosimetrar (EPD) Kalibrerad för att visa effektiv dos

11 Dosratsinstrument (gammastrålning) Ofta ett GM-rör Jonisation i en gas. Det blir en elektrisk puls (av foton som växelverkat) - knäpp i högtalare - instrumentet räknar pulser per tidsenhet - skalan (visare eller digitalt) graderas i mgy/h - vissa instrument kan summera under en viss tid: ger dos (mgy).

12 Gammaräknare Används för att mäta aktiviteten i små prover (blodprov etc) med låg aktivitet (< 10 kbq). Scintillationsdetektor (NaI-kristall). Ger en ljuspuls för varje foton som växelverkar. Ljuspulsen omvandlas till strömpuls i ett PM-rör. - Pulsernas storlek beror av fotonenergin (ett energispektrum kan erhållas) - Med ett energifönster kan man selektera pulser (som ska räknas) - Antalet pulser under en viss tid bestäms. Anges ofta som cpm (kan räknas om till Bq). Många prover kan mätas automatiskt i en följd ( gammaprovväxlare).

13 Scintillation

14 Scintillation

15 Gammaräknare

16 Betaräknare - Vätskescintillationsdetektor Används för att mäta aktiviteten av betastrålare (utan fotoner) i små prover (blodprov etc) med låg aktivitet (< 10 kbq). Speciellt för H-3, C-14 och P-32. Provet löses upp i en scintillatorlösning. PM-rör registrerar ljuset (som i en NaI-kristall) Som för gammaräknare bestäms cpm Provväxlare för mätning av många prover.

17 Gammakamerans uppbyggnad PHA PM-rör NaI-kristall Kollimator Positioneringskrets Koordinaten för varje -fotons vxv bestäms av PM-rörens signaler X Y Z

18 Gammakameradetektor PM-rör

19 Gammakameran Används för att - göra en bild av radionuklidfördelningen i kroppen - bestämma mängden (aktiviteten) av radionukliden i en viss region (organ, tumör) Stor NaI kristall Många PM-rör (för att bestämma positionen x och y) Kollimator Pulshöjdsanalysator med energifönster Dator för a) behandling av bilder b) lagring av bilder

20 Gammakameran Pulshöjdsanalysator med energifönster

21 Bild av radionuklidfördelning X Y Z Många minuters insamlingstid för att få tillräckligt med pulser per pixel (per cm 2 ).

22 Hur alstras en bild? Vinkelrätt infallande fotoner kan passera genom kollimatorhålen Fotonerna växelverkar i kristallen PM rören ger en x och y koordinat för händelsen (och energiinnehåll) Godkända händelser (rätt energi) ger en puls som lagras i ett minne. Många tusen händelser (counts) samlas in en bildmatris Innehållet i bildmatrisen kan kodas till grå- eller färgskalor för visning på en skärm Grå- eller färgskalan kan ändras kontinuerligt ( rattas ) för att underlätta bedömningen av bilden Antalet counts i olika pixel kan avläsas

23 QuickTime och en TIFF (okomprimerat ) - dekompr imerare krävs f ör at t kunna se bilden. Kollimatorns uppbyggnad Hållängd 40 mm Septum tjocklek mm Hålstorlek 2-5 mm Skalenligt

24 Kollimatorns egenskaper Förstoring - hur stor blir bilden i kristallen? Känslighet - hur stor andel av utsända fotoner passerar genom hålen? Upplösning (geometrisk) - hur bred blir linjen i kristallen?

25 C C D Upplösning som funktion av avståndet 25 Upplösning (mm) Hållängd 40 mm b = 5 mm 20 a = 4 mm a= 2 mm Avstånd (cm)

26 Spatsiell Upplösning- FWHM

27 Lågenergikollimatorer Kollimator Effektivitet FWHM på 10 cm Högupplösande HR 1, ,4 General purpose GP 2, ,0 Högkänslig HS 5, ,2

28 Standardkollimatorer Parallellhåls Septumtjocklek Lågenergi < 150 kev ca 0,3 mm Medelenergi kev ca 1 mm Högenergi kev ca 5 mm

29 Härledning av egenskaper hos pinhålskollimatorn L Förstoring: f= L/Z Z Effektivitet: G= a 2 cos 3 / 16 Z 2

30 Scanningkollimator Divergerande i en riktning

31 Allmänna insamlingsparametrar Matrisstorlek: I regel 64x64, 128x128, 256x256 eller 512x512 Grundregel: pixelstorlek < 1/3 FWHM. Energifönster: Peak värde och bredd anges. T ex peak 140 kev, fönsterbredd 15 % Flera energier hos en radionuklid T ex 111 In: 172 och 247 kev 2 bilder eller direkt en summa-bild kev Bild 1 Bild 2 Två radionuklider 2 bilder

32 Insamlingstid Statisk-planar: Tid för en bild eller counts/bild Scanning: Scanninglängd och scanninghastighet Ex 2m, 10 min/m Dynamisk studie: Antal bilder, tid per bild (fler faser kan definieras) Ex. Fas 1: 30 bilder a 10s Fas 2: 20 bilder a 30s Tomografi: Antal projektioner, tid per projektion, del av varv (360 eller 180 ) Ex: 128 projektioner, 15s/projektion, 360

33 Flerhuvudsystem Två detektorer Scanning Helkropps-SPECT Hjärt-SPECT (90 rotation)

34 Flerhuvudsystem Tre detektorer SPECT av helkropp

35 Egenskaper hos en gammakamera Fysikaliska/tekniska prestanda Antal detektorhuvuden Synfält Känslighet Geometrisk upplösning Energiupplösning Uniformitet

36 Forts. egenskaper hos gammakameran Handhavande Inställning av avstånd, vinklar osv Britsens utformning Programvara etc

37 Kollimatorer Parallellhåls (avbildar i skala 1:1) Lågenergi < 150 kev ca 0,3 mm Medelenergi kev ca 1 mm Högenergi kev ca 5 mm Lågenergi finns i olika varianter (olika stora hål, hållängd 40 mm) Relativ känslighet Relativ upplösning (FWHM) Högupplösande HR 0,5 0,7 General purpose GP 1 1 Högkänslig HS 2 1,4 Andra kollimatorer: Pinhole förstorar, ger bra upplösning och känslighet för små avstånd och små organ Konvergerande förstorar lite grand Fan-beam förstorar vid SPECT

38 Ny Teknik Gammakamera: Multipla fokuserade detektorer

41 Ny Teknik Gammakamera: Fokuserade detektorer

42 Kombinerad röntgen och gammakamera Fusion av CT och SPECT bild Hybridkamera SPECT/CT generation I. Röntgenrör monterat på gammakameran

43 Hybridkameror SPECT/CT - generation II Diagnostisk CT

44 Fusion av SPECT och CT bild Kombinerad röntgen och gammakamera

45 Fusion av CT och SPECT bild

46 Nuklearmedicin Diagnostik. Ny Teknik Gammakamera: Scintillationskristaller/PM-rör -> Halvledardetektorer

47 Teknik Gammakameran: Scint.kristall/PM-rör -> Halvledardetektorer ex CTZ (Cadmium zinc telluride)

48 PET-kamera

49 Postronemitterande radionuklider Helt organiska molekyler märkta med de positronstrålande isotoperna av kol, kväve eller syre kan användas som tracers

50 b+ sönderfall A X Z N A Z 1 Y N 1 e + Nuklid Halveringstid C min N min O sek F min e.g., 18 F 18 O + e

51 Postronemitterande radionuklider Nuclide Half life (min) Positron yield (%) Max energy (MeV) Method of production 11 C cyclotron 13 N cyclotron 18 F cyclotron 15 O cyclotron 82 Rb generator 62 Cu generator 68 Ga generator

52 Cyklotronproducerade PET-isotoper Vanligast: F

53 Generatorproducerade PET-isotoper T ex : Ge-68, Ru

54 Fluorodeoxyglucose F-18 FDG, - Fluorodeoxyglucose är den vanligaste substansen vid PET-undersökningar. - Tillräckligt lång halveringstid för att vara möjlig att transportera. - Hög sensitivitet (dock begränsad specificitet) vid ett stort antal tumörsjukdomar

55 F-18 FDG, en socker-molekyl CH 2 OH CH 2 OH O O OH OH HO OH HO OH OH D Glucose 18 F 2 Fluoro 2 Deoxy D Glucose

56 Vascular Tumor Cell Glycogen 18 FDG K 1 K 2 Glucose transporter protein Hexokinase K 3 K 4 Glucose-6- phosphatase 18 FDG-1-P 18 FDG 18 FDG-6P 18 F-fru-6-P Glycolysis 18 FDG- 6- phosph o- glucono -lactone HMP shunt

57 POSITRON ANNIHILATION ~1-3mm b 511KeV Positron travels 1-3mm (depending on energy) before annihilation. 511KeV b Annihilation process conserves: - Energy (photons are 511KeV). - Momentum (photons are almost exactly colinear). Simultaneous detection of two 511KeV photons --> event along line between detectors. (Line Of Response, LOR )

58 β+ sönderfall A positron having released all its kinetic energy may form a positronium Then an electron and a positron rotate around their center of mass Disintegration e + n e - Positronium Annihilation γ 2 (511 kev) ± 0.5 Colinearity Positron fly over positron range γ 1 (511 kev) Depending on the spin, we characterize para- (spin 1/2) and ortho- (spin 3/2) positronium. In water, around 33% of positron evolve to a positronium, 3/4 will be orthopositronium. The period of disintegration for positronium is around 10-7 s Source : Valk et Al. Eds Positron emission tomography : Basic science and clinical practice

59 PET-kamera PET - Positron emission tomography PET-kameran har hög upplösning jmfrt med gammakameran. Detta är möjligt genom att detektorn är uppbyggd av ett stort antal små detektorelement. 56 Cassettes Assembled to Form Detector Ring

60 Blockdetektorn Blockdetektorn består av en kvadratisk kristall som är försedd med delvis genomsågade springor vilka fylls med ett reflekterande material. På så sätt erhålls t ex 169 detektorelement i varje block. Bakom detektorblocket sätts sedan 4 fotomultiplikatorer och genom att signalens storlek från varje enskild fotomultiplikator vägs samman kan den lokaliseras till ett enskilt detektorelement.

61 Imaging components Detector module 169 crystal elements per detector block PMT 4 x 4 x 20 mm crystals Detector block Channeled scintillation light 4 photomultiplier tubes (PMTs) per detector block

62 PET/CT två system, två modaliteter PET CT

63 Time-of-flight (TOF) Man kan mäta skillnaden i tid för fotonernas ankomst till detektorn och på så sätt förbättra positioneringen av annihilationshändelsen. Metoden kallas time-of-flight (TOF) och finns implementerat i en del PET-system

64 PET/CT

65 Bildtagning Överlapp krävs mellan varje insamlad bedposition då känsligheten är lägre i kanterna Sensitivity/slice [ kcps/kbq/slice ] #1 #2 #3 #4 #5 # AFOV [ cm ]

66 PET kamerans fördelar jfr med gammakameran Ger bättre upplösning än gammakameran, ca 5 mm jfr med ca 10 mm Det finns en bra tumörsökande substans, FDG, där radionukliden, F-18 är en positronstrålare Isotoper av C, N och O finns som positronstrålare men ej som gammastrålare. Helt organiska molekyler kan användas - speciellt viktigt inom forskning. Nackdel: Cyklotron måste finnas i närheten p g a kort halveringstid på F-18, C-11, N-13 och O-15.

67 Halvvärdestjocklek Strålkälla Fotonenergi (kve) HLV Bly (mm) HVL plexiglas (mm) I ,015 1,74 Tl ,26 33 Tc-99m 140 0,27 40 In ,247 0,9 50 I ,22 56 F