Isotoper. Isotoper. 1. Grundläggande (strålnings)( strålnings)-fysik 2. Detektorer & dosimetrar 3. Nuklearmedicin & gammakameran 4.

Transkript

1 Föreläsning BM-utbildning 1:a oktober 2006 Föreläsning BM-utbildning 1:a oktober Grundläggande (strålnings)( strålnings)-fysik 2. Detektorer & dosimetrar 3. Nuklearmedicin & gammakameran 4. SPECT och PET 1. Grundläggande (strålnings)( strålnings)-fysik 2. Detektorer & dosimetrar 3. Nuklearmedicin & gammakameran 4. SPECT och PET Cathrine Jonsson, PhD., Sjukhusfysiker vdelning för Nuklearmedicin, VO Sjukhusfysik Karolinska Universitetssjukhuset, Solna Cathrine Jonsson, PhD., Sjukhusfysiker vdelning för Nuklearmedicin, VO Sjukhusfysik Karolinska Universitetssjukhuset, Solna Grundläggande kärnfysikk Grundläggande kärnfysikk Varje grundämne har sin speciella beteckning: Exempel: Väte Masstalet, =Z+N Z X N grundämnets kemiska beteckning Masstalet, =1 1 H 1 0 vätes kemiska beteckning, H tomnumret, Z=antalet protoner ntalet neutroner, N ntalet protoner=1 ntalet neutroner=0 Isotoper - Z (antalet protoner) bestämmer vilket grundämne atomen tillhör - Z och N (antalet protoner och neutroner) karakteriserar hela atomkärnan och dess egenskaper - Nuklider som har samma Z men olika kallas ISOTOPER Exempel på isotoper: Väte (stabil) Isotoper 1 H H 1 2 Tritium (radioaktiv) samma grundämne men olika ISOTOPER av grundämnet det är alltså antalet neutroner som bestämmer vilken isotop av grundämnet som det är fråga om 1

2 Radioaktiva isotoper - radionuklider Radioaktivt sönderfall Vissa isotoper är stabila andra instabila, dvs radioaktiva! Varför är vissa radioaktiva? Vilka krafter är verksamma? Instabila atomkärnor gör sig av med överskottsenergi genom att sända ut en eller flera partiklar från kärnan Dessa atomkärnor kallas radioaktiva isotoper, radioaktiva nuklider eller radionuklider Radioaktiva nuklider Partiklarna som sänds ut vid sönderfallet kan jonisera materialet, dvs joniserande strålning sänds ut från de radioaktiva nukliderna Radioaktivt sönderfall Sönderfallet innebär en kärnomvandling, dvs en förändring i antalet protoner och neutroner Den utsända strålningen (typ av partiklar/ gammastrålning och vilka energier) är unikt för varje radionuklid Olika typer av radioaktiva sönderfall FÖRE lfa-sönderfall EFTER lfa-sönderfall (α) Beta-sönderfall (beta+ och beta-) (β) Z X N -4 Z-2 Y N-2 α Elektroninfångning (EC) 4 α-partikeln är en Heliumkärna ( 2 He 2 )! 2

3 Negativt beta-sönderfall Positivt beta-sönderfall FÖRE EFTER FÖRE EFTER Z X N Z+1 Y N-1 β Z X N Z-1 Y N+1 β + β -partikeln är en elektron! β + -partikeln är en positivt laddad elektron, dvs en positron! processen konkurrerar med elektroninfångning Elektroninfångning Gammastrålning i samband med radioaktivt sönderfall FÖRE Z X N Z-1 EFTER Y N+1 Efter sönderfallet kan kärnan fortfarande ha överskottsenergi kvar. Denna energi kan kärnan göra sig av med genom att sända ut gammastrålning! Det är denna gammastrålning som man utnyttjar i gammakameran! processen konkurrerar med positivt beta-sönderfall ktivitet ntalet sönderfallande radioaktiva atomkärnor per tidsenhet = KTIVITET Enhet: Becquerel, [Bq] 1Bq = 1 sönderfall per sekund = 1 s -1 Dvs. en strålkälla med aktiviteten 1 Bq innebär att vi i medeltal har 1 sönderfall per sekund! ktivitet Medelaktiviteten, t, som funktion av tiden, t, kan uttryckas som: t = o e -ln2 t T 1/2 där o är radioaktiviteten vid tiden t=0, T 1/2 är den fysikaliska halveringstiden, t är tiden och ln2 är en konstant =

4 Fysikalisk halveringstid Den tid det tar för aktiviteten att minska till hälften kallas för fysikalisk halveringstid. Den fysikaliska halveringstiden berättar vilken radionuklid det är T ½ fysikalisk ctivity (%) F 99m Tc Time (hours) Biologisk halveringstid När radionuklider administreras till patienter vid nuklearmedicinska undersökningar måste man även ta hänsyn till att radionukliden utsöndras ur kroppen med viss hastighet. Den biologiska halveringstiden tar hänsyn till detta: Effektiv halveringstid För att beräkna den stråldos patienten får vid en viss undersökning använder man den effektivahalveringstiden. Den effektiva halveringstiden tar hänsyn till både den fysikaliska och den biologiska halveringstiden. T ½ biologisk 1 T 1/2 effektiv = T 1/2 fysikalisk T 1/2 biologisk Sambandet lyder: Räkneövning Växelverkan laddade partiklar Främst kollisioner med elektroner i materialet, partiklarna förlorar energi vid varje kollision och bromsas upp. För elektroner kan man även få bromsstrålning! Speciellt vid höga energier och med material med högt atomnummer (jmf röntgenröret). För positroner inträffar att de förintas när de träffar på en elektron i materialet och man får annihilationsstrålning (2 st 511 kev motriktade fotoner). Dessa fotoner utnyttjas i PET-kameran! 4

5 Växelverkan fotoner Fotoelektrisk effekt Radioaktiva nuklider används flitigt inom medicinen för både diagnostik och terapi Comptonspridning Parbildning Radioaktiva nuklider används inom medicinen för diagnostik vill man ha radionuklider som sänder ut gammastrålning som har passande energi för gammakameran och så lite andra partiklar som möjligt eftersom de inte kommer ut ur patienten utan bara bidrar till stråldosen! för terapi vill man ha radionuklider som sänder ut tex elektroner eller i vissa fall alfa-partiklar som har kort räckvidd och ger en stråldos lokalt i tex en tumör Föreläsning BM-utbildning 1:a oktober Grundläggande (strålnings)( strålnings)-fysik 2. Detektorer & dosimetrar 3. Nuklearmedicin & gammakameran 4. SPECT och PET Cathrine Jonsson, PhD., Sjukhusfysiker vdelning för Nuklearmedicin, VO Sjukhusfysik Karolinska Universitetssjukhuset, Solna Detektorer & dosimetrar Detektorer: Gasdetektorer Halvledardetektorer Scintillationsdetektorer Dosimetrar: TLD Film Detektorer & dosimetrar Detektionsprinciper: Räkning av elektroner Räkning av ljusfotoner Räkning av antalet förändrade kemiska tillstånd 5

6 Gasdetektorer Gasdetektorer Joniserande strålning frigör laddningar i en gasvolym. Man mäter antalet laddningar, som är proportionell mot stråldosen. Ex. jonkammare: mäta dos och dosrat Elektron Positiv jon + - Elektrometer 1234 HV GM-rör: strålskyddsinstrument TYP EGENSKPER NVÄNDNINGSOMRÅDEN HV γ, β Jonisationskammare låg känslighet, hög noggrannhet aktivitetsmätning, monitorering γ, β Proportionalräknare intermediär känslighet monitorering β GM-rör hög känslighet.(β), kontamineringsmätn. låg känslighet (γ), låg noggrannhet dosimeter om kalibrerad Halvledardetektorer Leder ström proportionellt mot stråldosen - mätning av dos och dosrat - för persondosimetri (aktiv/passiv) detektormaterial joniserande strålning Scintillationsdetektor signal Joniserande strålning exciterar och joniserar detektormaterialet, dvs scintillationskristallen Ljus sänds ut. Ljusets intensitet är proportionell mot energin på den strålning som absorberats. Ett ofta förekommande material är NaI(Tl), som finns i gammakameran Scintillationsdetektor TLD (Termoluminiscensdosimetrar) - används i gammakameran - används för spektrometri, dvs bestämma energi hos strålningen - som strålskyddsinstrument Joniserande strålning ger excitation och jonisation i TLD-materialet (ex LiF, CaSO4). Deexcitationselektronerna fångas av TLD, frisläpps vid värmning och stråldosen är proportionell mot ljuset som sänds ut. - för persondosimetri (passiv) film TLD 6

7 Filmdosimetrar Persondosimetrar På filmen finns fotografisk emulsion som förändras av joniserande strålning. Filmens svärtningen efter framkallning är proportionell mot stråldosen. - persondosimetri (passiv) För personal som arbetar med joniserande strålning t ex inom sjukvården, kärnkraftsindustrin etc. Det finns passiva och aktiva persondosimetrar: passiv visar stråldos när mätningen är över aktiv visar kontinuerligt erhållen dos och/eller aktuell dosrat Föreläsning BM-utbildning 1:a oktober Grundläggande (strålnings)( strålnings)-fysik 2. Detektorer & dosimetrar 3. Nuklearmedicin & gammakameran 4. SPECT och PET Cathrine Jonsson, PhD., Sjukhusfysiker vdelning för Nuklearmedicin, VO Sjukhusfysik Karolinska Universitetssjukhuset, Solna /Cathrine Jonsson, Nuklearmedicin, KS Nuklearmedicin Radioaktivt märkta spårsubstanser radiofarmaka (radioaktivt läkemedel) Medicinsk specialitet där man studerar fysiologiska funktioner och biokemiska processer i kroppen Diagnostiska metoder som baseras på strålningsmätning från sönderfall av radioaktiva nuklider: ISOTOPDIGNOSTIK numera vanligast NUKLERMEDICIN Radioaktivt märkta spårsubstanser - radiofarmaka Injektion inhalation oralt Upptag Registrering med gammakamera (eller PET-kamera) (detektera, lokalisera och avbilda upptag, distribution och utsöndring) Bildbearbetning, presentation och analys Hur radionukliden tas upp och utsöndras beror på hur den är kemiskt bunden Radionukliden kopplas till ett spårämne via en kemisk preparation eller inmärkning => radiofarmaka (radioaktivt läkemedel) - Spårämnet bestämmer hur det radioaktiva läkemedlet fördelar sig i kroppen - Radionukliden sänder ut fotoner som detekteras i gammakameran Med hjälp av gammakameran kan man detektera och visualisera fördelningen av det radioaktiva läkemedlet, olika spårämnen används alltså för att studera olika organ och vävnader. 7

8 Radionuklider - önskvärda egenskaper 99m Tc halveringstid timmar fotoner i energiintervallet kev minimal emission av andra partiklar stabila kemiska bindningar enkla kemiska inmärkningsprocedurer gammastrålare lämplig energi (140 kev) kort halveringstid (6 timmar) bra kemiska egenskaper lättillgänglig (via generator) relativt billig Framställning av 99m Tc Kromatografisk generator I en kärnreaktor: n n 98 n Mo 43 n n n n n Eluent = NaCl 0,9 % Moder/dotter nuklid= 99 Mo/ 99m Tc Kolonnmaterial=aluminiumoxid I en generator: m Mo Tc Filter Eluat = Natriumperteknetat-NaTcO 4 Sjukhusen använder 99mTc generatorer ur vilka aktivitet kan erhållas många gånger Exempel på övriga radionuklider inom NM Nuklearmedicin Radionuklid T 1/2 Fotonenergi 111 In 68h 171, I 13h Xe 5 d I 8 d P 14 d 89 Sr (min) (kev) för terapi (intern strålterapi) - Becquerel upptäckte den naturliga radioaktiviteten Redan under 1930-talet inleddes försöken att använda radioaktiva jod- och fosforisotoper för medicinsk diagnostik och terapi -GMMKMERN (NGERKMERN) (nger H O, 1958) Medförde förbättrad diagnostik pga att man kunde undersöka större område (snabbare undersökningstid) och med bättre bildkvalitet Gammakameran är den vanligaste bildgivande utrustningen på en nuklearmedicinsk avdelning 8

9 Biad XLT Gammakameran schematiskt Signals x, y and z PH unit Pre-amplifiers PM-tubes Light pipe NaI(Tl) crystal Collimator Kollimatorn Kollimatorer För att kunna bestämma varifrån fotonen emitterats krävs någon form av kollimering. Kollimatorn tillåter endast fotoner från en given bestämd riktning att nå detektorn. Olika kollimatorer för olika fotonenergier tjockare väggar för högre energier lltid en avvägning mellan hög spatiell upplösning och känslighet! Högre spatiell upplösning (längre och tunnare hål) => lägre känslighet och vice versa För att effektivt absorbera fotoner är kollimatorer gjorda av material med högt atomnummer, tex. Bly (Pb) eller Wolfram (W) Kollimator Scintillationskristallen Olika typer: Parallellhålskollimator Pinhål Konvergerande Divergerande Fan-beam Slant-hole - Högt atomnummer för att absorbera fotonerna. För 140 kev fotoner - en 1/2" tjock kristall ger ca 90% detekteringseffektivitet i fototoppen - Tjockare kristall ger högre känslighet men osäkerheten om var i kristallen växelverkansprocessen inträffade ökar => degraderad spatiell upplösning - Skall vara transparent för det utsända ljuset - Vanligaste scintillationskristallen i gammakameror: NaI(Tl) EMERLD Consortium 9

10 PM-rör (fotomultiplikator) Inuti ett PM-rör - PM-rörens uppgift är att konvertera ljuset (som sänds ut från kristallen) till elektriska pulser - På scintillationskristallens baksida sitter tätt packat ett stort antal PM-rör (ofta ca st) Positionering Positionering De elektriska pulserna från PM-rören viktas samman och positionen (x,y) där fotonen absorberades i kristallen kan beräknas Energin y+ Signalens intensitet är proportionell mot den totala mängden ljus som sändes ut mängden ljus är proportionell mot den energi som absorberades i kristallen Signalens intensitet är proportionell mot den absorberade fotonens energi! vi kan alltså erhålla både positionen I kristallen där fotonen absorberades men även dess energi (energispektra) z = x + + x + y + + y Positionen x- x = k(x + x )/z y = k(y + y )/z y- x+ Energifönstret Energifönstret EMERLD Consortium 10

11 y + x- x+ Gammakameran schematiskt y- Signals x, y and z PH unit Pre-amplifiers PM-tubes Light pipe NaI(Tl) crystal Collimator Gammakameran - egenskaper Spatiell upplösning Spatiell upplösning Spatiell upplösning beskriver förmågan att separera två punktkällor (jmf bildskärpa) Känslighet Energiupplösning Bästa upplösningen erhålls när avståndet mellan kollimator och patient minimeras! Spatiell upplösning vs avstånd från kollimatorn Känslighet 45 cm 35 cm 25 cm Definieras som antalet counts per sekund som kameran kan registrera för varje enhet aktivitet den ser Beror på kollimatorna känslighet, kristallens känslighet samt energifönstrets bredd 15 cm 6 cm 0 cm ju fler fotoner som registreras ju mindre mindre brus! C Jonsson 11

12 Energiupplösning Känslighet - insamlingstid 5s 15s 45s 135s Energiupplösning precisionen med vilken detektorn kan bestämma energin på den detekterade fotonen Bra energiupplösning gör att man effektivare kan utesluta spridda fotoner! 405s 1215s 3645s C Jonsson Olika typer av avbildning Ex. gammakameror PLNR VBILDNING Regional avbildning Statiska undersökning en frusen ögonblicksbild av ett funktionellt förlopp (morfologi, storlek, aktivitet, fördelning) Dynamiska undersökning att följa ett funtionellt förlopp i tiden Helkroppsavbildning För att kartlägga normalupptag och/eller spridd (ej lokaliserad) process TOMOGRFI SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) ktivitetsfördelningen I 3D, visualiserad som volumer eller snitt (sektioner) Olika typer av avbildning Vad mäter vi i planara bilder? statisk avbildning dynamisk avbildning helkroppsavbildning SPECT tomografi 12

13 Kliniska exempel Lungundersökningar Planar avbildning Lungundersökningar Skelettscintigrafi Perfusion KTIVITET skelettaktivitet Ventilation mjukdelsaktivitet TID Lämplig tid för undersökning Exempel på statisk avbildning! Skelettscintigrafi normalt upptag Skelettscintigrafi Sternum Njurar & blåsa. Sacroiliacaleder Symmetriskt upptag i leder. Tillväxtzoner Exempel på helkroppsavbildning! 13

14 Skelettscintigrafi Skelettscintigrafi Skelettscintigrafi Skelettscintigrafi Njurundersökningar Njurundersökningar Rita in regioner (ROI s) över njurarna pplicera regionerna på hela bildserien Tid En serie bilder tagna bakifrån över njurarna Exempel på dynamisk avbildning! 14

15 Parthyreoidea Sentinel node teknik Sentinel node, Sv. Portvaktskörteln Syftet med undersökningen är att lokalisera den första lymfkörtel som dränerar en tumör (sentinel=portvakt) Bild framifrån Detta för att med större säkerhet kunna säga om det finns tumörspridning, anpassa behandling samt minska lidande i form av lymfödem etc. Exempel på statisk avbildning! Sentinel node teknik Bild framifrån Bild från vänster sida Exempel på statisk avbildning! 15