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)
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
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).
Dosnivåer Nuklearmedicinsk undersökning 1-10 msv Dödlig dos 10 000 msv https://sv.wikipedia.org/wiki/sievert
Dosnivåer Nuklearmedicinsk undersökning 1-10 msv Dödlig dos 10 000 msv https://sv.wikipedia.org/wiki/sievert
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.
Aktivitetsmätare - Doskalibrator
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!!
Geiger-Muller-rör
Persondosimetrar (EPD) Kalibrerad för att visa effektiv dos
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).
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).
Scintillation
Scintillation
Gammaräknare
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.
Gammakamerans uppbyggnad PHA PM-rör NaI-kristall Kollimator Positioneringskrets Koordinaten för varje -fotons vxv bestäms av PM-rörens signaler X Y Z
Gammakameradetektor PM-rör
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
Gammakameran Pulshöjdsanalysator med energifönster
Bild av radionuklidfördelning X Y Z 73 98 85 70 Många minuters insamlingstid för att få tillräckligt med pulser per pixel (per cm 2 ).
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
QuickTime och en TIFF (okomprimerat ) - dekompr imerare krävs f ör at t kunna se bilden. Kollimatorns uppbyggnad Hållängd 40 mm Septum tjocklek 0.2-2 mm Hålstorlek 2-5 mm Skalenligt
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?
C C D Upplösning som funktion av avståndet 25 Upplösning (mm) Hållängd 40 mm b = 5 mm 20 a = 4 mm 15 10 a= 2 mm 5 0 0 5 10 Avstånd (cm) 15 20 25
Spatsiell Upplösning- FWHM
Lågenergikollimatorer Kollimator Effektivitet FWHM på 10 cm Högupplösande HR 1,8 10-4 7,4 General purpose GP 2,7 10-4 9,0 Högkänslig HS 5,7 10-4 13,2
Standardkollimatorer Parallellhåls Septumtjocklek Lågenergi < 150 kev ca 0,3 mm Medelenergi 150-300 kev ca 1 mm Högenergi 300-400 kev ca 5 mm
Härledning av egenskaper hos pinhålskollimatorn L Förstoring: f= L/Z Z Effektivitet: G= a 2 cos 3 / 16 Z 2
Scanningkollimator Divergerande i en riktning
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 130-150 kev Bild 1 Bild 2 Två radionuklider 2 bilder
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
Flerhuvudsystem Två detektorer Scanning Helkropps-SPECT Hjärt-SPECT (90 rotation)
Flerhuvudsystem Tre detektorer SPECT av helkropp
Egenskaper hos en gammakamera Fysikaliska/tekniska prestanda Antal detektorhuvuden Synfält Känslighet Geometrisk upplösning Energiupplösning Uniformitet
Forts. egenskaper hos gammakameran Handhavande Inställning av avstånd, vinklar osv Britsens utformning Programvara etc
Kollimatorer Parallellhåls (avbildar i skala 1:1) Lågenergi < 150 kev ca 0,3 mm Medelenergi 150-300 kev ca 1 mm Högenergi 300-400 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
Ny Teknik Gammakamera: Multipla fokuserade detektorer
Ny Teknik Gammakamera: Multipla fokuserade detektorer
Ny Teknik Gammakamera: Multipla fokuserade detektorer
Ny Teknik Gammakamera: Fokuserade detektorer
Kombinerad röntgen och gammakamera Fusion av CT och SPECT bild Hybridkamera SPECT/CT generation I. Röntgenrör monterat på gammakameran
Hybridkameror SPECT/CT - generation II Diagnostisk CT
Fusion av SPECT och CT bild Kombinerad röntgen och gammakamera
Fusion av CT och SPECT bild
Nuklearmedicin Diagnostik. Ny Teknik Gammakamera: Scintillationskristaller/PM-rör -> Halvledardetektorer
Teknik Gammakameran: Scint.kristall/PM-rör -> Halvledardetektorer ex CTZ (Cadmium zinc telluride)
PET-kamera
Postronemitterande radionuklider Helt organiska molekyler märkta med de positronstrålande isotoperna av kol, kväve eller syre kan användas som tracers 2018-10-11 49
b+ sönderfall A X Z N A Z 1 Y N 1 e + Nuklid Halveringstid C-11 20.3 min N-13 10 min O-15 124 sek F-18 110 min e.g., 18 F 18 O + e + + 2018-10-11 50
Postronemitterande radionuklider Nuclide Half life (min) Positron yield (%) Max energy (MeV) Method of production 11 C 20.4 99.0 0.960 cyclotron 13 N 9.96 100.0 1.190 cyclotron 18 F 110 97.0 0.635 cyclotron 15 O 2.04 99.9 1.720 cyclotron 82 Rb 1.27 96.0 3.350 generator 62 Cu79 9.8 98.0 2.930 generator 68 Ga 68.1 90.0 1.900 generator 2018-10-11 51
Cyklotronproducerade PET-isotoper Vanligast: F-18 2018-10-11 52
Generatorproducerade PET-isotoper T ex : Ge-68, Ru-82 2018-10-11 53
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 2018-10-11 54
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 2018-10-11 55
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
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 ) 2018-10-11 57
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. 2018-10-11 58 Source : Valk et Al. Eds Positron emission tomography : Basic science and clinical practice
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
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.
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
PET/CT två system, två modaliteter PET CT
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. 2018-10-11 63
PET/CT
Bildtagning Överlapp krävs mellan varje insamlad bedposition då känsligheten är lägre i kanterna Sensitivity/slice [ kcps/kbq/slice ] 35 30 25 20 15 10 5 0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 AFOV [ cm ]
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.
Halvvärdestjocklek Strålkälla Fotonenergi (kve) HLV Bly (mm) HVL plexiglas (mm) I-123 28 0,015 1,74 Tl-201 80 0,26 33 Tc-99m 140 0,27 40 In-111 175,247 0,9 50 I-131 364 2,22 56 F-18 511 4 70 2018-10-11
2018-10-11 Halvvärdestjocklek
2018-10-11 Halvvärdestjocklek
Nuklearmedicin, Sahlgrenska februari 2008
Nuklearmedicin, Sahlgrenska februari 2008
Lästips - PET Nuklearmedicin Sten Carlsson 2007 http://www.sfnm.se/e-bok-nuklearmedicin/ Cyklotron: sid 25 PET-kameran: sid 77 tom 83 PET - Wikpedia http://en.wikipedia.org/wiki/positron_emission_tomography http://en.wikipedia.org/wiki/pet_scanner 2018-10-11 72