1 Wybrane techniczne aspekty diagnostyki radioizotopowejZakład Medycyny Nuklearnej Akademii Medycznej w Warszawie Wybrane techniczne aspekty diagnostyki radioizotopowej
2 ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY
3 Definicja rozpadu promieniotwórczegoROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Definicja rozpadu promieniotwórczego „ ... samorzutna przemiana jąder atomowych, której towarzyszy emisja promieniowania jądrowego. R.p. mogą ulegać jądra niektórych nukildów występujących w przyrodzie w warunkach naturalnych oraz jądra nuklidów wytworzonych sztucznie w reakcjach jądrowych. R.p. danego jądra jest procesem losowym, toteż do r.p. stosuje się opis statystyczny. ” ENCYKLOPEDIA POWSZECHNA PWN
4 Właściwości różnego rodzaju promieniowaniaROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Właściwości różnego rodzaju promieniowania g energia: 10 keV ÷ 10 MeV zasięg: 10 cm - woda 10 m - powietrze a +2 b -1 energia: 0,3 ÷ 9 MeV zasięg: 0,05 mm - woda 10 cm - powietrze energia: 0,10 ÷ 3 MeV zasięg: 1 mm - woda 1 m - powietrze cząstka promieniująca w osłonie
5 Powody stosowania w scyntygrafii promieniowania gammaROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Powody stosowania w scyntygrafii promieniowania gamma Wystarczająco duży zasięg. Zakres energii nie powodujących nadmiernego uszkodzenia tkanek. Niewielkie aktywności stosowane w celach diagnostycznych. Prostoliniowy tor kwantu w ziemskim polu magnetycznym.
6 Cechy rozpadu promieniotwórczegoROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Cechy rozpadu promieniotwórczego Przemiana jądra izotopu ma charakter przypadkowy i nie podlega działaniu żadnych znanych czynników zewnętrznych. Na akt rozpadu dowolnego jądra izotopu nie mają wpływu rozpady innych jąder. Produkty rozpadu mogą opuścić jądro izotopu w przypadkowym kierunku.
7 Ilustracja losowości przemian jądrowychROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Ilustracja losowości przemian jądrowych 99mTc x sec/frame
8 Rozkład statystyczny Poisson'aROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Rozkład statystyczny Poisson'a prawdopodobieństwo, że w jednostce czasu nastąpi k rozpadów, średnia częstość rozpadów, odchylenie standardowe będące miarą rozproszenia liczby rozpadów w kolejnych przedziałach czasu. P(k) A s
9 Rozkład Poisson'a dla różnych średnich częstości rozpadówROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Rozkład Poisson'a dla różnych średnich częstości rozpadów P(k) k 0,5 5 10 A = 0,5 A = 1 A = 2,5 A = 5
10 Zakres rzeczywistych wartościROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Zakres rzeczywistych wartości częstości rozpadów k P(k) A 3s Dla rozkładu Poisson'a miara błędu względnego
11 Przykładowe kolejne wyniki pomiaru liczby rozpadów w jednostce czasuROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Przykładowe kolejne wyniki pomiaru liczby rozpadów w jednostce czasu 1 10 30 100 300 1000 3000 10000 30000 100000 300000 N D 16 52 95 164 520 949 1643 2 14 70 248 2836 905 9700 29480 99051 298357 997000 min 5 20 46 130 352 1095 3164 10300 30520 100949 301643 max N / N 55% 30% 17% 9,5% 5,5% 3,0% 1,7% 0,9% 0,5% 0,3% Miernik liczby rozpadów N
12 Prawo rozpadu promieniotwórczegoROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Prawo rozpadu promieniotwórczego W każdej chwili czasu obserwowana średnia częstość rozpadów danego izotopu jest wprost proporcjonalna do liczby jego jąder. liczba jąder po czasie t, liczba jąder w chwili początkowej t = 0, stała zaniku (rozpadu). N(t) No l
13 Czas połowicznego rozpaduROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Czas połowicznego rozpadu N(t) t T 1/2 2T 3T N o 2 4 Czas połowicznego rozpadu zależy jedynie od rodzaju pierwiastka chemicznego izotopu promieniotwórczego.
14 ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZYJednostka aktywności przemiany jądrowej wg. międzynarodowego układu miar SI 1 Bq = 1 rozpad w czasie 1 sekundy 1 kBq = 10 1 sec 3 1 MBq = 6 1 GBq = 9 1 mCi = 37 MBq 27,03 Ci m 1 MBq =
15 Cechy liczbowe wskaźników radioizotopowych używanych ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Cechy liczbowe wskaźników radioizotopowych używanych w diagnostyce obrazowej Zakres energii kwantów gamma: 40 ÷ 600keV. Wartość energii kwantów zależy wyłącznie od rodzaj izotopu użytego we wskaźniku . Zakres aktywności: 1MBq ÷ 1GBq. Wartość aktywności zależy od ilość atomów izotopu podanych pacjentowi we wskaźniku i od stałej przemiany użytego izotopu.
16 PROCES FIZJOLOGICZNY W SCYNTYGRAFII
17 Idea diagnostyki radioizotopowejPROCES FIZJOLOGICZNY PROCES FIZJOLOGICZNY Idea diagnostyki radioizotopowej Proces fizjologiczny Wskaźnik izotopowy Tkanka, narząd, ustrój Proces fizjologiczny farmaceutyk, substancja biologiczna, medium życiowe. Specyficzne dla procesu: Izotop Proces fizjologiczny
18 Idea diagnostyki radioizotopowejPROCES FIZJOLOGICZNY PROCES FIZJOLOGICZNY Idea diagnostyki radioizotopowej Proces fizjologiczny Rozkład przestrzenno-czasowy stężenia wskaźnika radioizotopowego c(x,y,z,t) Wskaźnik izotopowy o aktywności AD
19 Technika emisji pojedynczego fotonu - SPE (Single Photon Emission)TECHNICZNE RODZAJE BADAŃ TECHNICZNE RODZAJE BADAŃ Technika emisji pojedynczego fotonu - SPE (Single Photon Emission) g 40÷550keV g 40÷550keV przypadkowy Czynność ustrojowa - mechanizm transportu do punktu (X,Y, Z) kierunek emisji kwantu atomy cząsteczki / kompleksu niestabilny atom izotopu promieniotwórczego g 40÷550keV
20 O przestrzenno-czasowym rozkładzie ilości wskaźnika radioizotopowegoPROCES FIZJOLOGICZNY PROCES FIZJOLOGICZNY O przestrzenno-czasowym rozkładzie ilości wskaźnika radioizotopowego Przemiana chemiczna (biochemiczna) pojedynczej molekuły następuje skokowo. W wybranej objętości ustroju istnieje jednak na tyle duża liczba molekuł wskaźnika, że w skali makro przemiany te są widoczne jako proces ciągły w czasie. Rozkład przestrzenno-czasowy ilości wskaźnika jest zależny od użytego wskaźnika i przebiegu procesu ustrojowego, z którym związany jest wskaźnik. Diagnostyka radioizotopowa może badać zarówno zmiany rozkładu wskaźnika w ustroju w czasie (dynamika procesu), jak i ustalony po pewnym czasie jego rozkład (wynik procesu).
21 Cele obrazowej scyntygrafii diagnostycznejPROCES FIZJOLOGICZNY PROCES FIZJOLOGICZNY Cele obrazowej scyntygrafii diagnostycznej Graficzne odwzorowanie przebiegu lub wyniku procesu fizjologicznego, postrzeganego jako rozkład przestrzenno-czasowy ilości wskaźnika radioizotopowego w badanej objętości. Odwzorowanie przestrzenne procesu Odwzorowanie czasowe procesu i / lub wynik procesu dynamika procesu
22 DETEKCJA KWANTÓW PROMIENIOWANIA GAMMADETEKCJA PROMIENIOWANIA GAMMA DETEKCJA PROMIENIOWANIA GAMMA DETEKCJA KWANTÓW PROMIENIOWANIA GAMMA
23 Zjawisko scyntylacyjneDETEKCJA PROMIENIOWANIA GAMMA DETEKCJA PROMIENIOWANIA GAMMA Zjawisko scyntylacyjne scyntylator np. kryształ NaJ z domieszką Tl błyski światła elektron wtórny atom absorbujący kwant g kwant promieniowania
24 Detektor scyntylacyjny z fotopowielaczem wzmacniającymDETEKCJA PROMIENIOWANIA GAMMA DETEKCJA PROMIENIOWANIA GAMMA Detektor scyntylacyjny z fotopowielaczem wzmacniającym impuls prądu elektrycznego scyntylator fotokatoda 0 V +100 V +200 V +300 V +400 V +1300 V +1400 V +1500 V anoda zespół elektrod wzmacniających fotoelektrony kwant g fotopowielacz
25 Zakłócające źródła promieniowania - szumDETEKCJA PROMIENIOWANIA GAMMA DETEKCJA PROMIENIOWANIA GAMMA Zakłócające źródła promieniowania - szum detektor osłona badana tkanka otaczająca zanieczyszczenia izotopowe środowiska oraz izotopy skorupy ziemskiej promieniowanie kosmiczne efekt Compton'a
26 Działanie energetycznego dyskryminatora kwantówDETEKCJA PROMIENIOWANIA GAMMA DETEKCJA PROMIENIOWANIA GAMMA Działanie energetycznego dyskryminatora kwantów energia częstość kwantów amplituda prądu częstość impulsów prądu liniowy detektor kwantów okienkowy dyskryminator amplitudy impulsów energia amplituda prądu wyjście dyskryminatora
27 ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNEODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE W SCYNTYGRAFII SPE
28 Odwzorowanie geometryczne ???ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE Odwzorowanie geometryczne ??? tkanki ze wskaźnikiem radioizotopowym detektor
29 Odwzorowanie planarne - kolimacja przez pochłanianieODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE Odwzorowanie planarne - kolimacja przez pochłanianie kolimator tkanki ze wskaźnikiem radioizotopowym detektor
30 Odwzorowanie planarne (rzut prostokątny)ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE Odwzorowanie planarne (rzut prostokątny) płaszczyzna pomiarowa (detektor) z x y V S zbiór tkanek z przestrzennym rozkładem wskaźnika radioizotopowego
31 Konsekwencje rzutowania prostokątnego w scyntygrafiiODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE Konsekwencje rzutowania prostokątnego w scyntygrafii Na płaszczyźnie pomiarowej (detektora) tracona jest informacja o grubości tkanki. Z taką samą częstością emituje kwanty gruba tkanka (duża objętość) o małym stężeniu wskaźnika jak i cienka tkanka (mała objętość) o dużym jego stężeniu.
32 Zjawisko rozproszenia Compton’aODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE Zjawisko rozproszenia Compton’a fotopowielacz kryształ scyntylacyjny kolimator badany narząd tkanka otaczająca cząstki rozpraszające g g E’g < Eg
33 Rola rozproszenia Compton’aODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE Rola rozproszenia Compton’a Jest przyczyną artefaktów w zobrazowaniu. Występuje zawsze i na dowolnej cząstce. Może to być cząstka tkanki, zanieczyszczenia powietrza lub elementu konstrukcyjnego głowicy kamery. Wymaga bardzo starannego ustawienia dolnej wartości energii kanału dyskryminatora. Energia kwantu wtórnego powstałego wskutek rozproszenia jest zawsze mniejsza od energii kwantu pierwotnego. Kwant wtórny może ulegać kolejnym rozproszeniom.
34 TECHNICZNE KRYTERIA KLASYFIKACJI BADAŃ SCYNTYGRAFICZNYCHTECHNICZNE RODZAJE BADAŃ TECHNICZNE RODZAJE BADAŃ TECHNICZNE KRYTERIA KLASYFIKACJI BADAŃ SCYNTYGRAFICZNYCH
35 Rodzaje odwzorowania geometrii rozkładu wskaźnika radioizotopowegoODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE Rodzaje odwzorowania geometrii rozkładu wskaźnika radioizotopowego Planarne - rzut prostokątny Przestrzenne - rekonstruowane
36 Ujęcie z punktu widzenia procesuTECHNICZNE RODZAJE BADAŃ TECHNICZNE RODZAJE BADAŃ Ujęcie z punktu widzenia procesu Przebieg procesu w czasie (tzw. badanie dynamiczne). Ustalony w wyniku procesu rozkład wskaźnika (tzw. badanie statyczne).
37 ELEMENTY KAMERY SCYNTYGRAFICZNEJKAMERA SCYNTYGRAFICZNA KAMERA SCYNTYGRAFICZNA ELEMENTY KAMERY SCYNTYGRAFICZNEJ
38 Różne konfiguracje kamery uniwersalnejKAMERA SCYNTYGRAFICZNA KAMERA SCYNTYGRAFICZNA Różne konfiguracje kamery uniwersalnej do badań typu planar
39 Różne kamery uniwersalneKAMERA SCYNTYGRAFICZNA KAMERA SCYNTYGRAFICZNA Różne kamery uniwersalne