ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 159-163
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 616-71
ГАММА-ЛОКАТОР ДЛЯ РАДИОНУКЛИДНОИ ДИАГНОСТИКИ ОНКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
© 2015 г. А. И. Болоздыня, К. А. Воробьев, Е. И. Евграфова, К. И. Жуков*, В. А. Канцеров, В. В. Сосновцев, Д. Е. Филиппов, А. К. Ягнюкова
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 * Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Россия, 119991, Москва, Ленинский просп., 53 E-mail: yagn.anastasia@gmail.com Поступила в редакцию 12.05.2014 г.
Описан миниатюрный детектор у-квантов на основе сцинтилляционного кристалла ЬаВг3:Се и кремниевого фотоумножителя для использования в ядерной медицине. Эффективность регистрации у-квантов составила 29% для 137С8 (662 кэВ) и 70% для 57Со (122 кэВ). При использовании вольфрамового коллиматора измерены пространственное разрешение (8 мм для 57Со) и угловое разрешение прибора (26° для 57Со).
БО1: 10.7868/80032816215010152
1. ВВЕДЕНИЕ
Гамма-локатор — это миниатюрный детектор у-излучения, предназначенный для использования в ядерной медицине с целью определения в режиме реального времени пространственного распределения радиоактивных фармакологических препаратов в теле человека. Для этого в кровеносную систему пациента вводят фармакологические препараты, активно усваиваемые определенными новообразованиями и содержащие радиоактивные изотопы, излучающие у-кванты, например 99тТе-М1В1 и 99тТе-тетрофосмин [1]. При ручном сканировании тела пациента у-лока-тором скорость счета прибора возрастает по мере приближения детектирующей части к области расположения активного очага и достигает максимума в точке, где расстояние между локатором и очагом минимально (рис. 1).
Методика ручного сканирования миниатюрным у-детектором при радиоизотопной диагностике дополняет томографические исследования с помощью у-камер и позитронно-эмиссионных томографов [2]. В англоязычной научной литературе такие приборы чаще всего называют gamma probe, что в дословном переводе на русский язык означает гамма-зонд [3, 4]. Широко известны у-зонды производства американских компаний Neoprobe и Mammotome, использующие в качестве у-детектора полупроводниковые детекторы на основе CdZnTe [3], и европейского производителя Eurorad (Франция) на основе сцинтилляционного кристалла CsI и кремниевого фотодиода [4]. Конфигурация у-зондов варьируется в зависимости от решаемой задачи.
В данной работе исследованы характеристики у-локатора на основе нового высокоэффективного для у-квантов неорганического сцинтиллятора
Скорость счета
X
Рис. 1. Локализация областей с высокой концентрацией радиофармпрепарата с помощью у-локатора.
160
БОЛОЗДЫНЯ и др.
Рис. 2. а — схема устройства у-локатора: Ус — усилитель, Км — компаратор, РЧП — радиочастотный передатчик, М8Р-430 — микроконтроллер; б — общий вид пробника.
LaBr3:Ce отечественного производства и твердотельного кремниевого фотоумножителя (Si-ф.э.у.) с внутренним усилением оптического сигнала производства японской компании Hamamatsu, принцип действия которого в свое время был разработан в НИЯУ МИФИ [5, 6].
2. УСТРОЙСТВО ГАММА-ЛОКАТОРА
Устройство и внешний вид действующего образца у-локатора показаны на рис. 2. Чувствительная часть прибора — сцинтилляционный кристалл LaBr3:Ce в форме цилиндра диаметром 5 мм и длиной 10 мм — находится в оптическом контакте с кремниевым фотоумножителем Hamamatsu MPPC S10931-050P с размерами чувствительной области 3 х 3 мм2. Сцинтиллятор и фотоприемник помещены в герметичный светонепроницаемый пластиковый корпус. Электронные компоненты системы сбора данных размещены на многослойной печатной плате, расположенной внутри того же цилиндрического корпуса. Для выделения узкого конического поля зрения сцинтиллятор заключен в вольфрамовый цилиндр (коллиматор) с толщиной стенки 2 мм и диаметром осевого отверстия 5 мм.
Блок электроники у-локатора, расположенный внутри пробника, содержит схему подачи напряжения смещения на Si-ф.э.у., схему усиления и дискриминации аналогового сигнала детектора и схему питания. Батарейное питание +3 В подается на вход преобразователя постоянного напряжения DC-DC MAX 1932, на выходе которого устанавливается напряжение от 25 до 75 В. Тонкая регулировка напряжения смещения обеспечивается подачей на второй контакт Si-ф.э.у. напряжения той же полярности величиной от 0 до 1000 мВ. Величина напряжения выставляется программным обра-
зом с помощью цифроаналогового преобразователя (ц.а.п.). Подача напряжения смещения на 81-ф.э.у. и регулировка порога дискриминации осуществляются с помощью компьютера, с которым локатор соединен по радиоканалу или кабелю. Выходная информация (скорость счета детектора) выводится на экран персонального компьютера (п.к.). Аналоговый сигнал с фотоприемника подается на усилитель и, далее, на компаратор, на котором с помощью ц.а.п. выставляется требуемое значение опорного напряжения Цоп. С выхода компаратора информация уже в цифровом формате подается на вход микроконтроллера М8Р-430, в котором осуществляется суммирование импульсов с детектора. Для последующей обработки данные передаются на п.к.
3. ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГАММА-ЛОКАТОРА
3.1. Эффективность регистрации
Эффективность регистрации у-квантов определялась с помощью у-источника на основе изотопа 57Со на линии 122 кэВ, которая по энергии близка к линии наиболее распространенного медицинского радиоизотопа 99тТе (140 кэВ), а также с помощью у-источника 137С8 (662 кэВ).
Для определения эффективности измерялась скорость счета детектора в зависимости от расстояния между детектором и у-источником. На рис. 3, помимо экспериментальных данных, представлены расчетные кривые скорости счета детектора в зависимости от расстояния до источника. Кривые, показанные сплошной линией, рассчитаны в приближении точечного источника при условии его 100%-ной эффективности. Путем варьирования эффективности регистрации уста-
N, c-1 50
40
30
20
10
ГАММА-ЛОКАТОР ДЛЯ РАДИОНУКЛИДНОИ ДИАГНОСТИКИ
N, c-1 24 20 16 12 8 4
161
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260
х, мм
0
70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
х, мм
Рис. 3. Зависимости скорости счета детектора от расстояния до источника 57Со активностью 100 кБк (а) и 137С8 активностью 100 кБк (б). Точки — эксперимент, сплошная линия — расчетная эффективность (100%).
новлено, что наилучшее согласие расчетных кривых и экспериментальных данных достигается при эффективности регистрации у-квантов, равной 70% на линии 124 кэВ (57Со) и 29% на линии 662 кэВ (137Св), что соответствует кривым, проходящим вблизи экспериментальных точек (штриховые линии на рис. 3). Данные на рис. 3 хорошо аппроксимируются зависимостью ~1/^2, т.е. в представленном диапазоне расстояний можно пользоваться приближением точечного источника и точечного детектора.
Приведенные экспериментальные данные позволяют определить чувствительность у-лока-тора как скорость счета детектора, отнесенную к единице активности источника. При использовании источника 57Со эта величина составила 12 импульсов/с/кБк, что более чем в два раза превышает минимальную требуемую чувствительность для медицинских у-пробников — 5 импульсов/с/кБк [3].
3.2. Пространственное и угловое разрешение
Пространственное разрешение у-пробника характеризует минимальное расстояние между двумя точечными источниками, на котором они могут быть идентифицированы как отдельные источники. Для определения пространственного разрешения снимают зависимость скорости счета детектора от положения источника вдоль линии, перпендикулярной оси детектора, как показано на рис. 4. Наименьшее расстояние между детектором и источником вдоль оси детектора выбирается равным 1 см, что соответствует типичной глубине расположения лимфоузлов в теле человека. Ширина на полувысоте этого распределения (FWHM) является характеристикой пространственного
разрешения прибора. Результаты измерений представлены на рис. 5. Пространственное разрешение FWHM на линии 122 кэВ (57Со) составило 8 мм.
Для определения пространственной селективности (углового разрешения детектора) измеряется зависимость скорости счета детектора от полярного угла между осью детектора и линией, соединяющей детектор и источник, как показано на рис. 6. FWHM данного распределения принимается в качестве характеристики пространственной селективности. Результаты измерений представлены на рис. 7. Ширина распределения на полувысоте составила 26° на линии 122 кэВ.
3.3. Визуализация биологического объекта
Гамма-локатор был испытан в режиме визуализации in vivo на лабораторной крысе, которой был введен радиофармпрепарат "Технефит". Спустя три часа после введения радиофармпрепарат накопился преимущественно в мочевом пу-
/1\
Коллиматор Источник
I >. I I
I ó I Сцинтиллятор I----- - -
11 см
V
Рис. 4. Схема измерения пространственного разрешения у-локатора.
162
БОЛОЗДЫНЯ и др.
N, с-1
Рис. 5. Зависимость скорости счета от поперечной координаты между детектором и источником.
9,градус
Рис. 7. Зависимость скорости счета от полярного угла.
зыре, размеры которого составляют примерно 1 см, что позволило испытать прибор в условиях, близких к реальным условиям применения.
На рис. 8а показана схема сканирования тела крысы: на тело наложена сетка, в узлах которой снималась скорость счета в зависимости от двумерного положения у-локатора. Двумерное распределение активности препарата было получено с помощью пакета программ МАТЬАВ, как показано на рис. 8б. Из восстановленного изображения видно, что область повышенной концентрации радиофармпрепарата четко различима по сравнению с соседними участками. Фоновая активность мягких тканей позволяет определить контуры тела крысы, что обеспечивает возможность привязки области максимального накопле-
Коллиматор ....................\
Сцинтил-лятор
30 см Ут Источник j
— Si-ф.э.у.
Рис. 6. Схема измерения пространственной селективности у-локатора.
(a) (б)
Рис. 8. Лабораторное животное в процессе измерений (а) и полученная с помощью гамма-локатора карта распределения плотности накопления радио
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.