Интроскопия в медицине реферат

Обновлено: 30.06.2024

Интроскопия — (лат. intro — внутри, др.-греч. σκοπέω — смотрю; дословный перевод внутривидение) — неразрушающее (неинвазивное) исследование внутренней структуры объекта и протекающих в нём процессов с помощью звуковых волн (в том числе ультразвуковых и сейсмических), электромагнитного излучения различных диапазонов, постоянного и переменного электромагнитного поля и потоков элементарных частиц.

Содержание

Сферы применения

Медицинская диагностика — медицинская интроскопия или медицинская визуализация.
Дефектоскопия — промышленная (техническая) интроскопия.
Интроскопия макрообъектов.

Последняя категория выделена вследствие того, что хотя в промышленности методы интроскопии имеют много общего с методами дефектоскопии, однако задачи, связанные с исследованием макрообъектов и происходящих в них процессов (наблюдение объектов под водой, в толще горных пород и ледников, в облаках или тумане и т. п.), могут решаться лишь методами интроскопии.

Основные методы

Выделяют три основных вида интроскопических методов:

проекционные — получение теневого изображения объекта; — получение томографического изображения объекта;
эхозондирование, в том числе доплеровское.

Проекционные методы

В проекционных методах проводят зондирование (облучение) объекта с некоторого ракурса и получают его теневое изображение (проекцию). Чаще всего в качестве зондирующего используют рентгеновское излучение (рентгенография). Среди других проекционных методов можно выделить методы с использованием оптического излучения, например:

Таким образом иерархию усложнения проекционных методов можно представить следующим образом:

один ракурс — одно теневое изображение (двумерная проекция);
множество ракурсов — набор теневых изображений;
множество ракурсов плюс математическая обработка — трёхмерная томограмма (набор томографических изображений) — трёхмерное распределение некоторой физической характеристики.

Томографические методы

Для томографических методов аналогичную иерархию можно представить как:

двумерная томография: много ракурсов в одной плоскости — набор одномерных проекций плюс математическая обработка — двумерная томограмма;
трёхмерная послойная томография: множество ракурсов во множестве параллельных плоскостей — набор одномерных проекций плюс математическая обработка — набор двумерных томограмм — трёхмерная томограмма;
трёхмерная произвольная томография: множество ракурсов во множестве произвольных (в том числе, пересекающихся) плоскостей — набор одномерных проекций плюс математическая обработка — трёхмерная томограмма.

Здесь под математической обработкой понимается решение обратной томографической задачи (обращение прямой томографической задачи) — например, обращение преобразования Радона (рентгеновская компьютерная томография, магнитно-резонансная томография) или экспоненциального преобразования Радона (радионуклидная томография). Именно обратная томографическая задача приводит к необходимости в многократном просвечивании в различных пересекающихся направлениях, так как один ракурс даёт принципиально недостаточно информации.

Для справедливости необходимо сказать, что существуют варианты одноракурсных методов, но там всё равно приходится решать обратную задачу. Например, в оптической томографии заменив непрерывное лазерное излучение на импульсное, в принципе, за счёт анализа временной развёртки прошедшего излучения (решение обратной задачи светорассения на неоднородном слое), можно восстановить внутреннее строение объекта. Однако, в настоящее время из-за большой сложности такая задача остаётся нерешённой. Обычно же и в оптической томографии используется множество ракурсов, а временная развёртка служит вспомогательной информацией для разделения коэффициентов рассеяния и поглощения.

Эхозондирование

В ряде случаев, некоторые методы эхозондирования (например, обычное ультразвуковое исследование), ошибочно относят к томографии, что терминологически не верно. Несмотря на то, что в ультразвуковом исследовании также получают изображение некоторого сечения (томоса) — метод его получения не является томографическим: отсутствует многоракурсная съёмка в пересекающихся направлениях и, самое главное, отсутствует решение обратной томографической задачи.

Для получения ультразвукового снимка нет никакой необходимости в особой математической предобработке. Ультразвуковой преобразователь (на самом деле это набор небольших отдельных ультразвуковых преобразователей) посылает ультразвуковую волну (ультразвуковой веерный пучок), которая частично отражается от границ неоднородностей и возвращается к ультразвуковому преобразователю, где и регистрируется. Принцип же получения снимка в упрощённой форме можно представить следующим образом: по одной оси откладываются номера отдельных преобразователей (направление), вторая ось — временная задержка отклика (расстояние), яркость — интенсивность отклика.

Интроскопия — (лат. intro — внутри) — неразрушающее исследование внутренней структуры объекта и протекающих в нём процессов с помощью звуковых волн (в том числе ультразвуковых и сейсмических), электромагнитного излучения различных диапазонов, постоянного и переменного электромагнитного поля и потоков элементарных частиц.

// Сферы применения

Медицинская диагностика — медицинская интроскопия или медицинская визуализация.

Дефектоскопия — промышленная (техническая) интроскопия.

Основные методы

Выделяют три основных вида интроскопических методов:

проекционные — получение теневого изображения объекта;

томографические — получение томографического изображения объекта;

эхозондирование, в том числе доплеровское.

Проекционные методы

Таким образом, иерархию усложнения проекционных методов можно представить следующим образом:

один ракурс — одно теневое изображение (двумерная проекция);

множество ракурсов — набор теневых изображений;

множество ракурсов плюс математическая обработка — трёхмерная томограмма (набор томографических изображений) — трёхмерное распределение некоторой физической характеристики.

Томографические методы

Томография (греч. τομη — сечение) — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта посредством его многократного просвечивания в различных пересекающихся направлениях.

Томография - методика рентгенологического исследования, с помощью которого можно производить снимок слоя, лежащего на определённой глубине исследуемого объекта. Получение послойного снимка основано на перемещении двух из трёх компонентов (рентгеновская трубка, рентгеновская плёнка, объект исследования). Преимущественное распространение получила методика, при которой исследуемый объект неподвижен, а рентгеновская трубка и кассета с плёнкой согласованно перемещаются в противоположных направлениях. При синхронном движении трубки и кассеты только необходимый слой получается четким на пленке, потому что только его вклад в общую тень остаётся неподвижным относительно плёнки, всё остальное — смазывается, почти не мешая проводить анализ полученного изображения. В настоящее время доля последнего метода в исследованиях стремительно уменьшается, в связи со своей относительно малой информативностью и высокой дозовой нагрузкой, вследствие чего такое определение морально устарело и данный метод получил название классическая томография или линейная томография.

Главное отличие методов эхозондирования от томографии состоит в том, что при эхозондировании визуализируются не области, а границы (обычно показателя преломления)

Вычислительная томография — область математики, занимающаяся разработкой математических методов и алгоритмов восстановления внутренней структуры объекта по проекционным данным.

Компьютерная томография — в широком смысле, синоним термина томография (так как все современные томографические методы реализуются с помощью компьютерной техники); в узком смысле (в котором употребляется значительно чаще), синоним термина рентгеновская компьютерная томография, так как именно этот метод положил начало современной томографии.

Анатомическая томография — основана на получении срезов тканей человека с их последующей фиксацией с помощью химических веществ и регистрация их на фотоплёнку. Классическими примерами анатомической томографии являются изображения гистологических препаратов. Терминологически, в настоящее время, данные методы не относят к томографии, в силу их разрушающего характера.

Начало современной томографии было положено в 1917 г., когда австрийский математик И. Радон предложил способ обращения интегрального преобразования, впоследствии получившего его имя (преобразование Радона). Однако работа Радона в своё время не попала в поле зрение исследователей и была незаслуженно забыта.

В нормальных условиях (при отсутствии внешних воздействий) большая часть электронов в атомах находятся на самом низком невозбужденном уровне Е1, т.е. атом обладает минимальным запасом внутренней энергии, остальные уровни Е2, Е3. Еn, соответствующие возбужденным состояниям, обладают минимальной заселенностью электронами или вообще свободны. Если атом находится в основном состоянии с Е1, то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние с Е2. Вероятность таких переходов пропорциональна плотности излучения, вызывающего эти переходы.

Содержание работы

1. Спонтанное и индуцированное излучение.
2. Устройство оптического квантового генератора.
3. Основные направления использования лазера в медицине.
4. Расщепление энергетических уровней атомов в магнитном поле.
5. Электронный парамагнитный резонанс.
6. Медико-биологическое применение электронного парамагнитного резонанса.
7. Основные характеристики ядер. Магнитный момент ядра.
8. Ядерный магнитный резонанс.
9. ЯМР-интроскопия.

Файлы: 1 файл

физика самраб 2.docx

В магнитном моменте, I – спин ядра ( 1/2,1,3/2,2…). Протоны, электроны и нейтроны обладают спином. Каждый непарный электрон имеет спин равный 1/2. Каждый непарный протон имеет спин равный 1/2. Каждый непарный нейтрон имеет спин равный 1/2.

Почти каждый элемент периодической таблицы имеет изотоп с ядерным спином, отличным от нуля.

— гиромагнитное отношение. Оно может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Т.о. магнитный момент ядра направлен либо вдоль либо против вектора момента импульса ядра. Если , ядро не имеет магнитного момента. Данные о распространенности, величине спина, гиромагнитном отношении некоторых ядер, представляющих интерес для МРТ, приведены в таблице.

В Формуле мы использовали :

— Магнитный момент ядра

— Собственный момент количества движения ядра

8. Ядерный магнитный резонанс

ЯМР, резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер. ЯМР — один из методоврадиоспектроскопии. Наблюдается в сильном постоянном магнитном поле H0, на которое накладывается слабое радиочастотное магнитное поле H ^ H0. Резонансный характер явления определяется свойствами ядер, обладающих моментом количества движения и магнитным моментом:

Здесь I — спин ядра, g — гиромагнитное отношение (величина, характерная для данного вида ядер), —Планка постоянная. Частота, на которой наблюдается ЯМР:

Для протонов в поле H0 = 104 э w/2p = 42, 57 Мгц; для большинства ядер эти значения лежат в диапазоне 1—10 Мгц. Порядок величины резонансного поглощения определяется равновесной ядерной намагниченностью вещества (ядерным парамагнетизмом): m0 = c0H0, где c0 — статическая ядерная восприимчивость.

ЯМР, как и другие виды магнитного резонанса, можно описать классической моделью гироскопа. В постоянном магнитном поле H0 пара сил, обусловленная магнитным моментом m, вызывает прецессиюмагнитного и механического моментов, аналогичную прецессии волчка под действием силы тяжести. Магнитный момент m прецессирует вокруг направления H0 с частотой w0 = gH0,угол прецессии d остаётся неизменным (рис. 1). В результате воздействия радиочастотного поля H1 резонансной частоты w0 угол d изменяется со скоростью gН1рад/сек, что приводит к значительным изменениям проекции m на направление поля H0 даже в слабом поле H1.

С квантовой точки зрения ЯМР обусловлен переходами между уровнями энергии взаимодействия магнитных дипольных моментов ядра с полем H0. В простейшем случае изолированных, свободных от других воздействий ядерных спинов, условие (m = I, I — 1. . — I) определяет систему (2I + 1) эквидистантных уровней энергии ядра в поле H0. Частота w0 соответствует переходу между двумя соседними уровнями.

Представление об изолированных ядерных спинах является идеализацией; в действительности ядерные спины взаимодействуют между собой и с окружением, например кристаллической решёткой. Это приводит к установлению теплового равновесия (к релаксации). Релаксационные процессы характеризуются постоянными T1 и T2, которые описывают изменения продольной и поперечной составляющих ядерной намагниченности. Изменение первой связано с изменением энергии системы ядерных спинов в поле H0(спин-решёточная релаксация). Изменения поперечной составляющей определяются в основном внутренними взаимодействиями в самой системе спинов (спин-спиновая релаксация). Значения Ti лежат в пределах от 10-4 сек для растворов парамагнитных солей до нескольких ч для очень чистых диамагнитных кристаллов.

Значения Ti изменяются от 10-41 сек для кристаллов до нескольких сек для диамагнитных жидкостей. Ti и Ti связаны со структурой и характером теплового движения молекул вещества. Для жидкостей T1 и T2, как правило, близки, но становятся резко различными при кристаллизации, сопровождающейся всегда значительным уменьшением T1. Большие T1 в очень чистых диамагнитных кристаллах объясняются малостью внутренних магнитных полей.

В кристаллах, содержащих парамагнитные примеси, тепловой контакт с решёткой осуществляется немногими ядрами, находящимися вблизи от атомов примеси, где локальное поле значительно сильнее. Равновесное распределение, образовавшееся возле атома примеси, распространяется по всему кристаллу за счёт обмена состояниями соседних ядерных спинов в результате магнитного дипольного взаимодействия (спиновая теплопроводность). В металлах и сплавах основной механизм релаксации — взаимодействие электронов проводимости с ядерными моментами. Оно приводит также к сдвигу резонансных частот.

Резонансная линия имеет ширину Dw = 2/T2 (рис. 2). В сильных полях H1 наступает "насыщение" — увеличение ширины и уменьшение амплитуды линии при ½g½H1 > (T1T2)-1/2. Насыщение сопровождается уменьшением ядерной намагниченности. Этому соответствует выравнивание населённостей уровней в результате переходов, вызванных полем H1. Ширина линий в кристаллах определяется магнитным полем соседних ядер. Для многих кристаллов спин-спиновое взаимодействие ядер настолько велико, что приводит к расщеплению резонансной линии.

Большое влияние на времена релаксации, ширину и форму линий ЯМР оказывает взаимодействие электрического квадрупольного момента ядер Q с локальным электрическим полем в веществе. В жидкостях ЯМР для ядер с большим Q удаётся наблюдать только на веществах с симметричным строением молекул, исключающим появление квадрупольного взаимодействия (например, 73Ge в тетраэдрической молекуле GeCl4). В кристаллах квадрупольное взаимодействие часто даёт расщепление уровней ЯМР"mН0. В этом случае поглощение энергии определяется ядерным квадрупольным резонансом.

Спектры ЯМР в подвижных жидкостях для ядер со спином I = 1/2 и Q = 0 отличаются узкими линиями (ЯМР высокого разрешения). Спектры высокого разрешения получаются для протонов, ядер 19F, 13C, 31P и некоторых других ядер. Одиночные линии в этом случае получаются только если наблюдается ЯМР ядер, занимающих химически эквивалентные положения (например, линии водорода в спектрах воды, бензола, циклогексана). Все соединения более сложного строения дают спектры из многих линий (рис. 3), что связано с двумя эффектами. Первый, так называемый химический сдвиг, — результат взаимодействия окружающих ядро электронов с полем H0.

Возмущение состояний электронов вызывает уменьшение постоянной составляющей поля, действующего на ядра, пропорциональное H0. Величина химического сдвига зависит от структуры электронных оболочек и, т. о., от характера химических связей, что позволяет судить о структуре молекул по спектру ЯМР.

Вторым эффектом является непрямое спин-спиновое взаимодействие. Непосредственное магнитное взаимодействие ядер в подвижных жидкостях затруднено из-за броуновского движения молекул; непрямое спин-спиновое взаимодействие обусловлено поляризацией электронных оболочек полем ядерных моментов. Величина расщеплений в этом случае не зависит от H0.

Наблюдение спектров ЯМР осуществляется путём медленного изменения частоты со поля H1 или напряжённости поля H0. Часто применяется модуляция поля Но полем звуковой частоты. При исследованиях кристаллов лучшую чувствительность даёт метод "быстрой модуляции": поле H0модулируется звуковой частотой так, что процессы, определяемые временем релаксации T1, не успевают завершиться за период модуляции, и состояние системы спинов нестационарно. Применяются также импульсные методы (воздействие поля H1 ограничено во времени короткими импульсами). Важнейшие из них — метод спинового эха и фурье-спектроскопия.

ЭДС индукции пропорциональна H20. Поэтому обычно эксперименты выполняют в сильном магнитном поле. Основным элементом радиочастотной аппаратуры, применяемой для наблюдения ЯМР, является настроенный на частоту прецессии контур, в катушку индуктивности которого помещается исследуемое вещество.

Катушка выполняет 2 функции: создаёт действующее на исследуемое вещество радиочастотное магнитное поле H1и воспринимает ЭДС, наведённые прецессией ядерных моментов. Контур включается в радиочастотный мост или в генератор, работающий на пороге генерации.

Методом ЯМР были измерены моменты атомных ядер, впервые исследованы состояния с инверсной заселённостью уровней. Исследования релаксационных процессов, ширины и тонкой структуры линий ЯМР дали много сведений о структуре жидкостей и твёрдых тел. ЯМР высокого разрешения представляет собой наряду с инфракрасной спектроскопией стандартный метод определения строения органических молекул. Тесная связь формы сигналов с внутренним движением в веществе позволяет использовать ЯМР для исследования заторможенных вращений в молекулах и кристаллах. ЯМР используется также для изучения механизма и кинетики химических реакций. На ЯМР основаны приборы для прецизионного измерения и стабилизации магнитного поля. За открытие и объяснение ЯМР (1946) Ф. Блоху и Э. Пёрселлу была присуждена Нобелевская премия по физике за 1952.

Явление ядерного магнитного резонанса можно применять не только в физике и химии, а и в медицине: организм человека — это совокупность все тех же органических и неорганических молекул. Чтобы наблюдать это явление, объект помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию радиочастотных и градиентных магнитных полей. В катушке индуктивности, окружающей исследуемый объект, возникает переменнаяэлектродвижущая сила (ЭДС), амплитудно-частотный спектр которой и переходные во времени характеристики несут информацию о пространственной плотности резонирующих атомных ядер, а также о других параметрах, специфических только для ядерного магнитного резонанса. После обработки на ЭВМ эта информация переходит в ЯМР-изображение, которое характеризует плотность химически эквивалентных ядер, времена релаксации ядерного магнитного резонанса, распределение скоростей потока жидкости, диффузию молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.

Сущность ЯМР-интроскопии (или магнитно-резонансной томографии) состоит, по сути дела, в реализации особого рода количественного анализа по амплитуде сигнала ядерного магнитного резонанса. В обычной ЯМР-спектроскопии стремятся реализовать, по возможности, наилучшее разрешение спектральных линий. Для этого магнитные системы регулируются таким образом, чтобы в пределах образца создать как можно лучшую однородность поля.

В методах ЯМР-интроскопии, напротив, магнитное поле создается заведомо неоднородным. Тогда есть основание ожидать, что частота ядерного магнитного резонанса в каждой точке образца имеет свое собственное значение, отличающееся от значений в других частях. Задав какой-либо код для градаций амплитуды ЯМР-сигналов (яркость или цвет на экране монитора), можно получить условное изображение (томограмму) срезов внутренней структуры объекта.

Задачей радионуклидной диагностики является исследование человеческого организма с помощью радиоактивных изотопов, или радионуклидов (РН). Они входят в состав специальных веществ – радиоактивных фармакологических препаратов (РФП), которые вводятся в организм через кровеносные сосуды (вены), дыхательные пути или пищеварительный тракт. РФП вместе с кровью, воздухом или пищей разносятся по организму и накапливаются в определенных местах. С помощью приборов определяют их место накопления и интенсивность излучения.

РН в медицинской радиологии используются для диагностики и терапии, причем, в первом случае применяют РН, дающие только g-излучение, а во втором также и b- или a-излучение, которые имеют большую энергию и меньшую проникающую способность, чем g-излучение.

Наиболее важными для диагностики параметрами РН являются энергия g-кванта, активность РН и период полураспада. Энергия g-кванта РН для диагностики обычно лежит в пределах 100 – 360 кэВ. Активность РН измеряется в беккерелях (1Бк равен одному распаду в секунду) и у диагностических РН имеет величину от единиц до нескольких десятков МБк. Разумеется, активность зависит от общего количества РФП. Для диагностики используют РФП в небольших количествах, содержащие короткоживущие изотопы с периодом полураспада несколько суток, часов и даже минут. Это позволяет проводить исследования с малыми дозами облучения. Кроме того, применяют такие РФП, которые быстро выводятся из организма естественным путем.

Результирующая скорость убывания активности зависит от скорости выведения РФП из организма и характеризуется эффективным периодом полувыведения

где Т – период полураспада радионуклида, Т_б – период полувыведения РФП биологическим путем.

Важным свойством РФП является тропность – способность проникать именно в те органы, которые собираются исследовать. К РФП предъявляют также требования по чистоте – химической, радиохимической и радионуклидной. Химическая чистота РФП определяется наличием в нем посторонних нерадиоактивных веществ. Особое внимание при этом уделяют примесям тяжелых металлов. Радиохимическая чистота определяется долей РН, находящегося в РФП в необходимой химической форме. Радиохимическая чистота – это доля общей активности препарата, обусловленная необходимым РН.

Наиболее широко в радионуклидной диагностике используются технеций 99 m Tc, индий 113 m In и йод 131 I. Два первых радионуклида дают только g-излучение. Главной областью их применения является визуализация g-изображений. Индекс "m" означает "метастабильный". От обычных изотопов метастабильные отличаются более высокой внутриядерной энергией, которую они теряют вместе с

g-квантом. Изотоп 131 I кроме g-излучения дает еще и b-излучение и поэтому используется также и в лучевой терапии.

Источниками получения искусственных радионуклидов служат реакторы, циклотроны и специальные портативные генераторы. Последние являются основными источниками, поставляющими 99 m Tc и 113 m In. Короткоживущие нуклиды получают из первичных относительно долгоживущих изотопов, которые называют материнскими, а получаемые изотопы называют дочерними. В табл.1 приведены параметры 99 m Tc и 113 m In и их материнских РН.

Таблица 1 Параметры короткоживущих РН

Как видно из табл.1, дочерние изотопы весьма короткоживущие, и готовить их нужно непосредственно перед исследованием.

Раствор NH₄ MoO₄ играет роль элюента 1. Он поступает в разделительную колонку 2, через которую пропускается хлорид натрия. В результате образуется элюат 3, который проходит через фильтр 4 и поступает в герметичный сосуд емкостью около 10 мл. В колонке происходит распад материнского РН. Изотоп 99 Мо захватывает электрон и перемещается из шестой группы таблицы Менделеева в седьмую, становясь технецием 99 m Тс. При этом он входит в соединение Na( 99 m ТсО₄ ) – пертехнетат. Колонка находится в защитном корпусе из свинца 5, вся установка также закрыта защитным кожухом.

Материнские РН поставляют из реакторов в жидкой или газообразной форме, например, молибден 99 Мо – в виде раствора NH₄ MoO₄ . Схема генератора для получения 99 m Тс из 99 Мо показана на рис 1. Он основан на хроматографическом методе разделения веществ.

Технеций 99 m Тс применяется в 90% всех диагностических процедур в ядерной медицине. Это объясняется его короткоживучестью, малой энергией g-кванта и относительной простотой получения. С помощью 99 m Тс проводят распознавание опухолей мозга, исследование центральной и периферической гемодинамики, исследование щитовидной железы, костной системы. В 1990 г. было произведено 300000 генераторов технеция. Стоимость таких генераторов достаточно высока (около 300 долл.). Однако основной проблемой здесь является поставка исходного сырья – молибдена.

Кроме технеция 99 m Тс и индия 113 m In в ядерной медицине широко применяют и много других изотопов:

йод 131 I, 132 I – для исследования йодного обмена, функции печени и почек;

хром 51 Cr – в гематологии;

24 Na, 42 Ka, 86 Rb, 82 Br – изучение водно-солевого обмена;

198 Au, 111 In – легкие, печень, головной мозг;

газообразные нуклиды 133 Xe, 75 Kr – легкие, центральная и периферическая гемодинамика;

75 Se, 32 P – исследования в онкологии.

Широко применяются также короткоживущие и ультракороткоживущие изотопы с позитронным распадом. Речь о них пойдет ниже.

1.2 Параметры и технология сцинтилляторов

Качество работы гамма-камеры зависит прежде всего от детекторной системы и ее "сердца" - сцинтиллятора. Поэтому он заслуживает отдельного рассмотрения. Как уже отмечалось выше, в качестве сцинтилляторов детекторных систем применяют NaI(Tl). Однако в некоторых случаях применяют и другие соединения, например, CsI(Na), CsI(Tl) – для счета a-частиц, LiF(W) и LiI(Eu) –для счета нейтронов. Параметры некоторых сцинтилляторов в сравнении с NaI(Tl) приведены в табл.3.

Таблица 3 Параметры сцинтилляторов.

Температура плавления, К

Длина волны излучения, нм

Световой выход, в % к NaI(Tl)

Время основного свечения, мкс

Как видно из таблицы, самый большой световой выход имеет кристалл NaI(Tl). Однако он очень гигроскопичен и требует надежной герметизации. Кристаллы CsI и LiF(W) имеют малый световой выход, но в обоих случаях сцинтилляции вызываются a-частицами, энергия которых велика ( во втором случае при поглощении нейтрона литий распадается с выделением a-частицы). Все кристаллы существенно тяжелее стекла, а коэффициент преломления у них почти такой же.

Большинство кристаллов излучают синий свет, и только CsI дает УФ излучение. Сцинтилляция характеризуется временем основного свечения и послесвечения, которое составляет несколько процентов от основного. Этот параметр определяет максимально возможную скорость счета. Например, для кристалла NaI(Tl) она составляет около 4×10 6 имп/с, что намного больше встречающейся на практике максимальной скорости счета.

Технология изготовления сцинтилляционных кристаллов весьма сложна, и поэтому стоят они дорого. Производство сцинтилляторов и детекторов для РН диагностики, и в частности, для гамма-камер – чрезвычайно наукоемкая отрасль. Выпуском таких детекторов уже давно занимается научно-производственное объединение НИИ монокристаллов (г. Харьков). Его продукция успешно конкурирует на мировом рынке и экспортируется во многие страны, в том числе, США, Японию и др.

Рассмотрим кратко технологию производства самых распространенных кристаллов NaI(Tl). Кристалл NaI(Tl) выращивают в специальной вакуумной печи (камере). Ее конструкция показана на рис.2.

Рисунок 2. Камера для выращивания кристаллов NaI(Tl).

Кристалл 1 вытягивают из расплава смеси 99% NaI и 1% Tl. Исходное сырье плавится в платиновом тигле 2. Применение такого дорогого материала объясняется чрезвычайной агрессивностью расплава NaI, которой не выдерживает никакой другой материал. Температура плавления 924 К, или 650 о С, указанная в табл.1, относится, вообще говоря, к NaI. Температура плавления таллия меньше. В процессе плавки он испаряется и его приходится постоянно добавлять.

Нагрев печи обеспечивается двумя нагревателями – боковыми 3 и нижним 4, вмонтированными в футеровку печи. Сырье поступает через питатель 5 в периферийную часть тигля, которая отделена от центральной части ситом 6, отсеивающим посторонние включения.

Для формирования кристалла используют затравку 7 – твердый кристалл NaI(Tl), прикрепляемый к держателю 8. Затравку приводят в соприкосновение с расплавом сырья в момент термодинамического равновесия (когда жидкая фаза не кристаллизуется, а твердая – не плавится). Кристаллодержатель и тигель вращаются в одну или в разные стороны для усреднения температурных полей. При этом кристалл медленно вытягивается из расплава.

После нахождения точки термодинамического равновесия управление передают системе автоматического регулирования. Она следит за тем, чтобы соблюдался баланс масс: масса сырья, поступившего в тигель должна быть равна приращению массы вытягиваемого кристалла, иначе говоря, уровень расплава в тигле должен оставаться постоянным. За этим следит датчик контроля уровня 9. Он представляет собой металлический электрод, нагретый до температуры расплава (чтобы при соприкосновении с расплавом не создавать температурной неоднородности). Этот электрод находится в непосредственной близости от поверхности расплава. Когда уровень расплава достигает электрода, прекращается подача сырья и наоборот – при снижении уровня подача сырья возобновляется.

Диаметр кристаллов NaI(Tl) достигает 500 мм, а вес – 550 кг. Их выращивание длится около двух недель. Готовый кристалл помещают в осушенную вакуумную камеру. Затем его распиливают на диски толщиной 9 – 10 мм. Распиловку производят натянутой синтетической нитью, смачиваемой дистиллированной водой. Диск, предназначенный для детектора гамма-камеры, шлифуют с обеих сторон и герметизируют в специальном контейнере (рис.3).

Кристалл NaI(Tl) 1 помещают в контейнер 2 из алюминия, закрывают сверху (со стороны установки ФЭУ) специальным стеклом 3, которое выполняет функции световода, и герметизируют компаундом. Внутреннюю поверхность контейнера покрывают слоем MgO 4 белого цвета, играющего роль диффузного отражателя. Внешнюю поверхность стекла, не занятую ФЭУ, также покрывают слоем MgO. Это позволяет повысить результирующую эффективность регистрации. Выполненный таким образом детектор может служить десятки лет. Кроме круглых детекторов применяют также детекторы прямоугольной формы. Для этого диск NaI(Tl) нагревают до размягчения и под давлением формуют из него прямоугольную пластину. Прямоугольные детекторы имеют большее поле зрения и обладают лучшей однородностью по краям. В заключение этого раздела рассмотрим еще один способ (оптический) уменьшения линейных искажений и улучшения однородности чувствительности детектора. Он состоит в применении отражающих масок, накладываемых на световод со стороны, прилегающей к сцинтиллятору (рис.4). Маски представляют собой отражающие покрытия, окрашенные черной краской со стороны ФЭУ. Они ограничивают количество прямых попаданий фотонов, образующихся в результате сцинтилляции, на фотокатоды ФЭУ. Большинство из них попадают на фотокатоды путем многократных отражений от масок и диффузного отражателя на внутренней поверхности контейнера сцинтиллятора. Тем самым улучшается форма амплитудно-пространственных характеристик ФЭУ, выравнивается чувствительность по площади детектора, уменьшаются линейные искажения. Узор маски зависит от места расположения ФЭУ и обычно подбирается экспериментально.

Рисунок 4. Отражающие маски.

2. Устройство и важнейшие аналоговые узлы эмиссионного томографа

Эмиссионный компьютерный томограф (ЭКТ) представляет собой сложный электронно-вычислительный комплекс, насыщенный разнообразными электронными и электро-механическими узлами. До сих пор в ЭКТ сохраняется высокий удельный вес аналоговых средств первичной обработки информации, хотя недалеко, видимо, то время, когда они, как и УЗ сканеры, станут преимущественно цифровыми. Но для этого нужно создать новые электронные технологии и преодолеть некоторые трудности, в том числе и экономического характера.

2.1 Структурная схема и конструкция ЭКТ

Здесь мы рассмотрим устройство и принцип работы однофотонного ЭКТ на основе выпускаемого фирмой "Монокристалл – Оризон" (Украина) эмиссионного томографа ГКС-301Т "Тамара" (ГКС означает – гамма-камера сцинтилляционная, Т – с режимом томографирования). Обобщенная структурная схема этого устройства приведена на рис.5. Количество функциональных узлов в ней невелико, однако каждый из них достаточно сложен. Блок детектора в основном соответствует структурной схеме, приведенной на рис.2. Существенно новым в нем является автоматическое управление режимами ФЭУ, с помощью которого добиваются более высокой однородности детектора по площади. Кроме того, для энергетической коррекции координатных сигналов X = X + – X – и Y = Y + – Y – их делят не на энергетические сигналы Z, а на суммы X + + X – и Y + + Y – . Это позволяет уменьшить погрешность, обусловленную дрейфом и разбросом параметров координатных резисторных матриц.

Блок обработки и управления служит, в основном для коррекции линейности и однородности. В него также входит система автоматической накопления и стабилизации (САНС), которая управляет режимами ФЭУ. Накопление заключается в подсчете числа импульсов, принимаемых отдельными ФЭУ, т.е. формировании их спектров. Фотопики этих спектров затем сравниваются с эталонными (реперными), и в случае их отклонения производится автоматическое изменение режима ФЭУ. Этот блок управляет также разверткой координат при сканировании тела.

Рисунок 5. Структурная схема эмиссионного томографа.

Блок приводов осуществляет перемещение различных механических узлов томографа: угловое перемещение и орбитальное вращение детекторной головки, изменение высоты ее подъема, линейное перемещение гамма-камеры или ложа пациента при линейном сканировании, изменение его высоты. К блоку приводов отнесены и датчики линейных и угловых перемещений.

Перед проведением исследований на томографе с помощью специального монитора укладки находят очаг γ-излучения, соответствующий предполагаемой области обследования. Это позволяет уменьшить вероятность ошибок и промахов. На экран монитора укладки также выводится некоторая служебная информация (координаты детектора, ложа и др.). Для управления комплексом, как правило, достаточно ПЭВМ среднего класса с совмещенным сопроцессором, который выполняет вычислительные функции. Координатные и энергетический сигналы могут поступать в ЭВМ в аналоговой или цифровой форме. В первом случае интерфейс ЭВМ будет более сложным: он содержит три АЦП, во втором – требуется высокое быстродействие канала связи.

На рис.6 показаны общий вид (а) и некоторые узлы (б, в) эмиссионного томографа. Детекторная головка 1 (вместе с коллиматором) закреплена на коромысле 2, на противоположном конце которого находится противовес 3, и может вращаться относительно коромысла. Коромысло закреплено на кольцевом штативе 4 и может подниматься и опускаться. Для этого служит раздвижной шток 5 (актуатор) с установленным на нем электродвигателем. Кроме того, коромысло вместе с детектором может вращаться в кольцевом штативе в режиме томографирования. В отсеке 6 находятся блок обработки и управления информацией, а также электронная система управления приводами и сами приводы некоторых узлов.

Пациент располагается на специальном столе 7 (стол пациента) с подвижным ложем. Для продольного сканирования тела могут использоваться два варианта перемещения. В одном из них томограф движется по рельсам вдоль неподвижного стола, а во втором – томограф неподвижен, а перемещается ложе стола. В современных ЭКТ применяется второй вариант сканирования. Монитор укладки 8 размещается в верхней части томографа. На томографе имеется пульт местного управления, с помощью которого по монитору укладки производят выбор начального места обследования.

На рис.6, б, в показаны узлы привода углового перемещения детекторной головки и коромысла. В статическом режиме и режиме сканирования детекторная головка с высокой точностью должна устанавливаться параллельно горизонтальной плоскости. Эта установка производится посредством шагового двигателя через многоступенчатый редуктор и соответствующего датчика углового положения (ДУП). Круговое вращение осуществляется с помощью системы вложенных колец – подвижного и неподвижного. К подвижному кольцу крепится правый шарнир актуатора Высота подъема, а при томографировании – орбитальный радиус R, вычисляется по формуле R = L×sinα , где L – расстояние между осями вращения коромысла и детектора. Угол α измеряется соответствующим датчиком углового положения.

Массы отдельных узлов томографа достаточно внушительны. Так, круглая детекторная головка (с коллиматором) диаметром 39 см весит около 500 кг, а прямоугольная – еще больше. Тем не менее, для привода используются маломощные двигатели (не более 100 Вт), так как все подвижные части хорошо сбалансированы, а перемещения происходят очень медленно. Число фирм, выпускающих устройства для радионуклидной интроскопии, в том числе и однодетекторные гамма-камеры, сравнительно невелико (6 – 7). К ним относится и фирма "Монокристалл – Оризон". В табл.4 приведены важнейшие параметры однодетекторных ЭКТ ведущих фирм. Как видно из таблицы, все они применяют прямоугольные детекторы. Фирма "Монокристалл – Оризон" также переходит на выпуск томографов типа ОФЭКТ с прямоугольным детектором с наибольшим полем зрения. Кроме того, он имеет самую высокую скорость счета при 20% потерь и наименьшую стоимость. Наилучшее разрешение (и его равномерность) имеет ЭКТ фирмы "Toshiba". Все ведущие фирмы продольное сканирование осуществляют перемещением ложа стола пациента.

Читайте также: