Wybrane techniczne aspekty diagnostyki radioizotopowej Zakład Medycyny Nuklearnej Akademii Medycznej w Warszawie Wybrane techniczne aspekty diagnostyki radioizotopowej

ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY

Definicja rozpadu promieniotwórczego ROZPAD 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

Właściwości różnego rodzaju promieniowania ROZPAD 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

Powody stosowania w scyntygrafii promieniowania gamma ROZPAD 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.

Cechy rozpadu promieniotwórczego ROZPAD 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.

Ilustracja losowości przemian jądrowych ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Ilustracja losowości przemian jądrowych 99mTc 128x128 2 sec/frame

Rozkład statystyczny Poisson'a ROZPAD 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

Rozkład Poisson'a dla różnych średnich częstości rozpadów ROZPAD 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

Zakres rzeczywistych wartości ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Zakres rzeczywistych wartości częstości rozpadów k P(k) A 3s Dla rozkładu Poisson'a miara błędu względnego

Przykładowe kolejne wyniki pomiaru liczby rozpadów w jednostce czasu ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Przykładowe kolejne wyniki pomiaru liczby rozpadów w jednostce czasu 1 10 30 100 300 1000 3000 10000 30000 100000 300000 1000000 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 1003000 max N / N 55% 30% 17% 9,5% 5,5% 3,0% 1,7% 0,9% 0,5% 0,3% Miernik liczby rozpadów N

Prawo rozpadu promieniotwórczego ROZPAD 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

Czas połowicznego rozpadu ROZPAD 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.

ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY Jednostka 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 =

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.

PROCES FIZJOLOGICZNY W SCYNTYGRAFII

Idea diagnostyki radioizotopowej PROCES 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

Idea diagnostyki radioizotopowej PROCES FIZJOLOGICZNY PROCES FIZJOLOGICZNY Idea diagnostyki radioizotopowej Proces fizjologiczny Rozkład przestrzenno-czasowy stężenia wskaźnika radioizotopowego c(x,y,z,t) Wskaźnik izotopowy o aktywności AD

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

O przestrzenno-czasowym rozkładzie ilości wskaźnika radioizotopowego PROCES 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).

Cele obrazowej scyntygrafii diagnostycznej PROCES 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

DETEKCJA KWANTÓW PROMIENIOWANIA GAMMA DETEKCJA PROMIENIOWANIA GAMMA DETEKCJA PROMIENIOWANIA GAMMA DETEKCJA KWANTÓW PROMIENIOWANIA GAMMA

Zjawisko scyntylacyjne DETEKCJA PROMIENIOWANIA GAMMA DETEKCJA PROMIENIOWANIA GAMMA Zjawisko scyntylacyjne scyntylator np. kryształ NaJ z domieszką Tl błyski światła elektron wtórny atom absorbujący kwant g kwant promieniowania

Detektor scyntylacyjny z fotopowielaczem wzmacniającym DETEKCJA 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

Zakłócające źródła promieniowania - szum DETEKCJA 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

Działanie energetycznego dyskryminatora kwantów DETEKCJA 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

ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE W SCYNTYGRAFII SPE

Odwzorowanie geometryczne ??? ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE Odwzorowanie geometryczne ??? tkanki ze wskaźnikiem radioizotopowym detektor

Odwzorowanie planarne - kolimacja przez pochłanianie ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE Odwzorowanie planarne - kolimacja przez pochłanianie kolimator tkanki ze wskaźnikiem radioizotopowym detektor

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

Konsekwencje rzutowania prostokątnego w scyntygrafii ODWZOROWANIE 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.

Zjawisko rozproszenia Compton’a ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE Zjawisko rozproszenia Compton’a fotopowielacz kryształ scyntylacyjny kolimator badany narząd tkanka otaczająca cząstki rozpraszające g g E’g < Eg

Rola rozproszenia Compton’a ODWZOROWANIE 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.

TECHNICZNE KRYTERIA KLASYFIKACJI BADAŃ SCYNTYGRAFICZNYCH TECHNICZNE RODZAJE BADAŃ TECHNICZNE RODZAJE BADAŃ TECHNICZNE KRYTERIA KLASYFIKACJI BADAŃ SCYNTYGRAFICZNYCH

Rodzaje odwzorowania geometrii rozkładu wskaźnika radioizotopowego ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE ODWZOROWANIE GEOMETRYCZNE SPE Rodzaje odwzorowania geometrii rozkładu wskaźnika radioizotopowego Planarne - rzut prostokątny Przestrzenne - rekonstruowane

Ujęcie z punktu widzenia procesu TECHNICZNE 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).

ELEMENTY KAMERY SCYNTYGRAFICZNEJ KAMERA SCYNTYGRAFICZNA KAMERA SCYNTYGRAFICZNA ELEMENTY KAMERY SCYNTYGRAFICZNEJ

Różne konfiguracje kamery uniwersalnej KAMERA SCYNTYGRAFICZNA KAMERA SCYNTYGRAFICZNA Różne konfiguracje kamery uniwersalnej do badań typu planar

Różne kamery uniwersalne KAMERA SCYNTYGRAFICZNA KAMERA SCYNTYGRAFICZNA Różne kamery uniwersalne