1. Физические основы и средства радионуклидной интроскопии

1.1 Радионуклиды и радиоактивные фармакологические препараты

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, Тб – 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 99mTc, индий 113mIn и йод 131I. 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 131I 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 99mTc и 113mIn. Короткоживущие нуклиды получают из первичных относительно долгоживущих изотопов, которые называют материнскими, а получаемые изотопы называют дочерними. В табл.1 приведены параметры 99mTc и 113mIn и их материнских РН.

Таблица 1 Параметры короткоживущих РН

Дочерний РН	Период полураспада	Энергия, кэВ	Материнский РН	Период полураспада
99mTc	6 ч	140	99Мо	67 ч
113mIn	100 мин	393	113Sn	118 сут

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

Раствор NH4MoO4 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 99Мо захватывает электрон и перемещается из шестой группы таблицы Менделеева в седьмую, становясь технецием 99mТс. При этом он входит в соединение Na(99mТсО4) – 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 99Мо – в виде раствора NH4MoO4. Схема генератора для получения 99mТс из 99Мо показана на рис 1. Он основан на хроматографическом методе разделения веществ.

Технеций 99mТс применяется в 90% всех диагностических процедур в ядерной медицине. Это объясняется его короткоживучестью, малой энергией g-кванта и относительной простотой получения. С помощью 99mТс 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 99mТс и индия 113mIn в ядерной медицине широко применяют и много других изотопов:

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

хром 51Cr – в гематологии;

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

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

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

75Se, 32P – 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.

Тип сцинтиллятора	NaI(Tl)	CsI(Na)	CsI(неактиви-рованный)	LiF(W)
Плотность, г/см3	3,67	4,51	4,51	2,64
Температура плавления, К	924	894	894	1133
Коэффициент преломления	1,85	1,84	1,95	1,4
Гигроскопичность	да	да	слабая	нет
Длина волны излучения, нм	415	420	310	430
Световой выход, в % к NaI(Tl)	100	85	5 – 6	3 – 5
Время основного свечения, мкс	0,23	0,63	0,01	40

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 4Ч106 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 650о 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 = LЧsinα , 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.

Таблица 4. Сравнительные характеристики однодетекторных ЭКТ.

Параметры	"Siemens" DIACAM	"General Electric" STARCAM XR	"Toshiba" GCA-901SA	"Монокристалл-Оризон" ГКС-301Т	"Монокристалл-Оризон" ОФЭКТ
Эффективное поле зрения, см	53,3ґ38,7	50,8ґ36,8	50,8ґ38,1	39	54,0ґ41,0
Количество ФЭУ	59	91	107	75	59
Простанственное разрешение (центр-край), мм	4,5/4.7	3.8	3,6	4/4,7	4,/4.5
Скорость счета (максимальная/c 20% потерь), тыс. имп/с	290/120	300/150	230/-	200/120	300/200
Стоимость, тыс. долл.	400	400	400	150	200