Получение изображений с помощью радиоизотопов

Радиоизотопные изображения позволяют получать ценную диагностическую информацию. В ядерной медицине наиболее распространённым методом клинической диагностики является статическая изотопная визуализация в плоскости, называемая планарной сцинтиграфией. Планарные сцинтиграммы представляют собой двумерные распределения, а именно проекции трёхмерного распределения активности изотопов, находящихся в поле зрения детектора. В отличие от рентгенографии, в которой точно известно начальное и конечное положения каждого рентгеновского луча, при визуализации радиоизотопного источника можно определить положение лишь регистрируемого g -излучения. Следовательно, для получения изотопного изображения необходимо применять систему коллимации, которая способна выделять направление прихода g -квантов. Способ коллимирования излучения может быть механическим (например, с использованием свинцовых экранов) или электронным.

Временные изменения пространственного распределения радиофармпрепарата можно регистрировать, регистрируя многократные изображения за промежутки времени от нескольких миллисекунд до сотен секунд. Этот способ визуализации с помощью радиоизотопов, называемый динамической сцинтиграфией, является основным при базовых функциональных исследованиях внутренних органов и систем организма.

Поскольку планарные сцинтиграммы содержат информацию о трёхмерном распределении изотопов, во многих случаях трудно точно определить функциональные изменения в тканях, расположенных в глубине тела. Томографические исследования с применением системы многоракурсного сбора информации об объекте позволяют преодолеть большинство проблем, связанных с наложением информации при одноракурсном способе сбора данных. Метод эмиссионной компьютерной томографии (ЭКТ) имеет ряд аналогий с рентгеновской компьютерной томографией (РКТ); в тоже время существуют и некоторые важные отличия. Рентгеновская компьютерная томография основана на определении степени ослабления излучения тканями организма, тогда как при ЭКТ принципиально требуется коррекция ослабления гамма-излучения для регистрации распределения радиоактивности внутри тела. Кроме того, ограниченность скорости счёта при радиоизотопных исследованиях ведёт к ухудшению качества изображения по сравнению с изображением в рентгеновской компьютерной томографии.

В последние годы в медицине нашла применение однофотонная эмиссионная компьютерная томография (SPECT) – метод полипозиционной регистрации сцинтиграфического изображения, более информативный по сравнению с традиционной планарной сцинтиграфией. Кроме того, современное программное обеспечение радиодиагностических приборов позволяет рассчитывать объем исследуемого объекта (например, селезенки) на основе трехмерной реконструкции сцинтиграфических изображений, полученных в режиме SPECT.

Аппаратура для радионуклидной диагностики

Сцинтилляционные детекторы

В основе сцинтилляционных детекторов лежат вещества, излучающие свет в видимом диапазоне (или вблизи него) при поглощении энергии ионизирующего излучения. Они используются как для регистрации (счёта) частиц, так и для визуализации с помощью радиоизотопов. В Табл.1 представлены неорганические сцинтиляторы с большим атомным номером Z и, следовательно, с хорошей тормозной способностью для фотонов. Если световые эмиссионные характеристики сцинтиллятора согласуются со спектральной чувствительностью фотоумножителя (ФЭУ) и сцинтилятор прозрачен для излучаемого им света, то детекторы ионизирующего излучения, использующие комбинацию “сцинтиллятор – ФЭУ”, обеспечивают высокую чувствительность.

Табл. 1. Физические свойства неорганических материалов для сцинтиляторов

Материал сцинтиллятора	Плотность, г/см3	Эффективный атомный номер Z	Относительный световой выход	Постоянная времени распада, нс	Длина волны излучения, нм
Иодистый натрий (NaI)	3,67
Германат висмута (BGO)	7,13
Фторид бария (BaF2)	4,89		5 15	0,7 620	195, 200, 310

Световой выход для большинства неорганических сцинтилляторов пропорционален поглощаемой ими энергии. Следовательно, при этом можно не только регистрировать g -кванты, используя сцинтилляционный счётчик, но также и определять их энергию. Разрешающая способность по энергии в диапазоне 100 – 200 кэВ для этих счётчиков составляет обычно 10 – 15%, благодаря чему сцинтилляционный счётчик позволяет отделять g-кванты, излучаемые организмом без рассеяния, от тех квантов, которые претерпели рассеяние с потерей энергии. Ограничения в применении сцинтилляторов для целей визуализации связаны в основном с их размерами.

Более распространены монокристаллы малого диаметра (10 см) и малой толщины (10 см); монокристаллы же большого диаметра (40 – 50 см) и толщиной более чем 1– 1,5 см трудны в изготовлении.

Сцинтилляционные счётчики можно использовать в качестве детекторов для визуализации с помощью радиоизотопов в области энергий 50 – 100 кэВ.

Гамма-камера

Гамма-камера – основной инструмент современной радионуклидной диагностики. Гамма-камеры предназначены для визуализации и исследования кинетики радиофармпрепаратов во внутренних органах и физиологических системах организма пациента с целью ранней диагностики онкологических, сердечно-сосудистых и других заболеваний человека. Гамма-камеры применяются в лабораториях радиоизотопной диагностики городских клинических больниц, научно-исследовательских медицинских институтов, онкодиспансерах и других медицинских учреждений.

Помимо диагностических исследований щитовидной железы, почек, печени и желчного пузыря, головного мозга, легких, сердца и др., современные гамма-камеры должны обеспечивать сканирование всего тела пациента (скелета) и компьютерную томографию внутренних органов для получения трехмерной информации.

Современная гамма-камера содержит многоканальный коллиматор, кристалл NaI(Tl) с большой площадью поверхности, световод для оптической связи кристалла с гексагональной матрицей ФЭУ и блока аналоговых электронных устройств, обеспечивающих определение координат и амплитуд сигналов. Все указанный компоненты заключены в свинцовый экран достаточной толщины, чтобы свести к минимуму фон от источников радиации, находящихся вне поля зрения камеры.

Коллиматор служит для селекции по направлению g -квантов, падающих на камеру. В коллиматоре с параллельными отверстиями (каналами) на сцинтиллятор попадают лишь те g-кванты, которые движутся перпендикулярно поверхности коллиматора. Коллиматор определяет также геометрическое поле зрения камеры и обусловливает пространственное разрешение и чувствительность всей системы. Для построения распределений радионуклидов с различной энергией g -излучения и достижения приемлемого компромисса между пространственным разрешением и чувствительностью применяют набор из коллиматоров нескольких типов. Помимо коллимоторов с параллельными отверстиями существуют и коллиматоры с единственным отверстием малого размера, предназначенные для визуализации малых, приповерхностных органов, а также коллиматоры со сходящимися или расходящимися отверстиями для получения изображений всего тела и органов средних размеров.

Пространственное разрешение и эффективность конструкции коллиматора с параллельными отверстиями можно связать с размерами коллиматора. Если L – длина отверстия, d – его диаметр, а z – расстояние от источника до коллиматора, то пространственное разрешение коллиматора R_c даётся выражением

(1)

Отсюда следует, что пространственное разрешение улучшается с увеличением длины отверстий или их числа на единицу площади коллиматора при оптимальной толщине септы. Таким образом, чем большее число отверстий меньшего диаметра можно разместить на одной и той же площади, тем выше разрешение. Кроме того, весьма существенно то, что пространственное разрешение можно повысить, если уменьшить расстояние между источником и поверхностью коллиматора.

Геометрическая эффективность g коллиматора определяется выражением

(2)

где t – толщина свинцовой септы между отверстиями, K – постоянная, зависящая от формы отверстия (например, для шестигранных отверстий, расположенных в узлах гексагональной матрицы, К = 0,26). Следует заметить, что в случае точечного источника, находящегося в воздухе, величина g не зависит от расстояния между источником и коллиматором, поскольку квадратичная зависимость в знаменателе (2) компенсируется ростом экспонированной площади детектора.

Собирающий коллиматор с большим числом отверстий даёт наилучшее сочетание высокого разрешения и чувствительности, достигаемое за счёт уменьшения поля зрения системы, а также, ценой определённых искажений изображения. Рассеивающий коллиматор с большим числом отверстий обеспечивает большое поле зрения, особенно при работе с гамма-камерой с малой площадью детектора. Однако в этой конструкции как пространственное разрешение, так и чувствительность снижены, а наличие зависимости увеличения от глубины приводит к искажениям в изображении.

Сцинтилляционные кристаллы. В большинстве гамма-камер применяются тонкие (толщиной 6 – 12 мм) одиночные сцинтилляционные кристаллы иодистого натрия, активированого таллием NaI(Tl). Эти кристаллы большого диаметра (до 50 см) излучаю свет в сине-зелёной области спектра (в близи длины волны 415 нм), что согласуется со спектральной характеристикой стандартных бищелочных ФЭУ. Они характеризуются большим атомным номером и высокой плотностью, причём их линейный коэффициент поглощения излучения при энергии 150 кэВ составляет 2,22 см -1. Таким образом в кристалле толщиной около 10 мм поглощается 90% g -квантов с энергией 150 кэВ. Время высвечивания для кристалла равно 230 нс, что позволяет достичь скоростей счёта порядка нескольких десятков тысяч отсчётов в секунду без изменения свойств сцинтиллятора. Кристалл NaI(Tl) имеет наибольший световой выход из всех наиболее известных неорганических сцинтилляторов (табл.1) и хорошо пропускает собственное излучение. Несмотря на гигроскопичность и, следовательно, необходимость герметизации, этот кристалл практически незаменим при энергиях g -излучения около 100 кэВ. Разрешение по энергии для тонких кристаллов NaI(Tl) составляет 10 – 12% при энергии 150 кэВ.

Световод. Из-за высокого коэффициента преломления кристалла NaI(Tl) равного 1,85, для оптического сопряжения сцинтиллятора и ФЭУ необходимо применять световод. Это уменьшает потери света при его прохождении к ФЭУ, поскольку световоды изготавливают из прозрачной пластмассы с коэффициентом преломления, близким к 1,85, а его форму тщательно подбирают в соответствии с конфигурацией фотокатода ФЭУ. Кроме того, применение световода позволяет уменьшить флуктуации в эффективности съёма света по поверхности сцинтилятора. В последнее время вместо световода стали применять микропроцессорную систему коррекции изобрадения.

Фотоумножитель. Оптимальной конфигурациец с точки зрения плотной упаковки фотоумножительных трубок (с круглым или гексагональным сечением) на поверхности круглого сцинтилляционного кристалла является гексагональная матрица, состоящая из 7, 19, 37, 61 и т.д. ФЭУ. Спектральная характеристика фотокатода ФЭУ согласуется со спектром светового излучения сцинтиллятора путём введения бищелочных материалов (таких, как SbK₂Cs). Фотоумножительные трубки тщательно подбираются по коэффициенту усиления с тем, чтобы упростить регулировку ФЭУ для получения однородного распределения чувствительности по поверхности сцинтиллятора при приложении высокого напряжения и регулировке усиления ФЭУ.

Блок аналоговых электронных устройств. Для получения позиционной информации от аналоговых выходных устройств фотоумножительных трубок используется емкостная (а в последнее время и резистивная) схема. По относительной интенсивности выходных сигналов определяют координаты x и y сцинтилляционного события и создаю четыре сигнала (x+, x–, y+, y–) для формирования изображения на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и (или) на запоминающем осциллографе. Полная интенсивность сигнала z (её не следует путать с пространственной координатой) даётся выражением

z = x++ x–+ y++ y–,

(3)

А координаты x и y записываются в виде

(4)

 

(5)

где k – постоянная. Эти выражения иногда называют логическими соотношениями Энгера.

Сигнал z подаётся на одноканальный амплитудный анализатор импульсов (ОАА), который имеет два уровня ограничения с тем, чтобы определить, соответствует ли пришедший сигнал ожидаемому сигналу от зарегистрированного g -кванта. Современные гамма-камеры оснащены двумя или тремя ОАА, что позволяет одновременно регистрировать несколько световых импульсов. При высоких скоростях счёта квантов аналоговые устройства могут перегружаться из-за взаимного положения сцинтилляционных сигналов от детектора. Кроме того, в системе начинают возникать сбои (пропуски импульсов) из-за наличия собственного времени восстановления электронных устройств гамма-камеры. Истинная скорость счёта (N) системы связана с наблюдаемой скоростью счёта (n) выражением

(6)

где t – постоянная времени восстановления, которая приблизительно равна 4 мкс.

Свинцовый экран. Чтобы свести к минимуму регистрацию паразитного излучения из областей вне поля зрения коллиматора, сцинтилляционный кристалл и электронные устройства гамма-камеры помещают в массивный свинцовый экран. При разработке гамма-камер для уменьшения массы вращающихся частей приходится значительно уменьшать габариты защитного экрана. многие гамма-камеры снабжены экранами, которые достаточны лишь для минимальной защиты от низкоэнергетических g -квантов (с энергией менее 250 кэВ), и это вместе с использованием тонких кристаллов позволяет применять лишь низкоэнергетические радионуклиды (⁹⁹Tc^m, ¹¹¹In, ¹²³I, ²⁰¹Tl). Основная современная тенденция развития гамма-камер – увеличение потока информации без повышения дозы радиофармпрепаратов, вводимых пациенту. Это позволяет сократить время исследования, улучшить качество изображения, а в ряде случаев – расширить функциональные возможности. Технически это достигается за счет увеличения площади поля зрения детектора, перехода от детекторов с полем зрения круглой формы к прямоугольной и увеличения числа детекторов. В настоящее время все ведущие производители и поставщики гамма-камер: Siemens, General Electric, Toshiba, Sopha Medical освоили производство и поставляют модели гамма-камер с двумя детекторами прямоугольной формы с размерами поля зрения не менее 350 - 510 мм. Цена этих гамма-камер – от 600 тыс.долларов и выше.

Ядерно-медицинские аппараты

В зависимости от способа и типа регистрации излучений все приборы делят на шесть групп:

· медицинские радиометры - для регистрации относительной радиоактивности в органе или в пробах биологических сред (радиометрия щитовидной железы, радиометрия гормонов в крови и др.);

· медицинские радиографы - для регистрации динамики перемещения РФП в организме с представлением информации в виде кривых (ренография, гепатография, кардиография и др.);

· дозкалибраторы - для измерения абсолютной величины активности РФП, вводимой пациенту;

· счетчики всего тела - для измерения общей активности РФП в теле пациента (определение эффективного периода полураспада нуклида, оценка тканевого этапа йодного обмена и др.)

· скеннеры, профильные скеннеры - для регистрации распределения РФП в органе или теле больного с представлением данных в виде рисунка (скеннограм) или кривых (определение участка повышенного накопления РФП при профильном сканировании);

· сцинтилляционная g-камера, оснащенная ЭВМ - для регистрации динамики перемещения и распределения РФП с одновременным получением на дисплее ЭВМ изображения органа и кривых, отражающих его функцию. По своим функциональным возможностям заменяет радиограф и сканер.

Принципиальная схема устройства всех типов ядерно-медицинских приборов одинакова и позволяет выделить три части:

· детектор - воспринимающая часть прибора, обращенная непосредственно к источнику излучения - пациенту, которому введен РФП. Сцинтилляционный детектор в качестве основных элементов имеет коллиматор, кристалл йодида натрия (сцинтиллятор), фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). g-кванты РФП, попадая на детектор, вызывают в кристалле образование световых вспышек (сцинтилляций) низкой интенсивности. Преобразование слабого светового сигнала в электрический осуществляется ФЭУ;

· электронная схема усиления сигналов от детектора;

· регистрирующее устройство позволяет получить информацию на фотобумаге, цифровую или графическую запись на бумаге или дисплее ЭВМ.

 

Радионуклидная диагностика (синоним радиоизотопная диагностика) — лучевое исследование, основанное на использовании соединений, меченных радионуклидами. В качестве таких соединений применяют разрешенные для введения человеку с диагностической и лечебной целями радиофармацевтические препараты (РФП) — химические соединения, в молекуле которых содержится определенный радионуклид. Наиболее часто используют короткоживущий радионуклид технеция.

В клинической практике применяют следующие виды радионуклидных исследований: визуализацию органов, т.е. получение их радионуклидных изображений; измерение накопления РФП в организме и его выведения; измерение радиоактивности биологических проб жидкостей и тканей человеческого организма, тесты in vitro.

Визуализацию органов осуществляют путем сцинтиграфии и сканирования. В основе сцинтиграфии лежит избирательное накопление и выведение РФП исследуемым органом. Она позволяет изучить топографию органа, выявить в нем морфологические, функциональные и метаболические нарушения (см. Сцинтиграфия).

Сканирование, выполняемое для получения статических радионуклидных изображений, так же как и сцинтиграфия, отображает распределение РФП в органе, характеризуя величину органа, его топографию, наличие патологических очагов. Однако, в отличие от сцинтиграфии, этот метод не позволяет провести анализ функциональных нарушений. Отрицательными свойствами данного метода являются большая продолжительность получения сканограммы (несколько десятков минут), а также невозможность обработать полученные данные на ЭВМ, что также снижает информативность исследования (см. Сканирование).

Измерение накопления РФП в организме и его выведения, предназначенное в основном для получения информации о функциональном состоянии органа, осуществляют с помощью радиометрии и радиографии. Радиометрия заключается в определении с помощью радиометра величины накопления данного РФП в интересующем органе или патологическом очаге. Результаты исследования выражают в относительных величинах, чаще всего в процентах, по отношению к количеству РФП, введенного в организм пациента, либо по сравнению с симметричным участком тела больного или окружающими тканями. Типичным примером данного вида радионуклидного исследования является изучение функции щитовидной железы методом радиометрии накопленного в ней радиоактивного йода. Радиография, выполняемая на одно- и многоканальных радиографах, позволяет изучить динамику концентрации (накопления и/или выведения) РФП в органе либо прохождения РФП по органу с током жидкости (крови, мочи и др.). Результаты выражаются в виде кривой (или серии кривых), на оси абсцисс которой откладывают временные интервалы (в секундах, минутах), на оси ординат — величину радиоактивности (в импульсах в 1 с, в импульсах в 1 мин). Информация, получаемая с помощью радиографии, идентична полученной при динамической сцинтиграфии, однако точность ее значительно ниже, чем при исследовании в гамма-камере. Преимуществом радиографии являются невысокая стоимость метода и простота исследования. Наиболее широко ее применяют при исследовании почек.

Измерение радиоактивности биологических проб (крови, мочи, цереброспинальной жидкости, фекалий и др.) производят для определения функционального состояния систем пищеварения, кроветворения, мочевыделения и др. С этой целью больному различными способами (в вену, внутрь) вводят радиофармацевтический препарат, который благодаря метаболическим превращениям или путем механического переноса может оказаться в той или иной биологической среде. Затем с помощью радиометра определяют активность стандартного количества биологического материала. Таким методом, например, исследуют всасываемость в кишечнике меченых радиоактивных жиров.

Тесты in vitro предназначены для определения в биологических жидкостях, чаще всего в крови, биологически активных веществ (гормонов, ферментов, лекарственных препаратов и др.). Метод отличается исключительно высокой точностью. Для выполнения теста in vitro у больного производят забор около 1 мл исследуемой жидкости (плазмы, сыворотки, мочи), которая должна быть использована для анализа немедленно либо быстро заморожена. В последнем случае при соблюдении необходимых условий (температура хранения не выше минус 20°) материал может храниться до 2 мес. Тесты in vitro проводят с помощью специально выпускаемых стандартных наборов реагентов (см. Радиоиммунный анализ).

Все медицинские исследования, связанные с использованием радионуклидов, проводят в специальных лабораториях радиоиммунной диагностики. Лаборатории оснащаются средствами и оборудованием, обеспечивающими защиту персонала от излучения и предотвращение загрязнения радиоактивными веществами. Проведение радиодиагностических процедур регламентируется нормами радиационной безопасности для пациентов при использовании радиоактивных веществ с диагностической целью. В соответствии с этими нормами выделены 3 группы обследуемых лиц — АД, БД и ВД. К категории АД относятся лица, которым радионуклидная диагностическая процедура назначается в связи с онкологическим заболеванием или подозрением на него, к категории БД — лица, которым диагностическая процедура проводится в связи с заболеваниями неонкологического характера, к категории ВД — лица. подлежащие обследованию, например с профилактической целью, по специальным таблицам лучевых нагрузок врач-радиолог определяет допустимость с точки зрения радиационной безопасности выполнения того и иного радионуклидного диагностического исследования. При этом доза облучения, полученная пациентом, обязательно вносится историю болезни или амбулаторную карту. Показания к радионуклидному диагностическому исследованию определяются лечащим врачом, а объем и характер диагностических процедур — врачом-радиологом.

 

Радионуклидная диагностика

Начало формы

0.2

0.4

0.6

0.8

Конец формы