Instrumentación en Medicina Nuclear Gamacámaras núcleo de ingeniería biomédica facultades de ingeniería y medicina universidad de la república Ing. Daniel Geido
Introducción MedicinaNuclear produce imágenes de la distribución de radionucleidos en pacientes Los rayosgamason la radiaciónmasutilizada para detectarla localizaciónde estosfármacos A diferencia de lasimágenesproducidas porotro equiposya vistos, no son imágenes anatómicas, son imágenes funcionales. Fusion con CT
Introducción Los primeros equipos eran escaners lineales. Poseían solo un pequeño detector que recibía la información y la procesaba recorriendo toda el área a escanear. Hoy en día se utilizan detectores de gran área que cubren toda la zona de exploración, sensandoa la misma vez toda la región de interés y mucho menos tiempo. Ejemplos de estudios: Óseos Renal. Tiroides. Pulmonar. Cardíacos. Etc
Gamacámaras Funcionamiento El pacienteemiterayosgama quelleganal o los detectores, previapasadaporlos colimadoresde cadadetector. Dichosrayosson convertidos a unaseñaleléctricaen los detectores. Se calcula la posciónde dondepartiódicho foton. Toda estainformaciónespasadaa unacomputadorarexterior dondese formarála imágencorrespondiente.
Gamacámaras Diseño
Colimadores Los rayos gama son emitidos en cualquier dirección, tomamos solo aquellos que incidan en perpendicularmente al detector, de lo contrario no habrá buena resolución en la imagen. Son pequeños tubos de metal paralelos entre si (sistema similar a la grilla antiscatering, recordar de RX). Su espesor depende de la energía del radionucleido utilizado.
Colimadores Estado del arte en el diseño: Paralelos: cilíndricos, triangulares, exagonales, etc. En abanico: convergentes (magnificación), divergentes (minificación).
Colimadores Compromiso entre resolución espacial (SR) y eficiencia Reducir el diámetro o alargar los tubos, mejora SR pero disminuye la eficiencia. Dentro de una misma energía, distintos tipos: low-energy, high-sensitivity low-energy, all-purpose (LEAP) low-energy, high-resolution (LEHR) La resolución espacial se degrada al aumentar la distancia paciente-colimador. R es indicativo de la resolución, menor R mejor resolución. z R = 1 L ( ) L + z tanθ = s +
El cristal Luego de pasar por el colimador, los rayos gama son convertidos a luz para aumentar la eficiencia en la detección. Se utiliza un cristal de yoduro de sodio dopado con talio (venenoso!). Los hay de diversas formas y tamaño.
Conversión rayo gama -luz Efecto similar al fotoeléctrico, rayos gama impactan ionizando los átomos del cristal, son emitidos fotones de menor energía, luz de 400nm aprox. Fotón gama impacta en el cristal: Efecto fotoeléctrico en 1 microsegundo aprox., número de fotones emitidos depende de la energía del fotón gama incidente:
Fotomultiplicadores La cantidad de luz emitida por el cristal es muy pequeña y debe ser amplificada y convertida en tensión. Se utilizan fotomultiplicadores (PMT) para tal fin, acoplados perfectamente con el cristal. 2 tareas principales: Conversión luz-voltaje. Amplificación del orden de varios millones de veces
Fotomultiplicadores-Funcionamiento Una capa muy fina de metal es aplicada a la cara externa del tubo. Los fotones de luz incidentes ionizan esta capa de metal desprendiéndose electrones de dicha superficie (recordar tubo int. de imagen de RX). Los elecronesson acelerados electrostáticamenteen el vaciodel tubo, e impactan contra dinodosespeciales que producen multipleselectrones por cada uno que impacta. Se produce así un fenómeno de avalancha, que resulta en una señal de tensión de amplitud sifientea la salida del tubo.
Fotomultiplicadores Conversión luz voltaje Rayo gama alta energía incidente. Fotones de luz visible emitidos, numero dependiente de la energía del gama. Voltaje detectado a la salida del fotomultiplicador, amplitud dependiente de la energía del gama. A mayor energía del rayo gama incidente, mayor la amplitud de voltaje a la salida del fotomultiplicador.
Fotomultiplicadores Acoplamiento e interferencias Son extremadamente sensibles a mal acoplamiento entre el cristal y la cabeza del tubo. Burbujas de aire. Sensibles a campos electromagenéticos externos, uso de blindajes.
Preamplificación y digitalización A la salida del PMT, se realiza primero la conversión corriente voltaje y amplificación de la señal eléctrica con el uso de un TIA. V=Z.I, donde Z es la ganancia. Luego dicha señal es digitalizada en un conversor AD en la propia base del PMT, uso de frecuencias de muestreo altas, 30MHz aprox.
Procesamiento digital La salida digital de cada AD es utilizada con 2 fines: Cálcularla energía de dicho rayo. Cálcularla posición exacta donde impacto el rayo gama. El resultado final son 3 elementos de 16bits cada uno: Energía. Posición X. Posición Y.
Nivel de energía Cada pulso digitalizado proveniente de cada PMT, es enviado al PHA (analizador del altura de pulso). La idea es separar los pulsos de la energía que me interesa (radioisótopo utilizado) y descartar el resto.
Espectro Si sumamos las señales recibidas en cada PMT a lo largo del tiempo tenemos el espectro. Nos quedamos solo con los eventos que caen en la ventana especificada por el radioisótopo utilizado.
Cálculo de posición Conjuntamente con el filtro de energía se caclcula la posición exacta donde impacto el rayo gama. El destellos producido en el cristal generará señales en varios PMTs pero con diferentes intensidades dependiendo de que tan lejos o cerca de cada uno se haya generado. PMT11 PMT12 Basados en este principio, la posición exacta puede ser PMT13 calculada. PMT 19 PMT20 PMT21 MT22 PMT27 PMT28 PMT29 PMT30 PMT 31 PMT36 PMT37 PMT38 PMT39 PMT45 PMT46 PMT47 TOTAL 2.6% 3.1% 3.3% 2.5% 6.8% 8.8% 7.3% 2.5% 6.9% 12.6% 10.1% 3.6% 2.4% 6.9% 8.5% 3.3% 2.6% 3.0% 3.2% 100%
Correcciones Deben efectuarse correcciones debido a la no uniformidad de la imagen recibida. Entre los PMT no se recibe la misma señal que en el centro de estos. Cada detector debe tener su propia LUT (Look up table). Correcciones de energía y de linealidad deben ser hechas para cada imagen adquirida.
Corrección de energía Se adquieren mapas de uniformidad periódicamente que servirán como referencia. Se calculan los mapas de corrección de uniformidad. Se utilizan para compensar cada imagen adquirida durante los estudios
Corrección de linealidad Otro factor importante que produce no uniformidad es el echo que la respuesta de los PMT no es lineal en toda su superficie. Por esto la electrónica detectará falsas posiciones de impacto si supongo linealidad. Se regenera esa LUT también en forma periódica cuando los valores de calidad de imagen no dan aceptables.