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Instrumentación en Medicina NuclearGamacámaras

núcleo de ingeniería biomédicafacultades de ingeniería y medicina

universidad de la república

Ing. Daniel Geido

Introducción

l Medicina Nuclear produce imágenes de la distribución de radionucleidos en pacientes

l Los rayos gama son la radiación mas utilizadapara detectar la localización de estos fármacos

l A diferencia de las imágenes producidas por otroequipos ya vistos, no son imágenes “anatómicas”, son imágenes “funcionales.

l Fusion con CT

Introducciónl Los primeros equipos eran escaners lineales.

− Poseían solo un pequeño detector que recibía la información y la procesaba recorriendo toda el área a escanear.

l Hoy en día se utilizan detectores de gran área que cubren toda la zona de exploración, sensando a la misma vez toda la región de interés y mucho menos tiempo.

l Ejemplos de estudios:− Óseos− Renal.− Tiroides.− Pulmonar.− Cardíacos.− Etc

GamacámarasFuncionamiento

•El paciente emite rayos gama que llegan al o los detectores, previa pasada por los colimadores de cada detector.•Dichos rayos son convertidos a una señal eléctrica en los detectores.•Se calcula la posción de donde partió dicho foton.•Toda esta información es pasada a una computadorar exterior donde se formará la imágen correspondiente.

GamacámarasDiseño

Colimadoresl 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.

l 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

l 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.

( )

+=+=

LzszLR 1tanθ

El cristall Luego de pasar por el colimador, los rayos gama son

convertidos a luz para aumentar la eficiencia en la detección.

l Se utiliza un cristal de yoduro de sodio dopado con talio (venenoso!).

l Los hay de diversas formas y tamaño.

Conversión rayo gama - luzl Efecto similar al fotoeléctrico, rayos gama impactan

ionizando los átomos del cristal, son emitidos fotones de menor energía, luz de 400nm aprox.

l Fotón gama impacta en el cristal:

l Efecto fotoeléctrico en 1 microsegundo aprox., número de fotones emitidos depende de la energía del fotón gama incidente:

Fotomultiplicadoresl La cantidad de luz emitida por el cristal es muy

pequeña y debe ser amplificada y convertida en tensión.

l Se utilizan fotomultiplicadores (PMT) para tal fin, acoplados perfectamente con el cristal.

l 2 tareas principales:− Conversión luz-voltaje.− Amplificación del orden de varios millones de veces

Fotomultiplicadores - Funcionamientol Una capa muy fina de metal es aplicada a la cara externa del tubo.l Los fotones de luz incidentes ionizan esta capa de metal desprendiéndose

electrones de dicha superficie (recordar tubo int. de imagen de RX).l Los elecrones son acelerados electrostáticamente en el vacio del tubo, e

impactan contra dinodos especiales que producen multiples electrones por cada uno que impacta.

l Se produce así un fenómeno de “avalancha”, que resulta en una señal de tensión de amplitud sifiente a la salida del tubo.

FotomultiplicadoresConversión luz – voltaje

l Rayo gama alta energía incidente.l Fotones de luz visible emitidos,

numero dependiente de la energía del gama.

l Voltaje detectado a la salida del fotomultiplicador, amplitud dependiente de la energía del gama.

l A mayor energía del rayo gama incidente, mayor la amplitud de voltaje a la salida del fotomultiplicador.

FotomultiplicadoresAcoplamiento e interferencias

l Son extremadamente sensibles a mal acoplamiento entre el cristal y la cabeza del tubo. Burbujas de aire.

l Sensibles a campos electromagenéticosexternos, uso de blindajes.

Preamplificación y digitalizaciónl 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.

l 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

l La salida digital de cada AD es utilizada con 2 fines:

− Cálcular la energía de dicho rayo.− Cálcular la posición exacta donde impacto el rayo

gama.− El resultado final son 3 elementos de 16bits cada

uno:− Energía.− Posición X.− Posición Y.

Nivel de energíal Cada pulso digitalizado proveniente de cada

PMT, es enviado al PHA (analizador del altura de pulso).

l La idea es separar los pulsos de la energía que me interesa (radioisótopo utilizado) y descartar el resto.

Espectro

l Si sumamos las señales recibidas en cada PMT a lo largo del tiempo tenemos el espectro.

l 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.

• Basados en este principio, la posición exacta puede ser calculada.

100%TOTAL

3.2%PMT47

3.0%PMT46

2.6%PMT45

3.3%PMT39

8.5%PMT38

6.9%PMT37

2.4%PMT36

3.6%PMT 31

10.1%PMT30

12.6%PMT29

6.9%PMT28

2.5%PMT27

7.3%MT22

8.8%PMT21

6.8%PMT20

2.5%PMT 19

3.3%PMT13

3.1%PMT12

2.6%PMT11

Correccionesl Deben efectuarse correcciones debido a la no

uniformidad de la imagen recibida.l Entre los PMT no se recibe la misma señal que en el

centro de estos.l Cada detector debe tener su propia LUT (Look up

table).l Correcciones de energía y de linealidad deben ser

hechas para cada imagen adquirida.

Corrección de energía

l Se adquieren mapas de uniformidad periódicamente que servirán como referencia.

l Se calculan los mapas de corrección de uniformidad.

l Se utilizan para compensar cada imagen adquirida durante los estudios

Corrección de linealidadl Otro factor importante que produce no

uniformidad es el echo que la respuesta de los PMT no es lineal en toda su superficie.

l Por esto la electrónica detectará falsas posiciones de impacto si supongo linealidad.

l Se regenera esa LUT también en forma periódica cuando los valores de calidad de imagen no dan aceptables.