LEÍRÁS A NUKLEÁRIS ANALITIKA LABOR, VEGYÉSZ MSC PET, GAMMA-KAMERA LABORATÓRIUMI GYAKORLATÁHOZ

PET, gamma-kamera – Nukleáris Analitika Labor, vegyész MSc

alapok

LEÍRÁS A NUKLEÁRIS ANALITIKA LABOR, VEGYÉSZ MSC

PET, GAMMA-KAMERA LABORATÓRIUMI GYAKORLATÁHOZ

A gyakorlat címében szereplő PET1 és gamma-kamera alapvetően nem más, mint mindenki számára legalább hallomásból ismert hívószó – a radioaktív anyagok olyan orvosi alkalmazásai, melyek egyben képalkotó diagnosztikai eljárások. A hangsúly a képalkotásra, és annak is a legfontosabb elemére, a pozícióérzékenységre kerül a gyakorlat (és elméleti2 bevezetője) során. Azért az 1-2. Ábrákon megmutatom a műszereket IRL…

1. Ábra - gamma-kamera (szerelés alatt)

2. Ábra - PET berendezés

Hogy’ is készül(t3) egy fénykép: az emulzióban eloszlatott AgNO3 a látható fény fotonjainak hatására fémezüstté redukálódott. Ahol volt foton, volt redukció, ahol nem, nem. Ez a pozíció. A beeső sugárzás intenzitása pedig a redukált részecskék számát határozta meg, ebből adódik a fényesség. Minden képalkotó eljárásnak ez a végeredménye – intenzitás a pozíció függvényében. Mindazonáltal a pozícióérzékenység nemcsak a képalkotásban lehet fontos szempont, a térbeli felbontásnak egyéb előnyei is lehetnek… Térbeli felbontás „Már az ókori görögök is…” Az ionizáló sugárzás legrégebbi detektora a Coulomb-kamra: azt mérte, mekkora töltés keletkezett. A ködkamrák megjelenése minőségi változást eredményezett – az ionizáló részecske trajektóriájából következtetni lehetett kinetikus energiájára és tömeg/töltés-arányára, ami a részecske azonosítását4 is lehetővé tette. A ködkamra alapvetően nem áll másból, mint egy túltelített gőzrétegből, amelyben az ionizáló részecske kondenzcsíkot húz, azaz a lassulása során keltett töltéspárok kondenzációs gócként viselkedve apró folyadékcseppek megjelenését idézik elő. Nyilvánvaló, hogy a kondenzációs nyom hossza összefüggésbe hozható a részecske ionizáló képességével és kinetikus energiájával, valamint a túltelített gőz fizikai-kémiai tulajdonságaival (persze itt is szem előtt 1

Positron Emission Tomography – pozitronemissziós tomográfia Nem, nem a Moholy-Nagy Művészeti Egyetem kihelyezett kurzusa vagyunk, nem úgy… 3 / 4 Illetve először csak megkülönböztetését, majd később azonosítását. 2

1


alapok

tartva azt a lehetőséget, hogy a kérdéses részecske még a teljes lelassulás előtt kilépett a detektorunkból). A detektorunkat tovább is fejleszthetjük: helyezhetünk bele ismert abszorpciós képességű lemezeket (pl. vékony ólomlemezt), amivel extra információhoz jutunk a részecske energiájáról, ha áthaladt rajta, és helyezhetjük külső mágneses térbe, ami a mágneses tér és a töltött részecske közti kölcsönhatásból adódóan annak pályáját módosítja, spirálissá teszi, ezzel a részecske m/z5 arányát teszi mérhetővé, valamint annak kinetikus energiája is pontosabban meghatározhatóvá válik. A 3. Ábra egy ilyen, szerző szívének tárgya miatt kedves, ködkamra-felvételt mutat be. A felvételen a ködkamra teljes vértezetben szerepel… A nagyenergiájú fizika fejlődésével, annak kísérleti technikáinak megjelenésével, azaz a részecskeütköztető gyorsítókkal és az azokban „előállított”6 részecskék azonosításának igényével előállott az a helyzet, hogy a „szokásos”, jól bejáratott sugárzásdetektorok már kevésnek bizonyultak. Hiába tudom nagy pontossággal mérni a fotonenergiát egy HPGe-detektorral, ha az, ami keletkezik nem foton, és nem is csak hogy nem foton, de mindenféle lepton meg hadron – egyszerre… A detektorválasz nyilván függ az ionizáló részecske tulajdonságaitól is. Ugyanez áll a klasszikus gázionizációs, szcintillációs detektorokra is: 3. Ábra - a pozitron létezését igazoló ködkamraabból a kvaccsból, ami egy nagyenergiájú felvétel ütköztetés során keletkezik, ezekkel a detektorokkal használható, a keletkezett részecskék azonosítását, elméleti tulajdonságaikkal való összevetését elősegítő információ csak nagyon korlátozottan nyerhető… Bezzeg a ködkamra… Na igen. A bibi az, hogy a ködkamra pici. A TeV7 tartományban (LHC, van-e ki e nevet8 nem ismeri) már nem igazán használható. A lényege viszont igen: ha dokumentálni tudjuk az egyes részecskék trajektóriáit, akkor nyert ügyünk van. Hogy tudjuk ezt megtenni? A detektorainkat valami módon pozícióérzékennyé kell tennünk, és ülni és várni, hogy mi történik. Na jó, amíg ücsörgünk, az időt használjuk gondolkodásra, és jöjjünk rá, hogy egy pont még nem trajektória. Ha ezt a lépést is megtettük, akkor rájövünk, hogy (egy) a keletkezett részecskéink valószínűleg hajlandóak több detektoron is áthaladni, és (kettő) akkor tegyünk többet egymás mögé. Akár kombinálhatjuk is a különböző detektorokat, mint majd látni fogunk rá példát.

5

Tömeg-per-töltés Azt hiszem, ezen egy részecskefizikus most nagyon megsértődne. 7 Igen, tera-elektronvolt 8 Akronímát 6

2


alapok

Pozícióérzékeny detektorok A legegyszerűbb megoldás pozícióérzékeny detektorok készítésére az, hogy fogunk egy csomó egyedi detektort, és egymás mellé rakjuk – adott térbeli felbontáshoz ez is elég lehet, de tartsuk szem előtt, hogy a detektorok mérete nem csökkenthető tetszőlegesen, különösen ha a hatásfokuk is fontos paraméter. Mivel végső célunk a képalkotás, az. Mindazonáltal kellő számú képpont összegyűjtéséhez már érdemes több detektort használni, úgyhogy ezt a megoldást se vessük el végleg… A 4. Móricka-ábra azt hivatott demonstrálni, hogy igazából az összes, gyakorlaton már megismert detektorunk alapvetően pozícióérzékeny – ha ezt a tulajdonságát nem is használtuk ki. A detektorválaszt kiváltó energialeadás folyamata ugyanis lokálisan megy végbe a detektor térfogatában, így ha detektorunkat erre is érzékennyé tesszük valami módon, célunkat elértük. A pozícióérzékenység kialakítása –mint azt már megszokhattuk– nagyjából az összes detektortípusnál hasonló kaptafára megy, apróbb eltérésekkel. A legegyszerűbb, mert csak „külső”, hogy úgy ne mondjam, szépészeti beavatkozást jelentő megoldás a Félvezető detektorok esetében adódik. A félvezető detektorok detektorválasza a kiürítési réteg két oldalán megjelenő töltésekben jelentkezik. A megjelenő töltés abszolút értéke mindkét oldalon ugyanakkora, így jellemző az átadott energiára. Ha ugyanakkor a detektor egyik oldalán a töltések elvezetését szolgáló kontaktust 4. Ábra - a térbeli felbontás ígérete nagyobb ellenállású vezetőre cseréljük, és a detektor egyik végén földeljük, akkor a detektor másik (földdel szembeni) oldalán kiolvasott töltés már jellemző lesz a töltés keletkezési helyének a kiolvasás pontjától mért távolságára: minél nagyobb a távolság, annál kisebb a töltés. A pontos hely- (távolság-)meghatározáshoz pedig a másik oldalon begyűjtött töltés szolgál referenciaként. (5. Ábra)

5. Ábra - 1D-ben pozícióérzekeny félvezető-detektor

3


alapok

A nagyobb ellenállású elektród (kontaktus) itt egy folytonos „osztóláncként” viselkedik. Ilyen osztólánccal már a PMT-knél találkoztunk, feladata az volt, hogy a gyorsítófeszültséget arányosan ossza el a dinódák között9, most új szerepkörben tündököl. A félvezető-detektorok esetében az is könnyen megoldható, hogy 2D-felbontást érjünk el: mivel úgyis kiolvasó kontaktusokat használunk, ha ezeket szalagként, csíkokban visszük fel a detektor oldalaira, és úgy, hogy a detektor két oldalán egymásra merőlegesen álljanak, már meg is vagyunk (6. Ábra). A pozíció-információt ez esetben az adott irány (x vagy y) két végén mért töltések aránya hordozza.

6. Ábra - 2D félvezető-detektor Proporcionális kamrák A proporcionális kamrák helyzete már kissé bonyolultabb, de a fizika szerencsére itt is megengedi a kialakuló elektronlavina lokalizálását. A hengerkatódos, egy-anódszálas konfigurációról áttérve egy „kondenzátor-szerű”, azaz két, sík katódfelület közé sok, egymással párhuzamos vékony anódszálat helyező konfigurációra áttérve a proporcionális kamrában a 7. Ábra szerinti elektromos tér alakul ki.

7. Ábra - sok anódszálas proporcionális kamrában kialakuló elektromos terek 9

Magkémia Alapjai lab. gyak., Fotonok és detektorok c. mérés 4


alapok

A 7. Ábra nagyítása azt mutatja, hogy ha az anódszálat pontatlanul is helyezzük el, a térbeli információhoz azért még így is hozzájutunk. Az ilyen MWPC-ben, azaz sokszálas proporcionális kamrában10 az elektronlavina elektronjait a párhuzamos terek (amik a „végtelen nagy, sík” modellel leírható katódfelület és a keresztmetszetében „pontszerű”, „végtelen hosszú” anódszálak között alakulnak ki) a hozzájuk legközelebb eső anódszál felé vezetik. Mint az ábrán látható, teljesen pontos szálpozíció esetén az erővonalak minden egyes szál környékén azonosan változnak, így a mért jelintenzitás (a gyorsító potenciálok azonossága miatt) összehasonlítható az egyes szálakon. Ha a gyorsítótér eltérő (pontatlan szálelhelyezés esetén), ez már nem igaz, ekkor a kapott jelamplitúdók már eltérőek lesznek, ami az energiamérés pontosságát csökkenti.

8. Ábra - A legegyszerűbb MWPC A 8. Ábra alap-MWPC-jét úgy módosítva, hogy egymást keresztező szálakat (szálcsoportokat, „csíkokat”) alkalmazunk, a 2D-felbontás is elérhető. A 9. Ábrán a középső háló katódként van kapcsolva,

9. Ábra - 2D MWPC és az egyedi csíkokon mért jelamplitúdók súlypontja (az amplitúdómaximum helye) hordozza a pozíció-információt. A pozíció-információhoz persze a félvezető-detektoroknál megismert osztólánc segítségével is hozzájuthatunk, ez kevesebb utólagos adatfeldolgozást igényel. Apropó. Adatfeldolgozás… Mint a fentiekből látszik, a térbeli információk, bár mind a félvezető, mind a gázionizációs detektorok esetében kinyerhetők, sokkal több alapinformáció kényszerű gyűjtésével járnak, így az adatok feldolgozása, a mérési lánc sokkal bonyolultabb, mint az egyszerű spektroszkópiai feladatoknál – a jelek között nem csak amplitúdók, de pozíciók szerint is szelektálni kell, satöbbi. Adott esetben ezek a jelfeldolgozási lépések egy adott detektorhoz igazodnak, sok esetben egyszerűbb erre külön cél-hardvert összeállítani, mint a szokásos modulokkal operálni (bár a cél-hardverben ugyanazok a funkciók működnek, 10

MultiWire Proportional Chamber 5


alapok

mint azokban a modulokban). Ilyen, nagy adatmennyiséget is kezelni képes szabványt is kialakítottak, ezek a CAMAC11-modulok. Amint túlestünk az adatfeldolgozás nehézségein, és hajlandóak vagyunk további fáradságra, már össze is rakhatjuk, mondjuk MWPC-kből12, a ködkamránknak megfelelő mérési összeállítást, mondjuk mint a 10. Ábrán.

10. Ábra - Részecske trajektóriájának detektálására alkalmas mérési összeállítás Az (X,Y) koordináták érthetőek. A szcintillációs detektorok szerepe pedig az időzítés, időmérés – meg lehet mérni, mennyi időt töltött a részecske a detektorban, azaz a sebessége meghatározható. A „belépő” szcinti jele alapján (legyen t0) lehet rekonstruálni az időbeli lefutást is – mint egy kondenzcsík… A félvezető-detektorok és a proporcionális kamrák egy tulajdonságban még megegyeznek: a „kiolvasásuk” nem igényel „külső” eszközt, szemben a szcintillációs detektorokkal, amelyeknél a fluoreszcens fotonokat még külön detektálni kell. Ugyanakkor a detektorok tulajdonságait felidézve, felmerül az igény a szcintillációs detektorok használatára is: hiszen hatékonyságuk, különösen a nagyobb energiájú fotonok esetén, kenterbe veri az eddig tárgyalt két detektorfajtát. Szcintillációs detektorok A szcintillációs detektorok energiafelbontása, mint emlékszünk, jóval rosszabb a félvezetődetektorokénál, de hatásfoka annál jóval nagyobb. A proporcionális kamrákkal összevetve viszont azt tapasztaljuk, hogy a méréshatárai, azaz a vele detektálható fotonenergiák tartománya jóval szélesebb, így olyan energiájú fotonok detektálására is képes, amire a proporcionális kamra nem. És a hatásfok fontos szempont – gondoljunk bele az orvosi alkalmazásokba: minél több fotont detektálunk, annál jobb a jel/zaj viszony, annál jobb minőségű a kép… A probléma abból adódik, hogy ugyan a szcintillációs kristályban keletkező fotonok nagyjából a keletkezés helye, azaz az energialeadás útvonala irányából érkeznek, ezeket a fotonokat még használható jellé kell konvertálni fotoelektron-sokszorozókkal (PMT). Milyen lehetőségeink adódnak? Választhatjuk a legegyszerűbbnek tűnő utat, és csökkenthetjük együtt a szcintillátorkristály és a hozzá csatolt PMT átmérőjét, majd ilyeneket mátrixban egymás mellé pakolva a pozícióinformáció kinyerhető. A gond abból adódik, hogy a PMT mérete nem csökkenthető minden 11

A Magkémiai Laboratóriumban az egyszerűbb, lassabb NIM-szabványú modulokat használunk. Vagy félvezető-detektorokból – itt már az elérendő hatékonyság, pontosság, a kérdéses energiatartomány számít…

12

6


alapok

határon túl anélkül, hogy a hatásfoka ne romoljon jelentősen: ennek oka a belső elektromos terek homogenitásának csökkenése a PMT méretével. A második lehetőséghez ad ötleteket a 11. Ábra. Mivel a plasztik szcintillátorokat gyakran használják időzítésre, részecskék adott ponton való elhaladásának jelzésére, az ilyen, általában vékony lapként kialakított detektorokat is valami módon csatolni kell a PMT-hez. Erre találták ki az ún. fényvezető13ket, amelyek a szcintillációs kristályban keletkező fotonokat vezetik a PMT belépőablakához, és pont úgy működnek mint a jól ismert fényszálas (üvegszálas) optikák14.

11. Ábra - különböző fényvezető-konfigurációk Az ábrán látottakat továbbgondolva, mindenki maga előtt láthatja a kisméretű szcintillációs kristályoktól a nagyobb méretű PMT-khez vezető fényvezetők erdejét, és ebben a megoldás hátulütőjét is. Azt már tapasztaltuk, hogy a pozícióérzékenység komoly adatfeldolgozási feladatokkal jár, így igazából nem okoz többletproblémát az, ha a fenti megoldásokat persze megjegyezve, kihasználjuk azt a tényt, hogy igazából a PMT is pozícióérzékeny. Ennek az eredetét a 12. Ábra mutatja:

12. Ábra - a fotoelektronok sebesség-eloszlása a PMT fotokatódja és gyorsítóelektródja között, amiből világosan látszik, hogy a PMT „széléről” induló fotoelektronok sebessége jóval kisebb, a középről indulókénál (az ábrán a nyilak hossza). Ha ehhez még hozzávesszük, hogy az 1. dinóda elhelyezkedése sem teljesen szimmetrikus, könnyen megérthetjük, hogy a dinódalánc végén kialakuló jel időbeli lefutása más-és-más lesz, attól függően, hogy az azt kialakító fotoelektron a fotokatód (avagy a PMT belépőablakának) mely helyéről indult. 13 14

Light guide Törésmutatójukat és külső bevonatukat úgy optimálták, hogy a fényveszteség minimális (zéró) legyen. 7


alapok

A végeredmény: a PMT-jel, a feszültségimpulzus, jelalak-szerinti megkülönböztetésével pozíció-információhoz jutunk, persze komoly adatfeldolgozási lépések beiktatásával. Pontos helymeghatározáshoz persze a minél több képpont felvétele a legfontosabb, így célszerű itt is a módszerek ötvözése: több szcintillációs kristály és PMT mátrixban, vagy akár egy nagy szcintillációs detektor, amelyet több, mátrixba rendezett PMT olvas ki. Kollimálás A képalkotás szempontjából, tehát nem akkor, amikor egyedi részecskék nyomonkövetése a cél, fontos probléma, hogy a radioaktív bomlás gömbszimmetrikus, így hiába detektálok egy fotont detektor egy adott pozíciójában, a detektor által észlelt pozíció és a kibocsátás helye között érdemi összefüggés nincs15. A pozíció-érzékenység kihasználásában segítenek a kollimátorok. A legegyszerűbb kollimátor egy ólomtéglába fúrt lyuk – az egyik oldalán a detektorral, a másikon a megfigyelni kívánt forrással. Az ólomtégla a forrásból jövő összes fotont (satöbbi) kiszűri, kivéve azokat, amelyek (majdnem)pontosan a lyuk irányába haladnak. A 13. Ábra egy ilyen kollimátor redukált képét hivatott ábrázolni. Az ábrán L a kollimátor hossza (az ólomtégla vastagsága), d az (ólomtéglába fúrt L lyuk) átmérője, α, β és l a viselkedését leíró geometriai modell16 paraméterei. Az látszik, hogy természetesen nem csak a β α d pontosan a kollimátor tengelyének irányába haladó fotonok jutnak el a detektorig, hanem l=L*x x (1 > x > 0) azok is, amelyek egy adott szögtartományból, látószögből érkeznek. Ez fontos információ: adott kollimátor esetén a felbontás, azaz az, 13. Ábra - Elméleti kollimátor hogy egymástól milyen távolságra eső pontszerű forrásokat tudunk elválasztani, határozottan függ a források és a kollimátor közötti távolságtól is. A 14. Ábra a kollimátor fő tulajdonságára kívánja felhívni a figyelmet a 13. Ábra modellparaméterei alapján. A detektortól l távolságra lévő pontból a detektor 2α, a belépőnyílás 2β szögből látszik17. Az azon a ponton áthaladó, és a detektorba be is érkező fotonok számát (ha minden szögből ugyanannyi érkezik) a két szög közül a kisebbik fogja megszabni. A kollimátor szögfelbontását pedig a legnagyobb ilyen szög. Mint az a 14. Ábrából látszik, a legnagyobb „közös” szög, melyet a vonal(ak) jelöl(nek), a kollimátor felénél mérhető, és az is, hogy ez a szög d/L csökkenésével csökken – amint azt „józan paraszti ésszel” is gondoltuk volna: minél kisebb lyukat fúrunk, minél hosszabban, annál inkább csak azt látjuk, ami a luk végén van. A dolog a valóságban persze kap egy kis vajszínű árnyalatot, hiszen modellünk nem számol a kollimátor belső felületén történő szóródásokkal, amely szórt fotonok szintén bejuthatnak a detektorba – ez a folyamat kissé megnöveli a látószöget adott d/L esetén, de a kollimátor belső felületkezelésével hatása csökkenthető. detektor

15

A fényképezőgép példájában a kollimátor szerepét az objektívlencse játssza. Mint az fizikából közismert, a látható fény hullámhosszával összemérhető rés az, ami eltéríti a fotonokat. A pár(tíz)-eV energiájú látható fotonok hullámhosszával összemérhető résszélesség még csak megy, a röntgen-optika már nagyon necces, az ennél nagyobb energiájú (frekvenciájú), azaz rövidebb hullámhosszú fotonokra, nos… 16 Megengedem, lehet, hogy túlbonyolítottam… 17 Hengerszimmetrikus a modell, tehát a szög és a térszög a modell szempontjából ugyanaz. 8


alapok

0.15

L: 10 cm, α L: 10 cm, β L: 20 cm, α L: 20 cm, β d: 1 cm

látószög (rad)

0.10

d/L csökken 0.05

0.00 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

relatív pozíció (x)

14. Ábra - Kollimátor és látószög A képalkotáshoz szükséges összes eszköz a rendelkezésünkre áll tehát: a célszerűen megválasztott pozícióérzékeny detektorunk felületére kollimátorokat helyezünk, ezek száma és elrendezése, mérete megszabja a képpontjaink számát és helyzetét, a pozíció és intenzitásadatokat pedig a detektor fogja szolgáltatni. Amennyiben a detektorunk nem elegendően nagy a teljes leképezendő felülethez képest, adott lépésekkel mozgatva fölötte, a teljes kép összeállítható… És itt álljunk meg egy szóra. Tulajdonképpen kell nekünk a pozícióérzékeny detektor? Van egy kollimátorunk, csak azt látjuk, ami mögötte van18 - mi történik, ha a kollimált detektor és a leképezendő tárgy relatív pozícióját változtatjuk csupán? Az, bizony. Már amennyiben nem a detektor-tárgy távolságra gondoltunk… A képet a detektor (vagy a tárgy) mozgatásával, és pontonként való „exponálással” ugyanúgy előállíthatjuk, mint ha a detektorunk pozícióérzékeny. Mi ennek a módszernek az előnye? Az, hogy a detektorjelek pozíció-információinak kihámozását, és az összes ezzel kapcsolatos adatfeldolgozási lépést megspóroltuk, tehát a berendezésünk jelentősen leegyszerűsödött. Mi a hátránya? Számos. Kezdjük a mozgatásnál. A nagy felbontáshoz nyilván sűrű mintavételezés kell, tehát a detektor-minta relatív pozícióját nagyon kis lépésekben kell pontosan változtatni, viszont maga a minta meglehetősen nagy is lehet, ez pedig nagyon nagy relatív pontosságot igényel. A sok kis lépésnek más hátulütője is van: minden egyes pontot adott ideig kell mérni, a többi pontból érkező információ mindeközben elvész. Nagy(obb) kiterjedésű pozícióérzékeny 18

Mindenki nézett már látcsőbe… 9


alapok

detektorok esetében ez nem így van – mivel egyszerre sok pontot detektálunk, a mérési idő jelentősen lecsökken, aminek az orvosi alkalmazásoknál többszörösen kitüntetett jelentősége van. Orvosi alkalmazások Életbevágó szempontok19 A radioaktív izotópokkal végzett orvosi képalkotó eljárások során, melyek gyakorlatilag nyomjelzés-technikák, fokozottan érvényes az ALARA-elv, azaz az, hogy csak a legszükségesebb esetben és a lehető legkisebb aktivitás alkalmazásával kerüljön sor a vizsgálatra. Merthogy egy ilyen vizsgálat bizony azt jelenti, hogy a paciensbe radioaktív anyagot juttatunk, amiről viszont már a meleglaboron is hallottuk, hogy erősen ellenjavallt… Gamma-kamerás szívvizsgálatra nem biztos, hogy szükség van, ha a beteg nem jódérzékeny: ekkor a jódot röntgen-kontrasztanyagként használhatjuk, MRI-vel is vizsgálható az agyi aktivitás, viszont nem biztos, hogy jót teszünk egy pacemakeres paciensnek, ha nagy külső mágneses térbe helyezzük – tehát látható, hogy ezeknek a vizsgálatoknak is megvan a maguk létjogosultsága. Miután eldöntöttük, hogy a vizsgálat szükséges20, további szempontokat kell figyelembe venni. Illetve egyet: a vizsgálat minél kisebb sugárterhelést okozzon. Ennek milyen szempontjai vannak: minél kisebb legyen a beadott aktivitás, és minél nagyobb legyen a biológiai felezési idő, azaz a használt izotóp minél gyorsabban kiürüljön a szervezetből – egyrészt biológiai úton21, másrészt a radioaktív bomlás útján. Például a 22Na felezési ideje több, mint 2.5 év – viszont a Na-anyagcserénk piszokgyors… A fenti szempontok együtt (izotóp és detektálhatósága) megszabják a választott detektor fajtáját. A hatékony detektálás igénye meg egyenesen következik az aktivitás minimalizálásának igényéből – minél hatékonyabb vagyok, annál jobban hasznosul a beadott készítmény minden mBq-je… A kis aktivitás, kis felezési idő azt is jelenti, hogy a radioaktív készítményeket csak a legegyszerűbb, lehetőleg „folytonos üzemben” is megvalósítható módon kell előállítani. A klasszikus nyomjelzés-technikáknál a szekvenált DNS-t nem zavarja, ha nem csíramentes és a jelzésre használt reakció néhány mellékterméke is jelen van, de egy ilyen készítmény gyógyászati célra természetesen alkalmatlan, így az emberbe beadásra kerülő készítményt természetesen „emberi fogyasztásra alkalmassá” kell tenni, ami akár értékes felezési időkben is mérhető. A fenti szempontok figyelembe vétele után érthető, hogy mindkét, az alábbiakban vázlatosan ismertetendő orvosi képalkotó eljárásnál kollimált pozícióérzékeny szcintillációs detektorokat alkalmaznak – csak kicsit máshogyan…

19

Morbídiából jöttem, bocsánat. Elméletileg mi is beleszólhatunk. Azt nem árt szem előtt tartani, hogy egy CT-vizsgálat is hatalmas (röntgen) dózist jelent. A probléma ott van, hogy mi és a radiológus dokik tanultunk sugárvédelmet, a CT-re beutaló sebész, háziorvos, csontkovács meg nem – így nem is biztos, hogy tisztában van vele, mekkora sugárterhelést okoz. Nekünk. 21 Vizelet, széklet, lehellet. 20

10


alapok

A gamma-kamera A gamma-kamerában a nyomjelző izotóp a 99mTc. Ez a metastabil mag kb. hatórás felezési idővel relaxál egy 143 keV-es γ-foton kibocsátásával 99Tc-má. Anyaeleme a 99Mo, 66 órás felezési idővel, amiből β-bomlással keletkezik. Bár a technécium-99 is radioaktív, felezési ideje nagyobb, mint 2×105 év, így a maradék aktivitás minimális. A berendezés összeállítása rendkívül egyszerű22 – 143 keV, γ-foton: szcintillációs detektor, kollimálva, pozícióérzékeny összeállításban. Egy ilyen összeállítás vázlatát a 15. Ábra mutatja. Az (X,Y) térbeli információt a PMT-k szolgáltatják a jeleket feldolgozó elektronika (Pulse Arithmetic Circuits) segítségével, az intenzitás, azaz a „Z” pedig a 143 keV-es fotonok számlálási sebessége adott ponton. A részletesebb ábrarészlet nem tartalmaz meglepetést, minden megvan, ami egy klasszikus szcintillációs detektor esetében szükséges. Az egyetlen plusz elem az oldalirányú árnyékolás („Shielding”), ennek az a feladata, hogy a szcintillációs kristályba csak a kollimátorok irányából érkezhessenek fotonok. A berendezést fizikai valójában az 1. Ábrán nézhetjük meg 15. Ábra - gamma-kamera vázlata újra. Amiben többet nyújt az az ábra az az, hogy látjuk, a teljes γ-optika mozgatható. Tengely körüli mozgatással, és a képek feldolgozásával akár 3D-felvételek is összeállíthatóak, persze szoftveres úton (mint a CT-ben, melynek neve a „Computed/Computer Tomograph” rövidítésből ered). Orvosi felhasználása „bármi lehet” – közvetlenül a kisebb erek vizsgálata, de a 99mTc-t biológiailag aktív molekulához kötve receptorok, szervek speciális vizsgálata is megoldható. Nyomjelzés-technika, na. PET A pozitronemissziós tomográfia egy „külső” fizikai tényt is kihasznál, amivel a térbeli felbontás jelentősen növelhető – ebben a speciális esetben. A pozitron, mint az elektron antirészecskéje azzal annihilációs kölcsönhatásba léphet, azaz a tömegük fotonként szétsugárzódik. Mivel a folyamatra az összes megmaradási törvény23 érvényes, a leggyakoribb 2-fotonos annihiláció esetén a fotonok energiája az elektrontömeg 22 23

Nos. Khm… Természetesen csak az előzőkben leírtak fényében. Energia, impulzus, spin… 11


alapok

(511 keV) és bezárt szögük 180°. Majdnem pontosan24, de az másik gyakorlat tárgya. A két foton tehát kifeszít egy egyenest, amely az annihiláció pontján is áthalad. Sőt. Ugyanabban az eseményben keletkezik, ami azt jelenti, hogy az esemény helyétől ugyanolyan távolságban ugyanabban az időpillanatban detektálható. Hogy ez mit jelent, azt a 16. Ábra illusztrálja. Az ábra megint Móricka, de a lényeg látható. A kollimált D1 detektorba jut az üres és a szürke körrel jelölt forrásból, így térbeli D2 felbontását jól mutatja a hozzárajzolt adatsor25. Ha vele szemben elhelyezünk egy hasonló detektort (D2) még nem nyerünk semmit, hacsak annyit nem, hogy így két adatunk lesz egy helyett. A két időben és térben korrelált foton azt koincidencia jelenti, hogy ugyanabban az időben érik el mindkét detektort. Ha tehát csak azokat az eseményeket regisztráljuk, amikor a két detektor egyidőben26 (koincidenciában) adott jelet, akkor csak a szürke forrásból érkező fotonokat detektáltuk – a D2 detektor alá rajzolt adatsor a térbeli felbontás jelentős D1 javulását mutatja. Ez egy. Fogalmazzuk át a problémát. Van két időben korrelált fotonom, amelyekről tudom, hogy térben is korreláltak (egy egyenesbe esnek). Ezek szerint ha tudom detektálni a koincidenciában érkező fotonok helyét, a két foton pozíciója megadja azt az egyenest, melyen az annihilációs folyamat végbement. Ez a PET alapja. 16. Ábra - időben és térben korrelált fotonok hatása a felbontásra

Mivel a különböző annihilációs események már nem korreláltak, ezért célszerű (lenne) gömbszimmetrikusan elhelyezett detektorokat használni, de ez nem igazán adna módot az orvosilag is érdekes, pácienssel járó vizsgálatra27. Ezért inkább egy hengerpaláston helyezik el a detektorokat, és figyelik, melyik kettő szólal meg koincidenciában. A két detektor-pozíció kijelöli egy húrját a körnek, a pozitron-emitter radioizotóp feldúsulását pedig a húrok metszéspont-sűrűsége írja le, azaz a képalkotás nem áll meg a húrok keresésénél, igazából a húrok metszéspontjait keresi. A 2D-kép ezen húr-metszéspontok sűrűségét mutatja egy síkban, ez a tomográfia egy szelete. Aztán a pacienst egy kicsit odébbtolják, újabb szelet, tolás, szelet – ebből áll össze a 3D kép. Fontos, hogy az annihiláció nem pontosan a pozitron-emitter izotóp helyén játszódik le. A pozitron β-részecske, így keletkezésére a β-bomlás törvényszerűségei vonatkoznak, azaz van kezdeti kinetikus energiája, aminek révén el tud távolodni keletkezési helyétől. Aztán meg még tovább, mert a termikus pozitron (legyen bármennyire belassult is) diffúzióval mozog 24

A szög például milliradiánokon belül pontos. Az ábra adatsoraira e gyakorlat bemérése során tettem szert. 26 A fény sebessége mellett (3×108 ms-1) ilyen távokon túl nagy eltérés nem várható. Ha az annihiláció helye 1 m-rel van közelebb az egyik detektorhoz, mint a másikhoz, akkor az időeltérés 3.33 ns… 10 centi esetében 333 ps. 27 Nem technikailag, hanem anyagilag. A gömbbe bele kellene férnie a paciensnek, ami azt jelentené, hogy rengeteg detektort kellene használni. Már ez sem lenne olcsó mulatság, de a detektorok számának növekedése az elektronika számára is hatalmas feladatot jelentene. 25

12


alapok

tovább – ez azt jelenti, hogy a módszer térbeli felbontása kicsit rosszabb, mint a kötött izotópokból származó fotonokkal, vagy rögönnyel operáló képalkotó eljárásoké, ezért terjedt el a PET-CT, ahol a szervek pontos képét a CT, azok működését pedig a PET vizsgálja. A PET elvét grafikusan a 17. Ábra szemlélteti. Mint látható, itt a kollimálás megspórolható a térbeli korreláltság miatt, ugyanakkor az utólagos adatfeldolgozás kicsit nehézkesebb.

17. Ábra - PET

A PET-ben pozitronbomló izotópokat használnak, leginkább az anyagcserefolyamatok tanulmányozására, mivel a rákos sejtek kóros osztódása nagy energiafelvétellel jár. Így leginkább olyan izotópokat, melyekkel az anyagcserében fontos vegyületek jól jelölhetőek. Ezek az izotópok a 11C, 13N, 15O és a 18F, melyek felezési ideje rendre 20, 10, 2 és 110 perc. A felezési időkből látható, hogy nagyon gyors és nagy kitermelésű jelölő-reakciókra van szükség, mert a készítményt még fogyasztásra alkalmassá is kell tenni… A leggyakoribb ennek megfelelően a F-ral jelölt cukrok alkalmazása, mint

energiaforrás.

A felhasznált ábrák eredete, egyben ömlesztett irodalomjegyzék: W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (1987) P.J. Schultz, K.G. Lynn, Rev. Mod. Phys., 60(3), 701, (1988) Saját munkák PET, gamma-kamera: Wikipedia

13


mérés

A mérés leírása A gyakorlat során a gamma-kamera és a PET működését fogjuk szimulálni – jelentősen leegyszerűsített formában. Pozícióérzékeny detektorok hiányában a térbeli kép kialakítását a paciens, Mackó Úr mozgatásával fogjuk elérni. A vizsgálatra előkészített beteget és a berendezést a 18. Ábra mutatja28.

18. Ábra - Mackó Úr a vizsgálóasztalon A képen két egyszerű szcintillációs detektor látható, a bal oldalon egy gyengén kollimált, árnyékolatlan, a jobb oldalon egy kollimált és ólomtéglákkal erősen árnyékolt. Mackó Úr kórtörténetében szerepel egy komoly abúzus, amikor 22Na és 57Co forrásokat kapott implantként, a gyakorlat feladata ezen források megtalálása Mackó Úrban29. A feladat megoldásának menete az, hogy először lépésenként végigtoljuk Mackó Urat a két detektor között, és mérjük az árnyékolt-kollimált detektor számlálási sebességét, majd ezt megismételjük úgy, hogy Mackó Úr feje az árnyékolt-kollimált detektor felé nézzen. Ez utóbbit horizontális iránynak, előbbit vertikális iránynak nevezzük, és megnézzük, látunk-e számlálási sebesség-maximumokat – ezek a maximumok fogják kijelölni a források X és Y pozícióit. Ekkor ugyanis a detektor még az összes fotonra érzékeny lesz, így mind a Na-, mind a Co-forrás meg fog jelenni az adatainkban. A detektorokat az annihilációs fotonra kapuzva megismételjük az adatfelvételt, de ekkor már a koincidenciák számlálási sebességét mérjük, amivel a Na-forrás pontos pozíciója is meghatározható lesz, majd ennek ismeretében a Co-forrás helye is. Az adatfelvétel során (ha már úgyis mérünk) még némi extra adatokat is begyűjtünk: vizsgáljuk, hogy a kapuzással tudunk-e plusz információhoz jutni, valamint azt, hogy mekkora szerepe van az árnyékolásnak. A méréshez használt elektronikákat a 19., a kapcsolások vázlatait a 20. Ábra mutatja. 28 29

Idén kicsit máshogy néz ki, mert szét kellett szedni, de a lényeg maradt. Az asztalról való leszedés értelemszerűen nem pálya, szankciókat von maga után. 14


mérés

19. Ábra - A méréshez használt modulok30 TC952A

TC952A

(+ 800V HV)

(+ 800V HV)

Det. JOBB

Det. BAL

TC536 Counter and Timer

TC246 Amp/SCA

Ortec 409

Linear Gate and Slow Coincidence

A Pos

In

TC536

TC536

Counter and Timer

Counter and Timer

TC246 Amp/SCA

B

Out

reset

Ortec 409

Linear Gate and Slow Coincidence

A In

Out

SCA

TC246 Amp/SCA

Det. JOBB

Det. BAL

Out

SCA

Pos

Pos

In

TC536 Counter and Timer

B In

Out

SCA

TC246 Amp/SCA

Out

Out

Pos

SCA

reset

20. Ábra A gamma-kamera (bal) és a PET (jobb) kapcsolási vázlata A „Bal” detektorág a kollimált, erősen árnyékolt, a „Jobb” detektorág a gyengén kollimált, árnyékolatlan detektor jeleit dolgozza fel. A „Jobb” detektorágban található TC246-os a mérés egész ideje alatt az annihilációs fotonra van kapuzva, így az csak a 22Na-forrást látja.

30

Lásd 28. Lábjegyzet. 15


mérés

Feladat a gyakorlaton A macit a detektorok között végigtolva centinként (29)-27-4-(2) cm között mérjük meg a 10 mp alatt érkező beütések számát mind a Bal, mind a Jobb oldali mérőágból. Mérjünk három párhuzamosat. A gamma-kamera szimulációja során a Bal detektor(ág) a résen beérkező összes31 γ-fotont detektálja, a Jobb ág csak a pozitron annihilációjához tartozó 0.51 MeV-os fotonokat, viszont e detektor árnyékolása csapnivaló. A Vertikális adatok felvétele után fordítsuk el Mackó Urat, hogy a feje jobbra (a Bal detektor felé) nézzen, és ismételjük meg az adatfelvételt, hogy a Horizontális adatok is rendelkezésünkre álljanak. Határozzuk meg a laborkoordinátákról (mérési pozíciók) Maci-koordinátákra való transzformáció adatait32. Jegyezzük fel a mérés körülményeit. Az oktató segítségével kapuzzuk be a Bal ágat is a 0.51 MeV-es fotonokra. Ha minden jól megy, mind a V-, mind a H-adatokban két felismerhető csúcsot találunk. Válasszuk ki a mérendő pozíciókat úgy, hogy a két csúcs területét fél cm-ként le tudjuk tapogatni, de pontjaink lefedjék a teljes 2-29 cm közötti tartományt, és pontjaink száma ugyanannyi legyen, mint a gamma-kameránál. Jegyezzük fel a mérés körülményeit. Állítsuk össze a koincidenciakört. Ekkor a B számláló a réselt, kapuzott beütésszámokat méri, a J számláló a koincidencia-események számát. 3 x 10 mp-es mérésekkel vegyük fel a beütésszámokat az előre meghatározott V- és H-pozícióknál. Feladat a jegyzőkönyvbe: Vázoljuk a használt berendezéseket, és tüntessük fel a releváns beállításokat. Határozzuk meg az egyes pozícióknál mért számlálási sebességek (c/s) átlagát és standard deviációját, és ábrázoljuk közös grafikonon az adott irányokban (V és H) mért adatokat. kollimált, kapuzatlan (γ-camera, B246) gyengén árnyékolt, 511 keV-re kapuzott (γ-camera, J246) kollimált, 511 keV-re kapuzott (PET, B246)

PET

SCA számlálási sebesség (cps)

3 350 300

2

250 200 150

1

100 50

koincidencia számlálási sebesség (cps)

400

0 0

laborkoordinátákban mért pozíció (cm)

21. Ábra - Ha jól csináltuk, laborkoordináták szerint ilyesmit látunk 31 32

Mármint amit a detektor hatásfoka, holtideje, satöbbi megenged… Azaz azt, hogy (például) az 5 cm az hol van a Macin. Hol kezdődik a szeme, akármi. 16


mérés

A V és H koincidencia számlálási sebességek adataira Gauss-t illesztve határozzuk meg a Na-forrás pozícióját. A Na-forrás adatait ezzel meghatározottnak tekintve a gamma-kamera adataiból (szintén Gauss-modellel) határozzuk meg az 57Co-forrás pozícióját. A két forrás pozícióját jelöljük meg a kiadott 22. Ábrán33, a pozíció meghatározottságának pontosságát az illesztett Gauss-görbék félérték-szélességének, mint hibának feltüntetésével jelöljük. 22

A megfelelő adatok összevetésével mutassuk meg 1) a réselés és megfelelő árnyékolás fontosságát, valamint 2) az „extra” irányfeltétel jelenlétét alátámasztó mérési adatot.

22. Ábra - Ide kell berajzolni a források helyét (lolap.jpg)

33

A labor honlapjáról külön is letölthető, „lolap.jpg” név alól. 17

LEÍRÁS A NUKLEÁRIS ANALITIKA LABOR, VEGYÉSZ MSC PET, GAMMA-KAMERA LABORATÓRIUMI GYAKORLATÁHOZ

Recommend Documents