Детектори за радионуклидна диагностика, iLab

Кукушкина Юлия BMIub-109

За да се регистрира излъчването на радионуклидни трансформации, трябва да се образуват йонизирани или възбудени атоми в чувствителния обем на детектора. γ-лъчението се регистрира от заредени частици, възникващи от взаимодействието на фотони с веществото на детектора или с материалите около него. Йонизацията и възбуждането са в основата на работата на повечето детектори, използвани в медицината. Когато правят детектори, те се стремят да осигурят минимално I взаимодействие на фотоните с материята, преди да ударят детектора, и висока вероятност за взаимодействие, когато го ударят. Най-често използваните детектори са:

пълни с газ йонизационни камери;
полупроводникови детектори;
сцинтилационни детектори.

Напълнените с газ йонизационни камери са най-евтините и прости. Те съдържат два електрода, разположени в газова среда. Към електродите е свързан външен източник на напрежение. Когато частици, които предизвикват йонизация на газа, навлязат в газовата среда между електродите, възниква импулс на електрически ток. Чрез тяхното регистриране може да се оцени броят на частиците, предизвикали процесите на йонизация на газа. Напълнените с газ камери в медицината се използват за записване на относително големи дейности, например за контрол на доставените радиоактивни лекарства. Брояч на Гайгер-Мюлер с по-високо напрежение, който е вид пълна с газ йонизационна камера, се използва в личната дозиметрия. Позволява ефективно регистриране на γ- и β-лъчение. Въпреки достатъчното познаване на явленията, възникващи в газовата камера, работата по нейното подобряване продължава.

Създаден и пуснаткамери под формата на игли и сонди (SBM-9, -11, -12), предназначени за медицинска диагностика, както и високочувствителни камери, в които активната повърхност на електродите се довежда до няколко метра, броячи на Гайгер с дебелина на прозореца 4-5 микрона и др. голям брой аноди и др. Поради относително голямата инертност и недостатъчната чувствителност, която се получава при размерите, които трябва да имат устройствата, предназначени за медицински радиоизотопни изображения, газонапълнените камери се използват ограничено като детектори на радиоактивно лъчение.

Полупроводниковите детектори могат да бъдат направени от силиций или германий. Тяхната работа се основава на промяната в електрическата проводимост при излагане на квант йонизиращо лъчение. Но силициевите детектори не са много подходящи за откриване на γ-лъчение поради малкия атомен номер на силиций, а германиевите детектори, които имат значителни предимства в много параметри, осигуряват необходимата енергийна разделителна способност при температура на течен азот.

Понастоящем са разработени твърдотелни детектори за γ-лъчение, които работят при стайна температура. Те използват комбинация от кадмий (Cd), цинк (Zn) и телур (Tl) (CZT детектор). Те имат добра енергийна разделителна способност, висока ефективност на детекция, висока времева и температурна стабилност, добро съотношение сигнал/шум, висока ефективност на детекция в енергийния диапазон до 511 keV, разумна цена. Индивидуални CZT-кристали с малък размер (3x3 mm) се събират в плътни групи. В този случай се получават позиционно чувствителни детектори на γ-лъчение. Известни са комерсиално значими реализации на гама камера с детектор, базиран на CZT кристал (Digirad).

Сцинтилационните детектори сачесто срещани. Техните предимства включват: висока плътност на материята в чувствителния обем на детектора, което осигурява висока ефективност на взаимодействие с него на радиационни кванти; умерена цена; кратко време за реакция на частица или квант, предизвикал сцинтилация; възможност за избор на необходимите размери и свойства на сцинтилатора.

Работата на такива детектори се основава на факта, че когато енергията на йонизиращото лъчение се абсорбира в редица вещества, възниква слаба светкавица на видима светлина. Появата му се дължи на процеса на възбуждане на атомите на веществото (луминесценция). Интензитетът на светене е пропорционален на енергията, погълната от материала на сцинтилатора. По същество сцинтилационните детектори използват свойството на отделните материали да преобразуват енергията на падащото върху тях радиоактивно лъчение във видима светлина. Следователно те трябва да се разглеждат като преобразуватели на радиационния спектър. Широкото използване на сцинтилационни детектори се дължи на факта, че видимото лъчение (от оптичния честотен диапазон) се записва добре с помощта на фотоумножители и полупроводникови фотодиоди и фототранзистори, докато все още не са създадени високоефективни, евтини, надеждни, с дълъг експлоатационен живот и необходимите технически характеристики, преобразуватели на радиоактивно лъчение в електрически сигнали.

Веществото, използвано като сцинтилатор, трябва да бъде добър абсорбатор на радиация. Интензитетът на светлината, която излъчва, трябва да бъде пропорционален на погълнатата енергия в широк диапазон от нейните стойности. Сцинтилаторът трябва да бъде прозрачен за светлината, която излъчва, така че само малка част от светлинното лъчение да се абсорбира в него. Дължината на вълната, излъчвана от него, трябва да съответства на максималната чувствителност на фотодетектора. Радиационният разпад трябва да бъдекратко (обикновено по-малко от 1 μe), тъй като максималната възможна скорост на регистрация зависи от неговата стойност.

Известни са органични и неорганични сцинтилатори. С органичните сцинтилатори е възможно да се получи кратко време на светене (по-малко от 10 ns), висока светлинна мощност на сцинтилация и малка зависимост на коефициента на енергия, погълната от светлината, от външните условия. Възможно е изработването им във всякаква форма, с голяма площ. Те могат да бъдат твърди (пластмасови) или течни. Сцинтилаторите в твърдо състояние използват полистирен с добавки. Течните се основават на разтворители от толуен, ксилен, бензен с отстранен кислород от тях.

Неорганичните сцинтилатори се правят на базата на съединения CaWC4, ZnW04, Lil(Eu), BaF2 и др. Но най-често се използват кристали Nal(Tl). В скоби са показани малки добавки (0,1-0,5%), чието въвеждане значително подобрява характеристиките на сцинтилаторите.

За да добиете представа за техническите възможности, ето малко информация за различните сцинтилатори.

Nal(Tl) е неорганичен сцинтилатор. Продължителност на светкавицата 250 ns. Големите монокристали са силно хигроскопични. Следователно те трябва да бъдат опаковани в херметически затворена обвивка. Предназначени са за регистриране на γ-лъчения и спектрометрия;
CsI(Tl) - неорганичен сцинтилатор. Продължителност на светкавицата 650 ns. Нехигроскопичен. Големи монокристали. По-голяма ефективност на откриване от Nal(Tl), но по-ниска светлинна мощност. Предназначени са за регистриране на γ-лъчения и спектрометрия;
Сцинтилаторите на пластмасова основа са органични сцинтилатори. Продължителността на светкавицата е 2-5 ns. Бързо действащ, евтин, лесен за обработка.

При използване на всякакви сцинтилаторинеобходимо е наличието на фотодетектори (фотоумножители, фотодиоди). От страната на монтажа си сцинтилаторът има оптически прозрачен прозорец. Останалите могат да бъдат покрити с дифузен рефлектор, който събира светлина в прозореца, където са монтирани фотодетекторите. За да се получи добър оптичен контакт между сцинтилатора и фотодетектора, може да има специален светлинен водач, направен от несцинтилиращ материал, или специална оптически прозрачна смазка.

Процесите в сцинтилатора, които водят до появата на светлинни фотони, са сред статистическите. Следователно, дори при моноенергийно γ-лъчение, броят на светлинните фотони, произтичащи от взаимодействието му със сцинтилатора, няма да бъде същият във времето. Интензитетът на светкавиците и амплитудата на импулсите на изхода на фотоумножителя няма да бъдат еднакви.

Смята се, че разпределението на амплитудите на импулса се характеризира с крива на Гаус. В този случай трябва да се има предвид, че интензитетът на светкавиците зависи доста силно от вида на излъчването, енергиите на всяко от излъчванията, техните взаимодействия в тялото на сцинтилатора и около него, както и от ефектите, които възникват в този случай. Следователно амплитудният спектър на изригванията има сложен характер.

За ясно идентифициране на зоните, от които идва радиацията, се използват специални колимиращи устройства или колиматори. Изработват се в различни форми и с различни геометрични параметри. Най-често използваните плоскопаралелни колиматори. В тях каналите са направени под формата на отвори, разположени по протежение на линията. Дебелината на преградите (преградите) между линиите и техният брой се определя въз основа на енергията на γ-квантите. Нискоенергийните колиматори имат тънка преграда и голям брой отвори (до няколко хиляди). Колкото по-дебел е колиматорът, толкова по-нисък ениво на измерване на изхода, но по-добра пространствена разделителна способност. Някои от добре познатите дизайни на колиматори, предназначени за използване в γ-камери, са показани на фиг. 1. Колиматорите с паралелни канали (фиг. 1а) са сред най-разпространените. Дивергентни колиматори с канали, отклоняващи се от детектора (фиг. 1б) се използват, когато е необходимо да се изследват протяжни обекти. При изследванията на малки обекти се използват пинхол (фиг. 1c) и конвергентни (фиг. 1d) колиматори. Освен това дупката е специален случай на конвергент. Той има един канал, който се събира към източника на радиация. Като материал на колиматорите се използва олово или други материали, в които радиоактивното излъчване бързо се разпада. Поради наличието му, детекторите регистрират само излъчването на обекта, преминал през отворите или каналите на колиматора.

Всички съществуващи детектори според тяхното предназначение могат да бъдат разделени на детектори за регистриране на динамични промени в радиоактивното излъчване и позиционно-чувствителни детектори. Ако първите позволяват да се оцени състоянието на органа чрез качествени показатели за неговото функциониране във времето, то вторите позволяват да се регистрира пространственото разпределение на γ-лъчение от излъчващия обект

Конструктивно и двата типа обикновено съдържат няколко детектора, сглобени в една структура (възел). В устройствата за динамична оценка на функционирането на даден орган, например за изследване на функцията на бъбреците (ренография), детекторите се поставят на стативи и се монтират в близост до изследвания орган. В някои случаи те се фиксират в прозрачен шлем, който се поставя на главата на пациента. Така например в съоръжение, предназначено за изследваниямозъчно кръвообращение, има 32 детектора (16 за всяко полукълбо), сигналите от които характеризират амплитудите на импулсите и тяхната честота се подават в устройството за обработка на информация. По същия начин е направена чувствителната част на устройството, предназначена за монитор на фракцията на изтласкване на лявата камера. При него детекторът се състои от сцинтилационен кристал и фотоумножител, разположени в полимерна кутия, поставена върху място на тялото. Има два колиматора. Единият от тях е насочен към лявата камера, а другият към белия дроб. Включването на колиматори се извършва с помощта на затвор. Излъчването от белия дроб също дава възможност да се оцени хода на фоновия сигнал.

Позиционно чувствителните детектори най-често са под формата на матрица, състояща се от чувствителни елементи. Един от редовете на матрицата е показан на фиг. 2 (PSD тип Enger).

Освен това обектът на измерване може да бъде сканиран от чувствителни елементи в радионуклидни скенери или в гама камери, където детекторният блок е направен от стационарни гама-топографски инсталации с фиксирани позиционно-чувствителни детектори. В радионуклидните томографи блокът от 1stors се движи по затворена крива, което позволява да се получи послойна визуализация на изследвания обект. В допълнение към визуализацията, камерите дават възможност за провеждане на изследвания чрез формиране на последователни изображения на обект (кадри).

В зависимост от нивото на откритата енергия на излъчване на радиофармацевтици, детекторите се различават за нискоенергийни (RFP Xe-133, J-125) и високоенергийни (RFP J-131, Au-198, S2-51) изследвания. Детекторите за високи енергии (300-400 keV) имат по-дебели сцинтилационни кристали с височина около 40 mm и фонова защита от олово с дебелина до 20-30 mm. Теглото им е около 20-50 кг. Детектори занискоенергийните лъчения имат дебелина на оловния екран от около 4 mm и относително малка маса. Следователно те могат да бъдат монтирани на подови стойки без никакви проблеми.