Gamma Kamera
Kollimator (Anforderungen):
- Material mit hoher Ordnungszahl Z
- Schwächungslänge: für Kollimator, je kürzer, desto besser
- Formen, Wanddicke: Hexagonal, rund, 4-eckig, Schlitz —> bestimmen Effizienz und räuml. Auflösung
- Orientierung der Löcher: parallel (Organe könnten Überlappen, Form des Bildes nicht von Distanz abhängig), schräg, divergent: Objekt wird kleiner, und konvergent:Objekt wird größer (von Kamera zu Patient)
- Multi(Pinhole): invertiertes vergrößertes Bild —> Challenge: Überlappung von versch. Größen., Auflösung verschlechtert sich bei zunehmender Distanz und größerer Löcher und kleinerem Septa
- effektive Länge ist abhängig vom Isotop
Szintillator (Umwandlung von Gamma-Photonen in Lichtphotonen):
- Lichtführung zur Verteilung der Lichtphotonen an PMTs
- Signale können überlappen
Je schwächer Szinti-Licht, desto mehr Signale verlieren wir
Light-Guide (Lichtsammlungseffizienz/Uniformität verbessern):
Kein muss
- verteilt und lässt Lichtphotonen durch zu PMT (weit verteilt auf PMT
Anordnungen)
PMT (Umwandlung der Lichtphotonen in Elektronen (Strom) und Verstärkt Signal)
Unterschied parallel zu Pinhole/Fanbeam Kollimator ?
Pinhole/Fanbeam Kollimator —> Distanz hat Einfluss auf Effizienz
Detektorelektronik von PMT zu Eventpositionierung
Augang PMT —> Vorverstärker —> Analog-zu Digital Umwandler digitalisiert Signal —> Signal
Prozessoreinheit —> Event Positionierung
Energie eines Events ?
Bestimmung des Ortes der Gammastrahlinteraktion ?
Nachteil der Ortbestimmung?
… ist proportional zur Summe von allen PMT-Ausgangssignalen
Ort der Gammastrahlinteraktionen wird mit der Verteilung der Signalamplitude in den PMTs geschätzt.
Amplitude verkleinert sich mit Erhöhung der Distanz.
- Formel: Center of gravity (Anger-Logic) —> keine Tiefeninfo
Radionuklide, Radioaktivität
Wahrscheinlichkeit, dass k=n*Zerfälle innerhalb Dt Intervall auftreten ist durch Wahrscheinlichkeitsverteilung gegeben:
Binomial (Erfolgswahrscheinlichkeit ändert sich nicht von einem zum nächsten Versuch)—> Poisson —> Gaussian (Normalverteilung)
Binomial kann durch Poisson angenähert werden und poisson kann durch Gaussian angenähert werden.
Zerfall eines Kerns ist unabhängig von Zerfall anderer Kerne in der Probe.
Alle Atome in der Probe sind identisch/unabhängig
Atomabhängig ob binomialer oder poissonscher Zerfall (also ob zu kurzer Zerfall)
Szintillationsdetektoren
- ) Komponenten
- ) Detektion der Strahlung Abfolge
- Szintillationskristall, PMTs
1. ) Szintillator absorbiert ionisierte Strahlung und produziert Licht-Photonen = Szintillationslicht
2. )PMT wandelt Licht-Photonen in elektrischen Strom
Blockdetektor, verpixelte Detektoren mit Lichtteilung in PMTs und eins-zu-eins-Kopplung
Andere Detektortypen:
- Halbleiterdetektoren
- Proportionale Gaskammern
Szintillatoren:
Intrinsische Energieauflösung
Dichte, effektive Ordnungszahl Z
Fotobrechung
Signalzerfall Zeit
Fotoumwandlung soll so linear wie möglich sein —> Ideal: # Scintillationsphotonen sollte
proportional zur Energie durch eingefallene strahlung in den Scintillator
- Hohe Energie-Auflösung —> um Streuung zu verwerfen: Energie durch Compton ist kleiner als
durch Photoeletrischen effekt
Z: Material für PET sollte dicker, da höhere Energie (511 keV)
Bei SPECT,Scint: 140 keV bei Tc
Hohe Fotobrechung ist gewollt(Absorbtion)
Kristalle sollten schnell sein —> Szintillationslicht sollte direkt nach Photonenwechselwirkung emittiert werden.
Photodetektoren
PMTs: KOmponenten
Avalanche (APD), SilikonPM, PMTs
PMTs: produzieren Strompuls, wenn durch sehr schwache Lichtsignale stimuliert wird
- Kathode: hohe Quanteneffizient erreichen!
Fokussierendes Gitter lenkt Photoelektronen zur ersten Dynode - Dynoden: erste Dynode, die eine positive
Spannung besitzt (atraktiv für Elektronen)
Dyonodenmantelung sollte hoch-sekundäre Emissionen hervorbringen —> Exponentialer
Prozess
Und Unterschiede der Spannung
Beispiel: Multiplikationsfaktor 5 mit 10 Dynoden: 5^10 - Anode: große Ströme werden gesammelt —> der Strom ist prop. Zur Intensität des
Lichsignals - Hochspannungsversorgung
Energieauflösung vom PMT
Verwischung des Spektrums durch statistische Variationen
…
Wechselwirkungen von Strahlung mit Marterie
Wechselwirkungen können im Patient und im Detektor (Gammakamera) auftreten:
Photoelektrische Absorption (Photon verschwindet und stößt Elektron raus bevorzugt und Compton Streuung nicht (keine doppelte Wechselwirkung mit dem Photon)
—> Sekundärelektronen treten bei beiden auf
Penetration des Septa’s nicht erwünscht, aber photoelektrische Absorption —> hohe Ordnungszahl)
Nicht relevant in klassischer NUKL:
- Paarproduktion
- raleigheffekt ( Kohärente Streuung)
Szintigrafie
Patient erhält 99mTc(Technetium)
Man erhält ein Planares 2D-Bild —> keine Tiefenunterschiede der Pixel möglich
Datenaufnahme über
- Frame-Mode
- List-Mode
Szintigramm: Rohbild (Pixelintensität entspricht die Anzahl der Gamma-Photonen deren geschätzte Wechselwirkungsposition innerhalb des Pixels liegt)
Matrixgröße ist ein Kompromiss zwischen Auflösung und Rauschen —>
64x64: verschwommener Effekt
256x256: mehr Rauschen (wenig Photonen pro Pixel, Poisson-verteilt in einem Pixel)
Ortsauflösung: Pixelgröße nach SamplingTheorem!
Pixelgröße<=(FWHM der PSF)/2
SPECT
Single-Photon-Emissions-Tomografie
Patient erhält 99mTc(Technetium) wie bei Szinti.
Ergänzung zur planeren, konventionellen Szintigrafie
2D/3D tomografische Verfahren —> tomografische Rekonstruktion
Einzel/mehrere um den Körper rotierende Kameras —> Schichtaufnahme —> Verteilung des Radiopharmakons genauer lokalisierbar
—> Fusion mit CT: strukturelle UND funktionelle Infos gleichzeitig
- Einfachstes SPECT-Gerät:
Single-head gamma Kamera rotiert um Patient 360° —> Bei jedem Winkel wird eine 2D-Projektion erhalten.
PET
Radiopharmaka im Zyklotron (Kreisbeschleuniger) hergestellt.
—> 18F-FDG: mit 18F markierter Traubenzucker in Patient
Substanz gelabelt mit Positron(durch Beta+Zerfal)-emittierendem Radionuklidtracer
Elternnuklid ist Protonenreich(instabil) —> beta+Strahlung —>Neutron+Positron+Neutrino
Positron Trift auf Elektron —> 2 GammaPhotonen
Analytische Bildrekonstruktion
…
Iterative:
Algebräische
Statistische Bildrekonstruktion
FBP
(ML)EM: Optimierungsalgo. einer likelyhood Statistik (ML)
- Schätzung finden: Algo., der nach dem Maximum sucht: Iterative Prozeduren, die Sequenz von Bildschätzungen produzieren.
—> generell: f(k+1)=f(k)+t Delta(f(k))
- ML-Kriterium:
Die “beste Lösung” f ist definiert als das Bild, bei dem die gemessenen Daten mit der größten Wahrscheinlichkeit erkannt worden wären.
Likelyhoodfunktion L(f)=p(y/f): Wahrscheinlichkeit der Messung des Zufallsvektors y bei einer (unbekannten) Aktivitätsverteilung f und einem Poisson-Datenmodell
SPECT- INstrumentation
…
SPECT - Bildentstehungsmodell
..
SPECT - Trends
Materialien
- Bestimmte HerzuntersuchungsSysteme
- Ganzkörpermassagen SPECT-CT Hochempfindlich
Cadmium Telluride
Radioaktivezerfallskette
Was der Generator
3-Kern-Kette: Elternteil P —> Beta-Zerfall —> Tochter D (Radionuklid)—> Gamma-Umwandlung —> Tochter D —> Beta-Zerfall —> Nuklid
Tochternuklide werden im Generator hergestellt und alle 24h herausgelöst, um Wirkungsgrad des Generator zu erhöhen.
Was macht das Energiefenster?
- sorgt dafür, dass man nur Signale, die in einem bestimmten Energieintervall liegen detektiert, da wenn kleinere Energien detektiert werden, die durch Compton zustande gekommen sein könnten.
- Es schränkt den Streuungswinkel der gestreuten Photonen ein.
- Je kleiner, desto besser, aber nicht zu klein, um nicht zu wenig Photonen zu detektieren.
SPECT: schwerer gestreute Photonen abzuschotten, da wir generell niedrigere Photonenenergien haben und diese sich durch die Streuung nur gering verändern.
PET: höherer Energieunterschied von E0 und E1min.
—> hohe Wsl für Streuung bei kleinere Streuungswinkel
—> Atome mit mehr Elektronen (Blei) weisen einen höheren Photoelektrischen Effekt-wsl als Compton Streuung auf.
Compton höher bei Wasser als bei Knochen
Elastische und unelastische Kollisionen
Cherenkov Effekt?
Unelastisch (nahe und distante): geladenen Teilchen verlieren kinetische Energie —> Energieübertragung
Elastisch: kein Energieverlust, nicht relevant für Strahlungdetektion
Energieverlust durch Strahlungsprozesse
1.)—> Ablenkung des Elektrons —> X-Ray (bei CT und Radiografie/Therapie
2.) Cherenkov: elektromagnetische Strahlung wie akustische Schockwelle produziert (Elektron schneller als Licht durch Materie —> konstruktive Interferenz —> Emmission von Strahlen und Medium wird polarisiert
—> in Medizin: Visualisierung von Radioisotopen, die über Beta(minus)-Zerfall zerfallen und durch große Energiefreisetzung gekennzeichnet, und Radiotherapie
Annihilation (nicht Paarproduktion)
Positronrange
Wenn ein subatomares Partikel mit Antipartikel zusammenprallt —> beide verschwinden —> Energie wird frei, 2 co-lineare Photonen entstehen
E=(me+ + me-)c^2= 2x511 keV
PET: Positron-Elektron-Vernichtung relevant
Positron nach Betazerfall (bei PET oder Paarproduktion) emittiert
Positronrange:
Elektron (geladenes Teilchen) durch Marterie —> Spur von Sekundärelektronen und ionisierte Atome werden hinterlassen
Elektronen und Positronen können mehrere Kollisionen/Wechselwirkungen erfahren —> unvorhersehbare Wege
Bereich: Position wo emittiert und wo sie vernichtet (Strahlung) werden
Elektrisches Rauschen
In PMTs
statistische Prozesse: Emission der Szintillatorphotonen und sekundären Elektronen an Dynoden
Für Photon in N Phasen (Dynoden in PMT): M=Anzahl der gesammelten Elektronen in der Anode ist eine zufällige Variable —> Kettenprozess
—> erste Dynode sehr relevant: Spannung sollte stabile sein —> sonst mehr Schwankungen in der konstanten Energie
Spannung nimmt zu in Dynoden von 1 nach 2 nach 3 nach… Anode
Szintigrafie - Bildwiederherstellung
Projektionsbild durch Kollimator —> zur direkten Diagnose genutzt, aber kann mit Rekonstruktionsalgos verbessert werden —>
- Rauschunterdrückung mit Entrauschfilter
- iterative Wiederherstellung: (iterative Annäherung):
f(Messungen)=A(PSF-Effekte)f(wahr)
- KI
- Deep CNN
Bildformationsmodell mit geschwächtem Radonintegral für parallel Kollimatoren
