Глава 4. Коллиматоры гамма-камеры: характеристики и проектирование
Как не удивительно, но из всех компонентов гамма-камеры наибольшее влияние на качество изображения оказывает коллиматор. Именно коллиматор является критическим элементом определяющим чувствительность, разрешение и контрастность изображения в ЯМ. Плохой коллиматор способен драматически уменьшить число детектируемых событий, ухудшить разрешение, уменьшить контраст изображения, увеличив проницаемость, или создать артефакты в изображении, связанные со структурой отверстий коллиматора. В этой главе анализируются основные концепции и проблемы, возникающие при проектировании коллиматоров гамма-камер. При изложении материала в основу взята обзорная работа [1].
Параметры конструкции коллиматоров Общее рассмотрение
Коллиматор выполняет важнейшую функцию локализации р/н в пациенте, фокусируя γ-излучение, выходящее из его тела. Фокусирование падающего излучения коллиматор реализует через его поглощение. В основе механизма, таким образом, лежит простая геометрия. Идеальный коллиматор пропускает падающий фотон, если только его траектория проходит целиком внутри каналов коллиматора. Если же фотон падает на поглощающий материал стенок, называемый септой, или на верхнюю часть септы (поверхность между отверстиями каналов), то в идеальном коллиматоре он должен немедленно поглощаться, не давая никакого вклада в изображение. Следовательно, ответ на вопрос, пройдет конкретный фотон через коллиматор или поглотится, зависит геометрии траектории фотона.
Чтобы пройти через коллиматор, фотон должен иметь направление движения, находящееся в пределах небольшого телесного угла. При отсутствии рассеяния в теле пациента фотон распространяется по прямой линии от точки эмиссии до точки детектирования в кристалле гамма-камеры. Таким образом, коллиматор накладывает сильную корреляцию между позицией в изображении и точкой образования фотона внутри пациента. В силу ограничения допустимых направлений распространения фотонов до пределов малого телесного угла, б'ольшая часть фотонов поглощается в материале коллиматора. В типичном варианте только 0,01 % испускаемых фотонов попадает через каналы коллиматора в кристалл камеры. Поэтому даже небольшое усовершенствование в конструкции коллиматора может существенно повлиять на статистику регистрируемых событий.
Параметры, определяющие конструкцию коллиматора, можно разделить на три группы [1]. К первой группе относятся параметры, которые не могут быть изменены и определяются фундаментальными свойствами системы визуализации. Во вторую группу входят параметры, определяющие основные характеристики коллиматоров. Эти параметры в определенных пределах, не нарушая общей концепции конструкции коллиматора, допустимо варьировать. Третья группа состоит из простых геометрических размеров каналов, которые подстраиваются производителями для тонкой регулировки.
Системные параметры
Хотя параметры первой группы изменению не подлежат, тем не менее, коллиматор должен проектироваться так, чтобы компенсировать часть этих факторов. Известный пример – выбор р/н. Радиофарпрепараты, применяемые в ЯМ, по разным причинам связываются сегодня с широким набором р/н, каждый из которых имеет свой энергетический спектр испускаемого γ-излучения. Так как проникновение через септу коллиматора очень существенно зависит от энергии фотонов, то это, в свою очередь, влияет на свойства изображения. В результате клиники обычно обеспечиваются набором коллиматоров для разных энергетических диапазонов.
Другой параметр, влияющий на конструкцию коллиматора, – это собственное (внутреннее) разрешение камеры. Оно сложным образом зависит от толщины детектора и электроники камеры. В типичном варианте собственное разрешение, измеряемое как FWHM, находится в интервале 3 – 4 мм. Если коллиматор спроектировать с разрешением лучшим, чем собственное разрешение системы, то это будет бесполезной потерей части отсчетов камеры.
Еще один фактор первой группы – расстояние (зазор) B между задней поверхностью коллиматора и плоскостью изображения внутри кристалла детектора (рис. 4.1). Типичный зазор составляет 4 мм, он необходим, чтобы обеспечить безопасность кристалла особенно во время ротации. Еще несколько (
3) миллиметров добавляется для учета расстояния, которое фотон в среднем проходит в кристалле перед взаимодействием, так что полная величина B ≈ 7 мм.
Рис. 4.1. Основные параметры геометрии коллиматора с параллельными каналами при визуализации точечного источника [1]
Существенно влияют на конструкцию и параметры коллиматора (особенно на разрешение коллиматора) среднее расстояние (F) между источником и фронтом (передней поверхностью) коллиматора. При клиническом применении обычно F ≈ 10 ÷ ÷ 20 см. Если источник находится на расстоянии, меньшем чем толщина коллиматора, появляется неоднородность в чувствительности.
Ограничения на конструкцию накладывает также допустимая доза для пациента при проведении процедуры. Если допустима высокая доза, то чувствительность коллиматора не имеет значения. В противном случае ситуация меняется.
Базовые конструкционные параметры коллиматора
Начнем с материала коллиматора. Коллиматоры изготавливаются из материалов с высокой плотностью и высоким атомным номером, чтобы основным процессом взаимодействия фотонов было фотоэлектрическое поглощение. Наиболее часто коллиматоры делаются из свинца с добавлением небольшого количества (3 ÷ 6 %) сурьмы. Однако при анализе распределений высокоэнергетических р/н (особенно  кэВ) необходимая толщина коллиматора становится слишком возрастает (> 10 см), что из-за большого веса подобного коллиматора создает много дополнительных трудно решаемых проблем. Для изготовления коллиматоров были предложены также такие материалы как вольфрам, тантал и золото, имеющие большую плотность, чем свинец. Однако трудности в плавке и механической обработке этих материалов, а также стоимостные проблемы препятствуют их широкому применению в этой области.
После выбора материала коллиматора следующая группа фундаментальных задач, решаемых при проектировании коллиматора, относится к его геометрии. Однако прежде чем приступить к их изучению, необходимо ответить на ряд принципиальных вопросов, в первую очередь связанных с расположением и ориентацией каналов коллиматора, что, в свою очередь, зависит от предполагаемой области применимости. Базовая геометрия коллиматора требует спецификации: 1) ориентация осей каналов; 2) форма поперечного сечения и расположение каналов; 3) сужаемость диаметра каналов. Из трех перечисленных спецификаций наибольшее влияние на качество изображения имеет ориентация геометрических осей каналов.
Исторически простой пинхольный коллиматор был первым коллиматором, нашедшим применение в медицине. Хотя изображение, даваемое этим коллиматором является перевернутым и зависит от положения источника, он обладает очень хорошим пространственным разрешением. Однако пинхольный коллиматор из-за малой апертуры обладает плохой чувствительностью. В настоящее время наибольшее распространение в медицине нашли коллиматоры с параллельными каналами (КПК). Им и уделяется основное внимание в этой главе. В некоторых приложениях коллиматоры с альтернативной ориентацией каналов обладают определенными преимуществами перед ними, однако они сложнее в проектировании и производстве и дороже.
Новые предложения и усовершенствования конфигурации и координатной сетки расположения отверстий в КПК часто обсуждаются в литературе, многие варианты экспериментально исследуются и патентуются. Однако производители неохотно идут на серьезные изменения [1]. На рис. 4.2 показаны четыре наиболее часто используемые конфигурации отверстий каналов КПК. Она характеризуется двумя взаимозависимыми элементами: действительная форма поперечного сечения канала (круглая, квадратная и гексагональная) и относительной позицией канала на передней поверхности КПК. Так как конфигурация отверстий периодически постоянна, положение отверстия определяется двумя базисными векторами ( ), специфицирующими ячейку решетки. Эти вектора связывают центры прилегающих отверстий каналов (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Конфигурация отверстий для четырех разных коллиматоров с параллельными каналами. Для каждого вида ячейки решетки показаны базисные векторы [1]
В большинстве случаев из формы поперечного сечения канала естественно вытекает структура решетки. Однако, хотя круглые отверстия могут располагаться как в квадратной, так и в гексагональной решетке, они обычно размещаются в гексагональной, так как это максимизирует площадь отверстий на лицевой поверхности КПК.
Подстроечные параметры геометрии коллиматора
На практике различия между коллиматорами ограничены формой канала (и связанной с ней конфигурацией решетки) и тремя геометрическими размерами: а) толщина коллиматора T; б) диаметр канала D; г) расстояние между каналами HOLSEP. Для КПК толщина коллиматора равна длине канала. В случае круглых каналов диаметр D определяется однозначно, для квадратных каналов под D подразумевается длина стороны, для гексагональных же каналов под D здесь будет пониматься расстояние между противоположными сторонами канала. HOLSEP связан со структурой координатной сетки решетки (конфигурацией) и определяется как длина наименьшего базисного вектора решетки. Для большинства конфигураций это расстояние равно дистанции между центрами прилегающих отверстий. Разность между расстоянием между каналами и диаметром канала равна минимальной толщине септы (HOLSEP– D = толщина септы).
В следующем разделе будет показано, что многие свойства изображения не изменятся при простом масштабировании размеров. Так, например, если все три геометрических параметра коллиматора (T, D, HOLSEP) помножить на один и тот же коэффициент, то изменение визуализационных качеств коллиматора будет невелико. Как следствие, два геометрических параметра можно заменить безразмерным отношением. Одно важное отношение обозначается α и равно отношению диаметра коллиматора к его толщине (α = =D/T). Оно определяет разрешение коллиматора. Другое важное отношение обозначается β и равно отношению расстоянию между центрами прилегающих отверстий к толщине коллиматора (β = =HOLSEP/T). Оно влияет на чувствительность и прохождение через коллиматор. Можно сказать, что три параметра α, β и T являются более информативными, чем предыдущие T, D, HOLSEP.
|
Скачать 9.62 Mb.