Performance das câmaras gama

Transcrição

1 Performance das câmaras gama Parâmetros importantes resolução em posição resolução em energia eficiência/sensibilidade uniformidade linearidade taxa de contagem máxima Controlo da qualidade controlo da qualidade das câmaras gama consiste em testes periódicos desses parâmetros de acordo com os normativos definidos em publcações do NEMA (National Electrical Manufacturers Assocation) 34

2 Resolução em energia Energia depositada no cristal calcula-se somando amplitudes de sinais de todos os fotomultiplicadores E O pico descreve-se com a função de Gauss 1 exp 2πσ ( E E ) 0 2 2σ 2 E = N i= 1 U i E 0 = FWHM 2.35σ A resolução em energia caracteriza-se normalmente com FWHM full width at half maximum Resolução típica das câmaras com cristal de NaI(Tl) para 140 kev ~12% FWHM Boa resolução em energia permite eliminar os fotões que sofreram dispersão de Compton no corpo 35

3 Medida instrumental : Resolução em posição (I) fonte δ (x) 1 imagem e 2 x m 2 2σ FWHM FWTM (x m x medido) x x m (medido) FWHM full width at half maximum FWTM full width at tenth of maximum para a distribuição gaussiana de x m FWHM 2.35σ as vezes (em física em especial) sob a resolução entende-se σ se a distribuição de x m não for gaussiana, o σ deixa de fazer sentido, mas os FWHM e FWTM continuam 36

4 Medida visual : Resolução em posição (II) x x = 3σ resolvidos x = 2.35σ x = 2σ não-resolvidos FWHM (= 2.35σ) é uma boa medida para a resolução 37

5 Resolução em posição (III) Controlo rápido (semanal, diário): Bar Phantom Imagem Standard bar phantom a = 4, 4.8, 6.4 e 9.5 mm (largura das faixas de Pb) High Resolution phantom a = 3.2, 4, 4.8 e 6.4 mm Extra High Resolution a = 2, 2.5, 3 e 3.5 mm FWHM 1.7a (a largura da faixa mais estreita resolvida) coloca-se em contacto com o cristal (para avaliar a resolução intrínseca) ou em colimador (para medir a resolução do sistema) e irradia-se de uma distância grande com uma fonte ontual de 99m Tc 38

6 Resolução intrínseca e do sistema Como o mesmo detector pode ser usado com vários colimadores diferentes, são definidos os parâmetros: intrínsecos i.e. só da câmara sem colimador do sistema (ou extrínsecos) do sistema inteiro com colimador Resolução em posição do sistema: R = R + s 2 i R 2 c R i resolução intrínseca do detector, R c resolução do colimador (depende das dimensões desse mas também da distância entre o colimador e objecto) 39

7 Idealmente, Uniformidade: medição uma irradiação uniforme do sistema devia resultar numa imagem uniforme Teste da uniformidade do sistema (com colimador) Teste da uniformidade intrínseca (só a câmara, sem colimador) Uma fonte líquida uniforme de 57 Co (122 kev, T 1/2 =270 d) Flood source Fonte pontual de 99m Tc (140 kev, T 1/2 =6 h) 40

8 Exemplo de não uniformidade Uniformidade Número de contagens por unidade de área (pixel, por exemplo) N image const(x,y) apesar de actividade da fonte ser constante A source = const Origem: amplitude do sinal E depende da posição Espectro de energia N E Janela do discriminador N E medida = U i i= 1 E medida 41

9 Mascara de chumbo Linearidade Resposta linear: X measured = k X true Resposta não linear: X measured k X true x medido x medido a origem está no algoritmo da reconstrução das coordenadas uma vez conhecida, pode ser corrigida x verdadeiro X = x verdadeiro N i= 1 x i U i 42

10 Câmara Gama: sinais E = N i= 1 U i - sinal de soma (energia) U i - sinais de cada fotomultiplicador X + x i U i X Sinais de posição X = N i= 1 x i U i X = X + + X E varia ligeiramente com x isto dá origem a não-uniformidade desvios da recta no gráfico X reconstruido em função do X verdadeiro resultam em não-linearidade na imagem 43

11 Taxa de contagem máxima detector ideal e t τ Origem sobreposição dos impulsos (pile-up) non-paralyzable a taxa de contagem satura paralyzable a taxa de contagem atinge um máximo e depois decresce Medição: Decaying source method com uma fonte com T 1/2 curto R=R 0 exp(-t/t 1/2 ) durante a medição Graded source method com várias fontes de actividade calibrada 44

12 Taxa de contagem máxima Exemplo - câmara gama ADAC Genesys NaI(Tl): τ 250 ns para que as perdas sejam <10%, o intervalo médio entre os impulsos deve ser ~ 20τ a 30τ, i.e. ~5 7 µs R max ~10 5 cps Journal of Nuclear Medicine Technology Vol. 28 (2002) Valores típicos para as câmaras de Anger até kcps (kilo counts per second) Algumas câmaras especiais com compensação do pile-up conseguem até R max ~10 6 cps (por exemplo, Journal of Nuclear Medicine Vol. 42 No. 4 (2001) ) 45

13 Taxa de contagem máxima Efeito de pile-up na imagem 4 fontes pontuais, baixa taxa de contagem (não há pile-up) pile-up de 2 impulsos pile-up de 3 impulsos Efeito de pile-up no espectro do 99m Tc A 1 2A 1 Journal of Nuclear Medicine Vol. 42 No. 4 (2001)

14 Câmaras de Anger comerciais: performance espessura do cristal de NaI(Tl): 1 a 1.3 cm número de fotomultiplicadores: 60 a 100 campo de visão: 40 cm ou 40 x 50 cm 2 gama de energias: 50 kev a 400 kev eficiência para 140 kev: 90% resolução intrínseca em posição: 3 a 4 mm (FWHM) resolução em energia: 9.5% a 12% (FWHM) taxa de contagens máxima: 100 a 300 kcps linearidade: 1 mm uniformidade: 4% 47

15 Câmaras gama: Exemplos 49

16 Para benefício de todos 50

17 De 2-dimensões a 3D SPECT Single Photon Emission Computer Tomography Single Photon a imagem é obtida com fotões únicas (um decaimento um fotão emitido) Emission o fotão é emitido do dentro do corpo ao contrário da imagiologia com raios X em que os fotões são emitidos por uma fonte externa (transmission imaging) Computer Tomography imagens em 3D são reconstruídas com as técnicas computacionais 52

18 SPECT A ideia é medir imagens planas segundo várias projecções e reconstruir a distribuição do radioisótopo em 3D usando os algoritmos semelhantes à CT. Diferênça substancial: a fonte de raios gama está dentro do objecto Realização: rodar uma ou várias câmaras gama 54

19 Câmaras SPECT No limite aaa bbb 56

20 Imagiologia com câmaras gama Imagens planos Estáticos Dinâmicos Sincronizados com ECG Do corpo inteiro (wholebody scanning) Imagens em 3D Imagens tomográficos estáticos Tomografia sincronizada com ECG Tomografia do corpo inteiro 58

21 Exemplo da imagem estática: ventilação/perfusão pulmonar (99m Tc-DTPA um aerosol, partículas ~1 nm) respirado injectado 59

22 Imagem dinâmica A capacidade de funcionar às taxas altas é fundamental 60

23 Sincronização com o ritmo cardíaco durante um cíclo são adquiridas várias imagens as imagens correspondentes à mesma fase do ciclo somam-se durante muitos ciclos 61

24 Corpo inteiro: exemplo 62

25 Imagem tomográfica: exemplo 63

26 Imagem tomográfica: exemplo 64

27 E γ p γ e Compton camera p e E e p γ θ E γ E γ = E γ γ 1+ 2 m c cosθ = 1 E e E e = E γ E γ γ E ( 1 cosθ ) E e ( E E ) Mede-se a energia transferida ao electrão determina-se o ângulo da dispersão γ e m e c 2 detecção E e, x,y x,y reconstrução E e, x,y x,y θ Det.1 Det.2 68

28 Compton camera (em desenvolvimento) E e, x,y x,y θ Colimação electrónica o colimador não é preciso ganha-se logo um factor de ~ em eficiência para conseguir uma resolução de ~3 mm é necessária uma resolução em energia muito boa no 1º detector (~1.5% a 140 kev) semicondutor semicondutor área limitada perde-se a eficiência geométrica o material do 1º detector deve ser com Z baixo para maximizar a probabilidade do Compton a espessura: fina poucas interacções; grossa alta probabilidade de interacções múltiplos 69

29 Câmara CZT - CdZnTe e h TFT CZT 4% g Leitura em 2D CZT é um semicondutor sinal impulso da corrente resultante da ionização q = CZT E γ ( N + N ) e 2 e I( t) dt = = e h W 2.5 mm x 2.5 mm x 5 mm (já existe 1.6 mm x 1.6 mm x 5 mm) Resolução em posição = tamanho do pixel 76

30 Câmara CZT comercial 20cm x 20 cm IMARAD Evolução: 16 x 16 pixeis 77

31 CZT vs câmara de Anger com NaI(Tl) Vantagens das câmaras com CZT: Boa resolução em energia permite melhor discriminação do Compton Boa resolução em posição (1.6 a 2.5 mm contra 3-4 mm para câmaras de Anger) O tempo de recolha de carga é ~100 vezes mais curto do que o tempo de cintilação do NaI(Tl) maior taxa de contagem é possível Desvantagem: CZT ainda é muito caro câmaras pequenas CZT NaI(Tl) Anger camera Aplicação principal cintigrafia da mama 79

32 Imagem combinada: CZT + CT Alta resolução do CZT em energia permite distinguir raios gama provenientes de isótopos diferentes Alta resolução do CT em posição permite reconstruir o esqueleto com grande precisão e também localizar os órgãos 140 kev 159 kev 71 kev, 80 kev GAMMA MEDICA-IDEAS CZT 81