Гамма-локатор для выявления "сторожевых"

Гамма-локатор для выявления «сторожевых»
лимфатических узлов на основе
сцинтилляционного кристалла и
кремниевого фотоумножителя
Канцеров В.А., Ягнюкова А.К.
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Москва 2013г.
Концепция гамма-локатора

Задача радионуклидной диагностики: локализация
источника излучения гамма-квантов
(радиофармпрепарата) в биологическом объекте

Радиофармпрепарат (РФП) вводится в организм и
накапливается в областях злокачественных
новообразований

С помощью детектора гамма-излучения определяют
области повышенной концентрации РФП
Гамма-локатор – детектор гамма-квантов в области
энергий 60-600 кэВ; медицинский прибор,
предназначенный для определения локальных
источников гамма-излучения в мягких тканях организма
человека после введения радиофармпрепарата
Области использования гамма-локатора

Интраоперационный поиск «сторожевых» лимфатических узлов:
результаты биопсии СЛУ являются объективным диагностическим
критерием распространения злокачественного процесса
Хирургическое
удаление
злокачественных
новообразований
Поиск сторожевого
лимфоузла
Биопсия и
гистологический
анализ СЛУ
Оптимальными РФП для выявления «сторожевых» лимфатических узлов
признаны наноколлоидные препараты, меченные технецием-99м:
•
•
•
«Nanocis», диаметр частиц < 100нм – поставки прекращены с 2007г.;
«Нанотех, 99mTc» - на стадии клинических испытаний;
«Технефит, 99mTc» - сертифицирован для исследований печени;
предварительное фильтрование через мембрану с размером пор 100нм.
Области использования гамма-локатора

Неинвазивный поиск злокачественных образований – при условии
использования специфических и неспецифических РФП, проникающих
в опухолевые клетки
Рис.1. Схема работы с гамма-локатором
99mTc-MIBI, 99mTc-тетрофосмин
– примеры неспецифичных РФП;
проникновение молекул из крови через клеточную мембрану носит
характер пассивной диффузии по градиенту концентрации
Регистрирующая часть гамма-локатора
Прибор создан на основе сцинтиллятора, где происходит
конвертирование γ-квантов в фотоны, и фотоприёмника для
регистрации этих фотонов
Использованы последние
достижения как в
сцинтилляционной
методике (LYSO,
LaBr3:Ce), так и в
фотоприемниках (SiPM)
Рис.2. Внешний вид детектирующей части гаммалокатора: сцинтиллятор LYSO и фотоприемник
Выбор сцинтиллятора
Таблица 1. Сравнение характеристик сцинтилляторов
№
Сцинтилляторы
Световыход
относительн
о
световыхода
NaI(TI)
1
NaI(TI)
1
3,67
50
230
415
+
2
LSO
~1
7,41
66
40
440
-
3
LYSO
1,2
7,1-7,3
63
40
420
-
4
LaBr3:Ce
1,3
5,08
51
60
350
+
ρ, г/см3
Эфф.
Z
τ,
нс
λmax,
нм
Гигроскопичнос
ть
Выбор фотоприемника
Таблица 2. Сравнение характеристик SiPM и ФЭУ
N
Характеристики
SiPM
ФЭУ
1
Коэффициент усиления
~106
~106
3
Максимальная спектральная чувствительность,
нм
440
450
4
Uсм, В
25-90
1000-2000
5
Эффективность регистрации, %
30-40
1-20
8
Размеры
~1 мм2
~1 см2
9
Чувствительность к магнитным полям
Нечувствитель
ны
Чувствительн
ы
Экспериментальная установка
На рис.3. приведена схема экспериментальной установки,
с помощью которой проводились измерения
Рис.3. Схема экспериментальной установки.
SiPM- фотодиод; сцинтиллятор – LYSO, LaBr3:Се; У.- усилитель; Л.Р.линейный разветвитель; Л.З.- линия задержки; Д.- дискриминатор; QDC –
зарядово-цифровой преобразователь (Lecroy2249)
Экспериментальные данные
Спектры SiPM Hamamatsu 3х3 мм2
Сцинтиллятор LaBr3:Ce
Сцинтиллятор LYSO
1800
Ист. 137Сs (662кэВ)
ER=8%
2500
Ист. 137Cs (662кэВ)
ER=13%
1600
1400
2000
1200
1500
N
N
1000
800
1000
600
400
500
200
0
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
100
200
300
Ch
400
500
Ch
Рис.4. Экспериментальные спектры
600
700
800
900
1000
Экспериментальные данные
Спектры LaBr3:Ce
SiPM Hamamatsu 3x3 мм2
SiPM Ketek 3x3 мм2
160
200
Ист. 99mTc (140 кэВ)
ER=32%
Ист. 99mTc (140 кэВ)
ER=34%
140
120
150
-1
N, c
N, c
-1
100
100
80
60
50
40
20
0
0
200
600
400
Канал
800
1000
0
0
200
400
600
Канал
Рис.5. Экспериментальные спектры
800
1000
Реализация гамма-локатора:
прототип 1
Детектирующая часть при помощи
кабеля соединена с блоком
электроники. Результат измерений
выводится на цифровой
индикатор.
Рис.6. Прототип 1
Рис.7. Блок-схема прототипа 1
Измерение характеристик прототипа 1:
пространственное разрешение
Детектор
Коллиматор
Рис.8. Схема измерения пространственного разрешения и параметры коллиматора
Координатное разрешение ширина на полувысоте
функции зависимости счета
от координаты,
перпендикулярной оси
детектора.
Рис.9. Зависимость скорости счета от координаты.
Ист. 57Co (124 кэВ); FWHM = 21 мм
Измерение характеристик прототипа 1:
пространственная селективность
Пространственная селективность определяется углом наклона, на
который надо повернуть зонд, чтобы скорость счета снизилась в
два раза. Критерием является ширина на полувысоте функции
распределения скорости счета по полярному углу.
Коллиматор
Детектор
Рис.10. Схема измерения
пространственной селективности
Рис.11. Зависимость скорости счета от полярного
угла. Ист. 57Co (124 кэВ); FWHM = 16º
Реализация гамма-локатора:
прототип 2
Рис.12. Прототип 2.
Через разъем USB локатор
подключается к компьютеру.
Специальное программное
обеспечение позволяет
осуществить индикацию
результата, регулировку
напряжения и порогов
дискриминации.
DC-DC
Рис.13. Внешний вид платы и блок-схема прототипа 2
Экспериментальные данные
В прототипе 2 для
определения положения
фотопика был снят
интегральный спектр.
Нижней границе
фотопика соответствует
выделенная пунктиром
область.
Рис.14. Интегральный спектр источника Cs-137
(662 кэВ)
Температурная нестабильность
73,1
73,0
72,9
U, V
72,8
72,7
72,6
72,5
72,4
72,3
72,2
20
22
24
26
28
30
32
34
36
o
T, C
Рис.15. Зависимость скорости счета от времени
Рис.16. Зависимость рабочего Uсм от температуры
В ходе измерений обнаружилось снижение скорости счета детектора со
временем. Это объясняется температурной нестабильностью SiPM (рабочее
напряжение смещения линейно растет с температурой, коэффициент 56
Термокомпенсация
В преобразователе постоянного
напряжения (МАХ 1932) заложена
возможность температурной
компенсации выходного
напряжения с помощью
73,0
терморезистора.
72,9
Рис.17. Схема включения терморезистора
72,8
72,7
Расчет резистивного делителя
проверялся путем имитации
72,5
работы NTC термистора
72,4
подстроечным многооборотным
72,3
резистором.
72,2
Следующий этап: измерение
72,1
зависимости выходного
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
напряжения от температуры с
T, C
Рис.18. Компенсация выходного напряжения с помощью
терморезистором.
U, V
72,6
o
Эффективность регистрации гамма-квантов
а.
б.
26
50
24
45
Co-57 (124 кэВ)
Эффективность: (70±2)%
22
Cs-137 (662 кэВ)
Эффективность: (29±4)%
20
18
30
16
-1
35
N, c
N, c
-1
40
25
14
12
20
10
15
8
6
10
4
5
2
0
0
80
100
120
140
160
180
х, мм
200
220
240
260
70
80
90
100
110
120
130
140
150
х, мм
Рис.19. Зависимость скорости счета от расстояния между детектором и источником;
а. – Co-57 (124 кэВ), б. – Cs-137 (662 кэВ)
Для определения эффективности регистрации гамма-излучения (источник
Со-57, 124 кэВ) была построена зависимость скорости счета детектора от
расстояния между источником и детектором; сплошной линией проведена
расчетная зависимость, полученная из табличной активности источника.
Экспериментальные точки аппроксимируются зависимостью вида 1/R2,
следовательно, приближение точечного источника допустимо.
160
Прототип 2:
координатное разрешение и пространственная
селективность
160
4,5
Co-57 (124 кэВ)
ПР = 8 мм
140
4,0
Co-57 (124 кэВ)
о
ПС = 26
3,5
120
3,0
100
-1
N, c
N, c
-1
2,5
80
2,0
60
1,5
40
1,0
20
0,5
0
0,0
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
х, мм
Рис.20. Зависимость скорости счета от
координаты.
Ист. 57Co (124 кэВ);
FWHM = 8 мм
10
-60
-40
-20
0
,
20
40
о
Рис.21. Зависимость скорости счета от
полярного угла.
Ист. 57Co (124 кэВ);
FWHM/2 = 26º
60
Сравнение прототипа 2 с зарубежными аналогами
Таблица 3. Сравнение характеристик гамма-локаторов
Производитель
(страна)
Europrobe CsJ,
Eurorad
(Франция)
C-Trak OmniProbe,
Care Wise
(США)
Neoprobe
2000
(США)
Гамма-локатор 2
(МИФИ)
Координатное
разрешение, мм
Пространственная
селективность, °
Чувствительность,
имп/с/кБк
14
35
7
15
50
23
15
36
10
8
26
12
План работ над гамма-локатором
1. Изготовление нового прототипа с учетом дополнительных
требований:
-
термокомпенсация (или выбор другого SiPM);
замена сцинтилляторов, содержащих лантан или лютеций;
возможность вывода аналогового сигнала;
цифровая и звуковая индикация;
миниатюризация корпуса;
2. Сотрудничество с медицинскими центрами
3. Возможность мелкосерийного производства
4. Разработка прототипа компактного медицинского
детектора гамма-квантов на основе теллурида кадмия.
Перспективы работы с CdZnTe в качестве
детектора для медицины
1. Небольшой размер кристалла (5х5х2 мм3) обеспечивает
высокое энергетическое разрешение (4% на Со-57, 124 кэВ)
без потери эффективности регистрации (~70%);
2. Высокое энергетическое разрешение позволяет исключить
события, связанные с комптоновским рассеянием, что
приводит к улучшению координатного разрешения и
пространственной селективности;
3. Использование матриц на кристаллах CZT позволяет создать
компактные гамма-камеры с небольшим полем зрения,
высоким пространственным разрешением и контрастом
изображения, что является востребованным инструментом
современной медицинской визуализации
Спасибо за внимание!