Gamma Camera (Anger Camera) Andrea Pentiricci Luca Indovina

Diagnostica per immagini in Medicina Nucleare

 GAMMA CAMERA sistema per la produzione di immagini biomediche si basa sulla proprietà di alcuni rivelatori di radiazioni di convertire l’energia dissipata dai fotoni X e g nelle loro interazioni, in impulsi elettronici di ampiezza proporzionale 

Rivelatore a Scintillazione

rivelatore NaI(Tl) la luce prodotta nel cristallo viene trasformata in impulso elettrico per mezzo di una matrice di fotomoltiplicatori spessore del cristallo ridotto: compromesso tra efficienza e risoluzione spaziale: con lo spessore aumentano le interazioni Compton l’incremento del numero dei fotomoltiplicatori migliora in linea teorica la risoluzione spaziale intrinseca guida di luce tra i fotomoltiplicatori esiste uno spazio morto dove la luce non viene raccolta finestra d’ingresso esagonale tecniche di scolpitura superficie del cristallo

in una interazione la luce prodotta nel cristallo si propaga in modo isotropo e viene così raccolta da più fotomoltiplicatori le coordinate dell’evento di origine sono stabilite con una media pesata, in cui il peso è attribuito ad ogni fototubo da una matrice di impedenze che attenuano progressivamente il contributo ai segnali di posizione dei PM più lontani rispetto al centro del cristallo l’operazione di media pesata è limitata ai soli fototubi che più contribuiscono al segnale, tramite l’impiego di preamplificatori a soglia il contributo di informazione dei PM più lontani è modesto e affetto da una incertezza statistica elevata, con un peggioramento del rapporto segnale – rumore complessivo

collimatore immagine della distribuzione di un correlazione tra posizioni di emissione dei fotoni g e le coordinate di posizione registrate a seguito delle relative interazioni immagine della distribuzione di un radiofarmaco entro un organo fotone Compton non porta informazioni collimatore sono selezionate solo determinate linee di propagazione dei fotoni si possono distinguere diverse componenti di risposta: si desiderano solo quella geometrica ed assorbita, ma in realtà vanno considerate anche quella scatterata e di penetrazione

caratteristiche di un collimatore RISOLUZIONE SPAZIALE capacità del rivelatore di risolvere due distinte sorgenti di radiazioni (FWHM) numero di eventi rivelati nell’immagine per mCu di attività della sorgente, trascurando l’assorbimento della sorgente stessa SENSIBILITA’ rapporto tra la quantità di radiazione g che raggiunge il cristallo e quella delle radiazione emessa dalla sorgente (valore massimo della curva di risposta ad una sorgente puntiforme posta sull’asse del collimatore) EFFICIENZA

la sensibilità è direttamente proporz. al FOV area compresa entro i limiti dell’ombra: regione in cui la risposta del collimatore è costante area compresa entro i limiti della penombra: regione in cui la risposta non è più costante, decremento del conteggio allo spostarsi di una sorgente uniforme dal centro verso la periferia le linee di penombra definiscono il FOV del cristallo la sensibilità è direttamente proporz. al FOV la risoluzione è inversamente proporz. al FOV

principali tipi di collimatori fori perpendicolari al piano del cristallo; il FOV della gammacamera rimane inalterato e gli organi sono riprodotti con le dimensioni originali costituito da un unico foro, determina l’ingrandimento di un organo di piccole dimensioni, posto sui piani superficiali del paziente effetto di ingrandimento degli organi studiati consente di realizzare un FOV maggiore delle effettive dimensioni del cristallo, riproducendo gli organi con dimensioni ridotte rispetto a quelle reali

i collimatori vengono classificati sulla base convenzionalmente suddiviso in basse, medie e alte energie i collimatori vengono classificati sulla base dell’intervallo di energie dei fotoni per i quali sono applicabili, della risoluzione spaziale e della efficienza di conteggio che permettono di conseguire non è possibile conciliare la scelta fra risoluzione spaziale ed efficienza: si fa ricorso a più collimatori che rappresentano diversi livelli di compromesso tipo dimensione spessore lunghezza penetrazione sensitività risoluzione colIim. fori setti (%) (cpml,uCi) di sistema (mm) a 10 cm LEHS 1.8 - 2.3 0.2 - 0.3 20 - 25 3.0 - 4.5 600 - 900 11 - 14 LEGP 1.4 - 1.6 0.2 - 0.25 1.5 - 2.0 300 - 450 9 - 10 LEHR 1.4-1.5 0.15 - 0.2 25 - 30 1.0 - 1.5 150 - 230 7.5 - 8.5 LEUHRfan 1.4 - 1.5 0.14-0.16 30 - 35 150- 200 7.0 -7.5 MEGP 3.0 - 3.5 0.8 - 1.2 45 - 60 150 - 250 11 - 13 HEGP 3.5 - 4.0 55 - 60

collimatori a fori paralleli presentano dei canali di collimazione con l’asse perpendicolare al piano del rivelatore (relazione di Anger) a parità di distanza della sorgente, R è migliore per un collimatore con fori più piccoli e setti più lunghi R non stazionaria: dipende da d efficienza indipendente da d lo spessore dei setti, funzione di w, può essere deciso una volta stabilita la condizione di penetraqzione accettabile (exp(-w) < 0,05), ovvero il livello di penetrazione dei fotoni che si ritiene accettabile (5%) w = spessore minimo di setto che un fotone deve attraversare per passare da un foro ad un altro

collimatore pinhole impiego ottimale per organi di piccole dimensioni l’oggetto è riprodotto ingrandito e rovesciato sul piano di formazione dell’immagine le immagini di oggetti 3D presentano distorsioni dovute al diverso ingrandimento delle sorgenti poste su piani diversi si definisce un fattore di magnificazione M = l/d; fattori tipici di alcune unità risoluzione geometrica del pinhole Rp = [a (l+d)] / l con un opportuno dimensionamento del pinhole, si può ottenere una risoluzione migliore di quella intrinseca del rivelatore impiego ottimale per organi di piccole dimensioni e posti in superficie nelle regioni più esterne dell’immagine, per effetto penombra, riduzione dell’efficienza e della sensibilità

collimatori speciali dedicati per il solo impiego tomografico sviluppo della tomografia a fotone singolo CONE BEAM FAN BEAM le linee di proiezione delle radiazioni sono focalizzate su di una linea diminuzione del FOV (utile per SPECT cerebrale e miocardica) fori focalizzati su di un punto

una gammacamera dotata di fan beam irraggiata in modo elevate risoluzioni spaziali, senza andare a scapito della efficienza di conteggio la risoluzione tiene conto degli effetti di magnificazione di un collimatore convergente q = angolo di inclinazione dei fori d = distanza dell’oggetto F = distanza focale del collimatore 3. analoga dipendenza da q per l’efficienza una gammacamera dotata di fan beam irraggiata in modo uniforme, registra una immagine in cui il conteggio varia in funzione dell’angolo q, risultando massima per una incidenza centrale delle radiazioni, e calando lateralmente

calibrazione delle gammacamere disponibilità di efficienti sistemi di elaborazione per l’interfacciamento diretto con le gammacamere estensione delle possibilità di elaborazione dei dati registrazione, visualizzazione e riproduzione delle immagini tecniche di correzione delle informazioni acquisite, per limitare gli effetti di alcuni limiti caratteristici dei sistemi di acquisizione prestazioni dei primi modelli di gammacamera migliorate evoluzione dei sistemi da analogici ad ibridi ed infine ad apparecchiature digitali in cui la componente di elaborazione controlla i sottosistemi di acquisizione

correzione per l’uniformità si calcola una tabella di fattori correttivi, da applicare una volta effettuata l’acquisizione: per ogni pixel i,j si calcola il rapporto fra conteggio medio nell’intera matrice di acquisizione e il conteggio nel pixel irraggiamento uniforme del rivelatore limiti non è consentita una gestione automatizzata delle mappe di correzione mancanza di specificità: si cerca di ridurre la disuniformità senza interessarsi delle cause i collimatori hanno una risposta che non varia nel tempo: è possibile combinare i risultati di mappe intrinseche e collimate per ottenere mappe di sistema aggiornate, risolvendo problemi di natura pratica tecniche di correzione count skimming (in corso di acquisizione): mano a mano che vengono registrati i conteggi, una frazione corrispondente al fattore correttivo viene eliminata

correzione per l’energia si può immaginare il cristallo accoppiato alla matrice dei PM come un insieme di rivelatori individuali; se non c’è perfetto allineamento fra di essi… spettro energetico complessivo ha una risoluzione peggiore di quella possibile l’applicazione di una finestra energetica all’insieme degli impulsi prodotti porta a delle disuniformità, poiché essa intercetta il picco in modo diverso per ciascun settore del cristallo si calibra la risposta locale all’energia delle radiazioni in funzione della posizione sul rivelatore, costruendo delle mappe di calibrazione (valori di risoluzione energetica del 10% a 140 keV)

correzione per la linearità risposta ad una scintillazione dipende da dove cade la proiezione dell’evento risposta non rigorosamente isotropa dei PM rispetto alla luce prodotta negli eventi scintillanti entro il cristallo: l’immagine risulta deformata entro la superficie frontale di un singolo PM è presente una variazione della risposta in senso radiale si calcolano mappe di correzione che risultano essere poco variabili nel tempo: si utilizza un fantoccio multifori e si mettono in relazione le posizioni centrali di ognuna delle immagini di sorgente puntiforme calcolate come baricentro della distribuzione dei conteggi in un intorno del punto, e quelle effettive (note dalle caratteristiche del fantoccio)

bilanciamento dei PM ogni gammacamera deve essere uno strumento di caratteristiche invarianti all’interno del suo FOV, sia per la risposta che per le prestazioni il tuning è effettuato su 2 livelli si varia manualmente il guadagno del preamplificatore associato al singolo PM irraggiato volta per volta (procedura per apparecchiature analogiche) procedura di irraggiamento del rivelatore intrinseco: tale programma esegue una sorta di collimazione elettronica, isolando il conteggio di ogni PM regolazione del punto di lavoro di ogni fototubo tramite front-end digitale impiego di 2 finestre adiacenti di acquisizione, con apertura prefissata: il rapporto di conteggio deve cadere in un determinato range: si modifica il punto di lavoro di ogni PM tramite dei DAC

specifica delle prestazioni di una gammacamera definizione operativa che indichi il dispositivo sperimentale e le modalità di acquisizione ed elaborazione atti a misurare in modo consistente e riproducibile le grandezze fisiche di interesse modalità di sistema modalità intrinseca impiego tomografico risoluzione spaziale (con e senza diffusore) sensitività planare frequenza di conteggio con diffusore risoluzione energetica risoluzione spaziale linearità spaziale uniformità di campo frequenza di conteggio registraz. spaziale a finestra multipla risoluzione spaziale dopo ricostruzione (con e senza diffusore) uniformità dell’immagine ricostruita UFOV: figura geometrica di forma definita dal costruttore NEMA (ente di standardizzazione) CFOV: area avente la forma dell’UFOV con dimensioni scalate del 75%

risoluzione energetica capacità del rivelatore di distinguere gli impulsi di differente energia, ovvero discriminare le radiazioni diffuse risoluzione energetica intrinseca è espressa in termini della FWHM % del picco a 140 keV del 99mTc si irraggia uniformemente l’intero campo di vista del rivelatore (incidenza radiazioni perpendicolare al piano del cristallo) acquisizione di un secondo spettro di una sorgente di un differente radionuclide (57Co) per calibrare l’asse delle energie

risoluzione spaziale intrinseca linearità spaziale intrinseca capacità del rivelatore di risolvere due distinte sorgenti di radiazioni uso di un fantoccio in piombo con fenditure lineari, posizionate una volta lungo x e una lungo y profili di conteggio con picchi corrispondenti alle sorgenti per ogni singolo picco si ricava il valore della FWHM, da cui poi calcolare un valore medio per tutto il rivelatore si può ricavare la posizione di ciascun picco come posizione intermedia fra i due valori di metà del conteggio ai due lati del picco distorsione in funzione della posizione, cioè spostamento fra la posizione reale di un oggetto e quella misurata nell’immagine acquisita linearità spaziale intrinseca

registrazione spaziale ispezione visiva rimane il metodo migliore per valutare l’uniformità uniformità di campo intrinseca identificata una matrice di pixel significativa rispetto al valore medio dei conteggi, si calcola l’uniformità integrale sia per l’UFOV che per il CFOV l’uniformità differenziale misura la massima variazione locale di conteggio capacità di un sistema di posizionare correttamente nella stessa immagine eventi misurati in diverse finestre energetiche registrazione spaziale a finestra multipla si acquisiscono immagini separate per le 3 finestre energetiche posizione della sorgente misurata con accuratezza inferiore al pixel, come centro di gravità della sorgente

risoluzione spaziale di sistema dopo ricostruzione esprime il livello di risoluzione spaziale raggiunto dal sistema nelle immagini ricostruite (tomografo SPECT) risoluzione spaziale di sistema dopo ricostruzione 3 sorgenti puntiformi acquisizione step&shoot si ricostruiscono 3 sezioni (transassiale, sagittale e coronale), da cui ricavare la FWHM di tutte le sorgenti in ciascuna immagine per ottenere le varie risoluzioni

THE END

uniformità tomografica ??????? La mettiamo????

calibrazione dell’offset del centro di rotazione per le gammacamere tomografiche proiezioni planari acquisite ad ogni angolo di campionamento devono essere allineate: ruotando di 180° il sistema deve trovarsi sulla stessa linea di proiezione artefatti nelle immagini ricostruite se l’asse meccanico del sistema non coincide con quello elettronico atteso la posizione di una singola sorgente puntiforme avrà un andamento sinusoidale in funzione dell’angolo di rotazione del sistema, con ampiezza tanto maggiore quanto la più la sorgente è spostata rispetto all’asse di rotazione si misura l’offset del centro di rotazione

risoluzione spaziale di sistema sensitività planare di sistema fornisce indicazioni sulla risoluzione spaziale dell’apparecchiatura in condizioni di prova vicine a quelle di impiego pratico misura può essere eseguita sia in presenza che in assenza di materiale diffusore risoluzione spaziale di sistema sensitività planare di sistema rapporto fra la frequenza di conteggio misurata e l’attività della sorgente efficienza di sistema in una prefissata configurazione sorgente - rivelatore