Канцеров В.А., Ягнюкова А.К.

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»Москва 2013г.

Гамма-локатор для выявления «сторожевых» лимфатических

узлов на основе сцинтилляционного кристалла и кремниевого фотоумножителя

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

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

Неинвазивный поиск злокачественных образований – при условии использования специфических и неспецифических РФП, проникающих в опухолевые клетки

Регистрирующая часть гамма-локатора

Прибор создан на основе сцинтиллятора, где происходит конвертирование γ-квантов в фотоны, и фотоприёмника для регистрации этих фотонов

Рис.2. Внешний вид детектирующей части гамма-локатора: сцинтиллятор LYSO и фотоприемник

Использованы последние достижения как в сцинтилляционной методике (LYSO, LaBr3:Ce), так и в фотоприемниках (SiPM)

Выбор сцинтиллятора

№ Сцинтилляторы

Световыход относительно световыхода NaI(TI)

ρ, г/см3 Эфф. Z

τ, нс

λmax, нм

Гигроскопичность

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 +

Таблица 1. Сравнение характеристик сцинтилляторов

Выбор фотоприемника

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 Нечувствительны

Чувствительны

Таблица 2. Сравнение характеристик SiPM и ФЭУ

Экспериментальная установкаНа 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 данныеСпектры SiPM Hamamatsu 3х3 мм2

Сцинтиллятор LYSO

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

500

1000

1500

2000

2500

N

Ch

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

N

Ch

Ист. 137Сs (662кэВ) ER=8%

Ист. 137Cs (662кэВ) ER=13%

Рис.4. Экспериментальные спектры

Сцинтиллятор LaBr3:Ce

Экспериментальные данныеСпектры LaBr3:Ce

SiPM Ketek 3x3 мм2

Рис.5. Экспериментальные спектры

SiPM Hamamatsu 3x3 мм2

0 200 400 600 800 10000

50

100

150

200

N, c

-1

Канал0 200 400 600 800 1000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

N, c

-1

Канал

Ист. 99mTc (140 кэВ) ER=32%

Ист. 99mTc (140 кэВ) ER=34%

Реализация гамма-локатора: прототип 1

Рис.7. Блок-схема прототипа 1

Рис.6. Прототип 1

Детектирующая часть при помощи кабеля соединена с блоком электроники. Результат измерений выводится на цифровой индикатор.

Измерение характеристик прототипа 1: пространственное разрешение

Рис.8. Схема измерения пространственного разрешения и параметры коллиматора

Детектор Коллиматор

Рис.9. Зависимость скорости счета от координаты.Ист. 57Co (124 кэВ); FWHM = 21 FWHM = 21 мммм

Координатное разрешение - ширина на полувысоте функции зависимости счета от координаты, перпендикулярной оси детектора.

Измерение характеристик прототипа 1: пространственная селективность

ДетекторКоллиматор

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.

Рис.11. Зависимость скорости счета от полярного угла. Ист. 57Co (124 кэВ); FWHM = FWHM = 16º16º

Рис.10. Схема измерения пространственной селективности

Реализация гамма-локатора: прототип 2

Рис.13. Внешний вид платы и блок-схема прототипа 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

Экспериментальные данные

Рис.14. Интегральный спектр источника Cs-137 (662 кэВ)

В прототипе 2 для определения положения фотопика был снят интегральный спектр. Нижней границе фотопика соответствует выделенная пунктиром область.

Температурная нестабильность

В ходе измерений обнаружилось снижение скорости счета детектора со временем. Это объясняется температурной нестабильностью SiPM (рабочее напряжение смещения линейно растет с температурой, коэффициент 56 мВ/ºС).

Рис.15. Зависимость скорости счета от времени Рис.16. Зависимость рабочего Uсм от температуры

20 22 24 26 28 30 32 34 3672,2

72,3

72,4

72,5

72,6

72,7

72,8

72,9

73,0

73,1

U, V

T, oC

Термокомпенсация

В преобразователе постоянного напряжения (МАХ 1932) заложена возможность температурной компенсации выходного напряжения с помощью терморезистора.

Расчет резистивного делителя проверялся путем имитации работы NTC термистора подстроечным многооборотным резистором. Следующий этап: измерение зависимости выходного напряжения от температуры с терморезистором.

Рис.17. Схема включения терморезистора

Рис.18. Компенсация выходного напряжения с помощью NTC

18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 3872,1

72,2

72,3

72,4

72,5

72,6

72,7

72,8

72,9

73,0

U, V

T, oC

80 100 120 140 160 180 200 220 240 2600

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

N, c

-1

х, мм

Co-57 (124 кэВ)Эффективность: (70±2)%

Эффективность регистрации гамма-квантов

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.

Рис.19. Зависимость скорости счета от расстояния между детектором и источником; а. – Co-57 (124 кэВ), б. – Cs-137 (662 кэВ)

70 80 90 100 110 120 130 140 150 1600

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

N, c

-1

х, мм

Cs-137 (662 кэВ)Эффективность: (29±4)%

а. б.

Прототип 2: координатное разрешение и пространственная селективность

Рис.20. Зависимость скорости счета от координаты.Ист. 57Co (124 кэВ); FWHM = 8 FWHM = 8 мммм

Рис.21. Зависимость скорости счета от полярного угла.Ист. 57Co (124 кэВ); FWHM/2 = FWHM/2 = 226º6º

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100

20

40

60

80

100

120

140

160

N, c

-1

х, мм

Co-57 (124 кэВ)ПР = 8 мм

-60 -40 -20 0 20 40 600,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

N, c

-1

, о

Co-57 (124 кэВ)

ПС = 26о

Сравнение прототипа 2 с зарубежными аналогами

Производитель(страна)

Координатное разрешение, мм

Пространственная селективность, °

Чувствительность, имп/с/кБк

Europrobe CsJ, Eurorad

(Франция)14 35 7

C-Trak Omni-Probe,

Care Wise(США)

15 50 23

Neoprobe2000

(США)15 36 10

Гамма-локатор 2(МИФИ) 8 26 12

Таблица 3. Сравнение характеристик гамма-локаторов

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 Спасибо за внимание!внимание!