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 radiazionidi convertire l’energia dissipata dai fotoni X e nelle

loro interazioni, in impulsi elettronici di ampiezza proporzionale

Rivelatore a Scintillazione

rivelatoreNaI(Tl)

spessore del cristallo ridotto:compromesso tra efficienza e

risoluzione spaziale:con lo spessore aumentano

le interazioni Compton

la luce prodotta nel cristallo viene trasformata in impulso elettrico per

mezzo di una matrice di fotomoltiplicatori

• l’incremento del numero dei fotomoltiplicatori migliora in linea teorica la risoluzione spaziale intrinseca

• tra i fotomoltiplicatori esiste uno spazio morto dove la luce non viene raccolta

guida di luce

finestra d’ingresso esagonale

tecniche di scolpitura superficie del cristallo

in una interazione la luce prodotta nel cristallosi 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 piùlontani è modesto e affetto da una incertezza

statistica elevata, con un peggioramento del rapporto segnale – rumore complessivo

correlazione tra posizioni di emissione deifotoni 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)

SENSIBILITA’

EFFICIENZA

numero di eventi rivelati nell’immagineper Cu di attività della sorgente, trascurando

l’assorbimento della sorgente stessa

rapporto tra la quantità di radiazione 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)

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 unasorgente uniforme dal centro verso la periferia

le linee di penombra definiscono il FOV del cristallo

1. la sensibilità è direttamente proporz. al FOV

2. la risoluzione è inversamente proporz. al FOV

principali tipi di collimatori

fori perpendicolari al piano del cristallo;il FOV della gammacamera rimane inalteratoe gli organi sono riprodotti con le dimensioni

originalicostituito da un unico foro, determina

l’ingrandimento di un organo di piccoledimensioni, posto sui piani superficiali

del paziente

effetto di ingrandimento degliorgani studiati

consente di realizzare un FOV maggioredelle effettive dimensioni del cristallo,

riproducendo gli organi con dimensioni ridotte rispetto a quelle reali

i collimatori vengono classificati sulla base dell’intervallo di energie dei fotoni per i qualisono applicabili, della risoluzione spaziale e della efficienza di conteggio che permettono

di conseguire

convenzionalmente suddiviso inbasse, medie e alte energie

non è possibile conciliare la scelta fra risoluzionespaziale ed efficienza: si fa ricorso a più collimatori

che rappresentano diversi livelli di compromesso

tipo dimensione spessore lunghezza penetrazione sensitività risoluzione

colIim. fori setti fori (%) (cpml,uCi) di sistema

(mm) (mm) (mm) a 10 cm

(mm)

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 20 - 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 1.0 - 1.5 150- 200 7.0 -7.5

MEGP 3.0 - 3.5 0.8 - 1.2 45 - 60 3.0 - 3.5 150 - 250 11 - 13

HEGP 3.5 - 4.0 1.5 - 2.0 55 - 60 3.0 - 3.5 150 - 250 11 - 13

collimatori a fori parallelipresentano dei canali di collimazione con

l’asse perpendicolare al piano del rivelatore

l

b) l (d a R

• 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

w = spessore minimo di setto che un fotone deve attraversare per passare da un foro ad

un altro

• 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%)

(relazione di Anger)

w- l

2aw s

collimatore pinhole

• l’oggetto è riprodotto ingrandito e rovesciato sul piano di formazione dell’immagine

• si definisce un fattore di magnificazione M = l/d; fattori tipici di alcune unità

• le immagini di oggetti 3D presentano distorsioni dovute al diverso ingrandimento delle sorgenti poste su piani diversi

• risoluzione geometrica del pinhole Rp = [a (l+d)] / l 22

i2

ps M/RR R

con un opportuno dimensionamento del pinhole, si può ottenere una risoluzione

migliore di quella intrinseca del rivelatore

nelle regioni più esterne dell’immagine,per effetto penombra, riduzione dell’efficienza

e della sensibilità

impiego ottimale per organi di piccole dimensioni e posti in superficie

collimatori speciali dedicati

per il solo impiego tomografico sviluppo della tomografia

a fotone singolo

FAN BEAM CONE 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

1. elevate risoluzioni spaziali, senza andare a scapito della efficienza di conteggio2. la risoluzione tiene conto degli effetti di magnificazione di un collimatore convergente

Fd,f R = angolo di inclinazione dei forid = distanza dell’oggettoF = distanza focale del collimatore

3. analoga dipendenza da 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 , 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

registrazione, visualizzazione e riproduzione delle immagini

estensione delle possibilità di elaborazione dei dati

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

irraggiamento uniforme del rivelatoresi 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

ji,ji, C

CF

limiti

• non è consentita una gestione automatizzata delle mappe di correzione• mancanza di specificità: si cerca di ridurre la disuniformità senza interessarsi delle cause

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

i collimatori hanno una risposta che nonvaria nel tempo: è possibile combinare i risultati di mappe intrinseche e collimate

per ottenere mappe di sistema aggiornate, risolvendo problemi di natura pratica

correzione per l’energia

si può immaginare il cristallo accoppiato alla matrice dei PM come un insieme dirivelatori 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 sulrivelatore, costruendo delle

mappe di calibrazione(valori di risoluzione energetica

del 10% a 140 keV)

correzione per la linearità

risposta non rigorosamente isotropadei PM rispetto alla luce prodotta negli

eventi scintillanti entro il cristallo:l’immagine risulta deformata

risposta ad una scintillazione dipende da dove cade la proiezione dell’evento

entro la superficie frontale di un singolo PMè presente una variazione della risposta

in senso radiale

si calcolano mappe di correzione che risultano esserepoco 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 PMogni 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)

• regolazione del punto di lavoro di ogni fototubo tramite front-end digitale

• procedura di irraggiamento del rivelatore intrinseco: tale programma esegue una sorta di collimazione elettronica, isolando il conteggio di ogni PM

• 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 intrinsecamodalità di sistema

impiego tomografico

• risoluzione energetica • risoluzione spaziale • linearità spaziale• uniformità di campo• frequenza di conteggio• registraz. spaziale a finestra multipla

• risoluzione spaziale (con e senza diffusore)• sensitività planare• frequenza di conteggio con diffusore

• risoluzione spaziale dopo ricostruzione (con e senza diffusore)• uniformità dell’immagine ricostruita

• NEMA (ente di standardizzazione)

UFOV: figura geometrica di forma definita dal costruttore

CFOV: area avente la forma dell’UFOV con dimensioni scalate del 75%

risoluzione energeticaintrinseca

• capacità del rivelatore di distinguere gli impulsi di differente energia, ovvero discriminare le radiazioni diffuse

• 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 risolveredue 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 frala posizione reale di un oggetto

e quella misurata nell’immagineacquisita

uniformità di campo intrinseca

• ispezione visiva rimane il metodo migliore per valutare l’uniformità

• 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 minmax

minmaxi CC

CC100U

• l’uniformità differenziale misura la massima variazione locale di conteggio

registrazione spaziale a finestra multipla

capacità di un sistema di posizionarecorrettamente nella stessa immagine eventi misurati in diverse finestre energetiche

• si acquisiscono immagini separate per le 3 finestre energetiche• posizione della sorgente misurata con accuratezza inferiore al pixel, come centro di gravità della sorgente

i

iii

cog

i

iii

cog

C

C yy

C

C xx

risoluzione spaziale di sistema dopo ricostruzione

esprime il livello di risoluzione spaziale raggiunto dal sistema nelle immagini

ricostruite (tomografo SPECT)

• 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 centrodi rotazione per le gammacamere

tomografiche

proiezioni planari acquisite ad ogni angolo di campionamento

devono essere allineate: ruotandodi 180° il sistema deve trovarsi sulla stessa linea di proiezione

artefatti nelle immagini ricostruitese l’asse meccanico del sistema non

coincide con quello elettronico atteso

si misura l’offset del centro di rotazione

la posizione di una singola sorgente puntiformeavrà un andamento sinusoidale in funzione

dell’angolo di rotazione del sistema, con ampiezzatanto maggiore quanto la più la sorgente è

spostata rispetto all’asse di rotazione

risoluzione spazialedi 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

sensitività planaredi sistema

rapporto fra la frequenza di conteggiomisurata e l’attività della sorgente

efficienza di sistema in una prefissata configurazione sorgente - rivelatore