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 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, 99m Tc» - на стадии клинических испытаний; «Технефит, 99m Tc» - сертифицирован для исследований печени; предварительное фильтрование через мембрану с размером пор 100нм.

Области использования гамма-локатора Рис.1. Схема работы с гамма-локатором 99m Tc-MIBI, 99m Tc-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, LaBr 3 :Ce), так и в фотоприемниках (SiPM)

Выбор сцинтиллятора Сцинтилляторы Световыход относительн о световыхода NaI(TI) ρ, г/см 3 Эфф. Z τ, нс λ max, нм Гигроскопичнос ть 1NaI(TI)13, LSO~ 17, LYSO1,27,1-7, LaBr 3 :Ce1,35, Таблица 1. Сравнение характеристик сцинтилляторов

Выбор фотоприемника NХарактеристикиSiPMФЭУ 1Коэффициент усиления~ Максимальная спектральная чувствительность, нм U см, В Эффективность регистрации, % Размеры~1 мм 2 ~1 см 2 9Чувствительность к магнитным полям Нечувствитель ны Чувствительн ы Таблица 2. Сравнение характеристик SiPM и ФЭУ

Экспериментальная установка На рис.3. приведена схема экспериментальной установки, с помощью которой проводились измерения Рис.3. Схема экспериментальной установки. SiPM- фотодиод; сцинтиллятор – LYSO, LaBr 3 :Се; У.- усилитель; Л.Р.- линейный разветвитель; Л.З.- линия задержки; Д.- дискриминатор; QDC – зарядово-цифровой преобразователь (Lecroy2249)

Экспериментальные данные Спектры SiPM Hamamatsu 3х3 мм 2 Сцинтиллятор LYSO Ист. 137 Сs (662кэВ) ER=8% Ист. 137 Cs (662кэВ) ER=13% Рис.4. Экспериментальные спектры Сцинтиллятор LaBr 3 :Ce

Экспериментальные данные Спектры LaBr 3 :Ce SiPM Ketek 3x3 мм 2 Рис.5. Экспериментальные спектры SiPM Hamamatsu 3x3 мм 2 Ист. 99m Tc (140 кэВ) ER=32% Ист. 99m Tc (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. FWHM = 21 мм Ист. 57 Co (124 кэВ); FWHM = 21 мм Координатное разрешение - ширина на полувысоте функции зависимости счета от координаты, перпендикулярной оси детектора.

Измерение характеристик прототипа 1: пространственная селективность Детектор Коллиматор 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. FWHM = 16º Рис.11. Зависимость скорости счета от полярного угла. Ист. 57 Co (124 кэВ); FWHM = 16º 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 времениРис.16. Зависимость рабочего Uсм от температуры

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

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/R 2, 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) а.б.

Прототип 2: координатное разрешение и пространственная селективность Рис.20. Зависимость скорости счета от координаты. Ист. 57 Co (124 кэВ); FWHM = 8 мм Рис.21. Зависимость скорости счета от полярного угла. Ист. 57 Co (124 кэВ); FWHM/2 = 26º

Сравнение прототипа 2 с зарубежными аналогами Производитель (страна) Координатное разрешение, мм Пространственная селективность, ° Чувствительность, имп/с/кБк Europrobe CsJ, Eurorad (Франция) C-Trak Omni- Probe, Care Wise (США) Neoprobe 2000 (США) Гамма-локатор 2 (МИФИ) 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 мм 3 ) 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!