Gamma Camera (Anger Camera)

1. Gamma Camera(Anger Camera) Luca Grimaldi Alberto Panese

2. La gammacamera E’ un sistema basato sulla proprietà di alcuni rilevatori di radiazioni di convertire l’energia dissipata dai fotoni X e gamma nelle loro interazioni, in impulsi elettronici di ampiezza proporzionale.

3. Aumento spessore aumento efficienza rivelazione Diminuzione spessore aumento risoluzione spaziale Il rivelatore Il componente base del rivelatore di una γ-camera è il Dimensioni tipiche: 40 cm x 50 cm x 1 cm

4. Il rivelatore interazioni Compton multiple assorbimento totale energia ma traiettoria diversa dall’originale Aumento spessore Diminuzione spessore assorbimento prevalente per effetto fotoelettrico

5. Il rivelatore La luce prodotta nel cristallo viene trasformata in impulso elettrico per mezzo di una matrice di fotomoltiplicatori (≈ 60) Le finestre di ingresso possono essere di forme: spazi morti maggiore efficienza di raccolta della luce

6. Il posizionamento degli impulsi Contribuiscono alla produzione del segnale solo i PM che formano l’impacchettamento esagonale stretto attraverso dei preamplificatori a soglia (es. < 2%) Campo di vista ed intensità relativa di luce raccolta dai PM

7. Il posizionamento degli impulsi Le coordinate dell’evento di origine vengono stabilite tramite una media pesata della quantità di luce raccolta Matrice di impedenze che attenuano progressivamente il contributo ai segnali di posizione +X –X +Y -Y

8. Il posizionamento degli impulsi L’operazione di pesatura non altera la proporzionalità all’energia dissipata dalle radiazioni nell’interazione: X= (+X+(-X))/Z Y=(+Y+(-Y))/Z dove Z=|+X|+|-X|+|+Y|+|-Y| Il segnale Z proporzionale all’energia è usato per normalizzare i segnali di coordinate

9. Il collimatore Il collimatore meccanico stabilisce una legge di associazione fra la posizione degli eventi rivelati e la posizione del punto di emissione (lega di Pb) la combinazione dei parametri a, l, s, determina le prestazioni del collimatore

10. Il collimatore Componenti della risposta di un collimatore • componente geometrica (g) • componente assorbita (a) (*) • componente di penetrazione (p) • componente diffusa (s)

11. Il collimatore Tipi di collimatori: • a fori paralleli • divergenti • convergenti • pin hole

12. Il collimatore a fori paralleli la risoluzione geometrica è data dalla relazione di Anger

13. Il collimatore a fori paralleli Per progettare uno spessore dei setti s, stabilisco una penetrazione dei fotoni, ad es., del 5% spessore minimo da attraversare in termini di attenuazione lineare: ed essendo ricavo

14. Il collimatore divergente e convergente consente di realizzare un campo di vista maggiore delle dimensioni del cristallo consente di realizzare un ingrandimento degli organi

15. Il collimatore pin hole Il collimatore pinhole è costituito da un unico foro ed è indicato per lo studio di piccoli organi dei quali permette di realizzare un consistente ingrandimento fattore di magnificazione: apertura efficace area foro fattore geometrico efficienza geometrica area cella elementare

16. Risoluzione del collimatore pinhole In generale per un collimatore: risoluzione geometrica risoluzione intrinseca Ri risoluzione di sistema gammacamera e collimatore pinhole: aumento risoluzione intrinseca del rivelatore

17. La calibrazione delle gammacamere Inizialmente l’uniformità di prestazioni prevedeva una procedura di “tuning” dei PM con una sorgente collimata di 99mTc Più tardi un sistema di elaborazione in linea prevedeva il calcolo di una matrice di fattori correttivi limiti • usare una mappa di correzione per ogni collimatore • il formato delle mappe non poteva essere cambiato (128 x128) • il formato delle mappe non poteva essere ruotato • operazioni a carico dell’operatore

18. La calibrazione delle gammacamere Tecniche di correzione per l’uniformità “on the fly” (in corso di acquisizione) Grazie ai computer si sono potute effettuare correzioni direttamente agli impulsi elettronici Due tecniche di correzione: Count skimming(scrematura) Count addition (aggiunta)

19. La calibrazione delle gammacamere Correzione per l’energia più mappe di energia, per ogni radionuclide o per i principali intervalli di energia

20. La calibrazione delle gammacamere Correzione per la linearità

21. offset (l) Calibrazione dell’offset asse di rotazione meccanico e asse elettronico peso testata ~ 300 kg

22. La specifica delle prestazioni di una gammacamera per macchine complesse è necessario definire le caratteristiche di prestazione le quali indicano le modalità di acquisizioni ed elaborazioni delle grandezze fisiche di interesse Principali enti di standardizzazione (per i costruttori): IEC (International Electrotechnical Committee) NEMA (National Electrical Manufacturers Association) più diffuse a livello mondiale

23. La specifica delle prestazioni di una gammacamera le principali caratteristiche di prestazione per una gammacamera sono: • risoluzione energetica intrinseca • risoluzione spaziale intrinseca • uniformità di campo intrinseca • prestazioni intrinseche nei confronti della frequenza di conteggio • registrazione spaziale a finestra multipla per impiego tomografico: • risoluzione spaziale di sistema dopo ricostruzione • uniformità dell’immagine ricostruita

24. Risoluzione energetica intrinseca La risoluzione energetica è espressa dalla FWHM % del picco a 140 keV del 99mTc 140,5 keV 122,1 keV La calibrazione si ottiene dalla differenza di posizione di due picchi di noti

25. Risoluzione spaziale intrinseca La risoluzione intrinseca esprime la capacità del rivelatore di risolvere due distinte sorgenti di radiazioni un picco dovrebbe avere una FWHM di almeno 10 pixel (10 canali)

26. Uniformità di campo intrinseca 1) distanza > 5 UFOV con sorgente collimata di 99mTc 2) almeno 10000 conteggi per pixel nel CFOV 3) ai bordi dell’ UFOV si eliminano i pixel con conteggio < del 75% del conteggio medio dentro il CFOV 4) smoothing con un filtro di pesi quindi determinazione dell’uniformità integrale: quindi determinazione dell’uniformità differenziale:

27. Prestazioni nei confronti della frequenza di conteggio La metodica prevede il conteggio ripetuto nel tempo di una sorgente di 99mTc partendo da una frequenza di conteggio di 100 – 150 kcps e terminando con una frequenza di 40 kcps Frequenza di conteggio osservata Frequenza di conteggio interpolata linearmente

28. Registrazione spaziale a finestra multipla Si usa una sorgente collimata di 67Ga acquisendo immagini separate per le tre finestre energetiche a 93, 184 e 296 keV (4 punti per le norme IEC, 9 punti per le norme NEMA) La posizione della sorgente in ciascuna immagine deve essere misurata con accuratezza inferiore al pixel ricavando il valore del centro di gravità della sorgente Il valore di massima differenza, convertito in millimetri, rappresenta il parametro di registrazione a finestra multipla da riportare

29. Risoluzione spaziale di sistema dopo ricostruzione Si usano tre sorgenti puntiformi con attività totale < 20 kcps disposte come in figura si eseguono 120 misure in modalità step & shoot su una rotazione di 360° andando a ricavare le sezioni transaassiale, sagittale e coronale la media delle FWHM di tutte le sorgenti in ciascuna immagine danno i valori di risoluzione

30. Uniformità dell’immagine ricostruita Non esiste una metodica quantitativa per la corretta specifica di tale parametro In genere si parla di rumore statistico dell’immagine da una non uniformità determinata da imperfezioni o mal funzionamenti del sistema di acquisizione

31. il segnale • il fondo (rad. cosmica, radionuclidi nei materiali del rivelatore) Struttura dello spettro gamma ai conteggi contribuiscono: • l’interferenza (dovuta al non completo assorbimento della porzione di spettro superiore)

32. parametro di apertura della campana: FWHM=2.355* Picchi di assorbimento totale picchi di assorbimento fotoelettrico

33. asimmetria dei picchi fattori di asimmetria (tailing): per x < xi per x  xi

34. l’andamento del fondo ha una forma a gradino il fondo sottostante i picchi in genere per descrivere il fondo si usa una funzione più “comoda”: cfondo=b0+b1x+b2x2

35. una regione con intensità poco variabile • picco ampio e asimmetrico • nuova regione con intensità poco variabile • una regione con intensità variabile (caratterizzata da un flesso) • una regione con intensità molto ridotta Il continuo Compton osservando uno spettro, per valori crescenti di energia, si nota:

36. energia della spalla Compton (massima cessione di energia dei fotoni all’elettrone - rinculo a 180° -) backscatter Eb=Eg-Ec Il continuo Compton

37. picchi di fuga Per h > 1.022 MeV si può avere produzione di coppie elettrone-positrone dentro il rivelatore. L’annichilazione porta alla produzione di due fotoni da 0.511 MeV che possono attraversare il rivelatore (uno o tutti e due). Ciò porta alla presenza di picchi di fuga (da NON attribuire ad altri radionuclidi): Es=Eg-0.511 (fuga singola) Es=Eg-1.022 (fuga doppia)

38. picchi di somma Lo schema del decadimento di alcuni radionuclidi prevede l’emissione, quasi contemporanea, di due diversi fotoni gamma (somma in coincidenza). Per esempio il 99mTc potrà mostrare un picco inatteso a 280keV, ma lo schema del decadimento prevede una sola emissione caratteristica a 140keV.

39. Analisi dello spettro è un’operazione di estrazione di informazioni da misure sperimentali • ricerca di picchi • calcolo delle aree nette • identificazione dei picchi • correzione dalle interferenze • calcolo dell’attività dei radionuclidi identificati • tecniche di correzione particolari (autoassorbimento, picchi di somma)

40. derivata prima ricerca di picchi • ispezione visiva si valuta la differenza prima: C’i=(Ci-Ci-1) cioè la larghezza dei canali

41. ricerca di picchi • derivata seconda può essere calcolata come segue: C’’i=(Ci+1-2Ci+Ci-1) che in una zona di spettro fuori picco dovrebbe essere 0 , o meglio minore della sua dev std:

42. calcolo del baricentro del picco; nel canale di conteggio massimo si calcola: (m = semiapertura dei canali considerati) ricerca di picchi come si attribuisce la posizione ad un picco? • ricerca del valore massimo di conteggio • interpolazione del vertice del picco; si assimila il picco ad una parabola il cui vertice fornisce l’ascissa del centro del picco

43. ma siamo interessati all’area netta, per cui iniziamo col sottrarre il fondo ora se consideriamo il fondo subito prima e subito dopo il picco: calcolo dell’area netta tale calcolo serve per determinare l’attività del radionuclide che ha prodotto il picco (j= canale dove ha inizio l’integrazione)

44. calcolo dell’area netta quindi l’area netta è la differenza tra la lorda ed il fondo: m=n° di canali per cui si integra l’area lorda

45. calcolo dell’area netta un picco può anche essere fittato con una gaussiana e quindi calcolato analiticamente bisogna sottrarre la funzione a gradino o una funzione più semplice

46. identificazione dei picchi Identificazione dei radionuclidi: • esistono delle librerie (nome del radionuclide; tempo di dimezzamento; coppie di valori di energia percentuale dei principali picchi)

47. calcolo dell’attività il completamento dell’analisi qualitativa permette di passare all’analisi quantitativa, ovvero il calcolo dell’attività del radionuclide campione. • An= area netta del picco • t= tempo di misura • e(E)= efficienza di picco al valore di energia in questione • y= frequenza di emissione del picco gamma • fd= fatt. corr. per il decadimento del radionuclide nel corso della misura • fa= fatt. corr. per l’autoassorbimento delle radiazioni dentro il campione • fs= fatt. corr. per l’effetto somma • fn= fatt. corr. eventuali altri fattori

48. minima attività rivelabile Poiché ogni misura viene effettuata in presenza di un fondo, ha senso chiedersi quando un valore si può considerare diverso da questo possono presentarsi due tipi di errore: • falso positivo (falsa rivelazione) • falso negativo (falsa non rivelazione) Per evitarli si utilizza una regola che si fonda su criteri statistici (T di Student che assume valore = 1.64 per un livello di probabilità del 5%). un segnale è diverso dal fondo se supera il livello critico: dove B è il conteggio di fondo la minima attività rivelabile è dunque: