Гамма-локатор для выявления «сторожевых» лимфатических узлов на основе сцинтилляционного кристалла и кремниевого фотоумножителя Канцеров В.А., Ягнюкова А.К. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Москва 2013г. 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 Неинвазивный поиск злокачественных образований – при условии использования специфических и неспецифических РФП, проникающих в опухолевые клетки 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 Регистрирующая часть гамма-локатора Прибор создан на основе сцинтиллятора, где происходит конвертирование γ-квантов в фотоны, и фотоприёмника для регистрации этих фотонов Использованы последние достижения как в сцинтилляционной методике (LYSO, LaBr3:Ce), так и в фотоприемниках (SiPM) Рис.2. Внешний вид детектирующей части гаммалокатора: сцинтиллятор LYSO и фотоприемник Выбор сцинтиллятора Таблица 1. Сравнение характеристик сцинтилляторов № Сцинтилляторы Световыход относительн о световыхода NaI(TI) 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 + ρ, г/см3 Эфф. Z τ, нс λmax, нм Гигроскопичнос ть Выбор фотоприемника Таблица 2. Сравнение характеристик SiPM и ФЭУ 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 Нечувствитель ны Чувствительн ы Экспериментальная установка На 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 данные Спектры SiPM Hamamatsu 3х3 мм2 Сцинтиллятор LaBr3:Ce Сцинтиллятор LYSO 1800 Ист. 137Сs (662кэВ) ER=8% 2500 Ист. 137Cs (662кэВ) ER=13% 1600 1400 2000 1200 1500 N N 1000 800 1000 600 400 500 200 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 100 200 300 Ch 400 500 Ch Рис.4. Экспериментальные спектры 600 700 800 900 1000 Экспериментальные данные Спектры LaBr3:Ce SiPM Hamamatsu 3x3 мм2 SiPM Ketek 3x3 мм2 160 200 Ист. 99mTc (140 кэВ) ER=32% Ист. 99mTc (140 кэВ) ER=34% 140 120 150 -1 N, c N, c -1 100 100 80 60 50 40 20 0 0 200 600 400 Канал 800 1000 0 0 200 400 600 Канал Рис.5. Экспериментальные спектры 800 1000 Реализация гамма-локатора: прототип 1 Детектирующая часть при помощи кабеля соединена с блоком электроники. Результат измерений выводится на цифровой индикатор. Рис.6. Прототип 1 Рис.7. Блок-схема прототипа 1 Измерение характеристик прототипа 1: пространственное разрешение Детектор Коллиматор Рис.8. Схема измерения пространственного разрешения и параметры коллиматора Координатное разрешение ширина на полувысоте функции зависимости счета от координаты, перпендикулярной оси детектора. Рис.9. Зависимость скорости счета от координаты. Ист. 57Co (124 кэВ); FWHM = 21 мм Измерение характеристик прототипа 1: пространственная селективность 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. Коллиматор Детектор Рис.10. Схема измерения пространственной селективности Рис.11. Зависимость скорости счета от полярного угла. Ист. 57Co (124 кэВ); FWHM = 16º Реализация гамма-локатора: прототип 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 Рис.13. Внешний вид платы и блок-схема прототипа 2 Экспериментальные данные В прототипе 2 для определения положения фотопика был снят интегральный спектр. Нижней границе фотопика соответствует выделенная пунктиром область. Рис.14. Интегральный спектр источника Cs-137 (662 кэВ) Температурная нестабильность 73,1 73,0 72,9 U, V 72,8 72,7 72,6 72,5 72,4 72,3 72,2 20 22 24 26 28 30 32 34 36 o T, C Рис.15. Зависимость скорости счета от времени Рис.16. Зависимость рабочего Uсм от температуры В ходе измерений обнаружилось снижение скорости счета детектора со временем. Это объясняется температурной нестабильностью SiPM (рабочее напряжение смещения линейно растет с температурой, коэффициент 56 Термокомпенсация В преобразователе постоянного напряжения (МАХ 1932) заложена возможность температурной компенсации выходного напряжения с помощью 73,0 терморезистора. 72,9 Рис.17. Схема включения терморезистора 72,8 72,7 Расчет резистивного делителя проверялся путем имитации 72,5 работы NTC термистора 72,4 подстроечным многооборотным 72,3 резистором. 72,2 Следующий этап: измерение 72,1 зависимости выходного 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 напряжения от температуры с T, C Рис.18. Компенсация выходного напряжения с помощью терморезистором. U, V 72,6 o Эффективность регистрации гамма-квантов а. б. 26 50 24 45 Co-57 (124 кэВ) Эффективность: (70±2)% 22 Cs-137 (662 кэВ) Эффективность: (29±4)% 20 18 30 16 -1 35 N, c N, c -1 40 25 14 12 20 10 15 8 6 10 4 5 2 0 0 80 100 120 140 160 180 х, мм 200 220 240 260 70 80 90 100 110 120 130 140 150 х, мм Рис.19. Зависимость скорости счета от расстояния между детектором и источником; а. – Co-57 (124 кэВ), б. – Cs-137 (662 кэВ) 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. 160 Прототип 2: координатное разрешение и пространственная селективность 160 4,5 Co-57 (124 кэВ) ПР = 8 мм 140 4,0 Co-57 (124 кэВ) о ПС = 26 3,5 120 3,0 100 -1 N, c N, c -1 2,5 80 2,0 60 1,5 40 1,0 20 0,5 0 0,0 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 х, мм Рис.20. Зависимость скорости счета от координаты. Ист. 57Co (124 кэВ); FWHM = 8 мм 10 -60 -40 -20 0 , 20 40 о Рис.21. Зависимость скорости счета от полярного угла. Ист. 57Co (124 кэВ); FWHM/2 = 26º 60 Сравнение прототипа 2 с зарубежными аналогами Таблица 3. Сравнение характеристик гамма-локаторов Производитель (страна) Europrobe CsJ, Eurorad (Франция) C-Trak OmniProbe, Care Wise (США) Neoprobe 2000 (США) Гамма-локатор 2 (МИФИ) Координатное разрешение, мм Пространственная селективность, ° Чувствительность, имп/с/кБк 14 35 7 15 50 23 15 36 10 8 26 12 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 внимание!