Некоторые нерешенные проблемы в конструктивном решении коллиматоров

Несмотря на многие годы исследований до настоящего времени не создана удовлетворительная конструкция коллиматора для детектирования 511-кэВ фотонов. Главная проблема при конструировании коллиматоров для высоких энергий заключается в прохождении излучения через материал коллиматора. Решение этой проблемы через увеличение толщины коллиматора и диаметра каналов создает только новые проблемы. В изображении появляются артефакты, связанные с видимостью структуры отверстий. Гантри большинства камер не могут поддерживать вес таких тяжелых коллиматоров.

Проблема видимости сетки отверстий, однако, является решаемой. Одно из возможных решений состоит в применении качания или вращения коллиматора, но оно требует дополнительного оборудования. Другое решение – создание нового плотного сплава или смеси веществ с высоким атомным номером. Повышение плотности позволило бы укоротить длину и сократить поперечные размеры отверстий, что в результате уменьшило бы количество артефактов. Альтернативный подход состоит в применении в конструкции коллиматоров вольфрамовых стержней и ванадиевых гильз, которые вводятся в свинцовый расплав. Такое решение не может полностью решить проблему, так как оценки показывают, что даже чисто вольфрамовые коллиматоры не могут полностью устранить артефакты, связанные со структурой отверстий. Однако применение урана в сочетании со свинцовым покрытием при конструировании коллиматоров могло бы уменьшить эффект видимости решетки отверстий до приемлемого на практике уровня. Наконец, этот эффект возможно минимизировать с помощью усовершенствований в геометрии коллиматора. Одна из нереализованных идей состоит в сужении поперечных сечений коллиматоров вблизи фронтальной и задней поверхностей коллиматора и оптимальной подстройки расстояния В между коллиматором и плоскостью изображения.

Следующей нерешенной проблемой является оптимизация КПК для анализа распределений р/н с полиэнергетическим спектром. Существующие методики оптимизации применяют критерий прохождения излучения через септу, который основан на использовании линейного коэффициента ослабления фотонов для конкретной энергии. Однако многие р/н, например ⁶⁷Ga, испускают фотоны с различными энергиями, и оптимизация параметров коллиматора для одной энергии не обязательно будет подходящей для фотонов с другой энергией. Оптимизация конструкции для наивысшей энергии тоже может оказаться неверным решением в случаях, когда выход фотонов с этой высокой энергией является малым. Но и игнорировать такую фракцию спектра будет неразумным, потому что эти высокоэнергетические фотоны могут "разлиться" по всему изображению, уменьшить контраст и создать больше отсчетов, чем низкоэнергетическая фракция спектра. Сложность данной проблемы не позволяет, таким образом, при проектировании коллиматоров полагаться на простые критерии, рассмотренные выше. В этом случае целесообразно для оптимизации конструкции провести всестороннее исследование с применением компьютерных программ лучевого анализа.

Остается нерешенной проблема оптимального конструирования конвергентных коллиматоров. Проектирование конусных и веерных коллиматоров является намного более сложной задачей, чем проектирование КПК. Разработка адекватного согласованного метода для определения расположения каналов и других геометрических параметров этих коллиматоров стала бы важным достижением в данной области.

И последнее, мало изученными являются вопросы проектирования коллиматоров для недавно разработанных многокристальных гамма-камер. Некоторые ученые утверждают, что более оптимальными для таких гамма-камер будут коллиматоры с каналами квадратного поперечного сечения [6, 7].

Контрольные вопросы

1. Какой компонент гамма-камеры и почему оказывает наибольшее влияние на качество изображения?

2. Сколько процентов от испускаемых РФП фотонов обычно проходит через коллиматор гамма-камеры?

3. На какие группы делятся параметры коллиматора и чем эти группы отличаются друг от друга?

4. Назовите и охарактеризуйте базовые конструкционные параметры коллиматора.

5. Какие конфигурации каналов КПК применяются на практике?

6. Какие параметры коллиматора являются подстроечнами?

7. Что такое PSRF и как она определяется?

8. Как, зная геометрические параметры коллиматора, можно оперативно оценить его разрешение?

9. Как можно в приближении гауссовской аппроксимации оценить FWHM коллиматора?

10. Каким образом определяется чувствительность коллиматора и от каких переменных она зависит?

11. Назовите величину среднего значения чувствительности типичного коллиматора.

12. Где находится область практически постоянной чувствительности КПК?

13. Как связаны между собой чувствительность и разрешение коллиматора?

14. Сформулируйте критерий "невидимости" в изображении структуры отверстий коллиматора.

15. Как проявляется в изображении прохождение фотонов через серту коллиматора?

16. Сформулируйте критерий допустимого прохождения фотонов через септу коллиматора.

17. Опишите принцип оптимизации конструкции коллиматора.

18. Какая толщина коллиматора приводит к максимальному значению его чувствительность при условии выполнения критерия проницаемости?

19. Верно ли утверждение, что оптимальная толщина коллиматора не зависит от его разрешения?

20. От каких факторов зависит оптимальная толщина коллиматора?

21. Как зависит оптимальная толщина коллиматора от энергии фотонов?

22. Какие основные нерешенные проблемы существуют в конструктивных решениях коллиматоров?

Список литературы

1. Gunter D.L., revised by Halama J.R. Gamma camera collimator characteristics and design // In: Nuclear Medicine. 2^nd edition. V. 1 / Ed. by R.E. Henkin, D. Bova, G.L. Dillehay et al. 2006. Mosby, Inc. P. 107 – 126.

2. Tsui B.M.W., Guilberg G.T. The geometric transfer function for cone and beam collimators // Phys. Med. Biol. 1990. V. 35. P. 81 – 93.

3. Characterization of fan-beam collimators / D. Pareto, J. Pavia, C. Falcon et al. // Eur. Nucl. Med. 2001. V. 28. P.!44 – 149.

4. Gunter D.L. Collimator chararteristics and design // In: Nuclear Medicine. Ed. by R.E. Henkin. 1996. St. Louis. Mosby.

5. Mather R.L. Gamma-ray collimator penetration and scattering effects // J. Appl. Phys. 1957. V. 28. P. 1200 – 1207.

6. Evaluationof a small cadmium zinc telluride detector for scintimammography / M. Byron, M.K. Konnor, I. Belvis et al. // J. Nucl. Med. 2003. V. 44. P. 602 – 609.

7. Gruber G.J., Moses W.W., Derenzo S.E. Monte Carlo simula-tion of breast tumor imaging properties with compact, discrete gamma camera // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1999. V. 46. P. 2119 – 2123.

Дата добавления: 2015-10-24