Радіодіагностична апаратура. Устрій та принцип роботи

Радіометри, які видають інформацію у вигляді імпульсів за хвилину чи за секунду, звуться звичайними радіометрами (лічильниками). Вони можуть бути:
а) клінічними для вимірювання іонізуючого випромінювання людини або частини її тіла;
б) лабораторними, які використовуються при методах "in vitro". Вони більш складні, обладнані ЕОМ, аналізують поступаючу інформацію і видають її у вигляді цифр (наприклад 50мг тироксину в 1мл крові або інших біологічно активних речовин). Процес вимірювання частіше триває декілька хвилин.

Табл. 3.2. Класифікація радіодіагностичних приладів

Основою радіометра є детектор. Детектор використовує фізичні властивості випромінювань викликати певні ефекти, які можна легко зафіксувати і перетворити в електричний сигнал. По фізичному явищу, яке використовується для реєстрації радіоактивності детектори бувають: іонізаційні і сцинтиляційні. В якості іонізаційного детектора найчастіше використовується лічильник Гейгера-Мюлера. За будовою це колба, в якій відкачане повітря замінено сумішшю аргон - ізопентанол. В центрі колби натягнутий вольфрамовий дріт - анод, катодом є корпус. До них від випрямлювача підводиться постійний струм високої напруги - 400 - 2000 В. (область Гейгера). Якщо в газорозрядний лічильник потрапляє іонізуюча частка або гамма-квант, то вони створюють пари іонів: позитивний і негативний. Два чи більше - немає значення. В результаті газового розряду утворюється лавина електронів, яка йде до аноду (центральної нитки), це створює імпульс електричного струму. Розпади реєструються не всі, а тільки ті, які випромінюють в сторону детектора. Вимірюється так звана відносна радіоактивність. Для збільшення ефективності реєстрації розпадів (до 90%) можна використовувати два лічильники, між торцями яких розміщується радіоактивний препарат. Це дозволяє використати невелику кількість препарату і підвищити достовірність результатів. Частіше використовуємо сцинтиляційні детектори, які являють собою сцинтилятор –
монокристал NaІ , активований талієм (Тl). В ньому при попаданні променя виникає короткочасний спалах, який швидко гасне, що дозволяє сприйняти наступний розпад. Розрізняльна їх чутливість досягає 50000 імпульсів за хвилину.

Тобто "мертвий" час невеликий. Так як сцинтиляції дуже слабкі, то їх фіксують фотоелектронними помножувачами (ФЕП). Яскравість спалаху залежить від кількості одночасних сцинтиляцій. Це залежить від енергії променів і дозволяє відрізняти одні радіонукліди від інших. Чим більша енергія кванту, тим більш яскравий буде спалах. На цьому принципі працюють спектрометри іонізуючих випромінювань. Спалах попадає на фотокатод (звичайно це сплав сурми з цезієм) і вибиває електрон, тобто переводить енергію світла в електричну енергію - фотоефект. ФЕП має 8-14 динодів. Завдяки ФЕП електрони розмножуються у геометричній прогресії і отримується певної величини імпульс струму, достатній для реєстрації електронним лічильником. Якщо ці імпульси вимірюються за секунду, то їх кількість буде пропорційною розпадам за секунду. Імпульсів звичайно буде менше, ніж розпадів, тому що  реєструються тільки ті промені, що попали на сцинтилятор. Щоб детектор був більш чутливим, сцинтилятори виготовляють у вигляді колодязів (рис. 3.2.).

Рис. 3.2. Схема колодязного детектора

Якщо у такий колодязь поставити пробірку з радіонуклідом, то куди б не полетіли промені, крім отвору в колодязі, вони будуть зареєстровані. Тобто колодязний сцинтилятор буде більш ефективним. Таким чином кількість електричних імпульсів за секунду - це відносна радіоактивність. Колодязний детектор часто використовується при діагностиці "in vitro". Лічильники для діагностики "in vitro", як і клінічні радіометри, можуть бути одноканальними (з одним детектором), багатоканальними або з автоматичною зміною пробірок, що дозволяє вимірювати радіоактивність багатьох біопроб. При вимірюванні радіоактивності біопроб або певної ділянки тіла хворого і щоб не заважали випромінювання від зовнішнього середовища (космічні промені, можливі радіаційні забруднення в самій лабораторії) детектори екрануються, а корисна діагностична інформація поступає через отвори  коліматорів. В залежності від клінічних обставин коліматори можуть замінюватись, тобто вони бувають різних типів (рис. 3.3.). Коліматори виготовляють із свинцю, в них є один або багато отворів. Змінюючи величину, напрям, кількість отворів ми можемо сприймати випромінювання зі всього органу, при радіографії, чи з окремої частини тіла за допомогою гамма-топографів (сканерів, планарних гамма-камер, емісійних томографів).
Абсолютна радіоактивність - це кількість розпадів за секунду. Детектор - основна деталь кожного радіометру. Окрім детектора радіометр включає в себе реєстратор імпульсів та блок живлення - це високовольтний стабілізуючий випрямлювач електричного струму. Для детекторів різних конструкцій потрібен постійний струм високої напруги до 1500-2000 Вт.
Радіографи використовуються для вимірювання швидкоплинної зміни радіоактивності в часі. Електричний струм посилається на самописець, отримується крива у вигляді графіку. Радіографи або хронографи бувають однодетекторні (одноканальні) і багатоканальні (наприклад, при дослідженні функції нирок потрібно чотири детектори: для лівої і правої нирки, серця, сечового міхура). Буває 12 канальний радіограф, якщо необхідно міряти радіоактивність багатьох ділянок, наприклад головного мозку. Радіографи використовуються частіше для вивчення функцій органів та кровообігу в них. Класифікація радіодіагностичних приладів показана на рис.4.
   Реєстратором певного органу може бути лічильник електричних імпульсів. Для того щоб реєструвати не всі імпульси, а тільки необхідні, на їх шляху ставиться дискримінатор, що пропускає імпульси тільки певної величини, яка залежить від енергії випромінювання. Такий дискримінатор дозволяє одночасну реєстрацію двох радіонуклідів (випромінювання від двох РФП). Це надзвичайно важливо, наприклад, коли  вивчаються парціальні функції нирок, тобто окремо функція канальців — секреція і клубочків - фільтрація. В даному випадку вводиться одночасно два препарати - один з них секретується, другий фільтрується нирками. По різниці показників розраховується фільтраційна фракція, тобто яка частина фільтрується, а це дозволяє диференціювати нефрит від нефрозу.

Гамма-топографи - це сканери, планарні гамма-камери, одно- та двохфотонні емісійні томографи, які додають уявлення про розподілення РФП в межах організму або певного органу. Для того щоб "бачити" весь орган, детектор автоматично ступінчато спочатку переміщується в одному напрямку, потім робить крок вниз і далі  рухається у зворотному напрямку. Швидкість переміщення детектора та густину штрихів можна регулювати. Цей процес називається скануванням, а такі радіометри - сканерами. В сучасних гамма-топографах використовується ЕОМ, які аналізують сигнали, опрацьовують інформацію і можуть представити у вигляді двох- чи тривимірного зображення (картинки) або  кривої, що характеризує зміни радіоактивності в часі. Для збільшення розрізняльної здатності гамма-камери використовується сильноколімований детектор, в поле зору якого потрапляє невелика ділянка.

 Рис. 3.3. Види коліматорів

Детектор сцинтиляційної гама-камери (рис.3.4.) являє собою плаский монокристал Nal діаметром до 50см або прямокутної форми.  Коліматор - це змінний свинцевий диск або квадрат, в якому багато  отворів. Над кристалом розміщені 37-73 ФЕП, які перетворюють світові спалахи на електричний сигнал, що обробляється та передається на ЕОМ. На екрані отримують зображення розподілу РФП. Тобто отримується статична гамма-сцинтиграма (місце розташування органу, розміри, форма, обриси, локалізація патологічного вогнища). ЕОМ переносять зображення на відеомонітор або інші носії (фотоплівку, папір).

1-коліматор;    2- кристал NaI;     3- світовід;
4 - електронні реєструючи схеми; 5- свинцевий кожух;
Ф1-Фn – фотопомножувачі

Рис.3.4. Схема детектора гамма-камери

Гамма-камера може працювати в двох режимах: у динамічному і в  статичному. В статичному режимі за певні проміжки часу отримуються  гамма-топограми, а при динамічному режимі імпульси струму із всього органу або окремих ділянок - "зон інтересу," сумуються за кожну секунду
 ( хвилину), і на їх основі викреслюється крива зміни активності за певний час. Тобто за одне введення РФП ми можемо вивчити топографію і функцію органу, що значно підвищує діагностичну ефективність методу. Переваги методу ще в тім, що зображення може отримуватись за долі секунди. Відпадає також потреба, як при скануванні, переміщувати детектор. Сканограму (статичну сцинтиграму)  можемо отримати, якщо РФП затримується в об'єкті обстеження більш тривалий час, достатній для обстеження всієї площини органу.

Табл 3.2. Головні  відзнаки методів сканування та сцинтиграфії

Емісійні томографи дозволяють отримати пошарове зображення. В томографі детектор переміщується навколо подовжньої осі тіла хворого і за допомогою ЕОМ реконструюється зображення у фронтальній, сагітальній площинах або по типу поперечних анатомічних зрізів Пирогова. Пошарове зображення можливо також отримати за допомогою позитронного емісійного томографа (ПЕТ). При ПЕТ за рахунок анігіляції позитронів утворюється два гамма-кванти, які летять у діаметрально протилежних напрямках. І якщо з двох сторін об'єкта розмістити два детектори і використати принцип співпадіння сцинтиляцій, то при реконструкції сигналів за допомогою ЕОМ отримуємо об'ємне зображення. ПЕТ дуже коштовні і потребують циклотронів для отримання ультракороткоживучих РФП з періодом напіврозпаду в декілька хвилин   (наприклад, фтор-17,  період напіврозпаду якого становить 1,2 хвилини).