Βελτιστοποίηση Φαρακτηριστικών Απεικονιστικού υστήματος Σύπου SPECT για την Αποτύπωση Οργάνων Μικρού Ζώου

ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΑΘΗΝΨΝ ΣΜΗΜΑ ΥΤΙΚΗ ΣΟΜΕΑ ΠΤΡΗΝΙΚΗ ΥΤΙΚΗ ΚΑΙ ΣΟΙΦΕΙΨΔΨΝ ΨΜΑΣΙΔΙΨΝ Βελτιστοποίηση Φαρακτηριστικών Απεικονιστικού υστήματος Σύπου SPECT για την Αποτύπωση Οργάνων Μικρού Ζώου ΠΣΤΦΙΑΚΗ ΕΡΓΑΙΑ ΙΔΗΡΟΠΟΤΛΟΤ ΡΑΥΑΗΛΙΑ ΑΜ: 2010 00 153 Επιβλέπων: Αν. Καθηγητής Ευστάθιος τυλιάρης Αθήνα 2017 0

Ευχαριστίες Η διατριβή αυτή είναι το αποτέλεσμα μια έντονης φοιτητικής πορείας, με πολλή δουλειά και προσπάθεια. την πορεία μου αυτή είχα την χαρά και την τύχη να έχω αρωγούς κάποιους ανθρώπους, που τους χρωστάω πολλά και θα ήθελα να αναφερθώ προσωπικά. Κατ αρχάς, ένα μεγάλο ευχαριστώ στον καθηγητή της σχολής μου κύριο Ευστάθιο τυλιάρη, Αναπληρωτή Kαθηγητή του ΕΚΠΑ στον τομέα Πυρηνικής Υυσικής και τοιχειωδών ωματιδίων, για την βοήθεια και για την καθοδήγησή του. Η συμβολή του υπήρξε καθοριστική και η εμπιστοσύνη του στο πρόσωπό μου με ώθησε στο να προσπαθήσω περισσότερο. Η μορφή του υπήρξε έμπνευση για εμένα και μου καλλιέργησε την άμιλλα, σε συνάρτηση με τον ίδιο μου τον εαυτό, αφού ένιωθα την ανάγκη κάθε φορά να τον ξεπερνώ. Κατά δεύτερον, ευχαριστώ την Μαρία Ζιώγα, υποψήφια διδάκτωρ, σύμβουλο της πτυχιακής μου, η οποία υπήρξε ακούραστη οδηγός και συμβουλάτοράς μου στην εργασία αυτή. Η διορατικότητά της, σχετικά με τις δυνατότητές μου και την κλίση μου, με βοήθησε να δουλέψω με όρεξη. Η ικανότητά της να με «διαβάζει» και να με σπρώχνει προς την σωστή κατεύθυνση ήταν η αιτία να προσηλωθώ στην εργασία μου και να την ολοκληρώσω με καλή διάθεση. Η υπομονή της δε υπήρξε ιώβειος και ανέχτηκε με στωικότητα τα ξεσπάσματα και τις ανασφάλειές μου, επαναφέροντάς με στην σωστή τροχιά. Ευχαριστώ επίσης τον Νικόλαο-Αριστοτέλη Ραψομανίκη, υποψήφιο διδάκτωρ, καθοδηγητή στα πρώτα μου βήματα στο εργαστήριο, ο οποίος με βοήθησε, έλυσε την κάθε μου απορία και άκουσε τους προβληματισμούς μου. Απάντησε στα ερωτήματά μου και έθεσε τις βάσεις για την περαιτέρω πορεία μου. Σέλος, ευχαριστώ τους δικούς μου ανθρώπους, οικογένεια, φίλους και ειδικά τους γονείς μου, για την τεράστια συμβολή τους στην μαθητική, αρχικά, και φοιτητική μου πορεία αργότερα. Η επιμονή και η στήριξη τους υπήρξε τεράστια και στάθηκαν ακοίμητοι φρουροί στο πλευρό μου, ανεχόμενοι τις γκρίνιες και τα άγχη μου και προλαβαίνοντας κάθε μου επιθυμία, ώστε να είμαι ήρεμη και απερίσπαστη στον σκοπό μου. 1

Περιεχόμενα ΠΕΡΙΛΗΧΗ 3 ΕΙΑΓΨΓΗ 4 Κεφάλαιο 1 6 1.1 Ακτινοβολία και πηγές ακτινοβολιών 6 1.2 Σεχνήτιο Tc-99m 9 1.3 Καίσιο Cs-137 10 1.4 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας με την ύλη 11 1. Υωτοηλεκτρικό φαινόμενο 11 2. κέδαση Compton 12 3. κέδαση Rayleigh 13 4. Δίδυμη Γένεση 14 Κεφάλαιο 2 15 2.1 Η γ-camera 15 2.2 Αρχή λειτουργίας γ-camera 15 1. Κατευθυντήρες 17 2. Ανιχνευτής πινθηρισμών 19 3. Υωτοπολλαπλασιαστής 22 4. Ηλεκτρονικό σύστημα 24 Κεφάλαιο 3 25 3.1 Σο πείραμα 25 3.2 Φαρακτηριστικά κάμερας 25 1. Hamamatsu R2486-2 26 2. DAQ system 27 3. Ανάπτυξη Λογισμικού σε Περιβάλλον LabVIEW 30 Κεφάλαιο 4 31 4.1 Μελέτη δεδομένων σε απόλυτα σκοτεινό περιβάλλον 31 4.2 ύγκριση δεδομένων με περίβλημα σε εξωτερικό περιβάλλον 35 4.3 Βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας 43 Κεφάλαιο 5 46 5.1 Απεικόνιση μικρού ζώου 46 5.2 υμπεράσματα 51 Βιβλιογραφία 52 2

ΠΕΡΙΛΗΧΗ Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη και η σύγκριση δύο σημαντικών μεταβλητών που καθορίζουν την ποιότητα της προβολικής εικόνας της γ-camera. Θα μελετηθεί η επίδραση της εφαρμοζόμενης τάσης στον χωρικά ευαίσθητο φωτοπολλαπλασιαστή και του χρονικού παραθύρου, το οποίο καθορίζει τη διάρκεια ολοκλήρωσης του λαμβανόμενου παλμού, στο σύστημα λήψεως δεδομένων, ώστε να βελτιστοποιηθεί η απόδοση της ανιχνευτικής μας διάταξης. κοπός δηλαδή της εργασίας αυτής είναι ο καθορισμός των τιμών των μεταβλητών αυτών, καθώς επίσης και του σωστού συνδυασμό τους, ώστε να γίνεται λήψη της βέλτιστης εικόνας. Απώτερος στόχος είναι η διόρθωση γεγονότων τα οποία περιέχουν over-ή-under flows καθώς επίσης και την ελαχιστοποίηση των γεγονότων χωρίς σκανδαλισμό. Αρχικά, γίνεται αναφορά στη χρησιμότητα της εφαρμογής των απεικονιστικών συστημάτων στην Ιατρική Υυσική και στην Πυρηνική Ιατρική, στις πηγές ακτινοβολιών και τον τρόπο αλληλεπίδρασης τους με την ύλη. τη συνέχεια, παρουσιάζεται γενικά ο τρόπος λειτουργίας της γ-camera και γίνεται ανάλυση των επιμέρους τμημάτων που την αποτελούν. Ακολουθεί η περιγραφή ενός πειράματος με πηγή Cs-137, όπου λαμβάνονται δεδομένα για διάφορες τιμές των παραμέτρων τάσης και χρονικού παραθύρου. Παράλληλα, γίνεται παράθεση των κατασκευαστικών χαρακτηριστικών του χρησιμοποιηθέντος μοντέλου γ- Camera καθώς και των υπολογιστικών συστημάτων στα οποία βασίστηκε η εκτέλεση και η ανάλυση των μετρήσεων. Σέλος, παρατίθενται τα δεδομένα της μελέτης και τα αποτελέσματα των συγκρίσεων. Η μελέτη κατέδειξε ότι η βέλτιστη τάση λειτουργίας του χωρικά ευαίσθητου φωτοπολλαπλασιαστή είναι 1000 V, ενώ η βέλτιστη διάρκεια του χρονικού παλμού ολοκλήρωσης εντοπίζεται στα 500ns όπου έχουμε την καλύτερη αναλογία σήματος προς θόρυβο. Εφαρμόζοντας τις παραπάνω συνθήκες λήφθηκαν μετρήσεις από δύο μικρά ζώα (ποντίκια) με ιχνηθέτη ραδιοφαρμάκο Tc- 99m με σκοπό την απεικόνιση συγκεκριμένων οργάνων τους. Σα τελικά αποτελέσματα ήταν ικανοποιητικά τόσο σε προβολικό όσο και σε τομογραφικό επίπεδο, ενώ πραγματοποιήθηκε και τρισδιάστατη ανακατασκευή των οργάνων. Λέξεις κλειδιά: γ-camera, Φωρικά Ευαίσθητος Υωτοπολλαπλασιαστής, Προβολική Εικόνα, Μονοφωτονική Σομοσπινθηρογραφία, Σομογραφική Ανακατασκευή Εικόνας Key words: γ-camera, Position Sensitive PhotoMultiplier Tube (PSPMT), Planar Image, Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT), Tomographic Image Reconstruction 3

ΕΙΑΓΨΓΗ Η ανάγκη της μη επεμβατικής απεικόνισης της ανατομίας και της λειτουργίας διαφόρων οργάνων του ανθρώπινου σώματος οδήγησε στην ανακάλυψη μεθόδων απεικόνισης μέσω της ατέρμονης προσπάθειας και συνεισφοράς των θετικών επιστημών και της τεχνολογίας. Όλα ξεκίνησαν τα τέλη του 19 ου αιώνα όταν μια σπουδαία ανακάλυψη άλλαξε τα δεδομένα στην ιατρική επιστήμη και να συντέλεσε στη συμβίωσή της με τη φυσική, δημιουργώντας τον καινοτόμο κλάδο της Ιατρικής Φυσικής. τις 8 Νοεμβρίου του 1895 ο Γερμανός φυσικός Wilhelm Röntgen ανακάλυψε τις ακτίνες-φ, μια αόρατη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Προς έκπληξή του, οι ακτίνες-φ είχαν την ικανότητα να διαπερνούν το ανθρώπινο σώμα και να παράγουν μια <<φωτογραφία>> από το εσωτερικό του, απεικονίζοντας λεπτομερώς τα κόκαλα, τις κοιλότητες και άλλες ανατομικές δομές. Ύστερα από αυτό το σημείο-σταθμό στην ιστορίας της Ιατρικής Υυσικής, ακολούθησε ραγδαία εξέλιξη όσον αφορά την κατασκευή ολοκληρωμένων συστημάτων μη επεμβατικής απεικόνισης και ανακατασκευής εικόνας από τις διάφορες τομές που λαμβάνονταν από το εξεταζόμενο όργανο. Άλλη μια σύγχρονη ειδικότητας της Ιατρικής που αναπτύχθηκε είναι η Πυρηνική Ιατρική όπου χρησιμοποιεί ραδιενεργά χημικά στοιχεία και εκμεταλλευόμενη τις ιδιότητες τους επιτυγχάνει τη διάγνωση και θεραπεία ασθενειών. Σα ραδιενεργά χημικά στοιχεία ονομάζονται ραδιοϊσότοπα και συνδυάζονται με φάρμακα ώστε να εισέλθουν στον οργανισμό του εξεταζόμενου. Μετά την είσοδό τους στον οργανισμό, τα ραδιοφάρμακα απελευθερώνουν τη δράση τους στοχευμένα, σε συγκεκριμένα όργανα ή κυτταρικούς υποδοχείς. Σα ραδιοφάρμακα, ανάλογα με το σκοπό τους, βοηθούν είτε στη θεραπεία του επιθυμητού βιολογικού συστήματος είτε στην απεικόνισή της μορφής ή της λειτουργίας του με παράλληλη χρήση κατάλληλων συσκευών απεικόνισης. Σα ραδιοϊσότοπα έχουν την ίδια χημική συμπεριφορά με τα αντίστοιχα σταθερά ισότοπα αλλά έχουν επιπλέον την ιδιότητα να εκπέμπουν ενέργεια με διάφορους τρόπους. Ο ανθρώπινος οργανισμός, επομένως, χρησιμοποιεί όλα τα ισότοπα ομοίως (σταθερά ή ραδιενεργά). Η πρώτη χρήση ραδιοϊσοτόπου για ιατρικούς σκοπούς ήταν το 1930 όπου χρησιμοποιήθηκε 131 Ι για τη μελέτη του θυρεοειδούς αδένα. Εφόσον ο αδένας δεν αναγνωρίζει τα ισότοπα, <<επιτρέπει>> στο ραδιενεργό ιώδιο να διεισδύσει. ε μεγάλες ποσότητες το 131 Ι μπορεί να καταστρέψει καρκινογόνους ιστούς και για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται ευρέως στη Πυρηνική Ιατρική. Οι κυριότερες τεχνικές απεικόνισης είναι η υπολογιστική αξονική τομογραφία ( C.T.), η μονοφωτονική τομογραφία εκπομπής (S.P.E.C.T.), η τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίου (P.E.T.), η μαγνητική τομογραφία (M.R.I.) και η μέθοδοι απεικόνισης υπερήχων (U.S.). Καταλαβαίνουμε, λοιπόν, πως η ανάπτυξη και η χρήση της κατάλληλης τεχνολογίας είναι αναγκαία και σε αρκετές κλινικές περιπτώσεις αναπόφευκτη. Μέσω των απεικονιστικών συστημάτων λαμβάνουμε χρήσιμη πληροφορία τόσο για την κατάσταση του εξεταζόμενου βιολογικού ιστού όσο και για την αλληλεπίδραση των ραδιοϊσοτόπων με αυτόν. 4

Η πληροφορία που, όπως προαναφέρθηκε, αποδίδεται σε μορφή εικόνας μπορεί να είναι απλή όπως μια ακτινογραφία ακτίνων-φ ή πολύπλοκη όπως μια υπολογιστικά ανακατασκευασμένη εικόνα από μαγνητική τομογραφία. Είναι φανερό πως η ακριβής και έγκαιρη διάγνωση, η εκτίμηση της πορείας μιας νόσου, αλλά και ο σχεδιασμός θεραπευτικών παρεμβάσεων βασίζονται σήμερα σε σημαντικό βαθμό σε τεχνικές ιατρικής απεικόνισης. Για τον λόγο αυτό γίνονται συνεχείς προσπάθειες βελτίωσης των μηχανημάτων, των υλικών, των χαρακτηριστικών λειτουργίας, των υπολογιστικών συστημάτων, και συνεπώς των προβολικών εικόνων που ο ρόλος τους είναι τόσο σημαντικός σε όλα όσα προαναφέρθηκαν. Αυτός είναι και ο σκοπός της μελέτης που γίνεται στη συγκεκριμένη εργασία, αλλάζοντας τιμές δύο χαρακτηριστικών λειτουργίας της γ-camera που διαθέτουμε στο εργαστήριο, της τάσης (V) και του χρονικού παραθύρου (width), βρίσκουμε τον καλύτερο συνδυασμό τους ώστε η προβολική εικόνα που λαμβάνουμε στο τέλος να είναι ευκρινής και να περιέχει μόνο χρήσιμη πληροφορία. 5

~ Κεφάλαιο 1~ 1.1 Ακτινοβολία και πηγές ακτινοβολιών Η ακτινοβολία είναι ενέργεια που εκπέμπεται από κάποια πηγή και χωρίζεται σε δύο είδη, την ηλεκτρομαγνητική και τη σωματιδιακή. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διακρίνεται σε είδη ανάλογα με την ενέργεια της και δημιουργεί ένα φάσμα που ξεκινάει με τα ραδιοκύματα, όπου έχουν και το μεγαλύτερο μήκος κύματος (της τάξης των Km έως μερικά cm), ακολουθούν τα μικροκύματα, η υπέρυθρη ακτινοβολία, το ορατό φως (700nm-400nm περίπου), η υπεριώδης ακτινοβολία, οι ακτίνες-φ και τέλος, οι ακτίνες-γ (0,1nm-0,001 nm περίπου). Εικόνα 1.1: Σο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Από αριστερά προς τα δεξιά αυξάνεται η συχνότητα και άρα και η ενέργεια των ακτινοβολιών. Η σωματιδιακή ακτινοβολία χωρίζεται σε υποκατηγορίες ανάλογα με το σωματίδιο που την αποτελεί. υγκεκριμένα έχουμε την ακτινοβολία άλφα όπου πρόκειται για πυρήνες Ηλίου ( 4 2 He ), την ακτινοβολία βήτα που αποτελείται από ηλεκτρόνια (e - => β - ) ή ποζιτρόνια (e + => β + ) και την ακτινοβολία πρωτονίων και νετρονίων. Η ακτινοβολία αυτού του είδους προέρχεται από τα ραδιενεργά ισότοπα για τα οποία έγινε αναφορά στην Εισαγωγή. Σα ισότοπα αυτά είναι ασταθείς μορφές των αντίστοιχων σταθερών χημικών στοιχείων και υπόκεινται διασπάσεις κατά τις οποίες εκπέμπουν τα σωματίδια που είδαμε παραπάνω ανάλογα με την δομή τους. το διάγραμμα Segre, ή αλλιώς στο Φάρτη Νουκλιδίων, υπάρχουν όλα τα ισότοπα κατανεμημένα ανάλογα με τον ατομικό τους αριθμό (Ζ) και των αριθμό νετρονίων (Ν) στον πυρήνα τους. υγκεκριμένα στον άξονα x τοποθετείται ο αριθμός πρωτονίων και στον άξονα y ο αριθμός νετρονίων. 6

Εικόνα 1.2: Διάγραμμα Segre. Περιέχει όλους του υπάρχοντες σταθερούς και ασταθείς πυρήνες. Οι περισσότεροι πυρήνες βρίσκονται πάνω από την ευθεία Ν=Ζ. Με μαύρο χρώμα φαίνονται οι σταθεροί πυρήνες και βρίσκονται πάνω σε μία <<γραμμή>> που λέγεται κοιλάδα σταθερότητας, ενώ με τα υπόλοιπα χρώματα οι ασταθείς πυρήνες που διασπώνται και εκπέμπουν ακτινοβολία. Οι διασπάσεις οδηγούν τους πυρήνες σε πιο σταθερή κατάσταση και επομένως πιο κοντά στην κοιλάδα σταθερότητας. Με γαλάζιο είναι χρωματισμένοι οι πυρήνες με πλεόνασμα νετρονίων που πραγματοποιούν β- διάσπαση (n 0 -> p + + e - + ν e ) και με πορτοκαλί οι πυρήνες με περίσσεια πρωτονίων που οδηγούνται σε β+ διάσπαση (p + -> n 0 + e + + ν e ). Σέλος, υπάρχει και ένα μικρό ποσοστό ασταθών πυρήνων που διασπώνται με διαφορετικό τρόπο (λοιπά χρώματα). Απ όλα τα είδη ακτινοβολίας που αναφέρθηκαν, τα πιο χρήσιμα για εφαρμογές στην Ιατρική Υυσική και Πυρηνική Ιατρική είναι οι ακτινοβολίες β, γ και οι ακτίνες-φ. Η πλειοψηφία των τεχνικών απεικόνισης και θεραπείας βασίζονται στις ιδιότητες αυτών των ακτινοβολιών. το πείραμά μας, εφόσον δουλεύουμε με γ-camera θα χρησιμοποιήσουμε πηγή ακτίνων-γ. Ορισμένα από τα πιο σημαντικά ραδιοϊσότοπα που χρησιμοποιούνται για ιατρικούς σκοπούς παρουσιάζονται στον επόμενο πίνακα. 7

Εικόνα 1.3: Ραδιενεργά ισότοπα που βοηθάνε στη διάγνωση διαφόρων ασθενειών. τον πίνακα φαίνονται τα είδη των διασπάσεων που υπόκεινται, ο χρόνος ημιζωής τους και οι περιοχές του ανθρωπίνου σώματος που μπορούν ν ανιχνευτούν με τη χρήση τους. Για παράδειγμα, το I-131 αποτελεί σημαντικό προϊόν σχάσης του ουρανίου (U-235) και του πλουτωνίου (Pu-239), έχει χρόνο ημιζωής περίπου 8,02 ημέρες και κάνει διπλή διάσπαση. ε πρώτο χρόνο εκπέμπει ακτινοβολία β και στη συνέχεια ακτινοβολία γ. υγκεκριμένα, η σειρά αντιδράσεων που ακολουθεί είναι: I e +ν + Xe 131 131 131 53 e 54 και Xe 131 54 54 Xe + γ. τη δεύτερη αντίδραση εκπέμπεται φωτόνιο (ακτίνα-γ) με ενέργεια 364keV και το ξένο επιστρέφει στη θεμελιώδη κατάστασή του. Ση διάσπαση γ που πραγματοποιεί την εκμεταλλεύονται στην Πυρηνική Ιατρική για να μελετήσουν τυχόν δυσλειτουργίες στον θυρεοειδή αδένα. Σο στρόντιο Sr-81 είναι β+ ραδιενεργό ισότοπο με χρόνο ημιζωής 22,3 λεπτά, διασπάται με τον εξής τρόπο: 81 + 81 38 Sr e +νe+ 37 Rb εκλύοντας ενέργεια 80,09keV και χρησιμοποιείται για τον έλεγχο ασθενειών στα οστά, συμπεριλαμβανομένου και του καρκίνου. Σο κρυπτό Kr-81m έχει χρόνο ημιζωής 13,3 δευτερόλεπτα και κατά τη διάσπασή του εκπέμπει ακτινοβολία γ ενέργειας 191keV. την Πυρηνική Ιατρική εφαρμόζεται για τον έλεγχο του συστήματος αερισμού στους πνεύμονες. Τπάρχουν και ραδιοϊσότοπα που βοηθάνε στην ανακούφιση από τον πόνο που προκαλεί ο καρκίνος των οστών, όπως το Sr-89. Σο ισότοπο αυτό έχει χρόνο ημιζωής 50,57 ημέρες και πραγματοποιεί β- διάσπαση σύμφωνα με την αντίδραση ενέργεια 1492,61keV. 89 38 89 Sr e +νe+ Υ εκλύοντας Από την πληθώρα ραδιενεργών ισοτόπων που χρησιμοποιούνται, θα ασχοληθούμε με ένα από τα σημαντικότερα που είναι το τεχνήτιο Tc-99m. Σο τεχνήτιο χρησιμοποιήθηκε για την απεικόνιση των μικρών ζώων ενώ το καίσιο ήταν η πηγή ακτίνων-γ του πειράματός μας. Περαιτέρω ανάλυση για τα χαρακτηριστικά τους γίνεται στα επόμενα υποκεφάλαια. 39 8

1.2 Τεχνήτιο Tc-99m Σο Tc-99m είναι μία μετασταθής κατάσταση του Tc-99 το οποίο έχει χρόνο ημιζωής 211.000 χρόνια και λόγω αυτού τα ίχνη του στον πλανήτη μας είναι ελάχιστα από τη στιγμή δημιουργίας της Γης. Ήταν, λοιπόν, απαραίτητο να βρεθεί τρόπος παραγωγής του τεχνητίου-99m και επιτεύχθηκε με τη χρήση πυρηνικών αντιδραστήρων. Η παραγωγή του στηρίζεται στο μολυβδένιο (Mo-99) που είναι προϊόν σχάσης του ουρανίου (U-235). ε πυρηνικούς αντιδραστήρες, λεπτά φύλλα U-235 βομβαρδίζονται με νετρόνια, η διαδικασία αυτή οδηγεί στη σχάση των ατόμων του ουρανίου και την παραγωγή θυγατρικών πυρήνων, μεταξύ των οποίων είναι και το Mo-99. Ακολουθούν χημικές διεργασίες ώστε να διαχωριστεί και να συλλεχθεί το μολυβδένιο και έπειτα συσκευάζεται μέσα στη γεννήτρια Σεχνητίου/Μολυβδενίου. Μέσω της γεννήτριας, με γρήγορο και απλό τρόπο δημιουργείται το επιθυμητό ραδιενεργό ισότοπο τεχνητίου. Σο Mo-99 έχει χρόνο ημιζωής 66 ώρες και εκπέμπει β- ακτινοβολία. Η σειρά των αντιδράσεων είναι : 99m 99m 99 Mo e +νe+ Tc και Tc Tc + γ. 99 Η γεννήτρια περιέχει οξείδιο του αργιλίου (Al2 O3) με το οποίο αντιδρά το 99 Mo και παράγεται η ρίζα [MoO4] 2- που προσροφάται εύκολα από το Al2 O3 ενώ αντίθετα, το TcO4 που δημιουργείται από τη διάσπαση του μολυβδενίου, δε δεσμεύεται τόσο ισχυρά στο αλουμίνιο. Ρίχνοντας φυσιολογικό ορό στο εσωτερικό της γεννήτριας, γίνεται έκλουση του τεχνητίου και είναι έτοιμο για χρήση. Σο σχήμα της γεννήτριας είναι κυλινδρικό, στο κέντρο της βρίσκεται το μολυβδένιο και γύρω του υπάρχει μολύβδινη θωράκιση. Εικόνα 1.4: Απλοποιημένο σχεδιάγραμμα γεννήτριας 99 Mo/ 99m Tc. την αριστερή υποδοχή εισέρχεται ο φυσιολογικός ορός (αλατόνερο). Σο τεχνήτιο-99m εμπεριέχεται στον ορό που εξέρχεται από τη γεννήτρια, με μορφή οξειδίου του τεχνητίου, και συσσωρεύεται σ ένα δοχείο απ όπου συλλέγεται. Ορισμένα από τα βασικά πλεονεκτήματα χρήσης τεχνητίου-99m είναι: η εκπομπή μονοενεργειακής ακτινοβολίας γ, ενέργειας 140keV, ο κατάλληλος χρόνος ημιζωής (6h) για την ολοκλήρωση διαγνωστικής μελέτης, 9

το μικρό κόστος διάθεσης από τις γεννήτριες 99 Mo- 99m Tc και η εύκολη και άμεση παραγωγή του, που δίνει τη δυνατότητα παρασκευής Tc-99m ακόμα και στο νοσοκομείο τη στιγμή που χρειάζεται. Οι κάμερες που χρησιμοποιούνται για απεικόνιση διαθέτουν κρυστάλλους ιωδιούχου νατρίου (NaI) οι οποίοι παρουσιάζουν μέγιστη διακριτική ικανότητα για ενέργειες μέχρι 150keV. Άρα τα φωτόνια που εκπέμπονται από το τεχνήτιο έχουν ιδανική ενέργεια. Επίσης, με το χρόνο ημιζωής στις 6 ώρες, τόσο ο ασθενής όσο και οι άνθρωποι γύρω του εκτίθενται για μικρό χρονικό διάστημα στην ακτινοβολία. Σο μόνο μειονέκτημα που αξίζει ν αναφερθεί είναι πως το τεχνήτιο, ως ανόργανο στοιχείο, δυσχεραίνει την επισήμανση βιομορίων με αυτό. Η δυσκολία σύνδεσης όμως το κάνει ταυτόχρονα και ικανό να διαχέεται με ευκολία σε όλους τους ιστούς χωρίς να υπάρχει κάποιος περιορισμός. Για όλους τους παραπάνω λόγους, το εκπληκτικό ποσοστό του 85% των ραδιοφαρμάκων που χρησιμοποιούνται στην Πυρηνική Ιατρική περιέχουν Tc-99m και χορηγούνται με σκοπό τη διάγνωση παθήσεων του εγκεφάλου, του μυοκαρδίου, των πνευμόνων, του θυρεοειδούς, του ήπατος, των νεφρών, των οστών κ.α. 1.3 Καίσιο Cs-137 Σο καίσιο δεν ενδείκνυται για ιατρικές εφαρμογές λόγω της μεγάλης ενέργειας φωτονίων που εκπέμπει αλλά κυρίως λόγω του πολύ μεγάλου χρόνου ημιζωής του. Φρησιμοποιείται κυρίως για τη βαθμονόμηση ανιχνευτών ραδιενέργειας όπως και στην περίπτωσή μας. Σο Cs-137 έχει χρόνο ημιζωής περίπου 30 έτη και πραγματοποιεί β-διάσπαση. Με πιθανότητα 5,6% καταλήγει στη βασική στάθμη του βαρίου-137 με παράλληλη εκπομπή σωματιδίου-β ενέργειας Emax=1,1756MeV. Με πιθανότητα 94,4% οδηγείται στην πρώτη διεγερμένη κατάσταση του βαρίου ( 137m Ba) εκπέμποντας σωματίδιο-β με Emax=0,514MeV. Η μετασταθής αυτή κατάσταση του βαρίου έχει χρόνο ημιζωής μόλις 153s και αποδιεγείρεται με παράλληλη εκπομπή γ ακτινοβολίας ενέργειας 0,6617Mev. Εικόνα 1.5: Διάγραμμα διάσπασης του 137 Cs. 10

1.4 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας με την ύλη Η ακτινοβολία, όπως είδαμε παραπάνω, είναι ενέργεια σε μορφή κυμάτων ή κινούμενων υποατομικών σωματιδίων. Επιδρά στον οργανισμό κατά τρόπο πολύπλοκο, άλλοτε ευεργετικά και άλλοτε βλαβερά, ανάλογα με το είδος, την έντασή της και την ενέργεια που μεταφέρει. Η ακτινοβολία διακρίνεται σε δύο μεγάλες κατηγορίες ανάλογα με την ενέργεια και την επίδρασή της στην ύλη: την ιοντίζουσα και τη μη ιοντίζουσα. Ιοντίζουσες είναι οι ακτινοβολίες που μεταφέρουν ενέργεια ικανή να εισχωρήσει στην ύλη, να προκαλέσει ιοντισμό των ατόμων της, να διασπάσει βίαια χημικούς δεσμούς και να δημιουργήσει βιολογικές βλάβες στον ανθρώπινο οργανισμό. Σέτοιου είδους ακτινοβολίες προκύπτουν από: i)φορτισμένα σωμάτια (σωμάτια α, ηλεκτρόνια), ii)ουδέτερα σωμάτια (νετρόνια) και iii)ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (ακτίνες-φ ή γ, ενέργειας ικανής να προκαλέσει ιοντισμό). Αλληλεπίδραση ακτινοβολιών-ύλης γίνεται μέσω : Α) ανταλλαγής της κινητικής ενέργειας μεταξύ των ακτινοβολιών και ατόμων και μορίων της ύλης (ελαστική κρούση) και Β) μετατροπής μέρους της κινητικής ενέργειας των ακτινοβολιών σε άλλου είδους ενέργεια (μη ελαστική κρούση), όπως διέγερση και ιονισμός. την περίπτωση μας, ασχολούμαστε με φωτόνια (ακτινοβολία γ). Οι κύριοι μηχανισμοί αλληλεπίδρασης τους με την ύλη είναι οι εξής: 1. Υωτοηλεκτρικό φαινόμενο, 2. κέδαση Compton, 3. κέδαση Rayleigh και 4. Δίδυμη γένεση Και οι τέσσερις αφορούν στην αντίδραση έξω από τους πυρήνες των ατόμων της ύλης. 1.4.1. Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αλληλεπιδρά μ ένα εσωτερικό τροχιακό ηλεκτρόνιο του ατόμου της ύλης και μεταφέρει σε αυτό όλη της την ενέργεια. Ένα μέρος αυτής της ενέργειας ξοδεύεται για να υπερνικηθεί η ενέργεια σύνδεσης του ηλεκτρονίου της στιβάδας που βρίσκεται και το υπόλοιπο μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια με την οποία το φωτοηλεκτρόνιο εκτοξεύεται από το άτομο. Όταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία έχει ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη των δεσμευμένων ηλεκτρονίων στην Κ στιβάδα, αντιδρά με αυτά. Αν έχει μικρότερη, τότε αντιδρά με ηλεκτρόνια άλλων στιβάδων όπως L, M κ.ά. Μεγάλη Ενέργεια των ακτίνων-γ: τα φωτοηλεκτρόνια τείνουν να ακολουθήσουν την κατεύθυνση του φωτονίου. Μικρή ενέργεια των ακτίνων-γ: τα φωτοηλεκτρόνια εκπέμπονται σε διαφορετική κατεύθυνση που μπορεί να είναι και κάθετη σε σχέση με εκείνη των φωτονίων. 11

Εικόνα1.6: Αναπαραστάσεις φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Υωτόνια επαρκούς ενέργειας εκτοξεύουν ηλεκτρόνια από τις στιβάδες των ατόμων/μορίων. Η απομάκρυνση ηλεκτρονίου μπορεί να γίνει απ όλες τις στιβάδες, είτε είναι εσωτερικές είτε είναι σθένους. Όσο πλησιάζουμε στον πυρήνα του ατόμου, απαιτείται μεγαλύτερη δαπάνη ενέργειας. Σα ηλεκτρόνια, αποκτώντας κινητική ενέργεια απομακρύνονται από το άτομο/μόριο. Σα φωτοηλεκτρόνια μπορούν επίσης να προκαλέσουν διέγερση και ιοντισμό στην ύλη. Με την απομάκρυνσή τους από το άτομο γίνεται ανακατάταξη των υπόλοιπων τροχιακών ηλεκτρονίων του ατόμου για να καλυφθεί το κενό που δημιουργήθηκε. 1.4.2. Σκέδαση Compton τη σκέδαση Compton ένα φωτόνιο συγκρούεται με κάποιο από τα ηλεκτρόνια του ατόμου, συνήθως εξωτερικής στιβάδας. Η πρόσκρουση αυτή έχει σαν αποτέλεσμα ένα ποσοστό της ενέργειας του προσπίπτοντος φωτονίου να μεταφερθεί στο ηλεκτρόνιο το οποίο αποδεσμεύεται από το άτομο έχοντας ορισμένη κινητική ενέργεια, ενώ η υπόλοιπη ενέργεια εκπέμπεται από το άτομο ως νέα ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε γωνία 0 με 180. Προφανώς ισχύουν οι νόμοι διατήρησης της ορμής και της ενέργειας. Σο ηλεκτρόνιο που εκτοξεύεται καλείται ηλεκτρόνιο Compton ή ηλεκτρόνιο οπισθοδρόμησης. Η νέα δευτερογενής ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία καλείται γ-ακτινοβολία Compton ή ακτινοβολία σκέδασης Compton ή δευτερογενής ακτινοβολία Compton. Σο μέγεθος της γωνίας εκτροπής της δευτερογενούς ακτινοβολίας, συγκριτικά με την κατεύθυνση της πρωτογενούς, εξαρτάται από την ποσότητα της ενέργειας που χάνει η πρωτογενής ακτινοβολία κατά την αλληλεπίδρασή της με το τροχιακό ηλεκτρόνιο. Όσο μεγαλώνει η γωνία εκτροπής, τόσο μικραίνει η τιμή της ενέργειας του νέου φωτονίου. Επομένως, πρόκειται για ανελαστική σκέδαση. Η δευτερογενής ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συμπεριφέρεται ανεξάρτητα από την πρωτογενή και αντιδρά με την ύλη σαν τελείως νέα ακτινοβολία. 12

Εικόνα 1.7: χεδιάγραμμα σκέδασης Compton. Σο προσπίπτον φωτόνιο μεταφέρει ενέργεια στο ηλεκτρόνιο-στόχο που βρίσκεται σε ηρεμία και το αποτέλεσμα της πρόσκρουσης είναι η οπισθοδρόμηση του ηλεκτρονίου με ταυτόχρονη εκπομπή δευτερογενούς ακτινοβολίας Compton. 1.4.3. Σκέδαση Rayleigh τη σκέδαση Rayleigh, το προσπίπτων φωτόνιο αλληλεπιδρά με το άτομο και διεγείρει ένα ή και περισσότερα ηλεκτρόνια. Έστω, λοιπόν, ότι διεγείρεται ένα ηλεκτρόνιο και μεταβαίνει σε μία ανώτερη στιβάδα, θα παραμείνει εκεί για κλάσματα του δευτερολέπτου (μερικά ns) και στην συνέχεια θα επιστρέψει στην αρχική του στιβάδα (αποδιέγερση), εκπέμποντας την ενέργεια που προσωρινά απορρόφησε σε μορφή φωτονίου ίδιας ενέργειας με του προσπίπτοντος αλλά με λίγο διαφορετική κατεύθυνση. Η σκέδαση Rayleigh είναι ελαστική εφόσον διατηρείται η ενέργεια του φωτονίου. Εικόνα 1.8: Αναπαράσταση σκέδασης Rayleigh. Σο προσπίπτον φωτόνιο διεγείρει το ηλεκτρόνια το οποίο θα οδηγηθεί σε ανώτερη στιβάδα για μικρό χρονικό διάστημα και επιστρέφοντας στην αρχική του <<θέση>> εκπέμπει ακτινοβολία γ. 13

1.4.4. Δίδυμη Γένεση Η Δίδυμη Γένεση είναι το φαινόμενο κατά το οποίο ένα υψηλοενεργειακό φωτόνιο μετατρέπεται σε ζεύγος σωματιδίου αντισωματιδίου, συνήθως ηλεκτρόνιο και ποζιτρόνιο. Για την παραγωγή του ζεύγους πρέπει η ενέργεια του φωτονίου να είναι τουλάχιστον ίση με την ολική ενέργεια ηρεμίας των δύο σωματιδίων ( 2 x 0,511 = 1,022 ΜeV στην περίπτωση e - e+). Η κατάσταση επιτρέπει και στην ενέργεια και στην ορμή να διατηρηθούν σταθερές. Σο ζεύγος των σωματιδίων που δημιουργείται, αποβάλλεται από το άτομο και μπορεί να προκαλέσει διέγερση και ιοντισμό κατά την αλληλεπίδραση με την ύλη. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί για παράδειγμα ένα ποζιτρόνιο να αντιδράσει με ένα ηλεκτρόνιο και να εξαϋλωθούν. Η μάζα τους μετατρέπεται σε ενέργεια υπό μορφή δύο ακτίνων-γ των 0,511MeV που εκπέμπονται σε αντίθετη κατεύθυνση 180 η μία από άλλη (ραδιενέργεια εξαΰλωσης) Εικόνα 1.9: Σο φαινόμενο της δίδυμης γένεσης προκύπτει όταν ένα υψηλοενεργειακό φωτόνιο αλληλεπιδρά στην περιοχή γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου και μετατρέπεται σε ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου χωρίς να παραβιάζεται η διατήρηση της ορμής. Εφόσον η ορμή του αρχικού φωτονίου πρέπει να απορροφηθεί από κάτι, η δίδυμη γένεση δε μπορεί να λάβει μέρος στο κενό. 14

~ Κεφάλαιο 2 ~ 2.1 Η γ-camera Ένα από τα βασικότερα απεικονιστικά συστήματα της Πυρηνικής Ιατρικής είναι η γ-camera ή αλλιώς κάμερα Anger. Δίνει τη δυνατότητα ανίχνευσης της κατανομής του ραδιοφαρμάκου που έχει χορηγηθεί στον εξεταζόμενο, του σχηματισμού εικόνων ανατομικών δομών και της παρακολούθησης της φυσιολογικής ή μη λειτουργίας των οργάνων του ανθρωπίνου σώματος. Η ανακάλυψη της πρώτης κάμερας χρονολογείται το 1957 από τον Hal Oscar Anger, έναν αμερικανό ηλεκτρολόγο μηχανικό και βιοφυσικό, στο εργαστήριο Donner του πανεπιστημίου της Καλιφόρνια. Από τότε, και για περισσότερο από 50 χρόνια, η στρατηγική της ανίχνευσης και απεικόνισης της κατανομής των ραδιοφαρμάκων στις βιοϊατρικές εφαρμογές στηρίζεται στο σχέδιο της κάμερας Anger. Σα σύγχρονα μηχανήματα βέβαια είναι πολύ πιο εξελιγμένα από το αρχικό και πραγματοποιούν λειτουργικές σαρώσεις κατά μήκος ολόκληρου του σώματος. Εικόνα 2.1: Αριστερά, ο Hal Anger στο εργαστήριό του και στη μέση φαίνεται η μορφή της κάμερα Anger. Δεξιά, μία από τις σύγχρονες μορφές της γ-camera. 2.2 Αρχή λειτουργίας της γ-camera Η γ-camera αποτελείται από επιμέρους τμήματα που το καθένα συμβάλλει ξεχωριστά στην απεικόνιση, τόσο στην ευκρίνεια της προβολικής εικόνας όσο και στον σωστό προσδιορισμό των συντεταγμένων (X,Y) των σημείων εκπομπής φωτονίων. Σοποθετώντας τα κομμάτια της σε σειρά, ξεκινώντας από αυτά κοντά στον ασθενή, είναι: 1) ο κατευθυντήρας (collimator), 2) ο ανιχνευτής σπινθηρισμών (scintillator), 3) οι φωτοπολλαπλασιαστές (photomultipier tube-pmt) και 4) το ηλεκτρονικό σύστημα ανάλυσης σήματος. 15

Όταν πρόκειται για κάμερα που χρησιμοποιείται για ιατρικούς σκοπούς, η κεφαλή περιβάλλεται από μολύβδινη θωράκιση, με εξαίρεση τον κατευθυντήρα, ώστε να ελαχιστοποιείται η ακτινοβολία υποστρώματος. Εικόνα 2.2: Απλοποιημένη αναπαράσταση του συστήματος της γ-camera. τη συνέχεια παρουσιάζονται αναλυτικότερα τα τμήματα και η συνεισφορά τους στη διαδικασία της εξέτασης και της επεξεργασίας των δεδομένων που λαμβάνονται. 16

2.2.1 Κατευθυντήρας Σο πρώτο κομμάτι της γ-camera που συναντούν τα φωτόνια που εκπέμπονται από το σώμα του ασθενή, ή αντίστοιχα από τη ραδιενεργή πηγή σ ένα πείραμα, είναι ο κατευθυντήρας. Πρόκειται για ένα κομμάτι μολύβδου που έχει πολλές μικροσκοπικές οπές και αποτελεί ουσιαστικά τον γεωμετρικό επιλογέα των φωτονίων που προσπίπτουν στην επιφάνειά του με αποτέλεσμα να αυξάνει την ευκρίνεια της απεικόνισης. Είναι γνωστό πως μια πηγή ακτινοβολίας εκπέμπει ισότροπα στο χώρο άρα, στην περίπτωση της ακτινοβολίας γ, τα φωτόνια προσπίπτουν στον κατευθυντήρα με διαφορετικές διευθύνσεις. την δικιά μας περίπτωση, οι κατευθυντήρες που χρησιμοποιούνται έχουν οπές σχεδιασμένες έτσι ώστε να είναι παράλληλες μεταξύ τους. Οι ακτίνες-γ που διαδίδονται ευθύγραμμα και παράλληλα ως προς τις οπές, διαπερνούν μέσω αυτών τον κατευθυντήρα και οδηγούνται στον ανιχνευτή σπινθηρισμών που είναι το επόμενο τμήμα της κάμερας. Σα υπόλοιπα φωτόνια προσπέφτουν στα τοιχώματα των οπών και σταδιακά απορροφόνται από το υλικό χωρίς να καταφέρουν να φτάσουν στον ανιχνευτή. Οι κατευθυντήρες, χωρίζονται σε κατηγορίες ανάλογα με τη δομή των οπών τους. υγκεκριμένα υπάρχουν κατευθυντήρες: 1. με παράλληλες οπές (parallel-hole collimator) 2. τύπου καρφίδος (pinhole collimator) 3. με αποκλίνουσες οπές (diverging multihole collimator) και 4. με συγκλίνουσες οπές (converging multihole collimator) Ένας κατευθυντήρας τύπου καρφίδος έχει μόνο μία οπή, η διάμετρός της είναι ορισμένα χιλιοστά και λόγω διάταξης παρέχει τη δυνατότητα μεγέθυνσης των οργάνων, άρα χρησιμοποιείται για την απεικόνιση πολύ μικρών δομών. Οι συγκλίνουσες οπές κάνουν το ίδιο με μέγιστο ποσοστό μεγέθυνσης 15%. Σέλος, κατευθυντήρες με αποκλίνουσες οπές προκαλούν σμίκρυνση του αντικειμένου με μείωση της απόδοσης και της ευαισθησίας του ανιχνευτή. Εφαρμόζονται σε περίπτωση που υπάρχει ανάγκη απεικόνισης αντικειμένου μεγαλύτερων διαστάσεων από αυτές του ανιχνευτή. Επομένως, ο ρόλος του κατευθυντήρα είναι να καθορίζει τη διεύθυνση και την περιοχή προέλευσης των φωτονίων που καταμετρούνται, αλλά και την προβολή του υπό εξέταση οργάνου ή αντικειμένου. Η περιοχή που βλέπει ο κατευθυντήρας ονομάζεται ορατό πεδίο ( Field Of View-FOV). Σο μέγεθος των οπών επηρεάζει την ποιότητα της εικόνας, όσο πιο μεγάλες είναι οι οπές τόσο περισσότερες ακτίνες-γ τυχαίων διευθύνσεων καταφέρνουν να περάσουν. Παρομοίως, αν το πάχος του μολύβδου μεταξύ των οπών είναι μικρό το ποσοστό των φωτονίων που απορροφούνται μειώνεται σημαντικά. Και στις δύο περιπτώσεις το αποτέλεσμα είναι να δημιουργείται θολούρα στην προβολική εικόνα. 17

Εικόνα 2.3: Σα τέσσερα είδη των κατευθυντήρων. Η διακριτική ικανότητα του κατευθυντήρα είναι ανάλογη (1) του μήκους των οπών και (2) του πλήθους των οπών ανά μονάδα επιφάνειας και ορίζεται ως η ελάχιστη απόσταση που πρέπει να έχουν δύο σημεία ώστε να καταγραφούν σαν ξεχωριστά. Η ευαισθησία του κατευθυντήρα εκφράζει τον αριθμό των φωτονίων που ανιχνεύονται ως προς τον αριθμό των εκπεμπόμενων φωτονίων από την πηγή. Οι κατευθυντήρες παράλληλων οπών χωρίζονται σε κατηγορίες σύμφωνα με τη χρήση τους σε συνδυασμό με την ενέργεια της ακτινοβολίας που δέχονται από την πηγή. Έχουν κατασκευαστεί (α) γενικής χρήσης και χαμηλής ενέργειας, αλλιώς LEAP collimators (Low Energy All Purpose), (β) χαμηλής ενέργειας και υψηλής ανάλυσης, αλλιώς LEHR collimators (Low Energy High Resolution), (γ) μέσης ενέργειας (Medium Energy collimators) και (δ) υψηλής ενέργειας (High Energy collimators). Ο όρος χαμηλές ενέργειες αναφέρεται στην περιοχή του Σεχνητίου-99m δηλαδή ενέργειες μικρότερες των 200keV. Άλλος ένας διαχωρισμός των κατευθυντήρων είναι ανάλογα με τη μορφή των οπών τους. Τπάρχουν κατευθυντήρες (α) κυκλικών οπών, (β) τετραγωνικών, (γ) τριγωνικών, (δ) εξαγωνικών κ.α. Εικόνα 2.4: Βλέπουμε κατευθυντήρες με εξαγωνικές, κυκλικές και τετραγωνικές οπές αντίστοιχα. 18

Για την διεκπεραίωση του πειράματός μας χρησιμοποιήθηκε κατευθυντήρας παράλληλων κυκλικών οπών, εξαγωνικών οπών και κατευθυντήρας με μία κεντρική κυκλική οπή. 2.2.2 Ανιχνευτής Σπινθηρισμών Οι ανιχνευτές σπινθηρισμών (ή σπινθηριστές) αποτελούν ένα από τα πλέον διαδεδομένα είδη ανιχνευτών σωματιδίων και ιονίζουσας ακτινοβολίας που χρησιμοποιούνται σήμερα. Βασίζονται στο φυσικό φαινόμενο του σπινθηρισμού, δηλαδή της εκπομπής φωτός όταν περάσει μέσα από το υλικό τους κάποιο σωματίδιο ή ακτινοβολία. Σο υλικό τους αποτελείται από κρυστάλλους με συγκεκριμένες φυσικές ιδιότητες οι οποίες δίνουν και τη δυνατότητα στον σπινθηριστή να εκπέμπει φως. Γενικά, χρησιμοποιούνται οι εξής κατηγορίες υλικών ως σπινθηριστές για την ανίχνευση σωματιδίων ή ακτινοβολίας : 1. Οργανικοί κρύσταλλοι 2. Οργανικά υγρά 3. Πλαστικά (φωτοπλαστικά) 4. Ανόργανοι κρύσταλλοι 5. Αέρια σε κατάλληλα δοχεία 6. Γυαλιά με κατάλληλες προσμίξεις Κάθε κατηγορία από τις παραπάνω χαρακτηρίζεται από θεμιτές και αθέμιτες φυσικές ιδιότητες, από ιδιαιτερότητες μηχανικής επεξεργασίας και από την καταλληλότητα ανίχνευσης για το είδος της ακτινοβολίας προς μέτρηση. Για να έχουμε επιθυμητά αποτελέσματα από τις μετρήσεις μας χρειαζόμαστε έναν ανιχνευτή που να (¹)μετατρέπει την ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ( ή αντίστοιχα την κινητική ενέργεια των φορτισμένων σωματιδίων) σε ανιχνεύσιμο φως με όσο το δυνατό μεγαλύτερο συντελεστή απόδοσης, (²)έχοντας, βέβαια, ταυτόχρονα και κάποια ενέργεια κατωφλίου κάτω από την οποία δεν παρατηρείται το φαινόμενο. (³)Θα πρέπει η μετατροπή αυτή να είναι γραμμική, δηλαδή η ένταση του φωτός να είναι ανάλογη με την ενέργεια που εναποτίθεται στο υλικό και ( ) το υλικό του ανιχνευτή να είναι διαφανές για τα μήκη κύματος που εκπέμπει, έτσι ώστε να διασφαλίζεται η μέγιστη συλλογή φωτός. Επίσης, (µ) ο μέσος χρόνος ζωής του επαγόμενου σπινθηρισμού θα πρέπει να είναι αρκετά μικρός έτσι ώστε να συντελεί στην ταχεία δημιουργία ηλεκτρικών παλμών για καταγραφή και ( ) ο δείκτης διάθλασης του υλικού να βρίσκεται αριθμητικά κοντά σε αυτόν του γυαλιού για να επιτρέπει ικανοποιητική οπτική σύζευξη με φωτοπολλαπλασιαστές ή άλλου είδους αισθητήρες φωτός. Ση σύζευξη κρυστάλλου-φωτοπολλαπλασιαστή θα τη δούμε παρακάτω αναλυτικότερα. Σέλος, ( ) το υλικό θα πρέπει να χαρακτηρίζεται από υψηλή οπτική ποιότητα και να επιτρέπει την βιομηχανική του επεξεργασία σε μεγέθη και σχήματα κατάλληλα για χρήση σε ανιχνευτικά συστήματα. 19

ε γενικές γραμμές, για την ανίχνευση και φασματοσκοπία ακτίνων γ, είναι προτιμητέοι οι ανόργανοι κρύσταλλοι και οι πιο δημοφιλείς επιλογές σπινθηριστών είναι οι κρύσταλλοι ιωδιούχου νατρίου με προσμίξεις θαλλίου [NaI(Tl)], ιωδιούχου καισίου CsI και οι κρύσταλλοι γερμανίου-βισμουθίου [BGO]. Η κάμερα στο εργαστήριο έχει κρύσταλλο ιωδιούχου καισίου. Εικόνα 2.5:Αριστερά βλέπουμε την επεξεργασμένη μορφή ενός κρυστάλλου ιωδιούχου νατρίου,στο κέντρο τη μορφή του σπινθηριστή με περίβλημα και αριστερά τον διακριτοποιημένο κρύσταλλο του εργαστηρίου SPECT-Lab[1]. τα ενεργά υλικά των ανιχνευτών σπινθηρισμού η παραγωγή φωτός οφείλεται κυρίως στην απορρόφηση ενέργειας από διάφορα εξωτερικά αίτια (ακτινοβολία, θερμότητα, φορτισμένα σωματίδια κτλ). Σα ηλεκτρόνια του υλικού τους διεγείρονται και κατά την αποδιέγερσή τους επανεκπέμπουν την ενέργεια που τους μεταφέρθηκε. Για τη λειτουργία και χρησιμότητα του ανιχνευτή μπορούμε συνοπτικά να πούμε ότι : χρησιμοποιούμε κατάλληλο φθορίζων υλικό το οποίο βρίσκεται σε οπτική σύζευξη με φωτοπολλαπλασιαστή και με τη χρήση ραδιενεργής πηγής (για παράδειγμα) έχουμε ιονίζουσα ακτινοβολία να προσπίπτει πάνω στο φθορίζων υλικό και να προκαλεί την εκπομπή φωτονίων ορατού φωτός. Ο αριθμός των φωτονίων φθορισμού που εκπέμπονται είναι ανάλογος της ενέργειας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και σχεδόν το σύνολο των φωτονίων αυτών πέφτει στη φωτοκάθοδο του φωτοπολλαπλασιαστή προκαλώντας στην έξοδό του παλμό (ρεύματος ή τάσης),το ύψος του οποίου είναι, επίσης, ανάλογο με τη συγκεκριμένη ενέργεια. Σον παλμό αυτόν θα δούμε παρακάτω πως αναλύουμε μέσω ηλεκτρονικών συστημάτων και παίρνουμε τις πληροφορίες που θέλουμε για την προέλευση, τη θέση και την ένταση της αρχικής προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Εικόνα 2.6: Διαγραμματική απεικόνιση της λειτουργίας ενός ανιχνευτή σπινθηρισμών. Η ιονίζουσα ακτινοβολία προσπίπτει στον κρύσταλλου ιωδιούχου νατρίου και προκαλεί την εκπομπή μιας μικρής ποσότητας φωτός. Σο φως αυτό μετατρέπεται σε έναν μετρήσιμο ηλεκτρικό παλμό μέσω της λειτουργίας ενός φωτοπολλαπλασιαστή, ο οποίος βρίσκεται σε οπτική σύζευξη με τον σπινθηριστή. 20

Η επιλογή του κατάλληλου κρύσταλλου γίνεται βάσει ορισμένων παραγόντων που καθορίζουν την απόδοσή του ως σπινθηριστή. Ένας από αυτούς είναι ο παράγοντας εκπομπής ορατού φωτός (Light Output ή για συντομία LO). Ο παράγοντας LO εκφράζει τον συντελεστή μετατροπής ιοντίζουσας ακτινοβολίας σε φως, δηλαδή τον αριθμό των φωτονίων ορατού φωτός που παράγονται μέσα στον όγκο του σπινθηριστή λόγω της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Μονάδα μέτρησης είναι τα φωτόνια/mev και είναι απαραίτητο οι σπινθηριστές να έχουν υψηλό παράγοντα LO. Ο κρύσταλλος NaI, επειδή έχει τον υψηλότερο παράγοντα εκπομπής φωτός, είναι ο πιο διαδεδομένος και το light output των υπόλοιπων σπινθηριστών υπολογίζεται σε συνάρτηση με αυτό του NaI που θεωρείται ότι είναι100%. Επομένως, οι πιο εύχρηστοι και αποδοτικοί σπινθηριστές είναι αυτοί με κρύσταλλο ιωδιούχου νατρίου. Οι προσμίξεις θαλλίου στον κρύσταλλο παίζουν καθοριστικό ρόλο στην απορρόφηση και επανεκπομπή της ακτινοβολίας. Η διαφορά έγκειται στην ενέργεια των φωτονίων που επανεκπέμπονται. υγκεκριμένα, σε έναν καθαρό κρύσταλλο NaI όταν απορροφηθεί ακτινοβολία τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας (ζώνη σθένους) διεγείρονται και μεταφέρονται σε ενεργειακά υψηλότερη στιβάδα που είναι κενή (ζώνη αγωγιμότητας). Σα ηλεκτρόνια παραμένουν στη ζώνη αγωγιμότητας για μερικά ns και επιστρέφουν στη ζώνη σθένους καλύπτοντας τις οπές που δημιουργήθηκαν (κενές θέσεις ηλεκτρονίων) και εκπέμποντας παράλληλα φωτόνια με ενέργεια ίση με την ενεργειακή διαφορά των δύο ζωνών. Η ενέργεια όμως αυτών των φωτονίων είναι αρκετά υψηλή και μη εκμεταλλεύσιμη οπότε είναι αναγκαίο τα φωτόνια να μετατραπούν σε χαμηλοενεργειακά και μάλιστα να βρίσκονται στην περιοχή του ορατού φωτός. Αυτό επιτυγχάνεται λοιπόν με την προσθήκη ατόμων θαλλίου. Οι ενεργειακές στάθμες του θαλλίου, εφόσον έχει προστεθεί στον κρύσταλλο, βρίσκονται στην αντίστοιχη απαγορευμένη περιοχή του ιωδιούχου νατρίου, επομένως, όταν αποδιεγείρονται τα ηλεκτρόνια δεν επιστρέφουν απευθείας στη ζώνη σθένους αλλά ακολουθούν μικρότερες διαδρομές μέσω των σταθμών του Tl. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την εκπομπή πολλών φωτονίων χαμηλής ενέργειας αντί του ενός υψηλοενεργειακού. Είναι εμφανής η συνεισφορά του θαλλίου στην παραγωγή φωτονίων με ενέργεια στην περιοχή του ορατού φωτός και γι αυτό και χρησιμοποιείται. Εικόνα 2.7: Αριστερά φαίνεται η δομή ενός καθαρού κρυστάλλου με τις διάφορες ζώνες που υπάρχουν και δεξιά φαίνεται η μορφή του μετά την προσθήκη θαλλίου. Οι νέες στάθμες που δημιουργούνται λειτουργούν ως «παγίδες» και οδηγούν τα ηλεκτρόνια κατά την αποδιέγερσή τους σε διαφορετική διαδρομή. 21

2.2.3 Φωτοπολλαπλασιαστής Ο φωτοπολλαπλασιαστής (photomultiplier tube- PMT) είναι ένα όργανο με εξαιρετική ευαισθησία στην ανίχνευση και μέτρηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Είναι ουσιαστικά ένας ενισχυτής που μετατρέπει τη φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρικούς παλμούς που αναλύονται μέσω ηλεκτρονικών συστημάτων και προσφέρουν χρήσιμες και σημαντικές πληροφορίες. Εικόνα 2.8: Διάφορα είδη φωτοπολλαπλασιαστών. Σα βασικά μέρη του φωτοπολλαπλασιαστή είναι τρία και βρίσκονται μέσα σε περίβλημα κενού αέρος. Κατά σειρά αποτελείται από : τη φωτοκάθοδο (photocathode), μέσω της οποίας μετατρέπεται η ροή φωτονίων σε ροή ηλεκτρονίων, τον πολλαπλασιαστή ηλεκτρονίων (electron multiplier), που αποτελείται από μία αλληλουχία ηλεκτροδίων (δυνόδων) πάνω στα οποία γίνεται δευτερεύουσα εκπομπή ηλεκτρονίων και την άνοδο (anode), που συλλέγει την ενισχυμένη ροή ηλεκτρονίων και παρέχει το σήμα εξόδου. Η λειτουργία του φωτοπολλαπλασιαστή βασίζεται στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Όταν ένα φωτόνιο ενέργειας hν προσπίπτει πάνω στη φωτοκάθοδο, εκπέμπεται ένα φωτοηλεκτρόνιο το οποίο εστιάζεται και επιταχύνεται προς την πρώτη δύνοδο, υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου που υπάρχει μεταξύ των δυνόδων. Η φωτοκάθοδος είναι ένα λεπτό υμένιο φωτοευαίσθητου υλικού και βρίσκεται σε αρνητικό δυναμικό. Ομοίως και οι δύνοδοι έχουν αρνητικό δυναμικό το οποίο αυξάνεται όσο πλησιάζουν προς την άνοδο (Vαν=0). Έτσι, αναπτύσσεται ηλεκτρικό πεδίο και μεταξύ των δυνοδων. Οι δύνοδοι είναι επιστρωμένες με υλικό χαμηλού έργου εξαγωγής, ώστε για κάθε προσπίπτον ηλεκτρόνιο, να αποβάλλονται περισσότερα του ενός ηλεκτρόνια. Επομένως, ένας αριθμός δευτερευόντων ηλεκτρονίων εκπέμπονται από την πρώτη δύνοδο για κάθε ένα από τα αρχικά προσπίπτοντα φωτοηλεκτρόνια. Σα δευτερεύοντα ηλεκτρόνια κατευθύνονται επιταχυνόμενα προς τη δεύτερη δύνοδο όπου το καθένα προκαλεί την εκπομπή νέων δευτερευόντων ηλεκτρονίων κοκ. Σα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την τελευταία δύνοδο, συλλέγονται από την άνοδο και προσπίπτουν στο λεγόμενο πλέγμα που είναι ένα σύστημα 16x16 καλωδίων. Σα καλώδια αυτά είναι ενωμένα με τη μέθοδο resistive chain και βοηθούν στον προσδιορισμό της αρχικής θέσης των φωτονίων που προσπέφτουν στον κρύσταλλο. Με τη μέθοδο αυτή, αντί να παίρνουμε 16x16 σήματα, λαμβάνουμε είτε 16 είτε 4 σήματα που μας δίνουν πληροφορίες για τις συντεταγμένες X και Y της ακτινοβολίας. 22

Ο συνήθης αριθμός ηλεκτροδίων που χρησιμοποιείται είναι 9 έως 13, έτσι ώστε ο τελικός αριθμός των ηλεκτρονίων που προκύπτουν να είναι μεγάλος (10 7-10 10 ) και το ηλεκτρικό σήμα στην έξοδο του φωτοπολλαπλασιαστή εύκολα μετρήσιμο. Επομένως, ένας φωτεινός παλμός που ανιχνεύεται στο σπινθηριστή ενισχύεται, μέσω του φωτοπολλαπλαστή, αλλά παραμένει ανάλογος του αρχικού τόσο στην ενέργεια όσο και στο χρονικό εύρος. Εικόνα 2.9: τη διπλανή εικόνα φαίνεται λεπτομερώς η αρχή λειτουργίας του φωτοπολλασιαστή όπως περιγράφηκε παραπάνω. Κάθε φωτόνιο που προσπίπτει στην φωτοκάθοδο δεν οδηγεί υποχρεωτικά σε εκπομπή ενός φωτοηλεκτρονίου. Ο λόγος του μέσου αριθμού των εκπεμπόμενων φωτοηλεκτρονίων προς τον μέσο αριθμό των προσπιπτόντων φωτονίων στην κάθοδο ονομάζεται κβαντική απόδοση (quantum efficiency) της φωτοκαθόδου και εξαρτάται από (¹)το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, (²)το υλικό κατασκευής της φωτοκαθόδου και (³)από το πάχος της φωτοευαίσθητης επιφάνειας. Ο αριθμός των δευτερευόντων ηλεκτρονίων για κάθε φωτοηλεκτρόνιο που εκπέμπεται από τη φωτοκάθοδο καλείται απολαβή (gain) του φωτοπολλαπλασιαστή, εξαρτάται από τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των δυνόδων και μπορεί να πάρει τιμές μεγαλύτερες από 10 10. Σα βασικά πλεονεκτήματα του φωτοπολλαπλασιαστή ως προς τα άλλα όργανα ανίχνευσης και μέτρησης φωτός είναι : 1. η ικανότητά του να ανιχνεύει, καλύπτοντας μεγάλες επιφάνειες, πολύ χαμηλές εντάσεις φωτός που φθάνουν μέχρι και την ανίχνευση μεμονωμένων φωτονίων, 2. η ικανότητά του να ενισχύει σημαντικά το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγει και μάλιστα με εξαιρετική ταχύτητα, 3. το σχετικά μικρό του μέγεθος, 4. η ανθεκτικότητα του κάτω από αντίξοες συνθήκες λειτουργίας και 5. το ότι είναι εύκολα ελεγχόμενος ως ηλεκτρονική διάταξη. Για τους παραπάνω λόγους χρησιμοποιείται ευρύτατα στη σύγχρονη πειραματική Υυσική. 23

2.2.4 Ηλεκτρονικό σύστημα Σα διάφορα μεγέθη (πίεση, θερμοκρασία, τάση, απόσταση κλπ.) μεταβάλλονται με αναλογικό τρόπο. Κατά συνέπεια, η μετατροπή τους σε τάση μέσω κάποιου αισθητηρίου δημιουργεί ένα αναλογικό σήμα. Με την σειρά του αυτό κωδικοποιείται κατάλληλα για να εισαχθεί σε κάποιο ψηφιακό σύστημα επεξεργασίας. Έτσι λοιπόν, και τα σήματα που λαμβάνονται από την έξοδο του φωτοπολλαπλασιαστή είναι αναλογικά και προκειμένου να επεξεργαστούν από υπολογιστή πρέπει να μετατραπούν σε ψηφιακά. Αυτή η κωδικοποίηση πραγματοποιείται από κυκλώματα που αποκαλούμε μετατροπείς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (Analog to Digital Converters ADCs). Σα τελευταία χρόνια χρησιμοποιούνται PCI κάρτες που μας παρέχουν τη δυνατότητα γρήγορης λήψης δεδομένων και οι μετατροπείς που διαθέτουν εξασφαλίζουν εξαιρετικά γρήγορη ταχύτητα μετατροπής σήματος (flash ADCs). Οι μετατροπείς ουσιαστικά αποτελούνται από μια σειρά αναλυτών ύψους παλμού με ίσο χρονικό εύρος παραθύρου αλλά διαφορετικό κατώφλι κατά ένα ορισμένο και σταθερό αριθμό Volt. Επομένως, όταν εισέρχεται αναλογικό σήμα καταγράφεται σε συγκεκριμένο τμήμα μνήμης και το τελικό σήμα που δίνει ο ADC περιέχει όλη την πληροφορία για το ύψος του παλμού και η τιμή του εξαρτάται από τον αριθμό των bits του ADC. Εικόνα 2.10: Αριστερά η αρχή λειτουργίας των ADCs και δεξιά ένα γενικό διάγραμμα flash ADC. Γενικά στο ηλεκτρονικό σύστημα περιέχεται: σύστημα διόρθωσης (ομοιογένειας, γραμμικότητας, ενεργειακής διακριτικής ικανότητας), σύστημα ανάλυσης της ενέργειας, μετρικό σύστημα, σύστημα σχηματισμού εικόνας, σύστημα απεικόνισης κ.α. 24

~ Κεφάλαιο 3 ~ 3.1 Το πείραμα Η διεξαγωγή του πειράματος έγινε στο εργαστήριο SPECT-Lab του τομέα Πυρηνικής Υυσικής και τοιχειωδών ωματιδίων του τμήματος Υυσικής ΕΚΠΑ. Σο πρώτο μέρος του πειράματος πραγματοποιήθηκε στο εσωτερικό ενός μαύρου κουτιού ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη φωτοστεγανότητα. Η επίδραση του εξωτερικού φωτός επηρεάζει τον κρύσταλλο με αποτέλεσμα τη δημιουργία ψευδοσκίασης που επιδρά αρνητικά στην ποιότητα της εικόνας και μας δίνει λάθος πληροφορίες. Η ραδιενεργή πηγή που χρησιμοποιήθηκε ήταν καισίου (Cs), είχε κυλινδρική μολύβδινη θωράκιση γύρω της με μία μόνο κεντρική κυκλική οπή στο μπροστινό τμήμα. Ακριβώς δίπλα τοποθετήθηκε collimator με κυκλικές οπές και τέλος, ένας ακόμη collimator με εξαγωνικές οπές που προσκολλήθηκε μπροστά από τον κρύσταλλο της γ-camera. Η συγκεκριμένη κάμερα είναι εξειδικευμένη για την ανίχνευση ακτινοβολιών με ενέργειες φωτονίων παρόμοιες με αυτές του Tc-99m, οπότε οι προαναφερθείσες διεργασίες έγιναν στην προσπάθεια να βελτιωθούν οι συνθήκες και ο χρόνος λήψης των δεδομένων. Οι πηγές εκπέμπουν σφαιρικά στο χώρο και ο σκοπός της εισαγωγής του collimator μίας οπής ήταν να δημιουργηθεί μια δέσμη που θα εκπέμπεται συνευθειακά με τους άξονες των άλλων δύο collimators. Προτού γινόταν κάποια ιατρική εφαρμογή της συγκεκριμένης γ-camera έπρεπε να χρησιμοποιηθεί μία όχι τόσο κατάλληλη πηγή ώστε να γίνει αρχικοποίηση και βελτιστοποίηση των χαρακτηριστικών λειτουργίας της, αλλά και για να εξεταστεί η ικανότητα της κάμερας να λειτουργεί σε μη ιδανικές συνθήκες. Ο ρόλος του κατευθυντήρα με τις κυκλικές οπές είναι διττός καθώς χρησιμοποιείται και ως ομοίωμα (phantom) για το πείραμα. Οι διαστάσεις των κατευθυντήρων φαίνονται στον παρακάτω πίνακα : Είδος κατευθυντήρα Κατευθυντήρας κυκλικών οπών Κατευθυντήρας εξαγωνικών οπών Εμβαδόν (mm²) 60 x 60 59,5 x 60,4 Πάχος (mm) 30 26,8 Αριθμός οπών (X) 8 32 Αριθμός οπών (Y) 8 23 Ακτίνα (mm) 2,5 0,75 Διάκενο (mm) 2 0,25 3.2 Χαρακτηριστικά κάμερας Για την περάτωση του πειράματος χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο Hamamatsu R2486. Κύριες εφαρμογές της, εφόσον πρόκειται για μικρή γ-camera, είναι η τομογραφία μικρών ζώων (PET) και η απεικόνιση ακτινοβολίας. Ο σπινθηριστής της, όπως προαναφέρθηκε, είναι ανόργανος κρύσταλλος CsI(Tl), διακριτοποιημένος ώστε να παρέχει καλύτερη χωρική διακριτική ικανότητα. Ο φωτοπολλαπλασιαστής είναι της σειράς R2 με χρόνο απόκρισης 17ns, μια πολύ ικανοποιητική τιμή για τη μεταφορά των ηλεκτρονίων. 25

Εικόνα 3.1: Σο μοντέλο Hamamatsu R2486 όπως κατασκευάστηκε από την εταιρεία παραγωγής του. 3.2.1 Hamamatsu R2486-2 Η φωτοκάθοδος έχει επίστρωση από αλκαλικά μέταλλα, το υλικό της ονομάζεται Bialkali και αποτελείται από αντιμόνιο, ρουβίδιο και καίσιο (Sb-Rb-Cs). Σο εύρος της φασματικής απόκρισης της παραπάνω φωτοκαθόδου είναι παρόμοιο με αυτό της Sb-Cs φωτοκαθόδου, όμως παρουσιάζει μεγαλύτερη ευαισθησία και χαμηλότερο ρεύμα σκότους. Η κβαντική απόδοση της καθόδου είναι 23% (QE), η απολαβή της (gain) ανέρχεται στα 5 10 5 φωτοηλεκτρόνια για κάθε προσπίπτον ηλεκτρόνιο και η ευαισθησία της στη φωτεινότητα είναι 80μΑ/Im. Η μέγιστη παροχή τάσης μεταξύ ανόδου-καθόδου μπορεί να ανέλθει στα 1300V (DC). Όσον αφορά το σύστημα δυνόδων, αποτελείται από 12 ηλεκτρόδια με δομή coarse mesh που οδηγούν τα πολλαπλασιασμένα ηλεκτρόνια στο πλέγμα. Σο πλέγμα ανόδου αποτελείται από 16 καλώδια στον άξονα x και άλλα 16 στον άξονα y και ο τρόπος που διασταυρώνονται συμβάλλει στο να παρουσιάζει η κάμερα υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα, υψηλή γραμμικότητα θέσης και γρήγορη επεξεργασία σήματος για απεικόνιση σπινθηρισμών. Η ευαισθησία της ανόδου στη φωτεινότητα είναι 40A/Im. Σο μοντέλο R2486 δίνει τη δυνατότητα παραγωγής δισδιάστατης πληροφορίας με τη χρήση ενός μόνο φωτοπολλαπλασιαστή. Σο πλέγμα έχει τη μορφή που φαίνεται στο σχήμα παρακάτω. Σα καλώδια συνδέονται με τη μέθοδο resistive chain ανά δύο μεταξύ τους με ίδιες αντιστάσεις R, όποτε προκύπτουν 8X και 8Y σήματα (συνολικά 16). Αυτό επιτεύχθηκε ύστερα από επεξεργασία των κυκλωμάτων της κάμερας στο εργαστήριο γιατί βάσει της αρχικής κατασκευαστικής τους μορφή λαμβάνονταν δύο σήματα μόνο για κάθε άξονα. 26

Εικόνα 3.2: Αριστερά φαίνεται το πλέγμα ανόδου και δεξιά ο τρόπος ένωσης των καλωδίων με τελική έξοδο τεσσάρων σημάτων (2X και 2Y). 3.2.2 DAQ System Σα σήματα είναι αναλογικά και το καθένα είναι ουσιαστικά ένας αρνητικός παλμός καθώς προέρχεται από ένα πλήθος ηλεκτρονίων που προσπίπτουν στο πλέγμα της ανόδου. Η πληροφορία που αξιοποιείται από τον παλμό είναι το ύψος του, δηλαδή η ελάχιστη τιμή που παρουσιάζει η κυματοειδής μορφή. Απαιτείται όμως η ψηφιοποίηση του σήματος για να επεξεργαστεί και αυτό γίνεται με τη βοήθεια του CAMAC bus. Ο CAMAC bus που χρησιμοποιείται στο πείραμα είναι ο LeCroy 2249W και τα χαρακτηριστικά του παρουσιάζονται στον επόμενο πίνακα[3]. 27

Σο λογικό διάγραμμα του συστήματος καταγραφής δεδομένων φαίνεται συνοπτικά εδώ: Εικόνα 3.3: Διάγραμμα ροής του DAQ System[3]. Απ όλα τα καλώδια λαμβάνονται παλμοί και το ύψος τους μετατρέπεται για κάθε καλώδιο σε έναν αριθμό από το 0 έως το 2046. Για παράδειγμα στην περίπτωση που η ροή της ακτινοβολίας συσσωρεύεται στο κέντρο του κρυστάλλου της γ-camera, τότε τα ακριανά καλώδια (δηλαδή x1,x2,..x15, κλπ.) θα καταγράφουν ελάχιστο ή και μηδενικό σήμα το οποίο ισοδυναμεί με μικρό αριθμό στην κλίμακα 0-2046 ή με 0 αντίστοιχα. Όταν ολοκληρωθεί η ψηφιοποίηση έχουν αποθηκευτεί στο σύστημα 16 αριθμοί για κάθε event (γεγονός), δηλαδή για κάθε ένα φωτόνιο που προσπίπτει στον κρύσταλλο, και από αυτούς τους αριθμούς μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια η θέση του. υγκεκριμένα, η εύρεση θέσης στους άξονες είναι μια διαδικασία που γίνεται off line και πραγματοποιείται σύμφωνα με την τεχνική Anger με τις παρακάτω σχέσεις: Q x i i i χ pos = και Qi i y pos = i i Q y i Q i i Όπου Qi : το φορτίο που καταγράφει κάθε καλώδιο και xi/yi : η θέση των καλωδίων στους άξονες Η ενέργεια στον κάθε άξονα ξεχωριστά αλλά και συνολικά υπολογίζεται ως εξής: 8 x = X i i= 1 Q, 8 = i= 1 1 Q και E = Q + 2 y Y i x Q y Όπου Xi/Yi: η ενέργεια που καταγράφεται από κάθε καλώδιο Qx/Qy: η συνολική ενέργεια του κάθε άξονα και E: η ολική ενέργεια του συστήματος. 28

Εικόνα 3.4: Σρόπος ανίχνευσης σήματος από τον φωτοπολλαπλασιαστή. Βλέπουμε ότι το μέγιστο της κατανομής μετατοπίζεται ανάλογα με το σημείο συσσώρευσης των ηλεκτρονίων στο πλέγμα ανόδου[1]. Ο ψηφιοποιητής Camac λειτουργεί βάσει του πρωτόκολλου LAM (Look At Me) το οποίο ενεργοποιείται όταν έρθει στο σύστημά μας ένας trigger (σκανδαλιστής). Σα χαρακτηριστικά του trigger τα έχουμε ορίσει εμείς ώστε να απαλλαγούμε από τον θόρυβο, οπότε όταν φτάνει ένας παλμός ο Camac τον εξετάζει και αν έχει ύψος ανάμεσα στην περιοχή οριοθέτησης τότε ψηφιοποιεί και καταγράφει την πληροφορία. την περίπτωση που βρίσκεται εκτός ενεργειακού παραθύρου, απορρίπτεται [3]. Εικόνα 3.5: Αριστερά βλέπουμε τη μορφή των παλμών που καταγράφονται και επεξεργάζονται από το ηλεκτρονικό σύστημα. Οι παλμοί κυμαίνονται στα αρνητικά του άξονα εφόσον πρόκειται για ηλεκτρόνια και η ελάχιστη τιμή που εμφανίζουν εξαρτάται από την ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου στον κρύσταλλο[1]. 29

Θα μπορούσε αντί για τον Camac bus να χρησιμοποιηθεί μια PCI κάρτα, όπως και έχει γίνει σε παλαιότερα πειράματα στο εργαστήριο SPECTlab, όμως η συγκεκριμένη PCI card έχει μόνο 4 κανάλια σε αντίθεση με τα 12 του Camac όποτε είναι προφανές ότι δημιουργεί περιορισμούς. Σα χαρακτηριστικά της κάρτας παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί [3]. 3.2.3 Ανάπτυξη Λογισμικού σε Περιβάλλον LabVIEW Σο λογισμικό αναπτύσσεται σε περιβάλλον LabVIEW και είναι άξιο να σημειωθεί ότι κατασκευάστηκε στο εργαστήριο SPECTlab. Η επιλογή χρήσης του συγκεκριμένου περιβάλλοντος έγινε βάσει των πολλαπλών δυνατοτήτων του. Αρχικά, το LabVIEW είναι αξιόπιστο, μπορεί να συνδεθεί με αρκετές ηλεκτρονικές συσκευές, διαθέτει κατάλληλες βιβλιοθήκες και η γραφική του επιφάνεια το καθιστά ιδιαίτερα εύχρηστο. Σο DAQ System υπακούει στις εντολές του λογισμικού πριν εκτελέσει οποιαδήποτε διεργασία. το LabVIEW καταγράφονται τα 16 ψηφιοποιημένα σήματα για κάθε γεγονός ως αριθμοί, όπως εξηγήθηκε στα προηγούμενα υποκεφάλαια, και επιτρέπει να διαλέξουμε τα σωστά σήματα και να τα επεξεργαστούμε. Λόγω σχεδίασης μας δίνει τη δυνατότητα να αναπτύξουμε περαιτέρω το σύστημα λήψης έτσι ώστε να καταγράφει και να επεξεργάζεται επιπλέον μεταβλητές. Σέλος, ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημά του είναι ότι καθιστά εφικτή την ταυτόχρονη σύνδεση διαφορετικών ανιχνευτών και τον συγχρονισμό τους. Εικόνα 3.6: Σο περιβάλλον εργασίας του LabVIEW. 30

~ Κεφάλαιο 4 ~ 4.1 Μελέτη δεδομένων σε απόλυτα σκοτεινό περιβάλλον Για να επιτευχθεί η αρχικοποίηση των συνθηκών βέλτιστης λειτουργίας πραγματοποιήθηκαν πολλές μετρήσεις μεταβάλλοντας κάθε φορά την τάση λειτουργίας και τη χρονική διάρκεια του σκανδαλιστή. Η προβολική εικόνα όμως δεν είναι το μόνο κριτήριο που εξετάστηκε καθώς έπρεπε να ληφθεί υπόψη το ποσοστό σήματος σε αναλογία με τον θόρυβο. Ψς θόρυβος θεωρείται κάθε καταγραφή αριθμού μικρότερου του 2 (underflows) ή μεγαλύτερου του 2040 (overflows). Καθοριστικό ρόλο στην ύπαρξη ή μη θορύβου έχει η ρύθμιση του σκανδαλιστή. την περίπτωση που έχουμε παλμό με κέντρο βάρους στη μέση και το χρονικό εύρος του trigger μικρό, ενδεικτικά για τιμές γύρω στα 200ns, μπορεί να βρίσκεται η ελάχιστη τιμή τάσης αλλά χάνονται σημαντικά κομμάτια από το σήμα. Εάν το κέντρο βάρους του σήματος είναι μετατοπισμένο είτε αριστερά είτε δεξιά, τότε είναι πολύ πιθανό οι τελικές πληροφορίες να είναι ελλιπείς σε μεγάλο ποσοστό. τα επόμενα σχήματα είναι προφανής η απώλεια σήματος έχοντας ορίσει ένα τόσο μικρό χρονικό παράθυρο. Εικόνα 4.1: Αριστερά παλμός που αντιστοιχεί σε πρόσπτωση φωτονίων στο κέντρο του κρυστάλλου και δεξιά σε ακριανές θέσεις. Με τις κόκκινες διακεκομμένες γραμμές βλέπουμε το μικρό εύρος του width το οποίο και στις δύο περιπτώσεις κόβει σημαντικές πληροφορίες από το σήμα. Αυξάνοντας τη διάρκεια του σκανδαλισμού σε τιμές περί των 400ns, τα αποτελέσματα είναι περισσότερο ικανοποιητικά. Όπως βλέπουμε παρακάτω, και στις δύο περιπτώσεις παλμών, περιέχεται το ύψος αλλά και όλη η χρήσιμη πληροφορίας του σήματος. Σαυτόχρονα, αποκόπτονται οι ακραίες τιμές οι οποίες συνήθως δίνουν και λανθασμένα στοιχεία. Εικόνα 4.2: Για μεγαλύτερο χρονικό παράθυρο καταγράφεται περισσότερη χρήσιμη πληροφορία και παράλληλα αφαιρούνται οι γραμμοσκιασμένες περιοχές που ενδεχομένως δίνουν ψευδή στοιχεία. 31

Σέλος, εάν επεκτείνουμε πολύ το εύρος του χρονικού παραθύρου θα καλύπτεται ολόκληρο το σήμα με αποτέλεσμα να αποθηκεύονται μαζί με την ελάχιστη τάση και την ωφέλιμη πληροφορία όλα τα overflows και underflows. Σο γεγονός αυτό επηρεάζει σημαντικά την ποιότητα της εικόνας τόσο στην απεικόνιση χαρακτηριστικών όσο και στην ερμηνεία τους. Εικόνα 4.3: Για τιμές γύρω στα 800ns και άνω, ο trigger υπερκαλύπτει τις περιοχές του παλμού και επιτρέπει να καταγραφούν και στοιχεία θορύβου που αλλοιώνουν αρκετά το τελικό αποτέλεσμα (προβολική εικόνα). Οι μετρήσεις έγιναν για εφαρμοζόμενη τάση 950V,1000V και 1050V ενώ ο trigger ρυθμίστηκε για κάθε τάση ξεχωριστά στα 250ns, 400ns και 800ns. τις εικόνες που παρατίθενται στη συνέχεια φαίνονται οι κυκλικές οπές του κατευθυντήρα που χρησιμοποιήθηκε ως phantom. Μια εφαρμογή των όσων προαναφέρθηκαν φαίνεται στις παρακάτω απεικονίσεις. Η τάση είναι ίδια ενώ το χρονικό εύρος αλλάζει και μάλιστα επιλέχθηκαν δυο ακραίες τιμές του ώστε να γίνει αντιληπτή η επιρροή του trigger στην τελική εικόνα που λαμβάνεται. Αριστερά το εύρος έχει οριστεί μικρό ενώ δεξιά πολύ μεγάλο και έχουν υποστεί επεξεργασία και οι δύο αφαιρώντας τις τιμές που αντιστοιχούν σε underflows και overflows. Η δεξιά εικόνα είναι τόσο ασθενής γιατί περιέχει ελάχιστη χρήσιμη πληροφορία. Η διάρκεια του σκανδαλισμού επέτρεψε μεγάλο ποσοστό θορύβου να καταγραφεί και ουσιαστικά μετέτρεψε την προβολική εικόνα σε μη χρηστική. Εικόνα 4.4: Οι παραπάνω εικόνες αντιστοιχούν σε μετρήσεις με τάση 950V και width 250ns και 1200ns αντίστοιχα. τα 1200ns έχει καταγραφεί ολόκληρος ο παλμός, άρα και ο θόρυβος που περιέχει. υνεπώς, όταν αφαιρεθούν τα ovf και unf παραμένει εξαιρετικά λίγη ωφέλιμη πληροφορία. 32

Με παρόμοιο τρόπο επηρεάζει και η αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης την προβολική εικόνα. Παρέχοντας περισσότερα Volt μεταξύ ανόδου-καθόδου μεγαλώνει η απολαβή (gain), δηλαδή ενισχύεται το σήμα και μαζί του και ο θόρυβος. Τπάρχει λοιπόν και σε αυτήν την περίπτωση συσσώρευση άχρηστης πληροφορίας που μειώνει την απόδοση του απεικονιστικού συστήματος. Παρακάτω βλέπουμε εικόνες για διαφορετική τάση και ίδιο χρονικό παράθυρο(800ns). Παρατηρούμε ότι σε όλες τις απεικονίσεις όσο απομακρυνόμαστε από το κέντρο οι μετρήσεις αλλοιώνονται λόγω γεωμετρίας του συστήματος. τις ακριανές θέσεις δεν πραγματοποιείται ολική απορρόφηση των φωτονίων και επικρατεί κυρίως η σκέδασή τους. τα 1050V(δεξιά) δε φαίνονται τόσο καθαρά τα μεσοδιαστήματα και οι οπές του collimator. Η διαφορά των 100V που έχουν οι δύο απεικονίσεις είναι αρκετή ώστε να αυξήσει τα επίπεδα θορύβου και να δημιουργήσει θολότητα. Εικόνα 4.5: Λήψη προβολικών εικόνων για width 800ns με δοθείσα τάση 950V και 1050V αντίστοιχα. Η αύξηση της τάσης μειώνει την αναλογία σήματος/θόρυβο και κάνει την απεικόνιση λιγότερο ευκρινή. Ακόμα μία ένδειξη της σχέσης αναλογίας που υπάρχει μεταξύ τάσης και θορύβου, είναι τα παρακάτω διαγράμματα. τον άξονα των x φαίνονται οι αριθμοί που καταγράφει ο ψηφιοποιητής (0-2046) ενώ στον y το πλήθος των γεγονότων που αποθηκεύονται ως ένας συγκεκριμένος αριθμός και αυτό γίνεται για κάθε καλώδιο. Διαπιστώνεται και εδώ πως με την αύξηση της τάσης τα γεγονότα που ξεπερνούν την τιμή 2040 πληθαίνουν σημαντικά. Εικόνα 4.6: Από τα 950V στα 1050V υπάρχει ραγδαία αύξηση των overflows. 33

Εικόνα 4.7: Σο σύνολο των καταγραφών για τα καλώδια στον y με τάση 1050V και wdth 800ns. Ο αριθμός των γεγονότων που αντιστοιχούν σε overflows είναι εξαιρετικά μεγάλος για την πλειοψηφία των καλωδίων. Ήταν απαραίτητο επομένως να βρεθεί η χρυσή τομή όπου η υψηλή τάση θα έδινε την ελάχιστη δυνατή ενίσχυση θορύβου. 34

4.2 Σύγκριση δεδομένων με περίβλημα σε εξωτερικό περιβάλλον Ύστερα από τη μελέτη των δεδομένων του πρώτου μέρους του πειράματος ήταν αναγκαία η επαλήθευση των συμπερασμάτων. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε μια δεύτερη σειρά μετρήσεων όπου η κάμερα αφαιρέθηκε από το μαύρο κουτί και ύστερα από κατάλληλες διεργασίες έγινε προσθήκη φωτοστεγανής θωράκισης. Εξετάστηκε αν η βέλτιστη τάση λειτουργίας έδινε το ίδιο καλή εικόνα αλλά ταυτόχρονα και ικανοποιητικά ποσοστά του σήματος προς τον θόρυβο. Σα αποτελέσματα ήταν σε πλήρη συμφωνία με αυτά προκύψανε από τις μετρήσεις σε απόλυτα σκοτεινό περιβάλλον. Για να γίνει η επιλογή της βέλτιστης τάσης σε συνδυασμό με το χρονικό εύρος του σκαναλιστή κατασκευάστηκαν διαγράμματα για τη μελέτη των underflows, overflows και καθαρών γεγονότων (pure) για κάθε τάση και width αντίστοιχα. τα 950V υπάρχουν έντονες διακυμάνσεις για τα unf στα 250ns και 400ns, ενώ πιο ομαλή καμπύλη δημιουργείται στα 800ns με πολύ χαμηλές τιμές. ε αντίθεση, τα ovf για 800ns, αντιστοιχούν στα περισσότερα καλώδια σε μεγάλο αριθμό γεγονότων όμως βρίσκονται μεταξύ φυσιολογικών ορίων (max 7000). 35

Σα καθαρά γεγονότα για την συγκεκριμένη τάση φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Σο μεγαλύτερο και καλύτερο ποσοστό λαμβάνεται στα 800ns όμως δεν αρκεί για να επιλεχτεί καθώς πρέπει να ληφθεί υπόψη και η ποιότητα της εικόνας. Οι άλλες δυο περιπτώσεις χρονικών παραθύρων στα ακριανά καλώδια παρουσιάζουν μη ικανοποιητικές ενδείξεις. τα 1000V και 250ns οι τιμές των underflows αυξάνονται σημαντικά, ειδικά σε ακριανά καλώδια που φτάνουν σχεδόν τα 40.000 γεγονότα. Οι μετρήσεις αυτές έχουν παραπλήσια μορφή με των 950V οπότε είναι ένα στοιχείο που δείχνει ότι η δοσμένη χρονική διάρκεια δεν έχει καλή απόδοση. τα 400ns και 800ns τα unf διατηρούνται κυρίως σε χαμηλότερα επίπεδα. Είναι αναμενόμενη βέβαια η ύπαρξη τους καθώς όσο πλησιάζουμε στην περιφέρεια του κρυστάλλου δεν απορροφάται ολικώς η ενέργεια των φωτονίων άρα είναι λογικό καλώδια όπως τα x1,x2,x7,x8,y1 κοκ να καταγράφουν ασθενικό σήμα. 36

ε αντιστοιχία με τα παραπάνω, οι κεντρικές περιοχές του κρυστάλλου λόγω ολικής απορρόφησης δίνουν ενισχυμένο σήμα και αυξάνουν την πιθανότητα εμφάνισης overflows. τα 800ns ξεφεύγουν αρκετά οι τιμές από τα αποδεκτά όρια, στα 400ns είναι φυσιολογικές οι διαβαθμίσεις ενώ η μορφή που βλέπουμε στα 250ns δημιουργεί προβληματισμούς. Ενδεχομένως, λόγω μικρής χρονικής διάρκειας καταγράφηκε πολύ μικρό ποσοστό παλμών που προσεγγίζουν το ζητούμενο ελάχιστο. Μπορεί να θεωρηθεί ότι με τον ορισμό αυτού του trigger χάνεται σημαντικό κομμάτι της πληροφορίας από το σήμα. Από το διάγραμμα των καθαρών γεγονότων σίγουρα απορρίπτεται η επιλογή των 250ns, όσο για τις άλλες δυο, από το συνδυασμό των δεδομένων βλέπουμε ότι βρίσκονται κοντά. Παρουσιάζουν διαδοχικά η μία περίπτωση καλύτερη μορφή από την άλλη (στα unf προτιμητέα είναι η μορφή των 800ns ενώ στα ovf των 400ns) και στα pure γεγονότα οι διακυμάνσεις τους δεν αποκλίνουν σημαντικά μεταξύ τους. Η χρυσή τομή πιθανόν να βρίσκεται κάπου στη μέση. 37

Για δοθείσα τάση 1050V, η γραφική απεικόνιση των underflows είναι σε πλήρη αναλογία με τις προηγούμενες οπότε τα συμπεράσματα παραμένουν ως έχουν. Παρατηρούμε όμως ότι στα overflows ο αριθμός των γεγονότων αυξάνεται σε όλες τις περιπτώσεις και μάλιστα ξεπερνά κατά πολύ τα αποδεκτά όρια για τις τιμές των 400ns και 800ns που κατά μέσο όρο έχουν αποδειχθεί πιο σωστές ως μετρήσεις. Κρίνοντας και από το γράφημα των pure γεγονότων φαίνεται πως η αύξηση της τάσης επηρέασε αρνητικά το σύνολο των καταγραφών. υνεπώς, δεν μπορεί να επιλεχθεί. 38

Από τις γραφικές απεικονίσεις που εξετάστηκαν προηγουμένως, περισσότερο ικανοποιητικά αποτελέσματα έδωσαν οι μετρήσεις των 950V με τη χρονική διάρκεια του σκανδαλιστή ορισμένη στα 800ns και των 1000V για 400ns και 800ns με πιθανότητα διόρθωσης. τη συνέχεια, εκθέτονται παρόμοια διαγράμματα έχοντας συγκεκριμένο width κάθε φορά συναρτήσει των εφαρμοζόμενων τάσεων. Η επιλογή μικρού χρονικού παραθύρου αποκλείστηκε πρωτύτερα και η αιτία φαίνεται ξεκάθαρα στα παρακάτω γραφήματα. Οι τιμές των underflows αγγίζουν μέχρι και τις 40.000 περίπου για όλες τις τάσεις που σημαίνει ότι υπάρχει μεγάλο ποσοστό άχρηστης πληροφορίας. Σα overflows διατηρούνται σε εξαιρετικά καλό επίπεδο αλλά, όπως εξηγήθηκε στο προηγούμενο στάδιο, εν συγκρίσει με τα άλλα δύο width είναι ένδειξη πως έχει αποκοπεί μεγάλο τμήμα των παλμών. Σα φαινομενικά ιδανικά αποτελέσματα που βλέπουμε εδώ υστερούν σε πληροφορία. 39

Σέλος, οι τιμές των καθαρών γεγονότων ανά καλώδιο δεν είναι επαρκής στο σύνολό τους για καμία τάση. Βλέπουμε ότι για ορισμένες θέσεις πέφτουν στις 75.000 ακόμα και στις 60.000 που σημαίνει ότι υπάρχει μεγάλη απώλεια σήματος. Εφόσον συνολικά καταμετρούνται 100.000 γεγονότα από κάθε καλώδιο, πρόκειται για απώλεια μέχρι και 40%. Από τα διαγράμματα των unf στα 400ns είναι σαφώς προτιμητέες οι καταμετρήσεις των 1000V και 1050V. Σα ακριανά καλώδια δίνουν μεγαλύτερες τιμές αλλά το ποσοστό του 20% που προσεγγίζουν δε θεωρείται τόσο επιζήμιο. 40

Σα ovf εξακολουθούν να κυμαίνονται σε λογικά πλαίσια. Η περίπτωση των 1000V δείχνει να είναι καλύτερη προς το παρόν. Από τα αποτελέσματα των pure γεγονότων γίνεται αντιληπτό πως η πλειοψηφία των καλωδίων στα 1000V καταγράφει περισσότερη χρήσιμη πληροφορία σε σχέση με τα 1050V. Υαίνεται πως υπάρχει ανταγωνισμός στην απόδοση των δύο αυτών τάσεων αλλά, λαμβάνοντας υπόψη τα προηγούμενα γραφήματα, η επιλογή των 1000V είναι πιο σωστή. 41

Με την αύξηση του χρονικού παραθύρου στα 800ns, τα δεδομένα που αντιστοιχούν στην μεγαλύτερη δοθείσα τάση (1050V) παρεκκλίνουν αισθητά από τις μετρήσεις των μικρότερων τάσεων. Σα δεδομένα των μετρήσεων για 1000V παρουσιάζουν πιο έντονες διακυμάνσεις στο θόρυβο σε σχέση με τα διαγράμματα των άλλων width δημιουργώντας και μεγαλύτερα ποσοστά λανθασμένης πληροφορίας. Σις καλύτερες ενδείξεις στην προκειμένη περίπτωση είχε ο συνδυασμός 950V με 800ns. 42

4.3 Βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας Κάνοντας ανασκόπηση των στοιχείων της προηγούμενης μελέτης, καλές ενδείξεις παρουσιάστηκαν στα 1000V με χρονικό εύρος τα 400ns και στα 950V με 800ns. Κρίνοντας και από την ποιότητα της προβολικής εικόνας και το γεγονός ότι 800ns είναι αρκετά μεγάλο χρονικό εύρος, θεωρήθηκε πως ο συνδυασμός με τα 400ns ήταν προτιμότερος και είχε περιθώρια βελτίωσης. Για την επιβεβαίωση της θεωρίας αυτής, πραγματοποιήθηκαν νέες μετρήσεις ορίζοντας τον σκανδαλισμό στα 500ns και 600ns. Οι μετρήσεις έγιναν ξανά και στο εσωτερικό σκοτεινό περιβάλλον του μαύρου κουτιού και στο εξωτερικό περιβάλλον με το περίβλημα. το γράφημα των underflows οι δύο καμπύλες είναι σχεδόν ταυτόσημες. Με ελάχιστη διαφορά τα 500ns δίνουν πιο μεγάλους αριθμούς σε ορισμένα καλώδια. Ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα είναι η μορφή του διαγράμματος για τις καταγραφές σε εξωτερικό περιβάλλον. Υαίνεται ότι τα underflows έχουν μειωθεί στο ελάχιστο. τα overflows οι καταμετρήσεις των 500ns παραμένουν σε χαμηλότερα επίπεδα στο σύνολο των καλωδίων συγκριτικά με των 600ns. Σο ίδιο καλή απόδοση έχουν και οι μετρήσεις out of black box. 43

Βλέπουμε και στα διαγράμματα των καθαρών γεγονότων ότι η διαφορά έγκειται σε λεπτομέρειες. Πρέπει να σημειωθεί βέβαια ότι σε όλες τις περιπτώσεις οι καμπύλες που αντιστοιχούν στην καταγραφή στο εξωτερικό περιβάλλον είναι πιο ομαλές. Σελικά, εξισώνοντας όλες τις παραμέτρους βγήκε το συμπέρασμα ότι οι βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας του συγκεκριμένου απεικονιστικού συστήματος προκύπτουν για εφαρμοζόμενη τάση1000v και χρονικό εύρος σκανδαλισμού 500ns. 44

Εικόνα 4.8: Η εκτενής μελέτη των χαρακτηριστικών λειτουργίας της γ-camera (μοντέλο R2486) απέδειξε ότι βέλτιστη τάση λειτουργίας είναι τα 1000V με το εύρος του χρονικού παραθύρου να είναι 500ns ώστε να έχουμε την καλύτερη δυνατή αναλογία σήματος προς θόρυβο. την εικόνα βλέπουμε την απεικόνιση που αντιστοιχεί σε αυτά τα χαρακτηριστικά. 45

5.1 Απεικόνιση μικρού ζώου ~ Κεφάλαιο 5 ~ Ύστερα από τη διεξαγωγή μελέτης για τη βελτιστοποίηση των χαρακτηριστικών λειτουργίας της γ-cαmera (μοντέλο R2486), πραγματοποιήθηκαν λήψεις από δύο μικρά ποντίκια με σκοπό την απεικόνιση συγκεκριμένων οργάνων τους. Σο πείραμα έλαβε μέρος στο εργαστήριο SPECT-Lab του τμήματος φυσικής όπως επίσης η επεξεργασία και μελέτη των δεδομένων του. Σα ποντίκια ήταν χορηγία της Δρα Μπουζιώτη Πηνελόπη από το Ινστιτούτο Ραδιοϊσοτόπων και Ραδιοδιαγνωστικών Προϊόντων (Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ) Εικόνα 5.1: To Εργαστήριο της Μονοφωτονικής Σομοσπινθηρογραφίας (SPECT-Lab). το πρώτο ποντίκι εξετάστηκε η νεφρική λειτουργία και για την εκτέλεση των μετρήσεων του χορηγήθηκαν 100μL 99m Tc DTPA (Diethylene-Triamine-Penta-Acetic) ενεργότητας 437μCi. το δεύτερο ποντίκι ελέγχθηκε η πνευμονική λειτουργία και εμβολιάστηκε με ραδιοφάρμακο που περιείχε 100μL 99m Tc-macroaggregates ενεργότητας 439μCi. Επιλέχθηκε το τεχνήτιο γιατί, όπως αναλύθηκε στο υποκεφάλαιο 1.2, ενδείκνυται για απεικονίσεις πολλών οργάνων μεταξύ των οποίων είναι και οι πνεύμονες και τα νεφρά. Για την περάτωση του πειράματος η γ-сamera μέσα στο φωτοστεγανό περίβλημα σταθεροποιήθηκε με τη βοήθεια ειδικής κατασκευής και μπροστά της τοποθετήθηκε μια περιστρεφόμενη τράπεζα με το ποντίκι. Η τράπεζα ήταν βαθμονομημένη σε μοίρες και το ποντίκι βρισκόταν σε χάρτινο κύλινδρο με άξονα κάθετο στο επίπεδο της τραπέζης. Η απόσταση του από την κάμερα ήταν μικρότερη του 1cm και στις 0 το ποντίκι κοιτάζει μπροστά ενώ η κάμερα βλέπει το πίσω μέρος του σώματός του. 46

Εικόνα 5.2: την εικόνα φαίνεται το ποντίκι και ο χάρτινος κύλινδρος μέσα στον οποίο έχει τοποθετηθεί και στο φόντο φαίνεται το μπροστινό τμήμα της γ-camera με τον collimator που είναι προσκολλημένος στον κρύσταλλο της. Η δοθείσα τάση λειτουργίας ορίστηκε στα 1200V. Η optimum τάση που προέκυψε από το πείραμα με το καίσιο ήταν μικρότερη καθώς οι ακτίνες-γ από την πηγή είχαν ενέργεια της τάξης των 662keV. Σα φωτόνια που εκπέμπονται όμως από το Tc-99m είναι χαμηλοενεργειακά (140keV) οπότε απαιτείται η ενίσχυση του σήματος. Αυτό επιτυγχάνεται με την αύξηση της τάσης. Και για τα δύο ποντίκια πραγματοποιήθηκαν 24 λήψεις περιστρέφοντας την τράπεζα κατά 15 κάθε φορά ώστε να απεικονιστούν τα επιθυμητά όργανα σε διάφορες γωνίες. Για το πρώτο ποντίκι λήφθηκαν 40.000 μετρήσεις από κάθε θέση και η καταγραφή διήρκησε περίπου15h. Σο δεύτερο ποντίκι εξετάστηκε για 3h και οι μετρήσεις ορίστηκαν στις 30.000 για κάθε γωνία. Σα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για την ανακατασκευή δισδιάστατων τομογραφιών όπου φαινόταν η κατανομή του ραδιοφαρμάκου. Για την ανακατασκευή έγινε χρήση της ART (Algebraic Reconstruction Technique) και ορισμένες από τις εικόνες που δημιουργήθηκαν παρουσιάζονται παρακάτω. 47

θ=0 θ=30 θ=90 θ=150 θ=210 θ=270 θ=330 θ=345 Εικόνα 5.3: Ανακατασκευασμένες εικόνες μέσω ART για διάφορες γωνίες που μας δείχνουν την κατανομή του ραδιοφαρμάκου στα όργανα του ποντικιού. Ξεκινώντας από πάνω, τα ενεργοποιημένα σημεία αντιστοιχούν στην ουρά, την κύστη και τέλος τα νεφρά. Παρόλο που ο στόχος της εισαγωγής του ραδιοφαρμάκου ήταν η απεικόνιση των νεφρών, στις ανακατασκευασμένες εικόνες φαίνεται να γίνεται απορρόφηση από τρία σημεία. Σο πρώτο σημείο από πάνω είναι η ουρά όπου έγινε η πρωτογενής έκχυση του ραδιοφαρμάκου (αναμενόμενη απορρόφηση), ακολουθεί η ουροδόχος κύστη και μετά τα νεφρά. Παρατηρούμε πως η αποτύπωση της κύστεως είναι αρκετά εντονότερη εν συγκρίσει με την αποτύπωση των νεφρών και πιο ευκρινής. 48

θ=0 θ=60 θ=90 θ=150 θ=180 θ=210 θ=225 θ=300 θ=345 Εικόνα 5.4: τις παραπάνω ανακατασκευασμένες εικόνες αποτυπώνονται οι πνεύμονες του δεύτερου ποντικιού. 49

Με τη χρήση 2D τομογραφικών εικόνων και των αλγορίθμων ανακατασκευής που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο μπορούν να κατασκευαστούν τρισδιάστατοι πίνακες που δείχνουν τη διαβαθμισμένη συγκέντρωση του ραδιοφαρμάκου στα ιχνηθετημένα όργανα. Φαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν οι επόμενοι 3D πίνακες. Εικόνα 5.5: 3D απεικόνιση των νεφρών του πρώτου ποντικιού. Σα αποτελέσματα του συγκεκριμένου πειράματος ήταν ικανοποιητικά και σε προβολικό αλλά και σε τομογραφικό επίπεδο. Οι 2D τομογραφίες ήταν ευκρινείς και η χρήση τους στην δημιουργία τρισδιάστατης απεικόνισης έδωσε ολοκληρωμένη εικόνα του σχήματος των οργάνων και της απορρόφησης του Tc-99m στο εσωτερικό τους. 50