Medicina nucleare

Rivelatori a semiconduttore

L'evoluzione tecnologica ha reso possibile la produzione di cristalli di germanio di elevata purezza e grandi dimensioni che permettono di realizzare rivelatori di radiazioni ionizzanti operanti in regime di saturazione, come le camere a ionizzazione. Producendo un campo elettrico all'interno del rivelatore, gli elettroni che ricevono dalla radiazione energia sufficiente a passare in banda di conduzione e le "lacune" si spostano verso gli elettrodi di segno opposto dando luogo ad una corrente che può essere raccolta ed analizzata.

La gammacamera è un sistema di produzione di immagini biomediche che si basa sulla capacità di alcuni materiali, ovvero i rivelatori a scintillazione, di convertire l'energia dissipata dai fotoni γ in impulsi elettronici di ampiezza direttamente proporzionale ad essa (cioè a questa energia). La sua introduzione

nella pratica clinica risale al 1958, realizzata interamente con componenti analogici; successivamente gli sviluppi della tecnologia hanno reso possibile la costruzione di sistemi sempre più sofisticati dotati di componenti elettronici per l'analisi dei segnali, il controllo del sistema di rivelazione e la registrazione delle immagini, tutte di tipo digitale. Il rivelatore Il componente principale del rivelatore per gammacamera è costituito da un blocco unico di materiale scintillante, detto monocristallo di NaI (Tl) (Ioduro di sodio drogato al Tallio); questi cristalli normalmente sono prodotti in forma cilindrica ed i loro parametri caratteristici, ovvero diametro e spessore, sono espressi in pollici. I cristalli circolari più ampi attualmente hanno un diametro di 16" (circa 40 cm), ma le gammacamere più moderne impiegano cristalli rettangolari (tipicamente da 40 x 50 cm); lo spessore più comune è di 3/8" (3/8 di pollice; =9,5 mm).ridotto spessore del cristallo è conseguenza di un compromesso fra l'efficienza del rivelatore, cioè capacità di produrre segnali di risposta intensi, e la risoluzione spaziale massima ottenibile, infatti, aumentando lo spessore si ha un assorbimento quasi totale dell'energia del fotone incidente, quindi aumento dell'efficienza, per effetto delle interazioni Compton che sono numerose in un materiale appunto spesso. L'effetto Compton però, come sappiamo, comporta la produzione di fotoni diffusi (quindi deflessi) e si verifica pertanto una perdita della correlazione fra la traiettoria del fotone γ, appunto deflesso, ed il punto originale di emissione dello stesso. Si ha pertanto una diminuzione dell'anitidezza dell'immagine (blurring) e quindi una minore risoluzione spaziale. Abbiamo visto che in un fotorivelatore il segnale luminoso emesso dal materiale scintillante viene successivamente convertito in impulso elettrico daunfotomoltiplicatore.Nella gammacamera, come possiamo vedere dalla figura, la luce prodotta nel cristallo viene trasformata in impulso elettrico attraverso non un unico fotomoltiplicatore, ma una matrice di fotomoltiplicatori accoppiati al cristallo stesso, quindi ricoprono l'intera superficie inferiore del cristallo. Vediamo raffigurato un unico gruppo di fotomoltiplicatori, ma in realtà si trovano per tutta l'estensione del cristallo. La luce prodotta viene quasi interamente rilevata da un gruppo ristretto di fotomoltiplicatori, normalmente si tratta dei sette rivelatori più vicini allaposizione dell'evento scintillante. Come abbiamo detto, nella gammacamera gli impulsi elettrici rilevati dalla scintillazione avvenuta nel cristallo serviranno alla costituzione di un'immagine biomedica; un aspetto critico nel funzionamento della gammacamera è la necessità di determinare correttamente la posizione dell'impulso elettrico, e quindi

Esattamente dove la scintillazione è avvenuta. L'interazione della radiazione con il cristallo produce infatti un fotone luminoso che si propaga in modo isotropo, cioè in tutte le direzioni, nel cristallo stesso; questa luce, pertanto, sarà raccolta da più fotomoltiplicatori (PM) accoppiati al cristallo.

Le coordinate dell'evento di origine, che come abbiamo detto sono indispensabili per la ricostruzione dell'immagine, sono determinate mediante una media pesata della quantità di luce raccolta (o meglio dell'impulso elettronico prodotto) da ciascun fotomoltiplicatore. Il "peso" (di questa media pesata) viene assegnato a ciascun fototubo mediante una "matrice di impedenze"; queste impedenze (=resistenze. Sono dei resistori) fanno sì che il contributo ai segnali di posizione (espressi in un sistema a 4 coordinate spaziali +X, -X, +Y, -Y) dei fotomoltiplicatori più lontani dal centro del cristallo.

(origine del sistema di riferimento) risulti attenuato rispetto a quelli più vicini all'origine del segnale raccolto. Questo schema rappresenta il collegamento alla matrice di impedenze di un gruppo di fotomoltiplicatori che si ha per tutta l'estensione del cristallo.

Le quattro componenti delle coordinate sono successivamente combinate a 2 a 2 per dare i segnali di posizione X e Y permettendo così una precisa determinazione della posizione dell'impulso.

Altro aspetto fondamentale è la necessità di ottenere la migliore risoluzione spaziale possibile e per fare ciò bisogna evitare che tutti i PM contribuiscano alla determinazione delle coordinate spaziali, solo quelli più vicini alla reale posizione dell'evento scintillante devono determinare il segnale.

Il miglioramento della risoluzione spaziale avviene mediante un sistema di preamplificatori, detti "a soglia", associati a tutti i fototubi, che permettono di eseguire la

media pesata limitatamente al gruppo di PM che maggiormente contribuiscono al segnale, quindi quelli più vicini, (mediante impulsi di maggiore intensità)

Generalmente il gruppo che rileva il segnale con intensità adeguata è costituito da 7 fototubi: uno centrale e sei disposti esagonalmente rispetto ad esso ("impacchettamento esagonale stretto").

In questo modo il segnale relativo ai PM più lontani viene automaticamente scartato; normalmente si fissa una soglia pari al 2% del valore massimo di intensità e tutti i PM che rilevano un segnale inferiore a questo 2% vengono eliminati dal processo di formazione dell'immagine.

Considerare solo il segnale proveniente dai tubi più vicini all'evento di emissione luminosa (=di scintillazione) rende trascurabile la diminuzione dell'ampiezza di segnale (perché appunto scartando segnali inferiori al 2% del picco la perdita di segnale è veramente trascurabile) ed in

compenso miglioranotevolmente l'accuratezza statistica, cioè la precisione del posizionamento, avendo così una migliore risoluzione spaziale. Il segnale proveniente dai PM lontani apporta un contributo all'informazione globale molto modesto (bassa intensità di segnale rilevata da questi PM), il quale è inoltre gravato da una elevata incertezza, perché appunto sono PM lontani dall'evento scintillante. Se considerassimo anche questi segnali nella formazione dell'immagine, come già detto, l'intensità dell'impulso rilevato (segnale) aumenterebbe di poco, mentre diventerebbe rilevante l'incertezza sulla sua origine e quindi il rumore dell'immagine. Dunque, l'inclusione dei PM lontani comporterebbe quindi un peggioramento del rapporto segnale/rumore (S/N) e quindi vengono esclusi. In conclusione, attraverso l'impiego della matrice di impedenze e della pre-amplificazione a soglia, il rivelatore.

della gammacamera produce due segnali di posizione X e Y (che sono le coordinate corrispondenti alla posizione dell'eventoscintillante) ed un segnale di ampiezza (cioè l'intensità di segnale) dell'impulso che è proporzionale all'energia delle radiazioni incidenti, detto segnale Z. Quindi abbiamo due componenti spaziali e una di intensità che permettono, in un sistema di imaging digitale, di avere le coordinate del pixel e la tonalità di grigio o colore da utilizzare per quel pixel nella formazione dell'immagine digitale. L'operazione di pesatura del segnale non altera la proporzionalità fra impulso registrato ed energia dissipata dalla radiazione incidente. Questi segnali, che sono impulsi elettrici, alla fine della catena di fotomoltiplicazione vengono digitalizzati e trattati elettronicamente al fine di ottenere una immagine clinica. Vediamo i contributi di segnale dei PM, cioè l'intensità

relativa aisegnali raccolti dai PM. 100 è quello del fotomoltiplicatore più vicino. A parte quello centrale e i sei attorno, tutti glialtri sono sotto la soglia del 2%. L'intensità di segnale decresce con la distanza rispetto alla posizione dell'evento.

Correlazione fra posizione degli eventi rilevati ed il punto di emissione

L'immagine ottenuta da una gammacamera mostra la distribuzione di un radiofarmaco entro un organo; ciò (ovvero la formazione dell'immagine chemostra ecc.) dipende dalla capacità del sistema di acquisizione di mantenere la correlazione fra le posizioni di emissione dei fotoni γ all'interno del corpo del paziente e le coordinate di posizione determinate a seguito delle relative interazioni con il cristallo.

Esiste però una serie di fenomeni fisici, connessi alle modalità di interazione fotone-materia, che contrastano tale correlazione.

In teoria, solo i fotoni che interagiscono per effetto

testo in modo da ottenere un'immagine di migliore qualità. Il testo formattato con i tag HTML è il seguente:

fotoelettrico devonoconcorrere alla formazione dell'immagine, poiché sono quelli che cedono tuttala propria energia per produrre il segnale luminoso nello scintillatore in un'unicainterazione. In particolare, ci sarebbe la necessità di raccogliere solo i fotoni chesi propagano con una traiettoria nota rispetto alla superficie del cristallo.

Un fotone Compton invece, che di sua natura è un fotone diffuso rispetto alladirezione di propagazione principale, non contribuisce a fornire le corretteinformazioni spaziali sulla distribuzione del radiofarmaco nel volume diinteresse, e ciò va a scapito della qualità dell'immagine da ricostruire.

Il collimatoreTramite la gammacamera possiamo stabilire un'associazione fra gli eventirilevati nel cristallo e il punto in cui avviene l'emissione luminosa γ nel corpoumano selezionando solo determinate direzione di propagazione dei fotoni e ciòè possibile modificando la

geometria di acquisizione dei dati