Радиодиагностическая аппаратура - физико-биологические основы радионуклидной диагностики

Несмотря на разнообразие радиодиагностической аппаратуры как по назначению, так и по фирмам изготовителям, они имеют ряд общих узлов. Блок схема радиодиагностического прибора состоит из датчика, блока обработки сигналов, системы хранения и блока обработки данных.
Датчики используемые в приборах для радионуклидной диагностики, могут быть сцинтилляционные и ионизационные. Однако последние имеют ограниченное применение, поэтому в дальнейшем мы будем говорить только об сцинтилляционных датчиках. Они состоят из четырех основных узлов: сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и предусилителя. Датчики помещаются в свинцовый кожух и коллимируются. Коллиматоры обычно изготавливаются из свинца и предназначены для ограничения поля зрения датчика. Они характеризуются чувствительностью и разрешающей способностью. Чувствительность определяет часть регистрируемых квантов от общего числа. Под разрешающей способностью понимают минимальное расстояние, на котором два точечных источника регистрируются отдельно. В зависимости от числа отверстий коллиматоры могут быть одно- и многоканальные. По форме отверстия они могут быть цилиндрическими (если диаметр отверстия одинаковый по всей длине канала), фокусирующими (если диаметр отверстия, направленный к источнику излучения меньше диаметра отверстия, прилегающего к кристаллу) и дивергирующими (если диаметр отверстия, направленный к источнику излучения больше диаметра отверстия, прилегающего к кристаллу). Чувствительность и разрешающая способность коллиматоров находятся в обратной зависимости. Так, например, цилиндрический коллиматор с меньшим отверстием имеет лучшую разрешающую способность, но меньшую чувствительность, чем коллиматор с большим отверстием. Одноканальные фокусирующие коллиматоры обладают лучшей разрешающей способностью по глубине, чем цилиндрические и меньшей чувствительностью. Дивергирующие коллиматоры имеют более высокую чувствительность, чем цилиндрические, но меньшее разрешение. Назначение сцинтиллятора состоит в преобразовании энергии гамма- квантов или частиц в энергию фотонов. Сцинтилляторы изготавливаются из кристаллов иодистого натрия, йодистого калия, йодистого цезия, но могут использоваться и жидкие сцинтилляторы. Наибольшее распространение получили кристаллы йодистого натрия, активированные таллием. Для колодезных счетчиков используются кристаллы с глухим отверстием. В зависимости от типа сцинтиллятора зависит геометрия счета и, соответственно, чувствительность датчика.
фотоэлектронный умножитель служит для преобразования энергии фотонов в электрическую энергию. Он состоит из фотокатода и цепи динодов, на которые подается постоянное положительное напряжение. Причем имеется разность потенциалов между фотокатодом и каждым последующим динодом. Наибольшее напряжение подается на последний - собирающий динод.
Предусилитель необходим для увеличения электрического импульса, возникающего на собирающем электроде, перед поступлением его на блок обработки.
Принцип работы такого датчика состоит в том, что гамма-квант, взаимодействуя со сцинтиллятором, вызывает в нем вспышку света - фотон. Фотон, достигая фотокатода ФЭУ, выбивает из него первичный электрон (фотоэлектрон), который, пройдя через фокусирующее окошко, направляется к первому диноду. При ударении о динод электрон выбивает из него несколько вторичных электронов, которые под действием разности потенциалов направляются к следующему диноду. При попадании на него каждый из электронов выбивает по несколько вторичных электронов и т.д. Таким образом от динода к диноду число вторичных электронов увеличивается (умножается). Сумма электронов на выходе ФЭУ дает импульс тока, поступающий на предусилитель, в котором происходит некоторое усиление сигнала, достаточное, чтобы он достиг блока обработки.
В цепочке преобразования энергии от гамма-кванта до импульса тока имеется прямо-пропорциональная зависимость: энергия фотона прямопропорциональна энергии поглотившегося гамма-кванта, а амплитуда тока на выходе ФЭУ прямо-пропорциональна энергии фотона. Таким образом, амплитуда тока на выходе датчика прямо пропорциональна энергии гамма- кванта на входе. Эта зависимость играет важную роль в дальнейшей обработке сигналов.
Блок обработки радиодиагностических приборов состоит обычно из усилителя, интегрального и / или дифференциального дискриминатора, измерителя скорости счета.
И усилителе увеличивается амплитуда сигнала, поступающая с датчика. Следующим звеном являемся интегральный или дифференциальный дискриминатор. Более часто используется последний. Дифференциальный дискриминатор позволяет избирательно регистрировать кванты  энергии. Дело в том. что на вход дискриминатора поступают не только сигналы от РФП, с которым проводят исследование, но и сигналы от космического излучения, фона местности и помещения, в котором проводятся исследования, собственные шумы усилителя и другие побочные сигналы. Эти сигналы отличаются по амплитуде тока, так как возникают от регистрации квантов различных энергий. Шумовые сигналы обычно имеют низкую энергию и регистрируются в большом количестве. Сигналы от космического излучения обладают высокой энергией, но возникают довольно редко. Полезные сигналы могут иметь различную энергию, которая зависит от радионуклида, которым помечен РФП, поскольку при распаде определенного радионуклида испускаются кванты определенной энергии. В общей массе сигналов полезные составляют небольшую часть, поэтому изменение в количестве полезных сигналов маскируется фоновыми. Чтобы этого избежать и пользуются дискриминаторами. В интегральном режиме работы на дискриминаторе устанавливается нижний порог энергии в результате чего сигналы с амплитудой ниже этого порога не регистрируются (отсекаются). В этом режиме легко убираются фоновые, низко-энергетичные сигналы. Если необходимо избавиться не только от шумовых сигналов, но и от регистрации квантов других радионуклидов, имеющих более низкую или высокую энергию, работа ведется в дифференциальном режиме. В этом случае на дискриминаторе устанавливается два порога нижний и верхний. Назначение нижнего порога аналогично работе в интегральном режиме, верхний порог не пропускает сигналы выше определенного уровня, поэтому регистрируются сигналы с энергией выше нижнего и ниже верхнего порога. Этот диапазон энергий называется окном дискриминации. Величину окна можно сужать и расширять. Обычно ширину окна устанавливают как 30 процентов от энергии, подлежащей регистрации. Например, проводят исследования с РФП, меченным технецием-99м. Все кванты этого радионуклида имеют энергию 140 кэв. Ширина окна составит 140*0,3 42 кэв. При симметричном окне нижний порог устанавливается на уровне 140-21 = 119 кэв, а верхний 140+21=161 кэв и в результате будут регистрироваться гамма-кванты в диапазоне энергий от 119 до 161 кэв. Использование дифференциального дискриминатора позволяет увеличить чувствительность системы по отношению к полезным сигналам, что дает возможность уменьшить количество вводимого РФП и соответственно-снизить лучевую нагрузку на пациента. При работе со смесью изотопов, дифференциальный дискриминатор позволяет определять качественный и количественный состав смеси. Пропущенные дискриминатором сигналы поступают на измеритель скорости счета, систему хранения и блок представления данных.
Система хранения данных может быть представлена перфолентой, перфокартой. магнитном лентой, магнитным диском и т.д. Она позволяет сохранять информацию проведенного исследования неопределенно долгое время, что дает возможность создавать архив исследований, передавать информацию на блок представления данных, проводить по необходимости дополнительную обработку результатов исследования.
Способ представления данных зависит от типа прибора и рассматривался выше.