Введение к работе
Актуальность этой проблемы в медицине при проведении диагностических исследований и особенно при диагностике онкологических заболеваний связана с возможностью выявления радионуклид-ной диагностикой заболеваний на стадии нарушения обменных процессов в организме. Другие методы диагностики или существенно сложнее и дороже и менее развиты ( НлС-интроскопия), или обнаруживает изменения в структуро (плотности) ткани человека,как правило, в более поздней стадом заболевания (рентгеновская и ультрізвукопая интроскопия).
Развитие эмиссионной вычислительной томографии представляется особенно актуальным, так как, с одной стороны, она обладает всеми преимуществами радионуклидно.1 топографии (скеннеров, гамма-камер) по выявлению, причем с лучшей информативностью, ранних нарушений обменных процессов в организме, а с другой стороны, дает более точные сведения об очагах аномального накопления активности, что может предопределить успех последующего лечения (особенно при терапевтическом облучении заряженными частицами).
В настоящее время разработка отечественных эмиссионных
однофотонных вычислительных томографов ведется во ВНИИМПе на базе гамма-камер марки ГКС-30ІТ и ГКС-20ІБ. К решению этой проблемы приступил СНИШ з соответствии с Постановлением Комиссии Президиума и Бюро Совета ^{инистров СССР от 27.12.1886 г. № 230/4Є/ Ыб 5712 и Постановлением Совета .Министров СССР .тФЭ? от 12.08.1988 г. (тема "Бальзам").
Согласно проекту комплексной программы научно-технического прогресса СССР на 1986-2005 годы, подготовленной Всесоюзным научным медико-техническим обществом и ШИИИМТ Минздрава СССР б перечень важнейших работ в области радиодиагностической аппаратуры включены:
I. Сцинтилляционная гамма-камера с большим полем "видения" и высоким пространственным разрешением (1987-1992 гг.).
-
Передвижная сцинтилляционная гамма-камера (1902-1987 гг.).
-
Поперечный эмиссионный томограф для исследования всего тела (1988-1992 гг.). .
Потребность эмиссионных томографов определена в количестве 50 шт. в 1990 г. и 500 шт. в 2005 г. (50% для диспансеров и 50% для медицинских НИИ и центральных медицинских вузов).
В настоящее время в СССР эмиссионные вычислительные томографы серийно не выпускаются.
Целью работы являлись разработка и исследование физико-математических аспектов применения интегрально-кодовых систем из-і ' перений для определения пространственных распределений инкорпорированных радионуклидов преимущественно. для решения задач одно-фотонной эмиссионной вычислительной томографии (ОФЭВТ) и радиометрии излучений человека.,
Научная новизна работы состоит в следующем:
I. Развито новое перспективное направление в радиационной интроскопии - интроскопия при использовании кодирующих коллиматоров в сочетании с позиционными-чувствительными детекторами при пространственной, модуляции излучения. При этом:
а) разработаны и изготовлены мозаичные.кодирующее коллима
торы в виде ЗПФ, существенно улучшающие однородность эффектив-
, носги регистрации по поле изображения гамма-камеры и исследованы моделированием на ЭВМ и экспериментально на медицинской гамма-камере их томографические свойства. Рассчитаны и определены экспериментально основные параметры иктроскопов с мозаичными ЗПФ
б) Развиты методы томографии при использовании многопинхоль
. ных коллиматоров с псевдослучайным расположением каналов. Анали
тически, моделированием на ЭВМ и экспериментально получены ос
новные параметры интроскопов с мозаичными многопинхольными кол
лиматорами в виде ПСТ.' Два устройства признаны изобретениями.
в) Разработан и исследован метод фокусных плоскостей, позволяющий получать трехмерное распределение радионуклидов при использовании кодирующих коллиматоров в- виде ПСГ, признанный изобретением.
2. Разработано новое перспективное направление в радиа
ционной интроскопии-интроскопия при использовании плоских
кодирущих коллиматоров при временной модуляции излучения.
При этом:
. а) Впервые разработаны и исследованы моделированием на ЭВМ и экспериментально методы двумерной и трехмерной фильтрации при восстановлении по проекциям в планарной геометрии измерений с плоскими иногогганхольными коллиматорами с псевдослучайным расположением отверстий.;
б) Решены практические задачи реализации метода двумерной
фильтрации для условий конечной геометрии и дискретного пред
ставления данных.
в) Разработаны четыре устройства для различных режимов
сканирования объектов с использованием многоканальных и много-
пинхольных коллиматоров'а псевдослучайным расположением отвер
стий, признанных изобретениями.
3. Для кодирущих коллиматоров с псевдослучайным располо
жением отверстий, построенных на основе ( 6, V-, Z,к,\ ) - и
( Т>-,К ,А ) - матриц и PNP - таблиц определены оптимальные значения среднего пропускания излучения по основным критериям планирования эксперимента и статистическому критерию фактора качества. При отом:
а) Показаноі что среднее пропускание коллиматоров одинако
во для систем с временной и пространственной модуляцией излуче
ния и зависит от вида критерия планирования, вида искомого расп
ределения и от соотношения между полезным сигналом и помехой.
б) Показано, что среднее пропускание коллиматоров при тра
диционном эксперименте ("поэлементное сканирование") и экспери
менте, отвечающем традиционному плану (среднее пропускание
~505&;, могут быть получены как частные предельные случаи из рассмотренного подхода и оптимизации на классе С^^М-матриц.
4. Разработаны и развита методы повышающие информативность измерений на спектрометрах излучений человека (СИЧК При отом:
а) Разработана оригинальная методика минимизации погреш
ности измерений на СИЧ, обусловленной неравномерным распределе
нием радионуклидов в теле человека - методика ьесового калибро
вочного вектора.
б) Моделированием на ЭВМ и экспериментально определены
параметры СИЧ при использовании четырех модифікації»"' этой
методики и найдены оптимизированные геометрии измерений для много-
кристальных СИЧ и СИЧ с геометрией многопозиционной однокрис -
тальной и геометрией ступенчатого сканирования.
в) Развит матричний метод определения распределения радио -
нуклидов в отдельных органах и во всем теле человека и профиля
активности в теле человека и экспериментально определены пара
метры СИЧ, реализующих две модификации этого метода.
г) Разработаны три конструкции СИЧ с использованием коди
рующих коллиматоров с псевдослучайным расположением каналов,
прдзцашшх изооротсниялаї.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Результаты проведенных разработок позволяют рекомендовать кодирующие коллиматоры на основе ИСТ и 3114 при пространственной модуляции излучения в качестве сменных коллиматоров медицинских гамма-камер, подготавливаема к производству в СССР (СНИШІ, ШИИаШ. Их использование в гамма-камерах позволит повысить информативность исследований, в частности обеспечить получение томографической информации при использовании радиофармаце втических препаратов с ^9^ Тс. Разработаны конструкции коллиматоров в виде 311* и ПСТ применительно к конкретным позиционио-чувствитедьным детекторам'ШЧД) проектируемых гамма-камер, созданы макетные образцы и определены их основные параметры(пространственное и глубинное разрешение). Разработай/ алгоритмы декодирования результатов измерений на дШ.
-
Метод фокусных плоскостей при использовании кногопинхоль-ных кодирующих коллиматоров і; серийных или проектируемых
гамма-камер открывает принципиальную возможность получения трехмерных распределений радионуклидов в объекте (продольных томограмм, свободных от вклада излучения внерокусных плоскостей объекта). Сформулированы основные треоования к кодирующим коллиматорам при практической реализации метода.
-
Аналитическое решение задачи двумерной ( и трехмерной) фильтрации при восстановлении но проекциям в планарной геометрии измерений и выполненные модельные и экспериментальные исследования позволяют рекомендовать новые, в ряде случаев более простые системы измерений,для поперечной томографии при использовании позициомно-чувствительных детекторов серийных или проектируемых гамма-камер. Экспериментально показано, что разрешение инт-роскопа практически определяется собственным пространстгенным разрешением 11ЧД гамма-камеры.
-
Разработанная система измерения с пространственно-временной модуляцией излучения ' кодирующими устройствами на основе ИСТ, являющаяся изобретением, позволяет получать топографическую (рентгеновская или гамма-астрономия) или томографическую (интроскопия) информацию без использования ПЧД и декодироваиил результатов измерений на ЭВМ.
-
Развитая система измерения с вращающимся кольцевым кодирующим коллиматором с псевдослучайным расположением пинхолов может быть рекомендована для разрабатываемых в СССР позитронних томографов головы и тела человека. Использование такого дополнительного коллиматора обеспечит возможность проведения однофотон-ной эмиссионной вычислительной томографии, что существенно повысит диагностические возможности такой сложней и дорогой установки как позитронный томограф. Определены геометрические параметры кольцевых кодирующих коллиматоров для томографов головы
и всего тела.
6. Разработанный метод весового калибровочного вектора мо
жет быть рекомендован к использованик: на многодетекторных, одно-
детекторных многопозиционных и сканирующих СЛЧ. С использованием
этого метода определены оптимизированные геометрии измерений
с четырехдетекторнкм СИЧ и СИЧ с трехступенчатой и четырехступенчатой геометрией сканирования.Для четырехдетекторного СИЧ
получена неоднородность эффективности регистрации (НЭР) не превышающая (10-36)$ при обработки данных с использованием одного калибровочного вектора (для каждой энергии У -квантов), и (9-21)% при обработки данных с использованием набора из трех векторов для диапазона энергий У -квантов 122-3000 кзВСпри изменении соотношения активностей равномерно распределенного и точечного нуклида от 10:90 до 75:25%).
7. Разработан и сконструирован четырехдетекторный СИЧ с
детекторами МсЗ СГ ) размером 120 мм х 120 мм, который при
оптимизированном расположении детекторов имеет максимальную НЭР,
приведенную выше (пункт 6). Остальные характеристики СИЧ следую
щие: защита-камера из чугуна с толщиной стен 15 см, разрешение
~ 11%, фон в диапазоне анергий 0,1 - 2,0 ЯоВ - 3320 имп/мин, фон d диапазоне анергий 0,57-0,75 .'ЬВ - 380 имп/мин; эффективность но пику полного поглощения = 0,17 импДмин.Бк);
wvC>\, =67 Бк при "Ь = СО мин. Параметры приведены для ^С4>
( Є у = 652 кэВ). Спектрометр был использован для радиационного
дозиметрического контроля сотрудников ШШ и проведения экспери
ментальных исследований. '
8. Матричный метод определения распределения радионуклидов
в человеке был реализован на трех СИЧ:
а) Трехдетекторном СИЧ для определения содержания Rffl с
* I и iS? Ач. во всем теле,щитовидной железе и печени пациентов после проведения курса лечения(был использован'при стационарной геометрии измерений в ВОЩ АМН СССР).
б) Однодетекторном СИЧ с геометрией многоступенчатого ли
нейного сканирования в лаборатории МАГАТЭ в Вене для исследова
ния содержания ' 3"&, в лицах, работавших с флюоресцирующим
составами.
в) Однодетекторном макете СИЧ с геометрией многоступенчато
линейного сканирования при использовании ІШД в лаборатории ШШ
Экспериментально исследованы геометрии измерений, способы кол
лимации излучения и методы обработки результатов измерений
(метод направленного расхождения, модифицированный метод наимен
шкх квадратов и метод статистической регуляризации) для сканиру
ющих геометрий с WaDCTt) и ШД' и даны соответствующие рекоменд
ции и определены параметры СИЧ.
9. Разработаны конструкции трех ШЧ с коллиматорами с
псевдослучайны.! расположением отверстий для определения про
дольного, двумерного и трехмерного распределения активности з
теле человека. Проведены экспериментальные исследования и рас
четы, моделирущие измерения на СИЧ с большими пластическими
ецинтилляторами. Исследованы возможности применения СИЧ с вре
менной модуляцией излучения для определения локализации низко-
онергетических излучателей в присутствии радионуклидов с высо
коэнергетическими излучателями.
10. Развитый подход и результати оптимизации среднего про
пуск анля кодирующих устройств при пространственной, временной
и пространственно-временной модуляции излучения применимы для планирования радиационных физических экспериментов по определению пространственно-угловых и спектральных характеристик излучения (эмиссионная и трансмиссионная интроскопия, рентгеновская и гамма-астрономия, детектирование излучения, ядерный магнитный резонанс, спектрометрия нейтронов по времени пролета и др.)
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
-
Комплекс разработанн'лс методов и устройств, для определения пространственного распределения радионуклидов при пргет-ранственной модуляции излучения (основанный на использовании мозаичных коллиматоров с базовым блоком в виде .'ЗП<2, ИСТ и PNP -таблиц в сочетании с ПЧД, измерении интегрально-кодовых образов искомого распределения и декодирования результатов измерений на ЭВМ) дает возможность проводить томографические исследования У -излучающих объемных источников на медицинских гамма-камерах.
-
Разработанный метод фокусных плоскостей при использовании пространственной модуляции излучения в сочетании с вертикальным сканированием объекта позволяет осуществлять томографические многослойные исследования и определять трехмерное распред'- чение радионуклидов в исследуемом объекте.
-
Комплекс разработанных методов и устройств для определения пространственного распределения радионуклидов при временной
I Г
модуляции излучения (основанный на использовании кодирующих многоканальных коллиматоров с псевдослучайным расположением каналов, систем перемещения детекторов и декодировании результатов измерений на ЭВМ) позволяет решать широкий круг задач по измерению пространственно-угловых характеристик излучения в радиационно-физических экспериментах (гамма-топография, радиометрия излучений человека, радиационная интроскопия, гамма-астрономия) при использовании обычных и позиционно-чувствительных детекторов.
4. Физико-математическое (аналитическое) решение проблемы
определения пространственного распределения радионуклидов в
плоской геометрии измерений с планарными кодирующими коллимато
рами с псевдослучайным расположением пинхолов в сочетании с ли
нейными (двумерными) 11 при временной модуляции излучения
(основанное на получении иптегрально-кодог-ых образов искомого
распределения, взвешенного обратного проецирования результатов
измерений с последующей фильтрации с найденными аналитически
в явном виде фильтрующими ядрами) обеспечивает возможность получения поперечнях томограмм, не уступающих по информативности томограммам, получаемым при традиционной круговой геометрии измерений на гамма-камерах.
-
Развитая методика и результаты оптимизации радиационно-физического эксперимента при пространственной, временной м пространственно-временной модуляции излучения на классе И,1>ГЪ, vc,jL ) -,( u, vc, X )- матриц и PNP - таблиц на основе теории планирования факторного эксперимента позволяет определять среднее пропускание кодирующих устройств, минимизирующее статистическую составляющую погрешности измерений с учетом квантовой статистики регистрируемого излучения, в зависимости от вида критерия планирования, характера искомого распределения радионуклида и соотношения между средним значением полезного сигнала и помехой..
-
Методика определения активности на СИЧ с использованием калибровочного вектора, компоненты которого определяются из условия минимизации НЭР, существенно- уменьшает погрешность измерений при неравномерном распределении радионуклидов в объекте, а разработанный и сконструированный четырехкристальный СИЧ с
оптимизированными параметрами может быть эффективно-использо-ван для целей радиационной медицины и радиационной безопасности.
7. Развитый матричный метод определения пространственного распределения радионуклидов при помощи СИЧ (основанный на регистрации излучения' коллимированными детекторами от отдельных органов человека при стационарной геометрии измерений и участков тела при геометрии линейного сканирования, определении'матрицы эффективности регистрации детекторов и решении интегрального уравнения относительно распределения радионуклида) повышает информативность измерений. Трехкристальный СИЧ при стационарной геометрии измерений и сканирующие СИЧ с кристаллами [/аЗт ) и ГШД позволяют решать широкий круг задач по определению локализации радионуклидов при медицинских и гигиенических исследованиях.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на Международных симпозиумах МАГАТЭ (Вена, 1971, IAEA - ЗМ-Ш/бЗ; Стокгольм, 1972, ТАКА -ИМ - IbO/43; Париж 1985, ГАЕА -$ii - 276/61 и IAEA-5М -276/62); на XX, ШУ-ХХУШ, Ш-ХХХП, ХХХ1У, ХХХУ и ХХХУП совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (1970, 1974, 1975, 1976, 1977, 1978, I960, 1981, 1982, 198. 1985 и 1987);на UJ и ІУ Всесоюзных научно-практических конференциях по радиационной безопасности (Москва, 1976 и 1984); на Ш академическом симпозиуме по математическому обеспечению и использованию ЭВМ в медико-биологических исследованиях (Обнинск, 1976); на Всесоюзной конференции: Проблемы разработки и производства средств для оснащения радиодиагкостических центров (Москва,1981); на П и Ш Всесоюзных научно-технических конференциях "Проблемы техники в медицине"(Тольятти, 1981; Томск, 1983); на Научно-технической конференции "Актуальные вопросы экспериментальной v. клинической радиологии" (Свердловск, 1983); на Научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение измерений в медицине" (Таллин, 1983); на УП Всесоюзной конференции по планированию и автоматизации эксперимента в научных исследованиях Ыосква,1983); на Всесоюзной научно-технической конференции "Применение математических методов обработки медико-биологических данных и ЭВМ в медицинской технике" (Москва, 1984);
I I
на ІУ и УІ Всесоюзном совещании по микродозиметрии (Усть-Нарва, 1903; Канев, 1980); на сессии отделения ядерной физики АН СССР (1982), на XXX, XXXI и ХХХ11 научных конференциях МИФИ (1963, 1984, 1985); на общемосковских научных семинарах кафедры № I ШШ (1985,1989); экспонировались на выставках "ЇМШ - народному хозяйству" (диплом ьыставки), Московской городской выставке на ВДНХ НТТЫ-84 (бронзовая медаль), на ВДНХ в павильоне "Атомная энергия" в 1986 г. (серебряная медаль).
Публикации. По теме диссертации подготовлено 10 отчетов о НИР и опубликовано 86 научных работ, из них 2 монографии, 9 авторских свидетельств, 29 научных статей ( в том число 6 - в журналах ПТУ и Медицинская радиология, 3- в журнале Изотопы в СССР, 4 -'в публикациях іЛАГАТЗ), 44 - в трудах конференций, совещаний и симпозиумов, 2 проспекта экспозиций на ЗДНХ СССР.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы из 191 наименований. Диссертация содержит 285 страниц машинописного текста, 77 рисунков и 14 таблиц.
