Detektieren von Gammastrahlen und Rekonstruktion ihrer Flugbahn

Gammakamera mit parallelen Kollimatoren
Prinzip der Gammadetektion unter Verwendung eines Kollimators mit parallelen Kanälen. Nur Gammastrahlen, die sich entlang der Kanalachse ausbreiten, erreichen den Szintillator, wo sie ihre Energie abgeben und einen kurzen Lichtblitz erzeugen. Das Szintillationslicht wird von einer Anordnung von Photomultipliern erfasst, die auf die Rückseite des Szintillators gerichtet sind. Der Photomultiplier wandelt den Lichtimpuls in ein elektronisches Signal um, das von der Elektronik der Kamera verstärkt wird. Aus den von den Photomultipliern empfangenen Signalen werden die ungefähre Position des Einschlags und die Gammaenergie ermittelt. Die Beilage zeigt eine Gammakamera, die auf den Brustkorb eines Patienten gerichtet ist, wahrscheinlich für eine Herzuntersuchung.
D.Steyaert/IN2P3

Die Emission eines einzelnen Gammastrahls ist ein sehr kleinräumiges nukleares Phänomen. Die Aufgabe des Gammakamerakopfes ist es, diese mikroskopische Strahlung in ein elektrisches Signal zu verstärken, das nachgewiesen und gemessen werden kann. Durch die Auswertung einer großen Anzahl von Messungen dieser elektrischen Signale kann die Karte der radioaktiven Kerne bestimmt werden, die für die Emission von Gammastrahlen verantwortlich sind.
Der Gammakameradetektionskopf besteht aus:
– einem Kollimator
– einem Szintillationskristall
– einer Anordnung von Photovervielfacherröhren
– einem elektronischen System zur Erkennung und Messung von Gammaenergien und -einschlägen

Gammakamera mit Lochblendenkollimator
Für Schilddrüsenscans werden Gammakameras verwendet, die mit einem Lochblendenkollimator ausgestattet sind, der auch als „sténopéic“ bezeichnet wird. Für eine kleine Drüse wie die Schilddrüse ist diese Art der Kollimation geeignet. Die Spitze der Kamera ist auf den Hals des Patienten gerichtet. Nur die Gammastrahlen, die durch die Lochblende hindurchgehen, also aus dem Schilddrüsenbereich kommen, werden aufgezeichnet.
D.Steyaert/IN2P3

Der Kollimator ist eine dicke Platte aus Blei oder Wolfram, die mit einer großen Anzahl sehr dünner paralleler Kanäle durchzogen ist. Die Gammastrahlen, die ihn durchdringen können, sind diejenigen, deren Richtung senkrecht zur Oberfläche der Bleiplatte und des Szintillationskristalls ist. Die Achsen der Kanäle sind auf den zu untersuchenden Körperteil gerichtet, und das Blei oder Wolfram hält alle Gammaphotonen ab, die sich in einem schrägen Winkel bewegen. Andere Kollimatoren können mit unterschiedlichen Techniken konstruiert werden: Ein Lochkollimator wird für Schilddrüsenszintigraphien verwendet, während fächerförmige Kollimatoren für die Bildgebung des Gehirns eingesetzt werden.
Das Detektionselement im Herzen einer Gammakamera ist ein großer rechteckiger Kristall aus mit Thallium dotiertem Natriumiodid: NaI (Tl). Der Kristall ist in der Lage, eintreffende Gammastrahlen zu stoppen und einen Teil der deponierten Energie in Szintillationen umzuwandeln.
Hinter dem Kristall wandelt eine Anordnung kleiner Photomultiplier Lichtphotonen in elektrische Signale um. Aus den Treffern in einer Reihe von Photomultipliern kann man die Energie der einfallenden Gammastrahlen sowie die ungefähre Position ihrer Einschläge auf dem Kristall bestimmen. Die Gammastrahlen, deren Energien nicht in einen bestimmten Bereich der Energie der radioaktiven Probe (ein spektroskopisches Fenster) fallen, werden verworfen und tragen nicht zum endgültigen Bild bei.
Die Gammakamera wird so positioniert, dass sie die Gammaphotonen auswählt, die von dem zu diagnostizierenden Organ emittiert werden.

Ein Gammabildgerät auf der Basis von Srmi-Leitern
Die Leistungen von Szintigraphie- und PET-Gammakameras dürften von den großen Fortschritten profitieren, die in letzter Zeit bei den Detektionstechniken erzielt wurden. So schlug ein Team von CEA-Physikern 2015 einen Gamma-Imager auf der Basis von CdZnTe (Cadmium-Zink-Tellurid)-Halbleitern vor, der bei der Messung der Gamma-Energie und -Position sehr viel genauer ist.
Clés CEA N°200

Die Bildqualität hängt von der Genauigkeit der Rekonstruktion ab. Die herkömmliche Detektion mit Szintillatoren, die mit Photomultipliern verbunden sind, wird allmählich durch genauere Detektionssysteme ersetzt werden… Zum Beispiel kann die Genauigkeit der Position von Gammaeinschlägen von 3 mm auf 0,3 mm mit Halbleiter-basierten Imagern verbessert werden.
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