Håndbog i gammatællere

Wallac 1470 og 1480 med Multicalc

Teori og praksis for bioanalytikere

Stefan Fuglsang

Klinisk fysiologisk/nuklearmedicinsk afdeling, Hvidovre

Hospital

24. juni 2010

Indhold

1 Forord 2

2 Ordliste 3

3 Radioaktive isotoper og gammastråling 5

4 Detektorer 8

4.1 Enkeltkanal-analysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.2 Multikanalanalysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.3 Energikalibrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.4 Krystallet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.5 Fotomultiplikatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.6 Kollimering og afskærmning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

5 Energispektret 15

6 Gammatællere 18

6.1 Gammatællerens mekanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186.2 Normalisering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196.3 Spill-over . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206.4 Tælleeffektivitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6.4.1 Geometri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206.5 Dødtid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226.6 Korrektioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226.7 Kvalitetskontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

7 Protokoller 24

7.1 Protokollens opbyging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247.2 Variabler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257.3 Betjening af tæller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1

1

Forord

Denne håndbog omhandler teori og praksis om gammatællere, hovedsageligt gammatæl-lere med brøndkrystal og automatisk prøveskifter (specifikt Wallac 1470 og 1480), menogså andre systemer med NaI-krystal gennemgås.

Håndbogen er tiltænkt bioanalytikere, der skal arbejde med gammatællere i praksis,men også bioanalytikerstuderende, ingeniører, fysikere og læger kan have glæde af bogen.

2

2

Ordliste

aktivitet Antal henfald pr. sekund. For en given isotop er aktiviteten proportional medmængden af isotopen.

channel eller window width På analoge tællere en knap der bruges til at justere vinduetsbredde.

comptonspredning, comptonproces Når en gammafoton afgiver en del af sin energi til etatom, hvorved en elektron løsrives og fotonen afbøjes.

count rate Antal gammafotoner talt af detektor pr. tidsenhed, se cps og cpm

counts Antal gammafotoner talt af detektor i et givet tidsrum. Sommetider kaldet “tæl-letal”.

cpm Antal counts pr. minut, dvs. antal registrerede henfald pr. minut.

cps Antal counts pr. sekund, se cpm.

crossover Mængden af stråling fra en kilde uden for detektoren (ikke at forveksle medbaggrundsstråling)

differential tælling Den almindelige indstilling på en tæller, hvor der tælles i et vinduemed en forudbestemt vinduesbredde (energiområde).

diskriminator, discriminator level På analoge tællere en knap der bruges til at justerevinduets position

dpm Antal disintegrationer pr. minut eller antal henfald pr. minut. Aktiviteten 1 MBqsvarer til 60 · 106 dpm.

dødtid Den tidsperiode, efter bestråling, hvor et tællersystemet ikke kan registrere en nybestråling fuldstændigt.

effektivitet Forholdet mellem counts pr. minut og antal disintegrationer pr. minut (cpm/dpm),udtrykt i procent. Afhænger af isotop og krystal.

eV, keV, MeV Elektronvolt, kiloelektronvolt og megaelektronvolt. Måleenheder for energi,svarende til den energi en elektron får ved acceleration ved bevægelse gennem spæn-dingen 1 volt, 1000 volt og 1 million volt.

3

4

fotoelektrisk effekt Når en gammafoton afgiver hele sin energi til et atom, hvorved enelektron løsrives. Fotonen går tabt.

gain Forstærkning. På nogle enkelkanalanalysatorer kan man ændre forstærkningen afsignalet fra fotomultiplikatoren med en gain-knap

HV, højvolt Den spænding, der er på detektoren. Højvolten justeres (på analoge tællere)for at kalibrere kanalerne i eV (keV).

integral tælling Indstilling på enkeltkanalanalysatorer, hvor vinduet kun er begrænsetnedadtil, men ikke opadtil i energi.

kanal Del af apparat, der optæller antallet fotoner med en bestemt energi. En tæller (MCA)kan være kalibreret, så hver kanal tæller svarende til 1 keV. Med 1024 kanaler kantælleren således (teoretisk set) lave et spektrum fra 1 - 1024 keV.

MCA Multichannel analyzer, multikanalanalysator. Gammatæller, der registrerer antalfotoner i forskellige kanaler (se dette).

spektrum Graf over antallet af counts pr. minut som funktion af energi.

spillover Mængden af spredt stråling fra en isotop, der registreres i et vindue for en andenisotop.

time constant, tidskonstant En karakteristisk størrelse for den del af pulshøjdeanalysato-ren, der afgør hvor hurtigt systemet reagerer på ændringer i counts.

vindue Det energiområde (kanalområde), der anvendes ved tælling. Energier uden forvinduet bliver sorteret fra i pulshøjdeanalysatoren.

3

Radioaktive isotoper oggammastråling

Radioaktive isotoper er ustabile atomkerner, der udsender overskudsenergi i form af strå-ling. Størstedelen af strålingen er ioniserende, dvs. stråling der kan løsrive elektroner fraatomer i omgivelserne. Bemærk i øvrigt sprogbrugen: Strålingen kaldes ioniserende stråling,atomer eller isotoper er radioaktive. Der er altså ikke noget der hedder radioaktiv stråling.Den ioniserende stråling er af forskellig art, afhængig af atomkernens sammensætningaf protoner og neutroner. Tunge kerner med mange neutroner henfalder typisk ved α-stråling, som består af to protoner og to neutroner, lettere kerner med mange neutronerhenfalder ved β−-stråling , lettere kerner med få neutroner henfalder ved β+-stråling ellerved elektronindfangning (electron capture, EC). Disse strålingstyper kaldes samlet for par-tikelstråling. Ved de fleste henfald vil der efter udsendelse af partikelstråling stadig væreoverskudsenergi, som udsendes som gammastråling.

Når stråling udsendes henfalder atomkernen, hvor kernen omdannes til en anden iso-top. De isotoper der anvendes i nuklearmedicin er udsendes typisk en elektron i form afbeta-minus og beta-plus, efterfulgt af gammastråling, eller indfanger en elektron (electroncapture) efterfulgt af gammastråling og røntgenstråling. De fleste isotoper har mere endén mulig måde at henfalde på, f.eks flere mulige energier for beta- og gammastråling.Visse isotoper er metastabile (angives ved et ’m’ efter atomvægten), hvilket betyder at ethenfaldsprodukt fra en radioaktiv isotop “lever” i kortere eller længere tid i en tilstandmed overskudsenergi, indtil den henfalder til isotopens grundtilstand ved udsendelse afgammastråling (isomert henfald). Et eksempel er 99Mo, der kan henfalde til 99mTc vedudsendelse af en betapartikel, mens 99mTc henfalder til 99Tc ved gammastråling. Den me-tastabile (f.eks. 99mTc) og isotopen i grundtilstand (f.eks. 99Tc) kaldes for isomere og afvigerkun fra hinanden ved kernens energiindhold. I figur 3.1 er vist et henfaldsdiagram.

Gammastråling og røntgenstråling er elektromagnetisk stråling med høj energi, deradskiller sig ved måden de dannes på. Gammastråling udsendes direkte fra atomkernen,mens røntgenstråling udsendes, når en af atomets elektroner indtager en plads i en af deinderste elektronskaller. Dette sker, når der opstår en tom plads i elektronskallen ved aten elektron opfanges af atomkernen (electron capture) eller efter at en elektron er udsendtfra det radioaktive atom (internal conversion). I modsætning til røntgenstråling fra etrøntgenrør, der danner røntgenstråling ved nedbremsning af hurtige elektroner, er dennestråling mono-energetisk, dvs. strålingen har én karakteristisk energi.

Som eksempler på radioaktive isotoper der hyppigt anvendes til forskning og under-

5

6

Figur 3.1: Skematisk henfald af “moderisotop” til “datter” via metastabil tilstand. Det første henfaldsvarer til betaminushenfald (fald i energi og stigning i atomnummer), det efterfølgendetil gammahenfald (fald i energi uden ændring i atomnummer).

søgelse, kan nævnes 99mTc, 125I, 131I og 51Cr, som har karakteristika som vist i tabellennedenfor. Desuden er vist 129I og 137Cs som hyppigt anvendes til kvalitetskontrol. Der eri tabellen kun vist de vigtigste gamma-energier; herudover udsendes stråling i form afmindre hyppige gammaenergier, røntgen, elektroner, og/eller betapartikler.

Karakteristisk for en radioaktiv isotop er henfaldskonstanten, λ. Henfaldskonstantenudtrykker sammenhængen mellem aktivitet, A, og antallet af radioaktive atomkerner, N,på et givet tidspunkt:

A = λN (3.1)

Dette vil sige at måler man aktiviteten, kan man beregne mængden af radioaktivt materiale,eventuelt som en koncentration. Normalt foretager man ikke denne beregning, fordi denabsolutte aktivitet kan være vanskelig at bestemme, i stedet sammenligner man målingenpå en prøve og en standard, hvor standarden er isotop med samme koncentration som manhar givet til patienten.

En radioaktiv atomkerne henfalder ikke på noget bestemt tidspunkt, men har en sand-synlighed for at henfalde i en given tidsperiode. Oftest angiver man for en isotop halve-ringstiden T1/2 = ln(2)/λ ≈ 0.693/λ, dvs. den tid der går til halvdelen af atomkernerne

7

Tabel 3.1

Egenskaber for nogle vigtige isotoper

Energi 1 hyppighed energi 2 hyppighed halveringstidkev % keV %

99mTc 140 89 6 h125I 35.5 67 27.2-27.4 114 60.2 d +14% ved 31 keV131I 364.5 81 8 d51Cr 320 9 27.8 d129I 37.6 7.5 1.57 · 107 år137Cs 667 90 30 år

er henfaldet. Karakteristisk for isotopen er også middellevetiden τ = 1/λ, der er dengennemsnitlige levetid for hver atomkerne.

4

Detektorer

Grundlæggende består en gammatæller af en detektor (NaI-krystal og fotomultiplikator-rør, se senere) med højspændingsenhed, forstærker, analysator (også benævnt ratemeter,diskriminator, pulshøjdeanalysator), scaler (tæller) og timer, se tegningen i figur 4.1. Detre sidstnævnte vil i moderne gammatællere være lavet helt eller delvist digitalt, mensdet på ældre udstyr vil være analoge instrumenter. Se et eksempel på et system i figur 4.3.

NaI-krystal PM-rør Forstærker

Højspænding

PHA/ratemeter

Scaler

Timer

Figur 4.1: Principdiagram for gammatæller

Krystallet og dets egenskaber bliver gennemgået nedenfor, men her skal blot nævnes at engammafoton, der rammer krystallet bliver omsat til en strømpuls, hvis højde (størrelse) erproportional med energien, der er afsat i krystallet, som vist i figur 4.2.

8

4.1. Enkeltkanal-analysator 9

Figur 4.2: Eksempel på puls fra fotomultiplikatorrør (efter forstærkning). Kurveformen er resultataf signalbehandlingen i elektronikken, og kan variere fra system til system. Inddelingerneer hhv. 1 V og 5 µs.

4.1 Enkeltkanal-analysator

Enkeltkanal-analysatoren måler kun i ét energiområde ad gangen, dvs. at analysatorensindstillinger skal ændres når en anden isotop end den aktuelle skal tælles. Desuden skal sy-stemets indstillinger justeres med jævne mellemrum, da detektoren og højspændingsdelenikke holder sig stabil over længere tid.

Før måling skal man sikre sig at analysatoren er justeret til at måle med det korrekteenergiområde, ved at justere højvolt og energivindue ved tælling af en standard, dvs.en isotop med aktivitet af samme størrelsesorden som prøven. Tidskonstanten skal værelav når man indstiller vindue og højvolt, mens højere tidskonstanter især er nyttige nårman ønsker at mindske indflydelsen af statistiske variationer ved lave aktiviteter. Gain(forstærkning) og rate meter range skal indstilles højt ved lave aktiviteter og lavt ved højeaktiviteter, men bemærk at disse indstillinger påvirker kalibreringen af diskriminatoren,så man skal fastholde disse indstillinger i løbet og efter kalibrering. Analysatoren skalnormalt være indstillet til differential tælling, dvs. tælling i et energiområde, i modsætningtil integral tælling, hvor alle pulser over diskriminator-niveauet tælles.

Fremgangsmåden til indstilling af analysatoren er forholdvis enkel, hvis isotopen kunhar én fototop, her kan man nøjes med at indstille vinduet (diskriminator) til en midde-lindstilling, og ændre højvolten, indtil man har maksimalt tælletal. Ved mere kompliceredeforhold må man optegne et spektrum, ved at notere tælletal med fast højvolt og vindues-

4.2. Multikanalanalysator 10

bredde og varierende diskriminatorniveau (vinduesposition), hvorefter man kan bestemmede optimale indstillinger.

Enkeltkanalanalysatoren er enten en enhed med indbygget (digital) scaler-timer, elleranalysator, scaler og timer som separate enheder, som det kendes fra de gamle “Selek-tronik”/”Palle Medicoteknik”. Optællingen af pulser standser når den forudstillede timerløber ud, eller når der er opnået et forudbestemt antal counts.

Figur 4.3: Scaler-timer

4.2 Multikanalanalysator

Detektordelen i en multikanalanalysator er den samme som i enkeltkanalanalysatoren,men pulserne bliver behandlet anderledes. Analysatoren omsætter højden af hver puls tilet tal i en analog-til-digital konverter (ADC). Dette tal, der typisk er i intervallet 0-1023,udpeger hvilken kanal der skal optælles. Hvis f.eks. pulsens højde er målt til 325 enheder,skal der lægges en til det tal der står i kanal 325. Hvis analysatoren er kalibreret til 1keV pr. kanal, svarer de målte 325 til 325 keV og tilsvarende vil alle kanaler komme til atindeholde information om hvor mange counts der er talt i det pågældende energiområde.Optegner man tallet i hver kanal som en graf (med kanalnummer eller energi ud af x-aksen) får man et histogram eller spektrum over energier. Fordelen ved dette arrangementer, at tælleren er nemmere at omstille til tælling af forskellige isotoper og nemmere atkalibrere (evt. automatisk), idet man kan se beliggenheden af energitoppen og spektretsøvrige karakteristika i forhold til kanalnumrene, se afsnittet om spektre (afsnit 5).

4.3 Energikalibrering

For begge typer tællere er kanalernes energiniveauer afhængig af hvilken spænding (højspæn-ding, højvolt) der er til fotomultiplikatoren, og da spændingen kan variere over tid, skal

4.4. Krystallet 11

tælleren kalibreres så der tælles i den korrekte kanal. Nogle gammatællere (Wallac) kankompensere for ændringer i spændingen automatisk med dynamisk spektrum-indstilling,se mere om dette senere. På manuelle systemer foregår kalibreringen som nævnt ovenforved at ændre vinduets position (diskriminatorniveau) eller højspænding på en drejeknap(potentiometer). Det er muligt at lave en “absolut” kalibrering af systemet ved at indstillehøjvolten på 662 V, så den svarer til energien af 137Cs (662 keV) og dernæst indstillediskriminator efter fremgangsmåden nævnt ovenfor ved tælling af 137Cs. Diskriminator-indstillingen vil da være stort set være proportional med energien, dvs. hvis 662 keV svarertil diskriminatorniveau 6,0, svarer 140 keV til 1,26. Da systemet ikke er helt lineært, skalman stadig foretage en justering ved tælling på en standard.

På digitale enkeltkanalsystemer (f.eks. enkeltdetektoren til bla. jodoptagelse fra Ve-enstra) kan kalibreringen foregå automatisk, ved at systemet selv ændrer vindue ellerhøjspænding gennem alle værdier, indtil et maksimum findes.

4.4 Krystallet

Krystallet i en gammatæller består af et natrium-iod-krystal (NaI), med en smule tilsatthallium (hele krystallet betegnes da NaI(Tl). Krystallets tykkelse er mellem 1 og 3 tommer(2.5 - 7.6 cm), hvor de største anvendes ved måling af stråling med høj energi. Strukturenaf NaI ligner almindelig saltkrystal (NaCl), se figur 4.4, dvs. et kubisk krystal hvor entenet I-atom er center for seks Na-atomer eller et Na-atom er center for seks I-atomer. Nårgamma- eller røntgenfotoner rammer krystallet, vil en mængde af elektroner løsrives; nårdisse falder på plads igen i krystallet, udsender de synligt lys, der rammer på fotomultipli-katorens katode. Omkring 1 promille af Na-atomerne er erstattet af Tl, hvilket ændrer demulige energitilstande for de løsrevne elektroner, således at der udsendes lys og ikke skerfornyet løsrivelse af elektroner.

Figur 4.4: Krystalstrukturen for NaI

Når en gamma- eller røntgenfoton rammer krystallet vil det afgive sin energi helt ellerdelvist i “sammenstød” med atomerne, hvorved elektroner løsrives. De løsrevne elektroner

4.5. Fotomultiplikatoren 12

vil forsætte et lille stykke og yderligere løsrive andre elektroner. I alt vil en gammafotonpå 140 keV give anledning til omkring 3700 løsrevne elektroner og lige så mange atomerder nu mangler en elektron. Det er når disse tomme pladser i elektronskallen bliver fyldtud, at et blåligt lys udsendes fra krystallet. Hver løsrevet elektron “koster” ca. 4 eV, menomsætningen fra gammastråling til synligt lys er ikke fuldstændig og man regner med ettab på omkring 38 eV pr. eV gammaenergi. Krystallet er omgivet af et reflekterende lag,der sikrer at så mange fotoner som muligt rammer fotomultiplikatorrøret. Typisk er detomkring 30% af fotonerne, der når fotomultiplikatorrøret.

4.5 Fotomultiplikatoren

Fotomultiplikatorens ene ende består af en fotokatode, dvs. en plade af et halvledermate-riale, der udsender elektroner når den rammes af lysfotoner. For at give et målbart signali almindelig elektronik, skal der dannes mange elektroner og der er derfor anbragt op tilti dynode-trin i fotomultiplikatoren, der hver især udsender to-seks elektroner for hverder rammer dem. Dermed øges antallet af elektroner for hvert dynode-trin, indtil de ram-mer anoden i den anden ende af fotomultiplikatorrøret. (se figur 4.5). Anoden rammes afca. 1 million elektroner for hver lysfoton der kommer ind i den anden ende, og dermeddannes en strømpuls, der efterfølgende forstærkes i forforstærkeren. Alt dette forudsætteren spændingsforskel mellem hvert trin i fotomultiplikatoren af størrelsesorden +100 V, forat accelerere de negativt ladede elektroner. Krystallet lyser op imod 1 µs efter detektionaf en gammafoton, og efter behandling i den efterfølgende elektronik er pulsvarighedenomkring 2-5 µs (se figur 4.2).

0 V

+100 V

+300 V

+500 V

+700 V

+900 V

+200 V

+400 V

+600 V

+800 V

+1000 V

+1100 V

Krystal

Gammafoton

Ly

sfo

ton

er

Til forstærker

Elek

troner

Ipuls

4.6. Kollimering og afskærmning 13

Figur 4.5: Principdiagram for PM-rør. Den røde linje viser elektronernes vej mellem dynoderne;antallet øges for hvert trin

4.6 Kollimering og afskærmning

En kollimator har til formål kun at tillade stråling fra en bestemt retning at nå detektoren.Kollimering benyttes næsten udelukkende ved måling på patienter, hvor man er interes-seret i at måle stråling direkte fra det organ, man undersøger. Derimod er alle systemerafskærmede for at sikre at andre kilder ikke påvirker målingen. I gammatælleren er detspecielt de øvrige prøver i gammatællerens racks, der skal afskærmes ved tælling af enprøve, mens det ved patientmåling er stråling fra vævsområder uden for måleområdet,der skal afskærmes.

Normalt anvendes bly, ofte med et ydre lag af plast eller aluminium, dels for at undgåat man kommer i kontakt med det giftige bly, dels for at undgå bremsestråling fra beta-stråling i bly. Andre materialer er wolfram (også kaldet “tungsten”) og uran (med yderligereafskærmning for at standse alfa-stråling), som dog anvendes sjældnere på grund af højematerialepriser og dyrere bearbejdning, da disse metaller har større hårdhed og højeresmeltepunkt end bly.

Ulempen ved en effektiv afskærmning er den meget høje vægt. En bly-”mursten” vejer21 kg, og i Wizard 1480 (gammatæller) vejer afskærmningen 80 kg.

4.6. Kollimering og afskærmning 14

Figur 4.6: Stråling i og omkring krystallet

5

Energispektret

Et energispektrum er et histogram, der angiver counts som funktion af kanal eller energi.Spektrets udseende afhænger af den stråling som isotopen udsender, af materialet deromgiver detektor (se figur 4.6) og isotop og af detektorens egenskaber. Se to eksempler påspektre i figur 5.1.

Der er nogle typiske karakteristika i spektret:

Fototop Den mest markante del af spektret er fototoppen, som har sit maksimum svarendetil den energi fotonerne udsendes med. Fototoppen dannes når gamma- eller rønt-genfotonen omsætter hele sin energi via fotoelektrisk effekt og løsriver en elektron,der yderligere ioniserer flere atomer i krystallet. Da hver gammafoton udsendes medén karakteristisk energi, ville en ideel detektor vise en høj, smal linje i spektret vedden pågældende energi, men da antallet af elektroner der når fotoanoden varierer,bliver fototoppen i praksis udbredt over flere energier.

Comptonregionen Hvis en gammafoton undslipper detektoren, efter at have afgivet en delaf sin energi i en enkelt comptonproces, bidrager fotonen ikke til fototoppen, men sessom en del af comptonregionen. Comptonregionen er udstrakt fra meget lave energiertil en karakteristik maksimal energi kaldet comptonkanten. Comptonkantens energisvarer til den maksimale energi som elektronen kan få ved comptonprocessen, da deter elektronen der overfører energien til krystallet.

Sumtop Når et henfald fører til flere samtidigt udsendte gamma- eller røntgenfotoner, erder mulighed for at detektere disse to samtidigt. Gælder f.eks. for I-125, der udsenderrøntgenstråling ved 27.4 keV og gammastråling ved 35.5 keV, med en overlappendefototoppe 27.4 - 35.4 keV og en sumtop ved 62.9 keV. Sumtoppe ses oftest ved krystal-ler af brøndtypen, idet sandsynligheden for at detektere flere samtidige fotoner erstørst i denne type. Nogle isotoper har flere gammaenergier, hvor fotonerne ikkeudsendes samtidigt, men er alternative henfaldsmåder. Disse giver ikke anledning tilsumtoppe, da de ikke rammer detektoren samtidigt i hvert henfald.

Iod-escape Energien fra gammastrålingen kan i visse tilfælde løsrive en elektron fra enaf de indre elektronskaller i iod og føre til røntgenstråling på 30 keV. Hvis mangeaf disse undslipper detektoren, opstår en peak 30 keV under fototoppen. Strålingenundslipper hyppigst hvis den udsendes nær overfladen af detektoren, hvilket ertilfældet med isotoper der udsender lav energi.

15

16

Figur 5.1: Spektrum for 111In, målt med brøndkrystal (“in well”) og flad krystal “Out of well”.Røntgenstrålingen følger efter In-111’s electron capture-henfald og har energi på ca. 23keV.

Backscatter Gammafotoner der passerer gennem detektoren og efter 180◦ comptonspred-ning i materialet omkring detektoren bliver sendt tilbage, giver anledning til enbackscattertop.

Bly-røntgen 80-90 keV peak som følge af røntgenstråling via fotoeffekt i bly omkringdetektoren.

Røntgen efter electron capture Når det primære henfald er via electron capture (elektro-nindfangning), vil der efterfølgende udsendes røntgenstråling, når den indfangneelektron erstattes af en ydre elektron.

Andre isotoper Toppe fra andre isotoper kan ses, når det radioaktive lægemiddel ikke erhelt rent på grund af produktionsmåden af isotopen. Normalt vil mængderne dogvære så små, at det ikke har betydning.

I forbindelse med scintigrafi benytter man et smalt vindue omkring fototoppen, typisk±10%. Dette skyldes at spredt stråling overvejende bidrager med diffuse baggrundscount

17

(dvs. med tilfældig position) i scintigrammet, i modsætning til størsteparten af strålingenmed energi nær fototoppen. I blodprøver og lignende er den spredte stråling mindre,den er mindre variabel og strålingen skal ikke positionsbestemmes. Derfor kan man igammatællersystemer benytte et bredere vindue, forudsat at man kun har én isotop (elleret system, der kan korrigere spill-over ved to isotoper).

6

Gammatællere

I de følgende afsnit gennemgås gammatællernes funktion mere specifikt. Alle detaljer erbaseret på gammatællere fra Perkin-Elmer Wallac 1480 og Wallac 1470 med MultiCalc-programmet.

6.1 Gammatællerens mekanik

Gammatælleren har to baner; en der leverer prøver til tælleren og en der modtager detalte prøver. De to baner er dog forbundet, således at talte prøveglas kan fortsætte til denførste bane og blive talt igen. Prøveglas anbringes i holdere, som er placeret i racks medfem eller ti holdere i hver. Når et rack er nået til tællerenheden, løftes holderen op afen robotarm og anbringes i “brønden” (dvs. fordybningen i krystallet). Efter endt tællingløfter robotarmen holderen tilbage i racket og racket rykker en plads frem så den næsteprøve kan tælles. Umiddelbart før tællerenheden er anbragt en stregkodelæser, der aflæsereventuelle stregkoder på racket. Der findes følgende typer stregkoder:

Ingen Hvis der ingen stregkode er, tælles prøven med de indstillinger der tidligere erindlæst.

Racknummer Racknummeret er en oplysning, der kan gemmes eller udskrives sammenmed målingerne.

Protokolnummer Et protokolnummer fortæller tælleren hvilken protokol (indstillinger)som tælleren skal anvende til de følgende prøver.

Isotopnummer Isotopnummeret fortæller hvilken isotop der skal normaliseres, se herun-der.

Normalisering Koden “Norm” sammen med et isotopnummer, forstæller at racket inde-holder et glas med en isotop, der skal normaliseres.

Baggrund Koden “BKG” fortæller at racket bruges til baggrundsnormalisering.

Stop Koden “STOP” angiver at tælleren ikke skal fortsætte med at tælle prøver. I stedetfor stop-rack kan man anbringe et helt tomt rack.

Racknummer og koder anbringes i et felt til venstre på racket, mens protokolnumre ogisotopnumre anbringes til højre for denne.

18

6.2. Normalisering 19

Figur 6.1: Rack med stregkoder

6.2 Normalisering

Ved normalisering af en isotop bestemmer tælleren position af toppe og vinduesbreddeog opdaterer disse data i gammatællerens isotopbibliotek. Tælleren optager et spektrum,som filtreres, toppe findes, positionen af toppene sammenlignes med kanalnummer/energiog afvigelsen beregnes. Hvis afvigelsen fra de tidligere værdier er for stor (>20%??) skalgammatælleren kalibreres af tekniker, dvs. højvolten justeres med måling med 137Cs-kilde.Normaliseringen sikrer at gammatælleren er korrekt kalibreret, at tælleren kan korrigerefor mindre afvigelser i højvolten og at tælleren kan korrigere tælletal, når man tællerflere samtidige isotoper. Normaliseringen gør også tælleren i stand til at melde fejl (“Badspectrum”), hvis det målte spektrum ikke svarer til det forventede, f.eks. når to isotoperforsøges talt med en protokol der kun indeholder én isotop.

Ved normalisering skal man fremstille en standard af den pågældende isotop, hvoraktiviteten så vidt muligt er i intervallet 3-12 MBq. Standarden tælles i et rack markeretmed “NORM” og med det korrekte isotopnummer. Tællingen tager tre minutter.

Det anbefales at gentage normalisering for de benyttede isotoper hver sjette måned.Hvis spektret er for meget forskudt i forhold til det forventede, vil systemet melde fejl og

6.3. Spill-over 20

tælleren skal kalibreres af servicetekniker.

6.3 Spill-over

Når man tæller to isotoper samtidigt skal isotopernes fototoppe være adskilte, således attælleren kan beregne counts for de to isotoper uafhængigt af hinanden. En af komplikatio-nerne er at det spektrum, som tælleren måler er summen af de to isotopers spektre. Dettebetyder at compton-spredt stråling fra en isotop med høj energi ofte vil kunne måles i detvindue, som er sat op for isotopen med den laveste energi. Gammatælleren benytter nor-maliseringen til at vurdere hvor stor en andel af counts der tælles i det lavere energivindueog foretager en matematisk korrektion af counts.

6.4 Tælleeffektivitet

En række forhold gør at ikke alle henfald fører til et registreret count i gammatælleren. Detteafhænger af hvor mange gammafotoner, der i gennemsnit udsendes pr. henfald, prøvensposition i forhold til tælleren (geometri), absorption/spredning af fotoner før detektoren,energien af gammafotonen (fotoner med høj energi har lavere sandsynlighed for at blivedetekteret i et tyndt krystal) og endelig afhænger det af gammatællerens indstillinger,herunder vindue. For at korrigere for disse faktorer er der for hver isotop beregnet tælleef-fektivitet, defineret som forholdet mellem registreret count rate og aktivitet af isotopen.

6.4.1 Geometri

Den ideelle udformning af en detektor ville være en kugleformet detektor med prøveninde i midten. Da stråling fra prøven udsendes i alle retninger, vil enhver stråle ramme enkugleoverflade med arealet 4πr2, hvor r er radius i kuglen. Den kugleformede detektor sigesda at have 4π geometri. I alle praktisk forekommende tællersystemer vil der være en del afstrålingen fra prøven, der ikke rammer detektoren1. Den geometri der i praksis fungererbedst er den brøndformede detektor, hvor prøven nedsænkes i midten af detektoren (sefigur ??, men her vil prøvens position (a) i brønden have betydning for tælleeffektiviteten.Tænkes en prøve anbragt i afstanden a=5 cm nede i en brønd med en åbning (diameter) påd=3 cm, vil den andel af strålingen der tabes gennem åbningen svare til forholdet mellemarealerne for åbningen og kugleoverfladen:

π(d/2)2

4π · a2· 100% (6.1)

=π(3/2)2

4π · 52· 100% ≈ 2% (6.2)

Men en prøve anbragt a=2 cm nede i brønden har et langt højere tab:

π(3/2)2

4π · 22· 100% ≈ 14% (6.3)

1der er dog én undtagelse, nemlig i væskescintillation, hvor detektoren er en væske, der er opløst sammenmed prøven

6.4. Tælleeffektivitet 21

Tilsvarende vil der for en prøve med et stor volumen gælde at strålingen fra toppen afprøven tælles mindre effektivt end strålingen fra bunden af prøven.

bb b bbbbb

d

a

Figur 6.2: Skematisk tegning af brøndkrystal.

En flad detektor har en meget mindre effektiv geometri, idet den selv ved en lille prøvemaksimalt kan opfange 50% af strålingen, eftersom mindst halvdelen af strålingen pegervæk fra detektoren.

Geometrien har, udover betydning for effektiviteten, også betydning for spektrets ud-seende. Det hænger sammen med at sandsynligheden for at detektere en sum-top falder,hvis en del af strålingen kan undslippe. Der vil være en mulighed for ved hvert henfaldat den ene, den anden eller begge af de fotoner, der bidrager til sumtoppen, forsvinder, sefigur 5.

Figur 6.3: Eksempel på volumenafhængighed (1480)

6.5. Dødtid 22

6.5 Dødtid

Hvis pulsvarigheden er f.eks. 5 µs, svarer det til 200.000 pulser pr. sekund. Hvis den øvrigeelektronik var hurtig nok, og pulserne kom med faste mellemrum, kunne detektoren altsåtælle ca. 200 kcps (12 Mcpm). Imidlertid er tiden mellem to pulser tilfældig (stokastiskfordelt), så i praksis vil den maksimale count rate være mindre. Når to pulser overlapper,kaldes det for dødtid, og hvis ikke elektronikken eller software kompenserer for dette, vilen for høj aktivitet føre til en lavere count rate end den forventede - tælleeffektivitetenfalder altså. Wizard 1480 benytter den tilnærmede formel

Rkorr ≈R

1 − τR − 0.5(τR)2(6.4)

til at korrigere for dødtidseffekt, hvor Rkorr er korrigeret count rate, R er målt count rate ogτ er en tidkonstant, opgivet i manualen til 6.45µs (dog i anden manual opgivet til 8.35µs).Fra denne formel kan man se at dødtidseffekten får betydning fra omkring 100 000 cpm,hvor korrektionen er ca 1%.

6.6 Korrektioner

Som nævnt i de foregående afsnit, er der en del forhold, der gør at gammatælleren ikke tæl-ler hver enkelt udsendt foton. Gammatælleren korrigerer tælletallene efter nedenståendefremgangsmåde:

• Gammatælleren tæller pulser i en tidsperiode og sorterer dem efter pulshøjde i ka-naler

• Omregner kanaler til energi

• Korrigerer for dødtid

• Korrigerer for halveringstid (fra første prøve til sidste prøve)

• Korrigerer for baggrund

• Korrigerer for spillover fra andre isotoper (Compton fra isotop med højere energi)

Korrektionen udføres automatisk af Wizard, men bemærk at i udskrifter og filer er “CO-UNTS” de ikke-korrigerede, rå counts, mens “CPM” er de korrigerede counts pr. minut.

6.7 Kvalitetskontroller

Formålet med kvalitetskontroller er at sikre at gammatælleren fungerer optimalt, eller hvisikke det er tilfældet, sørge for at gammatælleren bliver repareret eller justeret.

Den vigtigste kvalitetskontrol er at forholde sig kritisk til de data, der kommer ud afgammatælleren. Der kan dog ikke angives en fremgangsmåde for dette, da det i høj gradbaserer sig på erfaring og fornemmelse. Hvis man har haft målinger, der virker “mær-kelige”, må man eventuelt tælle prøverne igen, og kigge på spektret på gammatælleren,for at konstatere om tælleren ser det forventede spektrum. Man må kigge på forskellige

6.7. Kvalitetskontroller 23

fejlkilder, som f.eks. kontaminering af glas, fremmede isotoper i patienten (f.eks. efterradiojodbehandling) eller overveje om der er tale om et dødtidsfænomen.

I forbindelse med indkøring og regelmæssig kontrol kan man udføre en række kvali-tetskontroller:

Geometri Måling af forskellige fortyndinger af samme aktivitet. Der skal anvendes enisotop uden særlig grad af selvabsorbtion, f.eks. 99mTc. Volumen skal varieres fraca. 1 ml til det maksimale, der kan være i prøveholderen, med spring på 1-2 ml.Normalt udføres denne test kun ved installation af gammatælleren, men da dennemåling kan bruges til at afsløre om der er store revner i krystallet, kan den brugesnår gammatælleren har været flyttet eller krystallet har været skiftet.

Baggrundskontrol I forbindelse med hver måleserie tælles en baggrund (BLANK), somnoteres i skema. Hvis en måling afviger væsentligt fra gennemsnittet (der foreta-ges gennemsnitsberegninger ca. hver anden måned) skal man overveje om der erkontaminering eller stærke isotoper i rummet, der stråler ind i detektoren.

Baggrundsnormalisering Måling af baggrund for hele tællerens energiområde. Tællerengemmer hele “baggrundspektret” og opdeler i de relevante energiområder, når denbaggrundskorrigerer tællinger.

Normalisering Se tidligere afsnit.

Linearitet Målingen udføres for at bestemme om tælleren kan håndtere store aktiviteterlige så godt som mindre aktiviteter. Aktiviteten skal dog ikke være så høj, at gam-matælleren ikke kan kompensere for dødtid. I praksis startes med en høj aktivitetaf f.eks. technetium, som tælles over 3 døgn. Man kan lade prøven køre igennemfra første til tredje døgn, f.eks. over en weekend, idet man udelader stop-racket. Be-mærk at tælleren i dette tilfælde skal indstilles til ikke at foretage henfaldskorrektion.Alternativt tælles prøven med timers mellemrum i løbet flere følgende arbejdsdage.

Tælleeffektivitet for 129I 129I er en langlivet isotop, der energimæssigt ligner 125I, menhar en meget længere halveringstid. Isotopen købes med en aktivitet, der er måltaf leverandøren. Prøven tælles og effektiviteten beregnes som forholdet mellem denangivne dpm og målt cpm (eller aktivitet og cps).

Højspændingsjustering Udføres af tekniker fra leverandør ved måling på 137Cs-kilde.

7

Protokoller

En forskrift til en tælling kaldes en protokol og fortæller gammatælleren f.eks. hvilkenisotop, den skal tælle og i hvor lang tid. I det følgende er der vist eksempler fra MultiCalc,som er det pc-program der styrer gammatælleren.

7.1 Protokollens opbyging

Et eksempel på en simpel protokol er vist nedenfor:

ASSAY TYPE IS RATIO

Ol DUAL ASSAY = NO

O2 COUNTING TIME, MAX COUNTS = 36OO

O3 MEASURING PARAMETERS = 5

23 STD OUTLIER REJECTION = NO

26 STANDARDS ON 2 .. PLATES = NO

6O CONTROLS = NO

61 HISTOGRAM = NO

62 QC-ACCEPTANCE RULES = NO

8O STORED FILES = INPUT RESULTS

81 DISPLAY SEQ CODE COUNT TIME CPM ID PROTOC

82 PRINTER SEQ CODE COUNT TIME CPM ID PROTOC

83 OUTPUT

84 RESULTS

CODING

l BLANK

l UNKN

OUTPUT

CPM #####

END

De enkelte elementer gennemgås her:

Assay type is ratio Dette er den almindelige type til gammatælling; de øvrige er RIA- ogIRMA-teknikker, hvor specialicerede beregninger automatisk udføres efter tælling.

24

7.2. Variabler 25

Dual assay ’No’ for en enkelt isotop, ’Yes’ for to. Hvis der vælges ’Yes’ fremkommer enekstra linje, hvor man skal skrive navnet på en ekstra protokol for isotop 2. Opsæt-ningen af tælleren sker i denne protokol, den ekstra protokol skal blot indeholdeisotopnummeret.

Counting time, max count Tælletid i sekunder, eventuelt efterfulgt af maksimalt antalcounts. Tællingen stopper på det først opfyldte af de to betingelser. Angives intetmaksimalt tælletal er det kun tælletiden, der har betydning.

Measuring parameters Isotopnummer, ét ciffer for enkeltisotop-tælling, to for dobbeltiso-toptælling.

Linjerne med numre 23-62 Dette er forskellige muligheder for automatisk kvalitetskon-trol, som ikke benyttes i almindelig gammatælling.

Stored files Den type filer, der gemmes på pc’en. Her er det inputtet fra gammatælleren,dvs. de rå tælletal i counts.

Display De variabler (tal og tekst) der vises på skærmen. Variablerne gennemgås nedenfor

Printer De variabler (tal og tekst) der skal udskrives på printeren.

Output De variabler (tal og tekst) der efter beregning skal gemmes på pc’en

Results Svarer til “Output”, men er en separat fil beregnet til videre beregninger i et andetpc-program

Coding Angivelse af prøveglassenes type. BLANK=baggrund, UNKN=prøveglas (blod-prøve el. lign.). Standarder tælles som almindelige prøver (UNKN), men til RIA-analyser findes et antal kodninger til forskellige typer standarder. Den sidste kode(UNKN) anvendes som kodning for alle efterfølgende koder. Man kan efter kod-ningen angive “lig med” efterfulgt af antal bestemmelser, f.eks. UNKN=2 når to påhinanden følgende glas anvendes til dobbeltbestemmelse.

Output Her kan angives formattering af variablerne til udskrivning (og i filer). Her angiver##### at CPM vises med op til fem cifre, uden decimaler. Hvis tallet har flere cifreend der er plads til, udskrives *’er i stedet, dvs. i eksemplet vil tal over 99999 visessom *****. Der findes tilsvarende en “INPUT”, der kan anvendes til beregninger, derskal benyttes i udskrift og i filer.

Det ovenstående beskriver kun de helt basale elementer i protokollen. Det er muligtat lave komplicerede beregninger, ændre udskrift efter forskellige betingelser og indlæsedata fra en worklist (liste med patient- eller prøveinformation), men det ligger uden fordette skrift at gennemgå disse muligheder.

7.2 Variabler

Tælleren har en række variabler, som indeholder måledata eller information om rack, tids-punkt osv. Variablerne kan anvendes direkte i udskrifter, eller kan benyttes i beregninger,som f.eks CPS=60*CPM (beregningerne resulterer da i en ny variabel, her CPS).

7.3. Betjening af tæller 26

COUNT, COUNT_B De ukorrigerede counts for hhv. isotop 1 og 2.

CPM, CPM_B De korrigerede counts pr. minut for hhv. isotop 1 og 2.

TIME Den tid prøven er talt i sekunder.

SEQ Fortløbende nummer på prøve i tælleserien. Første prøve (hos os typisk første stan-dard) er nummer 1.

CODE Kodning, f.eks. BLANK eller UNKN.

ID Protokolnummer og navn. Udskrives én gang øverst på udskriften

PROTOCOL Protokol-tekst (Svarende til protokol-eksemplet øverst i afsnit 7.1). Protokol-len udskrives én gang øverst på udskriften.

7.3 Betjening af tæller

De fleste funktioner styres fra Multicalc, men visse funktioner kan kun udføres på denindbyggede computer i tælleren. For at se information om igangværende tælling elleraktuelt spektrum, skal man på tælleren trykke cursoren hen på “OPERATE”, vælge “Showcpm results” og trykke “E” (Enter) for at vise tælling, og trykke “E” igen for at visespektrum. Tryk “Exit” for at komme tilbage til menuen. Andre funktioner under “Operate”er manuel styring af bevægelse af racks. Tællinger skal altid startes fra Multicalc.

Isotop-definitionerne kan ses under “SYSTEM”, “Isotopes”. Her er en liste over samtligedefinerede isotoper. Med vores opsætning benyttes kun de ét-cifrede isotoper. Vælger manen isotop og trykker “E”, kan man se en liste af egenskaber for isotopen, f.eks. energi. Mankan ændre indstillinger, f.eks. oprette en ny isotop ved at overskrive en af de defineredeisotoper. Man kan i manualen se en liste over egenskaber for de mest almindelige isotoper.For at ændre navnet på isotopen skal man benytte tastaturet til gammatælleren, somnormalt er skjult på en bakke, der er skubbet ind i tælleren. Man skal huske at normalisereisotopen inden man tæller en prøve med denne isotop. I tabellen (tabel ?? nedenfor er vistisotopindstillingerne for 125I og 51Cr med forklaring af indstillingerne.

7.3

.B

etje

nin

gaf

tælle

r27

Name I-125 Cr-51 Navnet på isotopenComment Iodine Chrom KommentarNormalization time (s) 180 180 Tælletid ved normaliseringRepeat times 1 1 Antal gentagelser ved normaliseringDecay correction YES YES Henfaldskorrektion ja/nej. Half life (hours) 1445 667 Halveringstid i timer. Norm. zero time Start Start Henfaldskorrektion i forhold til starttid. Assay zero time Start Start Henfaldskorrektion i forhold til starttidEnergy range Normal Normal Spektrets energiområdeNormal (15-1024) Extended (15-2048 keV)MCA limit (keV) 1030 1030 Øverste grænse for energi.Counting window Dynamic % Dynamic %. Peak pos. (keV) 29 320 Fototoppens energi. Window coverage (%) 97 80. Threshold level (%) 20 30. Spectrum type I-125 Many peaks I-125: Isotoper der har stor sum-topMany peaks: Flere toppe, eller en fototop+compton.Single peak: én fototop.. Max coinc. dev. (%) 25 * Tilladt afvigelse af positionen for sum-top.. Min coinc. dev. (%) 15 * Tilladt afvigelse af positionen for sum-top. Max assay dev. (%) 30 30 Tilladt afvigelse af fototoppen.. Max norm dev. (%) 50 50 Tilladt afvigelse af fototoppen ved normalisering.Signif. cpm pr. keV 10 10 Mindste tilladte cpm ved bestemmelse af toppeEffiency (%) 82 7 Effektivitet.GLP test sample DPM * 10000 Reference-dpm til beregning af absolut effektivitet