Detectores utilizados para la obtención de imágenes en tomograf

XIII Seminario de Ing. Biomédica 2004 - Facultades de Medicina e Ingenierı́a - Univ. de la Rep. Oriental del Uruguay
Detectores utilizados para la obtención de imágenes en
tomografı́as por emisión de positrones
Iair Kolberg
Monografı́a vinculada a la conferencia de la Dra. Henia Balter y el Bach. Marcelo David sobre PET del 25 marzo de 2008
Email: [email protected];
Resumen
Fundamentos - Motivado por la charla recibida por la Dra. Henia Balter y Bach. Marcelo David surge la idea de
profundizar en los distintos tipos de detectores utilizados por PETs. En este documento usted encontrara una breve
descripción del funcionamiento de estos tanto ası́ como sus caracterı́sticas básicas. En la sección Fundamento se
explicita la motivación, marco teórico y otros puntos relevantes respecto a lo que se documenta.
Metodologı́a
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Resultados - Existen tres tipos de detectores que pueden ser utilizados en PET (gaseosos, centelladores y
de estado sólido). Los gaseosos y de estado sólido utilizan la caracterı́stica de la iotización para la detección de
rayos gamma, una ves que incide un rayo gama estos desprenden electrones generando ası́ una corriente la cual es
proporcional a la energı́a del rayo, mientras que los centelladores utilizan cristales que traducen los rayos gamma
en longitudes de onda visibles y estos inciden en foto multiplicadores que los traducen en electrones. Los detectores
más utilizados en PET son los de estado sólido, dejando de lado los gaseosos por su poca eficiencia y fragilidad y
los centelladores por su alto costo. Los detectores de estado sólido tienen una mayor eficiencia ya que necesitan
menor cantidad de energı́a para producir corriente y tienen un tiempo de recuperación mayor permitiendo ası́ la
detección de más rayos gamma.
Introducción
La tomografı́a por emisión de positrones es utilizada en el medio con distintos objetivos, como ser diagnósticos, investigación clı́nica o investigación biomédica. Esta técnica consiste en la emisión de positrones
que al interactuar con determinado electrón se generan dos fotones (rayos gamma) de 511 KeV emitidos
con mismas direcciones y sentidos opuestos. Detectando la proveniencia de estos rayos se puede determinar
la ubicación donde se genero la interacción del protón - electrón. Repitiendo esto con muchos positrones se
puede determinar las áreas con mayores interacciones permitiendo ası́ identificar zonas de concentración de
determinada molécula. La idea de esta monografı́a es analizar los detectores utilizados para detectar rayos
gammas.
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1.
Breve explicación quı́mica le la ”generación”de positrones
Como es sabido una molécula esta compuesta por átomos, donde cada átomo esta compuesto por un
núcleo y sus respectivos electrones ubicados en su periferia. Un átomo estable contiene en su núcleo la
misma cantidad de positrones (Z) que de neutrones (N), mientras que un átomo inestable la cantidad
de positrones es diferenta a la de los neutrones. Si existe mayor cantidad de positrones el átomo tratara
de estabilizarse disminuyendo los positrones y aumentando los electrones, para lograr esto los positrones
necesarios se transforman en neutrones (N) mas radio nucleidos (beta+) mas energı́a (v)
P + → n+ + β + υ
Este radio nucleido se desprende del núcleo interactuando con electrones del mismo u otros átomos
generando ası́ 2 rayos gamma de prácticamente misma dirección (variaciones del 5 %) y sentido opuesto.
Figura 1: Generación de rayo gamma
Estos fotones cumplen la siguiente ecuación que nos indican su energı́a:
Eγ = 2m0 C 2 = 511KeV
Detectando estos rayos y con cierta inteligencia se puede detectar la posición donde se genero la interacción
B - e y de esta forma determinar la ubicación de determinada molécula.
2.
Detectores
Existen 3 distintos tipos de detectores utilizados en los sistemas PET, estos son:
Detectores Gaseosos
Detectores Centelladores
Detectores de estado sólido
2.1.
Detectores Gaseosos
Los detectores gaseosos son los detectores que utilizan el gas como medio activo. El gas tiene dos
propiedades que combinadas lo hacen único para la detección de radiación. Primero que todo los gases
son aisladores, esto significa que si se colocan dos electrodos uno positivo y el otro negativo, estos no se
descargaran, por otro lado el gas es conductor; si este contiene electrones libres en presencia de un campo
magnético estos se moverán entre los electrodos.
Este sistema se mantiene en equilibrio actuando como un capacitor cargado, cuando incide en el un rayo
gamma éste lo ioniza desprendiendo ası́ electrones que generan una corriente por el circuito. Midiendo la
variación de tensión en la resistencia se puede determinar la corriente generada y ası́ la cantidad de electrones
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Figura 2: Diagrama de un detector gaseoso
liberados por los rayos gamma. Luego esta información es procesada por un SCA (single channel analyzer)o
MCA (multichannel analyzer) que será explicado más adelante.
Estos detectores se caracterizan por tener poca eficacia y por ser muy frágiles, por lo que son poco
utilizados en los PET.
2.2.
Detectores Centelladores
Los detectores centelladores están compuestos por un material centellador, que produce un rayo de luz
al ser incidido por radiación nuclear (ejemplo un rayo gamma), este centellador esta usualmente conectado a
un foto multiplicador, el cual es un tubo que contiene un foto cátodo de un extremo que cumple la función de
emitir electrones de forma proporcional a la luz que recibe, y luego en lo largo del tubo se amplifica la señal
obtenida del foto cátodo. De esta forma se genera una corriente por el foto multiplicador que es proporcional
a la energı́a del rayo incidente en el centellador.
Figura 3: Diagrama de un detector centellador
Usualmente se utiliza lo que es llamado un tubo de luz entre el centellador y el foto multiplicador. Este
dispositivo cumple tres funciones básicas.
La primera consta en igualar la energı́a percibida por el foto cátodo de forma geométrica, como se
puede observar en la siguiente imagen.
La segunda función es la de separar al foto multiplicador del área de radiación, esto es necesario en
ciertos casos donde el centellador es necesario colocarlo en ambientes con campos electromagnéticos,
ya que los foto multiplicadores son muy sensibles a ellos, colocando un tubo de luz se logra alejarlo del
campo magnético.
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Por ultimo la tercer función es la de mejorar la resolución.
Figura 4: Comparación con y sin “tubo luz”
2.2.1.
¿Como funcionan los tubos foto multiplicadores?
Los foto multiplicadores constan de un tubo en el cual en un extremo se encuentra un foto cátodo. Los
foto cátodos consisten en materiales con baja función de trabajo, lo cual quiere decir que los electrones
pertenecientes al material contienen un bajo nivel de energı́a lo cual pueden ser fácilmente desprendidos del
átomo por fotones luminosos. Estos foto cátodos tienen una eficiencia del 10 % aproximadamente, por lo cual
de cada 10 fotones que inciden sobre el se desprende un electrón.
Este electrón es enviado a través de una grilla de foco la cual esta a un potencial de 100v, la cual acelera
el electrón hasta un cátodo (Dynode) con un potencial 100 veces mayor que la grilla y con baja función de
trabajo se desprenden entre 3 y 4 electrones con un potencial de 200v, luego estos electrones llegan a otro
Dynode con un potencial 100 veces mayor generando el mismo resultado. Durante el foto multiplicador se
repite este proceso por 10 o más veces. Al pasar por el último Dynode la carga el recolectada por un ánodo
generando un voltaje proporcional a la luz recibida.
2.3.
Detectores de Estado sólido
Estos detectores se pueden considerar similares a los detectores gaseosos pero sustituyendo el gas por
un sólido. Considerando las distintas opciones (conductores, aisladores, semi-conductores) por sus distintas
propiedades es fácil identificar que el más adecuado son los semi-conductores.
El funcionamiento de estos detectores es la misma que en los detectores de gas, utilizando un semiconductor al incidir un rayo gamma estos generan una corriente sobre el mismo, la cual es proporcional a la
energı́a recibida, de esta forma se puede identificar la llegada de un rayo gamma.
Generalmente los semi-conductores utilizados para estos medios son de Silicio y Germanio.
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Figura 5: Esquema de un foto-multiplicador
Sus ventajas son las siguientes:
La alta densidad del medio ionizado; esto implica una considerable eficiencia de detección por unidad
de volumen efectivo del detector.
La energı́a necesaria para producir un par de portadores de carga en los semiconductores es aproximadamente 10 veces menor que en los gases, y 100 veces menor que en un centellador.
Por lo tanto, para una misma energı́a impartida, la cantidad de portadores de carga producidos es
mucho mayor en los semiconductores que en gases o centelladores, lo cual se traduce en menores
fluctuaciones estadı́sticas, por lo que se tiene una mejor resolución.
La movilidad de los electrones y huecos es elevada y por otra parte, es reducido el volumen efectivo del
medio detector; ello se traduce en un tiempo de recolección de cargas muy breve (del orden del nano
segundo), en consecuencia es elevada la resolución en tiempo.
Pueden obtenerse fácilmente detectores muy delgados de manera que absorban una fracción de la
energı́a de las partı́culas
A su vez, las desventajas de los mismos son:
Su alta conductividad en comparación con la de los gases, lo cual se traduce en ruido que tiende a
enmascarar la medición de partı́culas ionizantes de muy baja energı́a.
Los defectos en su estructura cristalina (es decir, las vacancias y dislocaciones) producen recombinación
de los portadores y, por lo tanto, pérdida de algunos de ellos, lo que resta eficiencia de detección.
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3.
SCA, MCA y el resumen completo
4.
Conclusiones
En esta sección debe ir una redacción de las conclusiones y vista a futuro de lo que se está documentando.
Aquı́ no se repite lo que ya se escribió en el Resumen principal del artı́culo.
Agradecimientos
Aquı́ se agradece a quienes ayudaron a la elaboración del artı́culo.
Referencias
1. http://www.med-ed.virginia.edu/courses/rad/PETCT/Detector.html, PET
2. http://es.wikipedia.org/wiki/Tomograf %C3 %ADa por emisi %C3 %B3n de positrones, PET
3. http://html.rincondelvago.com/detectores-de-radiacion.html, detectores estados solidos
4. http://catarina.udlap.mx/u dl a/tales/documentos/lfa/bautista a md/capitulo4.pdf, detectores centelladores
5. Basic Nuclear Instrumentation; CD 1 version 2.0, Detector - Mr. F. Clickeman, IAEA,
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