AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie Fyzika a nukleární medicína

FANTOMY
a
fantomová měření v nukleární medicíně

Vojtěch Ullmann , Ostrava


1. Úvod - co jsou fantomy
Radiologické zobrazovací metody (RTG diagnostika, nukleární medicína - scintigrafie, magnetická rezonance NMRI, ultrasonografie) vyšetřují struktury a děje skryté uvnitř organismu. Vzniká proto otázka, zda příslušné obrazy zachycují přesně a objektivně tyto neviditelné struktury a děje uvnitř těla? Pro experimentální testování těchto aspektů zobrazovací diagnostiky, jakož i pro měření fyzikálních parametrů, zobrazovacích vlastností a pro kalibraci používaných přístrojů se používají speciální pomůcky, tzv. fantomy.
  Slovo fantom (řec. fantasma = vize, duch, přízrak) má řadu obvyklých významů: přelud, přízrak, vidina, klamný jev - imaginární, fiktivní. Zde budeme používat poněkud speciální význam tohoto slova - uměle vytvořená skutečnost, model.
   Hlavním úkolem radionuklidových měření v nukleární medicíně je analýza struktur a dějů v organismu prostřednictvím zevní detekce záření gama vycházejícího z těla po aplikaci vhodného radioindikátoru. Při detekci tohoto záření g a při vyhodnocování výsledků se může uplatnit řada vedlejších vlivů, jako jsou: statistické fluktuace, nedokonalé rozlišení kamery, absorbce záření v tkáni, Comptonovský rozptyl záření g, vliv tkáňového pozadí (většinou nehomogenního), odlišnost skutečné dynamiky studovaných dějů v organismu od matematického modelu atd. Tyto okolnosti mohou nepříznivě ovlivnit přesnost měřených parametrů a celé scintigrafické diagnostiky. Jaké jsou detaily skutečných struktur tkání a skutečný průběh dynamiky dějů hluboko uvnitř organismu přitom a priori neznáme. Obdobně je tomu i u ostatních zobrazovacích metod.
   Při exaktním přístupu k vývoji a verifikaci některých radiologických zobrazovacích metod (především scintigrafických, příp. RTG) mohou důležitou úlohu sehrát fantomy. Pod fantomem zde budeme rozumět uměle zhotovený model daného systému, který zjednodušeně vyjadřuje určité důležité anatomické rysy, rozložení radioindikátoru v organismu, či dynamiky pohybu a časových změn. Oproti skutečnému organismu, v němž vyšetřujeme anatomické poměry nebo distribuci radioindikátoru, má pro studijní účely fantom dvě základní výhody:

Při fantomových měřeních pak můžeme porovnávat tyto skutečné parametry a struktury fantomu s obrazy a s hodnotami získanými analýzou fantomových radionuklidových měření. Nutnou (bohužel však nikoli postačující) podmínkou korektnosti a exaktnosti každé měřící metody je, že musí dobře fungovat na příslušném fantomu! Teprve potom lze uvažovat o dalších sekundárních vlivech v dané biologické situaci. Jinak by se jednalo o pouhou empirii ....

Druhy fantomů
Fantomy můžeme rozdělit do několika skupin - statické fantomy konkrétních orgánů; fantomy pro kalibraci a měření fyzikálních parametrů zabrazovacích přístrojů (gamakamer, RTG); fantomy dynamické.

2. Fantomy orgánů
Tyto fantomy napodobují některé typické anatomické tvary a distribuci radioindukátoru v daných orgánech, a to za situace fyziologické nebo patologické. Nejznámějším je fantom štítné žlázy, což je nádobka ve tvaru štítné žlázy obsahující uvnitř výstupky a prohlubně simulující studené a horké uzly. Nádobka se naplní roztokem příslušného radionuklidu (99mTc nebo 131J) a zobrazuje se scintilační kamerou. Posuzujeme potom, jak věrně jsou na scintigrafickém obraze zachyceny jednotlivé detaily nehomogenity distribuce radioindikátoru ve fantomu. Snažíme se přitom dosáhnout takových podmínek (nastavení kamery, kolimátor, obrazová matice, nastřádaný počet impulsů, modulace obrazu), aby rozpoznatelnost i malých lézí byla co nejlepší.

Fantom štítné žlázy
(Picker thyroid phantom)
Scintigrafický obraz fantomu
štítné žlázy naplněného roztokem
99mTc pomocí gamakamery
Tentýž fantom zobrazený pomocí
pohybového scintigrafu
Scintigrafický obraz fantomu štítné žlázy nastřádaný s různou předvolbou počtu impulsů - s různým počtem fotonů gama


Scintigrafické obrazy fantomu štítné žlázy, naplněného 99mTc (nahoře) a 131I (dole), zobrazené pomocí kolimátoru Pinhole, Low Energy HR a High Energy. Podrobnější diskuse je v §4.2, část "Scintigrafické kolimátory".

Na podobném principu jsou založeny i fantomy dalších orgánů - jater, mozku, srdce... Zajímavou možností jsou tomografické fantomy ve formě anatomických vložek napodobujících struktury mozku či srdce, které se vkládají do tomografických testovacích fantomů typu Jasczak (viz níže) na místo původních tyčinek a kuliček.

3. Fantomy pro testování gamakamer
Nukleární medicína, jakožto obor zabývající se měřením, se neobejde bez kontrolních a kalibračních metod a pomůcek. Do kategorie fantomů jsou v nukleární medicíně zařazovány i pomůcky a zdroje záření používané pro kalibraci a testování zobrazovacích vlastností scintilačních kamer. Parametry, kvantifikující zobrazovací vlastnosti scintilačních kamer, jsou definovány a rozebírány v kapitole 4 "Radionuklidová scintigrafie", §4.5 "Fyzikální parametry scintigrafie - kontrola kvality a fantomová scintigrafická měření" knihy "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
Nejjednodušším "fantomem" tohoto druhu je obyčejný bodový zdroj (zářič) vhodného radionuklidu (nejčastěji
99mTc, příp. 57Co, 131I), který se umístí do patřičného místa zorného pole kamery.

Testování a kalibrace homogenity zobrazení scintilační kamery
Pro testování vnitřní (intrinsic) homogenity zorného pole kamery a její kalibraci sundáme z kamery kolimátor a bodový zdroj umístíme do co největší vzdálenosti doprostřed pod kameru. Krystal kamery je tak z tohoto zdroje záření gama ozařován prakticky homogenně, takže i vzniklý scintigrafický obraz by měl být též homogenní. Na obraze pak můžeme posuzovat (popř. kvantitativně vyhodnocovat) případné odchylky od homogenní distribuce. V případě, že homogenita zorného pole není vyhovující, můžeme v tomto uspořádání provést kalibraci homogenity zobrazení scintilační kamery (ladění fotonásobičů a vytvoření korekční matice), pro kterou mají moderní digitální kamery příslušnou softwarovou proceduru.
Pozn.: Pomocí bodového zdroje můžeme též měřit celkovou rozlišovací schopnost kamery s kolimátorem: obrazem bodového zdroje vedeme řez (profil) a na takto vzniklé křivce PSF vyhodnotíme její pološířku FWHM, která vyjádřena v milimetrech udává celkové rozlišení kamery. Pro tento účel je však vhodnější čárový zdroj - viz níže.

Testování a kalibrace vnitřní homogenity zorného pole scintilační kamery bez kolimátoru pomocí bodového zdroje umístěného v dostatečně velké vzdálenosti. Měření celkové homogenity scintilační kamery s kolimátorem pomocí plošného homogenního zdroje.

Pro kontrolu a testování celkové homogenity zorného pole scintilační kamery s kolimátorem jsou s výhodou často používány plošné homogenní zdroje s radionuklidem 57Co. Tímto zdrojem můžeme rychle a operativně zkontrolovat homogenitu zorného pole kamery i s kolimátorem (výhodou je, že ho nemusíme sundávat). Teprve když homogenita nevyhovuje, provedeme rekalibraci kamery pomocí bodového zdroje 99mTc jak bylo zmíněno výše.
Pozn.: Dříve používané plošné zdroje plněné roztokem 99mTc se nyní již téměř nepoužívají. Jejich nevýhodou byla značná pracnost při jejich plnění, riziko kontaminace, obtížné promíchání roztoku aby byl skutečně homogenní a možnost nehomogenní sorpce radionuklidu na stěnách fantomu, což může porušit homogenitu - jinými slovy "za mnoho peněz málo muziky"...

Některé typické obrazy homogenity zorného pole kamery s plošným zdrojem či bodovým zářičem.
a) Normální obraz homogenity. b) Výpadek periferního fotonásobiče.
c)
Celkově rozladěné fotonásobiče či fotopík nastavený mimo okénko analyzátoru. d) Prasklý scintilační krystal.
Je podrobněji diskutováno v §4.2, pasáž "Technické poruchy scintilačních kamer"

Měření polohové rozlišovací schopnosti kamery
K testování polohové rozlišovací schopnosti kamery (a linearity zobrazení - viz níže) slouží buď bodové a čárové zdroje, nebo tzv. bar-fantomy.
Čárový zdroj se používá pro kvantitativní fyzikální měření polohového rozlišení kamery. Je to tenká trubička (průměr by neměl být větší než cca 0,5-1 mm), kterou naplníme roztokem radionuklidu (nejčastěji
99mTc) a zobrazíme pomocí kamery s kolimátorem. Obrazem čárového zdroje pak vedeme řezy (profily) a na těchto křivkách LSF (Line Spread Function) stanovíme šířku v poloviční výšce (FWHM), která vyjádřená v milimetrech udává celkové polohové rozlišení kamery pro danou vzdálenost od čela kolimátoru.
Pro detailní fyzikální analýzu lze z profilové křivky čárového zdroje vypočítat tzv. modulační přenosovou funkci MTF kamery, která udává kontrast zobrazení kosinusové distribuce radioaktivity v závislosti na prostorové frekvenci - viz položku "Modulační přenosové funkce" v kapitole "Matematické algoritmy scintigrafie".

Obrazem čárového zdroje
vedeme vhodný řez (profil)
Pološířka D1/2 profilové křivky čárového
zdroje udává polohové rozlišení FWHM
Pro detailní fyzikální analýzu lze z profilové křivky čárového zdroje vypočítat modulační přenosovou funkci

Pro precizní měření polohové rozlišovací schopnosti gamakamer (v planárním režimu) je vhodné čárový zdroj zakomponovat do následujícího jednoduchého fantomu: vlastní tenkou kapiláru upevníme doprostřed na plexitovou desku, v níž jsou po stranách ve vzdálenosti 10cm vyhloubeny dvě malé jamky průměru cca 1mm. Do kapiláry pomocí stříkačky s jehlou napustíme roztok radionuklidu, např. 99mTc - to je vlastní čárový zdroj. Tentýž roztok stejným způsobem kápneme i do vyhloubených jamek - vzniknou tak dva bodové zdroje v přesně známé vzdálenosti, pro stanovení měřítka zobrazení. Fantom umístíme do zorného pole kamery opatřené požadovaným kolimátorem a pořizujeme scintigrafické obrazy v různých vzdálenostech. Při vyhodnocování vedeme příčné profily (řezy) obrazem v místech bodových zdrojů - ze vzdáleností pixelů jejich maxim stanovíme měřítko zobrazení, kterým násobíme vodorovné souřadnice v grafech profilů. Z profilu přes obraz čárového zdroje - LSF - pak stanovujeme prostorové rozlišení FWHM, nebo počítáme modulační přenosovou funkci MTF.

Jednoduchý fantom s čárovým zdrojem (kapilárou) a dvěma bodovými zdroji pro měření polohové rozlišovací schopnosti gamakamery.
Měření bylo provedeno s náplní 99mTc ve vzdálenostech 0, 5, 10, 15 a 20 centimetrů od čela kolimátoru HR kamery Nucline TH.

K jednoduchému vizuálnímu testování rozlišovací schopnosti (a příp. i linearity) kamery se používají transmisní tzv. bar-fantomy. Bar-fantom je tvořen soustavou olověných absorbčních proužků různých šířek (jejich vzdálenost je stejná jako šířka); pokládá se nad pološný homogenní zdroj. Tyto proužky potom pohlcují záření z homogenního zdroje, zatímco mezerami prochází záření gama volně ke kolimátoru kamery. Na scintigrafickém obraze sledujeme, jaká šířka proužků je ještě rozlišitelná (skutečné polohové rozlišení je pak přibližně dáno 1,75-násobkem nejužšího ještě rozlišeného proužku).

Transmisní bar-fantom s proužky
ve 4 segmentech
Obraz bar-fantomu s proužky ve
4 segmentech
Obraz bar-fantomu s vodorovnými proužky různých šířek.

Pro testování zobrazovacích vlastností tomografických kamer SPECT slouží speciální válcové fantomy typu Jasczak nebo Venstra. Je to válec z plexiskla, který se plní roztokem 99mTc a který uvnitř obsahuje soustavu tyčinek a kuliček různých průměrů, kam se radioaktivita nedostane a které tedy simulují "studené léze". Další možností jsou plnitelné nádobky, do nichž můžeme napustit roztok radioindikátoru i o vyšší měrné aktivitě k simulování "horkých lézí". Na obrazech příčných řezů (po rekonstrukci) pak sledujeme rozlišitelnost lézí v závislosti na velikosti. Můžeme tak testovat vliv různých aspektů akvizice (počet nastřádaných impulsů, počet projekcí, vzdálenosti, posuny centra rotace a pod.) a vyhodnocování (rekonstrukční algoritmus- zpětná projekce či iterativní rekonstrukce, použité filtry) na rozlišitelnost lézí či vznik artefaktů. Kromě toho je na konci fantomu ještě volný prostor zaplněný homogenní distribucí radionuklidu, který slouží k testování tomografické homogenity.
   Jak bylo již výše zmíněno, do prostoru válcového fantomu lze umístit i speciální anatomické vložky napodobující struktury mozku, srdce, jater, ledvin a pod.

Fantom Jasczak složený (nahoře)
a rozložený (dole)
Tomografické SPECT obrazy horní a dolní části fantomu

Analýza linearity zobrazení gamakamer
Pro rozbor linearity zobrazení či zkreslení obrazu se používají lineární čárové zdroje. Na obraze takového čárového zdroje můžeme vyhodnocovat odchylky od přímkového tvaru. Čárové zdroje zobrazujeme v různých místech zorného pole kamery a též v různých úhlech, především ve dvou na sebe kolmých směrech. Pro hodnocení linearity mohou v zásadě posloužit i shora uvedené bar-fantomy.
   Nejdokonalejším fantomem pro analýzu linearity zobrazení scintilačních kamer je kartézská lineární mřížka. Je tvořena pravidelnou sítí rovnoběžných a na sebe kolmých tenkých trubiček (hadiček o průměru cca 1mm), umístěných v ekvidistantních vzdálenostech (např. 2 cm). Trubičky se naplní roztokem příslušného radionuklidu, většinou
99mTc o vhodné aktivitě (celkově cca 100MBq).


Kartézská lineární mřížka naplněná roztokem radionuklidu
99mTc.

Fantom se umístí do zorného pole kamery, základní měření je těsně u čela kolimátoru. U kolimátorů konvergentních či Pinhole se zobrazení provádí v různých vzdálenostech, abychom vyhodnotili vliv vzdálenosti na měřítko zobrazení a na linearitu či zkreslení obrazu:


Scintigrafické obrazy lineární pravoúhlé mřížky s různými typy kolimátorů, pořízené v různých vzdálenostech.

U kolimátoru s paralelními otvory (jako je LE HR, vlevo) dostáváme všude lineární zobrazení mřížky, přičemž pro větší vzdálenosti od čela kolimátoru se zhoršuje prostorové rozlišení (rozmazaná mřížka). U konvergentního kolimátoru (jako je SmartZoom s konvergentní středovou částí) se s rostoucí vzdáleností obraz středové části zvětšuje. U kolimátoru Fan Beam (který je konvergentní v transverzálním směru, v axiálním směru je paralelní) se s rostoucí vzdáleností oka mřížky zvětšují jen v transverzálním směru, v axiálním zůstávají stejné. Nejvýraznější závislost na předmětové vzdálenosti vykazuje kolimátor Pinhole: těsně u čela dostáváme obraz mnohonásobně zvětšený, s rostoucí vzdáleností se zoom zmenšuje a pro vzdálenosti nad cca 20cm je obraz již zmenšený. Z obrázků je dále vidět obecný trend zhoršování rozlišovací schopnosti (a tím i kontrastu v obraze) se vzdáleností od čela kolimátoru.
   Pokud je mřížkový fantom precizně proveden a vnitřní průměr trubiček nepřesahuje 1mm, může být s výhodou použit i pro měření lokálního prostorového rozlišení v různých místech zorného pole: v požadovaném místě obrazu vedeme přes trubičku kolmý řez a na takto vzniklé křivce LSF stanovíme její šířku v poloviční výšce k vrcholu (FWHM), což je rozlišení v daném místě. Příp. lze vypočítat i modulační přenosovou funkci MTF pro dané místo obrazu.
Pozn.:
První takovou lineární mřížku jsme na našem pracovišti nukleární medicíny v Ostravě-Porubě sestavili v r.1975. Byla tvořena dlouhou tenkou plastovou hadičkou vnitřního průměru 1mm, která byla propletena ekvidistantními drážkami (ve dvou kolmých směrech), vyřezanými v polystyrenové desce. Pomocí injekční stříkačky se plnila roztokem požadovaného radionuklidu, především
99mTc. Měla rozměry 30´30cm a používala se pro kamery Pho Gamma 3,HP s kolimátory paralelními, Pinhole konvergentními a divergentními, Slant Hole, a pak pro kamery MB9100,9102. Nynější fantom (na obrázku nahoře) je proveden stejnou technologií, ale má větší rozměry - 52´46cm, aby pokryl zorné pole současných SPECT kamer.

Testování centra rotace tomografických kamer
Při tomografické scintigrafii SPECT obíhají detektory kamery o hmotnosti řádu stovek kilogramů kolem vyšetřovaného objektu. Pokud ložiska v nichž jsou detektory v gantry uchyceny vykazují mechanické vůle, dochází vlivem gravitačních sil k výkyvům a posunům detektorů, takže rotace neprobíhá kolem pevné osy - dochází k pohybům centra rotace. Tyto nežádoucí mechanické posuny a výkyvy zhoršují kvalitu rekonstruovaných tomografických obrazů (a mohly by příp. vést k artefaktům). Pro testování centra rotace umístíme do zorného pole kamery bodový zdroj a spustíme jeho scintigrafii SPECT. Příslušný program pak vyhodnocuje odchylky vzniklého obrazce od kruhového pohybu a zjišťuje posuny osy rotace v závislosti na okamžitém úhlu detektoru. Dalším místem s rizikem nežádoucích mechanických pohybů detektorů kamery během rotace jsou jejich vlastní ložiska na nichž jsou upevněny. Pro testování těchto event. axiálních výkyvů ... nestačí jediný bodový zdroj - používá se několik (např. 5) bodových zdrojů rozmístěných ve stanovených místech zorného pole . Příslušná snímání a korekce se dějí pomocí speciálního software pro akvizici u moderních kamer SPECT.
   Na základě výše uvedených měření jsou pro každý úhel rotace uloženy do paměti příslušné korekční koefienty, které při akvizici pacientských studií provádějí patřičné posuny obrazů ve směru X a Y tak, aby odchylky od centra rotace a axiální výkyvy byly eliminovány.

4. Dynamické fantomy
Jsou to fantomy, které modelují různé dynamické děje v organismu, jako je tepání srdce, proudění krve v cévách, filtrační činnost ledvin či jater, dýchání plic. Matematické vyhodnocení dynamických scintigrafických studií poskytuje řadu kvantitativních parametrů dynamiky vyšetřovaných biologických dějů, jejichž skutečné hodnoty a priori neznáme a které mohou být ovlivněny a zkresleny některými vlivy, jako jsou statistické fluktuace, geometrické vlivy, absorbce záření v tkáni, nepřesné vymezení zájmových oblastí, neadekvátnost použitého matematického modelu a pod. Pro exaktní analýzu těchto vlivů a pro vývoj metod a algoritmů výpočtu kvantitativních parametrů tak vznikla potřeba nejsložitějšch typů fantomů, kterými jsou fantomy dynamické. Tyto fantomy modelují časovou dynamiku změn distribuce radioindikátoru v příslušných orgánech a jejich částech. Výhodou je, že skutečné hodnoty parametrů této dynamiky jsou známé - jsou zajištěny konstrukcí fantomu, popř. se dají přesně nastavit.

Takový dynamický fantom může být užitečný ve třech etapách prací v oboru nukleární medicíny :

  1. Při vývoji nové měřící metody, volbě a vyladění správného matematického modelu a algoritmu pro vyhodnocování měřených dat.
  2. Při cejchování měřící metody a stanovení správných kalibračních či regresních koeficientů při vyhodnocování měřených dat.
  3. Při ověřování a "trénování" již vyvinuté a používané metody.

Stručně zde popíšeme několik dynamických fantomů, které jsme vyvinuli (a zkonstruovali buď vlastními silami nebo s pomocí odborné dílny) na Klinice nukleární medicíny v Ostravě v průběhu výzkumných a vývojových prací v oblasti fyzikálně-matematické analýzy a počítačového vyhodnocování scintigrafických studií.
   Naším nejjednodušším dynamickým fantomem byl fantom periodického děje realizovaný v r.1973 rotujícím talířem gramofonu nesoucím radioaktivní zdroje (viz níže). V r.1976 jsme při vývoji algoritmů matematické analýzy radionuklidové ventrikulografie (včetně geometrické metody výpočtu absolutního volumu srdeční komory) používali různé pulzující balónky spojené hadičkou s velkoobjemovou kalibrovanou stříkačkou, jejíž píst jsme ručně posunovali - viz obrázek:

Ze zkušeností získaných s tímto jednoduchým fantomem jsme pak vyšli při vývoji našeho motoricky poháněného flexibilního dynamického fantomu srdeční činnosti umožňujícího modelovat jak pulzaci komory, tak centrální hemodynamiku. Nakonec popíšeme náš fantom pro modelování dynamiky polykacího aktu jícnem včetně refluxů a antiperistaltiky.

Rotující fantom periodického procesu
Charakteristickým rysem srdeční činnosti je její periodičnost. Modelem periodického děje je kruhový pohyb (kmitavý pohyb zde není příliš vhodný). Náš první dynamický fantom byl tvořen gramofonem, na jehož talíři byly umístěny bodové zdroje - nádobky s roztokem 99mTc. Gramofon s rotujícími bodovými zdroji byl umístěn do zorného pole scintilační kamery. Tento fantom sehrál důležitou roli při vývoji metodiky scintigrafického snímání a analýzy rychlých periodických dějů - bylo to v době, kdy scintigrafické systémy ještě neuměly snímat gatované studie. Na okraji kotouče gramofonu byla připevněna clonka přerušující světelný paprsek do fototranzistoru - to simulovalo R-vlnu EKG. Zkonstruovali jsme elektronické obvody (ve spolupráci s Ing.Dubrokou), které do toku scintigrafických dat implementovaly tyto impulsy "R-vlny" z "EKG" a vyvinuli software, který rekonstruoval data z LIST-modu do scintigrafických snímků a konstruoval fázovou dynamickou studii jednoho cyklu synchronně složenou z mnoha běžících cyklů periodického procesu. Tak byla na přístroji CLINCOM vyvinuta a do praxe zavedena metodika hradlované radionuklidové ventrikulografie.

Dynamická scintigrafie fantomu rychlého periodického děje - 3 bodové zdroje 99mTc umístěné na gramofovém talíři rotujícím rychlostí 78 otáček/min.
a) Záznam scintigrafické studie v LIST-modu; E - hradlovací impulsy z fototranzistoru simulující R-vlnu RKG.
b,c,d,e) Snímky rekonstruované do Frame-modu s různým časovým rozlišením.
f) Vymezení zájmové oblasti na sumárním snímku.
g) Běžné křivky průchodu zdrojů - jsou vidět značné statistické fluktuace.
h) Tytéž křivky vzniklé synchronním složením 60 běžných cyklů - fluktuace výrazně snížené.

Flexibilní dynamický fantom srdeční činnosti pro radionuklidovou ventrikulografii i angiokardiografii
Dynamická scintigrafie srdeční činnosti analyzuje především dva důležité aspekty: 

V průběhu výzkumných a vývojových prací na matematické analýze a počítačovém vyhodnocování dynamických scintigrafických studií radionuklidové ventrikulografie a radiokardiografie jsme vyvinuli a ve spolupráci s mechanickou dílnou VŽKG Ostrava zhotovili komplexně pojatý dynamický fantom srdeční činnosti - obr.1. Tento fantom lze použít jak pro radionuklidovou ventrikulografii, kde modeluje pulzování srdeční komory, tak pro bolusovou angiokardiografii, kde modeluje přečerpávací činnost srdce. Všechny parametry, jako je ejekční frakce, tepový volum, reziduální volum, end-diastolický volum, ejekční a plnicí rychlosti, tepová frekvence, minutový volum srdeční, fázové posuny vysílání "gatovacích" impulsů, lze plynule měnit a přesně nastavovat v širokém rozmezí. Tento fantom tak umožňuje velmi komplexní analýzu a ověřování radionuklidových kardiologických metod a jejich přesnou kalibraci.
Pohonná jednotka fantomu  
Základem celého fantomu je kalibrovaný pracovní válec (skleněný), v němž se pohybuje píst. Posun pístu je mechanicky zajištěn přes táhlo (ojnici) z kotouče s excentricky umístěným kloubem poháněného přes převodovku elektrickým motorkem - obr.1a. Excentricita pozice kloubu na hnacím disku se dá přesně nastavit, což definuje zdvih pístu - tepový volum. Pomocí regulátoru otáček motoru lze dále plynule měnit frekvenci pohybu pístu ve válci - tepovou frekvenci. Fázové synchronizační impulsy ("gatovací impulsy EKG") jsou snímíny fotoelektricky. Ve vhodném místě obvodu rotujícího hnacího disku je upevněna clonka, která při průchodu kolem fototranzistoru zastiňuje tok světla ze žárovečky. Vzniklé elektrické impulsy jsou vedeny přes běžný kardiomonitor do počítače - simulují R-vlnu RKG. Clonku lze po obvodě hnacího disku libovolně přemísťovat a tím měnit a přesně nastavit fázi periodického procesu, v níž budou hradlovací impulsy vysílány - může sloužit m.j. pro Fourierovskou fázově-amplitudovou analýzu.. Celý pracovní válec je umístěn na supportu, jehož posuvem lze plynule nastavit libovolný reziduální volum nezávisle na velikosti zdvihu pístu.

Popisovaný fantom srdeční činnosti může pracovat ve dvou základních režimech :

  1. Režim pulzujícího balónku s uzavřeným systémem (obr.2).
  2. Režim průtokového pístového čerpadla (obr.4).

Pohonná jednotka a regulační část fantomu včetně pracovního válce je společná pro oba řežimy.

Obr.1a. Detail pohonné části fantomu s hnacím diskem a stupnicí pro nastavení zdvihového objemu a s clonkou a fotoodporem vysílajícím synchronizační impulsy.

Obr.1b. Celkový pohled na fantom v režimu modelujícím čerpací činnost srdce.

Fantom pulzující srdeční komory
Pro modelování pulzace srdeční komory při hradlované ventrikulografii pracuje fantom v uspořádání podle obr.2. V tomto režimu je fantom vhodný pro testování výpočtu ejekční frakce, minutového volumu srdečního, ejekčních a plnicích rychlostí, časových intervalů význačných fází cyklu, Fourierovské fázově-amplitudové analýzy pulzace, ověřování a kalibraci metod výpočtu absolutního volumu srdeční komory, některých aspektů vlivu pozadí a korekce na tkáňové pozadí.

Obr.2. Dynamický fantom srdeční činnosti v režimu pulzujícího balónku. V této variantě slouží fantom pro modelování pulzující srdeční komory při radionuklidové ventrikulografii.

V zorném poli kamery je umístěn gumový balónek, který je hadičkou spojený s pracovním válcem fantomu. Uzavřená soustava (pracovní válec - balónek) je naplněna patřičným množstvím radioaktivního roztoku 99mTc rovnovážné koncentrace, jehož objem a aktivitu lze přes plnicí ventil snadno měnit. Motoricky poháněný kmitavý pohyb pístu doleva a doprava vede k periodickému naplňování a vyprazdňování radioaktivního rozkoku z balónku - balónek tedy pulzuje podobně jako srdeční komora. Změnou zdvihového objemu pístu, rychlosti jeho pohybu a výchozí polohy lze snadno a přesně nastavit jakoukoliv hodnotu ejekční frakce, tepového a reziduálního volumu, srdeční frekvence, a tím i minutového volumu srdečního (zde pomyslného). Z geometrické konfigurace rovněž plyne hodnota maximální a průměrné ejekční a plnicí rychlosti.
Balónek pulzuje v akváriu pod hladinou radioaktivního roztoku, který reprezentuje absorbující tkáň a tkáňové pozadí. Hloubka uložení balónku a měrná aktivita roztoku pozadí sde dá snadno měnit.
   Takto pulzující balónek je snímán scintilační kamerou, přičemž za pomoci hradlovacích impulsů vysílaných clonkou a fototranzistorem je z většího počtu běžících cyklů synchronně složena fázová dynamická studie jednoho cyklu stejně jako u ventrikulografie. Při matematické anylýze a počítačovém vyhodnocování této studie se pak srovnávají vypočtené hodnoty dynamických parametrů s jejich skutečnými hodnotami nastavenými na fantomu. Část takového vyhodnocení fantomové studie ventrikulografie pomocí programu VENTR v našem systému OSTGAM na přístroji GAMMA-11 je na obr.3 - byl zaznamenán dobrý souhlas mezi vypočtenými a skutečnými parametry.

Obr.3. Část výsledků komplexního vyhodnocení fantomové radionuklidové ventrikulografie pulzujícího balónku programem VENTR na přístroji Gamma-11.
Vlevo: Scintigrafické obrazy balónku v end-diastole a end-systole. Tabulka skutečných hodnot parametrů fantomu.
Vpravo: Volumová křivka balónku, vzniklá z křivky časového průběhu aktivity po korekci na pozadí a volumové normalizaci pomocí geometricky vypočteného absolutního ED volumu balónku, spolu s vypočtenými dynamickými parametry.

Fantom centrální hemodynamiky
Na obr.4 je schématicky znázorněno uspořádání, v němž fantom modeluje přečerpávací činnost srdce v centrální hemodynamice. Tento režim slouží především pro analýzu a testování bolusové angiokardiografie - výpočtu minutového volumu srdečního, tranzitů, objemů.

Obr.4. Uspořádání dynamického fantomu pro modelování čerpací činnosti srdce pro radionuklidovou angiokardiografii.Poznámka: Scintilační kamera se ve skutečnosti na pracovní válec a diluční nádobku "dívá" kolmo k nákresně.

Jako "levá srdeční komora" v tomto případě slouží přímo pracovní válec, který je spolu s další diluční nádobkou (představující "pravou komoru+plíce") umístěn v zorném poli kamery. Ze zásobní nádoby (rezervoáru o objemu cca 5 litrů - lze měnit) představující celkový krevní volum, se při pohybu pístu doprava čerpá (nasává) přes diluční nádobu a jednocestný sací ventil voda do pracovního válce, při opačném pohybu pístu se sací ventil uzavře a voda je přes otevřený druhý jednocestný ventil vytlačována trubičkou zpět do zásobní nádoby. Ventily se střídavě uzavírají a otevírají, takže fantom zde pracuje jako pístové čerpadlo s plynule nastavitelnými parametry. Součin zdvihu a tepové frakvence udává průtokový výkon čerpadla, tj. "minutový volum srdeční".
   Do gumové sací hadičky se ve vhodném okamžiku vstřikne radioaktivní bolus (cca 100MBq 99mTc v 1 ml.) a spustí se dynamická studie radiokardiografie (RKG). Bolus rychle postupuje nejprve do diluční nádobky ("pravé komory"), odkud je, částečně rozředěný, nasáván do pracovního válce a z něho - již zcela rozředěný - po částech vypuzován do zásobní nádoby. Časový průběh radioaktivity v diluční nádobce a v pracovním válci má tak stejný charakter jako v pravé a levé srdeční komoře při bolusové radiokardiografii: prudký nárust při příchodu bolusu, mírnější exponenciální pokles v důsledku dilučního úniku, pak systémová recirkulace radioindikátoru přes zásobní nádobu a postupné ustálení rovnovážné koncentrace radioaktivity v systému.

Obr.5. Po vstřiknutí bolusu do sací hadičky fantomu vidíme na sekvenčních obrazech postupný průchod radioaktivity diluční nádobkou a pracovním válcem, odkud je za stálého ředění postupně vypuzována do zásobní nádoby, načež se část radioindikátoru vrací systémovou recirkulací (jsou vidět dvě vlny systémové recirkulace - první silnější, druhá podstatně slabší). V dalším průběhu se radioindikátor homogenně rozředí v celém systému (tyto obrázky zde již nejsou zachyceny).

Takto vzniklá fantomová dynamická studie je pak zpracována programem RKG pro vyhodnocování radiokardiografie. Křivkami časového průběhu radioaktivity v příslušných zájmových oblastech (příchod bolusu, diluční nádobka, pracovní válec), které reprezentují průchod a diluci radioaktivního bolusu v jednotlivých částech čerpacího systému, jsou prokládány gama-funkce a exponenciální funkce, počítány tranzitní časy, objemy a "cardiac output" obdobně jako při angoikardiografii; vypočtené hodnoty parametrů jsou přitom konfrontovány se skutečnými parametry nastavenými na fantomu. Na obr.6. je ukázána část vyhodnocení takové bolusové fantomové studie pomocí našeho programu RKG. Vypočtené parametry opět velmi dobře souhlasily se skutečnými parametry fantomu.

Obr.6. Ověřování činnosti programu RKG pro komplexní vyhodnocování bolusové radiokardiografie pomocí fantomového měření v uspořádání podle obr.4.
Vlevo: Obrazy některých stádií průchodu radioaktivity fantomem; dole tabulka skutečných parametrů fantomu.
Vpravo: Část výsledků vyhodnocení fantomové studie programem RKG (verze na Gamma-11).

S popsaným fantomem byla provedena řada měření jak v uspořádání pulzujícího balónku podle obr.2, tak v průtokovém čerpacím režimu podle obr.4. Fantom sehrál důležitou úlohu při vývoji metod a algoritmů dynamických metod nukleární kardiologie, jakož i při vytváření příslušného software, který je dosud úspěšně používán (programy VENTR a RKG).
V režimu pulzujícího balónku byl ověřen souhlas všech parametrů počítaných v radionuklidové ventrikulografii (program
VENTR) a byla provedena přesná kalibrace geometrické metody stanovení end-diastolického objemu srdeční komory; byla též vyvinuta a ověřena poměrová geometricko-analytická metoda stanovení absolutního volumu srdeční komory.
V režimu průtokového čerpadla byla analyzována dynamika průtoku a diluce a ověřována přesnost stanovení minutového volumu srdečního a různé aspekty kombinované radiokardiografie + ventrikulografie.
Další plánované doplnění fantomu o "zkratovou" trubičku s nastavitelným průtokem, zapojenou mezi levou a pravou komorou, se již bohužel neuskutečnilo - bylo by tak možno testovat metody kvantifikace intrakardiálních zkratů.
   Ve srovnání s dosud vyvinutými fantomy má popsaný fantom originální koncepci a výhodu větší flexibility a komplexnějšího využití. Ani některé později vytvořené fantomy (např. "Vangerbild Cardiac Phantom" Amersham) nedosahovaly takové komplexnosti, i když byly mechanicky profesionálně zhotoveny.
Velmi pěkně mechanicky provededný fantom pulzujícího balónku zhotovili též kolegové z Kliniky nukleární medicíny v Olomouci a provedli s ním též řadu měření.

Fantomová měření dynamiky pasáže jícnem
   Pro účely vývoje metodiky matematické analýzy a komplexního vyhodnocování dynamické scintigrafie jícnu a žaludku, jakož i pro testování korektnosti výsledků programu OESOGAST, jsme navrhli jednoduchý dynamický fantom modelující pasáž radioindikátorem označeného sousta jícnem s možností simulace anomálií včetně antiperistaltiky či gastro-ezofageálního refluxu.
   Fantom je znázorněn na obr.vlevo. Sestává z delší hřídele-šroubovnice (délka asi 60 cm), do jejíhož závitu zapadá pouzdro s úchytkou pro zdroje záření gama. Hřídel je postavena svisle v zorném poli scintilační kamery a otáčí se pomocí elektromotorku s možností změny směru otáčení. Při otáčení hřídele se vlivem závitů pouzdro s radioaktivními zářiči pohybuje v zorném poli kamery ve vertikálním směru nahoru nebo dolů – podle směru otáčení elektromotorku. Posun směrem dolů simuluje pasáž sousta jícnem při polykacím aktu, posun nahoru případný reflux či antiperistaltiku.

Dynamický fantom pasáže radioindikátoru jícnem. Simulace refluxu s použitím dvou zářičů.

Při vlastních fantomových měřeních umístíme do držáku (spojeného s pouzdrem na šroubovnici) zdroj záření g - stříkačku nebo ampulku s radionuklidem 99mTc o aktivitě cca 50 MBq. Můžeme použít jednu nebo dvě ampulky (viz níže). S pouzdrem najedeme do horní polohy, pak spustíme elektromotorek v odpovídajícím směru a odstartujeme dynamickou scintigrafickou studii. S různými modifikacemi tohoto uspořádání byla provedena řada fantomových měření.
   Základní fantomové měření modeluje normální případ, tj. rychlou a rovnoměrnou pasáž radioindikátoru jícnem při polykacím aktu. Do držáku nastaveného nad horním okrajem zorného pole kamery uložíme jednu nádobku s radioindikátorem, spustíme pohyb směrem dolů a odstartujeme scintigrafickou studii tohoto rovnoměrného (lineárního) pohybu radioindikátoru. Pohyb radioindikátoru pak zastavíme ve vhodném stádiu (představuje dosažení žaludku), scintigrafickou studii však necháme ještě chvíli běžet. Výsledek vyhodnocení této normálové fantomové studie programem OESOGAST je na obr.A. Křivky pasáže radioindikátoru horní střední i dolní částí “jícnu” mají stejnou výšku i šířku, přičemž vypočtené tranzitní časy souhlasí se skutečnými časy pohybu zdroje po šroubovnici, měřenými stopkami. Rovněž transportní funkce i kondenzovaný obraz mají přesně lineární tvar.

A. Normální rovnoměrný pohyb B. Pohyb se similací retence C. Pohyb se simulací antiperistaltiky

Výsledek dalšího fantomového měření je na obr.B. Od předchozího normálového experimentu se liší tím, že v určité fázi pohybu radioindikátoru směrem dolů byl vypnutím motorku pohyb dočasně zastaven na dobu 2 sec., načež byl opět zapnut a pokračoval rovnoměrně až do “dosažení žaludku”. Tento anomální pohyb radioindikátroru je opět na výsledcích počítačového vyhodnocení velmi dobře vidět – křivka střední části “jícnu” je rozšířená o 2 sec. tranzitního času, kondenzovaný obraz a transportní funkce rovněž věrně odrážejí trajektorii pohybu.
   Při dalším fantomovém měření byl v průběhu pohybu směrem dolů dočasně změněn směr otáčení motorku, takže radioindikátor se po 2 sec. pohyboval směrem nahoru, načež po opětovném přepnutí pohyb pokračoval již rovnoměrně směrem dolů. Tento rovnoměrný “polykací” pohyb s dočasným návratem je rovněž věrně znázorněn a kvantifikován na počítačovém zpracování scintigrafické studie – obr.C.
   Další modifikace fantomového měření se po většinu svého průběhu shodovala s normálovým experimentem rovnoměrného polykání, avšak ke konci během stacionární fáze spočívání radioindikátoru v “žaludku” byl na chvilku opět spuštěn motorek v opačném směru (pohyb nahoru), takže radioindikátor se vrátil zpět do “jícnu”, načež po změně směru opět klesl do pozice “žaludku”. Výsledek vyhodnocení je vidět na obr.D jako simulaci úplného gastro-ezofageálního refluxu.

D. Pohyb se simulací g.-e. refluxu 100% E. Simulace gastro.-esofag. refluxu 50%

Poslední typ fantomového experimentu používá dvou zdrojů záření g umístěných v držáku fantomu (viz horní obrázek vpravo). Průběh měření je podobný jako u normálového experimentu – rovnoměrný pohyb dvou těsně vedle sebe ležících zdrojů (na scintigrafických obrazech nejsou rozlišeny, pohybuje se zde jeden zdroj o sumární aktivitě). Po dosažení dolní klidové polohy “žaludku” však na chvíli posuneme jeden ze zdrojů směrem nahoru (ručně do definované polohy), chvíli ho zde necháme a pak jej opět spustíme do pouzdra vedle druhého zdroje. Simulujeme tím gastro-ezofageální reflux části radioindikátoru ze “žaludku” do “jícnu”. Výsledek vyhodnocení vidíme na obr.E, kde z kondenzovaného obrazu je jasně vidět, jak se část radioindikátoru “vyhoupla” dočasně z “žaludku” do dolní části “jícnu”; kvantitativní analýza dala hodnotu refluxu 51,5% v dobré shodě se skutečností (oba zdroje měly stejnou aktivitu, takže skutečný “reflux” činil 50%).
   Fantomová měření tohoto druhu jsou originální a nebyla dosud v literatuře (nám známé a dostupné) uvedena. Byla velmi užitečná při vývoji jednotlivých algoritmů matematické analýzy transportu radioindikátoru jícnem (analýza křivek, konstrukce transportní funkce a kondenzovaného obrazu) a ověřování korektnosti výsledků vyhodnocení programem OESOGAST.
 Pozn.: Inspirováni touto naší prací si obdobný fantom dynamiky jícnu zkonstruovali na Klinice nukleární medicíny vojenské nemocnice v Krakově. Místo závitové hřídele použili ozubený řemen, fantom vypadá velmi dobře - gratulujeme !

Scintigrafie   Počítačové vyhodnocování

Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
Jaderná a radiační fyzika Detekce a spektrometrie záření Aplikace záření
S c i n t i g r a f i e Počítačové vyhodnocování scintigrafie Radiační ochrana
Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu   |  Antropický princip aneb kosmický Bůh
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie

Vojtěch Ullmann