UNIWESYTET OPOLSKI WYDZIAŁ MATEMATYKI, FIZYKI I CHEMII INSTYTUT FIZYKI

Transkrypt

1 UNIWESYTET OPOLSKI WYDZIAŁ MATEMATYKI, FIZYKI I CHEMII INSTYTUT FIZYKI PRACA LICENCJACKA Marek Piotrów Automatyzacja układu do skanowania powierzchni w scyntygrafie SCINTIMAT 2G. Praca licencjacka wykonana pod kierunkiem dr Stanisława Chabika OPOLE 2005

2 Załączniki: Spis treści 1. Wstęp 2 2. Część teoretyczna Promieniowanie Podział promieniowania Źródła promieniowania jądrowego Rozpady promieniotwórcze Oddziaływanie promieniowania z materią Detekcja promieniowania Detektory gazowe Detektory półprzewodnikowe Liczniki scyntylacyjne Scyntygrafia Radioizotopy i radiofarmaceutyki Scyntygraf budowa i zasada pomiaru Gammakamera SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) Przykładowe badania Opis modernizacji scyntygrafu Plan modernizacji Elementy modernizacji Część mechaniczna Silniki krokowe Układ sterujący Program obsługi sterownika Ogólny opis programu Dane techniczne Ustawienia programu Informacje programu Skanowanie Kontrola układu 34 Podsumowanie 35 Summary 36 Bibliografia 37 - Kod źródłowy programu "ScintiSter" - Kod źródłowy mikrokontrolera AT89C51 - Schematy układów oraz schematy wyprowadzeń i połączeń 1

3 1. Wstęp We współczesnych dziedzinach nauki większość urządzeń sterowana jest elektroniką cyfrową. W połowie lat 90-tych w medycynie nastąpiła rewolucja. Pojawiły się zautomatyzowane urządzenia do badań, które znacznie ułatwiły uzyskiwanie wyników badań i diagnozowanie pacjentów. Jednym z wielu tego typu przykładów może być urządzenie do badania krwi. Klasycznie krew po pobraniu trzeba było wirować, po czym analityk medyczny przy pomocy mikroskopu badał próbkę krwi. Dziś dzięki rewolucji krew, która została pobrana specjalną strzykawką od razu zostaje przekazana do urządzenia i już po krótkim czasie otrzymujemy wyniki. Zaletą tego rozwiązania jest to, iż dane o wynikach mamy zapisane w formie cyfrowej. Można je przesyłać miedzy komputerami, co skraca czas przekazywania wyników oraz przyspiesza odnalezienie ich w dowolnym czasie. Pozwala wyeliminować błędy związane z czynnikiem ludzkim. Wyniki są uzyskiwane w krótszym czasie, co daje możliwość szybkiego diagnozowania oraz przyspiesza możliwość leczenia pacjentów. W dzisiejszych czasach klasyczny sprzęt medyczny np. z lat 70 zostaje wycofywany a w jego miejsce wprowadza się nowy sprzęt współczesny. Tak też się stało w Zakładzie Medycyny Nuklearnej w Opolu. Stary Scyntygraf marki Siemens model Scintimat 2G został wycofany i zastąpiony nowszym urządzeniem. Scintimat przekazano do Instytutu Fizyki Uniwersytetu Opolskiego w celach szkoleniowych. Urządzenie to jest w zasadzie sprawne, natomiast nie spełnia warunków oczekiwanych przez współczesną medycynę. Dlatego też moja praca licencjacka opisuje plan modernizacji scyntygrafu w celach dostosowania, unowocześnienia go i dalszego wykorzystania. Pracę tą podzieliłem na trzy części: - część teoretyczna, w której przedstawiłem podstawowe zagadnienia niezbędne do zrozumienia zasady działania urządzenia - część dotycząca modernizacji scyntygrafu, w której przedstawiłem plan przeróbki do poprawy jakości jego pracy - część doświadczalna, to część poświęcona sprawdzeniu działania układów oraz programu Zapraszam do zapoznania się z treścią tej pracy i życzę miłej lektury. 2

4 2. Część teoretyczna 2.1. Promieniowanie Podział promieniowania Promieniowanie to nic innego jak wysyłanie i przekazywanie energii na odległość. Energia ta może istnieć w postaci cząstek materialnych posiadających energię kinetyczną lub w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Dlatego też, gdy w grę wchodzi promieniowanie jądrowe można wyróżnić dwa typy promieniowania: - Promieniowanie korpuskularne, do którego zalicza się promieniowanie α, β oraz neutrony. - Promieniowanie gamma. Ogólnie widmo promieniowania elektromagnetycznego rozciąga się od najkrótszego i niosącego najwięcej energii promieniowania gamma do najdłuższego promieniowania, które nazywa się promieniowaniem radiowym, ilustruje to poniższy rysunek. Rys. II.1.1. Widmo promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie można również podzielić na promieniowanie jonizujące oraz niejonizujące. Do pierwszego typu zaliczamy promieniowanie wywołujące jonizację atomów absorbentu, przez który takie promieniowanie przechodzi. W promieniowaniu jonizującym 3

5 można wyróżnić dwa typy oddziaływań. Oddziaływanie pośrednie przez siłę kulombowską, w ten sposób oddziałują cząstki obdarzone ładunkiem. Oddziaływania, w których całkowita lub częściowa energia przekazana jest wtórnej cząstce naładowanej, przykładem jest promieniowanie rentgenowskie, gamma i neutrony. Do promieniowania niejonizującego zaliczamy wszelkie pozostałe typy promieniowań niezdolne wywoływać jonizacji. W tej kategorii znajdziemy całe spectrum o długościach fali dużo mniejszych od promieniowania rentgenowskiego oraz wszelkie cząstki niosące zbyt małą energię by wywołać jonizację, ale zdolne wywołać inne efekty w materiale absorbentu np. cieplne Źródła promieniowania jądrowego Źródłem promieniowania jest radioaktywność pierwiastków, czyli zdolność emitowania przez nie promieniowania jądrowego w wyniku samorzutnej przemiany jąder atomowych w inne. Promieniowanie groźne dla zdrowia człowieka wykazują wszystkie pierwiastki ciężkie, część znajdująca się w 7 okresie, oraz promet, polon, astat, radon z 6 okresu i technet z 5 okresu. Pierwiastki groźne emitują nie tylko cząsteczki α, β, i γ ale również mogą być źródłem promieniowania protonowego i neutronowego. Promieniotwórczość można podzielić na naturalną i sztuczną: Naturalnymi źródłami promieniowania są nuklidy promieniotwórcze i produkty ich rozpadów, które znajdują się w skorupie ziemskiej, promieniowanie kosmiczne oraz wytwarzane przez nie pierwiastki radioaktywne w atmosferze ziemskiej i na powierzchni Ziemi. Do Sztucznych źródeł promieniowania zaliczamy wszystkie źródła, które powstały lub uaktywniły się w wyniku działalności człowieka. Do nich zaliczamy źródła powstałe przez wydobycie i spalanie paliw organicznych, wydobycie i przeróbkę fosforanów i powstanie przy tej okazji różnych źródeł promieniotwórczych. Ponadto do tej grupy należy zaliczyć izotopy wykorzystane w gospodarce, przemyśle, nauce oraz w energetyce jądrowej i radiomedycynie. 4

6 Rozpady promieniotwórcze Kiedy w materiałach promieniotwórczych jeden typ jąder przemienia się w inny, to mówimy, że następuje rozpad promieniotwórczy. Warunkiem przemiany jądra jest jego wzbudzenie. Takie jądro znajdujące się w określonym stanie energetycznym charakteryzuje prawdopodobieństwo jego rozpadu promieniotwórczego λ przypadające na jednostkę czasu. Jest to wielkość stała dla danego pierwiastka. Ilość rozpadów promieniotwórczych dn zachodzących w czasie dt jest proporcjonalna do ilości jąder promieniotwórczych N(t) w chwili t: dn = - λndt Współczynnik, który jest prawdopodobieństwem rozpadu λ zwany jest stałą rozpadu. Po rozwiązaniu powyższego równania otrzymuje się prawo rozpadu promieniotwórczego, wg, którego zmienia się w czasie liczba jąder promieniotwórczych. N(t) = N 0 exp(-λt) Do scharakteryzowania szybkości rozpadu wprowadza się obok stałej rozpadu tzw. czas połowicznego zaniku (T ½). Jest to czas, po którym, w wyniku rozpadu, liczba jąder promieniotwórczych spadnie do połowy Oddziaływanie promieniowania z materią Każdy typy promieniowania w inny sposób oddziałuje z atomami absorbentu podczas przenikania przezeń. Poniżej opisałem ogólnie, w jaki sposób oddziałuje na materię promieniowanie neutronowe, szybkie elektrony i ciężkie cząstki naładowane. - Neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego, co znaczy, że nie oddziałują kulombowsko z atomami absorbentu. Dzięki temu cechuje je duża przenikliwość, bez oddziaływania przechodzą przez grube warstwy materii. Neutrony jako takie oddziałują wyłącznie z jądrami atomowymi w reakcjach jądrowych. Procesy, które zainicjują zależą głównie od ich energii. - Im mniejsza energia, tym więcej inicjowanych reakcji jądrowych, które wyzwalają wtórne promieniowanie ciężkich cząstek naładowanych nawet o dużych energiach kinetycznych. - Im większa energia, tym prawdopodobieństwo zajścia reakcji jądrowej jest mniejsze, a większe jest prawdopodobieństwo zajścia procesu sprężystego rozproszenia. Jądro atomowe przy zderzeniu z neutronem przejmuje znaczną część energii, może nastąpić nawet wzbudzenie jądra. Takie wzbudzenie rozładowane zostaje przez emisję promieniowania 5

7 gamma (stanowi ono składową część wtórnego promieniowania towarzyszącego przenikaniu neutronów przez absorbent). - Protony, cząstki alfa i inne cząstki posiadające ładunek oddziałują z materią absorbentu głównie kulombowsko. Takie cząstki bardzo rzadko oddziałują z jądrami atomowymi poprzez reakcje jądrowe, a związane są głównie z jonizacją atomu. Proton czy cząstka alfa, które są naładowane, na swej drodze oddziałuje z elektronami wzbudzając atomy lub powodując ich jonizację. Przy każdym oddziaływaniu z elektronem cząstka traci małą część swej energii i zmienia swój pęd. Zdarza się, że wybite elektrony uzyskują tak dużą energię, że jest ona wystarczająca do wywołania kolejnych jonizacji. Powstają wówczas tak zwane elektrony delta. Cząstki charakteryzuje określony zasięg zależny od energii cząstki i właściwości absorbentu.). Zasięg promieniowania beta to 1-2 mm na każdy MeV (zależne od gęstości absorbentu). - Promieniowanie gamma przechodzące przez materię ulega osłabieniu, a spadek natężenia promieniowania przez absorbent wyrażony jest wzorem: I=I 0 exp(-µx) gdzie, I natężenie promieniowania po przejściu przez absorbent I 0 pierwotne natężenie µ - liniowy współczynnik osłabienia x grubość absorbentu Liniowy współczynnik osłabienia jest sumą prawdopodobieństw zajścia trzech procesów zachodzących podczas przenikania promieniowania gamma przez materię, są to: a) zjawisko fotoelektryczne Kwant gamma oddziałuje z elektronem z głębszych powłok atomowych (najczęściej K) przekazując mu swą całkowitą energię. Jest to proces absorpcji promieniowania. Energia kinetyczna elektronu jest równa energii padającego kwantu gamma pomniejszonej o energię jonizacji atomu. Po takim elektronie pozostaje dziura, która jest prawie natychmiast zapełniana przez elektron z wyższych powłok (towarzyszy temu emisja promieniowania X). Zjawisko fotoelektryczne bezpośrednio zależy od liczby atomowej Z absorbentu. Dominuje ono w oddziaływaniu promieniowania gamma o stosunkowo niskiej energii. b) zjawisko Comptona Zjawisko Comptona polega na niesprężystym rozpraszaniu kwantów gamma na elektronach swobodnych. Elektrony związane na powłokach również można uznać za 6

8 swobodne, jeżeli energia kwantów gamma przekracza znacznie energie wiązania elektronów. W rozproszeniu część energii przekazywana jest odrzuconemu elektronowi. Foton gamma można traktować jako cząstkę o energii E=hν i pędzie p=hν/c. Na rysunku II.1.4 Zobrazowano rozproszenie kwantu promieniowania gamma pod kątem θ. Rys. II.1.4 Schemat zjawiska Comptona obrazujący rozproszenie kwantu o długości fali λ 1, energii E 1 i pędzie p 1 w zderzeniu z elektronem. Energię rozproszonego fotonu pod kątem θ można przedstawić wzorem: hν =hν/(1+(hν/mc 2 )*(1-cosθ) gdzie, h - stała Plancka ν częstość fotonu m masa spoczynkowa elektronu c prędkość światła Jeżeli kąty rozproszenia są małe, to mała część energii fotonu zostanie przekazana elektronowi. W skrajnym przypadku rozproszenia wstecznego (o 180o) elektron nie uzyska całej energii kwantu i jej część zostanie uniesiona przez foton rozproszony. Prawdopodobieństwo zajścia efektu Comptona rośnie wraz ze wzrostem liczby atomowej Z materiału absorbentu. c) zjawisko tworzenia par Jeżeli energia kwantu jest równa lub większa od 1,022 MeV i taki kwant znajdzie się w polu jądra to może zajść proces kreacji par. Foton w tym zjawisku zamienia się w parę pozytonelektron. Jeżeli foton posiadał energię wyższą od 1,022 MeV to nadmiar energii jest zużywany na energie kinetyczne powstałych cząstek i odrzut cząstki, w polu której zachodzi 7

9 kreacja pary. W układzie foton i para elektron-pozyton nie mogą być równocześnie spełnione prawa zachowania pędu i energii, dlatego zjawisko kreacji par może zachodzić tylko w obecności innej cząstki. Zazwyczaj jest to jądro atomowe, ale może być to także elektron (foton musi posiadać energię minimum 2,044 MeV). 8

10 2.2. Detekcja promieniowania Układ, w skład, którego wchodzi materiał czuły na padające promieniowanie jak i układy elektroniczne przetwarzające wytworzony w materiale czułym sygnał, możemy nazwać detektorem promieniowania. Detektor można scharakteryzować podając jego: a) czułość - minimalna wartość energii padającej cząstki lub kwantu zdolnej wywołać wykrywalny sygnał. Każdy detektor rejestruje najlepiej dany typ promieniowania o określonej energii. b) odpowiedź detektora - określa to zależność między energią promieniowania padającego na detektor oraz ładunkiem lub wysokością sygnału wyjściowego. c) czas odpowiedzi - czas pomiędzy wniknięciem do detektora padającego kwantu lub cząstki a momentem wytworzenia sygnału wyjściowego. Przez czas trwania sygnału detektor jest nieczuły na inne padające kwanty lub cząstki. Czasową zdolnością rozdzielczą nazywamy zdolność rejestrowania przez detektor różnic w czasie wnikania doń cząstek. d) wydajność detektora - wydajność wewnętrzna detektora κ przedstawia się wzorem: A liczba cząstek zarejestrowanych B liczba cząstek padających κ=a/b e) energetyczna zdolność rozdzielcza - załóżmy, że badamy odpowiedź detektora na wiązkę monochromatycznego promieniowania. W przypadku idealnym wysokość sygnału wyjściowego byłaby taka sama. W rzeczywistości jest to impuls o pewnej szerokości. Jeżeli podamy szerokość połówkową tego impulsu (szerokość w połowie wysokości, tzw. FWHM) to określimy energetyczną zdolność rozdzielczą. f) czas martwy - czas potrzebny detektorowi na przetworzenie sygnału związanego z rejestracją cząstki. Jedne typy detektorów w ogóle nie rejestrują cząstek w czasie martwym, inne pozostają czułe ale powstający sygnał nakłada się na poprzedni powodując jego 9

11 zniekształcenie i zafałszowanie. Dobrze jest, gdy liczba cząstek wnikających do detektora w czasie martwym jest odpowiednio mała. Przedstawię teraz trzy detektory, jednak najbardziej skoncentruję się na tym, który będę użytkował: Detektory gazowe Podstawowym elementem detektora gazowego są komory wypełnione gazem. Można go sobie wyobrazić jako cylindryczny kondensator wypełniony gazem, wzdłuż jego osi umieszczony jest drut o potencjale dodatnim względem ściany kondensatora. Ściana kondensatora jest katodą, a drut anodą. Przez duży opór do okładek kondensatora przyłożone jest napięcie ze źródła. Jeżeli cząstka spenetruje wnętrze cylindra to wytworzy pewną ilość par elektron-jon. Elektrony zaczną podążać do anody, a jony dodatnie do katody. Ruch jonów i elektronów będzie odpowiadał przepływowi prądu, ale z powodu dużego oporu ładunki ze źródła nie będą mogły szybko dopłynąć i zrekompensować utraty ładunku na okładkach, pojawi się na nich zmiana napięcia, co może być traktowane jako impuls wyjściowy. Po pewnym czasie różnica potencjałów na okładkach wyrówna się do stanu podstawowego przez prąd ze źródła. Napięcie przyłożone do kondensatora determinuje typ detektora gazowego. Ilustruje to rysunek II.2.1 Rys. II.2.1. Ilość zebranych jonów (amplituda impulsu) w funkcji przyłożonego napięcia. 10

12 Detektory półprzewodnikowe Detektory półprzewodnikowe zasadą działania są podobne do detektorów gazowych, lecz wykorzystuje się w nich złącza p-n. Przy zetknięciu ze sobą półprzewodnika typu n z półprzewodnikiem typu p, dziury z półprzewodnika typu p znajdujące się w paśmie walencyjnym będą przechodziły do półprzewodnika typu n łącząc się z elektronami w paśmie przewodnictwa. Będzie też zachodził proces odwrotny, powstanie w ten sposób na styku dwóch półprzewodników podwójna warstwa ładunku, a wytworzona różnica potencjałów zapobiegnie dalszej wymianie nośników ładunków. Jeżeli do takiego układu podłączy się napięcie tak, że do półprzewodnika typu n przyłoży się potencjał dodatni, a do typu p potencjał ujemny, to można uzyskać pogłębienie bariery potencjału i rozszerzenie obszaru o braku swobodnych nośników. Uzyska się w ten sposób idealny izolator. Padająca cząstka jonizująca może w obszarze złącza wytwarzać pary elektron-dziura, które poruszając się dadzą impuls o wysokości proporcjonalnej do energii utraconej przez cząstkę jonizującą. Detektory półprzewodnikowe można podzielić, ze względu na materiał użyty do budowy, na: a) detektory krzemowe b) detektory germanowe Największą zaletą detektorów półprzewodnikowych jest doskonała energetyczna zdolność rozdzielcza. Jest to odzwierciedlenie niskiej wartości energii potrzebnej do wytworzenia pary dziura-elektron. Inną zaletą jest prawie 100% wewnętrzna wydajność na rejestrację cząstek naładowanych. Funkcją odpowiedzi przy detekcji monoenergetycznej wiązki cząstek naładowanych jest pik gaussowski. W przypadku promieniowania gamma funkcja odpowiedzi ma skomplikowany kształt, ponieważ promieniowanie gamma może wywołać efekt fotoelektryczny, efekt Comptona lub zjawisko kreacji par Liczniki scyntylacyjne Licznik scyntylacyjny składa się z dwóch najważniejszych elementów są to scyntylator i fotopowielacz. Padające promieniowanie gamma wywołuje w scyntylatorze scyntylacje, czyli błyski świetlne wzbudza atomy scyntylatora, a te przechodząc do stanu podstawowego emitują fotony światła. Dobry scyntylator cechuje krótki czas narastania błysku, krótki czas wyświecania, intensywna scyntylacja pod wpływem padającego promieniowania, widmo scyntylacji odpowiadające spektralnej czułości fotopowielacza. 11

13 Materiały wykazujące zdolności scyntylacyjne można podzielić na organiczne i nieorganiczne. Scyntylatory organiczne to niektóre węglowodory aromatyczne (antracen, naftalen, stilbem). Detektory mogą być też ze sztucznego tworzywa (stałe roztwory niektórych substancji scyntylujących w tworzywie sztucznym). Ze scyntylatorów nieorganicznych najbardziej wydajne są halogenki metali alkalicznych (jodek sodu lub jodek cezu aktywowane talem). Stosuje się także niealkaliczne związki materii o nazwie BGO lub fluorek baru. Drugi element licznika scyntylacyjnego to fotopowielacz, budowa, którego pokazana jest na rysunku II.2.3. Cylinder, z jednej strony którego jest fotokatoda, a z drugiej anoda nazywamy fotopowielaczem. Wewnątrz niego zamontowane są elektrody, które zwane są dynodami. Do dynod podłącza się za pomocą oporowego dzielnika napięcie. Fotony padające na fotokatodę wybijają z niej elektrony, które są przyspieszane w polu elektrycznym. Każdy elektron padając na dynodę wybija z niej kilka elektronów, które przyśpieszone w polu elektrycznym między dynodami wybijają kolejne elektrony z kolejnej dynody. Z każdej kolejnej dynody wybijanych jest coraz więcej elektronów. Na anodzie zbierany jest powstały ładunek i spływając przez opór R powoduje spadek potencjału na nim, czyli impuls, który można zarejestrować. Rys. II.2.3 Budowa fotopowielacza. 12

14 W ten sposób błyski światła powstałe w scyntylatorze mogą być rejestrowane. Impulsy, które pojawiają się na wyjściu fotopowielacza są zliczane. Amplituda impulsów jest proporcjonalna do natężenia błysków światła, a w konsekwencji do energii zaabsorbowanej w scyntylatorze. W spektrometrii promieniowania jądrowego stosuje się zazwyczaj liczniki scyntylacyjne. Przy detekcji promieniowania gamma w użyciu są materiały o jak największej liczbie atomowej Z (jodek sodu aktywowany talem, BGO, fluorek baru). Bardzo dobrym detektorem cząstek naładowanych jest jodek cezu aktywowany talem. Odpowiedzią detektorów scyntylacyjnych dla cząstki naładowanej jest impuls gaussowski. Promieniowanie gamma daje nieregularną odpowiedź złożoną zwykle z fotopiku i obszaru Comptonowskiego. Zaletą liczników scyntylacyjnych jest szybkość działania. Najlepsze są scyntylatory organiczne, scyntylatory nieorganiczne są już dużo wolniejsze. Energetyczna zdolność rozdzielcza liczników scyntylacyjnych jest na poziomie kilku, a nawet kilkunastu procent. Ponieważ detektory scyntylacyjne są dosyć duże cechuje je 99% wewnętrzna wydajność na cząstki naładowane, natomiast taka wydajność dla kwantów gamma jest skomplikowaną funkcją rozmiarów scyntylatora i geometrii układu źródło-detektor. Kolejną cechą, która charakteryzuje scyntylator, jest stosunek liczby zliczeń w fotopiku do liczby zliczeń w całym widmie. 13

15 2.3. Scyntygrafia Scyntygrafia to metoda uzyskania obrazu narządów wewnętrznych organizmu człowieka. Obraz taki uzyskuje się przez podawanie pacjentowi radioznaczników (izotopów promieniotwórczych), a następnie rejestrowanie miejsc, z których wysyłane jest promieniowanie gamma. W tym celu wykorzystuje się urządzenie zwane scyntygrafem lub nowsze gammakamerą. W scyntygrafii bada się rozkład stężenia znacznika izotopowego w organizmie. Pozwala to na obrazowanie funkcji czynnościowych danych organów, na co nie pozwala np. tomografia rentgenowska. Jedną z najnowszych technik stosowanych w scyntygrafii jest SPECT (Single Photon Emisson Computed Tomography), czyli tomografia pojedynczego fotonu Radioizotopy i radiofarmaceutyki Aby uzyskać obraz scyntygraficzny należy podać pacjentowi doustnie, dożylnie lub metodami inhalacyjnymi radioizotop. Radioizotopy związane są zwykle z odpowiednimi nośnikami tworząc radiofarmaceutyki (ułatwia to gromadzenie się izotopu w ściśle określonych miejscach). Nośniki dobiera się w oparciu o znajomość funkcji pełnionych przez daną tkankę - są one przez tą tkankę wychwytywane, metabolizowane lub uczestniczą w niej w fizjologicznych procesach. Przykładowe radiofarmaceutyki wykorzystywane do obrazowania niektórych narządów, na przykład: - kości - związki fosforanowe wbudowywane do kości - stanów zapalnych - leukocyty lub immunoglobuliny to komórki i cząsteczki gromadzące się fizjologicznie w miejscu przebiegu procesu zapalnego. W niektórych przypadkach sam izotop wykazuje powinowactwo do gromadzenia się w pewnych tkankach, np. izotopy jodu gromadzone są w tarczycy a izotop talu 201-Tl w sercu. Najpowszechniej stosowana jest scyntygrafia tarczycy. Są dwa radioizotopy używane do obrazowania funkcji tarczycy są to I 131 i Tc 99m. Bardzo ważne jest, aby używany radioizotop miał krótki czas połowicznego rozpadu (krócej przebywa w organizmie pacjenta), był łatwy i szybki do uzyskania, w czasie jego rozpadu powstawało tylko promieniowanie gamma. Te cechy posiada technet. Jod był pierwszym radioizotopem używanym w scyntygrafii tarczycy. Jego okres półrozpadu wynosi 8 dni w wyniku rozpadu promieniotwórczego emitowane jest oprócz promieniowania gamma 14

16 promieniowanie beta minus (bez znaczenia z punktu widzenia obrazowania, szkodliwe dla tkanek obrazowanego narządu). Jod jako taki może być używany tylko do obrazowania tkanki tarczowej (tarczycy), najczęściej do badania jodochwytności. Jod pozyskiwany jest z reaktorów atomowych, gdzie stanowi jeden z możliwych produktów reakcji rozszczepienia U 235. Technet jest częściej używany niż jod. Jego okres półrozpadu wynosi 6 godzin, co wiąże się z krótszym przebywaniem izotopu w ciele pacjenta i może być używany do obrazowania całego ciała, a nie tylko tkanki tarczowej. Technet uzyskuje się z molibdenu w generatorze molibdenowo-technetowym. Eluację takiego generatora i uzyskanie pożądanej dawki aktywności (można dobierać aktywność wedle potrzeb) można przeprowadzić na miejscu, gdzie przeprowadzane są badania. Technet ponadto w czasie rozpadu wytwarza jedynie promieniowanie gamma bez niepotrzebnego i szkodliwego promieniowania beta minus. To, co jest wadą jodu w obrazowaniu jest zaletą w profilaktyce i leczeniu guzów tarczycy. Jod ze względu na produkcję zabójczego dla tkanek promieniowania beta minus niszczy doskonale komórki rakowe tarczycy Scyntygraf budowa i zasada pomiaru Scyntygraf to urządzenie służące do pomiaru rozkładu radioaktywności w Organizmie człowieka. Jego wadą jest długi czas tworzenia obrazu narządu, ponieważ potrafi w jednym pomiarze rejestrować natężenie promieniowania tylko w jednym wąskim obszarze. Zasadę pomiarów scyntygraficznych ilustruje rysunek II.3.2.1: Rys. II Zasada przeprowadzania pomiaru przy użyciu scyntygrafu. 15

17 Scyntygraf składa się ze sterowanego automatycznie licznika, który przesuwa się stopniowo meandrycznym ruchem (ukazano to na rysunku II.3.2.2) nad badanym obszarem razem z aparaturą rejestrującą i urządzeniem piszącym. Rejestruje on aktywność poszczególnych miejsc badanego obszaru i w ten sposób powstaje mapa badanego obszaru, na której widoczne są obszary zawierające izotopy. Rys. II Zasada tworzenia obrazu za pomocą scyntygrafu. Detektorem używanym w scyntygrafie jest zwykle licznik scyntylacyjny. W głowicy skanującej zebrane sygnały przekazywane są do przedwzmacniacza, a następnie do właściwego wzmacniacza. Do pomiarów wybiera się sygnały pochodzące od zjawisk fotoelektrycznych zachodzących w krysztale scyntylacyjnym. Kolimatory powodują, że sonda zbiera kwanty gamma padające prostopadle do niej lub z wąskiego obszaru Gammakamera Przewagą gammakamery nad scyntygrafem jest możliwość natychmiastowej obserwacji całego badanego obszaru. Jej schemat przedstawia rysunek II Promieniowanie gamma powstające w badanym narządzie rozchodzi się w różnych kierunkach. Jeżeli trafia na płaszczyznę gammakamery jest filtrowane przez kolimator. Po przejściu przez szczeliny kolimatora promieniowanie trafia na kryształ jodku sodu aktywowanego talem. Promieniowanie wywołuje w krysztale szereg scyntylacji, można powiedzieć, że ważna jest tu grubość kryształu. Im kryształ jest cieńszy tym mniej jest strat w promieniowaniu widzialnym padającym na fotopowielacze (występują tu pewne ograniczenia związane z wielkością 16

18 energii promieniowania), ale powinien on być odpowiednio gruby, aby jak największa liczba kwantów gamma padających na scyntylator została w nim zarejestrowana Rys. II Uproszczona budowa gammakamery. Scyntylacje wytwarzają impulsy świetlne, które są wzmacniane przez zespół fotopowielaczy. Liczba fotopowielaczy może sięgać nawet ponad 150 (zwykle 37 lub 53). W każdym fotopowielaczu wytworzony sygnał jest przekazywany do systemu pozycjonowania, gdzie tworzone są składowe sygnału lokalizacji x +, x -, y -, y + (rysunek II.3.3.2) By wyznaczyć pozycję pionową Y, od sumy amplitud fotopowielaczy z górnej części detektora y + odejmuje się sumę amplitud fotopowielaczy z dolnej części detektora y -. W podobny sposób wyznacza się składową X. Od sumy amplitud fotopowielaczy z prawej części detektora odejmuje się sumę amplitud fotopowielaczy z lewej części detektora. Badane jest, w którą stronę od centrum jest bardziej oddalony punkt scyntylacji. Składowa Z (amplituda) impulsu jest uzyskiwana jako suma amplitud sygnałów ze wszystkich fotopowielaczy. Następnie stosuje się mechanizm progowania dla sygnału Z (jeżeli sygnał ma amplitudę mniejszą od wartości progowej to jest eliminowany), to zapewnia eliminację zliczeń fotonów z rozproszeń Comptonowskich powstałych w ciele pacjenta lub kolimatorze. 17

19 Rys. II Schemat układu wytworzenia składowych lokalizacji x +, x -, y -, y +. Obraz rozkładu izotopu źródeł tworzony jest dzisiaj za pomocą komputera. Matryca lokalizacji punktowych źródeł promieniotwórczych mieści się w pamięci komputera i jest ona ustalona w ten sposób, że pokrywa się z miejscami, w których istnieją scyntylacje w krysztale. Elementy matrycy dostosowuje się do wielkości pola obserwacji. Ponieważ matryca może mieć ograniczone rozmiary, to dobiera się je tak, by nieograniczona liczba miejsc, w których mogą zachodzić scyntylacje została zredukowana do skończonych rozmiarów elementów matrycy. Jeżeli kwant gamma wywoła scyntylację, to impulsy położenia X i Y będą przetworzone cyfrowo i wskażą lokalizację zdarzenia na matrycy. Impuls Z wskaże energię kwantu. Kolejne zdarzenia są zapamiętywane w pamięci komputera, gdzie tworzy się z zebranych danych elektroniczny obraz. Wadą gammakamery jest to, iż punktowe źródło daje obraz rozmyty i rozciągnięty na większym obszarze ze stratą ostrości krawędzi. Wielkość rozmycia określa FWHM. Rozmycie powoduje, że dwa punktowe źródła muszą być od siebie oddalone o pewną minimalną odległość, aby były widziane jako oddzielne. Im większe FWHM tym większa musi być ta odległość. Wartość FWHM uzyskaną dla punktowego źródła umiejscowionego na powierzchni kryształu scyntylacyjnego jest nazywana rozdzielczością wewnętrzną. Jest to granica rozdzielczości przestrzennej gammakamery. 18

20 SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) W jednofotonowej emisyjnej tomografii komputerowej SPECT uzyskuje się obrazy za pomocą gammakamer jedno- lub dwugłowicowych posiadających możliwość obrotu. Obrazy trójwymiarowe uzyskuje się w wyniku obrotu gammakamery i rejestracji kolejnych warstw w przekroju poprzecznym. Grubość rejestrowanych warstw wynosi od 3 do 12 mm. Jeżeli chcemy dokonać obrazowania warstw podłużnych (przekrój strzałkowy lub czołowy) to należy tworzyć je z projekcji poprzecznych dla wielu warstw. Rys. II.3.4. Gammakamera rotująca - zasada pomiaru. Aby określić umiejscowienie źródła w ciele pacjenta dokonuje się pomiaru konturu ciała. Są trzy metody osiągnięcia tego. Pierwsza to pomiar transmisji promieniowania emitowanego przez źródło Xe133 umieszczonego na jednej z głowic gammakamery o dużym polu widzenia. Druga metoda polega na nałożeniu obrazu otrzymanego tomografem SPECT na obraz tego samego fragmentu uzyskanego badaniem za pomocą tomografii rentgenowskiej. Trzecia metoda to rejestracja fotonów gamma biorących udział w zjawisku Comptona zachodzącym w ciele pacjenta, przez udział w tym zjawisku kwantów rozproszonych. Tomografia SPECT posiada wiele zalet w porównaniu z klasycznymi metodami obrazowania. Umożliwia ilościowe pomiary objętości i stężenia radiofarmaceutyku. Przy obrazowaniu zmian patologicznych istnieje większy kontrast, niż w obrazowaniu innymi metodami. Wadami tomografii SPECT jest mała przestrzenna zdolność rozdzielcza, duża absorpcja promieniowania gamma na drodze od źródła do detektora. Rozproszenia Comptonowskie, które są związane z dużym polem widzenia gammakamery, także długi czas pomiaru można uznać za znaczącą wadę. 19

21 Obecnie rozwój SPECT-u posuwa się w kierunku skrócenia czasu badania i poprawy przestrzennej zdolności rozdzielczej. Poszukuje się nowych rodzajów radiofarmaceutyków i nowych metod kompensacji tłumienia promieniowania. Większość wad SPECT jest eliminowana w tomografii pozytonowej, która jednak jest znacznie bardziej kosztowna, dlatego też nie należy oczekiwać całkowitej eliminacji z praktyki medycznej tomografów SPECT Przykładowe badania Wielkością charakteryzującą kontrast tomografii emisyjnej w tworzonych obrazach jest stężenie znacznika izotopowego w tkance. Różnica pomiędzy tomografią rentgenowską, a tomografią emisyjną polega na tym, że obrazy tomografii emisyjnej prezentują procesy biochemiczne lub fizjologiczne zachodzące w organizmie np., położenie obszarów nowotworowych lub charakter czynnościowy serca, natomiast obrazy tomografii rentgenowskiej dostarczają informacji anatomicznych, takich jak lokalizacja wątroby lub nerek. Ważne jest, że obecność nieprawidłowości np. raka może być wykryta za pomocą tomografii emisyjnej 3-6 miesięcy przed pojawieniem się zmian anatomicznych widocznych na obrazie uzyskanym za pomocą tomografii rentgenowskiej. Scyntygrafia tarczycy mówi o stopniu gromadzenia się jodu w obszarach tego gruczołu. Chorobowo zmienione obszary tarczycy mają inną zdolność wychwytywania jodu niż zdrowe. Nieprawidłowe rozmieszczenie jodu 131 może dowodzić obecności zmian chorobowych i patologii w budowie i czynnościach tarczycy. Jednym z najczęściej wykonywanych badań jest badanie jodochwytności. Polega ono na doustnym podaniu dawki jodu 131 i wykonaniu po 6 i 24 godzinach pomiarów promieniowania z tarczycy. Przedstawiam przykładowe scyntygramy tarczycy. Rysunek II Przedstawia prawidłowy obraz tarczycy. Gdy pojawiają się nieprawidłowości (zwiększone lub zmniejszone gromadzenie radioznacznika) to może to świadczyć o obecności guzów. Rysunek II Na kolejnych rysunkach pokazano obrazy uzyskane przy pomocy gammakamery ORBITER firmy Siemens. 20

22 Rys. II Obraz tarczycy. * Rys. II Po lewej widoczny guz gorący, po prawej zimny. * Innymi typami badań w tomografii emisyjnej są badania pokazujące czynnościowy charakter danych organów. Przykładem może tu być scyntygrafia perfuzyjna mięśnia sercowego. Bada się stopień ukrwienia mięśnia sercowego. Najczęściej dożylnie podaje się technet-99m lub tal-201. Badanie to daje informacje o miejscach niedokrwiennych serca. Pomiary wykonuje się po wysiłku fizycznym i stanie spoczynku. * obraz uzyskany w Zakładzie Medycyny Nuklearnej w Opolu i reprodukowane za zgodą kierownictwa. 21

23 3. Opis modernizacji scyntygrafu 3.1. Plan modernizacji Pomysł unowocześnienia scyntygrafu SCIENTIMAT 2G wziął się z potrzeby utworzenia w Pracowni Jądrowej wydziału Fizyki Uniwersytetu Opolskiego stanowiska do ćwiczeń dla studentów, a co za tym idzie unowocześnienie wycofanego już z użytkowania scyntygrafu i możliwość łatwego i zautomatyzowanego wykonywania pomiarów, polegających na lokalizacji izotopu umieszczonego w kuwecie zawierającej piasek. By unowocześnić to urządzenie analogowe opracowałem następujący plan: - wymiana silników asynchronicznych na silniki krokowe wraz ze sterownikami - wykonanie układu opartego na mikroprocesorze do sterowania ruchów głowicą oraz odczytu impulsów z sondy scyntylacyjnej - wykonanie programu komputerowego do obsługi układu sterującego oraz odczytu danych z głowicy i zapamiętywanie ich Plan przedstawiłem na rys. III.1 Rys. III.1 Ideowy plan modernizacji. 22

24 3.2. Elementy modernizacji Modernizację możemy podzielić na dwie części. Część mechaniczną oraz elektroniczną. W pierwszej jak i w drugiej części zostanie opisany powód przeróbki, jaki należałoby wykonać. Impulsy powstałe w torze detekcyjnym są doprowadzane do urządzenia sterującego (AT89C51) celem ich zliczenia i zapamiętywania w pamięci komputera Część mechaniczna Do części mechanicznej zaliczamy silniki, które są odpowiedzialne za mechaniczne ruchy głowicy po osi X oraz osi Y. W fabrycznym egzemplarzu scyntygrafu zastosowano jeden silnik krokowy do przesuwu po osi Y, lecz w schematach do scyntygrafu nie umieszczono opisu do tego silnika, dlatego proponuję użycie nowego silnika ze sterownikiem. Natomiast do przesuwu po osi X użyto silnika asynchronicznego, który nie nadaje się do użycia w planowanej przeze mnie automatyzacji, dlatego też konieczne jest zastąpienie go silnikiem krokowym wraz ze sterownikiem Silniki krokowe Silnik krokowy jest to silnik przekształcający ciąg sterujących impulsów elektrycznych na ciąg przesunięć kątowych jego wirnika, lub w przypadku silników liniowych przesunięcie liniowe biegnika. Droga kątowa lub liniowa, którą przebywa wirnik (lub biegnik), jest proporcjonalna do liczby impulsów, a prędkości części ruchomej silnika do częstotliwości tych impulsów. Silnik bezpośrednio przetwarza sygnał sterujący na ustalone położenie wału. Silniki krokowe pracują w sposób dyskretny, pozwalają zamienić ciąg impulsów sterujących na równą im liczbę skoków, o stały charakterystyczny dla każdego silnika, kąt. W przerwach pomiędzy kolejnymi impulsami sterującymi, wirnik silnika krokowego zachowuje ostatnio osiągnięte położenie równowagi. Ze względu na dużą niezawodność, możliwość zmiany kierunku, prostotę sterowania oraz to, że silnik krokowy stanowi przetwornik informacji cyfrowej na dyskretnie zmieniające się położenie kątowe lub liniowe, są one stosowane do napędzania różnego rodzaju urządzeń pozycjonujących w przetwornikach położenia, w których kąt obrotu jest proporcjonalny do liczby impulsów sterujących podawanych na wejście komutatora silnika oraz do współpracy z cyfrowymi układami zasilania. 23

25 Impuls sterujący powoduje to, że uzwojenia silnika zostają zasilone (za pomocą komutatora), odpowiednim układem napięć, które są utrzymywane na nim najczęściej, aż do pojawienia się następnego impulsu sterującego powodującego zmianę tych napięć. Wywołuje to zmianę rozpływu prądu płynącego w uzwojeniu, co wiąże się ze zmianą kierunku strumienia magnetycznego, czego konsekwencją jest obrót silnika o pewien kąt, nazywany skokiem. Liczba układów napięć zasilających (stanów wejść), po przekroczeniu, której zaczynają się one powtarzać nazywana jest cyklem komutacji, natomiast każdy ze stanów wejść nazywany jest taktem komutacji. Do zalet silników krokowych możemy zaliczyć: łatwość sterowania prędkością, możliwość zmiany kierunku, dużą niezawodność oraz prostotę sterowania. Cechami charakterystycznymi silników krokowych są: zajmowanie przez wirnik ustalonych położeń odległych od siebie o wielokrotność skoku, rozwijanie prawie stałych momentów w szerokim zakresie prędkości obrotowej oraz występowanie momentu sprowadzającego wirnik do ustalonego położenia. W celu sprawdzenia planu modernizacji scyntygrafu zastosowałem silnik krokowy MIKOM FA oraz sterownik do niego MIKOMA ESU Silnik krokowy zasilany jest napięciem 12V ze sterownika, który również zasilany jest napięciem 12V o natężeniu max 4A Układ sterujący Układ sterujący potrzebny jest do komunikacji komputera ze sterownikiem silnika krokowego oraz do zliczania impulsów pochodzących z głowicy scyntygrafu. Mikrokontroler jest sercem całego układu sterującego, który komunikuje się przez port RS232 z komputerem, a następnie, otrzymując informacje, wykonuje określoną czynność, która jest w nim zaprogramowana. Mikrokontroler jest scalonym układem cyfrowym, który oprócz wbudowanej jednostki centralnej CPU posiada zintegrowaną pamięć oraz układy wspomagające. Mikrokontroler stanowi użyteczny i całkowicie autonomiczny system mikroprocesorowy, który z reguły nie potrzebuje współpracować z układami zewnętrznymi. Mikrokontrolery wykorzystuje się powszechnie w sprzęcie AGD, do sterowania procesami przemysłowymi itp. Wśród wbudowanych w mikrokontroler bloków funkcjonalnych można znaleźć: - jednostkę obliczeniową (ALU) - najczęściej 8-bit, ale także 16 i 32-bit - pamięć danych (RAM, EEPROM) i programu (EPROM, EEPROM, Flash) 24

26 - liczniki, kontrolery przerwań, kontrolery transmisji szeregowej i/lub równoległej (UART, SPI, I2C, USB, CAN, 1-Wire itp.) - przetworniki analogowo-cyfrowe i/lub cyfrowo-analogowe - zegar czasu rzeczywistego RTC Do najbardziej popularnych mikrokontrolerów należą układy takich firm jak Atmel, Intel, Freescale Semiconductors (dawniej Motorola), Infineon, Analog Devices, Philips i wielu innych. Niekwestionowany standard narzuciła tutaj firma Intel, która wprowadziła na rynek mikrokontroler Obecnie wielu producentów stara się zachować zgodność z Poniżej na rysunku III.1.2.1a przedstawiam układ AT89C51. Rys. III.1.2.1a Układ mikroprocesora AT89C51 25

27 W układzie sterującym zastosowałem mikrokontroler Atmela 8 bitowy z rodziny 8051 jest to AT89C51 z komunikacją w standardzie RS 232. Schemat wyprowadzeń na rysunku III.1.2.1b Rys. III.1.2.1b Schemat wyprowadzeń mikroprocesora AT89C51 Do tego by w pełni mógł on współpracować z komputerem jest potrzebna przetwornica napięć MAX 232, gdyż Atmel przesyła informacje w standardzie TTL, czyli od 4 do 5 V to jedynka logiczna natomiast od 1 do 0V to zero logiczne. Komputer działa w innym standardzie gdzie od 3 V do 15V jest jedynka logiczna natomiast od -3 V do -15 V to zero logiczne. Rysunek III Przedstawia układ MAX 232. Rysunek III Układ MAX

28 Oprócz tych dwóch układów scalonych wykorzystałem takie elementy jak: kondensatory, oporniki oraz zegary taktujące pokazane na schemacie (rys. III.1.2.3) Rys. III Układ sterujący. Na rysunku III pokazano schemat układu sterującego oraz sposób połączenia mikrokontrolera AT89C51 z przetwornicą napięć Max

29 Opis schematu VCC 5V GND 0V (podłączyć do uziemienia) Kondensatory: C1-10µF C2-1µF Oporniki: R1 2,5kΩ R2 9,85kΩ R3 3,5kΩ Diody: D1 Dioda zielona (3V) D2- Dioda czerwona (3V) Kwarc: CLK MHz Piny wejścia: TX wejście do komunikacji RS232 z PC INT1 wejście licznika z głowicy skanującej X0 wejście z ogranicznika X0 X1 wejście z ogranicznika X1 Y0 wejście z ogranicznika Y0 Y1 wejście z ogranicznika Y1 Piny wyjścia RX wyjście do komunikacji RS232 do PC L1 wyjście do sterownika X luzownik K1 wyjście do sterownika X kierunek GEN wyjście do sterownika X i Y generator L2 wyjście do sterownika Y luzownik K2 wyjście do sterownika Y kierunek Rysunek III przedstawia układ sterujący, który zaprojektowałem oraz zaprogramowałem na potrzeby planu modernizacji scyntygrafu. 28

30 Komunikacja w standardzie RS 232 opiera się na trójżyłowym przewodzie 1 GND (uziemienie) 2 RX (odczyt informacji) 3 TX (nadanie informacji) Układ ten steruje sterownikiem silnika, a także zlicza impulsy z głowicy urządzenia oraz przekazuje je do komputera, gdzie są magazynowane. 29

31 3.3. Program obsługi sterownika Program do obsługi sterownika, został napisany za pomocą języka programowania Delphi w wydaniu 6.0. Na rysunku III.3.1 przedstawiam widok ekranu monitora po uruchomieniu programu. Rys. III.3.1 Przedstawia wygląd programu Ogólny opis programu Program, który wykonałem nazwałem ScintiSter (obecnie jest w wersji 1.0). Program służy do wykonywania ćwiczenia w Pracowni Jądrowej Uniwersytetu Opolskiego pt. Badanie rozkładu aktywności znacznika izotopowego przy użyciu scyntygrafu SCINTIMAT 2G. ScitiSter jest dość prostym programem dla użytkownika. Posiada takie funkcje jak: - Test służy to do sprawdzenia komunikacji między układem sterującym a komputerem. - Kalibracja służy do ustawienia głowicy sterującej w pozycji X=0 oraz Y=0. - Skanuj jest to funkcja automatycznego skanowania. - Zapis wartości zapisuje wartości podane przez układ po skanowaniu. 30

32 - Otwórz wartości wprowadza do programu wartości zapisane wcześniej przez użytkownika w celu edycji bądź zobrazowania. - Drukuj drukuje wartości plików podane przez układ. - Kreśl jest to funkcja, która odświeża nam obraz po zmianach wartości wprowadzonych przez użytkownika. - Zapis skanu zapisuje obraz skanowania. - Otwórz skan odczytuje obraz skanowania zapisany wcześniej. - Strzałki kierunkowe pozwalają na swobodne przesuwanie głowicy skanującej. ScintiSter ma kilka parametrów, które użytkownik może zmieniać: - Rozdzielczość jest to wartość podana w cm i oznacza ona o jaką odległość ma przesuwać się głowica (domyślnie jest 2cm). - Czas skanowania jednego punktu jest to czas, jaki głowica skanująca ma skanować każdy punkt (domyślnie 2s). - Powierzchnia skanu jest to ustawienie, w jakim obszarze ma skanować głowica. - Poziomy jest to ustalenie, jakie mają być wyświetlone kolory dla określonej ilości zliczonych przez układ impulsów. - Port Com ustawienie portu, za pomocą którego ma odbywać się komunikacja pomiędzy programem a układem sterującym Dane techniczne Układ sterujący jak już wcześniej opisałem komunikuje się z komputerem za pomocą portu RS232 zwanym port Com. Program obsługuje komunikację na poziomie Com1 oraz Com2. Program jak i urządzenie dają możliwość maksymalnego przesuwu 48cm na osi X oraz 36cm na osi Y. Po uruchomieniu programu możemy sprawdzić czy urządzenie podłączone jest do naszego komputera. Za pomocą przycisku Test wykonywana jest próba komunikacji. Jeżeli dobrze ustawiliśmy port Com i urządzenie jest podłączone do komputera oraz do zasilania to powinno wyświetlić się okienko, iż komunikacja została nawiązana. Jeżeli wyświetli się okienko z informacją o braku komunikacji należy sprawdzić połączenia i upewnić się czy na pewno dobrze wybraliśmy port komunikacji. Stabilność i prawidłowość działania układu została rzetelnie sprawdzona. 31

33 Ustawienia programu Domyślnie program ustawiony do komunikacji za pomocą portu Com1. Ustawiona domyślnie rozdzielczość to 2 cm, czyli głowica przesuwa się co 2cm. Taka wartość pomoże użytkownikowi do wykonania tak zwanego preskanu, czyli skanu szybkiego, który pomoże zlokalizować źródło substancji promieniotwórczej. Po tym zabiegu możemy znacznie skrócić czas skanowania wybierając konkretny obszar skanowania. Rozdzielczości jakie można ustawić: - 0,5 cm - 1 cm - 2 cm (domyślny) - 3 cm - 6 cm - 12 cm Oprócz rozdzielczości można ustawić czas skanowania każdego punktu, domyślnie ustawiony jest na 2 sekundy po to by przeprowadzić preskan, który został wcześniej opisany. Czasy skanowania jakie można ustawić: 2 s (domyślny); 4 s; 8 s; 10 s; 16 s; 20 s; 30 s; 45 s; 60 s; 90 s; 120 s; 180 s; 240 s; 300 s; 360 s; 420 s; 480 s; 540 s; 600 s; W programie można ustawić obszar jaki ma przeskanować głowica. X0 dolna granica na osi X X1 górna granica osi X Y0 dolna granica osi Y Y1 górna granica osi Y Po uzyskaniu wyników można dobrać 7 odcieni kolorów, przy jakim poziomie zliczeń ma być tło, a przy jakim poziomie ma być widoczny materiał promieniotwórczy. Zobrazowanie to jest dość prymitywne dlatego do dokładnego zobrazowania polecam program ORIGIN. 32

34 Informacje programu Program informuje użytkownika o tym, w jakim miejscu znajduje się głowica skanująca. X to położenie na osi X oraz Y na osi Y. Wyświetla czas jaki nam jest potrzebny do zakończenia skanowania. Prędkość przesuwu głowicy informuje jaki odcinek pokonuje głowica w ciągu jednej minuty Skanowanie Aby rozpocząć skanowanie należy: 1. sprawdzić komunikację 2. sprawdzić czy głowica skanująca znajduje się w położeniu X=0 Y=0 3. ustawić parametry skanowania 4. nacisnąć przycisk skanuj wtedy głowica zacznie skanowanie przy ustawionych przez użytkownika parametrach. Po zakończeniu skanowania zostanie wyświetlona informacja czy skanowanie przebiegło w pełni pozytywnie czy też wystąpiły błędy. Po przeprowadzonym procesie skanowania należy zapisać wyniki. Jeżeli użytkownik wybrał preskan należy przeskanować powierzchnie, w której możemy przypuszczać, że znajduje się substancja promieniotwórcza. Po dokładniejszym skanowaniu użytkownik może za pomocą ScintiSter-u zobrazować wyniki które uzyskał. Jest to dość prymitywne zobrazowanie dlatego też do dokładnego zobrazowania polecam program ORIGIN. 33

35 Kontrola układu Sprawdzenie działania urządzeń polegało na: - Włączeniu skanowania automatycznego i kontrolowania czy silniki obracają się wtedy kiedy punkt kontrolny na monitorze oraz czy obracają się w tym samym kierunku. - Czy program dobrze pokazuje obecne położenie głowicy skanującej. - Sprawdzenie czy czas jaki ma być przeznaczony na skanowanie jest dokładnie taki jak wprowadziłem do programu. - Komunikacja na porcie Com1 oraz Com2. - Sprawdzenie stabilności programu. Kontrola układów wypadła pozytywnie. Zarówno pod względem mechanicznym, elektronicznym jak i programowym. - mechanicznie silniki mechanicznie się obracają i mogą wykonywać pracę - elektronicznie jeżeli silniki się obracają to znaczy, że jest komunikacja i że przewody są dobrze podłączone - programowo przyjąłem, że jeden cm będzie odpowiadał 1 obrotowi silnika krokowego i po naciśnięcia przycisku w lewo przy rozdzielczości 2cm silnik wykonał 2 pełne obroty, komunikacja jest prawidłowa Automatyczne skanowanie działa, program przy ustawieniach rozdzielczości 2cm i czasie 2s pokazał 47minut, a w praktyce trwało 48minut. Jest to błąd rzędu 2%. Plan przeróbki jest gotowy do realizacji. Problemy jakie napotkałem przy konstruowaniu to: - brak komunikacji okazało się, że przewód komunikacji RS232 powinien być ekranowany - nieprawidłowe działanie układu powodem było gromadzenie się ładunku, po zastosowaniu kondensatora 470µF problem został rozwiązany - nieprawidłowe działanie układu mechanicznego problemem był wadliwy sterownik silnika krokowego 34

36 Podsumowanie Celem mojej pracy było zautomatyzowanie wycofanego z eksploatacji scyntygrafu SCINTIMAT 2G firmy Siemens i przystosowaniem go do wykonywania ćwiczeń przez studentów fizyki medycznej na pracowni jądrowej. Pracę tę podzieliłem na trzy części: - część teoretyczną, w której krótko omówiłem promieniowanie, detektory promieniowania ze skupieniem się na licznikach scyntylacyjnych oraz podstawy teoretyczne scyntygrafii. Scyntygrafia jest to metoda, która pozwala nam, przez podawanie pacjentom niewielkich dawek izotopów promieniotwórczych i obserwowaniu miejsc gdzie się akumulują, diagnozować pacjenta. Jest to możliwe poprzez rejestrację wysyłanych przez nie kwantów promieniowania gamma. Używanymi urządzeniami detekcyjnymi są scyntygrafy oraz gammakamery. - Część modernizacyjną W tej części przedstawiłem plan przeróbki scyntygrafu. Przejście do układów elektroniki cyfrowej wymagałoby zaangażowania silników krokowych i wymiany pewnej części elektroniki. Współpraca nowych elementów wymagała napisania stosownego programu, który obsługuje zaprojektowany przeze mnie układ elektroniczny, który zaś sterowałby scyntygrafem. Do automatyzacji wykorzystałem, komputer klasy PC, mikrokontroler AT89C51 firmy Atmel, sterowniki oraz silniki krokowe, program ScintiSter, przewody oraz drobne elementy elektroniczne, które zostały opisane na schemacie. Tor detekcyjny scyntygrafu, jako całkowicie sprawny nie podlega przeróbkom. - Kontrola układu W tej części przetestowałem wykonany układ automatyki do pracy w scyntygrafie. Jako załączniki zamieściłem też wskazówki potrzebne do napisania instrukcji ćwiczenia i obsługi programu i urządzenia oraz źródła programów i schematy. 35

37 Summary Aim of my work was automating resigned from exploitation scyntygraf SCINTIMAT 2G of firm Siemens and adaptation him to executing of practices by students of medical physics on nuclear studio. I divided this on three part: - theoretical part, in which I talked myself over radiation, crystal sets of radiation with concentrating on meters scintillation as well as theoretical bases of scyntygrafii. Scyntygrafia is this method, which permits us, through passing patients of small doses of radioactive isotopes and observation of places where they accumulate themselves, to diagnose patient. It s possible across registration sent by quanta of radiation gamma. Scyntygrafy as well as gammakamery are used detections devices. - Modernization Part In this part I introduced plan of alteration scyntygrafu. Passage to arrangements of digital would demand commitments of stepping motor and exchanges of sure part of. Co-operation of new elements demanded writing of appropriate programme, which it serves designed electronic arrangement, which would steer scyntygraf. To automation I used, computer of class PC, microcontroller AT89C51 of firm Atmel, drivers as well as stepping motor, programme "ScintiSter, lines and small electronic elements, which became described on diagram. Track detection scyntygraf, as entirely efficient does not come under alterations. - Control of arrangement In this part I tested executed arrangement of automatic to work in scyntygraf. As enclosures I put necessary hand to writing of instruction practices and services of programme and devices as well as sources of programmes and diagrams also. 36