Sau đó, máy ảnh Compton đã được thử nghiệm cho các ứng dụng đa dạng, đặc biệt là trong vật lý thiên văn năng lượng cao như các thành phần của kính viễn vọng và vệ tinh cũng như cho các p
Giới thiệu
Khái niệm về Compton camera ban đầu được đề xuất bởi Schonfelder vào năm 1973 Sau đó, máy ảnh Compton đã được thử nghiệm cho các ứng dụng đa dạng, đặc biệt là trong vật lý thiên văn năng lượng cao (như các thành phần của kính viễn vọng và vệ tinh) cũng như cho các phép đo bức xạ môi trường, chẳng hạn như phát hiện của các nguyên tố phóng xạ trong đất và ngoài trời Máy ảnh Compton là một máy dò tia γ sử dụng nguyên lý tán xạ Compton để tái tạo quỹ đạo bức xạ γ Tương tác tia γ với vật liệu có thể được giải thích bằng ba cơ chế chính: hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp Trong sự hấp thụ quang điện, một photon được hấp thụ bởi một electron nguyên tử, dẫn đến sự giải phóng các electron khỏi quỹ đạo của nguyên tử Tán xạ Compton là tán xạ đàn hồi của các photon tới bởi các electron của môi trường tán xạ và chiếm ưu thế, đặc biệt, trong dải năng lượng từ vài chục keV đến vài MeV Nguyên lý hoạt động của hệ máy ảnh Compton dựa trên hiệu ứng tán xạ Compton, một hiện tượng của vật lý hạt nhân, một tia γ kết hợp với một điện tử tự do trong vật liệu để tạo ra một tia γ với năng lượng thấp hơn và một điện tử phát xạ Quá trình này được gọi là hiệu ứng rơi tự do hoặc nhiễu Compton Hệ máy ảnh Compton bao gồm một mạch đo lường với nhiều cảm biến, chiếu bằng tia γ và chụp lại chuỗi dữ liệu Các cảm biến hấp thụ các tia γ, cho phép đo lường đồng thời vị trí, hướng và năng lượng của tia γ Quá trình xử lý dữ liệu được thực hiện bởi một phần mềm đặc biệt, cho phép tạo ra hình ảnh 3D từ các dữ liệu thu thập được.
Trong quá trình tạo cặp, một photon được biến đổi thành một cặp electron-positron Hiện tượng tạo cặp chiếm ưu thế ở mức năng lượng > 10 MeV Hiệu ứng Compton, chiếm ưu thế trong dải năng lượng rộng, như trong Hình 1,
Hình 1 Năng lượng tại đó hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp chiếm ưu thế so với số nguyên tử (Z) của chất hấp thụ.
Một trong những thiết bị phát hiện tia γ nhiều triển vọng nhất—máy ảnh Compton—đạt được độ nhạy cao bằng xóa nền, như đã được chứng minh bởi kính viễn vọng chụp ảnh Compton (COMPTEL) trên vệ tinh của Đài thiên văn tia γ Compton (CGRO) Trong cơ chế tán xạ Compton, tia γ tới truyền một phần năng lượng của nó cho một electron và bị tán xạ theo một góc nhất định so với hướng ban đầu của nó Năng lượng mà photon truyền trong quá trình tán xạ được chuyển thành động năng của electron thứ cấp Do đó, nguồn tia γ tới có thể được xác định dựa trên thông tin tán xạ Compton được ghi lại trong bộ dò của máy ảnh Compton Một máy ảnh Compton cơ bản bao gồm hai loại máy dò phụ: bộ phân tán và bộ hấp thụ Hình 2 hiển thị một sơ đồ của máy ảnh Compton cơ bản.
Hình 2 Sơ đồ minh họa máy ảnh Compton chung ( trái ); Các nón compton của mỗi sự kiện được xếp chồng lên nhau để định vị nguồn tia γ ( bên phải ).
Nguồn tia γ tới được xác định bằng cách đánh giá các tương tác liên tiếp của các photon tới với bộ tán xạ và bộ hấp thụ Tia γ do một nguồn riêng lẻ phát ra trải qua tán xạ Compton trong bộ tán xạ và sau đó được hấp thụ bởi bộ hấp thụ Những sự kiện tán xạ và hấp thụ này được gọi chung là sự kiện Compton Các hình nón, được hình thành bởi góc tán xạ Compton và vị trí tương tác trong bộ tán xạ, được tích lũy lại với nhau để định vị nguồn tia γ Nếu chúng ta giả sử rằng tia γ tới tạo ra một năng lượng E 1 trong bộ tán xạ Compton và năng lượng còn lại E 2 trong bộ hấp thụ, thì tổng năng lượng tới, được biểu thị bằng Etrong , được thể hiện bằng các phương trình sau:
Góc tán xạ được tính như sau:θ trong đó m e c 2 là năng lượng khối lượng nghỉ của electron tán xạ Do đó, ước tính vị trí tốt và độ phân giải năng lượng là những yêu cầu chính đối với máy ảnh Compton để giữ được nền thấp với động học Compton.
Trong lĩnh vực vật lý thiên văn năng lượng cao, việc nghiên cứu các tia γ phân cực, được tạo ra bởi các hiện tượng năng lượng cao như sự tạo bức xạ synchrotron, bức xạ hãm và tán xạ Compton, vẫn là một nhiệm vụ đầy thách thức do không có máy dò phù hợp có thể phát hiện và đo hiệu quả các tia γ phân cực này Kể từ khi máy ảnh Compton phát triển,
6 chúng đã nổi lên như những thiết bị có thể phát hiện tia γ phân cực bắt nguồn từ hiện tượng vật lý thiên văn năng lượng cao Các máy ảnh Compton cũng cung cấp thông tin về hình học phát xạ và cấu hình từ trường Sau khi giới thiệu máy ảnh Compton trong vật lý thiên văn, nhiều kính viễn vọng đã được đề xuất và thử nghiệm để quan sát các hiện tượng thiên thể khác nhau Một thành tựu khác của máy ảnh Compton trong thiên văn học là việc phát hiện ra tinh vân Crab vào năm 2011 bởi máy ảnh Compton dựa trên máy dò
Ge trên hệ thống khinh khí cầu Hơn nữa, sau thảm họa Nhà máy Hạt nhân Fukushima Daiichi (FDNP) vào năm 2011, các đồng vị phóng xạ phát ra γ (RI), chủ yếu là Cs, Cs và I, đã được giải phóng vào khí quyển và tồn tại trong môi trường Một 137 134 131 số RI đã giải phóng này, lượng phát thải và thời gian bán hủy của chúng được liệt kê trong Bảng 1 Theo đó, cho đến nay, nhiều loại máy ảnh Compton nhẹ và di động có độ nhạy cao hơn đã được phát triển để xác định các điểm nóng bức xạ.
Bảng 1 Một số RI thải vào khí quyển trong sự cố hạt nhân Fukushima năm 2011.
Sự thành công vang dội của máy ảnh Compton trong các quan sát vật lý thiên văn đã thúc đẩy ứng dụng tiếp theo của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong hình ảnh y tế Todd và cộng sự đã đề xuất máy ảnh Compton như là lựa chọn thay thế phù hợp cho các hệ thống hình ảnh chuẩn trực cơ học được sử dụng trước đây, chẳng hạn như máy ảnh Anger và lấy cảm hứng từ điều này, Singh và Doria đã phát triển nguyên mẫu hoạt động đầu tiên của máy ảnh Compton cho hình ảnh y tế vào đầu những năm 1980 Trong những năm 1980 và 1990, máy ảnh Compton dựa trên chất bán dẫn đã được giới thiệu,dựa trên sơ đồ được đề xuất bởi Singh Sau đó, vào năm 1993, Martin đã đề xuất một máy ảnh tán xạ Compton dạng vòng bao gồm một máy dò Ge (HPGe) có độ tinh khiết cao và một dãy các chất nhấp nháy NaI hình trụ Sau đó, LeBlanc đã thay thế máy dò Ge bằng máy dò Si pad dạng mảng để phát triển máy ảnh Compton dựa trên máy dò Si Pad, gọi làC-SPRINT, cho các ứng dụng y học hạt nhân So với hệ thống chụp cắt lớp vi tính phát xạ đơn photon (SPECT) được chuẩn trực cơ học, hiệu quả phát hiện tia γ của C-SPRINT được phát hiện là cao hơn ở mức năng lượng thấp hơn Năm 1988, Kamae đã đề xuất khái niệm về một máy ảnh Compton tán xạ nhiều lớp bao gồm các lớp máy dò dải Si mỏng được bao quanh bởi một máy nhấp nháy CsI hình trụ Dựa trên thiết kế do Kamae và cộng sự đề xuất, Dogan và cộng sự tái tạo hình ảnh được đề xuất bằng cách tán xạ nhiều tia γ Năm 2004, Wulf đã phát triển một máy ảnh Compton sử dụng ba lớp máy dò dải Si hai mặt (DSSD) và các hình ảnh và phổ được tái tạo được tạo ra bởi các nguồn tia γ Cs 137 và Co sử dụng máy ảnh Compton nhiều lớp này, dựa trên báo cáo của Kroeger và cộng 57 sự Năm 2007, Vetter đã phát triển máy ảnh Si/Ge Compton bằng cách kết hợp các tính năng vượt trội của máy dò HPGe và DSSD.
Các nghiên cứu được báo cáo này chỉ ra rằng máy ảnh Compton đã được sử dụng tích cực trong y học, đặc biệt là trong y học hạt nhân và liệu pháp Hadron, trong hai thập kỷ qua Y học hạt nhân, sử dụng các RI phát ra tia γ để nắm bắt thông tin sinh lý của khối u, là một công cụ chẩn đoán quan trọng Chẩn đoán hạt nhân được thực hiện bằng cách đưa các RI vào bệnh nhân thông qua đường tĩnh mạch và các máy dò xung quanh tích hợp sẽ phát hiện các tia γ phát ra từ các khối u để tái tạo lại hình ảnh Do đó, để thu được thông tin chính xác về sự phân bố của các bộ theo dõi RI này, cần có các máy dò tia γ có độ chính xác cao SPECT là một trong những kỹ thuật hình ảnh y tế thường được sử dụng, trong đó các nguồn phát đơn photon (tia γ) được phát hiện và sau đó hình ảnh được phát triển dựa trên các photon được phát hiện Ngoài ra, chỉ có thể sử dụng các bộ theo dõi năng lượng thấp (~300 keV) trong các hệ thống SPECT chuẩn trực cơ học Do đó, có nhu cầu cao đối với các phương thức hình ảnh SPECT thay thế Thay vào đó, Carminati đã đề xuất và phát triển một hệ thống SPECT tương thích với hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) dựa trên nhân quang silicon (SiPM) đã vượt qua các xét nghiệm hình ảnh lâm sàng sơ bộ Các máy dò được sử dụng trong hệ thống này là Cesium iodua pha tạp Tali CsI(TI) kết hợp với SiPM Đánh giá sơ bộ cho thấy rằng độ phân giải không gian bên ngoài tốt hơn 10 mm và do đó được coi là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho SPECT thông thường Trên mặt khác, trong thập kỷ qua, máy ảnh Compton, không yêu cầu bộ chuẩn trực cơ học và có thể phát hiện nhiều loại năng lượng tia γ, đã được chú ý như là lựa chọn thay thế khả thi cho máy SPECT chuẩn trực cơ học trong chụp ảnh y tế hạt nhân hình ảnh đồng thời của nhiều bộ theo dõi RI, mang lại thông tin chi tiết về các tổn thương cũng như cho phép xác định tức thời các yếu tố tương ứng với các chức năng cụ thể.
Gần đây, một ứng dụng thú vị của máy ảnh Compton, là theo dõi phạm vi chùm tia hoạt động trong liệu pháp Hadron, đã được hiện thực hóa, bởi vì năng lượng của tia γ nhắc thứ cấp bắt nguồn từ sự tương tác của chùm tia với các tế bào trong cơ thể bệnh nhân dao động từ một vài trăm keV đến vài MeV Việc sử dụng tia γ tức thời để xác minh phạm vi lần đầu tiên được đề xuất bởi Jongen và Stichelbaut vào năm 2003 và Min năm 2006. Thông tin phạm vi có thể được trích xuất từ các mẫu quang phổ, thời gian hoặc không gian của các tia γ tức thời Có một mối tương quan giữa điểm phát xạ của tia γ và vị trí cực đại Bragg Trong liệu pháp Hadron, việc xác minh phạm vi dừng của các proton hoặc ion nặng được chiếu xạ trong cơ thể bệnh nhân là rất quan trọng để giảm thiểu sự không
8 chắc chắn về phạm vi vốn có, điều này được thực hiện bằng cách phát hiện các tia γ tức thời phát ra Mặc dù hiệu quả của máy ảnh Compton vượt trội so với máy ảnh Anger, những thách thức như tốc độ đếm thấp, lấy mẫu không đầy đủ và năng lượng photon ban đầu chưa biết cản trở việc triển khai hiệu quả các thiết bị mới này trong trị liệu y tế Do đó, nhiều nghiên cứu khác nhau đang được tiến hành trên toàn thế giới để cải thiện hiệu quả của máy ảnh Compton, thuật toán hình ảnh, kỹ thuật đo lường và thông số kỹ thuật của máy dò để xác minh liều lượng theo thời gian thực trong liệu pháp Hadron.
Rất ít tài liệu đánh giá về máy ảnh Compton tồn tại trong tài liệu; những thứ đã được xuất bản chỉ bao gồm các chủ đề cụ thể (ví dụ: bộ dò được sử dụng trong máy ảnh Compton hoặc cách sử dụng cụ thể của chúng) Hơn nữa, còn thiếu các bài báo đánh giá hiện tại về máy ảnh Compton và các ứng dụng của chúng Bài viết này sẽ đóng vai trò là nguồn kiến thức về máy ảnh Compton, lịch sử phát triển của chúng, các lĩnh vực ứng dụng chính của chúng và xu hướng trong thuật toán hình ảnh được sử dụng trong các máy ảnh như vậy Mục đích chính của bài báo này là giới thiệu và giải thích các loại máy ảnh Compton khác nhau tùy theo loại máy dò được sử dụng, mục tiêu đo lường và lĩnh vực ứng dụng Hơn nữa, chi tiết về một số phương pháp tái tạo hình ảnh phổ biến cho máy ảnhCompton, được báo cáo bởi các tác giả khác nhau, đã được trình bày ở đây Những nhược điểm của máy ảnh Compton cũng như các hướng cải tiến trong tương lai.
Các loại hệ máy ảnh Compton
Máy ảnh Compton dựa trên máy dò Si/CdTe
Nói chung, các máy dò phân tán dựa trên chất bán dẫn được phát triển rộng rãi vì hiệu quả phát hiện cao và độ phân giải năng lượng tuyệt vời của chúng Bảng 2 liệt kê các chất bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất trong máy dò và tính chất của chúng.
Bảng 2 Tính chất của một số máy dò bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong máy ảnh
Trong số các loại máy dò khác nhau được sử dụng trong máy ảnh Compton, máy dòSi/cadmium Telluride (CdTe) được coi là phù hợp cho các phép đo tia γ Các máy ảnhSi/CdTe Compton thể hiện độ phân giải năng lượng cao cũng như độ phân giải góc cao, đặc biệt đối với tia γ vài trăm keV Máy dò Si được đặc trưng bởi năng lượng tuyệt vời và độ phân giải không gian do tiết diện hấp thụ quang của Si thấp hơn cũng như độ mở rộng Doppler nhỏ hơn so với các chất bán dẫn khác Ngược lại, các máy dò CdTe, có mật độ cao và số nguyên tử hiệu dụng cao, bao gồm các điốt Schottky có độ phân giải cao, do đó độ phân giải và hiệu suất năng lượng của chúng tốt hơn so với các máy dò Si Sự khởi đầu của thế kỷ 21 được đánh dấu bằng sự phát triển của máy ảnh Si/CdTe Compton, là sản phẩm kế thừa của COMPTEL, bởi Takahashi Những máy ảnh này sử dụng nhiều lớp DSSD, máy dò pixel CdTe và mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng tương tự có độ ồn thấp (ASIC) tiên tiến cao .
Hình 3 Hiển thị các bức ảnh thực tế về (a) chồng DSSD, (b) chồng máy dò CdTe và (c) máy ảnh Si/CdTe Compton nguyên mẫu.
Trong DSSD, các dải Si loại p và n được pha tạp cao được cấy trực giao để cung cấp các phép đo tọa độ hai chiều Trong khi đó, máy dò điểm ảnh CdTe bao gồm indium làm mặt điện cực chung và mặt điện cực bạch kim còn lại được tạo pixel, trong đó một lớp vàng mỏng Ban đầu, máy ảnh Si/CdTe Compton được phát triển như một máy dò tia γ mềm và được phóng vào quỹ đạo thấp của Trái đất trên vệ tinh Hitomi cho sứ mệnh ASTRO-H, trước đây được gọi là sứ mệnh NeXT, vào năm 2013 với tư cách là người kế nhiệm sứ mệnh X-quang Suzaku Kính thiên văn Si/CdTe Compton có thể hoạt động ở nhiệt độ vừa phải từ 0 đến −20 °C Sau thảm họa Nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi năm
2011, do Trận động đất lớn ở phía Đông Nhật Bản, một máy ảnh Si/CdTe Compton, ASTROCAM, đã được chế tạo để đo mức độ ô nhiễm phóng xạ (điểm nóng) tại địa điểm xảy ra tai nạn và trong môi trường xung quanh, bao gồm đất xung quanh thực vật và cây cối Máy ảnh bao gồm tám máy dò Si và bốn máy dò CdTe (kích thước: 5 cm × 5 cm và trọng lượng: 8–13 kg) Các camera Si/CdTe này thể hiện độ phân giải góc và năng lượng tốt (2,2% ở mức tối đa một nửa (FWHM) và 5°, tương ứng) đối với các photon có năng lượng 662 keV và tốc độ đếm cao 0,16 cps/MBq ở khoảng cách 1m Các ứng dụng y tế của máy ảnh Si/CdTe Compton đã được giới thiệu bởi Sakai, đặc biệt là trong chụp ảnh hạt nhân của các RI khác nhau, tiếp theo là những cải tiến trong thuật toán chụp ảnh Compton In vivo và hình ảnh con người, ứng dụng của máy ảnh Si/CdTe Compton là thành tựu quan trọng của các thiết bị này trong lĩnh vực hình ảnh y tế hạt nhân.
Bộ tán xạ Si có độ nhạy thấp đối với tia γ năng lượng Cao (vài MeV) Do đó, tính khả thi của việc sử dụng các máy dò này để phát hiện năng lượng phát xạ tia γ thấp hơn năng lượng được sử dụng trong các ứng dụng giám sát chùm tia khác hiện đang được nghiên cứu Parajuli và các cộng sự đã sử dụng ASTROCAM để theo dõi phạm vi của chùm tiaC-ion được sử dụng trong xạ trị bằng cách đo tia γ hủy 511-keV và tia γ tức th 718- keV Shiba và cộng sự đã thực hiện một giám sát in vivo về tia γ hủy diệt phát ra từ một con chuột bị chiếu xạ bởi chùm ion C Turecek và cộng sự được cho là đã phát triển máy ảnh Si/CdTe Compton dựa trên công nghệ Timepix3 Nghiên cứu đã chứng minh lợi ích của việc sử dụng công nghệ Timepix3 có thể nâng cao độ phân giải và giảm kích thước máy ảnh Compton Máy ảnh Compton đã được sửa đổi với ứng dụng chỉ một bộ dò một lớp CdTe và sự kết hợp của bộ dò Timepix3 với hệ thống đọc MiniPIX TPX3 thu nhỏ Đánh giá hiệu suất của máy ảnh đã chứng minh tính khả thi của nó trong việc phân biệt các nguồn γ nằm ở khoảng cách gần và xa hơn so với máy dò và có thể phân biệt loại nguồn bằng năng lượng của chúng Tomita và cộng sự đã đề xuất và phát triển thiết bị tạo ảnh 4π Compton gắn trên xe dựa trên thiết bị dò CdTe mảng pixel 3D Vị trí và hoạt động của đơn Cs được ước tính định lượng trong không gian voxel 3D ở ba vị trí Hơn nữa, 137 một số nhóm khác đã đánh giá tính khả thi của việc thay thế CdTe bằng cadmium–kẽm– telluride (CZT), chất này thể hiện điện trở suất tương đối cao hơn và do đó dòng điện rò rỉ thấp hơn, để phát triển máy ảnh Compton với nhiễu xung quanh bị triệt tiêu.
Máy ảnh Compton dựa trên máy dò Ge
Máy dò Ge là lựa chọn thay thế phổ biến cho máy dò Si trong máy ảnh Compton vì các đặc tính thuận lợi của Ge so với Si; chẳng hạn, HPGe có độ phân giải năng lượng tuyệt vời khoảng 0,2% ở 662 keV Tuy nhiên, các máy dò dựa trên Ge phải được vận hành ở nhiệt độ rất thấp được điều chỉnh bằng phương pháp đông lạnh Hơn nữa, tinh chỉnh về hiệu quả là cần thiết để thực hiện các phép đo bằng máy dò HPGe Máy dò Ge, chẳng hạn như Gammasphere, Euroballs và AGATA, sử dụng các mảng bị nén Compton và kết quả là thể hiện độ phân giải năng lượng tuyệt vời, hiệu suất cao và tỷ lệ đỉnh trên tổng cao, do đó giảm thiểu hiệu quả các thiếu sót của máy dò NaI Singh và cộng sự cho thấy rằng hiệu suất tán xạ Compton đơn lẻ của Ge cao hơn hiệu suất của Si, và do đó độ dày của máy dò phía trước phải ở mức tối thiểu (
