A الأساسية بالإصدار البوزيتروني نظام التصوير المقطعي شيدت تحديد موقع مصدر المشعة في الفضاء ثنائي الأبعاد

Summary

نقدم نظاما بسيطا ولكنه جيد البناء للتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) ونوضح مبادئ العمل الأساسية الخاصة به. الهدف من هذا البروتوكول هو توجيه المستخدم في إنشاء واختبار نظام PET بسيط.

Abstract

وقد شيدت بسيطة التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) نموذج لتوصيف كامل مبادئ العمل الأساسية. تم إنشاء النموذج الأولي PET وذلك بربط بلورات ماض البلاستيك لphotomultipliers أو في PMT التي يتم وضعها في مواقف معارضة للكشف عن اثنين من أشعة غاما المنبعثة من مصدر مشع، والتي يتم وضعها في المركز الهندسي للPET انشاء. يتكون النموذج من أربعة أجهزة الكشف عن وضعها هندسيا في 20 سم قطر الدائرة، ومصدر مشع في المركز. عن طريق تحريك مصدر سم المشعة من مركز نظام واحد قادر على كشف نزوح عن طريق قياس الوقت من الفرق رحلة بين أي PMT اثنين و، مع هذه المعلومات، يمكن للنظام حساب الموقف الظاهري في واجهة رسومية. في هذه الطريقة، النموذج يستنسخ المبادئ الأساسية لنظام PET. فهي قادرة على تحديد الموقف الحقيقي للمصدر مع فترات من 4 سم في 2 خطوط دياحلماية يستغرق أقل من 2 دقيقة.

Introduction

التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني هو تقنية تصوير غير الغازية المستخدمة للحصول على الصور الرقمية من الأنسجة والأعضاء الداخلية للجسم. وتوجد العديد من التقنيات غير الغازية التي تسمح لأحد للحصول على صور ومعلومات عن الأعمال الداخلية للمريض مثل الحاسوب المحورية التصوير المقطعي (TAC) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). كلا إعطاء القرار المكانية جيدة وتستخدم أيضا لتطبيقات في الدراسات التشريحية والفسيولوجية. على الرغم من أن نسبيا PET يعطي أقل القرار المكانية، فإنه يوفر المزيد من المعلومات بشأن عملية التمثيل الغذائي التي تحدث في منطقة الفائدة. يستخدم بشكل واسع PET للحصول على المعلومات الفنية والشكلية. التطبيقات الرئيسية في السريرية في مجالات علاج الأورام، والأمراض العصبية وأمراض القلب. أيضا، يمكن للصور PET تساعد الأطباء إعطاء تشخيص أفضل، على سبيل المثال، إنشاء تخطيط العلاج الورم.

مبدأ العمل الأساسي للأنظمة PET هو الكشف عن اثنين من هواتفطن أو أشعة جاما القادمة من زوج إبادة بوزيترون الإلكترون، سواء تحلق في اتجاهين متعاكسين نحو كشف، والتي تتكون عادة من بلورات ماض إلى جانب هذه الفرق. بلورات ماض تحويل أشعة غاما إلى الضوء المرئي، الذي يسافر إلى PMT الذي يحول إشارة ضوئية إلى نبضة كهربائية من خلال عملية الكهروضوئية. داخل PMT أجهزة إلكترونية تسمى dynodes موجودة، مما يزيد من حجم الشحنة الكهربائية قبل إرساله إلى نظام تلا. تم إنشاء هذين الفوتونات الكشف عنها عند البوزيترون (الإلكترون شحنة موجبة) المنبعثة بواسطة السائل النظائر، الذي تم حقنه في مجرى الدم من الجسم، ويقضي على مع الإلكترون في الجسم. التدابير نظام للقراءة في صدفة وقت وصول اثنين من العودة إلى الوراء الفوتونات فيما يتعلق إشارة الوقت وكذلك ركائز في كل مرة للحصول على الفرق. يستخدم النظام هذا الفارق الزمني لحساب ذوي الخوذات البيضاء موقف الفضاءيحرث مصدر الإشعاع المنبعث كل من الفوتونات، وبالتالي مكان وقوع إبادة إلكترون-بوزيترون.

يجب تحديد بعض ملامح من أنظمة PET لتحسين جودة الصورة وزيادة القرار المكانية والوقت. ميزة واحدة للنظر هو خط الاستجابة (LOR)، الذي يعرف بأنه المسافة التي الفوتونات اثنين من السفر بعد انتهاء عملية إبادة. ميزة أخرى للنظر هو زمن الطيران (TOF). جودة الصور يعتمد أيضا على الميزات الخارجية، وعلى رأسها أعضاء الجسم وحركات المريض أثناء جلسة العلاج ^1. ويطلق على النظائر المشعة المستخدمة في أنظمة PET بيتا + بواعث. هذه النظائر لها فترة عمر النصف قصيرة (بناء على أمر من ثانية). يتم إنتاجها في الجسيمات المعجلة (السيكلوترونات) عندما قصفت عناصر مستقرة مع البروتونات أو دوتيرونس تسبب التفاعلات النووية. ردود الفعل هذه على تحويل العناصر مستقرة إلى نظائر غير مستقرة، مثل C-11، N-13، O-15، F-18 وغيرها^2.

هناك نوعان من PET. (1) التقليدية: هذا يستخدم المعلومات TOF فقط لتحديد خط طول الذي وقع الفناء، ولكنه غير قادر على تحديد مكان الأصل من الفوتونات اثنين. فإنه يتطلب خوارزميات إضافية إعادة البناء التحليلي أو تكرارية لتقدير ذلك. (2) TOF PET: يستخدم الفرق TOF لتحديد موقف إبادة بوزيترون المنبعثة. يستخدم القرار مرة في خوارزمية إعادة الإعمار بمثابة نواة لوظيفة توطين احتمال ^3.

هدفنا الرئيسي هو للتدليل على المهام الرئيسية لPET، والذي يستخدم لتحديد موقع مصدر الإشعاع في الفضاء. نطاق الرئيسي للمجموعة نظام PET المقترح هنا هو تقديم دليل البناء PET الأساسي للجمهور الأكاديمي، وشرح، بطريقة بسيطة، خصائصه الرئيسية.

Protocol

1. إعداد إعداد PET

1. إعداد جانب قطع من البلاستيك ماض ال PMT. اعتمادا على نوع من PMT (حجم، شكل ضوئي) بناء قطعة ماض الكافي لتتناسب مع ضوئي للPMT.
   1. التفاف قطع ماض مع شريط أسود. ترك جانب واحد كشفت، كما سيتم يقترن ذلك مع مدخل الضوء PMT.
      ملاحظة: من المهم أن هذه القطع يتم تلميع سابقا لتجنب الخسائر تراكم الخفيفة.
2. تنظيف مدخل ضوء PMT مع الكحول (تركيز الكحول التجاري من 70٪) ثم تطبيق الشحوم بصري إليها والوجه المكشوف للماض في. إلى جانب مواجهة PMT مع ماض والتفاف عليها مع المزيد من الشريط الأسود.
   1. ربط PMT لجهد المصدر (يتم تضمين كابل لكل PMT، في هذه الحالة التحيز 14 V التحيز و 0.5 V للتحكم في الجهد). التعرف على الإشارات القادمة من PMT من خلال ربطPMT كابل إشارة إلى قناة الذبذبات الرقمية القياسية (يتم تضمين كابل إشارة أيضا لكل PMT). مراقبة التغيرات في السعة من إشارات عندما تحول على / قبالة ضوء في المختبر، للتحقق من عدم وجود خسائر الخفيفة. كرر هذه الخطوة لكل من أجهزة الكشف عن أربعة، حيث يعني كشف ماض زائد PMT.
3. بناء نظام صدفة عن طريق وضع جزء من ماض كاشف واحد فوق الجزء المقابل من كشف آخر. وضع اثنين NIM (وحدة الأجهزة النووية) الصكوك دعا الممي وحدة المنطق وحدات في قفص NIM.
4. ربط الناتج اشارات من أجهزة الكشف على المدخلات من وحدة نمطية الممي. استخدام وحدة المنطق في وضع و، من خلال تحديد هذه الحالة المنطق في اللوحة الأمامية وحدة المنطق. ربط مخرجات الممي اثنين في المدخلات وحدة المنطق.
   ملاحظة: AND هي عملية منطقية أن يختار عند وصول إشارتين مربع في نفس الوقت أو في صدفة.
5. شاركnnect وحدة المنطق إشارة خرج في وحدة نمطية قشارة (التي تعتبر الإشارات الرقمية) لحساب الأحداث (تم إنشاؤه بواسطة الأشعة الكونية ضرب في صدفة كلا كشف).

2. التقاط إشارات مع PET

1. وضع كل من كشف في الزوايا المتقابلة من مساحة مربعة محددة من قبل، حتى أنهم يواجهون بعضهم البعض، وهي 20 سم عن بعضها البعض، والقيام بنفس التمرين كما 1.4 و 1.5، ولكن هذه المرة، بدلا من استخدام الأشعة الكونية (الأشعة الكونية بمثابة مصدر مشع الطبيعي المؤقت)، استخدام مصدر الإشعاع نا-22.
   1. وضع مصدر مشع في المسافات المتوسطة بين كل من كشف وجعل الحصول على البيانات من خلال وحدة قشارة. وضع هذا النظام ويمكن أن ينظر إلى ترتيب تخطيطي للكتلة المنطق المستخدم للحصول على صدفة في أرقام 1 و 2 و 3.
2. قياس الفارق الزمني بين الإشارات الذين يصلون عن طريق يربط بين المخرجات وPMT للتميزالناتج صدفة في الذبذبات. كل الإشارات ثلاثة يذهب إلى مدخلا الذبذبات. سوف يكون هناك ثلاثة إشارات مربع في الشاشة الذبذبات. مع المقياس الأفقي (مقياس الزمن) قياس الفارق الزمني بين اثنين من إشارات تميز.
   ملاحظة: أي فصل أو فارق التوقيت عندما يكون مصدر مشع غير مباشرة في الوسط بين كل من كشف سيكون هناك القليل أو بين ساحة يميز الإشارات في المتوسط، وعندما يكون مصدر مشع خارج المركز وعلى مقربة من أحد PMT ثم لن يكون هناك فرق الوقت في المتوسط.
3. إرسال هذه الإشارات توقيت لإحدى القنوات ثمانية من CAMAC (الكمبيوتر القياس الآلي والتحكم) TDC (الوقت المتبقي لتحويل الرقمي) وحدة. للقيام بذلك، ربط مخرجات المنطق وللمدخلات TDC استدعاء "START" ثم ربط كاشف تميز المخرجات إلى المدخلات TDC التي تسمى "STOP". في إشارة ويجب أن يتأخر عن طريق تأخير مودولو قبل بعض نانو ثانية من أجل هذا إشارة لتصل قبل غيرها من الإشارات إيقاف اثنين (انظر الشكل 4).
4. معايرة وحدات TDC عد مقابل الوقت الذي أظهرته الذبذبات من خلال برنامج حاسوبي (انظر الخطوات في القسم 3). هل هذه المعايرة باستخدام الفصل المسافة بين المصدر المشع واحدة من أجهزة الكشف، وقياس متوسط ​​الفارق الزمني (الخطوة 2.3) من كل موقف. إنشاء برامج الاتصالات بين مختلف وحدات وجهاز الكمبيوتر عن طريق حافلة GPIB القياسي (الغرض العام الأجهزة باص) للقيام بذلك المعايرة.

3. بناء الآلات واجهة افتراضية

1. تحميل واستخدام البرامج ابفيف أو أي برنامج مماثل.
   ملاحظة: العمل مع ابفيف، فمن الضروري أن يكون هناك بعض المعرفة عن "G لغة البرمجة". في هذه اللغة، أي رمز أن تكون مكتوبة، وجميع الإجراءات التي يتم تنفيذها يمكن أن يتم من أداة برمجية شاحبتتيه. دليل سهل مع أمثلة عملية يمكن العثور عليها في الأداة المساعدة.
2. تحديد فائدة مجموعة من الجبهة لوحة أداة لوحة (المتغيرات البرمجة الحاويات) لحفظ بيانات الإخراج TDC.
   ملاحظة: "اللوحة الأمامية" هو يستخدم واجهة رسومية لأداة افتراضية للمستخدم و "مخطط كتلة" لبرمجة البرامج.
3. رسم الحصول على البيانات (البيانات في الوقت من TDC) عن طريق اختيار أداة المنطق من القائمة المؤامرات. تحديد البيانات المؤامرات ذات الصلة مع كل موقف من المصدر. القيام بذلك عن طريق متفاوتة المسافة مصدر من خط للكشف عن بعض سنتيمترات.
4. أخذ متوسط ​​البيانات باستخدام الدوال الإحصائية (المتوسط) من أداة القائمة الرياضية، واختيار الفترة من القيم تركزت في المتوسط. ثم، وفقا لبرمجة يتبع المنطق، واستخدام الأدوات اللازمة من القائمة مجموعة لإزالة كافة البيانات مع القيم خارج هذا الفاصل الزمني.
5. اختر مؤشرات من عشره أداة رسم بياني لوحة لعرض عدد من البيانات المخزنة في كل مجموعة، وتحديد عدد قليل من الحاويات التي تضم أكبر عدد من البيانات المخزنة.
6. الحصول على متوسط ​​البيانات في كل مجموعة المحدد في الخطوة 3.5 واستخدام هذه المعلومات لوضع مجموعة من الوقت القيم فترات لكل منصب المصدر باستخدام لهذه الكتلة ابفيف وحة أداة الرسم البياني.
7. تحديد مجموعة من المؤشرات من الجبهة لوحة أداة لوحة لتخزين متوسط ​​حصلت عليه في الخطوة 3.6 لسلسلة من القياسات.
8. تحديد بنية حالة من لوحة كتلة أداة الرسم البياني لربط كل موقف مع فاصل الخاصة به من الخطوة 3.7، وربط كل فترة إلى واحد الظاهري LED في مجموعة من الجبهة لوحة أداة لوحة.
9. لاحظ الوقت كل إشارة تستغرق للوصول إلى قنوات TDC: عند نقل مصدر مشع من منتصف أقرب إلى كشف واحد، ومراقبة حركة المصدر الظاهري في مجموعة برمجة المصابيح (انظر الشكل 5 ) تتحرك إلى اليمين في الكمبيوتر.
10. تشمل التحكم (عنصر البرمجة متغير) من الجبهة لوحة أداة لوحة لشراء الوقت الإجمالي.
    ملاحظة: إن كفاءة المواقع تعتمد على هذه الأداة قياس الزمن: المزيد من الوقت يستغرق الحصول، فإن الكائن الظاهري على نحو أدق محاكاة المصدر المشع تعطي الموضع الصحيح.

4. نتائج الرسومية

1. لأغراض المعايرة، ضع مصدر في أي موقف قريب وسيطة لأحد أزواج بالإضافة للكشف. أخذ قياسات لمدة 30 دقيقة، ومع البيانات التي حصل عليها، واتخاذ متوسط ​​قيم المتراكمة كل 2 دقيقة. كرر هذه العملية لشغل وظائف المصادر المختلفة ورسم متوسط ​​قيمة من كل كشف في جميع الوظائف (أنظر الشكلين 6 و 7). يتم رسم الاختلافات في القيم كشف في الشكل 8.
2. للحصول على أفضل دورة الفتشوبLTS، حدد اثنين من أجهزة الكشف عن وجود قيم بيانات مشابهة لتشكيل الزوجين. لاختبار هذا، وضعت PMT السيطرة على الجهد لانخفاض قيمتها، في هذه الحالة 0.5 V. بدء قياس عدد من الأحداث الكشف مع وحدة قشارة لفترة محددة من خلال ربط مخرجات كاشف للمدخلات قشارة. زيادة الجهد بنسبة 0.01 V وقياس مرة أخرى. كرر هذه العملية للوصول إلى أقصى قيمة الرقابة الممكنة، في هذه الحالة 0.9 V.
   1. رسم عدد من الأحداث الكشف مقابل الجهد التحكم في موازين نصف لوغاريتمي (انظر الشكل 9). زوجين أزواج للكشف عن وجود توزيعات مماثلة.
3. لاختبار الحساسية للنظام، ووضع المصدر المشع في بعض المواقف المتوسطة تباعد متساوية على طول خطوط، في هذه الحالة هناك خمسة. الحصول على البيانات لمدة 5 دقائق في كل موقف، ورسم المتوسط ​​ومتوسط ​​القيم التي تم الحصول عليها لكل كاشف بشكل مستقل (انظر الأرقام 10 و 11).

Results

وحقق نتيجتين الرئيسية مع هذا النظام PET. أولا: مزامنة الفعال بين التأثيرات البصرية للمصدر المشع الظاهري عندما تتحرك العينة المشعة الحقيقية. مع هذا البرنامج، يكون لدى المستخدمين السيطرة على اكتساب الوقت، وعدد من حالات التكرار في نفس الموقف، والاختلاف الفاصل حول الحصول على البيانات يعني، من بين أمور أخرى. ثانيا: بناء هيكل بسيط من المنطق صدفة للحصول على الفارق الزمني بين إشارتين، وتحويل هذا الفارق الزمني لإبعاد لحساب الموقف النهائي للمصدر.

Discussion

واحد الجوانب الهامة لهذا النظام هو أن تكون هناك سيطرة جيدة جدا على القرارات المكانية والوقت. القرار المكاني للPET محدودة بسبب الخصائص الفيزيائية للالاضمحلال الإشعاعي والإبادة، ولكن أيضا الجوانب التقنية للتسجيل صدفة (الخطوات 1.1 و 1.2) ومصادر خارجية للأخطاء، مثل حركة الكائن أثناء فحص ^5. وبالتالي، فإن الموضع الدقيق قياس تعتمد على الفرق TOF (الخطوة 2.4). أسلوب واحد لتحقيق قرار الوقت المناسب هو قياس نصف الحد الأقصى العرض الكامل (FWHM) من توزيع TOF ^6.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
المميز منخفض العتبة	CAEN	N845
الوحدات المنطقية	Lecroy	365AL
تأخير الوقت	CAEN	N108A
راسم الذبذبات	Tektronic	TDS3014C
Quad Scaler وعداد محدد مسبقا	CAEN	N1145
TDC	Lecroy	2228
PMT & rsquo; s	Hamamatsu	H5783p
Power Chasis	Lecroy	1403
GPIB Interface	Lecroy	8901A
NIM مزود الطاقة	Lecroy	1002B
CAMAC Crate	Borer-co	1902A
بلورات وميض	Bicron	408	1 سم × 2 سم × 5 سم
مزود الطاقة	Agilent	E3631
Na 22 نشاط المصدر			2   ؛ مو Ci
Software LabView 7.1	موصلات
			nsec, 3  NSEC و 8 & nbsp ؛
فيلم