一个基本的正电子发射断层扫描系统构建以定位放射源的双维空间
February 1st, 2016
我们提出了一个简单但结构良好的正电子发射断层扫描 （PET） 系统，并阐明了其基本工作原理。该协议的目标是指导用户构建和测试一个简单的 PET 系统。
以下实验的总体目标是展示使用两对光电探测器的正电子发射断层扫描系统的基本原理。与商用 PET 系统相比，使用这种原型的主要优点是用户可以清楚地看到 PET 的基本工作原理。当我们试图为医学物理学领域的硕士生详细阐述我们的实验室活动时，我们第一次有了这个系统的想法。
演示该程序的是我实验室的技术人员 Marcus Fontaine。通过准备检测系统开始 PET 设置工作。使用光电倍增管和抛光塑料闪烁体件制作每个探测器。
设计闪烁体件以匹配光电倍增管灯入口的大小和形状，以实现良好的耦合。下一步是用黑色胶带包裹闪烁体。留出一侧未覆盖，以便与光电倍增管灯入口耦合。
将闪烁体放在一边，开始使用光电倍增管。使用酒精和干净的布清洁光电倍增管灯入口。完成后，获取光学油脂并将其涂抹在进光口，直到完全覆盖。
返回工作，使用闪烁体，并在其未覆盖的表面上涂抹光学润滑脂。涂抹光学润滑脂后，对准光电倍增管光入口和未覆盖的闪烁体表面。然后耦合两个处理过的表面。
要完成探测器，请用更多的黑色胶带包裹光电倍增管和闪烁体，如本例所示。在继续测试之前，至少创建四个检测器。通过将探测器连接到电压源和标准数字示波器来测试探测器。
在实验室中关灯和开灯，同时监测示波器上的信号，以验证没有光损失。接下来，将光电倍增管输出连接到定标器以计数检测到的事件。将检测器电压调整到最低值;在本例中为 5 伏特。
现在将注意力转向检测器。将钠 22 源直接放在闪烁部分的表面上。使用缩放器记录三分钟内检测到的事件数。
然后将控制电压增加 0 点 1 伏。重复测量此值和所有其他值（直至最大控制电压）的检测到事件的时间。在所有检测器都经过完全测试后，绘制检测到的事件数量与控制电压的关系图。
此图包括来自 12 个检测器的数据。选择两个曲线相似的检测器以形成一个符合对。例如，此图中的探测器 O 和 I。
确定两个匹配的对后，继续构建和测试两个重合系统。通过放置两个匹配的探测器来构建重合系统，使一个探测器的闪烁体部分直接位于另一个探测器的闪烁体上。接下来，检查电子元件。
符合系统需要三个核仪器模块、一个鉴别器、一个逻辑单元和一个缩放器。将探测器的输出信号连接到鉴别器模块的输入端。在 logic unit 上，在前面板上选择 end mode。
然后将两个鉴别器输出连接到 logic unit inputs。将 logic unit 输出连接到 scaler 模块以对事件进行计数。在此配置中，缩放器应记录由于宇宙射线撞击符合系统而导致的符合事件。
该示意图是用于测试一对探测器的完整符合检测系统。在继续之前，请测试每对检测器。下一步是创建 PET 设置。
将四个检测器放在正方形的角上。将闪烁体定向为指向正方形的中心。直接面对面的探测器形成一个重合对。
探测器表面相距约 20 厘米。继续将每个检测器连接到鉴别器、逻辑模块和缩放器的单独通道。对于四个 detectors的符合计数，请实现下图中描述的 logic block。
此处检测器标记为 I、J、E 和 F，它们的信号通过未显示的鉴别器传递。在此图中，每个检测器都与一个 OR 模块相关联。将每个检测器的输出连接到三个 OR 模块的输入，如彩色线条所示，它与该模块无关。
接下来，将 OR 模块的输出连接到 AND 模块以完成符合逻辑。在以下步骤中，仅向一个重合对供电。然后对第二对重复上述步骤。
返回到带有钠 22 辐射源的探测器阵列。沿符合对的检测器之间的线放置源。使用一个检测器作为参考并测量到源的距离。
在电子机架上，使用两个检测器的鉴别器输出作为示波器的输入。在示波器上显示信号，并在水平访问上显示时间。此外，获取 coincidence logic block 的输出并将其输入到示波器中。
resquare 信号应出现在屏幕上。利用示波器上测得的甄别器信号之间的时间差进行后续校准步骤。接下来，准备计算机自动测量和时间数字转换器或 TDC 模块。
将 logic block 的 output 连接到 TDC start input。然后将鉴别器的输出连接到延迟模块。将 delay 模块的输出传递给 TDC 的 stop inputs。
此原理图概述了此时的设置。将模块和计算机与通用仪表总线连接起来，以进行软件控制。安装 Labview 或类似软件以创建虚拟仪器。
此时，对符合对执行 TDC 校准步骤。下一步是从 1 个重合系统开始校准系统。沿着两个检测器之间的线，确定五个等距的点，包括中点。
此设置的点间隔为 4 厘米。接下来，将辐射源放在两点之间。源就位后，开始收集符合事件、TDC 数据 30 分钟。
每 1 或 2 分钟绘制一次所有收集的 TDC 数据的平均值。这是整整 30 分钟后的典型情节。两条曲线对应于符合对的两个检测器。
使用两个检测器的 TDC 值差值的平均值图来定义时区，以便查找源。现在，将辐射源移动到探测器之间的不同标记位置。获取 30 分钟的数据并确定新时区，然后对 5 个点中的每个点重复此作。
接下来，开始测试货币对的敏感度。对于不同的收集时间，在所有标记的点重复 TDC 测量。测试灵敏度后，继续设置虚拟仪器。
仪器会将软件 LED 与辐射源的位置相关联。该数组中心的 5 个垂直 LED 对应于用于定义时区的 5 个标记位置。在此图中，我们两个相邻位置的 TDC 数据。
仓位的 TDC 差值数据的平均值位于区间的中心。区间表示数据的标准差。数据应来自将用于解析本协议中两分钟位置的收集时间。
通过截断间隔以使其不会重叠，选择时间窗口测量以与 LED 的位置相关联。校准两个重合对后，设置将完成。此时，检测器之间应该有 9 个标记位置。
将辐射源放在其中一个位置。收集数据 2 分钟，并测试虚拟仪器定位辐射源位置的准确性。这些是每个检测器的响应图和形成符合系统的一对检测器。
纵轴上给出了一分钟间隔内的累积平均 TDC 值。一分钟间隔的索引沿水平轴。数据收集时间超过 30 分钟。
不同颜色的线条对应于辐射源的不同位置。这些平均值之间的差异绘制在此处。每组测量值都应具有线性行为，允许在时间和距离之间进行转换。
请注意，随着采集时间的增加，稳定性会提高。这些图提供了符合系统敏感度的度量。TDC 计数的中位数和平均值沿纵轴绘制。
探测器 E 和 F 之间的辐射源位置指数沿横轴绘制。每个点使用的数据将收集 5 分钟。位置索引 1 对应于近似居中的辐射源。
随着指数的增加，源向 F 探测器移动。这种重合系统表现出良好的空间分辨率，因为中位数和平均值的曲线作为位置的函数发散。相比之下，该系统的中位数和平均值不会很快发散，这表明空间分辨率较差。
完成后，该设备可以在一分钟或更短的时间内显示辐射源的位置。在尝试此过程时，请务必记住将辐射源放在一对探测器敏感的位置。不要忘记，使用放射性物质可能非常危险。
进行辐射安全培训，了解进行此实验时应采取的预防措施。
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
概述
本文介绍了一个简单而有效的正电子发射断层扫描（PET）系统，重点阐述了其基本工作原理。该协议旨在帮助用户构建和测试基本的PET系统。
关键研究组成部分
科学领域
- 医学物理
- 成像技术
背景
- 正电子发射断层扫描（PET）是一种重要的成像技术。
- 理解PET的基本原理对教育目的至关重要。
- 该原型作为硕士学生的教学工具。
- 使用光电探测器增强了学习体验。
研究目的
- 展示PET系统的基本原理。
- 为医学物理学生提供实践体验。
- 说明PET系统的构建和测试。
使用的方法
- 使用两对光电探测器构建PET系统。
- 使用光电倍增管和抛光塑料闪烁体。
- 由实验室技术员进行演示。
- 为设置检测系统提供逐步指导。
主要结果
- 原型有效地展示了PET的工作原理。
- 用户通过实践获得实际知识。
- 该系统对教育环境有优势。
- 清晰可视化的PET原理增强了理解。
结论
- 简单的PET系统是一个有价值的教育工具。
- 实践体验对于掌握成像技术至关重要。
- 进一步开发此类原型可以有益于医学物理教育。
常见问题
Executive Industry Relevance
Accurate spatial localization of radioactive sources using PET principles is foundational for imaging system validation and early-stage assay development in biopharma R&D. This prototype PET system enables precise measurement of source displacement and timing, supporting hypothesis-driven evaluation of detection technologies. Such foundational systems underpin the predictive confidence required for translational imaging workflows and preclinical model development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rigorous testing of detection sensitivity and spatial resolution for imaging-based target validation.
- Supports mechanistic de-risking by quantifying timing and localization accuracy in controlled settings.
- Facilitates benchmarking of new detector materials or configurations for future translational imaging studies.
Screening & Assay Development
- Provides a reproducible platform for validating coincidence detection and timing electronics prior to compound screening.
- Standardizes measurement of quantitative outputs such as time-of-flight and event counts for assay readiness.
- Enables scalability testing of detector arrays and logic modules for high-throughput imaging applications.
Translational & Preclinical Research
- Aligns imaging system calibration with disease-relevant preclinical models by establishing baseline spatial accuracy.
- Ensures continuity from discovery-stage instrumentation to translational biomarker imaging when supported by system performance.
- Reduces risk of late-stage imaging failures by validating core detection principles early in the pipeline.
Pipeline & Workflow Integration
This PET prototype is positioned at the interface of discovery biology and preclinical imaging, enabling iterative optimization before clinical translation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing for detector performance and spatial localization accuracy.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs for event timing and coincidence detection.
- Analytics: Provides time-to-digital converter (TDC) data and statistical plots for comparative analysis of detector pairs.
- Translational Research: Establishes foundational calibration for imaging systems used in preclinical models.
- Enterprise Reuse: Functions as a modular, reusable platform for ongoing detector and electronics validation.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in imaging system performance and target localization.
- Operational Value: Enables standardized, reproducible calibration and testing of PET detection modules.
- Strategic Value: Supports informed go/no-go decisions for imaging technology advancement and resource allocation.
- Portfolio Impact: Reduces risk of downstream imaging failures through early-stage validation and benchmarking.
Implementation Considerations
- Requires expertise in radiation safety, detector electronics, and timing calibration.
- Demands access to photomultiplier tubes, scintillator materials, and nuclear instrumentation modules.
- Necessitates cross-team standardization of calibration protocols and data analysis workflows.
- Adaptable to various detector geometries and source types for broader model system compatibility.
- Limited by spatial resolution and timing accuracy inherent to prototype-scale systems.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:51
Preparation of the Positron Emission Tomography (PET) Setup
5:12
Creating the Positron Emission Tomography Setup and Acquiring Its Signals
8:36
System Calibration and Virtual Instrument Setup
11:42
Results: System Response and Sensitivity
13:27
Conclusion
