Ein Grundpositronenemissionstomographie-System aufgebaut, um eine radioaktive Quelle in einer Bi-dimensionalen Raum lokalisieren

Summary

Wir stellen ein einfaches, aber gut aufgebautes Positronen-Emissions-Tomographie (PET) System vor und erläutern dessen grundlegende Funktionsprinzipien. Das Ziel dieses Protokolls ist es, den Benutzer bei der Konstruktion und Prüfung eines einfachen PET-Systems zu unterstützen.

Abstract

Eine einfache Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Prototyp ist konstruiert worden, um seine grundlegenden Arbeitsprinzipien vollständig zu charakterisieren. Das PET Prototyp wurde durch Kuppeln Kunststoffszintillator Kristalle Photomultiplier oder PMT, die an gegenüberliegenden Positionen angeordnet sind, um zwei von einer radioaktiven Quelle, die in der geometrischen Mitte des PET platziert emittierten Gammastrahlen erzeugt Aufbau. Der Prototyp besteht aus vier Detektoren geometrisch in einer 20 cm Durchmesser-Kreis angeordnet ist, und einer radioaktiven Quelle in der Mitte. Durch Bewegen der radioaktiven Quelle Zentimetern vom Zentrum des Systems ist man in der Lage, die Verschiebung durch Messen der Flugzeit-Differenz zwischen irgendwelchen zwei PMTs erkennen und mit diesen Informationen kann das System die virtuelle Position in einer grafischen Oberfläche zu berechnen. Auf diese Weise reproduziert der Prototyp die wichtigsten Grundsätze eines PET-Systems. Es ist fähig, die tatsächliche Position der Quelle in Abständen von 4 cm in 2 Reihen de bestimmenSchutz in weniger als 2 min.

Introduction

Positronenemissionstomographie ist eine nicht-invasive Abbildungstechnik zum Erhalt von digitalen Bildern von den inneren Geweben und Organen des Körpers verwendet. Verschiedene nicht-invasive Techniken existieren, die erlauben es, Bilder und Informationen auf die internen Abläufe eines Patienten, wie beispielsweise Computer-Axial Tomography (TAC) und Magnetresonanztomographie (MRT) zu erhalten. Beide geben gute räumliche Auflösung und werden zusätzlich für Anwendungen in anatomische und physiologische Studien verwendet. Obwohl vergleichsweise PET gibt weniger räumliche Auflösung liefert es Informationen über den Stoffwechsel in der interessierenden Zone auftritt. PET wird weithin verwendet, um funktionelle und morphologische Information zu erhalten; ihre wichtigsten klinischen Anwendungen sind in den Bereichen Onkologie, Neurologie und Kardiologie. Auch kann PET-Bilder Ärzten helfen, bessere Diagnosen, zum Beispiel zu etablieren Tumorbehandlungsplanung.

Das grundlegende Arbeitsprinzip der PET-Systemen ist die Detektion von zwei phoTonnen oder Gammastrahlen, die aus einem Positron-Elektron-Vernichtung Paar, beide fliegen in entgegengesetzte Richtungen in Richtung der Detektoren, die üblicherweise aus Szintillatorkristalle gepaart mit PMTs. Der Szintillator-Kristalle transformieren Gammastrahlung in sichtbares Licht, was zu einer PMT, die das Lichtsignal in einen elektrischen Impuls über eine Licht Verfahren wandelt bewegt. Innerhalb der PMT elektronische Geräte genannt Dynoden vorhanden sind, die den Betrag der elektrischen Ladung, bevor zu einem Auslesesystem sendet sie zu erhöhen. Diese beiden detektierten Photonen erzeugt, wenn ein Positron (positiv geladenes Elektron) von einem Isotop Fluid, das in den Blutstrom des Körpers injiziert wurde emittiert, vernichtet mit einem Elektronenstrahl in dem Körper. Die ausgelesenen System misst in Koinzidenz der Ankunftszeit der zwei Rücken an Rücken Photonen in Bezug auf eine Zeitreferenz und ferner Substrate beide Male, um die Differenz zu erhalten. Das System verwendet diese Zeitdifferenz, um die Raumposition wh berechnenere der Strahlungsquelle emittierte beide Photonen und damit, wo das Elektron-Positron-Vernichtung aufgetreten.

Einige Features von PET-Systeme müssen definiert werden, um die Qualität des Bildes zu optimieren und räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erhöhen. Ein Merkmal zu prüfen, ist die Linie der Response (LOR), definiert als der Abstand, der die beiden Photonen reisen nach der Vernichtungsprozess. Ein weiteres Merkmal zu prüfen, ist die Flugzeit (TOF). Die Qualität der Bilder hängt auch von äußeren Merkmalen, vor allem die Körperorgane und Bewegungen des Patienten während der Behandlungssitzung ^1. Die in PET-Systemen verwendet Isotope genannt Beta + Strahler. Diese Isotope haben eine kurze Halbwertszeit (in der Größenordnung von Sekunden). Sie werden in Teilchen-Beschleuniger (Zyklotron) erzeugt wird, wenn stabile Elemente mit Protonen oder Deuteronen verursacht Kernreaktionen bombardiert. Solche Reaktionen wandeln die stabile Elemente in instabile Isotope wie C-11, N-13, O-15, F-18 unter anderem^2.

Es gibt zwei Arten von PET. (1) Konventionelle: Diese verwendet die TOF Informationen nur an die Linie, entlang der die Vernichtung stattgefunden zu identifizieren, aber es nicht in der Lage, den Ursprung anstelle der zwei Photonen zu bestimmen ist. Es erfordert zusätzliche analytische oder iterative Rekonstruktionsalgorithmen, dies zu schätzen. (2) TOF-PET: nutzt die TOF Differenz, um die Vernichtung Position des emittierten Positronen zu lokalisieren. Die Zeitauflösung ist in der Rekonstruktionsalgorithmus als Kern für eine Lokalisierung Wahrscheinlichkeitsfunktion ^{3 verwendet werden.}

Unser Hauptanliegen besteht darin, die Hauptfunktionen des PET, das verwendet wird, um eine Strahlungsquelle im Raum zu lokalisieren demonstrieren. Die Grundgesamtheit der hier vorgeschlagenen PET-System gesetzt, um eine Grund PET Bauanleitung für das akademische Öffentlichkeit, und zu erklären, auf einfache Weise, seine Haupteigenschaften.

Protocol

1. Herstellung des PET-Setup

1. Bereiten Sie die PMT gepaart mit Plastikszintillator Stück. Abhängig von der Art des PMT (Größe, Form der Photokathode) bauen eine angemessene Szintillator Stück mit der Photokathode der PMT passen.
   1. Wickeln Sie die Szintillator-Stücke mit schwarzem Klebeband. Hinterlassen Sie eine Seite aufgedeckt, wie es mit der PMT Lichteintritts gekoppelt werden.
      HINWEIS: Es ist wichtig, dass diese Stücke zuvor poliert, um Lichtakkumulation Verluste zu vermeiden.
2. Reinigen Sie das PMT Lichteintritts mit Alkohol (Handelsalkoholkonzentration von 70%), dann gelten optischen Fett, um es und deckte das Gesicht des Szintillator ist. Gekoppelt die PMT Gesicht mit dem Szintillator und wickeln Sie sie mit schwarzem Klebeband.
   1. Verbinden den PMT auf die Quellenspannung (ein Kabel für jeden PMT enthalten, in diesem Fall 14-Vorspannung V bias und 0,5 V für die Spannungsregelung). Identifizierung der Signale, die von der PMT durch Verbinden derPMT Signalkabel mit einem Standard-Digital-Oszilloskop-Kanal (ein Signalkabel ist auch für jeden PMT enthalten). Beachten Sie die Variationen in der Amplitude der Signale, wenn das Ein / Ausschalten des Lichts im Labor, um zu überprüfen, gibt es keine Lichtverluste. Wiederholt diesen Schritt für jedes der vier Detektoren, wobei ein Detektormittel Szintillator und PMT.
3. Bauen Sie ein Zufall System, indem Sie den Szintillator Teil eines Detektors über dem entsprechenden Teil eines anderen Detektors. Legen Sie zwei NIM (Nuclear Instruments Module) Instrumente genannt Diskriminator-Logik-Einheit-Module in einem NIM Kiste.
4. Verbinden der Ausgangssignale von den Detektoren an die Eingänge eines Diskriminators Moduls. Verwenden Sie eine logische Einheit in der UND-Modus, indem Sie diese Logik Fall in der Logikeinheit Frontplatte. Verbinden Sie die beiden Unterscheidungs ​​Ausgänge in der Logikeinheit Eingaben.
   HINWEIS: AND ist eine logische Operation, die, wenn zwei Rechtecksignale zur gleichen Zeit oder Zufall ankommen wählt.
5. Connect die Logikeinheit-Ausgangssignal in einem Scaler-Modul (die digitale Signale zählt), um die Ereignisse zu zählen (die durch die kosmischen Strahlen treffen in Koinzidenz beide Detektoren).

2. Erfassen von Signalen mit PET

1. Legen Sie beide Detektoren in den gegenüberliegenden Ecken des zuvor definierten quadratischen Fläche, so dass sie einander zugewandt sind, und sind 20 cm voneinander entfernt, und das gleiche tun Übung als 1.4 und 1.5, aber dieses Mal, anstatt mit kosmischen Strahlen (kosmische Strahlung diente als ein vorläufiger natürlichen radioaktiven Quelle), verwenden Sie das Na-22-Strahlungsquelle.
   1. Legen Sie die radioaktive Quelle in einem mittleren Abstand zwischen den beiden Detektoren und machen die Datenerfassung durch die Scaler-Modul. Das System eingerichtet und die schematische Anordnung der verwendet wird, um eine Übereinstimmung zu erhalten Logikblock kann in den Abbildungen 1, 2 und 3 zu sehen ist.
2. Messen des Zeitunterschieds der eintreffenden Signale, die durch die Verbindung der beiden discriminate PMTs Ausgänge und dieKoinzidenz-Ausgang im Oszilloskop. Jedes der drei Signale geht an einen Eingang des Oszilloskops; wird es drei Rechtecksignale in der Oszilloskop-Bildschirm sein. Mit der horizontalen Achse (Zeitskala) messen die Zeitdifferenz der beiden Signale zu diskriminieren.
   HINWEIS: Wenn die radioaktive Quelle ist direkt in der Mitte zwischen den beiden Detektoren wird es wenig oder keine Trennung oder Zeitdifferenz zwischen dem Quadrat diskriminieren Signalen im Durchschnitt, und wenn die radioaktive Quelle aus der Mitte und in der Nähe einer der PMT dann wird es Zeitunterschied im Durchschnitt.
3. Senden Sie diese Zeitsteuerungssignale, um einen der acht Kanäle des CAMAC (Computer Automated Mess- und Regeltechnik) TDC (Time-Digital-Wandler-Modul). Um dies zu tun, verbinden Sie den Ausgang der Logik und an die TDC-Eingang als "START" und schließen Sie das Detektor diskriminieren Ausgänge auf die TDC-Eingänge, die "STOP" genannt werden. Die UND-Signal muss über eine Verzögerungs Modu verzögert werdenle von einigen Nanosekunden, damit dieses Signal vor den anderen zwei Stop-Signale kommen (siehe Abbildung 4).
4. Kalibrieren Sie die TDC Zähleinheiten als Funktion der Zeit durch das Oszilloskop durch ein Software-Programm zeigten (siehe Schritte in Abschnitt 3). Tun diese Kalibrierung durch die Distanz Trennung zwischen der radioaktiven Quelle und einem der Detektoren, die Messung der durchschnittlichen Zeitdifferenz (Schritt 2.3) von jeder Lage. Stellen Sie eine Software die Kommunikation zwischen den verschiedenen Modulen und dem Computer über einen Standard-Bus GPIB (General Purpose Besetzung Bus), um diese Kalibrierung zu tun.

3. Erstellen der Virtual Instrument-Schnittstelle

1. Downloaden und verwenden Sie ein LabView-Software oder ähnliche Software.
   WICHTIG: Um mit LabVIEW arbeiten, ist es notwendig, einige Kenntnisse über die "G-Programmiersprache" haben. In dieser Sprache hat kein Code geschrieben werden, und alle Aktionen ausgeführt werden können, von einem Software-Werkzeug blass geschehentte. Eine einfache Anleitung mit praktischen Beispielen in der Hilfe-Tool gefunden werden.
2. Wählen Sie das Array-Dienstprogramm von der Frontplatte Werkzeugpalette (Programmierung Variablen Container), die TDC-Ausgangsdaten zu speichern.
   HINWEIS: Die "Frontplatte" ist die grafische Oberfläche des virtuellen Instrument, um dem Nutzer und dem "Blockschaltbild" ist für Software-Programmierung verwendet.
3. Zeichnen Sie die Datenerfassung (Zeitdaten von TDC), indem Sie einen logischen Instrument im Menü Grundstücke. Identifizieren Sie die Plots Daten mit jeder Position der Quelle bezogen. Tun Sie dies, indem Sie die Quelle Abstand vom Melder Linie um einige Zentimeter.
4. Nehmen den Mittelwert der Daten unter Verwendung der Statistikfunktionen (Mittelwert) aus der mathematischen Menü-Werkzeug, und wählen ein Intervall von Werten in der mittleren zentriert. Dann, nach der Programmlogik gefolgt von notwendigen Werkzeuge aus dem Array-Menü, um alle Daten mit Werten außerhalb dieses Intervalls zu entfernen.
5. Wählen Indikatoren aus the Blockschaltwerkzeugpalette, die Anzahl der Daten in jedem Array gespeichert zu zeigen und ein paar Container identifizieren sich mit der größten Anzahl von Daten gespeichert.
6. Holen Sie sich das Mittel der Daten in jedem Feld in dem Schritt 3.5 ausgewählt und diese Informationen benutzen, um einen Satz von Zeitintervallen Werte für jede Quellenposition mit der für diese LabVIEW-Blockdiagramm Werkzeugpalette zu etablieren.
7. Wählen Sie eine Reihe von Indikatoren, von der Frontplatte Werkzeugpalette, um den in Schritt 3.6 für eine Folge von Messungen erhaltenen Mittelwert speichern.
8. Wählen Sie eine Gehäusestruktur aus dem Blockschaltbild der Werkzeugpalette, um jede Position mit ihrem jeweiligen Intervall ab Schritt 3.7 beziehen, und ordnen jedes Intervall, um eine virtuelle LED in einem Array von der Frontplatte Werkzeugpalette.
9. Beachten Sie die Zeit jedes Signal braucht, um auf die TDC-Kanäle kommen: wenn die radioaktive Quelle aus der Mitte nach einem Detektor rückte näher, in der Programmiersprache Anordnung von LEDs (siehe Abbildung 5 zu beobachten, eine Bewegung der virtuellen Quelle ) nach rechts bewegt, in dem Computer.
10. Eine Steuer (variable Programmierelement) von der Frontplatte Werkzeugpalette für den Gesamtzeiterfassung.
    HINWEIS: Die Effizienz der Positionierung werden auf dieser Regelzeitwerkzeug abhängen: je mehr Zeit die Übernahme stattfindet, wird das genauer das virtuelle Objekt Simulation der radioaktiven Quelle die richtige Position zu geben.

4. Grafische Ergebnisse

1. Für Eichzwecke, stellen die Quelle in einer Zwischenposition relativ zu einer der gekoppelten Detektorpaare. Führen Messungen für 30 min, und mit den Daten erfasst, den Durchschnitt der Werte akkumuliert alle 2 min. Wiederholen Sie diesen Vorgang für verschiedene Quellenpositionen und Grundstück des Durchschnittswerts von jedem Detektor in allen Positionen (siehe 6 und 7). Die Differenzen der Detektoren Werte sind in Figur 8 aufgetragen.
2. Um besser zu resu erhaltenlts, wählen Sie zwei Detektoren, die ähnliche Datenwerte, um ein paar zu bilden. Um dies zu testen, setzte den PMT-Steuerspannung an seinem unteren Wert, in diesem Fall 0,5 V Messen der Anzahl der Fehler mit dem Skalierer Modul für eine feste Zeit durch Verbinden der Detektorausgang zum Multiplikatoreingangs. Erhöhen Sie die Spannung von 0,01 V und erneut zu messen. Wiederholen Sie diesen Vorgang, um die maximal mögliche Regelwert zu erreichen, in diesem Fall 0,9 V.
   1. Zeichnen Sie die Anzahl der erfassten Ereignisse gegenüber der Steuerspannung in der Halb logarithmischen Skalen (siehe Abbildung 9). Paar die Paare von Detektoren mit ähnlichen Distributionen.
3. Um die Empfindlichkeit des Systems zu testen, legen die radioaktive Quelle in einigen gleichen Abständen Zwischenpositionen entlang der Linien, in diesem Fall gibt es fünf. Erwerben Sie Daten für 5 min in jeder Position, und zeichnen den Mittelwert und Median der für jeden Detektor erhaltenen Werte unabhängig (siehe Abbildungen 10 und 11).

Results

Zwei wichtige Ergebnisse werden mit dieser PET-System erreicht. Erstens: eine effiziente Synchronisation zwischen visuellen Effekte der virtuellen radioaktive Quelle beim Bewegen der echten radioaktiven Probe. Mit diesem Programm hat der Anwender die Kontrolle über die Erfassungszeit, die Anzahl der Wiederholungen in der gleichen Position, die Veränderung des Intervalls um die Erfassungsdaten bedeuten, unter anderem. Zweitens: die Konstruktion einer einfachen Struktur der Auswahlschaltun...

Discussion

Ein wichtiger Aspekt dieses Systems ist es, eine sehr gute Kontrolle über die räumlichen und zeitlichen Auflösungen haben. Die räumliche Auflösung des PET wird durch die physikalischen Eigenschaften des radioaktiven Zerfalls und der Vernichtung, sondern auch durch die technischen Aspekte der Koinzidenz Anmeldung (Schritte 1.1 und 1.2) und von externen Quellen von Fehlern, wie Objektbewegung während der ^Prüfung 5 begrenzt. Somit wird die exakte Position gemessen auf der TOF Differenz (Schritt 2.4) abhängen. Ei...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Diskriminator mit niedrigem Schwellenwert	CAEN	N845
Logic Units	Lecroy	365AL
Zeitverzögerung	CAEN	N108A
Oszilloskop	Tektronic	TDS3014C
Quad Scaler und Preset-Zähler	CAEN	N1145
TDC	Lecroy	2228
PMT& rsquo; s	Hamamatsu	H5783p
Power Chasis	Lecroy	1403
GPIB Interface	Lecroy	8901A
NIM Netzteil	Lecroy	1002B
CAMAC Crate	Borer-co	1902A
Szintillator Crystals	Bicron	408	1 cm x 2 cm x 5 cm
Netzteil	Agilent	E3631
Na 22 Aktivität der radioaktiven Quelle			2  μ Ci
Software LabView 7.1	Nationale Instrumente
lemo Kabel Steckverbinder			2  nsec, 3  nsec und 8  NSEC
Isolator-Folie