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

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, die Grundprinzipien eines Positronen-Emissions-Tomographie-Systems mit Hilfe von zwei Paaren von Photodetektoren zu zeigen. Der Hauptvorteil des Einsatzes dieses Prototyps gegenüber kommerziellen PET-Systemen besteht darin, dass die Anwender die grundlegenden Funktionsprinzipien von PET klar erkennen können. Die Idee zu diesem System hatten wir erstmals, als wir versuchten, unsere Labortätigkeit für Masterstudenten im Bereich der Medizinphysik auszuarbeiten.

Verfahren wird von Marcus Fontaine, einem Techniker aus meinem Labor, vorgeführt. Beginnen Sie mit der Arbeit an der PET-Einrichtung, indem Sie das Detektionssystem vorbereiten. Stellen Sie jeden Detektor aus einem Photomultiplier-Rohr und einem Szintillatorstück aus poliertem Kunststoff her.

Gestalten Sie das Szintillatorstück so, dass es der Größe und Form des Photomultiplier-Rohrlichteingangs entspricht, um eine gute Kopplung zu ermöglichen. Der nächste Schritt besteht darin, den Szintillator mit schwarzem Klebeband zu umwickeln. Lassen Sie eine Seite frei, um sie mit dem Eingang des Photomultiplier-Rohrlichts zu koppeln.

Legen Sie den Szintillator beiseite und beginnen Sie mit der Arbeit mit der Photomultiplier-Röhre. Verwenden Sie Alkohol und ein sauberes Tuch, um den Eingang des Photomultiplier-Röhrenlichts zu reinigen. Wenn dies erledigt ist, besorgen Sie sich optisches Fett und tragen Sie es auf den Lichteingang auf, bis er vollständig bedeckt ist.

Kehren Sie mit dem Szintillator zur Arbeit zurück und tragen Sie optisches Fett auf die unbedeckte Oberfläche auf. Richten Sie nach dem Auftragen des optischen Fetts den Lichteintritt des Photomultipliers und die freiliegende Szintillatoroberfläche aus. Koppeln Sie dann die beiden behandelten Oberflächen.

Um den Detektor zu vervollständigen, wickeln Sie die Photomultiplier-Röhre und den Szintillator mit mehr schwarzem Klebeband ein, wie in diesem Beispiel dargestellt. Erstellen Sie mindestens vier Detektoren, bevor Sie sie testen. Testen Sie den Detektor, indem Sie ihn an eine Spannungsquelle und an ein Standard-Digitaloszilloskop anschließen.

Schalten Sie das Licht im Labor aus und wieder ein, während Sie das Signal am Oszilloskop überwachen, um sicherzustellen, dass keine Lichtverluste auftreten. Verbinden Sie als Nächstes den Ausgang der Photomultiplier-Röhre mit einem Scaler, um erkannte Ereignisse zu zählen. Stellen Sie die Detektorspannung auf den niedrigsten Wert ein. In diesem Fall zeigen Sie fünf Volt.

Richten Sie nun Ihre Aufmerksamkeit auf den Detektor. Platzieren Sie die Natrium-22-Quelle direkt auf der Oberfläche des Szintillationsteils. Zeichnen Sie die Anzahl der erkannten Ereignisse über einen Zeitraum von drei Minuten mit dem Skalierer auf.

Erhöhen Sie dann die Steuerspannung um den Punkt Null ein Volt. Wiederholen Sie die Zeit bis zur Messung der erkannten Ereignisse für diesen und alle anderen Werte bis zur maximalen Steuerspannung. Nachdem alle Detektoren vollständig getestet wurden, erstellen Sie ein Diagramm der Anzahl der erkannten Ereignisse im Vergleich zur Steuerspannung.

Dieses Diagramm enthält Daten von 12 Detektoren. Wählen Sie zwei Detektoren mit ähnlichen Kurven aus, um ein Koinzidenzpaar zu bilden. Zum Beispiel die Detektoren O und I in diesem Diagramm.

Nachdem zwei übereinstimmende Paare identifiziert wurden, fahren Sie mit dem Erstellen und Testen von zwei lagegleichen Systemen fort. Konstruieren Sie das lagegleiche System, indem Sie zwei aufeinander abgestimmte Detektoren so platzieren, dass sich der Szintillatorteil eines Detektors direkt über dem Szitillator des anderen Detektors befindet. Überprüfen Sie als Nächstes die elektronischen Komponenten.

Das Koinzidenzsystem erfordert drei nukleare Instrumentierungsmodule, einen Diskriminator, eine Logikeinheit und einen Scaler. Verbinden Sie die Ausgangssignale der Detektoren mit den Eingängen des Diskriminatormoduls. Wählen Sie auf der Logikeinheit den Endmodus auf der Frontplatte aus.

Verbinden Sie dann die beiden Diskriminator-Ausgänge mit den Eingängen der Logikeinheit. Verbinden Sie den Ausgang der Logikeinheit mit dem Skaliermodul, um die Ereignisse zu zählen. In dieser Konfiguration sollte der Skalierer Koinzidenzereignisse registrieren, die auf kosmische Strahlung treffen.

Dieses Schema zeigt das fertiggestellte Koinzidenzerkennungssystem zum Testen eines Detektorpaares. Testen Sie jedes der Detektorpaare, bevor Sie fortfahren. Der nächste Schritt besteht darin, das PET-Setup zu erstellen.

Platzieren Sie die vier Detektoren an den Ecken eines Quadrats. Richten Sie die Szitillatoren so aus, dass sie zur Mitte des Quadrats zeigen. Die Detektoren, die sich direkt gegenüberstehen, bilden ein Koinzidenzpaar.

Die Detektoroberflächen liegen etwa 20 Zentimeter voneinander entfernt. Fahren Sie fort, indem Sie jeden der Detektoren an separate Kanäle eines Diskriminators, eines Logikblocks und eines Skalierers anschließen. Für die Koinzidenzzählung mit vier Detektoren implementieren Sie den in diesem Diagramm dargestellten Logikblock.

Hier sind die Detektoren mit I, J, E und F beschriftet und ihre Signale werden durch einen Diskriminator geleitet, der nicht dargestellt ist. In diesem Diagramm ist jeder Detektor mit einem OR-Modul verknüpft. Verbinden Sie den Ausgang jedes Detektors mit den Eingängen der drei OP-Module, mit denen er nicht verbunden ist, wie durch die farbigen Linien angezeigt.

Verbinden Sie als Nächstes die Ausgänge des OR-Moduls mit einem AND-Modul, um die Koinzidenzlogik zu vervollständigen. In den folgenden Schritten wird nur ein Koinzidenzpaar mit Strom versorgt. Wiederholen Sie dann die Schritte für das zweite Paar.

Kehren Sie mit einer Natrium-22-Strahlungsquelle zum Detektorarray zurück. Platzieren Sie die Quelle entlang der Linie zwischen den Detektoren des Koinzidenzpaares. Verwenden Sie einen Detektor als Referenz und messen Sie die Entfernung zur Quelle.

Verwenden Sie im Elektronik-Rack die Diskriminator-Ausgänge für die beiden Detektoren als Eingänge für ein Oszilloskop. Zeigen Sie die Signale auf dem Oszilloskop mit der Zeit auf dem horizontalen Zugang an. Nehmen Sie zusätzlich den Ausgang des Koinzidenzlogikbausteins und geben Sie ihn in das Oszilloskop ein.

Die Rechtecksignale sollten auf dem Bildschirm erscheinen. Nutzen Sie die Zeitunterschiede zwischen den am Oszilloskop gemessenen Diskriminatorsignalen für spätere Kalibrierschritte. Bereiten Sie als Nächstes die automatisierte Messung des Computers und die Zeit bis zum Digitalwandler oder OT-Modul vor.

Verbinden Sie den Ausgang des Logikbausteins mit dem OT-Starteingang. Verbinden Sie dann die Ausgänge des Diskriminators mit einem Delay-Modul. Übergeben Sie den Ausgang des Delay-Moduls an die Stop-Eingänge des TDC.

Dieser Schaltplan gibt einen Überblick über den Aufbau an dieser Stelle. Verbinden Sie die Module und Computer mit einem universellen Instrumentenbus für die Softwaresteuerung. Installieren Sie Labview oder eine ähnliche Software, um ein virtuelles Instrument zu erstellen.

Führen Sie an dieser Stelle die TDC-Kalibrierungsschritte für das Koinzidenzpaar aus. Der nächste Schritt besteht darin, das System zu kalibrieren, beginnend mit einem Koinzidenzsystem. Identifizieren Sie entlang der Linie zwischen den beiden Detektoren fünf Punkte mit gleichen Abständen, einschließlich des Mittelpunkts.

Dieser Aufbau hat Punkte im Abstand von vier Zentimetern. Platzieren Sie anschließend die Strahlungsquelle zwischen den Punkten. Wenn die Quelle an Ort und Stelle ist, beginnen Sie, Koinzidenzereignisse und TDC-Daten für 30 Minuten zu sammeln.

Plotten Sie den Durchschnitt aller erfassten TDC-Daten alle ein bis zwei Minuten. Dies ist ein typisches Diagramm nach den vollen 30 Minuten. Die beiden Kurven entsprechen den beiden Detektoren des Koinzidenzpaares.

Verwenden Sie ein Diagramm des Durchschnitts der Differenz der TDC-Werte von den beiden Detektoren, um eine Zeitzone für die Lokalisierung der Quelle zu definieren. Bewegen Sie nun die Strahlungsquelle an eine andere markierte Position zwischen den Detektoren. Erfassen Sie 30 Minuten Daten, bestimmen Sie eine neue Zeitzone und wiederholen Sie den Vorgang für jeden der fünf Punkte.

Beginnen Sie als Nächstes, die Empfindlichkeit des Paares zu testen. Wiederholen Sie die OT-Messungen an allen markierten Punkten für unterschiedliche Entnahmezeiten. Nachdem Sie die Empfindlichkeit getestet haben, fahren Sie mit der Einrichtung eines virtuellen Instruments fort.

Das Gerät ordnet eine Software-LED einer Position der Strahlungsquelle zu. Die fünf vertikalen LEDs in der Mitte dieses Arrays entsprechen den fünf markierten Positionen, die zur Definition der Zeitzonen verwendet werden. In dieser Abbildung sehen Sie unsere OT-Daten für zwei benachbarte Positionen.

Der Mittelwert der OT-Differenzdaten für eine Position befindet sich in der Mitte eines Intervalls. Das Intervall stellt die Standardabweichung der Daten dar. Die Daten sollten aus der Erfassungszeit stammen, die verwendet wird, um die Positionen in diesem Protokoll zwei Minuten aufzulösen.

Wählen Sie ein Zeitfenster für die Messung aus, das mit einer Position mit einer LED verknüpft werden soll, indem Sie die Intervalle so kürzen, dass sie sich nicht überlappen. Die Einrichtung ist abgeschlossen, nachdem beide Koinzidenzpaare kalibriert wurden. Zu diesem Zeitpunkt sollten neun markierte Positionen zwischen den Detektoren vorhanden sein.

Platzieren Sie die Strahlungsquelle auf einer der Positionen. Sammeln Sie zwei Minuten lang Daten und testen Sie die Genauigkeit des virtuellen Instruments bei der Lokalisierung der Position der Strahlungsquelle. Dies sind Diagramme der Reaktion für jeden Detektor und ein Paar, die ein Koinzidenzsystem bilden.

Der kumulative durchschnittliche TDC-Wert über ein Intervall von einer Minute ist auf der vertikalen Achse angegeben. Der Index des einminütigen Intervalls befindet sich entlang der horizontalen Achse. Die Daten wurden über einen Zeitraum von 30 Minuten gesammelt.

Die verschiedenfarbigen Linien entsprechen unterschiedlichen Positionen der Strahlungsquelle. Die Differenz zwischen diesen Durchschnittswerten wird hier dargestellt. Für jeden Messsatz wird ein lineares Verhalten erwartet, das eine Konvertierung zwischen Zeit und Entfernung ermöglicht.

Beachten Sie, dass die Stabilität mit zunehmender Erfassungszeit zunimmt. Diese Diagramme liefern ein Maß für die Empfindlichkeit von Koinzidenzsystemen. Der Median und der Mittelwert der TDC-Zählungen werden entlang der vertikalen Achse dargestellt.

Der Index der Position der Strahlungsquelle zwischen den Detektoren E und F wird entlang der horizontalen Achse aufgetragen. Die Daten, die für jeden Punkt verwendet werden, werden fünf Minuten lang gesammelt. Der Positionsindex eins entspricht der annähernd zentrierten Strahlungsquelle.

Wenn der Index steigt, bewegt sich die Quelle in Richtung des F-Detektors. Dieses Koinzidenzsystem weist eine gute räumliche Auflösung auf, da die Kurve für den Median und den Mittelwert in Abhängigkeit von der Position divergiert. Im Vergleich dazu divergieren Median und Mittelwert für dieses System nicht so schnell, was auf eine schlechte räumliche Auflösung hinweist.

Nach Fertigstellung kann dieses Gerät den Standort einer Strahlungsquelle in einer Minute oder weniger anzeigen. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, daran zu denken, die Strahlungsquelle in eine Position zu bringen, in der ein Detektorpaar empfindlich ist. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit radioaktivem Material äußerst gefährlich sein kann.

Trainieren Sie den Strahlenschutz, um die Vorsichtsmaßnahmen zu erlernen, die bei der Durchführung dieses Experiments zu treffen sind.