Name: Ein Grundpositronenemissionstomographie-System aufgebaut, um eine radioaktive Quelle in einer Bi-dimensionalen Raum lokalisieren (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-01T13:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 19 s
Description: Lernen Sie den Aufbau eines einfachen PET-Systems zur Demonstration grundlegender Prinzipien der Positronenemissionstomographie. Diese Methode bietet Studierenden der Medizinphysik praktische Einblicke in Bildgebungstechniken.

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Wir sind sehr dankbar für die finanzielle Unterstützung durch die Physikabteilung von CINVESTAV. Wir möchten uns auch bei unserem Techniker Marcos Fontaine Sanchez für seine bemerkenswerte Unterstützung bei der Einrichtung bedanken. Vielen Dank an Sarah LaPointe für die Überprüfung der englischen Sprache dieses Dokuments.

1. Herstellung des PET-Setup <ol><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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). </li></ol> 2. Erfassen von Signalen mit PET <ol><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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 &quot;START&quot; und schließen Sie das Detektor diskriminieren Ausgänge auf die TDC-Eingänge, die &quot;STOP&quot; 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). </li><li> 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. </li></ol> 3. Erstellen der Virtual Instrument-Schnittstelle <ol><li> Downloaden und verwenden Sie ein LabView-Software oder ähnliche Software. WICHTIG: Um mit LabVIEW arbeiten, ist es notwendig, einige Kenntnisse über die &quot;G-Programmiersprache&quot; 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. </li><li> Wählen Sie das Array-Dienstprogramm von der Frontplatte Werkzeugpalette (Programmierung Variablen Container), die TDC-Ausgangsdaten zu speichern. HINWEIS: Die &quot;Frontplatte&quot; ist die grafische Oberfläche des virtuellen Instrument, um dem Nutzer und dem &quot;Blockschaltbild&quot; ist für Software-Programmierung verwendet. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Wählen Sie eine Reihe von Indikatoren, von der Frontplatte Werkzeugpalette, um den in Schritt 3.6 für eine Folge von Messungen erhaltenen Mittelwert speichern. </li><li> 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. </li><li> 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 </strong&gt;) nach rechts bewegt, in dem Computer. </li><li> 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. </li></ol> 4. Grafische Ergebnisse <ol><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> 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). </li></ol>

<ol><li>Cerello, P., Pennazio, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+innovative+detector+concept+for+hybrid+4D-PET%2FMRI%5BTitle%5D)+AND+%22Imaging.+Nucl.+Instr.+Meth.+Phys.+Res%22%5BJournal%5D)">An innovative detector concept for hybrid 4D-PET/MRI.</a> Imaging. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. 702, 1-3 (2013).</li>
<li>Muehllerher, G., Karp, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Positron+tomography+emission%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Med.+Biol%22%5BJournal%5D)">Positron tomography emission.</a> Phys. Med. Biol. 51, R117-R137 (2006).</li>
<li>Conti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((State+of+the+art+and+challenges+of+time+of+flight+PET%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+Medica%22%5BJournal%5D)">State of the art and challenges of time of flight PET.</a> Physica Medica. 25 (1), 1-11 (2008).</li>
<li>Abreu, Y., Piñera, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simulation+of+a+PET+system+and+study+of+some+geometry+parameters%5BTitle%5D)+AND+%22AIP+conference%22%5BJournal%5D)">Simulation of a PET system and study of some geometry parameters.</a> AIP conference. 1032, 219-221 (2008).</li>
<li>Langner, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Development+of+a+parallel+Computing+optimized+head+movement+correction+method+in+PET%22">Development of a parallel Computing optimized head movement correction method in PET</a>. , University of Applied Sciences in Dresden. Saxony, Germany. (2003).</li>
<li>Budinger, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-of-flight+PET%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Nucl+Med%22%5BJournal%5D)">Time-of-flight PET.</a> J. Nucl Med. 28 (3), 73-78 (1983).</li>
<li>Leo, W. R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLeo%2C+WR+%22Techniques+for+Nuclear+and+Particle+Physics+Experiments%22">Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments</a>. , second, Springer-Verlag. Germany. (1987).</li>
<li>Budinger, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Instrumentation+trends+in+nuclear+medicine%5BTitle%5D)+AND+%22Semin+Nucl+Med%22%5BJournal%5D)">Instrumentation trends in nuclear medicine.</a> Semin Nucl Med. 7 (4), 285-297 (1977).</li>
<li>Burnham, C., Bradshaw, J., Kaufmann, D., Chesler, D., Browner, G. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Positron+tomography+employing+a+one+dimension+BGO+scintillation+camera%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Nucl.+Sci%22%5BJournal%5D)">A Positron tomography employing a one dimension BGO scintillation camera.</a> IEEE Trans. Nucl. Sci. 30 (1), 661-664 (1983).</li>
<li>Burnham, C., Bradshaw, J., Kaufmann, D., Chesler, D., Steams, C. W., Browner, G. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+of+a+cylindrical+shape+scintillation+camera+for+positron+tomographs%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Nucl.+Sci%22%5BJournal%5D)">Design of a cylindrical shape scintillation camera for positron tomographs.</a> IEEE Trans. Nucl. Sci. 32 (1), 889-893 (1985).</li>
</ol>

Es gibt keine konkurrierenden finanziellen Interessen.

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...

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 anderem2. 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.

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

ein grundpositronenemissionstomographie-system aufgebaut, um eine radioaktive quelle in einer bi-dimensionalen raum lokalisieren

A Basic Positron Emission Tomography System Constructed to Locate a Radioactive Source in a Bi-dimensional Space

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.

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...

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.

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

A simple Positron Emission Tomography (PET) prototype has been constructed to fully characterize its basic working principles. The PET prototype was ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, die grundlegenden Prinzipien eines Positronen-Emissions-Tomographie-Systems anhand von zwei Paaren von Photodetektoren zu veranschaulichen. Der Hauptvorteil der Nutzung dieses Prototyps im Vergleich zu kommerziellen PET-Systemen liegt darin, dass die Nutzer die grundlegenden Funktionsprinzipien der PET-Technik deutlich erkennen können. Die Idee für dieses System entstand erstmals, als wir unsere Laborübungen für Masterstudierende im Bereich der medizinischen Physik erweitern wollten.Den Ablauf wird Marcus Fontaine, ein Techniker aus meinem Labor, demonstrieren. Beginnen Sie die Arbeit am PET-Aufbau, indem Sie das Detektionssystem vorbereiten. Stellen Sie jeden Detektor aus einer Photomultiplierröhre und einem polierten Kunststoffszintillatorstück her.Entwerfen Sie das Szintillatorteil so, dass es Größe und Form des Eingangs des Fotomultiplier-Röhrenlichts entspricht, um eine gute Kopplung zu ermöglichen. Als nächster Schritt wird das Szintillator mit schwarzem Klebeband umwickelt. Eine Seite bleibt dabei unbedeckt, um sie mit dem Eingang des Fotomultiplier-Röhrenlichts zu koppeln.Stellen Sie den Szintillator beiseite und beginnen Sie mit der Arbeit an der Photomultiplier-Röhre. Reinigen Sie den Lichtaustritt der Photomultiplier-Röhre mit Alkohol und einem sauberen Tuch. Anschließend nehmen Sie optisches Fett und tragen es auf den Lichtaustritt auf, bis dieser vollständig bedeckt ist.Zurück zur Arbeit mit dem Szintillator und optischem Fett auf dessen unbedeckter Oberfläche auftragen. Nach dem Auftragen des optischen Fettes die Lichtaustrittsöffnung des Photomultipliers und die unbedeckte Szintillatoroberfläche ausrichten. Anschließend die beiden behandelten Oberflächen koppeln.Um den Detektor zu vervollständigen, wickeln Sie die Fotomultiplier-Röhre und den Szintillator wie in diesem Beispiel veranschaulicht mit weiterem schwarzen Klebeband ein. Erstellen Sie mindestens vier Detektoren, bevor Sie mit deren Prüfung fortfahren. Prüfen Sie den Detektor, indem Sie ihn an eine Spannungsquelle und an ein handelsübliches digitales Oszilloskop anschließen.Schalten Sie das Licht im Labor aus und wieder ein, während Sie das Signal auf dem Oszilloskop überwachen, um sicherzustellen, dass kein Lichtverlust auftritt. Verbinden Sie anschließend den Ausgang der Photomultiplierröhre mit einem Zähler, um detektierte Ereignisse zu zählen. Stellen Sie die Detektorspannung auf ihren niedrigsten Wert ein; in diesem Fall 0,5 Volt.Wenden Sie sich nun dem Detektor zu. Platzieren Sie die Natrium-22-Quelle direkt auf der Oberfläche des Szintillationsabschnitts. Notieren Sie die Anzahl der detektierten Ereignisse über einen Zeitraum von drei Minuten mithilfe des Zählers. Erhöhen Sie dann die Steuerspannung um 0,01 Volt. Wiederholen Sie die Zeit bis zur Messung der detektierten Ereignisse für diesen Wert und alle weiteren bis zur maximalen Steuerspannung. Nachdem alle Detektoren vollständig getestet wurden, erstellen Sie eine Darstellung der Anzahl der detektierten Ereignisse in Abhängigkeit von der Steuerspannung.Diese Darstellung 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 dieser Darstellung.Nachdem zwei passende Paare identifiziert wurden, fahren Sie fort, indem Sie zwei koinzidente Systeme aufbauen und testen. Konstruieren Sie das koinzidente System, indem Sie zwei passende Detektoren so anordnen, dass der Szintillator eines Detektors direkt über dem Szintillator des anderen liegt. Überprüfen Sie anschließend die elektronischen Komponenten.Das Koinzidenzsystem erfordert drei nuklearelektronische Module, einen Diskriminator, eine Logikeinheit und einen Skaler. Schließen Sie die Ausgangssignale der Detektoren an die Eingänge des Diskriminatormoduls an. Wählen Sie an der Logikeinheit den Endmodus am Frontpanel aus.Verbinden Sie dann die beiden Diskriminatorausgänge mit den Eingängen der Logikeinheit. Verbinden Sie den Ausgang der Logikeinheit mit dem Skaliermodul, um die Ereignisse zu zählen. Bei dieser Konfiguration sollte der Skalierer Koinzidenzereignisse registrieren, die durch kosmische Strahlen verursacht werden, die das Koinzidenzsystem treffen.Dieses Schema zeigt das fertige Koinzidenzerkennungssystem zur Prüfung eines Detektorpaares. Prüfen Sie jedes der beiden Detektoren, bevor Sie fortfahren. Der nächste Schritt besteht darin, den PET-Aufbau zu erstellen.Platzieren Sie die vier Detektoren an den Ecken eines Quadrats. Richten Sie die Szintillatoren so aus, dass sie zum Zentrum des Quadrats zeigen. Die Detektoren, die sich direkt gegenüberliegen, bilden ein Koinzidenzpaar.Die Detektorflächen sind etwa 20 Zentimeter voneinander entfernt. Schließen Sie anschließend jeden der Detektoren an separate Kanäle eines Diskriminators, eines Logikmoduls und eines Skalers an. Für die Koinzidenzzählung mit vier Detektoren verwenden Sie das in diesem Diagramm dargestellte Logikmodul.Hier sind die Detektoren mit I, J, E und F gekennzeichnet, und ihre Signale werden über einen nicht dargestellten Diskriminator geleitet. In diesem Diagramm ist jeder Detektor einem ODER-Modul zugeordnet. Verbinden Sie den Ausgang jedes Detektors mit den Eingängen der drei ODER-Module, mit denen er nicht verknüpft ist, wie durch die farbigen Linien angezeigt.Als Nächstes verbinden Sie die Ausgänge des ODER-Moduls mit einem UND-Modul, um die Koinzidenzlogik zu vervollständigen. Versorgen Sie in den folgenden Schritten jeweils nur ein Koinzidenzpaar mit Strom. Wiederholen Sie anschließend die Schritte für das zweite Paar.Kein Sie zum Detektorarray mit einer Natrium-22-Strahlungsquelle zurück. Platzieren Sie die Quelle entlang der Linie zwischen den Detektoren des Koinzidenzpaars. Verwenden Sie einen Detektor als Referenz und messen Sie den Abstand zur Quelle. Verwenden Sie am Elektronikgestell die Diskriminatorausgänge der beiden Detektoren als Eingänge für ein Oszilloskop. Zeigen Sie die Signale auf dem Oszilloskop mit der Zeit auf der horizontalen Achse an. Zudem nehmen Sie den Ausgang des Koinzidenz-Logikbausteins und geben Sie ihn in das Oszilloskop ein.Die Rechtecksignale sollten auf dem Bildschirm erscheinen. Verwenden Sie die Zeitdifferenzen zwischen den Diskriminatorsignalen, die am Oszilloskop gemessen wurden, für spätere Kalibrierungsschritte. Bereiten Sie als Nächstes die computergestützte Messung sowie den Zeit-zu-Digital-Wandler oder TDC-Modul vor.Verbinden Sie den Ausgang des Logikblocks mit dem Start-Eingang des TDC. Anschließend verbinden Sie die Ausgänge des Diskriminators mit einem Verzögerungsmodul. Leiten Sie den Ausgang des Verzögerungsmoduls an die Stopp-Eingänge des TDC weiter.Dieses Schema bietet einen Überblick über den Aufbau zu diesem Zeitpunkt. Verbinden Sie die Module und Computer über einen universellen Instrumentierungsbus zur Software-Steuerung. Installieren Sie Labview oder eine ähnliche Software, um ein virtuelles Instrument zu erstellen.Führen Sie an dieser Stelle die TDC-Kalibrierungsschritte für das Koinzidenzpaar durch. Der nächste Schritt ist die Kalibrierung des Systems, beginnend mit einem Koinzidenzsystem. Entlang der Linie zwischen den beiden Detektoren identifizieren Sie fünf gleichmäßig verteilte Punkte, einschließlich des Mittelpunkts.Dieser Aufbau verfügt über Punkte in Vier-Centimeter-Abständen. Als Nächstes platzieren Sie die Strahlungsquelle zwischen den Punkten. Sobald die Quelle positioniert ist, beginnen Sie mit der Erfassung von Koinzidenzereignissen und TDC-Daten für 30 Minuten.Tragen Sie den Mittelwert aller gesammelten TDC-Daten alle ein bis zwei Minuten auf. Dies ist eine typische Darstellung nach den vollständigen 30 Minuten. Die beiden Kurven entsprechen den beiden Detektoren des Koinzidenzpaars.Verwenden Sie eine Darstellung des Mittelwerts der Differenz der TDC-Werte aus den beiden Detektoren, um eine Zeitzone zur Lokalisierung der Quelle zu definieren. Bewegen Sie nun die Strahlungsquelle an eine andere markierte Position zwischen den Detektoren. Nehmen Sie 30 Minuten Daten auf, bestimmen Sie eine neue Zeitzone und wiederholen Sie dies für alle fünf Punkte.Als Nächstes beginnen Sie mit der Überprüfung der Empfindlichkeit des Paars. Wiederholen Sie die TDC-Messungen an allen markierten Punkten für verschiedene Integrationszeiten. Nach der Empfindlichkeitsprüfung richten Sie ein virtuelles Instrument ein.Das Gerät ordnet einer Position der Strahlungsquelle eine Software-LED zu. Die fünf vertikalen LEDs in der Mitte dieses Arrays entsprechen den fünf markierten Positionen, die zur Definition der Zeitbereiche verwendet werden. In dieser Abbildung sehen wir unsere TDC-Daten für zwei benachbarte Positionen.Der Mittelwert der TDC-Differenzdaten für eine Position befindet sich im Zentrum eines Intervalls. Das Intervall stellt die Standardabweichung der Daten dar. Die Daten sollten aus der Erfassungszeit stammen, die in diesem Protokoll verwendet wird, um die Positionen innerhalb von zwei Minuten aufzulösen.Wählen Sie ein Zeitmessfenster aus, um es mit einer Position eines LEDs zu verbinden, indem Sie die Intervalle so abschneiden, dass sie sich nicht überlappen. Die Einrichtung ist abgeschlossen, sobald beide Koinzidenzpaare kalibriert sind. 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 überprüfen Sie die Genauigkeit des virtuellen Instruments bei der Bestimmung der Position der Strahlungsquelle. Dies sind Diagramme der Reaktion jedes Detektors und eines Paars, das ein Koinzidenzsystem bildet.Der kumulative Durchschnittswert des TDC über ein Zeitintervall von einer Minute ist auf der vertikalen Achse angegeben. Der Index des jeweiligen einminütigen Intervalls befindet sich auf der horizontalen Achse. Die Datenerfassung erfolgte über einen Zeitraum von 30 Minuten.Die unterschiedlich gefärbten Linien entsprechen verschiedenen Positionen der Strahlenquelle. Die Differenz zwischen diesen Mittelwerten ist hier dargestellt. Für jeden Messwertesatz wird ein lineares Verhalten erwartet, das eine Umrechnung zwischen Zeit und Entfernung ermöglicht.Beachten Sie, dass die Stabilität mit zunehmender Akquisitionszeit steigt. Diese Diagramme liefern eine Messung der Empfindlichkeit von Koinzidenzsystemen. Der Median und der Mittelwert der TDC-Zählungen sind auf der vertikalen Achse aufgetragen.Entlang der horizontalen Achse ist der Index der Position der Strahlungsquelle zwischen den Detektoren E und F aufgetragen. Die für jeden Punkt verwendeten Daten werden fünf Minuten lang gesammelt. Der Positionsindex eins entspricht einer annähernd zentrierten Strahlungsquelle.Wenn der Index ansteigt, bewegt sich die Quelle in Richtung des F-Detektors. Dieses Koinzidenzsystem weist eine gute räumliche Auflösung auf, da sich die Kurven für Median und Mittelwert als Funktion der Position voneinander entfernen. Im Vergleich dazu entfernen sich Median und Mittelwert bei diesem System langsamer voneinander, was auf eine schlechte räumliche Auflösung hinweist.Nach der Fertigstellung kann dieses Gerät die Position einer Strahlungsquelle innerhalb einer Minute oder weniger anzeigen. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, die Strahlungsquelle so zu positionieren, dass ein Detektorpaar empfindlich reagiert. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit radioaktiven Materialien äußerst gefährlich sein kann.Schulung in Strahlenschutz, um die Vorsichtsmaßnahmen kennenzulernen, die bei der Durchführung dieses Experiments zu beachten sind.

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