Una Tomografía por Emisión de Positrones Sistema Básico Construido para localizar una fuente radiactiva en un espacio bidimensional

El objetivo general del siguiente experimento es mostrar los principios básicos de un sistema de tomografía por emisión de positrones utilizando dos pares de fotodetectores. La principal ventaja de utilizar este prototipo sobre los sistemas comerciales de PET es que los usuarios pueden ver claramente los principios básicos de funcionamiento del PET. La primera vez que tuvimos la idea de este sistema fue cuando buscábamos elaborar nuestra actividad de laboratorio para estudiantes de maestría, en el campo de la física médica.

Fontaine, un técnico de mi laboratorio, demostrará el procedimiento. Comience a trabajar en la configuración del PET preparando el sistema de detección. Haga cada detector usando un tubo multiplicador de fotos y una pieza centelleadora de plástico pulido.

Diseñe la pieza del centelleo para que coincida con el tamaño y la forma de la entrada del tubo fotomultiplicador para permitir un buen acoplamiento. El siguiente paso es envolver el centelleador con cinta adhesiva negra. Deje un lado descubierto para que se acople con la entrada de tubo fotomultiplicador.

Deje el centelleador a un lado y comience a trabajar con el tubo fotomultiplicador. Use alcohol y un paño limpio para limpiar la entrada del tubo fotomultiplicador. Una vez hecho esto, consigue grasa óptica y aplícala en la entrada de luz hasta que quede completamente cubierta.

Regrese al trabajo con el centelleador y aplique grasa óptica en su superficie descubierta. Una vez que se haya aplicado la grasa óptica, alinee la entrada de luz del fotomultiplicador y la superficie del centelleador descubierta. A continuación, acople las dos superficies tratadas.

Para completar el detector, envuelva el tubo fotomultiplicador y el centelleador con más cinta adhesiva negra, como se ilustra en este ejemplo. Cree al menos cuatro detectores antes de pasar a probarlos. Pruebe el detector conectándolo a una fuente de voltaje y a un osciloscopio digital estándar.

Apague y encienda la luz en el laboratorio mientras monitorea la señal en el osciloscopio para verificar que no haya pérdidas de luz. A continuación, conecte la salida del tubo fotomultiplicador a un escalador para contar los eventos detectados. Ajuste el voltaje del detector a su valor más bajo; en este caso punto cinco voltios.

Ahora dirija la atención al detector. Coloque la fuente de sodio 22 directamente sobre la superficie de la porción de centelleo. Registre el número de eventos detectados durante tres minutos mediante el escalador.

Luego aumente el voltaje de control en el punto cero de un voltio. Repita el tiempo hasta la medición de los eventos detectados para este valor y todos los demás hasta el voltaje de control máximo. Después de que todos los detectores se hayan probado por completo, haga un gráfico del número de eventos detectados en comparación con el voltaje de control.

Este gráfico incluye datos de 12 detectores. Seleccione dos detectores con curvas similares para formar un par de coincidencia. Por ejemplo, los detectores O e I en este gráfico.

Una vez identificados dos pares coincidentes, continúe con la construcción y prueba de dos sistemas coincidentes. Construya el sistema coincidente colocando dos detectores emparejados de modo que la parte del centelleo de un detector esté directamente sobre el centelleador del otro. A continuación, compruebe los componentes electrónicos.

El sistema de coincidencia requiere tres módulos de instrumentación nuclear, un discriminador, una unidad lógica y un escalador. Conecte las señales de salida de los detectores a las entradas del módulo discriminador. En la unidad lógica, seleccione el modo final en el panel frontal.

A continuación, conecte las dos salidas del discriminador a las entradas de la unidad lógica. Conecte la salida de la unidad lógica al módulo escalador para contar los eventos. En esta configuración, el escalador debe registrar los eventos de coincidencia debidos a los rayos cósmicos que inciden en el sistema de coincidencia.

Este esquema es del sistema de detección de coincidencias completado para probar un par de detectores. Pruebe cada uno de los pares de detectores antes de continuar. El siguiente paso es crear la configuración de PET.

Coloca los cuatro detectores en las esquinas de un cuadrado. Orienta los centelleadores para que apunten hacia el centro del cuadrado. Los detectores que se enfrentan directamente forman un par de coincidencia.

Las superficies del detector están separadas por unos 20 centímetros. Continúe conectando cada uno de los detectores a canales separados de un discriminador, un bloque lógico y un escalador. Para el conteo de coincidencias con cuatro detectores, implemente el bloque lógico representado en este diagrama.

Aquí, los detectores están etiquetados como I, J, E y F y sus señales pasan a través de un discriminador que no se muestra. En este diagrama, cada detector está asociado a un módulo OR. Conecte la salida de cada detector a las entradas de los tres módulos OR a los que no está asociado como lo indican las líneas de colores.

A continuación, conecte las salidas del módulo OR a un módulo AND para completar la lógica de coincidencia. En los siguientes pasos, suministre energía a un solo par de coincidencia. A continuación, repita los pasos para el segundo par.

Regrese al conjunto de detectores con una fuente de radiación de sodio 22. Coloque la fuente a lo largo de la línea entre los detectores del par de coincidencia. Utilice un detector como referencia y mida la distancia a la fuente.

En el bastidor de productos electrónicos, utilice las salidas del discriminador para los dos detectores como entradas para un osciloscopio. Visualice las señales en el osciloscopio con la hora en el acceso horizontal. Además, tome la salida del bloque lógico de coincidencia e introdúzcala en el osciloscopio.

Las señales de recuadración deberían aparecer en la pantalla. Utilice las diferencias de tiempo entre las señales del discriminador medidas en el osciloscopio para los pasos de calibración posteriores. A continuación, prepare la medición automatizada por computadora y el tiempo a convertidor digital o módulo TDC.

Conecte la salida del bloque lógico a la entrada de inicio TDC. A continuación, conecte las salidas del discriminador a un módulo de retardo. Pase la salida del módulo de retardo a las entradas de parada del TDC.

Este esquema proporciona una visión general de la configuración en este punto. Conecte los módulos y las computadoras con un bus de instrumentación de propósito general para el control de software. Instale Labview o software similar para crear un instrumento virtual.

En este punto, realice los pasos de calibración de TDC para el par de coincidencia. El siguiente paso es calibrar el sistema comenzando con un sistema de coincidencia. A lo largo de la línea entre los dos detectores, identifique cinco puntos igualmente espaciados, incluido el punto medio.

Esta configuración tiene puntos a intervalos de cuatro centímetros. A continuación, coloque la fuente de radiación entre los puntos. Con la fuente en su lugar, comience a recopilar eventos de coincidencia, datos TDC durante 30 minutos.

Traza el promedio de todos los datos TDC recopilados cada uno o dos minutos. Esta es una parcela típica después de los 30 minutos completos. Las dos curvas corresponden a los dos detectores del par de coincidencia.

Utilice una gráfica del promedio de la diferencia de los valores de TDC de los dos detectores para definir una zona horaria con el fin de localizar la fuente. Ahora, mueva la fuente de radiación a una posición marcada diferente entre los detectores. Adquiera 30 minutos de datos y determine una nueva zona horaria y repita para cada uno de los cinco puntos.

A continuación, comience a probar la sensibilidad del par. Repita las mediciones de TDC en todos los puntos marcados para diferentes momentos de recolección. Después de probar la sensibilidad, pase a configurar un instrumento virtual.

El instrumento asociará un LED de software con una posición de la fuente de radiación. Los cinco LED verticales en el centro de esta matriz corresponden a las cinco posiciones marcadas que se utilizan para definir las zonas horarias. En esta figura, nuestros datos de TDC para dos posiciones adyacentes.

La media de los datos de diferencia TDC para una posición está en el centro de un intervalo. El intervalo representa la desviación estándar de los datos. Los datos deben ser de la hora de recolección que se utilizará para resolver las posiciones de dos minutos en este protocolo.

Elija una ventana de medición de tiempos para asociarla con una posición con un LED truncando los intervalos para que no se superpongan. La configuración se completará después de calibrar ambos pares de coincidencias. En este punto, debe haber nueve posiciones marcadas entre los detectores.

Coloque la fuente de radiación en una de las posiciones. Recopile datos durante dos minutos y pruebe la precisión del instrumento virtual para localizar la posición de la fuente de radiación. Se trata de gráficas de la respuesta de cada detector y un par que forman un sistema de coincidencia.

El valor medio acumulado de TDC en un intervalo de un minuto se da en el eje vertical. El índice del intervalo de un minuto está a lo largo del eje horizontal. Los datos se recogieron durante 30 minutos.

Las líneas de diferentes colores corresponden a diferentes posiciones de la fuente de radiación. La diferencia entre estos valores promedio se representa aquí. Se espera un comportamiento lineal para cada conjunto de mediciones, lo que permite la conversión entre el tiempo y la distancia.

Tenga en cuenta que aumenta la estabilidad a medida que aumenta el tiempo de adquisición. Estos gráficos proporcionan una medida de la sensibilidad de los sistemas de coincidencia. La mediana y la media de los recuentos de TDC se trazan a lo largo del eje vertical.

El índice de la posición de la fuente de radiación entre los detectores E y F se traza a lo largo del eje horizontal. Los datos utilizados para cada punto se recopilan durante cinco minutos. El índice de posición uno corresponde a que la fuente de radiación está aproximadamente centrada.

A medida que el índice aumenta, la fuente se mueve hacia el detector F. Este sistema de coincidencia exhibe una buena resolución espacial ya que la curva para la mediana y la media divergen en función de la posición. En comparación, la mediana y la media de este sistema no divergen tan rápidamente, lo que indica una resolución espacial pobre.

Una vez completado, este dispositivo puede mostrar la ubicación de una fuente de radiación en un minuto o menos. Al intentar este procedimiento, es importante recordar colocar la fuente de radiación en una posición en la que un par de detectores sea sensible. No olvide que trabajar con material radiactivo puede ser extremadamente peligroso.

Entrene en seguridad radiológica para aprender las precauciones que se deben tomar al realizar este experimento.