Un Positron Emission Tomography Basic System Construit pour localiser une source radioactive dans un espace bidimensionnel

Summary

Nous présentons un système de tomographie par émission de positons (TEP) simple mais bien construit et expliquons ses principes de fonctionnement de base. L’objectif de ce protocole est de guider l’utilisateur dans la construction et le test d’un système PET simple.

Abstract

Un simple prototype de tomographie par émission de positons (TEP) a été construit pour caractériser pleinement ses principes de base de travail. Le prototype PET a été créé en couplant cristaux scintillateurs en plastique pour photomultiplicateurs ou PMT qui sont placés à des positions opposées à détecter deux rayons gamma émis par une source radioactive, qui est placé dans le centre géométrique de la PET set-up. Le prototype se compose de quatre détecteurs placés géométriquement dans un cercle de 20 cm de diamètre, et une source radioactive dans le centre. En déplaçant les centimètres de sources radioactives à partir du centre d'une de système est capable de détecter le déplacement en mesurant la différence de temps de vol entre deux PMT de et, avec cette information, le système peut calculer la position virtuelle dans une interface graphique. De cette façon, le prototype reproduit les grands principes d'un système de PET. Il est capable de déterminer la position réelle de la source avec des intervalles de 4 cm à 2 lignes de deprotection en prenant moins de 2 min.

Introduction

Positron Emission Tomography est une technique d'imagerie non invasive utilisé pour obtenir des images numériques des tissus et des organes internes du corps. Diverses techniques non invasives existent qui permettent d'obtenir des images et des informations sur le fonctionnement interne d'un patient telles que la tomographie axiale (TAC) et l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Tous les deux donnent une bonne résolution spatiale et sont en outre utilisés pour des applications dans les études anatomiques et physiologiques. Bien que relativement PET donne une résolution spatiale inférieure, il fournit plus d'informations concernant le métabolisme se produisant dans la zone d'intérêt. PET est largement utilisé pour obtenir des informations morphologiques et fonctionnelles; ses principales applications cliniques sont dans les domaines de l'oncologie, de la neurologie et de la cardiologie. Aussi, les images de PET peuvent aider les médecins donnent de meilleurs diagnostics, par exemple, mettre en place la planification du traitement de la tumeur.

Le principe de fonctionnement de base des systèmes de PET est la détection de deux photonnes ou de rayons gamma provenant d'une paire d'annihilation de positrons-électrons, à la fois en vol dans des directions opposées vers les détecteurs, qui se composent généralement de cristaux scintillateurs couplées avec PMT. Les cristaux scintillateurs transforment le rayonnement gamma en lumière visible, qui se déplace à une PMT qui convertit le signal lumineux à une impulsion électrique par l'intermédiaire d'un processus photoélectrique. A l'intérieur des appareils électroniques PMT appelés dynodes sont présents, ce qui augmente l'ampleur de la charge électrique avant de l'envoyer à un système de lecture. Ces deux photons détectés ont été créés quand un positron (électrons chargé positivement) émise par un isotope de fluide, qui a été injecté dans la circulation sanguine du corps, annihile avec un électron dans le corps. Les mesures de système de lecture en coïncidence l'heure d'arrivée des deux photons back-to-back par rapport à une référence de temps et de plus, il substrats deux fois pour obtenir la différence. Le système utilise cette différence de temps pour calculer les wh de position de l'espaceavant que la source de rayonnement émet deux photons, et donc où l'annihilation de positrons-électrons est produite.

Certaines caractéristiques des systèmes de PET doivent être définies pour optimiser la qualité de l'image et pour augmenter la résolution spatiale et temporelle. Une caractéristique à considérer est la ligne de réponse (LOR), définie comme la distance que les deux photons voyagent après le processus d'annihilation. Une autre caractéristique à considérer est le temps de vol (TOF). La qualité des images dépend aussi de caractéristiques externes, principalement les organes du corps et les mouvements du patient pendant la session de traitement ^1. Les isotopes utilisés dans les systèmes de PET sont appelés émetteurs bêta +. Ces isotopes ont une demi-vie courte (de l'ordre de quelques secondes). Elles sont produites dans les accélérateurs de particules (cyclotrons) lorsque des éléments stables sont bombardés avec des protons ou des deutérons causant des réactions nucléaires. De telles réactions transforment les éléments stables en isotopes instables, tels que C-11, N-13, O-15, F-18, entre autres^2.

Il existe deux types de PET. (1) conventionnelle: elle utilise les informations TOF seulement d'identifier la ligne le long de laquelle est survenu l'anéantissement, mais il est incapable de déterminer le lieu d'origine des deux photons. Il nécessite des algorithmes de reconstruction analytique ou itérative supplémentaires pour estimer cela. (2) TOF PET: utilise la différence de TOF de localiser la position de l'annihilation du positron émis. La résolution temporelle est utilisée dans l'algorithme de reconstruction en tant que noyau d'une fonction de probabilité localisation ^3.

Notre objectif principal est de démontrer les fonctions primaires de PET, qui est utilisé pour localiser une source de rayonnement dans l'espace. Le champ principal de l'ensemble du système PET proposé ici est de fournir un guide de construction de PET de base pour le public scolaire, et d'expliquer, d'une manière simple, ses principales propriétés.

Protocol

1. Préparation de la configuration PET

1. Préparer le PMT couplé avec des morceaux de scintillateur plastique. Selon le type de PMT (taille, la forme de la photocathode) construire une pièce de scintillateur suffisante pour répondre à la photocathode du PMT.
   1. Envelopper les morceaux de scintillateur avec un ruban noir. Laisser un côté à découvert, comme il sera couplé à l'entrée de la lumière de PMT.
      NOTE: Il est important que ces pièces sont préalablement poli pour éviter les pertes d'accumulation de lumière.
2. Nettoyer l'entrée de la lumière de PMT avec de l'alcool (concentration d'alcool commercial de 70%), puis appliquer de la graisse optique et le visage découvert du scintillateur. Couplé avec le visage PMT le scintillateur et les envelopper avec plus de ruban adhésif noir.
   1. Connectez le PMT à la tension de source (un câble est inclus pour chaque PMT, dans ce cas 14 biais de polarisation V et 0,5 V pour le contrôle de la tension). Identifier les signaux provenant de la PMT en connectant leCâble de signal de PMT à un canal de l'oscilloscope numérique standard (un câble de signal est également inclus pour chaque PMT). Observer les variations d'amplitude des signaux lorsque vous allumez / éteindre la lumière dans le laboratoire, afin de vérifier qu'il n'y a pas les pertes de lumière. Répétez cette étape pour chacun des quatre détecteurs, où un détecteur scintillateur signifie plus de PMT.
3. Construire un système de coïncidence en plaçant la partie de scintillateur d'un détecteur dessus de la partie correspondante d'un autre détecteur. Mettez deux NIM (Instrument Module nucléaire) instruments appelés modules discriminateurs et unité logique dans une caisse NIM.
4. Raccorder les signaux de sortie provenant des détecteurs aux entrées d'un module discriminateur. Utilisez une unité logique dans le mode ET, en sélectionnant ce cas logique dans le panneau avant de l'unité logique. Reliez les deux sorties discriminantes dans les entrées de l'unité logique.
   NOTE: ET est une opération logique qui sélectionne lorsque deux signaux carrés arrivent en même temps ou en coïncidence.
5. Connect le signal d'unité logique de sortie dans un module de mise à l'échelle (qui compte des signaux numériques) pour compter les événements (créé par les rayons cosmiques frappent en coïncidence deux détecteurs).

2. Acquisition de signaux avec PET

1. Placez les deux détecteurs dans les coins opposés de la zone carré défini avant, donc ils font face à l'autre, et sont espacés de 20 cm, et de faire le même exercice que 1.4 et 1.5, mais cette fois, au lieu d'utiliser des rayons cosmiques (les rayons cosmiques ont servi une source radioactive naturelle provisoire), utilisez la source de rayonnement Na-22.
   1. Placez la source radioactive dans une distance moyenne entre les deux détecteurs et de faire l'acquisition de données via le module de mise à l'échelle. Le système mis en place et l'agencement schématique du bloc logique utilisée pour obtenir une coïncidence peut être vu dans les figures 1, 2, et 3.
2. Mesurer la différence de temps des signaux arrivant en reliant les deux sorties et le PMT discriminationsortie de coïncidence dans l'oscilloscope. Chacun des trois signaux va à une entrée de l'oscilloscope; il y aura trois signaux carrés sur l'écran de l'oscilloscope. Avec l'échelle horizontale (échelle de temps) mesurer la différence de temps entre les deux signaux discrimination.
   REMARQUE: Lorsque la source radioactive est directement dans le milieu entre les deux détecteurs il y aura peu ou pas de différence de séparation ou de temps entre la place de discrimination des signaux en moyenne, et quand la source radioactive est en dehors du centre et à proximité de l'un des PMT puis il y aura différence de temps moyenne.
3. Envoyer ces signaux de synchronisation à l'un des huit canaux de la CAMAC (informatique automatisé mesure et de contrôle) TDC (Time to Digital Converter) module. Pour ce faire, connectez la sortie de la logique et à l'entrée TDC appeler "Démarrer" puis connecter le détecteur de discrimination sorties aux entrées TDC qui sont appelés "STOP". Le signal ET doit être retardé par un retard Module par quelques nanosecondes pour que ce signal pour arriver avant les deux autres signaux d'arrêt (voir Figure 4).
4. Calibrer les unités TDC comptage en fonction du temps indiquées par l'oscilloscope grâce à un programme de logiciel (voir les étapes de la section 3). Pour ce faire, l'étalonnage au moyen de la distance de séparation entre la source radioactive et de l'un des détecteurs, de mesure de la différence de temps moyenne (étape 2.3) de toutes les positions. Établir une communication logicielle entre les différents modules et l'ordinateur via un bus standard GPIB (General Purpose Instrumentation Bus) à faire cet étalonnage.

3. Construire l'interface Virtual Instrument

1. Télécharger et utiliser un logiciel LabView ou tout autre logiciel similaire.
   NOTE: Pour travailler avec Labview, il est nécessaire d'avoir une certaine connaissance de la «langue G de programmation". Dans cette langue, pas de code doit être écrit, et toutes les actions effectuées peut être fait à partir d'un outil logiciel pâleTTE. Un guide facile avec des exemples pratiques peut être trouvée dans l'outil d'aide.
2. Sélectionnez l'utilitaire de tableau à partir de l'avant palette d'outils du panneau (variables de programmation des conteneurs) pour enregistrer les données de sortie de TDC.
   REMARQUE: Le "panneau avant" est l'interface graphique de l'instrument virtuel pour l'utilisateur et le "schéma de principe" est utilisé pour la programmation de logiciels.
3. Tracer l'acquisition de données (données de temps de TDC) en sélectionnant un instrument logique dans le menu de parcelles. Identifier les données de terrains liés à chaque position de la source. Pour ce faire, en faisant varier la distance de la source à partir de la ligne des détecteurs par quelques centimètres.
4. Prendre la moyenne des données en utilisant les fonctions statistiques (moyennes) de l'outil de menu mathématique, et choisissez un intervalle de valeurs centrées dans la moyenne. Ensuite, selon la programmation logique suivie, utilisez les outils nécessaires à partir du menu de tableau à supprimer toutes les données avec des valeurs en dehors de cet intervalle.
5. Sélectionner des indicateurs de ee outil de schéma de palette pour afficher le nombre de données stockées dans chaque tableau, et identifier quelques conteneurs avec le plus grand nombre de données stockées.
6. Obtenez la moyenne des données dans chaque tableau sélectionné dans l'étape 3.5 et utiliser cette information pour établir un ensemble de valeurs intervalles de temps pour chaque position de la source à l'aide de ce bloc de LabView outil de schéma palette.
7. Sélectionner un ensemble d'indicateurs à partir de l'avant de la palette outil de panneau pour stocker la moyenne obtenue à l'étape 3.6 pour une séquence de mesures.
8. Sélectionnez une structure à partir de la palette d'outils du diagramme de cas de relier chaque position avec son intervalle respectif de l'étape 3.7, et d'associer à chaque intervalle virtuel LED dans un tableau de l'avant palette d'outils du panneau.
9. Remarquez le temps chaque signal pour arriver aux canaux TDC: lorsque la source radioactive est déplacée à partir du milieu plus proche d'un détecteur, d'observer un mouvement de la source virtuelle dans le tableau de programmation de LEDs (voir Figure 5 ) déplaçant vers la droite dans l'ordinateur.
10. Inclure un contrôle (élément de programmation variable) de la palette d'outils du panneau avant pour l'acquisition de temps total.
    NOTE: L'efficacité du positionnement dépendra de cet outil de temps de contrôle: plus le temps l'acquisition prend, le plus précisément l'objet virtuel simulant la source radioactive donnera la position correcte.

4. Résultats graphiques

1. À des fins d'étalonnage, placer la source en toute position intermédiaire par rapport à l'une des paires de détecteurs couplés. Prendre des mesures pour 30 min, et avec les données acquises, prendre la moyenne des valeurs accumulées toutes les 2 min. Répétez ce processus pour différentes positions de source et de tracer la valeur moyenne de chaque détecteur dans toutes les positions (voir les figures 6 et 7). Les différences de valeurs détecteurs sont représentés sur la figure 8.
2. Pour obtenir une meilleure resuLTS, sélectionnez deux détecteurs ayant des valeurs de données similaires pour former un couple. Pour tester cela, mettre la tension de commande de PMT à sa valeur inférieure, dans ce cas 0,5 V. Démarrer la mesure du nombre d'événements détectés avec le module de mise à l'échelle pour une période déterminée en reliant la sortie du détecteur à l'entrée de mise à l'échelle. Augmenter la tension de 0,01 V et mesurer à nouveau. Répétez ce processus pour atteindre la valeur maximale de contrôle possible, dans ce cas 0,9 V.
   1. Tracer le nombre d'événements détectés par rapport à la tension de commande dans les échelles logarithmiques demi (voir la figure 9). Couple les paires de détecteurs ayant des distributions similaires.
3. Pour tester la sensibilité du système, placer la source radioactive dans certains positions intermédiaires espacement égal le long des lignes, dans ce cas il ya cinq ans. Acquérir des données pendant 5 min dans chaque position, et tracer la moyenne et la médiane des valeurs obtenues pour chaque détecteur indépendamment (voir les figures 10 et 11).

Results

Deux principaux résultats sont obtenus avec ce système PET. Première: une synchronisation efficace entre les effets visuels de la source radioactive virtuelle lors du déplacement de l'échantillon radioactif réel. Avec ce programme, l'utilisateur a le contrôle du temps d'acquisition, le nombre de répétitions dans la même position, la variation de l'intervalle autour de l'acquisition des données signifient, entre autres. Deuxièmement: la construction d'une structure simple de la logique de...

Discussion

Un aspect important de ce système est d'avoir un très bon contrôle sur les résolutions spatiales et temporelles. La résolution spatiale de la TEP est limitée par les caractéristiques physiques de la désintégration radioactive et de l'anéantissement, mais aussi par des aspects techniques de l'enregistrement de coïncidence (étapes 1.1 et 1.2) et par des sources extérieures d'erreurs, telles que le mouvement de l'objet lors de l'examen ^5. Ainsi, la position exacte mesuré va dépendre de la...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Discriminateur bas seuil	CAEN	N845
Unités logiques	Lecroy	365AL
Temporisation	CAEN	N108A
Oscilloscope	Tektronic	TDS3014C
Quad Scaler et compteur de préréglages	CAEN	N1145
TDC	Lecroy	2228
PMT& rsquo ; s	Hamamatsu	H5783p
Alimentation Chasis	Lecroy	1403
Interface GPIB	Lecroy	8901A
NIM Alimentation	Lecroy	1002B
CAMAC Crate	Borer-co	1902A
Scintillator Cristaux	Bicron	408	1 cm x 2 cm x 5 cm
Alimentation	Agilent	E3631
Na 22 Activité de la source			2 &mu ; Ci
Software LabView 7.1	National intruments
lemo cables connectors			2  ; NSEC, 3 NBSP ; nsec et 8  ;
Film