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

L’objectif général de l’expérience suivante est de montrer les principes de base d’un système de tomographie par émission de positons utilisant deux paires de photodétecteurs. Le principal avantage de l’utilisation de ce prototype par rapport aux systèmes PET commerciaux est que les utilisateurs peuvent voir clairement les principes de fonctionnement de base du PET. Nous avons eu l’idée de ce système lorsque nous avons cherché à élaborer notre activité de laboratoire pour les étudiants de master, dans le domaine de la physique médicale.

Marcus Fontaine, un technicien de mon laboratoire, fera la démonstration de la procédure. Commencez à travailler sur la configuration PET en préparant le système de détection. Fabriquez chaque détecteur à l’aide d’un tube photomultiplicateur et d’un scintillateur en plastique poli.

Concevez la pièce du scintillateur pour qu’elle corresponde à la taille et à la forme de l’entrée du tube photomultiplicateur afin de permettre un bon couplage. L’étape suivante consiste à envelopper le scintillateur dans du ruban adhésif noir. Laissez un côté découvert pour être couplé avec l’entrée du tube photomultiplicateur.

Mettez le scintillateur de côté et commencez à travailler avec le tube photomultiplicateur. Utilisez de l’alcool et un chiffon propre pour nettoyer l’entrée du tube photomultiplicateur. Lorsque cela est fait, prélevez de la graisse optique et appliquez-la sur l’entrée de la lumière jusqu’à ce qu’elle soit complètement recouverte.

Reprenez le travail avec le scintillateur et appliquez de la graisse optique sur sa surface découverte. Une fois la graisse optique appliquée, alignez l’entrée de la lumière photomultiplicateur et la surface du scintillateur découverte. Couplez ensuite les deux surfaces traitées.

Pour terminer le détecteur, enveloppez le tube photomultiplicateur et le scintillateur dans plus de ruban adhésif noir, comme illustré par cet exemple. Créez au moins quatre détecteurs avant de passer à leur test. Testez le détecteur en le connectant à une source de tension et à un oscilloscope numérique standard.

Éteignez et rallumez la lumière dans le laboratoire tout en surveillant le signal sur l’oscilloscope pour vérifier qu’il n’y a pas de pertes de lumière. Ensuite, connectez la sortie du tube photomultiplicateur à un scaler pour compter les événements détectés. Ajustez la tension du détecteur à sa valeur la plus basse ; Dans ce cas, pointez cinq volts.

Portez maintenant votre attention sur le détecteur. Placez la source de sodium 22 directement sur la surface de la partie à scintillation. Enregistrez le nombre d’événements détectés sur trois minutes à l’aide du redimensionneur.

Augmentez ensuite la tension de commande du point zéro d’un volt. Répétez le temps jusqu’à la mesure des événements détectés pour cette valeur et toutes les autres jusqu’à la tension de commande maximale. Une fois que tous les détecteurs ont été complètement testés, tracez le nombre d’événements détectés en fonction de la tension de commande.

Ce graphique comprend les données de 12 détecteurs. Sélectionnez deux détecteurs avec des courbes similaires pour former une paire de coïncidences. Par exemple, les détecteurs O et I dans ce graphique.

Une fois que deux paires appariées sont identifiées, passez à la construction et au test de deux systèmes coïncidents. Construisez le système coïncident en plaçant deux détecteurs appariés de sorte que la partie scintillatrice d’un détecteur soit directement au-dessus du scitillateur de l’autre. Ensuite, vérifiez les composants électroniques.

Le système de coïncidence nécessite trois modules d’instrumentation nucléaire, un discriminateur, une unité logique et un détartreur. Connectez les signaux de sortie des détecteurs aux entrées du module discriminateur. Sur l’unité logique, sélectionnez le mode de fin sur le panneau avant.

Connectez ensuite les deux sorties du discriminateur aux entrées de l’unité logique. Connectez la sortie de l’unité logique au module de mise à l’échelle pour compter les événements. Dans cette configuration, le détartreur doit enregistrer les événements de coïncidence dus aux rayons cosmiques frappant le système de coïncidence.

Ce schéma est celui du système de détection de coïncidence terminé pour tester une paire de détecteurs. Testez chacune des paires de détecteurs avant de continuer. L’étape suivante consiste à créer la configuration PET.

Placez les quatre détecteurs aux coins d’un carré. Orientez les scitillateurs pour qu’ils pointent vers le centre du carré. Les détecteurs qui se font directement face forment une paire de coïncidences.

Les surfaces des détecteurs sont distantes d’environ 20 centimètres. Continuez en connectant chacun des détecteurs à des canaux séparés d’un discriminateur, d’un bloc logique et d’un scaler. Pour le comptage des coïncidences avec quatre détecteurs, implémentez le bloc logique représenté dans ce schéma.

Ici, les détecteurs sont étiquetés I, J, E et F et leurs signaux sont passés à travers un discriminateur qui n’est pas montré. Dans ce schéma, chaque détecteur est associé à un module OR. Connectez la sortie de chaque détecteur aux entrées des trois modules OR auxquels il n’est pas associé comme indiqué par les lignes colorées.

Ensuite, connectez les sorties du module OR à un module AND pour compléter la logique de coïncidence. Dans les étapes suivantes, n’alimentez qu’une seule paire de coïncidences. Répétez ensuite les étapes pour la deuxième paire.

Revenez au réseau de détecteurs avec une source de rayonnement au sodium 22. Placez la source le long de la ligne entre les détecteurs de la paire de coïncidences. Utilisez un détecteur comme référence et mesurez la distance jusqu’à la source.

Au niveau du rack électronique, utilisez les sorties discriminateur des deux détecteurs comme entrées d’un oscilloscope. Affichez les signaux sur l’oscilloscope avec le temps sur l’accès horizontal. De plus, prenez la sortie du bloc logique de coïncidence et entrez-la dans l’oscilloscope.

Les signaux de rééquerrage doivent apparaître à l’écran. Utilisez les différences de temps entre les signaux du discriminateur mesurés sur l’oscilloscope pour les étapes d’étalonnage ultérieures. Ensuite, préparez le convertisseur de mesure et de temps automatisé par ordinateur ou le module TDC.

Connectez la sortie du bloc logique à l’entrée de démarrage TDC. Connectez ensuite les sorties du discriminateur à un module de retard. Passez la sortie du module de retard aux entrées d’arrêt du TDC.

Ce schéma fournit une vue d’ensemble de la configuration à ce stade. Connectez les modules et les ordinateurs à l’aide d’un bus d’instrumentation à usage général pour le contrôle logiciel. Installez Labview ou un logiciel similaire pour créer un instrument virtuel.

À ce stade, effectuez les étapes d’étalonnage PMH pour la paire de coïncidences. L’étape suivante consiste à calibrer le système en commençant par un système de coïncidence. Le long de la ligne entre les deux détecteurs, identifiez cinq points équidistants, y compris le point médian.

Cette configuration comporte des points à des intervalles de quatre centimètres. Ensuite, placez la source de rayonnement entre les points. Une fois la source en place, commencez à collecter les événements de coïncidence, les données TDC pendant 30 minutes.

Tracez la moyenne de toutes les données TDC collectées toutes les une ou deux minutes. Il s’agit d’une intrigue typique après les 30 minutes complètes. Les deux courbes correspondent aux deux détecteurs de la paire de coïncidences.

Utilisez un graphique de la moyenne de la différence des valeurs TDC des deux détecteurs pour définir un fuseau horaire dans le but de localiser la source. Maintenant, déplacez la source de rayonnement à une position différente entre les détecteurs. Acquérez 30 minutes de données et déterminez un nouveau fuseau horaire et répétez l’opération pour chacun des cinq points.

Ensuite, commencez à tester la sensibilité de la paire. Répétez les mesures PMH à tous les points marqués pour différents temps de collecte. Après avoir testé la sensibilité, passez à la configuration d’un instrument virtuel.

L’instrument associera une LED logicielle à une position de la source de rayonnement. Les cinq LED verticales au centre de ce réseau correspondent aux cinq positions marquées utilisées pour définir les fuseaux horaires. Dans cette figure, nos données PMH pour deux positions adjacentes.

La moyenne des données de différence TDC pour une position se trouve au centre d’un intervalle. L’intervalle représente l’écart-type des données. Les données doivent provenir du temps de collecte qui sera utilisé pour résoudre les positions de deux minutes dans ce protocole.

Choisissez une fenêtre de mesure des temps à associer à une position avec une LED en tronquant les intervalles afin qu’ils ne se chevauchent pas. La configuration sera terminée une fois les deux paires de coïncidences calibrées. À ce stade, il devrait y avoir neuf positions marquées entre les détecteurs.

Placez la source de rayonnement sur l’une des positions. Collectez des données pendant deux minutes et testez la précision de l’instrument virtuel pour localiser la position de la source de rayonnement. Il s’agit de graphiques de la réponse de chaque détecteur et d’une paire qui forment un système de coïncidence.

La valeur moyenne cumulée du PMH sur un intervalle d’une minute est donnée sur l’axe vertical. L’indice de l’intervalle d’une minute se trouve le long de l’axe horizontal. Les données ont été recueillies pendant 30 minutes.

Les différentes lignes colorées correspondent à différentes positions de la source de rayonnement. La différence entre ces valeurs moyennes est représentée ici. Un comportement linéaire est attendu pour chaque ensemble de mesures, permettant la conversion entre le temps et la distance.

Notez qu’il y a une stabilité accrue à mesure que le temps d’acquisition augmente. Ces graphiques permettent de mesurer la sensibilité des systèmes de coïncidences. La médiane et la moyenne des dénombrements de PMV sont tracées le long de l’axe vertical.

L’indice de la position de la source de rayonnement entre les détecteurs E et F est tracé le long de l’axe horizontal. Les données utilisées pour chaque point sont collectées pendant cinq minutes. L’indice de position un correspond à la source de rayonnement qui est approximativement centrée.

Au fur et à mesure que l’indice augmente, la source se déplace vers le détecteur F. Ce système de coïncidence présente une bonne résolution spatiale puisque la courbe de la médiane et de la moyenne divergent en fonction de la position. En comparaison, la médiane et la moyenne de ce système ne divergent pas aussi rapidement, ce qui indique une faible résolution spatiale.

Une fois terminé, cet appareil peut afficher l’emplacement d’une source de rayonnement en une minute ou moins. Lors de cette procédure, il est important de ne pas oublier de placer la source de rayonnement dans une position où une paire de détecteurs est sensible. N’oubliez pas que travailler avec des matières radioactives peut être extrêmement dangereux.

Formez-vous à la radioprotection pour apprendre les précautions à prendre lors de la réalisation de cette expérience.