מערכת פליטת פוזיטרוני טומוגרפיה יסוד נבנתה לאתר מקור רדיואקטיבי בשטח הדו-ממדי

Summary

אנו מציגים מערכת טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET) פשוטה אך בנויה היטב ומבהירים את עקרונות העבודה הבסיסיים שלה. מטרת פרוטוקול זה היא להדריך את המשתמש בבנייה ובדיקה של מערכת PET פשוטה.

Abstract

אב טיפוס פשוט Positron פליטת טומוגרפיה (PET) נבנה לאפיין באופן מלא את עקרונות העבודה הבסיסיות שלו. אב טיפוס PET נוצר על ידי צימוד גבישי scintillator פלסטיק למכפיל אור או PMT של אשר ממוקמים בעמדות מנוגדות לזהות שתי קרני גאמא הנפלטת ממקור רדיואקטיבי, אשר ממוקם במרכז הגיאומטרי של PET הגדרה. אב הטיפוס מורכב מארבעה גלאים להציב גיאומטרי במעגל בקוטר 20 סנטימטר, ומקור רדיואקטיבי במרכז. על ידי הזזת סנטימטרים מקור רדיואקטיבי ממרכז המערכת אחת הוא מסוגל לזהות התזוזה על ידי מדידת הזמן של הבדל טיסה בין כל שני PMT של ו, עם המידע הזה, המערכת יכולה לחשב את המיקום הווירטואלי בממשק גרפי. בדרך זו, אב הטיפוס מתרבה העקרונות העיקריים של מערכת PET. הוא מסוגל לקבוע את העמדה האמיתית של המקור במרווחים של 4 סנטימטר ב2 קווים של דהtection לוקח פחות מ -2 דקות.

Introduction

Positron פליטת טומוגרפיה היא טכניקת הדמיה לא פולשנית המשמשת לקבלת תמונות דיגיטליות של הרקמות ואיברים הפנימיים של הגוף. טכניקות לא פולשנית שונות קיימות המאפשרים אחד כדי להשיג תמונות ומידע על פעולותיו הפנימיות של מטופל, כגון מחשב צירי טומוגרפיה (TAC) ותהודה מגנטית (MRI). שניהם לתת רזולוציה מרחבית טובה ונמצאים בשימוש גם עבור יישומים במחקרים אנטומיים ופיסיולוגיים. למרות שיחסית PET נותן פחות רזולוציה מרחבית, הוא מספק מידע נוסף בנוגע לחילוף החומרים המתרחשים באזור של עניין. PET נעשה שימוש נרחב כדי לקבל מידע פונקציונלי וצורני; היישומים הקליניים העיקריים שלה הם בתחומי האונקולוגיה, נוירולוגיה וקרדיולוגיה. כמו כן, תמונות PET יכולות לסייע לרופאים לתת אבחנות טובות יותר, למשל, להקים תכנון טיפול בגידול.

עיקרון העבודה הבסיסי של מערכות PET הוא זיהוי של שני טלפוניםטון או קרני גמא מגיע מצמד השמדת פוזיטרונים-אלקטרון, גם עף בכיוונים מנוגדים כלפי הגלאים, אשר מורכבים בדרך כלל מגבישי scintillator יחד עם PMTs. גבישי scintillator להפוך קרינת גמא לאור הנראה, שנוסע לPMT אשר ממיר את אות האור לדופק חשמלי באמצעות תהליך הפוטואלקטרי. בתוך המכשירים האלקטרוניים PMT dynodes נקרא נוכח, המגדילים את גודל המטען החשמלי לפני שליחתו למערכת לקריאה החוצה. שני פוטונים זוהו אלה נוצרו כאשר פוזיטרונים (מטען חשמלי חיובי אלקטרונים) הנפלטים על ידי נוזל איזוטופ, אשר הוזרק לזרם הדם של הגוף, משמידה עם אלקטרונים בגוף. צעדי הקריאה מתוך מערכת במקרה את זמן ההגעה של שני הפוטונים גב-אל-גב ביחס להתייחסות זמן ולקדם אותו בשתי הפעמים מצעים להשיג את ההבדל. המערכת עושה שימוש בהפרשי זמן זה כדי לחשב את "ש עמדת החללere מקור הקרינה הנפלט שני הפוטונים, ובכך שבי השמדת אלקטרון-הפוזיטרון התרחשה.

חלק מהתכונות של מערכות PET חייבים להיות מוגדרות כדי לייעל את איכות התמונה ולהגדיל את הרזולוציה מרחבית וזמן. תכונה אחת היא לשקול את הקו של תגובה (שרה"ט), מוגדר כמרחק ששני הפוטונים לנסוע לאחר תהליך ההשמדה. תכונה נוספת שיש לשקול היא הזמן של טיסה (TOF). האיכות של התמונות תלויות גם בתכונות חיצוניות, בעיקר איברי הגוף ותנועותיו של המטופל במהלך פגישת טיפול ^1. איזוטופים בשימוש במערכות PET נקראים קרינת ביתא +. יש איזוטופים אלה זמן מחצית חיים קצרים (בסדר הגודל של שניות). הם מיוצרים במאיצי חלקיקים (cyclotrons) כאשר אלמנטים יציבים מופגזים פרוטונים או deuterons שגורמים לתגובות גרעיניות. תגובות כאלה להפוך את האלמנטים יציבים לאיזוטופים יציבים, כגון C-11, N-13, O-15, F-18, בין השאר^2.

ישנם שני סוגים של PET. (1) קונבנציונלי: זו משתמשת במידע TOF רק כדי לזהות את הקו שלאורכו התרחשה ההשמדה, אך אין באפשרותו לקבוע את מקום מוצאם של שני הפוטונים. זה דורש אלגוריתמים אנליטיים שחזור או איטרטיבי נוספים כדי להעריך את זה. (2) TOF PET: מנצל את הבדל TOF כדי לאתר את מיקום השמדת פוזיטרונים הנפלטים. הרזולוציה הזמן משמשת באלגוריתם השחזור כליבה לפונקציה הסתברות לוקליזציה ^3.

המטרה העיקרית שלנו היא להדגים את הפונקציות העיקריות של PET, המשמש לאיתור מקור קרינה בחלל. ההיקף העיקרי של קבוצת מערכת PET המוצעת כאן הוא לספק מדריך בניית PET בסיסי לציבור האקדמי, ולהסביר, בצורה פשוטה, המאפיינים העיקריים שלה.

Protocol

1. הכנת התקנת PET

1. הכן את PMT של יחד עם חתיכות פלסטיק scintillator. בהתאם לסוג של PMT (גודל, צורה של photocathode) לבנות חתיכת scintillator הולמת שתתאים עם photocathode של PMT.
   1. עטוף את חתיכות scintillator עם סרט שחור. השאר צד אחד נחשף, כפי שיהיה בשילוב עם כניסת PMT האור.
      הערה: חשוב שהחלקים אלה מלוטשים בעבר, כדי למנוע הפסדי הצטברות אור.
2. נקה את כניסת PMT אור עם אלכוהול (ריכוז אלכוהול מסחרי של 70%) ולאחר מכן למרוח משחה אופטית אליו ופניו מכוסות של scintillator. בשילוב עם הפנים PMT scintillator ולעטוף אותם בנייר דבק שחור יותר.
   1. חבר את PMT למתח המקור (כבל כלול עבור כל PMT, במקרה זה ההטיה V הטיה 14 ו -0.5 V לבקרת מתח). זהה את האותות המגיעים מPMT על ידי חיבורכבל אות PMT לערוץ אוסצילוסקופ דיגיטלי סטנדרטי (כבל אות כלול גם עבור כל PMT). שים לב לשינויים במשרעת של האותות בעת הפעלה / כיבוי האור במעבדה, כדי לוודא שאין הפסדי אור. חזור על שלב זה עבור כל אחד מארבעת הגלאים, שבו גלאים אומר scintillator תוספת PMT.
3. לבנות מערכת במקרה על ידי הצבת חלק scintillator של גלאי אחד מעל החלק המקביל של גלאים אחר. שים שני מכשירי נים (הגרעיני כלי מודול) נקראים מודולים מאבחנים ויחידת היגיון בארגז נים.
4. חבר את אותות פלט מהגלאים לכניסות של מודול מאבחן. השתמש ביחידת ההיגיון במצב ו, על ידי בחירת מקרה ההיגיון הזה בלוח הקדמי יחידת היגיון. לחבר את שתי יציאות מאבחנים בתשומות יחידת היגיון.
   הערה: ופעולה הגיונית שבוחרת כאשר שני אותות כיכר מגיעים באותו הזמן או בצירוף מקרים.
5. מְשׁוּתָףnnect אות יחידת היגיון הפלט במודול scaler (אשר מונתה אותות דיגיטליים) לספור את האירועים (שנוצרה על ידי הקרניים הקוסמיות פוגעות בצירוף מקרים שניהם הגלאים).

2. רכישת אותות עם PET

1. מניחים שני הגלאים בפינות נגדיות של אזור הכיכר המוגדר לפני, כך שהם עומדים זה מול זה, והם 20 סנטימטר זה מזה, ולעשות את אותו תרגיל כמו 1.4 ו -1.5, אבל הפעם, במקום להשתמש בקרינה קוסמית (קרינה קוסמית שימשה כ מקור רדיואקטיבי טבעי זמני), להשתמש במקור קרינת Na-22.
   1. הנח את מקור רדיואקטיבי במרחק אמצע בין שני הגלאים ולעשות רכישת נתונים באמצעות מודול scaler. המערכת הוקמה וההסדר סכמטי של בלוק ההיגיון להשתמש כדי להשיג צירוף מקרים שניתן לראות באיורים 1, 2, ו -3.
2. מדוד את ההבדל של האותות המגיעים הזמן על ידי חיבור שתי היציאות של PMT להפלות ופלט צירוף מקרים באוסצילוסקופ. כל אחת משלושת האותות הולך לקלט אוסצילוסקופ; יהיו שלושה אותות מרובעים במסך אוסצילוסקופ. עם הסולם האופקי (בסולם זמן) למדוד את ההבדל של שני אותות להפלות הזמן.
   הערה: כאשר מקור רדיואקטיבי הוא ישירות באמצע בין שני הגלאים יהיו קטן או לא הבדל הפרדה או זמן בין הכיכר להפלות אותות בממוצע, וכאשר מקור רדיואקטיבי נמצא מחוץ למרכז וקרוב לאחד מPMT אז יהיה הפרש זמן בממוצע.
3. שלח אותות עיתוי אלו לאחד משמונת הערוצים של CAMAC (המחשב האוטומטי המדידה ובקרה) TDC (זמן לממיר דיגיטלי) מודול. כדי לעשות זאת, לחבר את הפלט של היגיון ולקלט TDC מכנה "התחל" ולאחר מכן לחבר את הגלאי להפלות יציאות לכניסות TDC הנקראים "STOP". והאות יש להתעכב דרך מודו עיכובle על ידי כמה ננו שניות כדי האיתותים להגיע לפני שני אותות STOP האחרים (ראה איור 4).
4. כייל את יחידות TDC לספור לעומת הזמן הראו על ידי אוסצילוסקופ באמצעות תוכנה (ראה שלבים בסעיף 3). האם כיול זה על ידי שימוש בהפרדת המרחק בין מקור רדיואקטיבי ואחד מהגלאים, מדידת ההבדל הממוצע הזמן (שלב 2.3) של כל עמדה. להקים תוכנת תקשורת בין מודולים השונים והמחשב באמצעות GPIB אוטובוס סטנדרטי (שימוש כללי מכשור אוטובוס) לעשות כיול זה.

3. בניית כלי הממשק הווירטואלי

1. להוריד ולהשתמש בתוכנת LabView או כל תוכנה דומה.
   הערה: כדי לעבוד עם Labview, יש צורך לקבל קצת ידע של "שפת תכנות G". בשפה זו, שאף קוד צריך להיות כתוב, וניתן לעשות את כל הפעולות שבוצעו מכלי תוכנה חיווריםטטי. ניתן למצוא מדריך קל עם דוגמאות מעשיות בכלי העזרה.
2. בחר את שירות המערך מתוך לוח כלי לוח הקדמי (מכולות משתני תכנות) כדי לשמור את נתוני תפוקת TDC.
   הערה: "הלוח הקדמי" הוא הממשק הגרפי של המכשיר הווירטואלי למשתמש ו" התרשים בלוקים "משמש לתכנות תוכנה.
3. עלילה רכישת נתונים (נתוני זמן מTDC) על ידי בחירת מכשיר היגיון מתפריט המגרשים. זהה את נתוני חלקות הקשורים עם כל עמדה של המקור. עושה זאת על ידי שינוי מרחק המקור מקו הגלאים ידי כמה סנטימטרים.
4. קח את הממוצע של נתונים באמצעות הפונקציות הסטטיסטיות (הממוצעת) מכלי התפריט המתמטי, ולבחור מרווח של ערכים מרוכזים בממוצע. לאחר מכן, על פי תכנות היגיון ואחרי, השתמש בכלים הדרושים מתפריט המגוון כדי להסיר את כל הנתונים עם ערכים מחוץ מרווח זה.
5. אינדיקטורים בחרו מהלוח כלי תרשים בלוקי דואר להראות מספר נתונים המאוחסנים בכל מערך ולזהות כמה מכולות עם המספר הגדול ביותר של נתונים מאוחסנים.
6. קבל את הממוצע של נתונים בכל מערך שנבחר בשלב 3.5 ולהשתמש במידע זה כדי להקים מערכת ערכי מרווחי זמן לכל תפקיד מקור באמצעות לזה לוח כלי תרשים בלוקי LabView.
7. בחר מערך של מדדים מתוך לוח כלי לוח הקדמי לאחסון הממוצע שהושג בשלב 3.6 לרצף של מדידות.
8. בחר מבנה מקרה מתוך לוח כלי תרשים בלוקים להתייחס כל עמדה עם המרווח שלו בהתאמה מהצעד 3.7, ולשייך כל מרווח לאחד וירטואלי LED במערך מתוך לוח כלי לוח הקדמי.
9. שים לב לזמן בכל אות נדרש כדי להגיע לערוצי TDC: כאשר המקור רדיואקטיבי עבר מהאמצע קרוב יותר לגלאי אחד, להתבונן תנועה של המקור הווירטואלי במערך תכנות של נוריות (ראה איור 5 ) נע ימינה במחשב.
10. כולל שליטה (אלמנט תכנות משתנה) מתוך לוח כלי לוח הקדמי לסך רכישת הזמן.
    הערה: היעילות של המיצוב תהיה תלויה בכלי זמן שליטה זו: יותר זמן הרכישה לוקחת, האובייקט הווירטואלי מדויק יותר מדמה את מקור רדיואקטיבי ייתן את המיקום הנכון.

4. תוצאות גרפי

1. למטרות כיול, למקם את המקור בכל ביניים מיקום יחסי לאחד מהזוגות בשילוב של גלאים. קח מדידות למשך 30 דקות, ואת הנתונים עם רכש, לקחת את הממוצע של הערכים שנצברו בכל 2 דקות. (איורים לראות 6 ו -7) חזור על תהליך זה לתפקידים שונים ומקור עלילה הערך הממוצע מכל גלאי בכל העמדות. ההבדלים של ערכי גלאים הם זממו באיור 8.
2. כדי להשיג resu טוב יותרLTS, שני גלאים בחרו שיש ערכי נתונים דומים ליצירת זוג. כדי לבדוק זאת, לשים את מתח בקרת PMT לערך הנמוך שלה, במקרה זה 0.5 V. התחל מדידת מספר האירועים שזוהו עם מודול scaler לזמן קצוב על ידי חיבור פלט הגלאי לקלט scaler. להגדיל את המתח על ידי 0.01 V ולמדוד שוב. חזור על תהליך זה כדי להגיע לערך שליטה המקסימאלי האפשרי, בV. 0.9 מקרה זה
   1. עלילה מספר האירועים שזוהו לעומת מתח השליטה בקשקשי לוגריתמים למחצה (ראה איור 9). זוג הזוגות של גלאים שיש הפצות דומות.
3. כדי לבדוק את הרגישות של המערכת, למקם את מקור רדיואקטיבי בכמה עמדות ביניים ריווח שווים לאורך הקווים, במקרה זה יש חמישה. רוכשים את הנתונים במשך 5 דקות בכל עמדה, ואת העלילה המרושעת וחציון של הערכים שהתקבלו עבור כל גלאי באופן עצמאי (ראה איורים 10 ו -11).

Results

שתי תוצאות עיקריות שהושגו עם מערכת PET זה. ראשון: סנכרון יעיל בין אפקטים החזותיים של מקור רדיואקטיבי הווירטואלי בעת העברת מדגם רדיואקטיבי האמיתי. עם תכנית זו, למשתמשים יש שליטה בזמן הרכישה, מספר החזרות באותה התנוחה, הווריאציה של המרווח סביב רכישת נתונים אומר, בין יתר. שני: הבנייה של מבנה פשוט של היגיון צירוף מקרים להשיג הפרש הזמן בין שני אותות, המרת הבדל הפעם להרחיק כדי לחשב את המיקום הסופי של המקור.

Discussion

היבט חשוב אחד של מערכת זו הוא שיש שליטה טובה מאוד על החלטות במרחב ובזמן. הרזולוציה מרחבית של PET מוגבל על ידי המאפיינים הפיזיים של הדעיכה רדיואקטיבית וההשמדה, אלא גם על ידי היבטים טכניים של רישום צירוף מקרים (שלבים 1.1 ו -1.2) ועל ידי מקורות חיצוניים של טעויות, כגון תנועת אובייקט בזמן הבדיקה ^5. לפיכך, את המיקום המדויק שנמדד יהיה תלוי בהבדל TOF (שלב 2.4). אחת טכניקות להשגת רזולוציה טוב זמן מדידת המקסימום מלא רוחב המחצית (FWHM) של חלוקת TOF ^6.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
מפלה סף נמוך	CAEN	N845
יחידות לוגיות	Lecroy	365AL
עיכוב זמן	CAEN	N108A
אוסילוסקופ	Tektronic	TDS3014C
Quad Scaler ומונה מוגדר מראש	CAEN	N1145
TDC	Lecroy	2228
PMT& rsquo; s	Hamamatsu	H5783p
Power Chasis	Lecroy	1403
ממשק GPIB	Lecroy	8901A
NIM ספק כוח	Lecroy	1002B
CAMAC ארגז	Borer-co	1902A
גבישי נצנוץ	Bicron	408	1 ס"מ x 2 ס"מ x 5 ס"מ
ספק כוח	Agilent	E3631
Na 22 פעילות מקור			2  μ Ci
Software LabView 7.1	מחברי
			nsec, 3  nsec ו- 8
סרט