Un Positron Emission Tomography di base del sistema Costruito per individuare una sorgente radioattiva in uno spazio bidimensionale

Summary

Presentiamo un sistema di Tomografia a Emissione di Positroni (PET) semplice ma ben costruito e ne chiariamo i principi di funzionamento di base. L'obiettivo di questo protocollo è quello di guidare l'utente nella costruzione e nel collaudo di un semplice sistema PET.

Abstract

Un prototipo semplice Positron Emission Tomography (PET) è stato costruito per caratterizzare completamente i principi di lavoro di base. Il prototipo PET è stato creato con l'accoppiamento di cristalli scintillatori plastici per fotomoltiplicatori o PMT che sono collocati in posizioni contrapposte di rilevare due raggi gamma emessi da una sorgente radioattiva, di che si trova nel centro geometrico della PET set-up. Il prototipo è costituito da quattro rivelatori posti geometricamente in un cerchio di diametro 20 cm, e una sorgente radioattiva nel centro. Spostando i centimetri sorgenti radioattive dal centro un sistema in grado di rilevare lo spostamento misurando il tempo di volo differenza tra due PMT e, con queste informazioni, il sistema può calcolare la posizione virtuale in un'interfaccia grafica. In questo modo, il prototipo riproduce i principi fondamentali di un sistema PET. È in grado di determinare la posizione reale della sorgente con intervalli di 4 cm in 2 linee di deprotezione prendendo meno di 2 min.

Introduction

Positron Emission Tomography è una tecnica di imaging non invasiva utilizzata per ottenere immagini digitali dei tessuti interni e gli organi del corpo. Esistono varie tecniche non invasive che permettono di ottenere immagini e le informazioni sui meccanismi interni di un paziente, come computer tomografia assiale (TAC) e la risonanza magnetica (MRI). Entrambi danno buona risoluzione spaziale e vengono inoltre utilizzati per applicazioni in studi anatomici e fisiologici. Sebbene relativamente PET dà meno risoluzione spaziale, che fornisce ulteriori informazioni riguardanti il ​​metabolismo si verificano nella zona di interesse. PET è ampiamente utilizzato per ottenere informazioni funzionali e morfologiche; le sue principali applicazioni cliniche sono nel campo della oncologia, neurologia e cardiologia. Inoltre, le immagini PET possono aiutare i medici danno le diagnosi migliori, ad esempio, stabilire la pianificazione del trattamento del tumore.

Il principio di funzionamento di base dei sistemi PET è l'individuazione di due photonnellate o raggi gamma provenienti da una coppia elettrone-annichilazione di positroni, sia volando in direzioni opposte verso i rivelatori, che comunemente costituiti da cristalli scintillatori accoppiati con PMT. I cristalli scintillatori trasformano radiazioni gamma in luce visibile, che viaggia ad una PMT che converte il segnale luminoso in un impulso elettrico attraverso un processo fotoelettrico. All'interno dei dispositivi elettronici PMT denominati dinodi sono presenti, che aumentano la grandezza della carica elettrica prima di inviarlo ad un sistema di lettura-out. Questi due fotoni rilevati sono stati creati quando un positrone (caricato positivamente elettroni) emessa da un fluido isotopo, che è stato iniettato nel sangue del corpo, annichila con un elettrone nel corpo. Il sistema misura lette nel caso il tempo di arrivo dei fotoni due back-to-back rispetto ad un riferimento temporale e ulteriormente substrati entrambe le volte per ottenere la differenza. Il sistema utilizza questa differenza di tempo per calcolare le posizioni wh spazioere la sorgente di radiazione emessa entrambi i fotoni, e quindi dove è avvenuto l'annichilazione elettrone-positrone.

Alcune caratteristiche dei sistemi PET devono essere definite per ottimizzare la qualità dell'immagine e per aumentare la risoluzione spaziale e temporale. Una caratteristica da considerare è la linea di risposta (LOR), definita come la distanza che i due fotoni viaggiano dopo il processo di annientamento. Un'altra caratteristica da considerare è il Time of Flight (TOF). La qualità delle immagini dipende anche caratteristiche esterne, soprattutto gli organi corporei e movimenti del paziente durante il trattamento ^1. Gli isotopi utilizzati nei sistemi PET sono detti emettitori beta +. Questi isotopi hanno una breve emivita (dell'ordine di secondi). Sono prodotti in acceleratori di particelle (Ciclotroni) quando elementi stabili sono bombardati con protoni o deutoni provocando reazioni nucleari. Tali reazioni trasformano gli elementi stabili in isotopi instabili come C-11, N-13, O-15, F-18, tra gli altri^2.

Ci sono due tipi di PET. (1) convenzionale: questo utilizza le informazioni TOF solo per identificare la linea lungo la quale si è verificata la distruzione, ma è in grado di determinare il luogo di origine dei due fotoni. Si richiede ulteriori algoritmi di ricostruzione analitica o iterativo di stimare questo. (2) TOF PET: utilizza la differenza TOF per individuare la posizione annichilazione del positrone emesso. La risoluzione temporale è utilizzato nell'algoritmo di ricostruzione come kernel per una funzione di probabilità di localizzazione ^3.

L'obiettivo principale è quello di dimostrare le funzioni primarie di PET, che viene utilizzato per localizzare una sorgente di radiazione nello spazio. Lo scopo principale del set sistema PET proposto è quello di fornire una guida alla costruzione PET di base per il pubblico accademico, e di spiegare, in modo semplice, le proprietà principali.

Protocol

1. Preparazione del Setup PET

1. Preparare la PMT accoppiato con pezzi di scintillatore plastico. A seconda del tipo di PMT (dimensione, forma del fotocatodo) costruire un adeguato piece scintillatore per adattarsi con fotocatodo del PMT.
   1. Avvolgere i pezzi scintillatore con un nastro nero. Lascia un lato scoperto, in quanto sarà accoppiato con l'ingresso della luce PMT.
      NOTA: È importante che questi pezzi sono precedentemente lucidati per evitare perdite di accumulo di luce.
2. Pulire l'ingresso luce PMT con alcool (concentrazione di alcol commerciale del 70%), quindi ingrassare ottica ad esso e il viso scoperto del scintillatore. Accoppiato il volto PMT con lo scintillatore e avvolgerli con nastro adesivo più nero.
   1. Collegare PMT alla tensione sorgente (un cavo è incluso per ogni PMT, in questo caso di polarizzazione 14 di polarizzazione V e 0,5 V per il controllo della tensione). Identificare i segnali provenienti dal PMT collegando laCavo di segnale PMT ad un canale oscilloscopio digitale standard (un cavo di segnale è incluso anche per ogni PMT). Osservare le variazioni di ampiezza dei segnali quando accendere / spegnere la luce in laboratorio, per verificare non vi siano perdite di luce. Ripetere questo passaggio per ciascuno dei quattro rivelatori, dove un rivelatore significa scintillatore più PMT.
3. Costruire un sistema caso posizionando la parte scintillatore di un rivelatore di sopra della parte corrispondente altro rivelatore. Metti due NIM (modulo Strumento nucleare) strumenti chiamati moduli discriminatore e unità logica in una cassa NIM.
4. Collegare i segnali di uscita dai rivelatori agli ingressi di un modulo discriminatore. Utilizzare una unità logica in modalità AND, selezionando questo caso la logica nel pannello frontale dell'unità logica. Collegare le due uscite discriminatore degli ingressi unità logica.
   NOTA: E è un'operazione logica che seleziona quando due segnali quadrati arrivano allo stesso tempo o in coincidenza.
5. Connect il segnale di unità logica di uscita in un modulo scaler (che conta segnali digitali) per contare gli eventi (creato dai raggi cosmici che colpiscono in coincidenza entrambi i rivelatori).

2. Acquisizione del segnale con PET

1. Inserite entrambi i rivelatori negli angoli opposti della zona di piazza definita prima, in modo che uno di fronte all'altro, e sono 20 cm di distanza, e fare lo stesso esercizio come 1.4 e 1.5, ma questa volta, invece di utilizzare i raggi cosmici (raggi cosmici servito come una sorgente radioattiva naturale provvisorio), utilizzare la sorgente di radiazione Na-22.
   1. Posizionare la sorgente radioattiva in una distanza di mezzo tra i due rilevatori e rendere l'acquisizione dei dati attraverso il modulo scaler. Il sistema allestimento e la disposizione schematica del blocco logico utilizzato per ottenere una coincidenza può essere visto nelle figure 1, 2, e 3.
2. Misurare la differenza di tempo dei segnali provenienti collegando le due uscite di discriminare PMT e lauscita coincidenza dell'oscilloscopio. Ciascuno dei tre segnali passa ad un ingresso oscilloscopio; ci saranno tre segnali quadrati schermo dell'oscilloscopio. Con la scala orizzontale (scala del tempo) di misurare la differenza di tempo dei due segnali discriminare.
   NOTA: Quando la sorgente radioattiva è direttamente nel mezzo tra due sensori ci sarà poca o nessuna separazione o differenza di tempo tra la piazza discriminare segnali in media, e quando la sorgente radioattiva è fuori centro e vicino ad uno dei PMT poi ci sarà differenza di tempo in media.
3. Inviare questi segnali di temporizzazione a uno degli otto canali del CAMAC (Computer Automated misurazione e controllo) TDC (Time to Digital Converter) Modulo. Per fare ciò, collegare l'uscita della logica e all'ingresso TDC chiamano "Start", quindi collegare il rilevatore discrimina uscite agli ingressi TDC che sono chiamati "STOP". AND segnale deve essere ritardato attraverso un ritardo Module da alcuni nanosecondi Affinché questo segnale per arrivare prima degli altri due segnali di arresto (vedere Figura 4).
4. Calibrare le TDC conteggio unità vs tempo indicate per il oscilloscopio attraverso un programma software (vedere i passi nella Sezione 3). Eseguire questa calibrazione utilizzando la distanza di separazione tra la sorgente radioattiva e uno dei rivelatori, misurando la differenza di tempo medio (passo 2.3) di ogni posizione. Stabilire una comunicazione software tra i diversi moduli e il computer mediante un bus standard GPIB (General Purpose strumentazione Bus) per fare questo la calibrazione.

3. Costruire il virtuale Instrument

1. Scaricare e utilizzare un software LabView o qualsiasi altro software simile.
   NOTA: Per lavorare con LabVIEW, è necessario avere una certa conoscenza del "linguaggio di programmazione G". In questo linguaggio, nessun codice deve essere scritto, e tutte le azioni eseguite può essere fatto da uno strumento software pallidotte. Una guida semplice con esempi pratici si possono trovare nello strumento di aiuto.
2. Selezionare l'utilità di matrice dalla tavolozza degli strumenti del pannello anteriore (variabili di programmazione container) per salvare i dati di output TDC.
   NOTA: Il "lato anteriore" è l'interfaccia grafica dello strumento virtuale per l'utente e il "diagramma a blocchi" viene utilizzato per la programmazione software.
3. Tracciare la acquisizione dati (dati di tempo da TDC) selezionando uno strumento logica dal menu trame. Identificare i dati trame relativi ad ogni posizione della sorgente. A tale scopo, variando la distanza di sorgente dalla linea rivelatori da alcuni centimetri.
4. Prendere la media dei dati utilizzando le funzioni statistiche (media) dal menu di strumento matematico, e scegliete un intervallo di valori centrati nel mezzo. Quindi, secondo la programmazione logica seguita, utilizzare gli strumenti necessari dal menu matrice per rimuovere tutti i dati con valori al di fuori di questo intervallo.
5. Selezionare gli indicatori di the tavolozza degli strumenti schema a blocchi per mostrare il numero di dati memorizzati in ogni matrice e identificare alcuni contenitori con il maggior numero di dati memorizzati.
6. Prendi la media dei dati di ogni matrice selezionato nella fase 3.5 e utilizzare queste informazioni per stabilire una serie di valori di intervalli di tempo per ogni posizione di origine utilizzando per questo la tavolozza degli strumenti schema a blocchi LabView.
7. Selezionare una serie di indicatori dalla tavolozza degli strumenti pannello anteriore per memorizzare la media ottenuta nella fase 3.6 per una sequenza di misure.
8. Selezionare una struttura caso dalla tavolozza degli strumenti schema a blocchi di mettere in relazione ogni posizione con il rispettivo intervallo dal punto 3.7, e di associare ogni intervallo di un LED in un array dalla tavolozza degli strumenti pannello frontale virtuale.
9. Si noti il tempo di ciascun segnale necessario per arrivare ai canali TDC: quando la sorgente radioattiva viene spostato dal centro più vicino a un rivelatore, osserva un movimento della sorgente virtuale nell'array programmazione dei LED (vedere Figura 5 ) spostandosi verso destra nel computer.
10. Includere un controllo (elemento di programmazione variabile) dalla tavolozza degli strumenti del pannello anteriore per l'acquisizione tempo totale.
    NOTA: L'efficienza del posizionamento dipenderà questo strumento tempo di controllo: più tempo di acquisizione per l'oggetto più precisamente virtuale simulando la fonte radioattiva darà la posizione corretta.

4. Risultati grafici

1. Per la calibrazione, posizionare la sorgente in qualsiasi posizione intermedia rispetto a una delle coppie accoppiati di rivelatori. Prendere le misure per 30 min, e con i dati acquisiti, prendere la media dei valori accumulati ogni 2 min. Ripetere questo processo per le posizioni di origine diversa e tracciare il valore medio per ogni rivelatore in tutte le posizioni (vedi figure 6 e 7). Le differenze dei valori rivelatori sono riportati nella Figura 8.
2. Per ottenere una migliore resuLTS, selezionare due rivelatori aventi valori di dati simili per formare una coppia. Per verificare questa, mettere la tensione di controllo PMT al suo valore più basso, in questo caso 0,5 V. Avvio misurando il numero degli eventi rilevati con il modulo incrostante per un tempo fisso collegando l'uscita del rivelatore all'ingresso ablatore. Aumentare la tensione di 0.01 V e misurare di nuovo. Ripetere questo processo per raggiungere il valore massimo controllo possibile, in questo caso 0,9 V.
   1. Tracciare il numero di eventi rilevati rispetto alla tensione di controllo a scale logaritmiche semi (vedere Figura 9). Coppia le coppie di rilevatori che hanno distribuzioni simili.
3. Per testare la sensibilità del sistema, posizionare la sorgente radioattiva in alcune posizioni intermedie uguali spaziatura lungo le linee, in questo caso ci sono cinque. Acquisire dati per 5 minuti in ciascuna posizione, e tracciare la media e la mediana dei valori ottenuti per ogni rivelatore in modo indipendente (vedi figure 10 e 11).

Results

Due principali risultati si ottengono con questo sistema PET. Primo: una sincronizzazione efficace tra effetti visivi della sorgente radioattiva virtuale quando muove il campione radioattivo reale. Con questo programma, gli utenti hanno il controllo del tempo di acquisizione, il numero di ripetizioni nella stessa posizione, la variazione dell'intervallo intorno alla acquisizione dati significano, tra gli altri. Secondo: la costruzione di una struttura semplice logica di coincidenza per o...

Discussion

Un aspetto importante di questo sistema è quello di avere un buon controllo sulla risoluzioni spaziali e temporali. La risoluzione spaziale del PET è limitata dalle caratteristiche fisiche del decadimento radioattivo e l'annientamento, ma anche da aspetti tecnici della registrazione coincidenza (passi 1.1 e 1.2) e da sorgenti esterne di errori, come il movimento dell'oggetto durante l'esame ^5. Così, la posizione esatta misurata dipende dalla differenza TOF (punto 2.4). Una tecnica per ottenere una...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Discriminatore a soglia bassa	CAEN	N845
Unità logiche	Lecroy	365AL
Ritardo CAEN		N108A
Oscilloscopio	Tektronic	TDS3014C
Quad Scaler e contatore preimpostato	CAEN	N1145
TDC	Lecroy	2228
PMT& rsquo; s	Hamamatsu	H5783p
Alimentatore	Lecroy	1403
GPIB Interfaccia	Lecroy	8901A
NIM Alimentatore	Lecroy	1002B
CAMAC Crate	Borer-co	1902A
Scintillator Crystals	Bicron	408	1 cm x 2 cm x 5 cm
Alimentatore	Agilent	E3631
Na 22 Attività della sorgente			2  μ Ci
Software LabView 7.1	Strumenti nazionali Cavi
Lemo connettori			2  nsec, 3  NSEC e 8  Pellicola