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

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di mostrare i principi di base di un sistema di tomografia a emissione di positroni utilizzando due coppie di fotorivelatori. Il vantaggio principale dell'utilizzo di questo prototipo rispetto ai sistemi PET commerciali è che gli utenti possono vedere chiaramente i principi di funzionamento di base del PET. L'idea di questo sistema è nata quando abbiamo cercato di elaborare la nostra attività di laboratorio per studenti di master, nel campo della fisica medica.

A dimostrare la procedura sarà Marcus Fontaine, un tecnico del mio laboratorio. Iniziare a lavorare sulla configurazione PET preparando il sistema di rilevamento. Realizza ogni rivelatore utilizzando un tubo moltiplicatore di foto e un pezzo scintillatore di plastica lucidato.

Progettare il pezzo scintillatore in modo che corrisponda alle dimensioni e alla forma dell'ingresso del tubo fotomoltiplicatore per consentire un buon accoppiamento. Il passo successivo è quello di avvolgere lo scintillatore in nastro nero. Lasciare un lato scoperto da abbinare all'ingresso del tubo fotomoltiplicatore.

Metti da parte lo scintillatore e inizia a lavorare con il tubo fotomoltiplicatore. Utilizzare alcol e un panno pulito per pulire l'ingresso del tubo fotomoltiplicatore. Fatto ciò, procurati del grasso ottico e applicalo all'ingresso della luce fino a coprirlo completamente.

Tornare a lavorare con lo scintillatore e applicare grasso ottico sulla sua superficie scoperta. Dopo l'applicazione del grasso ottico, allineare l'ingresso della luce del fotomoltiplicatore e la superficie scoperta dello scintillatore. Accoppiare quindi le due superfici trattate.

Per completare il rivelatore, avvolgere il tubo fotomoltiplicatore e lo scintillatore in altro nastro nero, come illustrato da questo esempio. Crea almeno quattro rilevatori prima di passare a testarli. Testare il rivelatore collegandolo a una sorgente di tensione e a un oscilloscopio digitale standard.

Spegnere e riaccendere la luce in laboratorio mentre si monitora il segnale sull'oscilloscopio per verificare che non vi siano perdite di luce. Quindi, collegare l'uscita del tubo fotomoltiplicatore a uno scaler per contare gli eventi rilevati. Regolare la tensione del rivelatore al valore più basso; in questo caso punto cinque volt.

Ora rivolgi l'attenzione al rilevatore. Posizionare la sorgente di sodio 22 direttamente sulla superficie della parte di scintillazione. Registrare il numero di eventi rilevati nell'arco di tre minuti utilizzando l'ablatore di velocità.

Quindi aumentare la tensione di controllo di un volt di zero. Ripetere il tempo di misurazione degli eventi rilevati per questo valore e tutti gli altri fino alla massima tensione di controllo. Dopo che tutti i rivelatori sono stati completamente testati, fare un grafico del numero di eventi rilevati rispetto alla tensione di controllo.

Questo grafico include i dati di 12 rivelatori. Selezionare due rivelatori con curve simili per formare una coppia di coincidenza. Ad esempio, i rilevatori O e I in questo grafico.

Dopo aver identificato due coppie corrispondenti, passare alla creazione e al test di due sistemi coincidenti. Costruisci il sistema coincidente posizionando due rivelatori abbinati in modo che la parte scintillante di un rivelatore sia direttamente sopra lo scitillatore dell'altro. Quindi, controlla i componenti elettronici.

Il sistema di coincidenza richiede tre moduli di strumentazione nucleare, un discriminatore, un'unità logica e uno scaler. Collegare i segnali di uscita dei rilevatori agli ingressi del modulo discriminatore. Sull'unità logica, selezionare la modalità finale sul pannello frontale.

Quindi collegare le due uscite del discriminatore agli ingressi dell'unità logica. Collegare l'uscita dell'unità logica al modulo scaler per contare gli eventi. In questa configurazione, lo scaler dovrebbe registrare gli eventi di coincidenza dovuti ai raggi cosmici che colpiscono il sistema di coincidenza.

Questo schema è del sistema di rilevamento delle coincidenze completato per testare una coppia di rivelatori. Testare ciascuna delle coppie di rilevatori prima di procedere. Il passaggio successivo consiste nel creare la configurazione PET.

Posiziona i quattro rilevatori agli angoli di un quadrato. Orientare gli scitillatori in modo che puntino verso il centro del quadrato. I rivelatori che si fronteggiano direttamente formano una coppia di coincidenze.

Le superfici del rivelatore sono distanti circa 20 centimetri l'una dall'altra. Continuare collegando ciascuno dei rilevatori a canali separati di un discriminatore, un blocco logico e uno scaler. Per il conteggio delle coincidenze con quattro rilevatori, implementare il blocco logico illustrato in questo diagramma.

Qui i rivelatori sono etichettati I, J, E e F e i loro segnali vengono fatti passare attraverso un discriminatore che non viene mostrato. In questo diagramma, ogni rivelatore è associato a un modulo OR. Collegare l'uscita di ciascun rivelatore agli ingressi dei tre moduli OR a cui non è associato, come indicato dalle linee colorate.

Collegare quindi le uscite del modulo OR a un modulo AND per completare la logica di coincidenza. Nei passaggi seguenti, fornire alimentazione a una sola coppia di coincidenza. Quindi ripeti i passaggi per il secondo paio.

Tornare all'array di rivelatori con una sorgente di radiazione di sodio 22. Posizionare la sorgente lungo la linea tra i rivelatori della coppia di coincidenza. Utilizzare un rilevatore come riferimento e misurare la distanza dalla sorgente.

Sul rack dell'elettronica, utilizzare le uscite del discriminatore per i due rivelatori come ingressi per un oscilloscopio. Visualizzare i segnali sull'oscilloscopio con l'ora sull'accesso orizzontale. Inoltre, prendere l'uscita del blocco logico di coincidenza e inserirla nell'oscilloscopio.

I segnali di resquare dovrebbero apparire sullo schermo. Utilizzare le differenze di tempo tra i segnali del discriminatore misurati sull'oscilloscopio per le fasi di calibrazione successive. Successivamente, preparare la misurazione automatizzata al computer e il convertitore da tempo a digitale o il modulo TDC.

Collegare l'uscita del blocco logico all'ingresso di avvio TDC. Collegare quindi le uscite del discriminatore a un modulo di ritardo. Passare l'uscita del modulo di ritardo agli ingressi di arresto del TDC.

Questo schema fornisce una panoramica della configurazione a questo punto. Collegare i moduli e i computer con un bus di strumentazione generico per il controllo del software. Installa Labview o un software simile per creare uno strumento virtuale.

A questo punto, eseguire i passaggi di calibrazione TDC per la coppia di coincidenza. Il passo successivo consiste nel calibrare il sistema iniziando con un sistema di coincidenza. Lungo la linea tra i due rivelatori, identificare cinque punti equidistanti, compreso il punto medio.

Questa configurazione ha punti a intervalli di quattro centimetri. Quindi, posizionare la sorgente di radiazioni tra i punti. Con la fonte in posizione, inizia a raccogliere eventi di coincidenza, dati TDC per 30 minuti.

Traccia la media di tutti i dati TDC raccolti ogni uno o due minuti. Questa è una trama tipica dopo tutti i 30 minuti. Le due curve corrispondono ai due rivelatori della coppia di coincidenza.

Utilizzare un grafico della media della differenza dei valori TDC dei due rivelatori per definire un fuso orario allo scopo di localizzare la sorgente. Ora, spostare la sorgente di radiazioni in una posizione diversa tra i rilevatori. Acquisisci 30 minuti di dati e determina un nuovo fuso orario e ripeti per ciascuno dei cinque punti.

Quindi, inizia a testare la sensibilità della coppia. Ripetere le misurazioni TDC in tutti i punti contrassegnati per diversi tempi di raccolta. Dopo aver testato la sensibilità, passare alla configurazione di uno strumento virtuale.

Lo strumento assocerà un LED software ad una posizione della sorgente di radiazione. I cinque LED verticali al centro di questo array corrispondono alle cinque posizioni contrassegnate utilizzate per definire i fusi orari. In questa figura, i nostri dati TDC per due posizioni adiacenti.

La media dei dati di differenza TDC per una posizione è al centro di un intervallo. L'intervallo rappresenta la deviazione standard dei dati. I dati devono provenire dal tempo di raccolta che verrà utilizzato per risolvere le posizioni due minuti in questo protocollo.

Scegliere una finestra di misurazione dei tempi da associare a una posizione con un LED troncando gli intervalli in modo che non si sovrappongano. La configurazione sarà completata dopo che entrambe le coppie di coincidenza saranno state calibrate. A questo punto, dovrebbero esserci nove posizioni contrassegnate tra i rilevatori.

Posizionare la sorgente di radiazioni su una delle posizioni. Raccogli i dati per due minuti e verifica l'accuratezza dello strumento virtuale nel localizzare la posizione della sorgente di radiazioni. Si tratta di grafici della risposta per ciascun rivelatore e di una coppia che formano un sistema di coincidenza.

Il valore TDC medio cumulativo su un intervallo di un minuto è indicato sull'asse verticale. L'indice dell'intervallo di un minuto si trova lungo l'asse orizzontale. I dati sono stati raccolti in 30 minuti.

Le diverse linee colorate corrispondono a diverse posizioni della sorgente di radiazione. La differenza tra questi valori medi è tracciata qui. Per ogni serie di misure è previsto un comportamento lineare che consente la conversione tra tempo e distanza.

Si noti che c'è una maggiore stabilità all'aumentare del tempo di acquisizione. Questi grafici forniscono una misura della sensibilità dei sistemi di coincidenza. La mediana e la media dei conteggi TDC sono tracciate lungo l'asse verticale.

L'indice della posizione della sorgente di radiazione tra i rivelatori E e F è tracciato lungo l'asse orizzontale. I dati utilizzati per ogni punto vengono raccolti per cinque minuti. L'indice di posizione uno corrisponde al fatto che la sorgente di radiazione è approssimativamente centrata.

All'aumentare dell'indice, la sorgente si sposta verso il rivelatore F. Questo sistema di coincidenza mostra una buona risoluzione spaziale poiché la curva per la mediana e la media divergono in funzione della posizione. In confronto, la mediana e la media di questo sistema non divergono così rapidamente, indicando una scarsa risoluzione spaziale.

Una volta completato, questo dispositivo può visualizzare la posizione di una sorgente di radiazioni in un minuto o meno. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare di mettere la sorgente di radiazioni in una posizione in cui una coppia di rivelatori è sensibile. Non dimenticare che lavorare con materiale radioattivo può essere estremamente pericoloso.

Allenati sulla sicurezza dalle radiazioni per apprendere le precauzioni da prendere durante l'esecuzione di questo esperimento.