기본 양전자 방출 단층 촬영 시스템은 양방향 차원 공간에서 방사성 소스의 위치를​​ 구축

Summary

우리는 간단하지만 잘 구성된 양전자 방출 단층 촬영(PET) 시스템을 제시하고 기본 작동 원리를 설명합니다. 이 프로토콜의 목표는 사용자가 간단한 PET 시스템을 구성하고 테스트하도록 안내하는 것입니다.

Abstract

간단한 양전자 방출 단층 촬영 (PET) 프로토 타입은 완전히 기본적인 작동 원리를 특성화하기 위해 구성되었습니다. 애완 동물 프로토 타입이 애완 동물의 기하학적 중심에 배치되어있는 방사성 소스로부터 방출되는 두 개의 감마선을 검출하기 위해 반대 위치에 배치됩니다 광전자 증 배관 또는 PMT의에 플라스틱 신틸 레이터 결정을 결합하여 만든 셋업을. 프로토 타입은 네 20cm 직경의 원에 기하학적으로 배치 감지기, 중앙에 방사성 소스로 구성되어 있습니다. 중심으로부터 방사선 소스 cm 이동시킴으로써 시스템 중 하나는이 정보를 사용하여 시스템은 그래픽 인터페이스의 가상 위치를 계산할 수 있으며, 임의의 두 개의 PMT 년대 사이 비행 차의 시간을 측정함으로써 변위를 검출 할 수 있고. 이러한 방식으로, 프로토 타입 PET 시스템의 주요 원리를 재생한다. 그것은 드의 2 라인에 4cm 간격으로 소스의 실제 위치를 결정하도록 할 수있다tection 미만에서 2 분을 복용.

Introduction

양전자 방출 단층 촬영 장치는 본체의 내부 조직과 장기의 디지털 이미지를 얻기 위해 사용되는 비 침습적 영상 법이다. 다양한 비 침습적 방법은 그 하나는 축 컴퓨터 단층 촬영 (TAC) 및 자기 공명 영상 (MRI) 등의 환자의 내부 작동에 대한 이미지 정보를 획득 할 수 있도록 존재한다. 모두 좋은 공간 해상도를 제공하고 추가로 해부학 및 생리 학적 연구에 응용 프로그램에 사용됩니다. 비교적 PET 적은 공간 해상도를 제공하지만, 관심의 영역에서 발생하는 대사에 관한 더 많은 정보를 제공합니다. PET 널리 기능과 형태 학적 정보를 얻기 위해 사용된다 주요 임상 응용 프로그램은 종양학, 신경 및 심장의 분야에 있습니다. 또한, 애완 동물의 이미지는, 의사가 예를 들어, 더 나은 진단을 제공하는 데 도움 종양 치료 계획을 설정할 수 있습니다.

PET 시스템의 기본 작동 원리는 두 포의 검출이며양전자 전자 소멸 쌍에서 오는 톤 또는 감마선은 모두 일반적으로의 PMT와 결합 신틸 레이터 결정으로 구성 감지기, 대한 반대 방향으로 비행. 신틸 레이터 결정 광전 프로세스를 통해 전기 펄스를 광 신호로 변환 PMT로 이동 가시광으로 감마 방사선을 변환. 판독 시스템에 전송하기 전에 전하의 크기를 증가라는 dynodes가 존재 PMT 전자 장치 내부. 신체의 혈관 내로 주입 된 유체의 동위 원소, 양전자 방출하여 (양으로 하전 전자)는, 본체에 전자와 전멸 때 두 검출 된 광자가 생성되었다. 우연에 판독 시스템 조치 개의 백투백 광자의 도착 시간 인 시간 기준에 대하여 그것이 차이를 획득하기 위해 두 번, 또한 기판들. 시스템은 공간 위치를 계산하는 WH이 시간차를 사용감수 방사원 두 광자를 방출하고, 따라서 전자 양전자 소멸이 발생한다.

PET 시스템의 일부 기능은 이미지의 품질을 최적화하기 위해 공간적 및 시간 해상도를 증가하도록 정의되어야한다. 고려해야 할 하나의 특징은 두 개의 광자가 소멸 공정 후에 이동 거리로 정의 응답의 라인 (LOR)이다. 고려해야 할 또 다른 특징은 비행 (TOF)의 시간이다. 화상의 품질은 또한 외부 기능, 주로 신체 기관 및 치료 세션 동안 ^한 환자의 움직임에 의존한다. PET 시스템에서 사용되는 동위 원소는 베타 + 에미 불린다. 이 동위 원소 (초 정도) 짧은 반감기를 가지고있다. 안정적인 요소가 핵 반응을 일으키는 양성자 또는 deuterons 포격 때 그들은 입자 가속기 (사이클로트론)에서 생산됩니다. 이러한 반응은 C-11, N-13, O-15, F-18 다른 사람의 사이에서 불안정한 동위 원소로 안정적인 요소를 변환^2.

PET의 두 가지 유형이 있습니다. (1) 종래 :이 소멸이 발생한 따라 라인을 식별하는 데에만 TOF 정보를 사용하지만 개의 광자의 원점 위치를 결정할 수 없다. 그것은이를 추정하기 위해 추가 분석 또는 반복 재구성 알고리즘을 필요로한다. (2) TOF 애완 동물 : 방출되는 양전자의 소멸 위치를 찾을 수 TOF 차이를 이용한다. 시간 해상도를 파악 확률 함수 ³ 커널로 재구성 알고리즘에서 사용된다.

우리의 주요 목적은 공간에서 방사선 소스를 찾는 데 사용되는 PET의 주요 기능을 설명하는 것이다. 여기에 제안 된 애완 동물 시스템 설정의 주요 범위는 학술 대중을위한 기본 PET 건설 가이드를 제공하고, 간단한 방법, 주요 속성에서 설명하는 것입니다.

Protocol

PET 설정 1. 준비

1. PMT의 플라스틱 신틸 레이터 조각과 결합을 준비합니다. PMT (크기, 광 음극의 형상)의 종류에 따라 PMT의 광 음극에 맞게 적절한 신틸 편을 구축.
   1. 검은 테이프와 신틸 레이터 조각을 감싸. 이 PMT 채광 결합되는 바와 같이 일측이 밝혀 떠난다.
      참고 :이 부분은 ​​이전에 빛 누적 손실을 방지하기 위해 연마하는 것이 중요하다.
2. 다음에 광 그리스와 신틸 레이터의 노출 된 얼굴을 적용 알코올 (70 %의 상업 알코올 농도)와 PMT 채광을 청소합니다. 신틸 레이터와 PMT의 얼굴을 결합하고 더 검은 테이프를 포장.
   1. (이 경우에는 14 V의 바이어스 바이어스 케이블마다 PMT에 포함되고, 제어 전압 0.5 V) 소스 전압 PMT를 연결한다. 연결하여 PMT에서 오는 신호를 식별표준 디지털 오실로스코프 채널 PMT 신호 케이블 (신호 케이블은 모든 PMT에 포함된다). / 실험실에서 빛 오프를 켤 때 빛 손실이 없는지 확인하기 위해, 신호의 진폭 변화를 관찰한다. 검출기는 신틸 레이터 플러스 PMT을 의미 곳에 네 개의 감지기, 각각에 대해이 단계를 반복합니다.
3. 다른 검출기의 해당 부분 위에 하나의 검출기의 신틸 레이터 부분을 배치하여 우연의 일치 시스템을 구축 할 수 있습니다. 순이자 마진 상자에서 판별 및 로직 단위 모듈라는 두 순이자 마진 (핵 악기 모듈) 악기를 넣습니다.
4. 판별 모듈의 입력에 검출기의 출력 신호를 연결합니다. 논리 유닛 전면 패널이 논리 케이스를 선택하여, AND 모드 로직 유닛을 사용한다. 논리 단위의 입력에 두 개의 판별 출력을 연결합니다.
   주 : 두 개의 정사각형 신호를 동시에 또는 우연에 도착할 때 선택 논리 연산이다.
5. 공동(두 검출기 우연에 타격 우주선에 의해 생성) 이벤트를 카운트하는 (디지털 신호를 카운트) 스케일러 모듈 로직 유닛 출력 신호를 nnect.

2. 애완 동물 신호 획득

1. 앞서 정의 된 사각형 영역의 대향하는 모서리에 모두 검출기를 배치하므로 대신 우주 광선을 사용하는, 서로 대향하고, 20cm 떨어져 있으며, 1.4, 1.5, 이번에 같은 운동을 (우주선이 역임 잠정 천연 방사성 소스), 나트륨-22 방사선 소스를 사용한다.
   1. 두 검출기의 중간 거리에서 방사성 소스를 놓고 스케일러 모듈을 통해 데이터 수집을합니다. 시스템 설정 및 일치를 얻기 위해 사용되는 논리 블록의 개략적 인 구성은도 1, 2 및 3에서 볼 수있다.
2. 두 차별 PMT의 출력과 연결하여 신호의 도착 시간 차이를 측정오실로스코프에서 일치 출력. 3 개의 신호 각각 오실로스코프 입력으로 진행한다; 오실로스코프 화면에 세 개의 사각형 신호가있을 것입니다. 가로 크기 (시간 단위)로 차별 두 신호의 시간차를 측정한다.
   주 : 사각형 사이 방사선원은 두 감지기 사이의 중간에 직접 경우가있을 것이다 거의 또는 전혀 분리 또는 시간 차이는 평균 신호를 구별하지 않으며, 방사성 소스 중심 벗어난 후 PMT 중 하나에 근접 할 때 평균 시간 차이가있을 것입니다.
3. CAMAC (컴퓨터 자동 측정 및 제어) 모듈 TDC (디지털 변환기 시간)의 8 채널 중 하나에 이러한 타이밍 신호를 보냅니다. 이렇게하려면 다음 감지기가 "STOP"이라고 TDC 입력에 출력을 구별 연결 "시작"전화 논리와 TDC 입력에 대한 출력을 연결합니다. 신호는 지연 MODU를 통해 지연 될 수 있습니다제작이 신호가 다른 두 STOP 신호 전에 도착하기 위해서는 몇 나노초하여 (도 4 참조).
4. 소프트웨어 프로그램을 통해 오실로스코프에 의해 보여 TDC 계산 단위 대 시간 (제 3 단계 참조) 교정. 각 위치의 평균 시간차 (단계 2.3), 방사성 소스 및 검출기 중 하나 사이의 거리를 분리하여 측정하여 보정을한다. 이 교정을 할 수있는 표준 버스 GPIB (범용 계측 버스)를 통해 다른 모듈과 컴퓨터 사이에 소프트웨어 통신을 설정합니다.

3. 가상 악기 인터페이스 구축

1. 다운로드하여 LabVIEW 소프트웨어 또는 유사한 소프트웨어를 사용합니다.
   참고 : LabVIEW를 사용하려면, 그것은 "G 프로그래밍 언어"약간의 지식이 필요하다. 이 언어에는, 코드를 기입하는이 ​​없으며, 수행되는 모든 작업은 소프트웨어 도구 창백한에서 수행 할 수있다TTE. 실용적인 예제와 쉬운 가이드 도움말 도구에서 찾을 수 있습니다.
2. TDC의 출력 데이터를 저장하기 위해 전면 패널 도구 팔레트에서 배열 유틸리티 (프로그래밍 변수 컨테이너)를 선택합니다.
   참고 : "전면 패널은"사용자와 "블록 다이어그램"에 가상 악기의 그래픽 인터페이스는 소프트웨어 프로그래밍을 위해 사용됩니다.
3. 플롯 메뉴 논리 악기를 선택하여 데이터 수집 (TDC로부터 시각 데이터)를 그린다. 소스의 모든 위치와 관련된 그래프 데이터를 식별합니다. 일부 센티미터 탐지기 라인에서 소스 거리를 변경하여이 작업을 수행합니다.
4. 수학적 툴 메뉴에서 통계 함수 (평균)를 사용하여 데이터의 평균을, 평균 값에 중심 간격을 선택한다. 그런 다음, 논리는 다음 프로그램에 따라,이 간격 외부 값으로 모든 데이터를 제거하기 위해 배열 메뉴에서 필요한 도구를 사용합니다.
5. 일에서 선택 지표전자 블록도 도구 팔레트는 각 어레이에 저장된 데이터의 수를 표시하고 저장된 데이터의 최대 수와 몇 컨테이너를 식별한다.
6. 단계 3.5에서 선택된 각 배열 데이터의 평균을 얻고,이 LabVIEW 블록 다이어그램 도구 팔레트하여 각 소스 위치에 대한 시간 간격 값들의 세트를 확립하기 위해이 정보를 사용한다.
7. 측정 시퀀스 단계 3.6에서 얻어진 평균값을 저장하는 전면 패널 도구 팔레트에서 표시기 어레이를 선택한다.
8. 단계 3.7에서 각각의 간격으로 각각의 위치를​​ 관련 블록 다이어그램 도구 팔레트에서 케이스 구조를 선택하고 전면 패널 도구 팔레트에서 배열에 LED 하나의 가상 각 간격을 연결합니다.
9. 각 신호는 TDC 채널에 도착하는 데 걸리는 시간을주의 : 방사성 소스가 하나의 검출기에 가까운 중간에서 이동할 때, LED의 프로그래밍 어레이 (도 5에 가상 원의 움직임을 관찰 ) 컴퓨터에서 오른쪽으로 이동.
10. 총 시간 획득을위한 전면 패널 도구 팔레트로부터의 제어 (가변 프로그래밍 소자)를 포함한다.
    참고 : 위치의 효율성이 제어 시간 도구에 따라 달라집니다 : 인수 걸리는 시간은, 방사성 소스를 시뮬레이션 더 정확하게 가상 객체가 정확한 위치를 제공합니다.

4. 그래픽 결과

1. 캘리브레이션을 위해, 검출기에 결합 쌍 중 하나에 대한 중간 위치에서 상대 소스를 배치했다. 30 분 동안 측정을 수행하고, 데이터를 취득하여, 매 2 분 누적 값의 ​​평균값을 취. 다른 소스의 위치에 대해이 과정을 반복하고 모든 위치에서 각 검출기의 평균 값을 플롯합니다 (그림 6, 7). 검출기 값의 차이는도 8에 플롯된다.
2. 더 나은 resu를 얻으려면LTS, 유사한 데이터 값을 갖는 2 개의 검출기가 선택 커플을 형성한다. 이를 테스트하기 위해, 스케일러 입력 검출기 출력을 연결하여 일정 시간 스케일러 모듈 검출 이벤트의 수를 측정하는이 경우 0.5 V. 시작으로, 그 낮은 값 PMT 제어 전압을 넣어. 0.01 V로 전압을 높이고 다시 측정한다. 이 경우 0.9 V.에서, 제어 가능한 최대 값에 도달하기 위해이 과정을 반복
   1. 반 로그 스케일에서 제어 전압 대 검출 된 이벤트의 수를 플롯 (도 9 참조). 커플 유사한 분포를 갖는 검출기의 쌍.
3. 시스템의 감도를 테스트하려면, 다섯이있다이 경우 라인을 따라 몇 가지 동일한 간격의 중간 위치에있는 방사성 소스를 넣습니다. 각 위치에서 5 분 동안 데이터를 획득하고 (도 10 및도 11 참조)에 대해 각각 독립적 검출기 얻어진 값의 평균값과 중앙값을 플롯.

Results

두 가지 주요 결과는이 PET 시스템으로 달성된다. 첫째, 가상 방사성 소스의 시각 효과 사이의 효율적인 동기화는 실제 방사성 샘플을 이동할 때. 이 프로그램을 통해 사용자가 획득 시간의 제어, 같은 위치에 반복 수, 데이터는 그 중에서도, 평균 획득 주위 간격의 변동이있다. 둘째 일치 로직 간단한 구조의 구성이 소스의 최종 위치를 계산하기 위해이 거리를 시간차를 변환, 두 신호 사이의 시간 차이를 얻었다.

하나의 검출 라인에서, 우연 또는 외부 노이즈로부터 오는 신호를 구별하기 위해, 전용 로직 모듈 'AND'를 사용하는 것이 충분하다. 이 경우에 모두가 로직 모듈을 필요 두 검지선있다. 검출기의 수가 증가, 그것을 포함하는 데 필요한 경우다른 검출 라인도 포함 "OR"모듈 (도 3 참조).

Discussion

이 시스템의 한 가지 중요한 측면은 공간 및 시간 해상도를 통해 매우 좋은 제어를하는 것이다. PET의 공간 해상도는 시험 ^5시 방사성 붕괴와 소멸의 물리적 특성에 의해뿐만 아니라 우연의 일치 등록의 기술적 측면 (1.1 및 1.2 단계)에서와 같은 객체의 움직임과 같은 오류의 외부 소스에 의해 제한된다. 따라서, 측정 된 정확한 위치 TOF 차 (단계 2.4)에 의존 할 것이다. 하나의 기술은 양호한 시간 해상도가 TOF ^(6)의 분포의 반값 전폭 (FWHM)을 측정 달성된다.

PMT는 각 ^{'고원'7,8이라는} 그 곡선을 얻는 것을 특징으로한다. 이 곡선은 세미 로그 스케일에서 제어 전압 대 PMT에 의해 검출 된 이벤트의 수를 나타낸다. 평평한 부분은 큰 안정 영역에 대응한다 (도 9 참조). 또 다른 특징은 지능을 촬영합니다O 계정이 플래 토 영역에서 전압 값의 안정성이...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
낮은 임계값 판별기	CAEN	N845
로직 유닛	Lecroy	365AL
시간 지연	CAEN	N108A
오실로스코프	Tektronic	TDS3014C
Quad 스케일러 및 프리셋 카운터	CAEN	N1145
TDC	Lecroy	2228
PMT& 알스코오; s	하마마츠	H5783p
파워 샤시스	레크로이	1403
GPIB 인터페이스	레크로이	8901A
NIM 전원 공급 장치	레크로이	1002B
CAMAC 크레이트	Borer-co	1902A
신틸레이터 크리스탈	Bicron	408	1 cm x 2 cm x 5 cm
전원 공급 장치	애질런트	E3631
Na 22 방사성 선원			활동 2  &뮤; Ci
Software LabView 7.1	National intruments
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