Een Basic Positron Emissie Tomografie systeem gebouwd om een ​​radioactieve bron localiseren een bi-dimensionale ruimte

Summary

We presenteren een eenvoudig maar goed geconstrueerd Positron Emissie Tomografie (PET) systeem en verduidelijken de basisprincipes van zijn werking. Het doel van dit protocol is om de gebruiker te begeleiden bij het bouwen en testen van een eenvoudig PET-systeem.

Abstract

Een eenvoudige Positron Emissie Tomografie (PET) prototype is gebouwd om de fundamentele werkingsprincipes volledig te karakteriseren. De PET prototype werd door plastic scintillator kristallen koppeling aan fotomultiplicators of PMT's die zijn geplaatst op tegenover elkaar plaatsen van twee gammastralen uitgezonden door een radioactieve bron, die is geplaatst in het geometrische midden van het PET detecteren opstelling. Het prototype bestaat uit vier detektoren geometrisch in een 20 cm diameter cirkel geplaatst, en een radioactieve bron in het midden. Door het verplaatsen van de radioactieve bron centimeters van het centrum het systeem is men in staat om de verplaatsing te detecteren door het meten van de vluchttijd tussen twee PMT en, met deze informatie kan het systeem de virtuele positie in een grafische interface te berekenen. Zo prototype neemt de hoofdprincipes van een PET systeem. Het is in staat om de werkelijke positie van de bron met intervallen van 4 cm in 2 lijnen van de te bepalenbescherming nemen van minder dan 2 min.

Introduction

Positron Emissie Tomografie is een niet-invasieve beeldvormingstechniek voor het verkrijgen van digitale beelden van het inwendige weefsels en organen van het lichaam. Verschillende niet-invasieve technieken bestaan ​​die het mogelijk maken een tot beelden en informatie te verkrijgen over de interne werking van een patiënt, zoals Computer Axial Tomography (TAC) en Magnetic Resonance Imaging (MRI). Beide geven een goede ruimtelijke resolutie en worden bovendien gebruikt voor toepassingen in de anatomische en fysiologische studies. Hoewel relatief PET geeft minder ruimtelijke resolutie, biedt meer informatie over de stofwisseling die zich in de zone van belang. PET wordt veel gebruikt om functionele en morfologische informatie te verkrijgen; de belangrijkste klinische toepassingen zijn op het gebied van oncologie, neurologie en cardiologie. Ook kan PET beelden helpen artsen geven een betere diagnoses, bijvoorbeeld vast tumor behandeling planning.

Het fundamentele werkingsprincipe van PET-systemen is de detectie van twee photons of gammastralen uit een positron annihilatie-electron pair, zowel die in tegengestelde richtingen naar de detectoren, die gewoonlijk bestaan ​​uit scintillator kristallen gekoppeld PMT. De scintillator kristallen transformeren gammastraling in zichtbaar licht, die reist naar een PMT die het lichtsignaal omzet in een elektrische puls via een foto-elektrische proces. Binnen de PMT elektronische apparaten genaamd dynoden aanwezig zijn, waarbij de grootte van de elektrische lading te verhogen voordat deze naar een uitleessysteem. Deze twee gedetecteerde fotonen gemaakt wanneer een positron (positief geladen elektron) uitgezonden door een isotoop vloeistof, dat werd geïnjecteerd in de bloedstroom van het lichaam, vernietigt een elektron in het lichaam. De uitlees systeem meet samenvalt de aankomsttijd van de twee back-to-back fotonen ten opzichte van een tijdsreferentie en verder deze substraten beide keren om het verschil te verkrijgen. Het systeem gebruikt deze tijdsverschil speelt stand wh berekenenere van de stralingsbron uitgezonden zowel fotonen, en dus waar de elektron-positron annihilatie plaatsvond.

Sommige functies van PET systemen moeten worden gedefinieerd om de kwaliteit van het beeld te optimaliseren en ruimtelijke en tijdsresolutie verhogen. Een punt van overweging is de Lijn van Response (LOR), gedefinieerd als de afstand die de twee fotonen te reizen na de vernietiging proces. Een ander punt van overweging is de Time of Flight (TOF). De kwaliteit van de beelden is ook afhankelijk van uiterlijke kenmerken, voornamelijk lichaamsorganen en bewegingen van de patiënt tijdens de behandeling ¹ sessie. De isotopen worden gebruikt in PET systemen Beta + emitters genoemd. Deze isotopen hebben een korte halfwaardetijd (in de orde van seconden). Ze worden geproduceerd in deeltjesversnellers (cyclotrons) bij stabiele elementen worden gebombardeerd met protonen of deuteronen veroorzaken van kernreacties. Dergelijke reacties transformeren de stabiele elementen in onstabiele isotopen, zoals C-11, N-13, O-15, F-18 onder anderen^2.

Er zijn twee soorten PET. (1) Conventioneel: Deze gebruikt de TOF gegevens alleen om de lijn waarlangs de vernietiging plaatsvond identificeren, maar het is niet in staat de plaats van oorsprong de twee fotonen te bepalen. Het vereist extra analytische of iteratieve reconstructie algoritmen om dit te schatten. (2) TOF PET: maakt gebruik van de TOF verschil met de vernietiging positie van het uitgezonden positron lokaliseren. De tijdsresolutie wordt gebruikt in de reconstructie-algoritme als een kern voor een lokalisatie kansfunctie ^3.

De belangrijkste doelstelling is de primaire functies van PET, die gebruikt wordt om een ​​stralingsbron in de ruimte te tonen. De belangrijkste strekking van de hier voorgestelde PET-systeem set is om een ​​basis PET bouw handleiding voor het academisch publiek, en om uit te leggen, op een eenvoudige manier, de belangrijkste eigenschappen.

Protocol

1. Voorbereiding van de PET-Setup

1. Bereid de PMT's gekoppeld aan plastic scintillator stukjes. Afhankelijk van het soort PMT (grootte, vorm van de fotokathode) berust voldoende scintillator stuk te passen bij de fotokathode van de PMT.
   1. Wikkel de scintillator stukken met zwarte tape. Laat een kant ontdekt, want het zal worden gekoppeld aan de PMT licht ingang.
      LET OP: Het is belangrijk dat deze stukken eerder zijn gepolijst tot lichte accumulatie verliezen te vermijden.
2. Reinig de PMT lichte entree met alcohol (commerciële alcoholconcentratie van 70%) dan van toepassing optische vet aan het en onbedekt gezicht van de scintillator's. Gekoppeld aan de PMT gezicht met de scintillator en wikkel ze met meer zwarte tape.
   1. Sluit de PMT om de bronspanning (kabel opgenomen voor elke PMT, in casu 14 V voorspanning voorspanning en 0,5 V voor spanningsregeling). Identificeer de signalen van de PMT door het aansluiten van dePMT signaalkabel aan een standaard digitale oscilloscoop kanaal (een signaal kabel is ook opgenomen voor elke PMT). Let op de variaties in de amplitude van de signalen bij het draaien aan / uit het licht in het lab, om te controleren of er geen licht verliezen. Herhaal deze procedure voor elk van de vier detektoren, waarbij een detector betekent scintillator plus PMT.
3. Bouw een samenvallingstelsel Door de scintillator deel van één detector boven het overeenkomstige gedeelte van een andere detector. Leg twee NIM (Nuclear Instrument Module) instrumenten genoemd discriminator en logische eenheid modules in een NIM krat.
4. Verbind de uitgangssignalen van de detektoren met de ingangen van een discriminator module. Gebruik een logische eenheid in de AND-modus, door het selecteren van deze logica geval het voorpaneel logische eenheid. Sluit de twee discriminator uitgangen in de logische inputs.
   OPMERKING: AND is een logische operatie die kiest wanneer twee vierkante signalen komen op hetzelfde moment of op toeval.
5. Connect de logische eenheid uitgangssignaal in een scaler module (die digitale signalen telt) om de gebeurtenissen te tellen (gemaakt door de kosmische straling raken in toeval beide detectoren).

2. Het verwerven Signalen met PET

1. Plaats beide detectoren in de tegengestelde hoeken van het vierkante gebied hiervoor gedefinieerd, zodat ze naar elkaar, en die 20 cm uit elkaar en doe dezelfde oefening als 1,4 en 1,5, maar deze keer in plaats van kosmische straling (kosmische straling diende als een voorlopige natuurlijke radioactieve bron), gebruik maken van de stralingsbron Na-22.
   1. Plaats de radioactieve bron in een midden afstand tussen de beide detectoren en maakt data-acquisitie door de scaler module. Het systeem opgezet en de schematische opstelling van het logisch blok gebruikt voor toeval krijgen te zien in de figuren 1, 2 en 3.
2. Meet het tijdsverschil van de aankomende signalen door de twee discrimineren uitgangen en PMTtoeval output in de oscilloscoop. Elk van de drie signalen gaat naar een oscilloscoop ingang; er zullen drie vierkante signalen in het oscilloscoopscherm. Met de horizontale schaal (tijdschaal) meet de tijd verschil van de twee discrimineren signalen.
   Opmerking: Als de radioactieve bron rechtstreeks in het midden tussen beide detectoren zal er weinig of geen scheiding tijdsverschil tussen de rechte discrimineren signalen gemiddeld, en wanneer de radioactieve bron uit het midden en dichtbij een van de PMT dan zal er tijdsverschil gemiddeld zijn.
3. Stuur deze timing signalen naar een van de acht kanalen van de CAMAC (Computer Automated meet- en regeltechniek) TDC (Time to Digital Converter) module. Om dit te doen, sluit de uitgang van de logica en de TDC ingang noemen "START" en sluit vervolgens de detector discrimineren uitgangen met de TDC ingangen die "STOP" worden genoemd. De AND signaal moet worden vertraagd door een vertraging Module door enkele nanoseconden zodat dit signaal vóór de andere twee stopsignalen (zie figuur 4).
4. Kalibreren van de TDC tellen eenheden vs. toonde door de oscilloscoop door middel van een software-programma (zie stappen in hoofdstuk 3). Doe kalibratie met de afstand scheiding tussen de radioactieve bron en één van de detectoren, meet het gemiddelde tijdsverschil (stap 2,3) van elke positie. Opzetten van een software de communicatie tussen de verschillende modules en de computer via een standaard bus GPIB (General Purpose Instrumentation Bus) om dit te doen kalibratie.

3. Het bouwen van de Virtual Instrument Interface

1. Downloaden en gebruiken een LabView software of een soortgelijke software.
   Opmerking: Om te werken met Labview, is het noodzakelijk om enige kennis van de "G programmeertaal" hebben. In deze taal geen code worden geschreven en alle uitgevoerde handelingen kan vanuit een software tool blekette. Een gemakkelijke gids met praktische voorbeelden zijn te vinden in de hulp tool.
2. Selecteer de array hulpprogramma van het voorpaneel palet (programmering variabelen containers) naar de BDP-uitgang gegevens op te slaan.
   Opmerking: De "voorzijde" is de grafische interface van het virtuele apparaat aan de gebruiker en de "blokschema" gebruikt voor het programmeren van software.
3. Zet de data-acquisitie (tijd gegevens van TDC) door het selecteren van een logische instrument uit het menu percelen. Identificeren van de percelen gegevens in verband met elke positie van de bron. Doe dit door het variëren van de bron afstand van de detectoren lijn door enkele centimeters.
4. Neem het gemiddelde van de gegevens met behulp van de statistische functies (gemiddelde) van de wiskundige menu tool, en kies een interval van waarden in het midden van het gemiddelde. Vervolgens wordt aan de programmeerlogica gevolgd, met de nodige instrumenten uit de array menu om alle gegevens waarden buiten dit interval te verwijderen.
5. Kies indicatoren uit the blokschema hulpmiddelenpalet het aantal gegevens in elke array te tonen en te identificeren enkele containers met het grootste aantal opgeslagen.
6. Haal het gemiddelde van de gegevens in elke array geselecteerd in stap 3,5 en deze informatie gebruiken om een ​​bepaalde tijdsintervallen worden vastgesteld voor elke bronpositie behulp van deze de LabView blokschema pictogrammenkolom.
7. Selecteer een reeks indicatoren uit het voorpaneel hulpmiddelenpalet de gemiddelde verkregen in stap 3.6 een reeks metingen te slaan.
8. Kies een case structuur van het blok diagram palet aan elke positie verband met zijn respectievelijke interval uit stap 3.7, en associëren elk interval een virtuele LED in een array van het voorpaneel palet.
9. Merk tijde elk signaal aan te komen voor de TDC Ontvangst: wanneer de radioactieve bron vanuit het midden is dichter bij één detector, zich aan een beweging van de virtuele bron in de programmering matrix van LED's (zie figuur 5 ) naar rechts beweegt in de computer.
10. Omvatten een controle (variabele programmering element) van het voorpaneel hulpmiddel palet voor de totale tijd overname.
    OPMERKING: De efficiency van de positioneerinrichting is afhankelijk deze controletijd instrument: hoe langer de overname neemt, hoe nauwkeuriger de virtuele object de radioactieve bron simuleert de juiste positie te bepalen.

4. Grafische resultaten

1. Kalibreren, plaatst de bron op een tussenpositie ten opzichte van de gekoppelde paren detectoren. Maat opnemen gedurende 30 min, en de verkregen gegevens, neemt het gemiddelde van de waarden geaccumuleerde elke 2 min. Herhaal deze procedure voor verschillende bronposities en plot van de gemiddelde waarde van elke detector in alle posities (zie figuren 6 en 7). De verschillen van de detectoren zijn uitgezet in figuur 8.
2. Om beter resu verkrijgenlts, selecteer twee detectoren die vergelijkbare data waarden om een ​​paar te vormen. Om dit te testen, zet de PMT stuurspanning naar zijn lagere waarde, in dit geval 0,5 V. meting van het aantal gedetecteerde gebeurtenissen met scaler module gedurende een vastgestelde tijd door de detector uitvoeraansluitorgaan de scaler ingang. Verhoog de spanning van 0,01 V en opnieuw te meten. Herhaal dit proces tot de maximaal mogelijke controlewaarde bereikt, in dit geval 0,9 V.
   1. Plot het aantal gedetecteerde gebeurtenissen ten opzichte van de stuurspanning in halve logaritmische schaal (zie figuur 9). Paar de paren detectoren met soortgelijke verdelingen.
3. Om de gevoeligheid van het systeem te testen, plaatst de radioactieve bron in een aantal gelijke tussenruimte tussenstanden de lijn, in dit geval zijn er vijf. Verwerven van gegevens voor 5 min in elke positie en plot de gemiddelde en de mediaan van het resultaat voor elke detector waarden afzonderlijk (zie figuren 10 en 11).

Results

Twee belangrijke resultaten worden bereikt met deze PET-systeem. Ten eerste: een efficiënte synchronisatie tussen visuele effecten van de virtuele radioactieve bron bij het verplaatsen van de werkelijke radioactief monster. Met dit programma gebruikers controle op de verwerving, het aantal herhalingen in dezelfde positie, de variatie van het interval rond het verkrijgen data betekenen, onder anderen. Ten tweede: de opbouw van een eenvoudige constructie van toeval logica om het tijdsversc...

Discussion

Een belangrijk aspect van dit systeem is een zeer goede controle over ruimte en tijd resoluties. De ruimtelijke resolutie van PET wordt beperkt door de fysische eigenschappen van het radioactief verval en vernietiging, maar ook technische aspecten van het samenvallen inschrijving (stap 1,1 en 1,2) en externe fouten, zoals verplaatsing object tijdens het onderzoek ^5. Aldus zal de exacte positie gemeten afhankelijk van het verschil TOF (stap 2,4). Eén techniek om het bereiken van een goede tijdsresolutie meet d...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Low threshold Discriminator	CAEN	N845
Logic Units	Lecroy	365AL
Time delay	CAEN	N108A
Oscilloscope	Tektronic	TDS3014C
Quad Scaler and preset counter	CAEN	N1145
TDC	Lecroy	2228
PMT’s	Hamamatsu	H5783p
Power Chasis	Lecroy	1403
GPIB Interface	Lecroy	8901A
NIM Power Supply	Lecroy	1002B
CAMAC Crate	Borer-co	1902A
Scintillator Crystals	Bicron	408	1 cm x 2 cm x 5 cm
Power Supply	Agilent	E3631
Na 22 Radioactive Source			activiteit 2 μCi
Software LabView 7.1	National Instruments
lemo kabels connectoren			2 nsec, 3 nsec en 8 nsec
isolator film