Podstawowy system pozytonowej tomografii emisyjnej skonstruowany w celu lokalizacji źródła promieniotwórczego w przestrzeni dwuwymiarowej

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest pokazanie podstawowych zasad działania systemu pozytonowej tomografii emisyjnej wykorzystującego dwie pary fotodetektorów. Główną zaletą korzystania z tego prototypu w porównaniu z komercyjnymi systemami PET jest to, że użytkownicy mogą wyraźnie zobaczyć podstawowe zasady działania PET. Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł stworzenia tego systemu, gdy staraliśmy się opracować naszą działalność laboratoryjną dla studentów studiów magisterskich w dziedzinie fizyki medycznej.

Procedurę zademonstruje Marcus Fontaine, technik z mojego laboratorium. Rozpocznij pracę nad konfiguracją PET od przygotowania systemu detekcji. Wykonaj każdy detektor za pomocą rurki powielacza fotograficznego i polerowanego plastikowego elementu scyntylatora.

Zaprojektuj element scyntylatora tak, aby pasował do rozmiaru i kształtu wejścia lampy powielacza foto, aby umożliwić dobre sprzężenie. Kolejnym krokiem jest owinięcie scyntylatora czarną taśmą. Pozostaw jedną stronę odkrytą, aby połączyć ją z wejściem do lampy z powielaczem zdjęć.

Odłóż scyntylator na bok i rozpocznij pracę z rurką fotopowielacza. Użyj alkoholu i czystej szmatki do wyczyszczenia wejścia do lampy fotopowielacza. Po wykonaniu tej czynności nałóż smar optyczny i nałóż go na wejście światła, aż zostanie całkowicie pokryty.

Wróć do pracy ze scyntylatorem i nałóż smar optyczny na jego odsłoniętą powierzchnię. Po nałożeniu smaru optycznego wyrównaj wlot światła fotopowielacza i odsłoniętą powierzchnię scyntylatora. Następnie połącz dwie obrabiane powierzchnie.

Aby ukończyć detektor, owiń rurkę fotopowielacza i scyntylator większą ilością czarnej taśmy, jak pokazano w tym przykładzie. Utwórz co najmniej cztery detektory, zanim przejdziesz do ich testowania. Przetestuj detektor, podłączając go do źródła napięcia i do standardowego oscyloskopu cyfrowego.

Wyłącz i włącz światło w laboratorium, jednocześnie monitorując sygnał na oscyloskopie, aby sprawdzić, czy nie ma strat światła. Następnie podłącz wyjście lampy fotopowielacza do skalera, aby zliczyć wykryte zdarzenia. Dostosuj napięcie detektora do najniższej wartości; W tym przypadku punkt pięć woltów.

Teraz zwróć uwagę na detektor. Umieść źródło sodu 22 bezpośrednio na powierzchni części scyntylacyjnej. Rejestruj liczbę wykrytych zdarzeń w ciągu trzech minut za pomocą skalera.

Następnie zwiększ napięcie sterujące o punkt zero jeden wolt. Powtórz czas do pomiaru wykrytych zdarzeń dla tej wartości i wszystkich innych aż do maksymalnego napięcia sterującego. Po całkowitym przetestowaniu wszystkich detektorów należy wykonać wykres liczby wykrytych zdarzeń w funkcji napięcia sterującego.

Wykres ten zawiera dane z 12 detektorów. Wybierz dwa detektory o podobnych krzywych, aby utworzyć parę koincydencji. Na przykład detektory O i I na tym wykresie.

Po zidentyfikowaniu dwóch dopasowanych par przejdź do budowy i testowania dwóch pokrywających się systemów. Zbuduj system zbieżności, umieszczając dwa dopasowane detektory tak, aby część scyntylatorowa jednego detektora znajdowała się bezpośrednio nad scyntylatorem drugiego. Następnie sprawdź elementy elektroniczne.

System koincydencji wymaga trzech modułów oprzyrządowania jądrowego, dyskryminatora, jednostki logicznej i skalera. Podłącz sygnały wyjściowe czujek do wejść modułu dyskryminatora. W jednostce logicznej wybierz tryb końcowy na panelu przednim.

Następnie podłącz dwa wyjścia dyskryminatora do wejść jednostki logicznej. Podłącz wyjście jednostki logicznej do modułu skalera, aby policzyć zdarzenia. W tej konfiguracji skaler powinien rejestrować zdarzenia koincydencji spowodowane promieniowaniem kosmicznym uderzającym w układ koincydencji.

Ten schemat przedstawia ukończony system detekcji koincydencji do testowania pary detektorów. Przed kontynuowaniem przetestuj każdą z pary detektorów. Następnym krokiem jest utworzenie konfiguracji PET.

Umieść cztery detektory w rogach kwadratu. Ustaw scitillatory tak, aby wskazywały środek kwadratu. Detektory, które są zwrócone bezpośrednio do siebie, tworzą parę koincydencji.

Powierzchnie detektora są oddalone od siebie o około 20 centymetrów. Kontynuuj, podłączając każdy z detektorów do oddzielnych kanałów dyskryminatora, bloku logicznego i skalera. Aby zliczać koincydencje z czterema detektorami, zaimplementuj blok logiczny przedstawiony na tym schemacie.

Tutaj detektory są oznaczone jako I, J, E i F, a ich sygnały są przepuszczane przez dyskryminator, który nie jest pokazany. Na tym diagramie każdy detektor jest powiązany z modułem OR. Podłącz wyjście każdego detektora do wejść trzech modułów OR, z którymi nie jest powiązany, jak wskazują kolorowe linie.

Następnie podłącz wyjścia modułu OR do modułu AND, aby zakończyć logikę koincydencji. W poniższych krokach doprowadź zasilanie tylko do jednej pary koincydencji. Następnie powtórz kroki dla drugiej pary.

Wróć do układu detektorów ze źródłem promieniowania sodowego 22. Umieść źródło wzdłuż linii między detektorami pary koincydencji. Użyj jednego detektora jako odniesienia i zmierz odległość do źródła.

W szafie z elektroniką użyj wyjść dyskryminatora dla dwóch detektorów jako wejść do oscyloskopu. Wyświetlaj sygnały na oscyloskopie z czasem na dostępie poziomym. Ponadto weź dane wyjściowe bloku logicznego koincydencji i wprowadź je do oscyloskopu.

Na ekranie powinny pojawić się sygnały resquare. Wykorzystaj różnice czasowe między sygnałami dyskryminatora mierzonymi na oscyloskopie do późniejszych kroków kalibracji. Następnie przygotuj komputerowy zautomatyzowany pomiar i czas do przetwornika cyfrowego lub modułu TDC.

Podłącz wyjście bloku logicznego do wejścia startowego TDC. Następnie podłącz wyjścia dyskryminatora do modułu opóźniającego. Przeprowadź wyjście modułu opóźniającego do wejść zatrzymania TDC.

Ten schemat zawiera przegląd konfiguracji w tym momencie. Połącz moduły i komputery z magistralą oprzyrządowania ogólnego przeznaczenia do sterowania oprogramowaniem. Zainstaluj Labview lub podobne oprogramowanie, aby stworzyć instrument wirtualny.

W tym momencie wykonaj kroki kalibracji TDC dla pary koincydencji. Kolejnym krokiem jest kalibracja systemu, zaczynając od jednego układu koincydencji. Wzdłuż linii między dwoma detektorami zidentyfikuj pięć równomiernie rozmieszczonych punktów, w tym punkt środkowy.

Ta konfiguracja ma punkty w odstępach czterech centymetrów. Następnie umieść źródło promieniowania między punktami. Po zainstalowaniu źródła zacznij zbierać zdarzenia koincydencji, dane TDC przez 30 minut.

Wykreśl średnią ze wszystkich zebranych danych TDC co jedną lub dwie minuty. Jest to typowa fabuła po pełnych 30 minutach. Dwie krzywe odpowiadają dwóm detektorom pary koincydencji.

Użyj wykresu średniej różnicy wartości TDC z dwóch detektorów, aby zdefiniować strefę czasową w celu zlokalizowania źródła. Teraz przenieś źródło promieniowania w inne oznaczone miejsce między detektorami. Zbierz dane z 30 minut i określ nową strefę czasową, a następnie powtórz dla każdego z pięciu punktów.

Następnie zacznij testować czułość pary. Powtórz pomiary TDC we wszystkich zaznaczonych punktach dla różnych czasów zbierania. Po przetestowaniu czułości przejdź do konfiguracji wirtualnego instrumentu.

Przyrząd skojarzy programową diodę LED z pozycją źródła promieniowania. Pięć pionowych diod LED w środku tej tablicy odpowiada pięciu zaznaczonym miejscom używanym do definiowania stref czasowych. Na tym rysunku nasze dane TDC dla dwóch sąsiednich pozycji.

Średnia danych różnicy TDC dla pozycji znajduje się w środku przedziału. Przedział reprezentuje odchylenie standardowe danych. Dane powinny pochodzić z czasu zbierania, który zostanie wykorzystany do rozstrzygnięcia pozycji dwie minuty w tym protokole.

Wybierz okno pomiaru czasu, aby skojarzyć je z pozycją za pomocą diody LED, obcinając interwały tak, aby nie nakładały się na siebie. Konfiguracja zostanie zakończona po skalibrowaniu obu par koincydencji. W tym miejscu powinno być zaznaczonych dziewięć pozycji między detektorami.

Umieść źródło promieniowania w jednym z miejsc. Zbieraj dane przez dwie minuty i przetestuj dokładność wirtualnego instrumentu w lokalizowaniu pozycji źródła promieniowania. Są to wykresy odpowiedzi dla każdego detektora i pary, które tworzą układ koincydencji.

Skumulowana średnia wartość TDC w interwale jednominutowym jest podana na osi pionowej. Indeks interwału jednominutowego znajduje się wzdłuż osi poziomej. Dane zbierano w ciągu 30 minut.

Różne kolorowe linie odpowiadają różnym położeniom źródła promieniowania. Różnica między tymi średnimi wartościami jest wykreślana tutaj. Zachowanie liniowe jest oczekiwane dla każdego zestawu pomiarów, co pozwala na konwersję między czasem a odległością.

Należy pamiętać, że wraz ze wzrostem czasu akwizycji zwiększa się stabilność. Wykresy te zapewniają pomiar wrażliwości układów koincydencji. Mediana i średnia liczby TDC są wykreślane wzdłuż osi pionowej.

Indeks położenia źródła promieniowania między detektorami E i F jest wykreślany wzdłuż osi poziomej. Dane używane dla każdego punktu są zbierane przez pięć minut. Indeks położenia jeden odpowiada źródłu promieniowania, które jest w przybliżeniu wyśrodkowane.

Wraz ze wzrostem indeksu źródło przesuwa się w kierunku detektora F. Ten układ koincydencji wykazuje dobrą rozdzielczość przestrzenną, ponieważ krzywa mediany i średniej rozchodzą się w funkcji położenia. Dla porównania, mediana i średnia dla tego systemu nie rozchodzą się tak szybko, co wskazuje na słabą rozdzielczość przestrzenną.

Po zakończeniu to urządzenie może wyświetlić lokalizację źródła promieniowania w ciągu jednej minuty lub krócej. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o umieszczeniu źródła promieniowania w pozycji, w której jedna para detektorów jest czuła. Nie zapominaj, że praca z materiałem radioaktywnym może być niezwykle niebezpieczna.

Przeszkol się w zakresie bezpieczeństwa radiacyjnego, aby dowiedzieć się, jakie środki ostrożności należy podjąć podczas wykonywania tego eksperymentu.