A Positron Emission Tomography Sistema Básico Construído para localizar uma fonte radioativa em um espaço bi-dimensional

O objetivo geral do experimento a seguir é mostrar os princípios básicos de um sistema de tomografia por emissão de pósitrons usando dois pares de fotodetectores. A principal vantagem de usar este protótipo em relação aos sistemas PET comerciais é que os usuários podem ver claramente os princípios básicos de funcionamento do PET. Tivemos a ideia para este sistema pela primeira vez quando procurámos elaborar a nossa atividade laboratorial para alunos de mestrado, na área da física médica.

Demonstrando o procedimento estará Marcus Fontaine, um técnico do meu laboratório. Comece a trabalhar na configuração do PET preparando o sistema de detecção. Faça cada detector usando um tubo fotomultiplicador e uma peça cintiladora de plástico polido.

Projete a peça cintiladora para combinar com o tamanho e a forma da entrada da luz do tubo fotomultiplicador para permitir um bom acoplamento. O próximo passo é embrulhar o cintilador em fita preta. Deixe um lado descoberto para ser acoplado à entrada da luz tubular fotomultiplicadora.

Coloque o cintilador de lado e comece a trabalhar com o tubo fotomultiplicador. Use álcool e um pano limpo para limpar a entrada da luz do tubo fotomultiplicador. Feito isso, pegue graxa óptica e aplique na entrada da luz até que esteja completamente coberta.

Volte a trabalhar com o cintilador e aplique graxa óptica em sua superfície descoberta. Após a aplicação da graxa óptica, alinhe a entrada de luz fotomultiplicadora e a superfície do cintilador descoberta. Em seguida, acople as duas superfícies tratadas.

Para completar o detector, enrole o tubo fotomultiplicador e o cintilador em mais fita preta, conforme ilustrado por este exemplo. Crie pelo menos quatro detectores antes de testá-los. Teste o detector conectando-o a uma fonte de tensão e a um osciloscópio digital padrão.

Desligue e acenda a luz no laboratório enquanto monitora o sinal no osciloscópio para verificar se não há perdas de luz. Em seguida, conecte a saída do tubo fotomultiplicador a um scaler para contar os eventos detectados. Ajuste a tensão do detector para seu valor mais baixo; neste caso, aponte cinco volts.

Agora volte a atenção para o detector. Colocar a fonte de sódio 22 directamente na superfície da porção de cintilação. Registre o número de eventos detectados em três minutos usando o dimensionador.

Em seguida, aumente a tensão de controle no ponto zero de um volts. Repita o tempo de medição dos eventos detectados para este valor e todos os outros até a tensão máxima de controle. Depois que todos os detectores tiverem sido completamente testados, faça um gráfico do número de eventos detectados versus a tensão de controle.

Este gráfico inclui dados de 12 detectores. Selecione dois detectores com curvas semelhantes para formar um par de coincidências. Por exemplo, detectores O e I neste gráfico.

Depois que dois pares correspondentes forem identificados, passe a construir e testar dois sistemas coincidentes. Construa o sistema coincidente colocando dois detectores correspondentes de modo que a parte cintiladora de um detector fique diretamente sobre o citillador do outro. Em seguida, verifique os componentes eletrônicos.

O sistema de coincidência requer três módulos de instrumentação nuclear, um discriminador, uma unidade lógica e um scaler. Conecte os sinais de saída dos detectores às entradas do módulo discriminador. Na unidade lógica, selecione o modo final no painel frontal.

Em seguida, conecte as duas saídas discriminatórias às entradas da unidade lógica. Conecte a saída da unidade lógica ao módulo scaler para contar os eventos. Nesta configuração, o scaler deve registrar eventos de coincidência devido aos raios cósmicos que atingem o sistema de coincidência.

Este esquema é do sistema de detecção de coincidência completo para testar um par de detectores. Teste cada um dos pares de detectores antes de prosseguir. A próxima etapa é criar a configuração do PET.

Coloque os quatro detectores nos cantos de um quadrado. Oriente os citilladores para apontar para o centro do quadrado. Os detectores que se enfrentam diretamente formam um par de coincidências.

As superfícies do detector estão separadas por cerca de 20 centímetros. Continue conectando cada um dos detectores a canais separados de um discriminador, um bloco lógico e um scaler. Para contagem de coincidências com quatro detectores, implemente o bloco lógico representado neste diagrama.

Aqui, os detectores são rotulados como I, J, E e F e seus sinais são passados por um discriminador que não é mostrado. Neste diagrama, cada detector está associado a um módulo de sala de cirurgia. Conecte a saída de cada detector às entradas dos três módulos OR aos quais ele não está associado, conforme indicado pelas linhas coloridas.

Em seguida, conecte as saídas do módulo OR a um módulo AND para completar a lógica de coincidência. Nas etapas a seguir, forneça energia para apenas um par de coincidências. Em seguida, repita as etapas para o segundo par.

Retorne ao conjunto de detectores com uma fonte de radiação de sódio 22. Coloque a fonte ao longo da linha entre os detectores do par de coincidências. Use um detector como referência e meça a distância até a fonte.

No rack eletrônico, use as saídas discriminatórias para os dois detectores como entradas para um osciloscópio. Exibe os sinais no osciloscópio com o tempo no acesso horizontal. Além disso, pegue a saída do bloco lógico de coincidência e insira-a no osciloscópio.

Os sinais de requadrado devem aparecer na tela. Use as diferenças de tempo entre os sinais discriminadores medidos no osciloscópio para etapas de calibração posteriores. Em seguida, prepare a medição automatizada por computador e o tempo para o conversor digital ou módulo TDC.

Conecte a saída do bloco lógico à entrada de partida do TDC. Em seguida, conecte as saídas do discriminador a um módulo de atraso. Passe a saída do módulo de atraso para as entradas de parada do TDC.

Este esquema fornece uma visão geral da configuração neste momento. Conecte os módulos e computadores com um barramento de instrumentação de uso geral para controle de software. Instale o Labview ou software similar para criar um instrumento virtual.

Neste ponto, execute as etapas de calibração do TDC para o par de coincidências. O próximo passo é calibrar o sistema começando com um sistema de coincidência. Ao longo da linha entre os dois detectores, identifique cinco pontos igualmente espaçados, incluindo o ponto médio.

Esta configuração tem pontos em intervalos de quatro centímetros. Em seguida, coloque a fonte de radiação entre os pontos. Com a fonte no lugar, comece a coletar eventos de coincidência, dados TDC por 30 minutos.

Plote a média de todos os dados TDC coletados a cada um ou dois minutos. Este é um enredo típico após os 30 minutos completos. As duas curvas correspondem aos dois detectores do par de coincidências.

Use um gráfico da média da diferença dos valores de TDC dos dois detectores para definir um fuso horário com o objetivo de localizar a fonte. Agora, mova a fonte de radiação para uma posição marcada diferente entre os detectores. Adquira 30 minutos de dados e determine um novo fuso horário e repita para cada um dos cinco pontos.

Em seguida, comece a testar a sensibilidade do par. Repita as medições do TDC em todos os pontos marcados para diferentes tempos de coleta. Depois de testar a sensibilidade, passe a configurar um instrumento virtual.

O instrumento associará um LED de software a uma posição da fonte de radiação. Os cinco LEDs verticais no centro desta matriz correspondem às cinco posições marcadas usadas para definir os fusos horários. Nesta figura, nossos dados TDC para duas posições adjacentes.

A média dos dados de diferença do TDC para uma posição está no centro de um intervalo. O intervalo representa o desvio padrão dos dados. Os dados devem ser do tempo de coleta que será utilizado para resolver as posições de dois minutos neste protocolo.

Escolha uma janela de medição de tempos para associar a uma posição com um LED truncando os intervalos para que eles não se sobreponham. A configuração será concluída depois que ambos os pares de coincidência forem calibrados. Neste ponto, deve haver nove posições marcadas entre os detectores.

Coloque a fonte de radiação em uma das posições. Colete dados por dois minutos e teste a precisão do instrumento virtual na localização da posição da fonte de radiação. Estes são gráficos da resposta para cada detector e um par que formam um sistema de coincidência.

O valor médio acumulado do TDC em um intervalo de um minuto é dado no eixo vertical. O índice do intervalo de um minuto está ao longo do eixo horizontal. Os dados foram coletados ao longo de 30 minutos.

As diferentes linhas coloridas correspondem a diferentes posições da fonte de radiação. A diferença entre esses valores médios é representada graficamente aqui. O comportamento linear é esperado para cada conjunto de medições, permitindo a conversão entre tempo e distância.

Observe que há maior estabilidade à medida que o tempo de aquisição aumenta. Esses gráficos fornecem uma medida da sensibilidade dos sistemas de coincidência. A mediana e a média das contagens de TDC são plotadas ao longo do eixo vertical.

O índice da posição da fonte de radiação entre os detectores E e F é representado ao longo do eixo horizontal. Os dados utilizados para cada ponto são coletados por cinco minutos. O índice de posição um corresponde à fonte de radiação estar aproximadamente centralizada.

À medida que o índice aumenta, a fonte se move em direção ao detector F. Esse sistema de coincidência apresenta boa resolução espacial, uma vez que a curva para a mediana e a média divergem em função da posição. Em comparação, a mediana e a média para este sistema não divergem tão rapidamente, indicando baixa resolução espacial.

Depois de concluído, este dispositivo pode exibir a localização de uma fonte de radiação em um minuto ou menos. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de colocar a fonte de radiação em uma posição em que um par de detectores seja sensível. Não se esqueça de que trabalhar com material radioativo pode ser extremamente perigoso.

Treine em segurança contra radiação para aprender as precauções a serem tomadas durante a realização deste experimento.