Abstract
Простой Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) Прототип был построен, чтобы полностью характеризовать основные его принципы работы. ПЭТ прототип был создан путем соединения пластиковых сцинтилляционных кристаллов фотоумножителям или ПМТ-х, которые размещены на противоположных позициях, чтобы обнаружить два гамма-лучи, испускаемые от радиоактивного источника, из которых находится в геометрическом центре ПЭТ настройки. Прототип состоит из четырех детекторов, расположенных в геометрически круга диаметром 20 см, а радиоактивного источника в центре. Перемещая радиоактивных источников сантиметров от центра системы он способен обнаружить перемещение путем измерения времени разница полета между любыми двумя ФЭУ-х, и с этой информацией, система может вычислить виртуальной позиции в графическом интерфейсе. Таким образом, прототип воспроизводит основные принципы системы ПЭТ. Он способен определить реальное положение источника с интервалом в 4 см в 2 строки деСРЕДЫ, с менее чем 2 мин.
Introduction
Позитронно-эмиссионная томография представляет собой метод неинвазивной визуализации используется для получения цифровых изображений внутренних тканей и органов тела. Различные неинвазивные методы существуют, что позволяет получить изображения и информацию о внутренней работе пациента, таких как компьютерные томографии (TAC) и магнитно-резонансная томография (МРТ). Оба дают хорошую пространственное разрешение и дополнительно используется для приложений, в анатомических и физиологических исследований. Хотя сравнительно ПЭТ дает меньше пространственного разрешения, обеспечивает более подробную информацию о метаболизм, происходящих в зоне интереса. ПЭТ широко используется для получения функциональных и морфологических информацию; его основные клинические приложения в области онкологии, неврологии и кардиологии. Кроме того, ПЭТ изображения могут помочь врачам дают лучшие диагнозы, например, установить планирование лечения опухоли.
Основной рабочий принцип ПЭТ систем является обнаружение двух фотонн или гамма-лучи, поступающие от аннигиляции позитронов пары электронов, как полет в противоположных направлениях по отношению к детекторам, которые обычно состоят из сцинтилляционных кристаллов в сочетании с ФЭУ. Кристаллы сцинтиллятора преобразования гамма-излучения в видимый свет, который едет на ФЭУ, который преобразует светового сигнала в электрический импульс с помощью фотоэлектрического процесса. Внутри PMT электронных устройств называемых диноды присутствуют, которые увеличивают величину электрического заряда перед отправкой его на считывающей системы. Эти два зарегистрированных фотонов были созданы при позитрон (положительно заряженный электрон), излучаемая изотопов жидкости, которая вводили в кровь тела, уничтожает с электроном в теле. Меры считывающей системы в совпадении времени прибытия двух спина к спине фотонов по отношению к временной ссылки, а в дальнейшем подложек оба раза, чтобы получить разницу. Система использует эту разницу во времени, чтобы вычислить пространство позиции WHпрежде чем источник излучение обоих фотонов, и, таким образом, где произошло электрон-позитронной аннигиляции.
Некоторые особенности ПЭТ систем должны быть определены для оптимизации качества изображения и увеличить пространственное и временное разрешение. Одной из особенностей, чтобы рассмотреть это линия Response (ЛОР), определяется как расстояние, что два фотона путешествовать после процесса аннигиляции. Еще одна особенность, чтобы рассмотреть время полета (TOF). Качество изображений также зависит от внешних признаков, главным образом телесных органов и движений пациента во время лечебного сеанса 1. Изотопы, используемые в ПЭТ систем называются бета + излучателей. Эти изотопы имеют короткий период полураспада (порядка секунд). Они производятся в ускорителях частиц (циклотроне), когда устойчивые элементы обстреляли с протонами или дейтронами, вызывающих ядерные реакции. Такие реакции преобразования стабильных элементов в нестабильных изотопов, таких как C-11, N-13, O-15, F-18 среди других2.
Существуют два типа ПЭТ. (1) Обычные: это использует информацию TOF только определить направление, в котором произошло уничтожение, но он не в состоянии определить происхождение место двух фотонов. Это требует дополнительных алгоритмов анализа или итеративный реконструкции оценить этого. (2) ВП ПЭТ: использует разницу TOF, чтобы найти позицию аннигиляции излучаемого позитрона. Временное разрешение используется в алгоритме реконструкции как ядро для вероятности локализации функции 3.
Нашей главной целью является, чтобы продемонстрировать основные функции ПЭТ, используемого для обнаружения источника излучения в пространстве. Основной объем системы набора ПЭТ предлагаемого здесь, чтобы обеспечить базовое руководство ПЭТ строительства для академической общественности, и объяснить, по-простому, его основных свойств.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Подготовка установки ПЭТ
- Подготовка ФЭУ вкупе с пластиковыми сцинтилляционных штук. В зависимости от вида ФЭУ (размера, формы фотокатода) построить адекватную сцинтиллятора кусок, чтобы соответствовать с фотокатода ФЭУ.
- Оберните сцинтилляционных куски черной лентой. Оставьте одну сторону обнаружили, как он будет сочетаться с входом ФЭУ света.
ПРИМЕЧАНИЕ: Важно, чтобы эти части ранее отполирована, чтобы избежать потерь света накопления.
- Оберните сцинтилляционных куски черной лентой. Оставьте одну сторону обнаружили, как он будет сочетаться с входом ФЭУ света.
- Очистите вход ФЭУ света с алкоголем (концентрация алкоголя коммерческой 70%), то применяются оптический смазку на него и не покрыт лицо сцинтиллятора в. В сочетании лицо PMT с сцинтиллятора и оберните их дополнительной черной лентой.
- Подключите ГУП напряжения источника (кабель входит для каждого ФЭУ, в этом случае смещения 14 В и смещения 0,5 В для контроля напряжения). Определить сигналы, поступающие от ФЭУ, подключивСигнальный кабель ГУП стандартный цифровой канал осциллографа (кабель сигнал также включены для каждого ФЭУ). Соблюдайте вариации амплитуды сигналов при включении / выключении света в лаборатории, чтобы убедиться, нет потери света. Повторите этот шаг для каждого из четырех детекторов, где детектор означает сцинтиллятор плюс ФЭУ.
- Построить систему совпадений путем размещения сцинтиллятора часть одного детектора выше соответствующей части другого детектора. Положите два NIM (Модуль Ядерное приборостроение) инструменты, называемые дискриминаторные и логический блок модули в корзине NIM.
- Подключите выходные сигналы от детекторов к входам модуля дискриминатора. Используйте логический блок в режиме И, выбрав эту логическую дело в логическое устройство передней панели. Подключите два выхода дискриминатора в логический блок входов.
ПРИМЕЧАНИЕ: И это логическая операция, которая выбирает, когда два квадратных сигналы поступают в то же время или в совпадения. - Компанияnnect выходной сигнал логического устройства в модуле масштабирование (которая считает цифровые сигналы), чтобы рассчитывать на события (созданный космических лучей удара в совпадении оба детектора).
2. Приобретение сигналы с ПЭТ
- Положите обе детекторы в противоположных углах квадратных определенной прежде, таким образом, они сталкиваются друг с другом, и в 20 см друг от друга, и делать то же самое упражнение, как 1,4 и 1,5, но на этот раз, вместо того чтобы использовать космические лучи (космические лучи служили предварительная естественного радиоактивного источника), используйте источник Na-22 излучения.
- Поместите радиоактивный источник в средней дистанции между обоих детекторов и сделать сбор данных через модуль масштабирования. Система установки и схема расположения логического блока, используемого для получения совпадение можно видеть на фигурах 1, 2 и 3.
- Измерьте разницу во времени из прибывающих сигналов путем соединения двух унижает выходы ФЭУ-х иВыход совпадение осциллографа. Каждый из трех сигналов идет на вход осциллографа; будет три квадратных сигналы на экране осциллографа. С горизонтальной шкале (шкала времени) измерения разности времени двух сигналов унижает.
ПРИМЕЧАНИЕ: Когда радиоактивный источник находится прямо в середине между двумя детекторами будет мало или никакой разницы разделение или время между площадью не дискриминировать сигналы в среднем, и, когда радиоактивный источник находится вне центра и близко к одному из ФЭУ затем будет разница в среднем раз. - Отправить эти временные сигналы к одному из восьми каналов КАМАК (автоматическое измерение компьютерных и контроль) TDC (время-цифровой преобразователь) модуля. Для этого соедините выход логики и входом ВМТ называют "СТАРТ", а затем подключить детектор дискриминацию выходы к входам TDC, которые называются "СТОП". Элемент И сигнал должен быть отложено через задержки Moduле некоторых наносекунд для того, чтобы этот сигнал прибыть до двух других СТОП сигналов (рисунок 4).
- Калибровка подсчета ВМТ единиц в зависимости от времени показали осциллографом через программного обеспечения (см шаги в разделе 3). У этой калибровки с использованием разноса между радиоактивным источником и одним из детекторов, измерения разности среднее время (этап 2,3) каждого положения. Создание программного обеспечения связи между различными модулями и компьютером с помощью стандартного автобуса GPIB (General Purpose приборы Bus), чтобы сделать эту калибровку.
3. Построение виртуального интерфейса инструмента
- Скачать и использовать программное обеспечение LabView или любой подобное программное обеспечение.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для работы с LabVIEW, необходимо иметь некоторые знания о языке программирования "G". В этом языке, код не должен быть написан, и все действия, выполняемые можно сделать из программного инструмента бледно-TTE. Легко руководство с практическими примерами можно найти в справочной инструмента. - Выберите утилиту массив с передней панели инструментов Панель программирования (переменные контейнеры) для сохранения выходных данных TDC.
ПРИМЕЧАНИЕ: "передняя панель" является графический интерфейс виртуального прибора для пользователя и «блок-схеме" используется для программирования программного обеспечения. - Участок сбор данных (время данных из ВМТ), выбрав логический инструмент из меню участков. Определить данные сюжеты, связанные с каждой позиции источника. Для этого изменения исходного расстояние от линии детекторов на несколько сантиметров.
- Возьмите среднее значение данных с использованием статистических функций (средние) от инструмента математической меню, и выберите интервал значений сосредоточенных в среднем. Затем, в соответствии с программированием логики следовало, использовать необходимые инструменты из меню массива, чтобы удалить все данные со значениями за пределами этого интервала.
- Выберите показатели из-йблок-схема электронной инструмент палитра, чтобы показать количество данных, хранящихся в каждом массиве и определить несколько контейнеров с наибольшим количеством данных, хранящихся.
- Получить среднее значение данных в каждом массиве, выбранного в шаге 3.5 и использовать эту информацию, чтобы установить набор временных интервалов значений для каждой позиции источника, используя для этого в LabView блока палитры схема инструмента.
- Выберите массив показателей с передней панели инструментов Панель для хранения среднего, полученного на стадии 3.6 для последовательности измерений.
- Выберите случай структуру из палитры блок-схема инструмента соотнести каждую позицию с соответствующим интервалом от 3,7 шага, и связать каждый интервал один виртуальный светодиод массив из передней панели инструментов Панель.
- Обратите внимание на время каждый сигнал принимает для того чтобы приехать к каналам TDC: когда радиоактивный источник перемещается от середины ближе к одному детектора, наблюдать движение виртуального источника в массив программирования светодиодов (см рис 5
- Включите контроль (переменная элемент программирования) от передней панели инструментов Панель для общего приобретения времени.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эффективность позиционирования будет зависеть от этого инструмента управления времени: чем больше времени занимает приобретение, тем более точно моделировать виртуальный объект радиоактивный источник даст правильное положение.
4. Графические результаты
- Для целей калибровки, поместите источник в любой промежуточной позиции по отношению к одной из соединенных пар детекторов. Возьмем измерений в течение 30 мин, и приобрела данные, взять среднее из значений, накопленных каждые 2 мин. Повторите этот процесс для различных позиций источников и сюжет среднее значение из каждого детектора по всем позициям (см рис 6 и 7). Различия значений детекторов приведены на рисунке 8.
- Для получения более RESULTS, выберите два детектора, имеющие аналогичные значения данных, чтобы сформировать пару. Чтобы проверить это, положить напряжение управления PMT его низким значением, в данном случае 0,5 В. Пуск измерения количества зарегистрированных событий с модулем скейлера для фиксированного времени путем подключения выхода детектора на вход масштабирования. Увеличьте напряжение на 0,01 В и измерить снова. Повторите этот процесс, чтобы достичь максимально возможного значения управления, в данном случае 0,9 В.
- Участок число зарегистрированных событий по сравнению с контрольной напряжения в полу логарифмическом масштабе (рисунок 9). Пара пары детекторов, имеющих сходные распределения.
- Чтобы проверить чувствительность системы, поместите радиоактивный источник в некоторых равные интервалы промежуточных положениях вдоль линий, в этом случае есть пять. Сбор данных в течение 5 мин в каждом положении, и участок среднее и медиану значений, полученных для каждого детектора независимо (см фиг.10 и 11).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Две основные результаты достигаются с помощью этой системы ПЭТ. Во-первых: эффективное синхронизации между визуальными эффектами виртуального радиоактивного источника при перемещении реального радиоактивного образца. С помощью этой программы, пользователи имеют контроль времени приобретения, количество повторений в том же положении, изменение интервала вокруг приобретения данных означает, среди других. Во-вторых: строительство простой структурой логики совпадения, чтобы получить разницу во времени между двумя сигналами, преобразования этой разницы во времени на расстояние до расчета окончательной позиции источника.
В одной строке обнаружения, достаточно использовать только логический модуль 'И', чтобы отличать сигнал, поступающий от совпадения или внешнего шума. В этом случае есть две линии, которые как обнаружения требуют их логические модули. Если количество детекторов увеличивается, необходимо включитьдругая линия обнаружения, а также включать "или" модули (рисунок 3).
Еще одна особенность принимать во внимание, является сравнение между системой TOF PET и обычной системой ПЭТ, расположенного в любом положении каждые 5 мин. 6 и 7 показывают реакцию системы, измеренного в течение нескольких детекторов для различных позициях. Для каждого положения источника, существует участок реакции TDC. Для каждого набора измерений, линейное поведение, как ожидается, и позволяет установить связь между положением и времени. Даже если есть изменения или перекрытие, есть улучшение стабильности тех пор, как с увеличением времени приобретения.
10 и 11 показывают преимущества при приеме разность накопленного среднего данных для получения лучшего калибровки Система. Использование среднего, результаты становятся более стабильными, и разделение ВМТ единиц возрастает дает лучшее позиционирование виртуального радиоактивного источника. Наша конечный результат получается повторением 30 измерений в течение 2 мин. Чтобы отличить две линии приобретения, они назывались IJ и эф линии. Для линии приобретение Ij, в среднем эффективность около 90% находится, в то время как линия EF составил около 87%. Для всей системы, эффективность получена было около 85%.
Рисунок 1. Организовать ФЭУ. Двумерной настройка 4 ФЭУ показано. Каждый ФЭУ расположена на 10 см от геометрического центра. В центре изображения, Na-22 радиоизотопных производит пару спина к спине фотонов. При обнаружении этих фотонов в совпадения, радиоактивный источник может быть расположен.72 / 52272fig1large.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2. Система обнаружения. NIM модули, используемые для получения сигнала положения радиоактивного источника, в том числе дискриминатора, задерживает модули и логик, единицы. Под ними лежат ящик КАМАК с модулем управления TDC и GPIB. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3. Логический блок. В этой схеме четыре ФЭУ показано, названный I, J, E, F и, подключен к четырем "ИЛИ" модулей, подключенных к общему модулю '' И. Операция проста: когда сигнал сЛОР одним из ФЭУ, 3 "или" модули послать сигнал, но это не достаточно для требований эксплуатации модуля "И", и происходит только когда более чем один ФЭУ посылает сигнал (то есть, был совпадение). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4. Схема системы. В верхнем правом углу радиоизотоп помещают между ФЭУ, которые посылают сигнал дискриминатора, который преобразует с сигнал из аналоговой в цифровую импульса. Затем импульс проходит через блок логики. Тот же самый сигнал посылается модулей задержки, для того, чтобы измерить разницу во времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотретьувеличенная версия этой фигуры.
Рисунок 5. Интерфейс программы, состоящий из массива светодиодов, который имитирует положение радиоактивного источника. Когда программа заканчивает приобретение, один светодиод горит, чтобы указать положение источника. В верхней части изображения есть другой вид СИД, представляющий линии излучения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6. Калибровка с помощью ФЭУ называется I. Последовательные измерения проводились, и было принято среднее накопленных данных. Каждое измерение длилось 2 мин. Каждый цвет-корреспондентдах с каждой позиции между детекторами. Через некоторое время, хорошо определяется разделение сигнала было получено, что означает, что положение источника известно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 7. Калибровка с помощью ФЭУ называется J. Этот график, как и предыдущий показывает среднее значение J ФЭУ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 8. Калибровка с помощью разницы между накопленной средние данные. Каждый цвет соответствует одному месторожде-ионов в соответствии обнаружения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 9. плато кривой. В этом графике "плато" кривой для различных ФЭУ показано. Здесь напряжение управления колеблется от 0,5 до 0,9 В. Кривая начинает огибать 0,6 В; некоторые из них более крутые кривые, соответствующие большей стабильности; с другой стороны, значения некоторых кривых, такие как апельсины линии достичь более высоких значений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 10. Ответ Сцепление. Нпрежде чем величина среднего и медианы с ФЭУ е и е, размещение радиоактивных положение источника в пяти различных местах вдоль линии обнаружения показан. Статистические полученные использовать полученные в течение 5 мин данных. Кривая должна быть как можно более вертикальным. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 11. Ответ Сцепление. Здесь аналог информация, но в настоящее время для второй пары ФЭУ я и J показана. Относительно горизонтальной линии наблюдается, что означает, что предыдущий ФЭУ пара лучше, с точки зрения пространственного разрешения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Одним из важных аспектов этой системы, чтобы иметь очень хороший контроль над пространственных и временных разрешений. Пространственное разрешение ПЭТ ограничено физическими характеристиками радиоактивного распада и уничтожения, но и технических аспектов регистрации совпадений (шаги 1.1 и 1.2), так и внешними источниками ошибок, таких как движения объекта во время экзамена 5. Таким образом, точное положение измеряется будет зависеть от разности TOF (шаг 2,4). Один из методов для достижения разрешение хорошее время измерения полной ширины полувысоте (FWHM) распределения TOF 6.
Каждый ФЭУ характеризуется получения его кривую под названием "плато" 7,8. Эта кривая представляет количество событий, обнаруженных ФЭУ против управляющего напряжения в полу логарифмической шкале. Наиболее плоской части соответствует зоне высокой стабильностью (рисунок 9). Другой характерной принять IntО аккаунт стабильность значений напряжения в этой зоне плато. В этом случае был использован 0,82 В качестве управляющего напряжения (шаг 4.2).
Чтобы выбрать количество промежуточных позиций между каждой парой детекторов простой тест был сделан, состоящих в оценке эффективности над различных положениях. Источник был помещен в различных местах между детекторами, и данные были получены в течение 5 мин (см фиг.10 и 11). Для этого испытания были отобраны 5 позиций; линия 20 сантиметров долготы, так каждая позиция в 2, 6, 10, 14 и 18 см по отношению к одной ФЭУ.
Из предыдущих тестов, величина от каждого измерения TDC оценивали. В качестве первого выбора, все данные, которые лгали далеко от этой величины были отброшены, а средний был рассчитан. Еще Выбор был сделан рассмотреть интервал вокруг средних данных, вычисленных ранее, и данные за пределами этого интервала была discarded. Таким образом, сигнал помехи находится под контролем.
Стоит сказать, что только 2 мин необходима, чтобы найти радиоактивный источник с отличной эффективностью (см результаты). Тем не менее, когда время уменьшается от 2 до 1 мин или даже 30 с, эффективность локализации источника уменьшается. В настоящее время это животное система состоит из четырех детекторов, но это возможно, чтобы увеличить количество детекторов для повышения эффективности и пространственное разрешение. Тем не менее, с этим прототипом, основная цель этой работы была выполнена 9, 10.
Основным преимуществом этого созданы, что он был построен с электронными устройствами, общих для любой лаборатории, посвященной приборов в некоторых областях, таких, как физика высоких энергий. Когда некоторые из этих устройств уже присутствуют в лаборатории это не слишком сложно или дорого, чтобы завершить весь Экспериментальная установка. Как было отмечено ранее, с этой ПЭТ системы профессора и студенты имеют роssibility понять основные свойства размещения радиоактивного источника в пространстве, которое является основным работает функция ПЭТ. В будущем, можно улучшить многие из различных элементов этой системы, и применить его не только для академических, но и для научно-исследовательских целей.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| 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 | activity 2 μCi | ||
| Software LabView 7.1 | National intruments | ||
| lemo cables connectors | 2 nsec, 3 nsec and 8 nsec | ||
| isolator film |
References
- Cerello, P., Pennazio, F., et al. An innovative detector concept for hybrid 4D-PET/MRI. Imaging. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. 702, 1-3 (2013).
- Muehllerher, G., Karp, J. S. Positron tomography emission. Phys. Med. Biol. 51, R117-R137 (2006).
- Conti, M. State of the art and challenges of time of flight PET. Physica Medica. 25 (1), 1-11 (2008).
- Abreu, Y., Piñera, I., et al. Simulation of a PET system and study of some geometry parameters. AIP conference. 1032, 219-221 (2008).
- Langner, J. Development of a parallel Computing optimized head movement correction method in PET. , University of Applied Sciences in Dresden. Saxony, Germany. (2003).
- Budinger, T. F. Time-of-flight PET. J. Nucl Med. 28 (3), 73-78 (1983).
- Leo, W. R. Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments. , second, Springer-Verlag. Germany. (1987).
- Budinger, T. F. Instrumentation trends in nuclear medicine. Semin Nucl Med. 7 (4), 285-297 (1977).
- Burnham, C., Bradshaw, J., Kaufmann, D., Chesler, D., Browner, G. L. A Positron tomography employing a one dimension BGO scintillation camera. IEEE Trans. Nucl. Sci. 30 (1), 661-664 (1983).
- Burnham, C., Bradshaw, J., Kaufmann, D., Chesler, D., Steams, C. W., Browner, G. L. Design of a cylindrical shape scintillation camera for positron tomographs. IEEE Trans. Nucl. Sci. 32 (1), 889-893 (1985).
