Abstract
En enkel Positron Emission Tomography (PET) prototyp har konstruerats för att fullständigt karaktärisera dess grundläggande principer i arbetet. PET prototypen skapades genom att koppla plast scintillator kristaller till fotomultiplikatorer eller PMT som är placerade på motsatta positioner för att detektera två gammastrålar som sänds ut från en radioaktiv källa, som är placerad i den geometriska mitten av PET set-up. Prototypen består av fyra detektorer placerade geometriskt i en cirkel diameter 20 cm och en radioaktiv källa i centrum. Genom att flytta de radioaktiva käll centimeter från centrum systemet en är i stånd att detektera förskjutningen genom mätning av flygtiden skillnaden mellan två godtyckliga PMT-talet och, med denna information kan systemet beräkna den virtuella position i ett grafiskt gränssnitt. På detta sätt återger prototypen huvudprinciperna i en PET-system. Den är kapabel att bestämma den verkliga positionen för källan med intervall om 4 cm i 2 rader med deskydd tar mindre än två minuter.
Introduction
Positron Emission Tomography är en icke-invasiv bildteknik används för att erhålla digitala bilder av de inre vävnader och organ i kroppen. Olika icke-invasiva metoder finns som tillåter en att få bilder och information om det interna arbetet i en patient såsom Computer Axial Tomography (TAC) och magnetisk resonanstomografi (MRT). Båda ger god rumslig upplösning och dessutom används för applikationer inom anatomiska och fysiologiska studier. Även jämförelsevis PET ger mindre rumslig upplösning, ger den ytterligare information rörande metabolismen som uppträder i zonen av intresse. PET används ofta för att erhålla funktionella och morfologiska information; dess viktigaste kliniska tillämpningar är inom onkologi, neurologi och kardiologi. Dessutom kan PET bilder hjälpa läkare att ge bättre diagnoser, till exempel, upprätta tumörbehandlingsplanering.
Den grundläggande arbetsprincipen PET-system är att upptäcka två photon eller gammastrålar som kommer från en positron-elektron förintelse par, både flygande i motsatta riktningar mot detektorerna, som vanligen består av scintillator kristaller tillsammans med PMTs. Scintillatorn kristallerna omvandla gammastrålning till synligt ljus, som reser till en PMT som omvandlar ljussignalen till en elektrisk puls via en fotoelektrisk process. Inne i PMT elektroniska enheter som kallas dynoder före, som ökar storleken på den elektriska laddningen innan du skickar den till en avläsningssystem. Dessa två detekterade fotoner skapades när en positron (positivt laddad elektron) som utsänds av ett isotop fluidum, som sprutas in i blodet i kroppen, förintar med en elektron i kroppen. Åtgärderna utlästa systemet i slump ankomsttiden för de två back-to-back fotoner med avseende på en tidsreferens och vidare substrat båda gångerna för att erhålla skillnaden. Systemet använder denna tidsskillnaden att beräkna rymdpositions where strålkällan avges både fotoner, och därmed var elektron positron annihilation inträffade.
Vissa funktioner i PET-system måste definieras för att optimera kvaliteten på bilden och för att öka rumsliga och tidsupplösning. En funktion att tänka på är fodra av Response (LOR), definierad som avståndet att de två fotoner färdas efter förintelse processen. En annan funktion att tänka på är Time of Flight (TOF). Kvaliteten på bilderna beror också på yttre kännetecken, främst kroppens organ och patientens rörelser under behandlingstillfället 1. De isotoper som används i PET-system kallas Beta + sändare. Dessa isotoper har en kort halveringstid (i storleksordningen sekunder). De produceras i partiklar acceleratorer (Cyklotroner) när stabila element bombarderas med protoner eller deuteroner orsakar kärnreaktioner. Sådana reaktioner omvandla stabila element i instabila isotoper, såsom C-11, N-13, O-15, F-18 bl2.
Det finns två typer av PET. (1) Konventionell: detta använder TOF information för att identifiera den linje längs vilken förintelse inträffade, men det är inte att fastställa ursprunget stället för två fotoner. Det krävs ytterligare analys eller iterativ rekonstruktions algoritmer för att uppskatta detta. (2) TOF PET: utnyttjar TOF skillnaden att lokalisera förintelse position utsända positron. Tidsupplösningen används i återuppbyggnaden algoritm som en kärna för en lokalisering sannolikhetsfunktion 3.
Vårt främsta mål är att visa de viktigaste funktionerna hos PET, som används för att lokalisera en strålkälla i rymden. Den huvudsakliga omfattningen av PET-systemet inställda föreslås här är att ge en grundläggande PET konstruktion guide för den akademiska allmänheten och förklara på ett enkelt sätt, dess viktigaste egenskaper.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Framställning av PET Setup
- Förbered PMT i kombination med plast scintillator bitar. Beroende på vilken typ av PMT (storlek, form av fotokatoden) bygga en lämplig scintillator bit för att passa med fotokatoden av PMT.
- Wrap scintillatorn bitar med svart tejp. Lämna en sida avtäckt, eftersom det kommer att kopplas med PMT ljus ingången.
OBS: Det är viktigt att dessa bitar är tidigare poleras för att undvika ljus ackumulering förluster.
- Wrap scintillatorn bitar med svart tejp. Lämna en sida avtäckt, eftersom det kommer att kopplas med PMT ljus ingången.
- Rengör PMT ljus entré med alkohol (kommersiellt alkoholkoncentration av 70%) sedan använda optisk fett på det och scintillatorn är avslöjats ansikte. Tillsammans PMT ansiktet med scintillator och linda dem med mer svart tejp.
- Anslut PMT till spänningskällan (kabel ingår för varje PMT, i detta fall partiskhet 14 V partiskhet och 0,5 V för spänningskontroll). Identifiera de signaler som kommer från PMT genom att anslutaPMT signalkabel till en standard digitalt oscilloskop kanal (en signalkabel ingår också för varje PMT). Observera variationer i amplitud av signalerna när du slår på / stänga av ljuset i labbet, för att kontrollera att det inte finns några ljusförluster. Upprepa detta steg för var och en av de fyra detektorerna, där en detektororgan scintillator plus PMT.
- Bygg en tillfällighet systemet genom att scintillatorn del av en detektor ovanför den motsvarande del av en annan detektor. Sätt två NIM (Nuclear Instrument Module) instrument som kallas särskiljnings och logik enhetsmoduler i en NIM låda.
- Anslut utsignalerna från detektorerna till ingångarna hos en diskriminator modul. Använd en logisk enhet i AND-läge, genom att välja denna logik fallet i logikenheten frontpanelen. Anslut de två särskiljnings utgångar logikenheten ingångarna.
OBS: AND är en logisk operation som väljer när två kvadratiska signaler anländer samtidigt eller tillfällighet. - Connect logikenheten utsignal i en scaler modul (som räknar digitala signaler) för att räkna händelser (skapad av den kosmiska strålningen slår i tillfällighet båda detektorerna).
2. Förvärv av signaler med PET
- Placera båda detektorerna i motsatta hörn av torget område som definieras innan, så att de möter varandra, och är 20 cm från varandra, och gör samma övning som 1,4 och 1,5, men den här gången, istället för att använda kosmisk strålning (kosmisk strålning tjänade som en preliminär naturlig strålkälla), använd Na-22 strålningskälla.
- Placera den radioaktiva källan i en medeldistans mellan de båda detektorerna och göra datainsamling via scaler modulen. Det system som införts och det schematiska arrangemanget av logikblocket används för att erhålla en tillfällighet kan ses i figurerna 1, 2, och 3.
- Mät tidsskillnaden för de anländande signalerna genom att ansluta de två diskriminera PMT: s utgångar och dentillfällighet produktionen i oscilloskopet. Var och en av de tre signalerna går till ett oscilloskop ingång; kommer det att finnas tre kvadratiska signaler i oscilloskopet skärmen. Med den horisontella skalan (tidsskala) mäta tidsskillnaden mellan de två diskriminera signaler.
OBS! När den radioaktiva källan är direkt i mitten mellan de båda detektorerna blir det liten eller ingen separation eller tidsskillnaden mellan torget diskriminera signaler i genomsnitt, och när den radioaktiva källan är utanför centrum och nära till en av PMT sedan det kommer att bli tidsskillnaden i genomsnitt. - Överför dessa tidssignaler till en av de åtta kanalerna i CAMAC (Computer Automated Mät- och regler) TDC (Time to Digital Converter) modul. För att göra detta, ansluta utgången av logik och till TDC ingång kallar "START" och sedan ansluta detektorn diskriminera utgångar till TDC ingångar som kallas "STOP". OCH signalen måste fördröjas genom en Delay Module av några nanosekunder i beslutet om denna signal att anlända före de andra två stoppsignaler (se Figur 4).
- Kalibrera TDC räknar enheter jämfört tid visade av oscilloskopet genom ett program (se steg i avsnitt 3). Gör detta kalibrering med hjälp av avståndet separationen mellan strålkällan och en av detektorerna, som mäter den genomsnittliga skillnaden (steg 2,3) i varje position. Upprätta ett program kommunikation mellan de olika modulerna och datorn via en standardbuss GPIB (General Purpose Instrumentation Bus) för att göra denna kalibrering.
3. Att bygga Virtual Instrument Interface
- Ladda ned och använda en LabView programvara eller någon liknande programvara.
OBS: Att arbeta med Labview, är det nödvändigt att ha viss kunskap om "G programmeringsspråket". I detta språk, har ingen kod som ska skrivas, och alla åtgärder som utförs kan göras från ett verktyg blektte. En enkel guide med praktiska exempel kan hittas i hjälpverktyget. - Välj arrayen verktyget från frontpaletten panelen verktyg (programmeringsvariabler containrar) för att spara utdata TDC.
OBS: "frontpanel" är det grafiska gränssnittet av det virtuella instrumentet för användaren och den "blockdiagram" används för programmering. - Rita datainsamling (tidsdata från TDC) genom att välja en logisk instrument från tomter menyn. Identifiera tomter uppgifter om varje position källan. Gör detta genom att variera källan avståndet från detektorerna raden av några centimeter.
- Ta medelvärdet av data med hjälp av statistiska funktioner (medelvärde) från den matematiska menyverktyget och välj ett intervall av värden centrerade i medelvärdet. Sedan, enligt programmeringslogiken följde, använda de nödvändiga verktygen från arrayen menyn för att ta bort alla data med värden utanför detta intervall.
- Välj indikatorer från the palett blockschema verktyg för att visa antalet data som lagrats i varje grupp och identifiera några behållare med det största antalet lagrade data.
- Få medelvärdet av data i varje grupp som valts i steg 3,5 och använda denna information för att fastställa en uppsättning tidsintervall värden för varje källa position med hjälp av detta LabView blocket paletten schema verktyg.
- Välj en rad indikatorer från frontpaletten panelen verktyg för att lagra medelvärdet som erhållits i steg 3,6 för en sekvens av mätningar.
- Välj ett ärende struktur från paletten blockschema verktyg för att relatera varje position med sin respektive intervall från steg 3,7 och associera varje intervall till en virtuell LED i en grupp från frontpaletten panelen verktyg.
- Lägg märke till tid varje signal tar att komma fram till TDC kanaler: när den radioaktiva källan förflyttas från mitten närmare en detektor, observera en rörelse av den virtuella källa vid programmering matris med lysdioderna (se Figur 5
- Inkludera en kontroll (variabel programmering element) från frontpaletten panelen verktyg för den totala tiden förvärvet.
OBS: Effekten av den positioneringen kommer att bero på denna kontroll tid verktyg: ju mer tid förvärvet tar, desto mer exakt virtuella föremål simulerar radioaktiva källan ger rätt position.
4. Grafiska resultat
- För kalibreringsändamål, placera käll vid någon mellanliggande position i förhållande till en av de kopplade par av detektorer. Ta mätningar under 30 minuter, och med de uppgifter som förvärvats, ta medelvärdet av de värden som ackumulerats var 2 min. Upprepa denna process för olika käll positioner och plotta medelvärdet från varje detektor i alla lägen (se figurerna 6 och 7). Skillnaderna av detektorerna värdena är plottade i figur 8.
- För att få bättre Results, välj två detektorer med liknande datavärden bildar ett par. För att testa detta, sätta PMT styrspänningen till dess lägre värde, i detta fall 0,5 V. starta mätning av antalet upptäckta händelser med scaler modul för en bestämd tid genom att ansluta detektorutsignalen till scaler ingången. Öka spänningen med 0,01 V och mät igen. Upprepa denna process för att nå största möjliga kontrollvärdet, i detta fall 0,9 V.
- Rita antalet upptäckta händelser jämfört med kontrollspänningen i semi logaritmiska skalor (se figur 9). Par paren av detektorer med liknande fördelningar.
- För att testa känsligheten hos systemet, placera den radioaktiva källan i vissa lika distansmellanlägen längs linjerna, i detta fall finns det fem. Samla in data för 5 minuter i varje position, och rita medelvärdet och medianen av de värden som erhållits för varje detektor oberoende (se diagram 10 och 11).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Två huvudsakliga resultat uppnås med denna PET-systemet. Först: en effektiv synkronisering mellan visuella effekter av den virtuella radioaktiv källa när du flyttar den verkliga radioaktiva provet. Med detta program, användare har kontroll över förvärvstiden, antalet repetitioner i samma position, variationen av intervallet runt förvärvet uppgifter betyder, bland annat. Andra: byggandet av en enkel konstruktion av koincidens logik för att erhålla tidsskillnaden mellan två signaler, omvandling av denna tidsskillnad till avstånd för att beräkna den slutliga positionen av källan.
I en upptäckt linje, är det tillräckligt att använda endast en logikmodul "OCH", att diskriminera signalen från en tillfällighet eller yttre buller. I detta fall finns det två detektionslinjer som båda kräver sina logiska moduler. Om antalet detektorer ökar, är det nödvändigt att inkluderaannan upptäckt linje och även inkludera "ELLER" moduler (se Figur 3).
En annan funktion för att ta hänsyn till är jämförelsen mellan TOF PET-system och den konventionella PET-systemet ligger i alla positioner varje 5 min. Fig 6 och 7 visar systemets svar uppmätt för ett par detektorer för olika positioner. För varje läge för källan, det är ett diagram över TDC svaret. För varje uppsättning mätningar, är linjärt beteende förväntas, och tillåter en att skapa en relation mellan position och tid. Även om det finns variationer eller överlappande, finns det en stabilitetsförbättring så länge som förvärvstiden ökar.
Figurerna 10 och 11 visar de fördelar vid ta differensen av den ackumulerade data som genomsnittet för att erhålla en bättre kalibrering av system. Med användning av genomsnittet, resultatet blir mer stabilt, och separationen av TDC enheter ökar ger en bättre positionering av den virtuella radioaktiv källa. Vår slutresultatet erhålls genom att upprepa 30 mätningar inom 2 min. För att skilja de två linjerna av förvärv, kallades de ij och ef linjer. För förvärvet linjen ij är en genomsnittlig verkningsgrad runt 90% hittas medan linjen ef nått cirka 87%. För hela systemet, effektiviteten som erhölls var omkring 85%.
Figur 1. Arrangera av PMTs. En tvådimensionell uppsättning av 4 PMTs visas. Varje PMT är placerad 10 cm från den geometriska centrum. I mitten av bilden, producerar Na-22 radioisotop ett par back-to-back fotoner. Genom att detektera dessa fotoner i slump, kan den radioaktiva källan placeras.72 / 52272fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Detection System. NIM moduler som används för att erhålla signalläge av det radioaktiva källan, inbegripet diskriminatorn, fördröjer moduler, och logiker enheter. Under dem ligger en CAMAC låda med TDC och GPIB-styrenheten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. logikblock. I detta schema fyra PMTs visas, namnges i, j, e och f, ansluten till fyra "eller" moduler som är anslutna till en gemensam "och" modul. Operationen är enkel: när en signal sent av en av PMTs, 3 i "eller" moduler sända en signal, men det är inte tillräckligt för funktionskraven i "OCH" modul, och bara uppstår när mer än en PMT sänder en signal (dvs, det var en tillfällighet). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. System systemet. I det övre högra hörnet radioisotopen placeras mellan PMTs, som skickar en signal till diskriminatorn som omvandlar från signalen från analog till en digital puls. Pulsen passerar sedan genom logikblocket. Samma signal sänds till fördröjningsmoduler, för att mäta tidsskillnaden. Klicka här för att seen större version av denna figur.
Figur 5. Software gränssnitt som består av en rad lysdioder som simulerar positionen för den radioaktiva källan. När programmet avslutas förvärvet är en LED för att indikera positionen för källan. På toppen av bilden finns det andra typer av LED representerar linjer utsläpp. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. Kalibrering med PMT kallad i. Konsekutiva mätningar utfördes och medelvärdet av de ackumulerade data togs. Varje mätning varade 2 minuter. Varje färg CORRESPder till varje position mellan detektorerna. Efter en tid var en väldefinierad separation av signal som erhålls, vilket innebär att positionen för källan är välkänd. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7. Kalibrering med PMT kallade j. Denna graf som den tidigare visar medelvärdet av j PMT. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8. Kalibrering med skillnaden mellan den ackumulerade data som genomsnittet. Varje färg motsvarar en positjon i detekteringslinjen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9. Plateau kurva. I detta diagram för "platå" kurvan för olika PMTs visas. Här styrspänningen varierar från 0,5 till 0,9 V. Kurvan börjar att böja runt 0,6 V; vissa har brantare kurvor, vilket motsvarar en ökad stabilitet; å andra sidan de värden för några kurvor som apelsiner linje når högre värden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10. Kopplingssvar. Here magnituden av medel- och median från fotomultiplikatorrören e och f, placera den radioaktiva källan position på fem olika ställen längs detekteringslinje visas. Den statistik som använder data som erhållits i 5 min. Kurvan bör vara så vertikal som möjligt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 11. Kopplings svar. Här analog information, men nu för andra par PMTs i och j visas. En relativt horisontell linje observeras, vilket innebär att den tidigare PMT paret är bättre när det gäller rumslig upplösning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En viktig aspekt av detta system är att ha en mycket god kontroll över rumsliga och tidsupplösningar. Den rumsliga upplösningen av PET begränsas av de fysiska egenskaperna hos det radioaktiva sönderfallet och förintelse, men också av tekniska aspekterna av sammanträffande registrering (steg 1,1 och 1,2) och av externa felkällor, såsom objektrörelsen under undersökningen 5. Således kommer den exakta positionen mäts beror på TOF skillnaden (steg 2,4). En teknik för att uppnå en god tidsupplösning mäter den fulla bredden halv maximal (FWHM) av distributionen av TOF 6.
Varje PMT präglades av att få sin kurva kallas "platå" 7,8. Denna kurva representerar antalet händelser som upptäckts av PMT kontra kontrollspänningen i en semi logaritmisk skala. Den planaste delen motsvarar en zon med stor stabilitet (se figur 9). Ett annat kännetecken för att ta into konto är stabiliteten hos spänningsvärdena i denna platå zonen. I detta fall 0,82 V användes som styrspänningen (steg 4,2).
För att välja antalet mellanlägen mellan varje par av detektorer ett enkelt test gjort består i att utvärdera effektiviteten på olika positioner. Källan placerades vid olika platser mellan detektorerna, och data togs för 5 min (se figurerna 10 och 11). För detta test var 5 positioner valt; linjen har 20 centimeter longitud, så varje position i 2, 6, 10, 14 och 18 cm i förhållande till en PMT.
Från tidigare tester, var storleken från varje TDC mätning utvärderas. Som ett första val, alla uppgifter som ljugit långt från denna storleksordning kasseras, och den genomsnittliga beräknades. Ytterligare urval gjordes genom överväga ett intervall runt de genomsnittliga uppgifter beräknad före, och data utanför detta intervall var discarded. På detta sätt var brussignalen under kontroll.
Det är värt att säga att endast 2 minuter behövs för att lokalisera den radioaktiva källan med utmärkt effektivitet (se resultat). Icke desto mindre, när tiden reduceras från 2 till ett min eller till och med 30 sek, minskar effektiviteten för att lokalisera källan. För närvarande består denna PET-system med fyra detektorer, men det är möjligt att öka antalet detektorer för att förbättra effektiviteten och rumslig upplösning. Men med denna prototyp, var huvudsyftet med detta arbete full 9, 10.
Den största fördelen med detta inrättas är att den byggdes med elektroniska apparater som är gemensamma för alla lab tillägnad instrument inom vissa områden som högenergifysik. När några av dessa anordningar är redan närvarande i labbet är det inte alltför svårt eller dyrt att fullfölja hela experiment inrättas. Som det nämndes tidigare, med den här PET-system professorer och studenter har possibility att förstå de grundläggande egenskaperna av lokalisering av en radioaktiv källa i rymden, som är den grundläggande PET-arbetsfunktionen. I framtiden kan man förbättra många av de olika delarna i detta system, och tillämpa den, inte bara för akademisk, men också för forskningsändamål.
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).
