バイ次元空間での放射線源を見つけるために構築の基本的なポジトロン放出断層撮影システム

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Montaño-Zetina, L. M., Villalobos-Mora, O. A Basic Positron Emission Tomography System Constructed to Locate a Radioactive Source in a Bi-dimensional Space. J. Vis. Exp. (108), e52272, doi:10.3791/52272 (2016).

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Abstract

単純なポジトロン放出断層撮影(PET)のプロトタイプは、完全に、その基本的な動作原理を特徴付けるように構成されています。 PETのプロトタイプがPETの幾何学的中心に配置された放射線源から放出された2つのガンマ線を検出するように対向する位置に配置されている光電子増倍管または​​PMTのにプラスチックシンチレータ結晶を結合することによって作成されたセット・アップします。プロトタイプは、直径20cmの円、中央の放射線源に幾何学的に配置された4つの検出器で構成されています。中心から放射線源のセンチメートルを移動させることにより、システムの一つは、この情報を使用して、システムは、グラフィカル・インターフェース内の仮想位置を算出することができる、任意の二つのPMTの間の飛行の差の時間を測定することによって変位を検出することができ、。この方法では、プロトタイプは、PETシステムの主要な原理を再生します。これはデの2行の4センチ間隔でソースの実際の位置を決定することが可能です2分未満を取るtection。

Introduction

陽電子放出断層撮影法は、体の内部の組織および器官のデジタル画像を得るために使用される非侵襲性のイメージング技術です。様々な非侵襲的技術は、一つには、コンピュータ断層撮影(TAC)及び磁気共鳴イメージング(MRI)などの患者の内部の仕組みの画像情報を取得することを可能にするものが存在します。どちらも、良好な空間分解能が得られ、さらに解剖学的および生理学的研究における用途に使用されます。比較的PETは少ない空間分解能を与えるが、それは、目的のゾーンで発生する代謝に関するより多くの情報を提供しています。 PETは、広く、機能および形態学的情報を得るために使用されます。その主な臨床応用は、腫瘍学、神経学及び心臓学の分野です。また、PET画像は、医師がより良い診断を与えるのを助ける例えば、腫瘍治療計画を確立することができます。

PETシステムの基本的な動作原理は、二つのフォーの検出であります陽電子 - 電子消滅対からのトンまたはガンマ線の両方が共通のPMTに結合されたシンチレータ結晶で構成され、検出器に向かって反対方向に飛行。シンチレータ結晶は、光電プロセスを介して電気パルスを光信号に変換するPMTを移動する可視光の中にガンマ線を変換します。ダイノードと呼ばれるPMTの電子機器の内部読出しシステムに送信する前に、電荷の大きさを増加させる、存在しています。陽電子(正に帯電した電子は)体の血流に注入された同位体流体、によって放出されたときに、これらの2検出された光子が作成された、体内の電子と消滅。偶然のリードアウトシステム対策2つのバック・ツー・バックの光子の到着時間の時間基準に関して、それが違いを得るために、両方の時間を基質さらに。システムは、空間位置WHを計算するために、この時間差を使用して両方の光子を放出された放射線源をERE、従って、電子・陽電子の消滅が発生した場所。

PETシステムのいくつかの特徴は、画像の品質を最適化するために、空間及び時間分解能を高めるために定義されなければなりません。考慮すべき一つの特徴は、2つの光子が消滅過程の後に移動する距離として定義される応答の線(LOR)、です。考慮すべきもう一つの特徴は、飛行時間(TOF)です。画像の品質は、外部の特徴、主に身体の臓器や治療セッション1の間の患者の動きに依存します。 PETシステムで使用される同位体はベータ+エミッタと呼ばれています。これらの同位体は、(秒程度)の短い半減期を有します。安定した要素が核反応を引き起こして陽子や重陽子を衝突されたとき、彼らは、粒子加速器(サイクロトロン)で生産されています。このような反応は、とりわけ、このようなC-11、N-13、O-15、F-18のような不安定な同位体に安定した要素を変換2。

PETの2つのタイプがあります。 (1)従来:これは、消滅が発生し、それに沿ってラインを識別するためにのみ、TOF情報を使用していますが、それは2つの光子の原点の場所を決定することができません。それは、これを推定するために、追加の分析や反復再構成アルゴリズムを必要とします。 (2)TOF PETは:放出された陽電子の消滅位置を特定するためにTOF差を利用しています。時間分解能は、ローカリゼーション確率関数3のカーネルとして再構成アルゴリズムにおいて使用されます。

私たちの主な目的は、宇宙での放射線源の位置を特定するために使用され、PETの主な機能を実証することです。ここで提案されているPETシステムセットの主な範囲は、学術、公共のための基本的なPETの構築ガイドを提供するために、簡単な方法で、その主なプロパティで、説明することです。

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Protocol

PETのセットアップの調製

  1. PMTのプラスチックシンチレータ片と相まってを準備します。 PMTの種類(大きさ、光電面の形状)に応じてPMTの光電面に合うように適切なシンチレータピースを構築します。
    1. 黒いテープでシンチレータ片を包みます。それはPMTの光入射と結合されるように、明らかに片側のままにしておきます。
      注:これらの作品は以前に光蓄積損失を回避するために研磨されることが重要です。
  2. それに光学グリースとシンチレータの覆われていない顔を適用するアルコール(70%の商用アルコール濃度)とPMTの光入射を清掃してください。シンチレータとPMT面を結合し、より黒のテープでそれらをラップします。
    1. (この場合はバイアス14 VバイアスにケーブルがすべてのPMTのために含まれており、電圧制御用の0.5 V)電源電圧にPMTを接続します。接続することにより、PMTからの信号を識別標準的なデジタルオシロスコープのチャネルへのPMT信号ケーブル(信号ケーブルはまた、すべてのPMTのために含まれています)。研究室で光をオン/オフするときに光の損失がないことを確認するために、信号の振幅の変化を観察します。検出器は、シンチレータプラスPMTを意味し、4つの検出器のそれぞれについて、この手順を繰り返します。
  3. 別の検出器の対応する部分の上に一つの検出器のシンチレータ部分を配置することによって、一致システムを構築します。 NIMクレートに弁別し、ロジック部モジュールと呼ばれる2つのNIM(核音源モジュール)の楽器を置きます。
  4. 弁別器モジュールの入力に検出器からの出力信号を接続します。論理ユニットのフロントパネルでこのロジックケースを選択することで、モードで論理ユニットを使用してください。論理ユニットの入力に2つの弁別出力を接続します。
    注:と2つの方形の信号が同時にまたは偶然に到着したときに選択した論理演算です。
  5. 共同(偶然に両方の検出器を打つ宇宙線によって作成された)イベントをカウントする(デジタル信号をカウント)スケーラモジュール内の論理ユニットの出力信号nnect。

2. PETで信号を取得

  1. 先に定義した正方形領域の対角に両方の検出器を配置するので、代わりに宇宙線を使用するのではなく、彼らはお互いに直面し、20センチ離れており、1.4と1.5が、今回と同じ運動を行う(宇宙線を務めていました暫定自然放射線源)、ナ-22放射線源を使用しています。
    1. 両検出器間の中距離での放射線源を配置し、スケーラーモジュールを介してデータ収集を行います。システムは、設定および一致を得るために使用される論理ブロックの概略構成は図1、図2、 及び図3に見ることができます。
  2. 2差別のPMTの出力を接続することにより、到来する信号の時間差を測定しオシロスコープで一致出力。三つの信号の各々は、オシロスコープの入力に進みます。オシロスコープの画面に3平方の信号が存在することになります。水平スケール(タイムスケール)を持つ2つの差別信号の時間差を測定します。
    注:放射性源は両方の検出器の中間に直接なると平均上の正方形差別の信号間のほとんど、あるいはまったく分離または時間差があるでしょうし、放射線源は、中心から外れていると、PMTの1に近い、その後平均的に時間差があるでしょう。
  3. CAMAC(コンピュータ自動計測・制御)TDC(時間デジタル変換器)モジュールの8チャネルの1つに、これらのタイミング信号を送信します。これを行うには、その後、検出器は「STOP」と呼ばれ、TDCの入力に出力を区別接続 "START"と呼ぶ論理およびTDC出力を入力に接続します。信号遅延MODUを通じて遅延する必要がありますルこの信号は、他の2つの停止信号を前に到着するためには、いくつかのナノ秒( 図4参照)。
  4. (第3のステップを参照)は、ソフトウェアプログラムを介してオシロスコープで示したTDCカウント単位対時間を調整します。すべての位置の平均時間差(ステップ2.3)を測定し、放射線源と検出器のうちの1つとの間の距離分離を使用して、このキャリブレーションを行います。このキャリブレーションを行うための標準バスのGPIB(汎用計測バス)を介して異なるモジュールとコンピュータの間のソフトウェアの通信を確立します。

3.仮想計測器インターフェイスの構築

  1. LabVIEWソフトウェアまたは類似のソフトウェアをダウンロードし、使用しています。
    注:LabVIEWで動作するためには、「Gプログラミング言語」のいくつかの知識を持っていることが必要です。この言語では、何のコードが書かれなければならず、実行されたすべてのアクションは、ソフトウェアツールの淡いから行うことができます。実用的な例で簡単ガイドでは、ヘルプツールで見つけることができます。
  2. TDCの出力データを保存するには、フロントパネルのツールパレットから配列ユーティリティ(プログラミング変数コンテナ)を選択します。
    注:「フロントパネルには、「ユーザーへのバーチャル・インストゥルメントと「ブロック図」のグラフィックインターフェースは、ソフトウェアプログラミングのために使用されています。
  3. プロットメニューの論理装置を選択することにより、データ収集(TDCからの時間データ)をプロットします。ソースのすべての位置に関連したプロットデータを識別します。いくつかのセンチによって検出器ラインからソースまでの距離を変化させることによってこれを行います。
  4. 数学的なメニューのツールから統計関数(平均)を使用したデータの平均を取り、平均を中心値の間隔を選択します。その後、プログラミング・ロジックに従って、この区間外の値を持つすべてのデータを削除するために、アレイのメニューから必要なツールを使用し、続きます。
  5. 目から指標を選択各アレイに格納されるデータの数を表示し、格納されたデータの最大数を有するいくつかの容器を識別するための電子ブロック図ツールパレット。
  6. ステップ3.5で選択した各配列内のデータの平均値を取得し、このためのLabVIEWのブロックダイアグラムのツールパレットを使用して、各ソース位置のための時間間隔値のセットを確立するために、この情報を使用します。
  7. 一連の測定のためのステップ3.6で得られた平均値を格納するために、フロントパネルのツールパレットからインジケータの配列を選択します。
  8. ステップ3.7からのそれぞれの間隔をおいてそれぞれの位置に関連して、フロントパネルのツールパレットから配列内の1つの仮想LEDに各間隔を関連付けるために、ブロック図のツールパレットからケース構造を選択します。
  9. 放射線源が近い一つの検出器への途中から移動させると、LEDのプログラミング・アレイ内の仮想ソースの動きを観察します (図5を参照してください。それぞれの信号は、TDCチャネルに到着するのにかかる時間に注意してください
  10. 合計時間取得のためのフロントパネルのツールパレットからの制御(可変プログラミング要素)を含めます。
    注:ポジショニングの効率は、この制御時ツールに依存します:取得にかかる多くの時間、より正確に放射線源をシミュレートする仮想オブジェクトが正しい位置を与えます。

4.グラフィカル結果

  1. キャリブレーションのために、検出器の結合対の一方を基準に任意の中間の位置にソースを配置します。 30分間の測定値を取り、取得したデータで、2分ごとに蓄積された値の平均を取ります。異なるソース位置については、このプロセスを繰り返し、全ての位置で各検出器からの平均値をプロットした( 6、図7)。検出器値の差8にプロットされています。
  2. より良いRESUを取得するにはLTS、同様のデータ値を有する選択二つの検出器の対を形成します。これを試験するために、この場合には0.5 V.開始スケーラ入力に検出器の出力を接続することにより、一定時間スケーラモジュールと検出された事象の数を測定し、その低い値にPMT制御電圧をかけます。 0.01 Vで電圧を大きくして、もう一度測定します。 0.9 V.この場合には、最大の可能な制御値に到達するために、このプロセスを繰り返し
    1. 半対数スケールでの制御電圧に対する検出されたイベントの数をプロットする( 図9参照)。カップル同様の分布を有する検出器のペア。
  3. システムの感度をテストするには、このケースでは5つありますが、線に沿っていくつかの等間隔の中間位置に放射線源を配置します。各位置での5分間のデータを取得し、( 図10及び11参照)、それぞれ独立に検出するために得られた値の平均値および中央値をプロットします。

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Representative Results

二つの主要な結果は、このPETシステムで達成されます。最初に:本当の放射性サンプルを動かす仮想放射線源の視覚効果との間の効率的な同期。このプログラムでは、ユーザーが取得時間のコントロールを持って、同じ位置に繰り返し数は、取得データの周りの間隔の変化量は、とりわけ、意味します。第二の二つの信号間の時間差を取得するために、一致ロジックの簡単な構造の構築、元の最終位置を計算するために距離を、この時間差に変換します。

1検出ラインでは、偶然や外部ノイズからの信号を区別するために、唯一の論理モジュールを使用するのに十分である「AND」。この場合、両方がそれらの論理モジュールを必要とする2つの検出線があります。検出器の数が増加するが、それは、必要がある場合別の検出線とも含む「OR」モジュール( 図3参照)。

考慮すべきもう一つの特徴は、TOF PETシステムと5分毎に全ての位置に位置する従来のPETシステムとの間の比較である。 図6及び 図7は、異なる位置のための検出器の対のために測定されたシステムの応答示しています。ソースの各位置について、TDC応答のプロットがあります。測定値の各セットに対して、線形動作が期待され、いずれかの位置と時間との関係を確立することを可能にされます。バリエーションや重複があっても、取得時間が増加するほど長く安定性の改善があります。

の良好な較正を得るために、蓄積データの平均の差をとったときに1011は、利点を示してシステム。平均値を使用して、その結果、より安定になり、TDCユニット増加の分離は、仮想放射源のより良好な位置決めを与えます。最終的な結果は、2分以内に30の測定を繰り返すことによって得られます。買収の2行を区別するために、彼らは、IJとEFラインと呼ばれていました。ラインEFは約87%に達している間、取得ラインIJの場合、約90%の平均効率は、発見されました。システム全体のために、得られた効率は約85%でした。

図1
図1は、光電子増倍管のアレンジ。4のPMTの二次元セットアップが表示されます。各PMTは、幾何学的中心から10cmに位置します。画像の中央には、ナ-22放射性同位元素は、バックツーバック光子対を生成します。一致して、これらの光子を検出することにより、放射線源を配置することができます。72 / 52272fig1large.jpg「ターゲット= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2
弁別器を含む放射線源の信号の位置を得るために使用される図2の検出システム。NIMモジュールは、モジュール、および論理ユニットを遅延させます。その下に、TDCとGPIB制御モジュールとCAMACクレートうそ。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
図3の論理ブロックは、この方式は、4つのPMTが示すI、J、E、及びFの名前、共通の「AND」モジュールに接続された4つの'OR'モジュールに接続されています。操作は簡単です:信号がsの場合光電子増倍管の1つによってENT、(の3が「OR」のモジュールが信号を送信するが、これは「AND」モジュールの動作要件のために十分ではなく、複数のPMTは、信号を送信した場合のみ発生し、すなわち、そこにされました偶然)。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4
4.システムのスキーム図。右上に放射性同位元素は、デジタルパルスにアナログの信号から変換弁別に信号を送るのPMT、間に配置されています。パルスは、論理ブロックを通過します。同じ信号が時間差を測定するために、遅延モジュールに送信されます。 表示するには、こちらをクリックしてくださいこの図の拡大版。

図5
放射線源の位置をシミュレートするLEDのアレイからなる 図5. ソフトウェアのインターフェイス。プログラムが取得を完了すると、1のLEDが光源の位置を示すためにオンになっています。画像の上部にはLEDが発光の行を表す他の種類があります。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図6
PMTを使用して図6.キャリブレーションは、私と呼ばれる。連続測定が行われたと蓄積されたデータの平均値をとりました。各測定は2分間続きました。各カラーcorresp検出器間の各位置に秒単位。しばらくすると、信号の明確に定義された分離は元の位置がよく知られていることを意味し、得られた。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図7
PMTを使用して図7キャリブレーションがjと呼ばれる。前回とこのグラフは、j個のPMTの平均値を示している。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図8
図8.蓄積データ平均との差を利用してキャリブレーション。すべての色が1仮定に対応検出ラインにおけるイオン。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図9
9.高原曲線図。このグラフでは異なるのPMTのための「プラトー」曲線が示されています。ここでは制御電圧が0.5から0.9まで変化V.曲線は約0.6 Vを曲げるために開始します。いくつかは、より高い安定性に対応し、より急なカーブを持っています。一方で、このようなオレンジのラインのようないくつかのカーブの値が高い値に達する。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図10
図10.カップリング反応。HERE検出線に沿って5異なる場所での放射線源の位置を配置したPMTのEとF、からの平均値と中央値の大きさが示されています。得られた統計は、5分で得られたデータを使用しています。曲線ができるだけ垂直にする必要があります。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図11
図11.カップリング反応。ここでアナログ情報が、現在はi、jが示されている光電子増倍管の第二のカップルのため。比較的水平線は、以前のPMTのペアは、空間解像度の点で、優れていることを意味し、観察される。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Discussion

このシステムの1つの重要な側面は、空間と時間解像度で非常に良好な制御を持つことです。 PETの空間分解能は、放射性崩壊と消滅の物理的特性によってだけでなく、一致登録(1.1および1.2ステップ)の技術的側面 ​​により、検査5時のような物体の動きなどのエラーの外部ソースによって制限されます。このように、測定された正確な位置はTOF差(ステップ2.4​​)に依存します。一つの技術は、優れた時間分解能がTOF 6の分布の半値全幅(FWHM)を測定している実現しています。

各PMTは、「プラトー」と呼ばれる7,8-曲線を得ることによって特徴づけられました。この曲線は、半対数スケールで制御電圧対PMTによって検出されたイベントの数を表します。最も平坦な部分は、高い安定性のゾーンに対応しています( 図9を参照)。 int型を取るために別の特性Oアカウントは、このプラトー領域における電圧値の安定性です。この場合には0.82 Vは、制御電圧(ステップ4.2)として使用しました。

検出器の各ペア間の中間位置の数を選択するには、簡単なテストは、異なる位置にわたって効率を評価することからなる行われました。ソースは、検出器間の異なる位置に配置され、データは5分( 図10および 11を参照のこと)のために採取しました。この試験では、5つの位置を選択しました。ラインは、経度20センチ持っているので、それぞれの位置は、1 PMTに関しては2、6、10、14、18 cm単位です。

以前の試験から、各TDCの測定値からの大きさを評価しました。最初の選択として、この大きさから遠くに嘘をついたすべてのデータを廃棄し、そして平均値を算出しました。さらなる選択は、前に計算された平均データの周囲に間隔を考慮することによって行われ、この区間外のデータはdiscaでしたrded。このように、ノイズ信号が制御下にありました。

これは、わずか2分では、優れた効率(結果を参照)放射線源を見つけるために必要とされていると言うことは価値があります。それにもかかわらず、時間が2から1分、あるいは30秒に減少したとき、元の位置を特定する効率が低下します。現時点では、このPETシステムは、4つの検出器から構成され、それは効率および空間分解能を向上させるために検出器の数を増加させることができます。しかし、このプロトタイプで、この作品の主な目的は、9、10を成就しました。

これの主な利点は、それが、このような高エネルギー物理学のようないくつかの分野で計装専用の任意のラボに共通の電子機器で構築されたことがある設定しました。これらのデバイスのいくつかは既に研究室に存在する場合には、全体の実験のセットアップを完了するためにあまりにも困難または高価ではありません。それは、POを持って、このPETシステムの教授や学生と、前に述べたように基本的なPETワーキング機能です空間での放射線源を突き止めるの基本的な性質を理解するssibility。将来的には、ある学術のためだけでなく、研究目的のためだけでなく、このシステムの種々の要素の多くを改善し、それを適用することができます。

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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

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References

  1. 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).
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