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

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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

A Positron Emission Tomography (PET) protótipo simples foi construído para caracterizar plenamente os seus princípios fundamentais de trabalho. O protótipo de PET foi criado por acoplamento de cristais cintiladores de plástico para fotomultiplicadores ou PMT que são colocados em posições opostas para detectar dois raios gama emitidos a partir de uma fonte radioactiva, de que é colocado no centro geométrico do PET set-up. O protótipo consiste de quatro detectores colocados geometricamente num círculo de 20 cm de diâmetro, e uma fonte radioactiva no centro. Ao mover os centímetros fonte radioactiva a partir do centro de um sistema é capaz de detectar o deslocamento através da medição do tempo de voo diferença entre quaisquer dois PMT e, com esta informação, o sistema pode calcular a posição virtual em uma interface gráfica. Desta forma, o protótipo reproduz os principais princípios de um sistema PET. Ele é capaz de determinar a posição real da fonte com intervalos de 4 cm em 2 linhas de detecção tendo menos de 2 min.

Introduction

Positron Emission Tomography é uma técnica de imagem não invasiva utilizada para obtenção de imagens digitais dos tecidos internos e órgãos do corpo. Existem várias técnicas não-invasivas que permitem obter imagens e informações sobre o funcionamento interno de um paciente, tais como Computer Tomografia Axial (TAC) e Ressonância Magnética (MRI). Ambos dão boa resolução espacial e são também utilizadas para aplicações em estudos anatômicos e fisiológicos. Embora comparativamente PET dá menos resolução espacial, fornece mais informações sobre o metabolismo ocorrem na zona de interesse. PET é amplamente usado para obter informações funcionais e morfológicas; suas principais aplicações clínicas são nas áreas de oncologia, neurologia e cardiologia. Além disso, as imagens de PET pode ajudar os médicos a dar melhores diagnósticos, por exemplo, estabelecer o planejamento do tratamento do tumor.

O princípio de funcionamento básico de sistemas de PET é a detecção de dois photoneladas ou raios gama provenientes de um par aniquilação pósitron-elétron, ambos voando em direções opostas para com os detectores, que geralmente consistem de cristais cintiladores juntamente com PMT. Os cristais cintiladores transformar a radiação gama em luz visível, que se desloca para um PMT que converte o sinal de luz a um pulso eléctrico através de um processo fotoeléctrico. Dentro dos dispositivos eletrônicos chamados PMT dínodos estão presentes, o que aumenta a magnitude da carga elétrica antes de enviá-lo para um sistema de leitura. Estes dois fotões detectados foram criados quando um positrão (carregado positivamente de electrões) emitida por um isótopo de fluido, o qual foi injectado na corrente sanguínea do corpo, aniquila com um electrão no corpo. As medidas sistema de leitura em coincidência o tempo de chegada dos dois fótons back-to-back com relação a uma referência de tempo e ainda que ambos os substratos vezes para obter a diferença. O sistema utiliza esta diferença de tempo para calcular as posições wh espaçoere a fonte de radiação emitida ambos os fótons, e, portanto, onde a aniquilação elétron-pósitron ocorreu.

Algumas características dos sistemas PET devem ser definidos para otimizar a qualidade da imagem e para aumentar a resolução espacial e temporal. Um aspecto a considerar é a linha de resposta (LOR), definido como a distância que os dois fotões viajar após o processo de aniquilação. Outro aspecto a considerar é o Time of Flight (TOF). A qualidade das imagens depende também de recursos externos, principalmente os órgãos do corpo e os movimentos do paciente durante a sessão de tratamento 1. Os isótopos usados ​​em sistemas de PET são chamados emissores beta +. Estes isótopos tem uma meia-vida curta (da ordem de segundos). Eles são produzidos em aceleradores de partículas (Ciclotrões) quando elementos estáveis ​​são bombardeados com prótons ou deuterons causando reações nucleares. Tais reacções transformar os elementos estáveis ​​em isótopos instáveis, tais como C-11, N-13, S-15, F-18, entre outros2.

Existem dois tipos de PET. (1) convencional: este usa as informações TOF apenas para identificar a linha ao longo da qual a aniquilação ocorreu, mas é incapaz de determinar o local de origem dos dois fótons. Exige algoritmos de reconstrução analítica ou iterativa adicionais para estimar este. (2) TOF PET: utiliza a diferença TOF para localizar a posição aniquilação do pósitron emitido. A resolução temporal é utilizado no algoritmo de reconstrução como um núcleo para uma função de probabilidade de localização 3.

O nosso principal objectivo é demonstrar as funções primárias de PET, o qual é utilizado para localizar uma fonte de radiação no espaço. O âmbito principal do conjunto do sistema PET aqui proposta é fornecer um guia básico de construção PET para o público acadêmico, e de explicar, de forma simples, as suas principais propriedades.

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Protocol

1. Preparação da Configuração PET

  1. Prepara-se o PMT do cintilador acoplado com peças de plástico. Dependendo do tipo de PMT (tamanho, forma do fotocátodo) construir uma peça cintilador adequada para se encaixar com o fotocátodo do PMT.
    1. Enrole os pedaços cintilador com fita preta. Deixar um lado descoberto, uma vez que irá ser acoplado com a entrada de luz PMT.
      NOTA: É importante que estas peças são previamente polido para evitar perdas de acumulação de luz.
  2. Limpe a entrada de luz PMT com álcool (concentração comercial de álcool de 70%), em seguida, aplique graxa óptica para ele e rosto descoberto do cintilador. Acoplado a face PMT com o cintilador e envolvê-los com fita mais preto.
    1. Ligue o PMT para a fonte de tensão (um cabo é incluído para cada PMT, neste caso viés viés 14 V e 0,5 V para a tensão de controlo). Identificar os sinais provenientes do ligando a PMTPMT cabo de sinal a um canal de osciloscópio digital padrão (um cabo de sinal também está incluído para cada PMT). Observe as variações na amplitude dos sinais ao ligar / desligar a luz no laboratório, para verificar que não há perdas de luz. Repetir esta etapa para cada um dos quatro detectores, onde um meio detector cintilador mais PMT.
  3. Construir um sistema de coincidência, colocando a parte de um detector cintilador acima da parte correspondente de outro detector. Coloque dois NIM (Nuclear Instrument Module) instrumentos chamados módulos discriminadores e unidade lógica em uma caixa NIM.
  4. Ligar os sinais dos detectores de saída para as entradas de um módulo de discriminador. Use uma unidade lógica no modo E, selecionando neste caso lógica no painel frontal da unidade lógica. Ligue as duas saídas discriminadores nas entradas da unidade lógica.
    NOTA: E é uma operação lógica que selecciona quando dois sinais quadrados chegar ao mesmo tempo ou em coincidência.
  5. Connect o sinal de unidade lógica de saída em um módulo scaler (que conta os sinais digitais) para contar os eventos (criado pelos raios cósmicos que atingem em coincidência ambos os detectores).

2. Adquirir sinais com PET

  1. Coloque ambos os detectores nos cantos opostos da área quadrada definido antes, portanto, eles enfrentam uns aos outros, e são 20 cm de distância, e fazer o mesmo exercício como 1.4 e 1.5, mas, desta vez, em vez de usar os raios cósmicos (raios cósmicos serviu como uma fonte radioativa naturais provisório), use a fonte de radiação Na-22.
    1. Coloque a fonte radioativa em uma distância média entre os dois detectores e fazer aquisição de dados através do módulo scaler. O sistema criado e a disposição esquemática do bloco da lógica usada para se obter uma coincidência pode ser visto nas Figuras 1, 2, e 3.
  2. Meça a diferença de tempo dos sinais que chegam de ligar as duas saídas da PMT discriminar e dosaída coincidência no osciloscópio. Cada um dos três sinais de entrada vai para um osciloscópio; haverá três sinais quadrados na tela do osciloscópio. Com a escala horizontal (escala de tempo) medir a diferença de tempo dos dois sinais discriminar.
    NOTA: Quando a fonte radioativa é diretamente no meio entre os dois detectores haverá pouca ou nenhuma separação ou diferença de tempo entre a praça discriminar sinais em média, e quando a fonte radioativa é fora do centro e perto de um dos PMT, em seguida, haverá diferença de tempo, em média.
  3. Envie estes sinais de tempo para um dos oito canais da CAMAC (Computer automáticos de medição e controle) TDC (Time to Digital Converter) módulo. Para fazer isso, ligue a saída de lógica e à entrada TDC chamar "Iniciar", em seguida, ligar o detector discriminar saídas às entradas TDC que são chamados de "STOP". O E sinal tem que ser adiada por um Delay Module por alguns nanossegundos para que esta sinal para chegar antes dos outros dois sinais de travagem (ver Figura 4).
  4. Calibrar as unidades TDC contagem em função do tempo mostraram pelo osciloscópio através de um programa de software (consulte os passos na Seção 3). Fazer isso calibração utilizando a separação distância entre a fonte radioactiva e um dos detectores, medindo a diferença de tempo médio (passo 2.3) de cada posição. Estabelecer uma comunicação software entre os diferentes módulos e do computador através de um barramento GPIB padrão (de Uso Geral Instrumentação Bus) para fazer isso calibração.

3. Construir o Virtual Instrument interface

  1. Faça o download e usar um software LabView ou qualquer software similar.
    NOTA: Para trabalhar com o LabVIEW, é necessário ter algum conhecimento da "linguagem de programação G". Nesta língua, nenhum código tem de ser escrito, e todas as ações realizadas pode ser feito a partir de uma ferramenta de software pálidoTTE. Um guia fácil com exemplos práticos podem ser encontrados na ferramenta de ajuda.
  2. Selecione o utilitário matriz a partir da paleta de ferramentas do painel frontal (variáveis ​​de programação contentores) para salvar os dados de saída TDC.
    NOTA: O "painel frontal" é a interface gráfica do instrumento virtual para o usuário e o "diagrama de blocos" é usado para programação de software.
  3. Traçar a aquisição de dados (dados em tempo de TDC), selecionando um instrumento lógica a partir do menu parcelas. Identificar os dados terrenos relacionados com cada posição da fonte. Faça isso através da variação da distância da fonte a partir da linha de detectores por alguns centímetros.
  4. Tome a média dos dados usando as funções estatísticas (médios) a partir do menu de ferramenta matemática, e escolher um intervalo de valores centrados na média. Em seguida, de acordo com a programação da lógica seguida, utilizar as ferramentas necessárias a partir do menu de matriz para remover todos os dados com valores fora deste intervalo.
  5. Seleccionar os indicadores de the paleta de ferramentas diagrama de blocos para mostrar o número de dados armazenados em cada matriz e identificar alguns recipientes com o maior número de dados armazenados.
  6. Obter a média dos dados em cada matriz selecionada na etapa 3.5 e usar essa informação para estabelecer um conjunto de valores de intervalos de tempo para cada posição de origem utilizando para isso o bloco LabView paleta de ferramentas diagrama.
  7. Selecione um conjunto de indicadores a partir da paleta de ferramentas do painel frontal para armazenar a média obtida na etapa 3.6 para uma seqüência de medições.
  8. Escolha uma estrutura de caso a partir da paleta de ferramentas diagrama de blocos de relacionar cada posição com seu respectivo intervalo do passo 3.7, e associar cada intervalo para uma virtual LED em uma matriz a partir da paleta de ferramentas do painel frontal.
  9. Observe a cada sinal de tempo leva para chegar aos canais de TDC: quando a fonte radioactiva é movido a partir do meio de um detector de mais perto, observar um movimento da fonte virtual na matriz de LEDs de programação (ver Figura 5
  10. Incluir um controlo (elemento de programação variável) a partir da paleta de ferramentas do painel frontal para a aquisição tempo total.
    NOTA: A eficiência do posicionamento dependerá desta ferramenta de tempo de controlo: quanto mais tempo demora a aquisição, mais precisamente o objecto virtual simula a fonte radioactiva vai dar a posição correcta.

4. Resultados gráficos

  1. Para fins de calibração, colocar a fonte em qualquer posição intermédia em relação a um dos pares associados de detectores. Fazer medições durante 30 min, e com os dados adquiridos, tomar a média dos valores acumulados a cada 2 min. Repita esse processo para diferentes posições de origem e plotar o valor médio de cada detector em todas as posições (ver figuras 6 e 7). As diferenças dos valores de detectores encontram-se representados na Figura 8.
  2. Para obter melhor results, selecione dois detectores que possuem valores de dados similares para formar um casal. Para testar isto, a tensão de controlo de colocar PMT para o seu valor mais baixo, neste caso de 0,5 V. iniciar a medição do número de eventos detectados com o módulo de raspador para um tempo fixo, ligando a saída do detector para a entrada de raspador. Aumentar a tensão por 0,01 V e medir novamente. Repetir este processo até atingir o valor máximo possível de controlo, neste caso, de 0,9 V.
    1. Traça-se a série de eventos detectados contra a tensão de controlo de escamas semi logarítmicos (ver Figura 9). Couple os pares de detectores que têm distribuições similares.
  3. Para testar a sensibilidade do sistema, colocar a fonte radioactiva em algumas posições intermédias espaçamento iguais ao longo das linhas, neste caso, existem cinco. Adquirir dados durante 5 minutos em cada posição, e traçar a média e mediana dos valores obtidos para cada detector de forma independente (ver Figuras 10 e 11).

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Representative Results

Dois principais resultados são alcançados com esse sistema de PET. Primeiro: uma sincronização eficiente entre os efeitos visuais da fonte radioativa virtual quando se deslocam a amostra radioativo real. Com este programa, os utilizadores têm o controle do tempo de aquisição, o número de repetições da mesma posição, a variação do intervalo de aquisição de dados em torno do meio, entre outros. Em segundo lugar: a construção de uma estrutura simples de lógica de coincidência para se obter a diferença de tempo entre os dois sinais, convertendo esta diferença de tempo a distância para calcular a posição final da fonte.

Em uma linha de detecção, é suficiente para usar apenas um módulo lógico 'E', para discriminar o sinal vindo de uma coincidência ou o ruído externo. Neste caso existem duas linhas de detecção que tanto necessitam de seus módulos lógicos. Se o número de detectores aumenta, é necessário incluiroutra linha de detecção e também incluem "ou" módulos (ver Figura 3).

Outro aspecto a ter em conta é a comparação entre o sistema TOF PET e o sistema de PET convencional situado em todas as posições a cada 5 min. As Figuras 6 e 7 mostram a resposta do sistema de medida para um par de detectores para posições diferentes. Para cada posição da fonte, não é um gráfico da resposta TDC. Para cada conjunto de medições, o comportamento linear é esperado, e permite estabelecer uma relação entre a posição e tempo. Embora existam variações ou sobreposição, não há uma melhoria da estabilidade, enquanto aumenta o tempo de aquisição.

As Figuras 10 e 11 mostram as vantagens quando se toma a diferença da média dos dados acumulados para obter uma melhor calibração do sistema. Usando a média, os resultados tornam-se mais estável, ea separação das unidades TDC aumentos dando um melhor posicionamento da fonte radioativa virtual. Nosso resultado final é obtido através da repetição 30 medições dentro de 2 min. Para distinguir as duas linhas de aquisição, eles foram chamados de ij e ef linhas. Para o ij linha de aquisição, uma eficiência média em torno de 90% é encontrado, enquanto o ef linha atingiu cerca de 87%. Por todo o sistema, a eficiência obtida foi cerca de 85%.

figura 1
Figura 1. Organize da PMT. A bidimensional set-up de 4 PMT é mostrado. Cada PMT está posicionado 10 cm a partir do centro geométrico. No centro da imagem, de Na-22 radioisótopo produz um par de costas com costas fotões. Ao detectar esses fótons em coincidência, a fonte radioativa pode ser localizado.72 / "target =" _ blank "52272fig1large.jpg> Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2. Sistema de Detecção de módulos. NIM utilizados para obter a posição do sinal da fonte radioativa, incluindo discriminador, os atrasos módulos e unidades lógicas. Abaixo deles mentir um caixote CAMAC com o módulo TDC e controle GPIB. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. bloco Logic. Neste esquema quatro PMT são mostrados, chamado i, j, e, f, conectado a quatro 'OR' módulos que são conectados a um 'E' módulo comum. A operação é simples: quando um sinal é sent por uma das PMTs, 3 do "OU" módulos de enviar um sinal, mas isto não é suficiente para as necessidades de operação do "E" módulo, e ocorre apenas quando mais do que um PMT envia um sinal (isto é, houve uma coincidência). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. esquema do sistema. No canto superior direito, o radioisótopo está colocado entre os PMTs, que enviam um sinal para o discriminador que converte a partir do sinal de analógico para digital de um pulso. O impulso passa então através do bloco lógico. O mesmo sinal é enviado para os módulos de atraso, a fim de medir a diferença de horário. Por favor clique aqui para veruma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5. interface de software que consiste de uma matriz de LEDs que simula a posição da fonte radioactiva. Quando o programa termina a aquisição, um diodo emissor de luz é aceso para indicar a posição da fonte. Na parte superior da imagem, há outro tipo de LED de representando as linhas de emissão. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura 6. A calibração utilizando o PMT chamado i. Medições consecutivas foram realizadas e a média dos dados acumulados foi feita. Cada medição durou 2 minutos. Cada cor correspgundos para cada posição entre os detectores. Depois de algum tempo, uma separação bem definida de sinal foi obtido, o que significa que a posição da fonte é bem conhecida. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7
Figura 7. Calibração com a PMT chamado j. Este gráfico que o anterior mostra a média do j PMT. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8
Figura 8. A calibração usando a diferença entre a média de dados acumulados. Cada cor corresponde a um position na linha de detecção. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9
Figura 9. curva de Plateau. Neste gráfico da curva 'plateau' para diferentes PMT é mostrado. Aqui a tensão de controlo varia de 0.5 a 0.9 V. A curva começa a dobrar em torno de 0,6 V; alguns têm curvas mais acentuadas, o que corresponde a uma maior estabilidade; por outro lado, os valores de algumas curvas, como a linha de laranjas atingir valores mais elevados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 10
Figura 10. Resposta de acoplamento. Here a magnitude da média ea mediana da PMT E e F, colocando a posição fonte radioativa em cinco locais diferentes ao longo da linha de detecção é mostrado. As estatísticas obtidas utilizar os dados obtidos em 5 min. A curva deve ser o mais vertical possível. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 11
Figura 11. Resposta Coupling. Aqui a informação analógica, mas agora para o segundo par de PMTs i e j é mostrado. É observada uma linha relativamente horizontal, o que significa que o par PMT anterior é melhor, em termos de resolução espacial. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Um aspecto importante deste sistema é a de ter um muito bom controlo sobre resoluções espaciais e temporais. A resolução espacial de PET é limitado pelas características físicas do decaimento radioactivo e a aniquilação, mas também pelos aspectos técnicos do registo coincidência (passos 1.1 e 1.2) e por outras fontes de erros, tais como o movimento objecto durante o exame 5. Deste modo, a posição exacta medido vai depender da diferença TOF (passo 2.4). Uma técnica para alcançar uma boa resolução de tempo é medir a meia largura total máxima (FWHM) de distribuição de TOF 6.

Cada PMT foi caracterizada pela obtenção de sua curva chamada 'plateau' 7,8. Esta curva representa o número de eventos detectados pelo PMT versus a tensão de controlo numa escala semi logarítmica. A parte mais plana corresponde a uma zona de grande estabilidade (ver Figura 9). Outra característica de ter intO conta é a estabilidade dos valores de tensão nesta zona de planalto. Neste caso foi usado como a tensão de comando (passo 4.2) 0.82 V.

Para escolher o número de posições intermediárias entre cada par de detectores de um simples teste foi feito consistem em avaliar a eficiência sobre posições diferentes. A fonte foi colocado em locais diferentes entre os detectores e os dados foi feita durante 5 minutos (ver Figuras 10 e 11). Para este teste, foram seleccionadas 5 posições; a linha tem 20 centímetros de longitude, de modo que cada posição é em 2, 6, 10, 14 e 18 cm, em relação a um PMT.

A partir dos testes anteriores, a magnitude de cada medição TDC foi avaliada. Como uma primeira selecção, todos os dados que lied longe desta magnitude foram descartados, e foi calculada a média. Uma outra selecção foi feita por considerar um intervalo em torno dos dados médios calculados antes, e dados fora deste intervalo foi DISCArded. Desta forma, o sinal de ruído estava sob controlo.

Vale a pena dizer que apenas 2 min é necessária para localizar a fonte radioativa com excelente eficiência (ver resultados). No entanto, quando o tempo é reduzido para 1 a partir de 2 minutos ou mesmo 30 segundos, a eficácia de localizar a fonte diminui. No momento, este sistema de pet consiste em quatro detectores, mas é possível aumentar o número de detectores para melhorar a eficiência e resolução espacial. No entanto, com este protótipo, o principal objetivo deste trabalho foi cumprido 9, 10.

A principal vantagem desta configuração é que ele foi construído com dispositivos eletrônicos comuns a qualquer laboratório dedicado à instrumentação, em algumas áreas, como a física de altas energias. Quando alguns destes dispositivos já estão presentes no laboratório não é muito difícil ou caro para completar todo o conjunto experimental. Como foi mencionado antes, com este sistema PET professores e alunos têm o possibility para compreender as propriedades básicas de localização de uma fonte radioactiva no espaço, o que é a função de trabalho básica PET. No futuro, pode-se melhorar muitos dos diferentes elementos do sistema, e aplicá-lo, não só para fins académicos, mas também para fins de investigação.

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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).
  2. Muehllerher, G., Karp, J. S. Positron tomography emission. Phys. Med. Biol. 51, R117-R137 (2006).
  3. Conti, M. State of the art and challenges of time of flight PET. Physica Medica. 25, (1), 1-11 (2008).
  4. Abreu, Y., Piñera, I., et al. Simulation of a PET system and study of some geometry parameters. AIP conference. 1032, 219-221 (2008).
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  7. Leo, W. R. Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments. second, Springer-Verlag. Germany. (1987).
  8. Budinger, T. F. Instrumentation trends in nuclear medicine. Semin Nucl Med. 7, (4), 285-297 (1977).
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  10. 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).

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