Una Tomografía por Emisión de Positrones Sistema Básico Construido para localizar una fuente radiactiva en un espacio bidimensional

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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

Un simple Tomografía por Emisión de Positrones (PET) prototipo ha sido construido para caracterizar completamente sus principios básicos de trabajo. El prototipo PET fue creado por el acoplamiento de cristales de centelleo de plástico para fotomultiplicadores PMT o del que se colocan en posiciones opuestas para detectar dos rayos gamma emitidos desde una fuente radiactiva, de los cuales se coloca en el centro geométrico de la PET set-up. El prototipo consta de cuatro detectores colocados geométricamente en un círculo de diámetro 20 cm, y una fuente radiactiva en el centro. Al mover los centímetros de fuentes radiactivas desde el centro del sistema es capaz de detectar el desplazamiento midiendo el tiempo de vuelo de la diferencia entre cualesquiera dos de PMT y, con esta información, el sistema puede calcular la posición virtual en una interfaz gráfica. De esta manera, el prototipo reproduce los principios fundamentales de un sistema de PET. Es capaz de determinar la posición real de la fuente con intervalos de 4 cm en 2 líneas de deprotección teniendo menos de 2 min.

Introduction

Por emisión de positrones es una técnica de imagen no invasiva utilizada para la obtención de imágenes digitales de los tejidos internos y órganos del cuerpo. Existen diversas técnicas no invasivas que permiten obtener imágenes e información sobre el funcionamiento interno de un paciente como Computer Tomografía Axial (TAC) y la resonancia magnética (RM). Ambos dan buena resolución espacial y se utilizan, además, para aplicaciones en estudios anatómicos y fisiológicos. Aunque comparativamente PET da menos resolución espacial, proporciona más información sobre el metabolismo que ocurre en la zona de interés. PET es ampliamente utilizado para obtener información funcional y morfológica; sus principales aplicaciones clínicas están en el campo de la oncología, neurología y cardiología. Además, las imágenes de PET pueden ayudar a los médicos dan mejores diagnósticos, por ejemplo, establecer la planificación del tratamiento de tumores.

El principio de funcionamiento básico de los sistemas de PET es la detección de dos photoneladas o rayos gamma procedentes de un par de aniquilación de positrones-electrones, tanto volando en direcciones opuestas hacia los detectores, que normalmente consisten en cristales de centelleo junto con PMT. Los cristales de centelleo transforman la radiación gamma en luz visible, que viaja a un PMT que convierte la señal de luz a un impulso eléctrico a través de un proceso fotoeléctrico. Dentro de los dispositivos electrónicos PMT llamados dynodes están presentes, lo cual aumenta la magnitud de la carga eléctrica antes de enviarlo a un sistema de lectura. Estos dos fotones detectados fueron creados cuando un positrón (electrón cargado positivamente) emitida por un fluido de isótopos, que se inyecta en el torrente sanguíneo del cuerpo, aniquila con un electrón en el cuerpo. Las medidas del sistema de lectura de salida en la coincidencia del tiempo de la llegada de los dos fotones de tú a tú con respecto a una referencia de tiempo y además es sustratos en ambas ocasiones para obtener la diferencia. El sistema utiliza esta diferencia de tiempo para calcular las wh posición espacioere la fuente de radiación emitida ambos fotones, y por lo tanto donde se produjo la aniquilación electrón-positrón.

Algunas características de los sistemas de PET se deben definir para optimizar la calidad de la imagen y para aumentar la resolución espacial y temporal. Una característica a tener en cuenta es la Línea de Respuesta (LOR), que se define como la distancia que los dos fotones viajan después del proceso de aniquilación. Otra característica a considerar es el tiempo de vuelo (TOF). La calidad de las imágenes también depende de las características externas, principalmente los órganos corporales y los movimientos del paciente durante la sesión de tratamiento 1. Los isótopos utilizados en los sistemas de PET son llamados beta + emisores. Estos isótopos tienen una vida media corta (del orden de segundos). Se producen en aceleradores de partículas (ciclotrones) cuando los elementos estables son bombardeados con protones o deuterones que causan reacciones nucleares. Tales reacciones transforman los elementos estables en isótopos inestables, tales como C-11, N-13, O-15, F-18 entre otros2.

Hay dos tipos de PET. (1) Convencional: este utiliza la información TOF sólo para identificar la línea por la que se produjo la aniquilación, pero es incapaz de determinar el lugar de origen de los dos fotones. Se requiere algoritmos de reconstrucción analítica o iterativo adicionales para estimar esto. (2) TOF PET: utiliza la diferencia TOF para localizar la posición de la aniquilación del positrón emitido. La resolución de tiempo se utiliza en el algoritmo de reconstrucción como un núcleo para una función de probabilidad de localización 3.

Nuestro objetivo principal es demostrar las funciones primarias de PET, que se utiliza para localizar una fuente de radiación en el espacio. El ámbito principal del conjunto del sistema PET que aquí se propone es el de proporcionar una guía básica de construcción de PET para el público académico, y explicar, de una manera sencilla, sus principales propiedades.

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Protocol

1. Preparación de la instalación de PET

  1. Prepare el PMT, junto con piezas de centelleo de plástico. Dependiendo del tipo de PMT (tamaño, forma del fotocátodo) construir una pieza de centelleo adecuada para encajar con el fotocátodo del PMT.
    1. Envuelva las piezas de centelleo con cinta negro. Deje un lado al descubierto, ya que se acopla con la entrada de luz PMT.
      NOTA: Es importante que estas piezas se pulen previamente para evitar pérdidas de acumulación de luz.
  2. Limpie la entrada de luz PMT con alcohol (concentración de alcohol comercial de 70%) y luego aplique grasa óptica a la misma y la cara descubierta del centelleo. Junto la cara PMT con el centelleo y se envuelven con cinta más negro.
    1. Conectar el PMT a la tensión de fuente (un cable está incluido para cada PMT, en este caso el sesgo de 14 sesgo V y 0,5 V para el control de tensión). Identificar las señales procedentes del PMT mediante la conexión de laCable de señal PMT a un canal estándar osciloscopio digital (también se incluye un cable de señal para cada PMT). Tenga en cuenta las variaciones en la amplitud de las señales al encender / apagar la luz en el laboratorio, para verificar que no hay pérdidas de luz. Repita este paso para cada uno de los cuatro detectores, donde un detector de centelleo significa más PMT.
  3. Construir un sistema de coincidencia mediante la colocación de la parte de un detector de centelleo por encima de la parte correspondiente de otro detector. Ponga dos NIM (Módulo Instrumento Nuclear) instrumentos llamados módulos discriminador y de unidad lógica en una caja de NIM.
  4. Conecte las señales de salida de los detectores a las entradas de un módulo discriminador. Utilice una unidad lógica en el modo y, al seleccionar este caso la lógica en el panel frontal de la unidad lógica. Conecte las dos salidas discriminador en las entradas de la unidad lógica.
    NOTA: Y es una operación lógica que selecciona cuando dos señales cuadrados llegan al mismo tiempo o en coincidencia.
  5. Connect la señal de unidad lógica de salida en un módulo escalador (que cuenta con señales digitales) para contar los eventos (creado por los rayos cósmicos que golpean en las coincidencias ambos detectores).

2. La adquisición de señales con PET

  1. Coloque ambos detectores en las esquinas opuestas de la zona de la plaza definido antes, por lo que se enfrentan entre sí, y son 20 cm de distancia, y hacer el mismo ejercicio que 1.4 y 1.5, pero esta vez, en lugar de utilizar los rayos cósmicos (rayos cósmicos sirvieron como una fuente radiactiva naturales provisional), utilice la fuente de radiación Na-22.
    1. Coloque la fuente radiactiva en una distancia media entre ambos detectores y hacer la adquisición de datos a través del módulo de escalador. El sistema establecido y la disposición esquemática del bloque lógico utilizado para obtener una coincidencia se puede ver en las figuras 1, 2 y 3.
  2. Mida la diferencia de tiempo de las señales que llegan mediante la conexión de las dos salidas y el PMT discriminansalida de coincidencia en el osciloscopio. Cada una de las tres señales de entrada va a un osciloscopio; habrá tres señales cuadradas en la pantalla del osciloscopio. Con la escala horizontal (escala de tiempo) medir la diferencia de tiempo de las dos señales discrimina.
    NOTA: Cuando la fuente radiactiva está directamente en el centro entre los dos detectores habrá poca o ninguna diferencia separación o tiempo entre la plaza discriminar señales en promedio, y cuando la fuente radiactiva está fuera del centro y cerca de uno de los PMT continuación no habrá diferencia de hora en promedio.
  3. Enviar estas señales de temporización a uno de los ocho canales del CAMAC (Medición Automatizada Informática y Control) TDC (Time to Digital Converter) módulo. Para ello, conecte la salida de la lógica ya la entrada TDC llamar "START" a continuación, conecte el detector discrimina salidas a las entradas de TDC que se llaman "STOP". El Y señal tiene que ser retrasada por un Modu Delayle por algunos nanosegundos para que esta señal llegue antes de las otras dos señales de parada (ver Figura 4).
  4. Calibrar las unidades TDC contando frente al tiempo mostradas por el osciloscopio a través de un programa de software (consulte los pasos de la Sección 3). Hacer esto de calibración mediante el uso de la separación distancia entre la fuente radiactiva y uno de los detectores, la medición de la diferencia de tiempo promedio (paso 2.3) de cada posición. Establecer una comunicación de software entre los diferentes módulos y el ordenador a través de un bus estándar GPIB (General Purpose Instrumentación autobús) para hacer esta calibración.

3. La construcción de la Interfaz Instrumento virtual

  1. Descargar y utilizar un software LabView o cualquier software similar.
    NOTA: Para trabajar con Labview, es necesario tener algún conocimiento del "lenguaje de programación G". En esta lengua, no hay código tiene que ser por escrito, y todas las acciones realizadas se puede hacer desde una herramienta de software pálidotte. Una guía fácil con ejemplos prácticos se puede encontrar en la herramienta de ayuda.
  2. Seleccione la utilidad matriz desde la paleta de herramientas del panel frontal (contenedores de las variables de programación) para guardar los datos de salida del TDC.
    NOTA: El "panel frontal" es la interfaz gráfica del instrumento virtual para el usuario y el "diagrama de bloques" se utiliza para la programación de software.
  3. Trazar la adquisición de datos (datos de tiempo de TDC) mediante la selección de un instrumento de lógica en el menú parcelas. Identificar los datos de parcelas relacionadas con cada posición de la fuente. Para ello, la variación de la distancia fuente desde la línea de detectores por algunos centímetros.
  4. Tome la media de los datos utilizando las funciones estadísticas (media) de la herramienta matemática de menú, y seleccione un intervalo de valores centrados en la media. Entonces, de acuerdo con la programación lógica siguió, utilizar las herramientas necesarias en el menú matriz para eliminar todos los datos con valores fuera de este intervalo.
  5. Seleccionar indicadores de The paleta de herramientas diagrama de bloques que muestra la cantidad de datos almacenados en cada matriz e identificar unos contenedores con el mayor número de datos almacenados.
  6. Obtener la media de los datos en cada serie seleccionada en el paso 3.5 y utilizar esta información para establecer un conjunto de valores de intervalos de tiempo para cada posición de la fuente utilizando para ello la paleta de herramientas diagrama de bloques de LabVIEW.
  7. Seleccione un conjunto de indicadores de la paleta de herramientas del panel frontal para almacenar la media obtenida en el paso 3.6 para una secuencia de mediciones.
  8. Seleccione una estructura de caso de la paleta de herramientas diagrama de bloques para relacionar cada posición con su respectivo intervalo de paso de 3,7, y asociar cada intervalo de un LED en una matriz de la paleta de herramientas del panel frontal virtual.
  9. Observe el tiempo de cada señal tarda en llegar a los canales de TDC: cuando la fuente radiactiva se mueve desde el centro más cerca de un detector, observar un movimiento de la fuente virtual de la matriz de programación de LEDs (véase la figura 5
  10. Incluya un control (elemento de programación variable) de la paleta de herramientas del panel frontal para la adquisición tiempo total.
    NOTA: La eficiencia del posicionamiento dependerá de esta herramienta de tiempo de control: cuanto más tiempo tarda la adquisición, más precisamente el objeto virtual que simula la fuente radiactiva dará la posición correcta.

4. Resultados gráficas

  1. Para fines de calibración, coloque la fuente en cualquier posición intermedia en relación con uno de los pares de detectores acoplados. Tomar mediciones durante 30 min, y con los datos adquiridos, tomar el promedio de los valores acumulados cada 2 min. Repita este proceso para los diferentes puestos de origen y trazar el valor medio de cada detector en todas las posiciones (ver figuras 6 y 7). Las diferencias de los valores de los detectores se representan en la Figura 8.
  2. Para obtener un mejor results, seleccione dos detectores que tienen valores de datos similares para formar una pareja. Para probar esto, poner la tensión de control PMT a su valor más bajo, en este caso 0,5 V. empezará a medir el número de eventos detectados con el módulo escalador durante un tiempo fijo mediante la conexión de la salida del detector a la entrada escalador. Aumenta la tensión en un 0,01 V y medir de nuevo. Repita este proceso para alcanzar el valor máximo control posible, en este caso 0,9 V.
    1. Trazar el número de eventos detectados frente a la tensión de control en escalas semi logarítmicas (ver Figura 9). Pareja de los pares de detectores que tienen distribuciones similares.
  3. Para probar la sensibilidad del sistema, coloque la fuente radiactiva en algunas posiciones intermedias separación igual a lo largo de las líneas, en este caso hay cinco. Adquirir datos durante 5 minutos en cada posición, y trazar la media y la mediana de los valores obtenidos para cada detector de forma independiente (ver Figuras 10 y 11).

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Representative Results

Dos principales resultados se consiguen con este sistema PET. Primero: una sincronización eficiente entre los efectos visuales de la fuente radiactiva virtual cuando se mueve la muestra verdadera radiactivo. Con este programa, los usuarios tienen el control del tiempo de adquisición, el número de repeticiones en la misma posición, la variación del intervalo de alrededor de la adquisición de datos significan, entre otros. En segundo lugar: la construcción de una estructura simple de la lógica coincidencia para obtener la diferencia de tiempo entre dos señales, la conversión de esta diferencia de tiempo a distancia para calcular la posición final de la fuente.

En una línea de detección, es suficiente utilizar sólo un módulo lógico 'Y', para discriminar la señal proveniente de una coincidencia o ruido externo. En este caso hay dos líneas de detección que ambos requieren sus módulos lógicos. Si el número de detectores aumenta, es necesario incluirotra línea de detección y también incluyen "o" módulos (ver Figura 3).

Otra característica a tener en cuenta es la comparación entre el sistema TOF PET y el sistema de PET convencional se encuentra en todas las posiciones de cada 5 min. Figuras 6 y 7 muestran la respuesta del sistema de medida para un par de detectores para diferentes posiciones. Para cada posición de la fuente, no es un gráfico de la respuesta TDC. Para cada serie de mediciones, se espera un comportamiento lineal y permite establecer una relación entre la posición y el tiempo. Aunque hay variaciones o superposición, hay una mejora de la estabilidad, siempre y cuando el tiempo de adquisición aumenta.

Las figuras 10 y 11 muestran las ventajas cuando se toma la diferencia de la media de los datos acumulados para obtener una mejor calibración de la sistema. Usando el promedio, los resultados se vuelven más estables, y la separación de las unidades de TDC aumenta dando un mejor posicionamiento de la fuente radiactiva virtual. Nuestro resultado final se obtiene mediante la repetición de 30 mediciones dentro de 2 min. Para distinguir las dos líneas de adquisición, se les llamaba líneas ij y ef. Para el ij línea de adquisición, una eficiencia promedio de alrededor del 90% se encuentra, mientras que la línea ef alcanzó alrededor del 87%. Para todo el sistema, la eficiencia obtenida fue de alrededor de 85%.

Figura 1
Figura 1. Disponga del PMT. Se muestra una de dos dimensiones establecimiento de 4 PMT. Cada PMT se coloca 10 cm desde el centro geométrico. En el centro de la imagen, el Na-22 radioisótopos produce un par de fotones-back-to-back. Mediante la detección de estos fotones en coincidencia, la fuente radiactiva puede ser localizado.72 / 52272fig1large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2. Detección de módulos del sistema. NIM utilizados para obtener la posición de la señal de la fuente radiactiva, incluyendo discriminador, retrasos módulos y unidades lógicas. Debajo de ellos se encuentran una caja CAMAC con el módulo de TDC y control GPIB. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3. bloque de lógica. En este esquema se muestran cuatro PMT, llamada i, j, e, f, conectado a cuatro 'OR' módulos que están conectados a una 'Y' módulo común. El funcionamiento es sencillo: cuando hay una señal sent por uno de los PMT, 3 de la "O" módulos envían una señal, pero esto no es suficiente para las necesidades de funcionamiento de la "Y" del módulo, y sólo se produce cuando más de un PMT envía una señal (es decir, no había una coincidencia). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4. esquema del sistema. En la esquina superior derecha se coloca el radioisótopo entre los PMT, que envían una señal al discriminador que convierte la señal analógica a un pulso digital. El pulso a continuación, pasa a través del bloque lógico. La misma señal se envía a los módulos de retardo, con el fin de medir la diferencia horaria. Por favor, haga clic aquí para veruna versión más grande de esta figura.

Figura 5
Figura 5. Interfaz de software que consiste en una matriz de LEDs que simula la posición de la fuente radiactiva. Cuando el programa termine la adquisición, un LED está encendido para indicar la posición de la fuente. En la parte superior de la imagen, hay otro tipo de LED que representan las líneas de emisión. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
Figura 6. Calibración mediante el PMT llama i. Mediciones consecutivas se realizaron y el promedio de los datos acumulados fue tomada. Cada medición duró 2 min. Cada corresp de colorgundos a cada posición entre los detectores. Después de algún tiempo, se obtuvo una separación bien definida de la señal, lo que significa que la posición de la fuente es bien conocida. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7
Figura 7. Calibración mediante el PMT llama j. Esta gráfica como la anterior muestra la media de la j PMT. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8
Figura 8. La calibración utilizando la diferencia entre la media de los datos acumulados. Cada color corresponde a una Positiones en la línea de detección. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 9
Figura 9. curva Meseta. En este gráfico se muestra la curva de 'meseta' para diferentes PMT. Aquí la tensión de control varían de 0.5 a 0,9 V. La curva comienza a doblarse alrededor de 0,6 V; algunos tienen curvas pronunciadas, lo que corresponde a una mayor estabilidad; por otra parte los valores de algunas curvas como las naranjas línea alcanzan los valores más altos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 10
Figura 10. Respuesta de acoplamiento. Here se muestra la magnitud de la media y la mediana de la PMT eyf, la colocación de la posición de la fuente radiactiva en cinco lugares diferentes a lo largo de la línea de detección. Las estadísticas obtenidas utilizan los datos obtenidos en 5 min. La curva debe ser lo más vertical posible. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 11
Figura 11. Respuesta de acoplamiento. Aquí la información analógica, pero ahora para el segundo par de PMT iyj representado. Se observa una línea relativamente horizontal, lo que significa que el par PMT anterior es mejor, en términos de resolución espacial. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Un aspecto importante de este sistema es tener un muy buen control sobre las resoluciones espaciales y temporales. La resolución espacial de PET está limitada por las características físicas de la desintegración radiactiva y la aniquilación, sino también por aspectos técnicos de la inscripción coincidencia (pasos 1.1 y 1.2) y por fuentes externas de errores, tales como movimiento del objeto durante el examen 5. Por lo tanto, la posición exacta medida dependerá de la diferencia TOF (paso 2.4). Una técnica para lograr una resolución buen momento es la medición de la mitad del máximo ancho (FWHM) de la distribución del TOF 6.

Cada PMT se caracterizó por la obtención de su curva llamada 'meseta' 7,8. Esta curva representa el número de eventos detectados por el PMT vs. la tensión de control en una escala semi logarítmica. La parte más plana corresponde a una zona de gran estabilidad (véase la Figura 9). Otra característica para tomar into cuenta es la estabilidad de los valores de tensión en esta zona de meseta. En este caso se utilizó 0,82 V como la tensión de control (paso 4.2).

Para elegir el número de posiciones intermedias entre cada par de detectores de una simple prueba se hizo consistente en la evaluación de la eficiencia en diferentes posiciones. La fuente fue colocado en diferentes lugares entre los detectores, y los datos se da por 5 min (ver las figuras 10 y 11). Para esta prueba, se seleccionaron 5 posiciones; la línea tiene 20 centímetros de longitud, por lo que cada posición es de 2, 6, 10, 14 y 18 cm con respecto a una PMT.

A partir de ensayos anteriores, se evaluó la magnitud de cada medición TDC. Como primera selección, todos los datos que mintieron lejos de esta magnitud se desecharon, y se calculó la media. Una selección más hecho por considerar un intervalo en torno a los datos medios calculados antes, y los datos fuera de este intervalo fue DISCArded. De esta manera, la señal de ruido estaba bajo control.

Vale la pena decir que sólo se necesita 2 min para localizar la fuente radiactiva con una excelente eficiencia (ver resultados). Sin embargo, cuando el tiempo se reduce 2 a 1 min o incluso 30 seg, la eficiencia de la localización de la fuente disminuye. Por el momento, este sistema PET consta de cuatro detectores, pero es posible aumentar el número de detectores para mejorar la eficiencia y la resolución espacial. Sin embargo, con este prototipo, el objetivo principal de este trabajo se cumplió 9, 10.

La principal ventaja de esta configuración es que fue construido con dispositivos electrónicos comunes a cualquier laboratorio dedicado a la instrumentación en algunas áreas como la física de altas energías. Cuando algunos de estos dispositivos ya están presentes en el laboratorio no es demasiado difícil o costoso para completar el conjunto experimental todo para arriba. Como se mencionó antes, con este sistema PET profesores y los estudiantes tienen la possibility para comprender las propiedades básicas de la localización de una fuente radiactiva en el espacio, que es la característica básica de trabajo PET. En el futuro, se puede mejorar muchos de los diferentes elementos de este sistema, y ​​aplicarlo, no sólo para académico, sino también para fines de investigación.

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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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  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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