Un Positron Emission Tomography Basic System Construit pour localiser une source radioactive dans un espace bidimensionnel

We present a simple but well-constructed Positron Emission Tomography (PET) system and elucidate its basic working principles. The goal of this protocol is to guide the user in constructing and testing a simple PET system.

Un simple prototype de tomographie par émission de positons (TEP) a été construit pour caractériser pleinement ses principes de base de travail. Le prototype PET a été créé en couplant cristaux scintillateurs en plastique pour photomultiplicateurs ou PMT qui sont placés à des positions opposées à détecter deux rayons gamma émis par une source radioactive, qui est placé dans le centre géométrique de la PET set-up. Le prototype se compose de quatre détecteurs placés géométriquement dans un cercle de 20 cm de diamètre, et une source radioactive dans le centre. En déplaçant les centimètres de sources radioactives à partir du centre d'une de système est capable de détecter le déplacement en mesurant la différence de temps de vol entre deux PMT de et, avec cette information, le système peut calculer la position virtuelle dans une interface graphique. De cette façon, le prototype reproduit les grands principes d'un système de PET. Il est capable de déterminer la position réelle de la source avec des intervalles de 4 cm à 2 lignes de deprotection en prenant moins de 2 min.

Positron Emission Tomography est une technique d'imagerie non invasive utilisé pour obtenir des images numériques des tissus et des organes internes du corps. Diverses techniques non invasives existent qui permettent d'obtenir des images et des informations sur le fonctionnement interne d'un patient telles que la tomographie axiale (TAC) et l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Tous les deux donnent une bonne résolution spatiale et sont en outre utilisés pour des applications dans les études anatomiques et physiologiques. Bien que relativement PET donne une résolution spatiale inférieure, il fournit plus d'informations concernant le métabolisme se produisant dans la zone d'intérêt. PET est largement utilisé pour obtenir des informations morphologiques et fonctionnelles; ses principales applications cliniques sont dans les domaines de l'oncologie, de la neurologie et de la cardiologie. Aussi, les images de PET peuvent aider les médecins donnent de meilleurs diagnostics, par exemple, mettre en place la planification du traitement de la tumeur.

Le principe de fonctionnement de base des systèmes de PET est la détection de deux photonnes ou de rayons gamma provenant d'une paire d'annihilation de positrons-électrons, à la fois en vol dans des directions opposées vers les détecteurs, qui se composent généralement de cristaux scintillateurs couplées avec PMT. Les cristaux scintillateurs transforment le rayonnement gamma en lumière visible, qui se déplace à une PMT qui convertit le signal lumineux à une impulsion électrique par l'intermédiaire d'un processus photoélectrique. A l'intérieur des appareils électroniques PMT appelés dynodes sont présents, ce qui augmente l'ampleur de la charge électrique avant de l'envoyer à un système de lecture. Ces deux photons détectés ont été créés quand un positron (électrons chargé positivement) émise par un isotope de fluide, qui a été injecté dans la circulation sanguine du corps, annihile avec un électron dans le corps. Les mesures de système de lecture en coïncidence l'heure d'arrivée des deux photons back-to-back par rapport à une référence de temps et de plus, il substrats deux fois pour obtenir la différence. Le système utilise cette différence de temps pour calculer les wh de position de l'espaceavant que la source de rayonnement émet deux photons, et donc où l'annihilation de positrons-électrons est produite.

Certaines caractéristiques des systèmes de PET doivent être définies pour optimiser la qualité de l'image et pour augmenter la résolution spatiale et temporelle. Une caractéristique à considérer est la ligne de réponse (LOR), définie comme la distance que les deux photons voyagent après le processus d'annihilation. Une autre caractéristique à considérer est le temps de vol (TOF). La qualité des images dépend aussi de caractéristiques externes, principalement les organes du corps et les mouvements du patient pendant la session de traitement ^1. Les isotopes utilisés dans les systèmes de PET sont appelés émetteurs bêta +. Ces isotopes ont une demi-vie courte (de l'ordre de quelques secondes). Elles sont produites dans les accélérateurs de particules (cyclotrons) lorsque des éléments stables sont bombardés avec des protons ou des deutérons causant des réactions nucléaires. De telles réactions transforment les éléments stables en isotopes instables, tels que C-11, N-13, O-15, F-18, entre autres^2.

Il existe deux types de PET. (1) conventionnelle: elle utilise les informations TOF seulement d'identifier la ligne le long de laquelle est survenu l'anéantissement, mais il est incapable de déterminer le lieu d'origine des deux photons. Il nécessite des algorithmes de reconstruction analytique ou itérative supplémentaires pour estimer cela. (2) TOF PET: utilise la différence de TOF de localiser la position de l'annihilation du positron émis. La résolution temporelle est utilisée dans l'algorithme de reconstruction en tant que noyau d'une fonction de probabilité localisation ^3.

Notre objectif principal est de démontrer les fonctions primaires de PET, qui est utilisé pour localiser une source de rayonnement dans l'espace. Le champ principal de l'ensemble du système PET proposé ici est de fournir un guide de construction de PET de base pour le public scolaire, et d'expliquer, d'une manière simple, ses principales propriétés.

1. Préparation de la configuration PET

1. Préparer le PMT couplé avec des morceaux de scintillateur plastique. Selon le type de PMT (taille, la forme de la photocathode) construire une pièce de scintillateur suffisante pour répondre à la photocathode du PMT.
   1. Envelopper les morceaux de scintillateur avec un ruban noir. Laisser un côté à découvert, comme il sera couplé à l'entrée de la lumière de PMT.
      NOTE: Il est important que ces pièces sont préalablement poli pour éviter les pertes d'accumulation de lumière.
2. Nettoyer l'entrée de la lumière de PMT avec de l'alcool (concentration d'alcool commercial de 70%), puis appliquer de la graisse optique et le visage découvert du scintillateur. Couplé avec le visage PMT le scintillateur et les envelopper avec plus de ruban adhésif noir.
   1. Connectez le PMT à la tension de source (un câble est inclus pour chaque PMT, dans ce cas 14 biais de polarisation V et 0,5 V pour le contrôle de la tension). Identifier les signaux provenant de la PMT en connectant leCâble de signal de PMT à un canal de l'oscilloscope numérique standard (un câble de signal est également inclus pour chaque PMT). Observer les variations d'amplitude des signaux lorsque vous allumez / éteindre la lumière dans le laboratoire, afin de vérifier qu'il n'y a pas les pertes de lumière. Répétez cette étape pour chacun des quatre détecteurs, où un détecteur scintillateur signifie plus de PMT.
3. Construire un système de coïncidence en plaçant la partie de scintillateur d'un détecteur dessus de la partie correspondante d'un autre détecteur. Mettez deux NIM (Instrument Module nucléaire) instruments appelés modules discriminateurs et unité logique dans une caisse NIM.
4. Raccorder les signaux de sortie provenant des détecteurs aux entrées d'un module discriminateur. Utilisez une unité logique dans le mode ET, en sélectionnant ce cas logique dans le panneau avant de l'unité logique. Reliez les deux sorties discriminantes dans les entrées de l'unité logique.
   NOTE: ET est une opération logique qui sélectionne lorsque deux signaux carrés arrivent en même temps ou en coïncidence.
5. Connect le signal d'unité logique de sortie dans un module de mise à l'échelle (qui compte des signaux numériques) pour compter les événements (créé par les rayons cosmiques frappent en coïncidence deux détecteurs).

2. Acquisition de signaux avec PET

1. Placez les deux détecteurs dans les coins opposés de la zone carré défini avant, donc ils font face à l'autre, et sont espacés de 20 cm, et de faire le même exercice que 1.4 et 1.5, mais cette fois, au lieu d'utiliser des rayons cosmiques (les rayons cosmiques ont servi une source radioactive naturelle provisoire), utilisez la source de rayonnement Na-22.
   1. Placez la source radioactive dans une distance moyenne entre les deux détecteurs et de faire l'acquisition de données via le module de mise à l'échelle. Le système mis en place et l'agencement schématique du bloc logique utilisée pour obtenir une coïncidence peut être vu dans les figures 1, 2, et 3.
2. Mesurer la différence de temps des signaux arrivant en reliant les deux sorties et le PMT discriminationsortie de coïncidence dans l'oscilloscope. Chacun des trois signaux va à une entrée de l'oscilloscope; il y aura trois signaux carrés sur l'écran de l'oscilloscope. Avec l'échelle horizontale (échelle de temps) mesurer la différence de temps entre les deux signaux discrimination.
   REMARQUE: Lorsque la source radioactive est directement dans le milieu entre les deux détecteurs il y aura peu ou pas de différence de séparation ou de temps entre la place de discrimination des signaux en moyenne, et quand la source radioactive est en dehors du centre et à proximité de l'un des PMT puis il y aura différence de temps moyenne.
3. Envoyer ces signaux de synchronisation à l'un des huit canaux de la CAMAC (informatique automatisé mesure et de contrôle) TDC (Time to Digital Converter) module. Pour ce faire, connectez la sortie de la logique et à l'entrée TDC appeler "Démarrer" puis connecter le détecteur de discrimination sorties aux entrées TDC qui sont appelés "STOP". Le signal ET doit être retardé par un retard Module par quelques nanosecondes pour que ce signal pour arriver avant les deux autres signaux d'arrêt (voir Figure 4).
4. Calibrer les unités TDC comptage en fonction du temps indiquées par l'oscilloscope grâce à un programme de logiciel (voir les étapes de la section 3). Pour ce faire, l'étalonnage au moyen de la distance de séparation entre la source radioactive et de l'un des détecteurs, de mesure de la différence de temps moyenne (étape 2.3) de toutes les positions. Établir une communication logicielle entre les différents modules et l'ordinateur via un bus standard GPIB (General Purpose Instrumentation Bus) à faire cet étalonnage.

3. Construire l'interface Virtual Instrument

1. Télécharger et utiliser un logiciel LabView ou tout autre logiciel similaire.
   NOTE: Pour travailler avec Labview, il est nécessaire d'avoir une certaine connaissance de la «langue G de programmation". Dans cette langue, pas de code doit être écrit, et toutes les actions effectuées peut être fait à partir d'un outil logiciel pâleTTE. Un guide facile avec des exemples pratiques peut être trouvée dans l'outil d'aide.
2. Sélectionnez l'utilitaire de tableau à partir de l'avant palette d'outils du panneau (variables de programmation des conteneurs) pour enregistrer les données de sortie de TDC.
   REMARQUE: Le "panneau avant" est l'interface graphique de l'instrument virtuel pour l'utilisateur et le "schéma de principe" est utilisé pour la programmation de logiciels.
3. Tracer l'acquisition de données (données de temps de TDC) en sélectionnant un instrument logique dans le menu de parcelles. Identifier les données de terrains liés à chaque position de la source. Pour ce faire, en faisant varier la distance de la source à partir de la ligne des détecteurs par quelques centimètres.
4. Prendre la moyenne des données en utilisant les fonctions statistiques (moyennes) de l'outil de menu mathématique, et choisissez un intervalle de valeurs centrées dans la moyenne. Ensuite, selon la programmation logique suivie, utilisez les outils nécessaires à partir du menu de tableau à supprimer toutes les données avec des valeurs en dehors de cet intervalle.
5. Sélectionner des indicateurs de ee outil de schéma de palette pour afficher le nombre de données stockées dans chaque tableau, et identifier quelques conteneurs avec le plus grand nombre de données stockées.
6. Obtenez la moyenne des données dans chaque tableau sélectionné dans l'étape 3.5 et utiliser cette information pour établir un ensemble de valeurs intervalles de temps pour chaque position de la source à l'aide de ce bloc de LabView outil de schéma palette.
7. Sélectionner un ensemble d'indicateurs à partir de l'avant de la palette outil de panneau pour stocker la moyenne obtenue à l'étape 3.6 pour une séquence de mesures.
8. Sélectionnez une structure à partir de la palette d'outils du diagramme de cas de relier chaque position avec son intervalle respectif de l'étape 3.7, et d'associer à chaque intervalle virtuel LED dans un tableau de l'avant palette d'outils du panneau.
9. Remarquez le temps chaque signal pour arriver aux canaux TDC: lorsque la source radioactive est déplacée à partir du milieu plus proche d'un détecteur, d'observer un mouvement de la source virtuelle dans le tableau de programmation de LEDs (voir Figure 5 ) déplaçant vers la droite dans l'ordinateur.
10. Inclure un contrôle (élément de programmation variable) de la palette d'outils du panneau avant pour l'acquisition de temps total.
    NOTE: L'efficacité du positionnement dépendra de cet outil de temps de contrôle: plus le temps l'acquisition prend, le plus précisément l'objet virtuel simulant la source radioactive donnera la position correcte.

4. Résultats graphiques

1. À des fins d'étalonnage, placer la source en toute position intermédiaire par rapport à l'une des paires de détecteurs couplés. Prendre des mesures pour 30 min, et avec les données acquises, prendre la moyenne des valeurs accumulées toutes les 2 min. Répétez ce processus pour différentes positions de source et de tracer la valeur moyenne de chaque détecteur dans toutes les positions (voir les figures 6 et 7). Les différences de valeurs détecteurs sont représentés sur la figure 8.
2. Pour obtenir une meilleure resuLTS, sélectionnez deux détecteurs ayant des valeurs de données similaires pour former un couple. Pour tester cela, mettre la tension de commande de PMT à sa valeur inférieure, dans ce cas 0,5 V. Démarrer la mesure du nombre d'événements détectés avec le module de mise à l'échelle pour une période déterminée en reliant la sortie du détecteur à l'entrée de mise à l'échelle. Augmenter la tension de 0,01 V et mesurer à nouveau. Répétez ce processus pour atteindre la valeur maximale de contrôle possible, dans ce cas 0,9 V.
   1. Tracer le nombre d'événements détectés par rapport à la tension de commande dans les échelles logarithmiques demi (voir la figure 9). Couple les paires de détecteurs ayant des distributions similaires.
3. Pour tester la sensibilité du système, placer la source radioactive dans certains positions intermédiaires espacement égal le long des lignes, dans ce cas il ya cinq ans. Acquérir des données pendant 5 min dans chaque position, et tracer la moyenne et la médiane des valeurs obtenues pour chaque détecteur indépendamment (voir les figures 10 et 11).

Deux principaux résultats sont obtenus avec ce système PET. Première: une synchronisation efficace entre les effets visuels de la source radioactive virtuelle lors du déplacement de l'échantillon radioactif réel. Avec ce programme, l'utilisateur a le contrôle du temps d'acquisition, le nombre de répétitions dans la même position, la variation de l'intervalle autour de l'acquisition des données signifient, entre autres. Deuxièmement: la construction d'une structure simple de la logique de coïncidence d'obtenir la différence de temps entre les deux signaux, la conversion de cette différence de temps de la distance pour calculer la position finale de la source.

Dans une ligne de détection, il suffit d'utiliser uniquement un module logique 'ET', de discriminer le signal provenant d'un coïncidence ou le bruit externe. Dans ce cas, il ya deux lignes de détection qui exigent tous deux leurs modules logiques. Si le nombre de détecteurs augmente, il est nécessaire d'inclureune autre ligne de détection et comprennent également »ou« modules (voir Figure 3).

Une autre caractéristique à prendre en compte est la comparaison entre le système TOF PET et le système de PET classique situé dans toutes les positions toutes les 5 min. Figures 6 et 7 correspond à la réponse du système de mesure pour un couple de détecteurs de positions différentes. Pour chaque position de la source, il ya un terrain de la réponse TDC. Pour chaque série de mesures, le comportement linéaire est prévu, et permet d'établir une relation entre la position et l'heure. Même si il ya des variations ou de chevauchement, il ya une amélioration de la stabilité tant que les temps d'acquisition augmente.

Les figures 10 et 11 montrent les avantages en prenant la différence de la moyenne des données accumulées pour obtenir un meilleur calibrage de la système. Utilisation de la moyenne, les résultats deviennent plus stables, et la séparation des unités TDC augmentations donnant un meilleur positionnement de la source radioactive virtuel. Notre résultat final est obtenu en répétant les 30 mesures en 2 min. Pour distinguer les deux lignes d'acquisition, ils ont été appelés ij et ef lignes. Pour le ij ligne d'acquisition, une efficacité moyenne autour de 90% est trouvé, alors que la ligne ef atteint environ 87%. Pour l'ensemble du système, l'efficacité obtenue était d'environ 85%.

Figure 1. Disposer de PMT. Un set-up en deux dimensions de 4 PMT est affiché. Chaque PMT est positionnée 10 cm à partir du centre géométrique. Dans le centre de l'image, le Na-22 radio-isotope produit une paire de photons dos-à-dos. En détectant ces photons en coïncidence, la source radioactive peut être affichée.72 / 52272fig1large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2. Système de détection de modules. NIM utilisés pour obtenir la position du signal de la source radioactive, y compris discriminateur, des retards, des modules et des logiques unités. En dessous d'eux se trouvent un châssis CAMAC avec le module TDC et le contrôle GPIB. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3. Le bloc logique. Dans ce schéma quatre PMT sont présentés, nommé i, j, e et f, relié à quatre 'OU' modules qui sont connectés à un "ET" module commun. L'opération est simple: quand un signal est sent par l'un des PMT, 3 de la "OU" modules envoient un signal, mais cela ne suffit pas pour les besoins de fonctionnement du "ET" module, et ne se produit lorsque plus d'un PMT envoie un signal (par exemple, il y avait une coïncidence). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4. schéma de système. Dans le coin supérieur droit du radio-isotope est placé entre les PMT, qui envoient un signal au discriminateur qui convertit à partir du signal de l'analogique au numérique une impulsion. L'impulsion traverse ensuite le bloc logique. Le même signal est envoyé aux modules de retard, afin de mesurer la différence de temps. S'il vous plaît cliquez ici pour voirune version plus grande de cette figure.

Figure 5. L'interface du logiciel consistant en un réseau de diodes électroluminescentes qui simule la position de la source radioactive. Lorsque le programme se termine à l'acquisition, une LED est allumé pour indiquer la position de la source. En haut de l'image, il ya un autre type de LED représentant les lignes d'émission. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6. Calibrage utilisant le PMT appelé i. Des mesures consécutives ont été effectués et la moyenne des données accumulées ont été prises. Chaque mesure a duré 2 min. Chaque corresp couleurcondes à chaque position entre les détecteurs. Après un certain temps, une séparation bien définie de signal a été obtenu, ce qui signifie que la position de la source est bien connu. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7. Calibrage utilisant le PMT appelé j. Ce graphique que le précédent montre la moyenne de la PMT j. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 8. étalonnage en utilisant la différence entre la moyenne de données accumulées. Chaque couleur correspond à une position dans la ligne de détection. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 9. courbe de Plateau. Dans ce graphique, la courbe «plateau» pour différents PMT est affiché. Ici, la tension de commande varie en 0,5 à 0,9 V. La courbe commence à se plier autour de 0,6 V; certains ont des courbes plus raides, correspondant à une plus grande stabilité; d'autre part les valeurs de certaines courbes telles que la ligne oranges atteignent des valeurs plus élevées. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 10. réponse de couplage. Havant que l'amplitude de la moyenne et de la médiane de la PMT e et f, en plaçant la position de la source radioactive en cinq endroits différents le long de la ligne de détection est disponible. Les statistiques obtenues utilisent des données obtenues en 5 min. La courbe doit être aussi verticale que possible. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 11. de réponse de couplage. Voici de l'information analogique, mais maintenant pour le deuxième couple de PMT i et j est représenté. Une ligne horizontale relativement est observée, ce qui signifie que la paire de PMT précédente vaut mieux, en termes de résolution spatiale. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Un aspect important de ce système est d'avoir un très bon contrôle sur les résolutions spatiales et temporelles. La résolution spatiale de la TEP est limitée par les caractéristiques physiques de la désintégration radioactive et de l'anéantissement, mais aussi par des aspects techniques de l'enregistrement de coïncidence (étapes 1.1 et 1.2) et par des sources extérieures d'erreurs, telles que le mouvement de l'objet lors de l'examen ^5. Ainsi, la position exacte mesuré va dépendre de la différence de TOF (étape 2.4). Une technique pour obtenir une bonne résolution temporelle consiste à mesurer la largeur totale à mi-hauteur (FWHM) de la distribution de ^six TOF.

Chaque PMT a été caractérisée par l'obtention de sa courbe appelée «plateau» ^7,8. Cette courbe représente le nombre d'événements détectés par le PMT vs la tension de commande à une échelle semi logarithmique. La partie la plus plate correspond à une zone de grande stabilité (voir la figure 9). Une autre caractéristique de prendre into compte est la stabilité des valeurs de tension dans cette zone de plateau. Dans ce cas 0,82 V a été utilisé comme la tension de commande (étape 4.2).

Pour choisir le nombre de positions intermédiaires entre chaque paire de détecteurs d'un test simple a été faite consistant à évaluer l'efficacité sur différentes positions. La source a été placée à des endroits différents entre les détecteurs, et les données ont été prises pendant 5 minutes (voir les figures 10 et 11). Pour ce test, 5 positions ont été sélectionnés; la ligne a 20 cm de longueur, de sorte que chaque poste est en 2, 6, 10, 14 et 18 cm par rapport à une PMT.

De précédents tests, l'ampleur de chaque mesure TDC a été évaluée. Dans une première sélection, toutes les données qui ont menti loin de cette grandeur ont été rejetées, et la moyenne a été calculée. Une autre sélection a été effectuée par considérer un intervalle autour de la moyenne des données calculées précédemment, et des données en dehors de cet intervalle était DISCArded. De cette manière, le signal de bruit est sous contrôle.

Il vaut la peine de dire que seulement 2 min est nécessaire pour localiser la source radioactive avec un excellent rendement (voir les résultats). Néanmoins, lorsque le temps est réduit 2-1 min ou même de 30 secondes, l'efficacité de la localisation de la source diminue. À l'heure actuelle, ce système de PET se compose de quatre détecteurs, mais il est possible d'augmenter le nombre de détecteurs d'améliorer l'efficacité et la résolution spatiale. Cependant, avec ce prototype, l'objectif principal de ce travail a été accomplie ^{9, 10.}

Le principal avantage de cette configuration est qu'il a été construit avec des appareils électroniques communs à tout laboratoire dédié à l'instrumentation dans certains domaines tels que la physique des hautes énergies. Lorsque certains de ces dispositifs sont déjà présents dans le laboratoire, il est pas trop difficile ou coûteux pour compléter l'ensemble du dispositif expérimental en place. Comme il a été mentionné précédemment, avec ce système de PET professeurs et les étudiants ont le possibility de comprendre les propriétés de base de la localisation d'une source radioactive dans l'espace, qui est la caractéristique de base de travail PET. Dans l'avenir, on peut améliorer un grand nombre des différents éléments de ce système, et de l'appliquer, non seulement pour les universitaires, mais aussi à des fins de recherche.

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We are very grateful for the financial support of the Physics Department of CINVESTAV. We also want to thank our technician Marcos Fontaine Sanchez for his remarkable assistance with the set up. Thanks a lot to Sarah LaPointe for reviewing the English-language of this document.