Un Positron Emission Tomography di base del sistema Costruito per individuare una sorgente radioattiva in uno spazio bidimensionale

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 prototipo semplice Positron Emission Tomography (PET) è stato costruito per caratterizzare completamente i principi di lavoro di base. Il prototipo PET è stato creato con l'accoppiamento di cristalli scintillatori plastici per fotomoltiplicatori o PMT che sono collocati in posizioni contrapposte di rilevare due raggi gamma emessi da una sorgente radioattiva, di che si trova nel centro geometrico della PET set-up. Il prototipo è costituito da quattro rivelatori posti geometricamente in un cerchio di diametro 20 cm, e una sorgente radioattiva nel centro. Spostando i centimetri sorgenti radioattive dal centro un sistema in grado di rilevare lo spostamento misurando il tempo di volo differenza tra due PMT e, con queste informazioni, il sistema può calcolare la posizione virtuale in un'interfaccia grafica. In questo modo, il prototipo riproduce i principi fondamentali di un sistema PET. È in grado di determinare la posizione reale della sorgente con intervalli di 4 cm in 2 linee di deprotezione prendendo meno di 2 min.

Positron Emission Tomography è una tecnica di imaging non invasiva utilizzata per ottenere immagini digitali dei tessuti interni e gli organi del corpo. Esistono varie tecniche non invasive che permettono di ottenere immagini e le informazioni sui meccanismi interni di un paziente, come computer tomografia assiale (TAC) e la risonanza magnetica (MRI). Entrambi danno buona risoluzione spaziale e vengono inoltre utilizzati per applicazioni in studi anatomici e fisiologici. Sebbene relativamente PET dà meno risoluzione spaziale, che fornisce ulteriori informazioni riguardanti il ​​metabolismo si verificano nella zona di interesse. PET è ampiamente utilizzato per ottenere informazioni funzionali e morfologiche; le sue principali applicazioni cliniche sono nel campo della oncologia, neurologia e cardiologia. Inoltre, le immagini PET possono aiutare i medici danno le diagnosi migliori, ad esempio, stabilire la pianificazione del trattamento del tumore.

Il principio di funzionamento di base dei sistemi PET è l'individuazione di due photonnellate o raggi gamma provenienti da una coppia elettrone-annichilazione di positroni, sia volando in direzioni opposte verso i rivelatori, che comunemente costituiti da cristalli scintillatori accoppiati con PMT. I cristalli scintillatori trasformano radiazioni gamma in luce visibile, che viaggia ad una PMT che converte il segnale luminoso in un impulso elettrico attraverso un processo fotoelettrico. All'interno dei dispositivi elettronici PMT denominati dinodi sono presenti, che aumentano la grandezza della carica elettrica prima di inviarlo ad un sistema di lettura-out. Questi due fotoni rilevati sono stati creati quando un positrone (caricato positivamente elettroni) emessa da un fluido isotopo, che è stato iniettato nel sangue del corpo, annichila con un elettrone nel corpo. Il sistema misura lette nel caso il tempo di arrivo dei fotoni due back-to-back rispetto ad un riferimento temporale e ulteriormente substrati entrambe le volte per ottenere la differenza. Il sistema utilizza questa differenza di tempo per calcolare le posizioni wh spazioere la sorgente di radiazione emessa entrambi i fotoni, e quindi dove è avvenuto l'annichilazione elettrone-positrone.

Alcune caratteristiche dei sistemi PET devono essere definite per ottimizzare la qualità dell'immagine e per aumentare la risoluzione spaziale e temporale. Una caratteristica da considerare è la linea di risposta (LOR), definita come la distanza che i due fotoni viaggiano dopo il processo di annientamento. Un'altra caratteristica da considerare è il Time of Flight (TOF). La qualità delle immagini dipende anche caratteristiche esterne, soprattutto gli organi corporei e movimenti del paziente durante il trattamento ^1. Gli isotopi utilizzati nei sistemi PET sono detti emettitori beta +. Questi isotopi hanno una breve emivita (dell'ordine di secondi). Sono prodotti in acceleratori di particelle (Ciclotroni) quando elementi stabili sono bombardati con protoni o deutoni provocando reazioni nucleari. Tali reazioni trasformano gli elementi stabili in isotopi instabili come C-11, N-13, O-15, F-18, tra gli altri^2.

Ci sono due tipi di PET. (1) convenzionale: questo utilizza le informazioni TOF solo per identificare la linea lungo la quale si è verificata la distruzione, ma è in grado di determinare il luogo di origine dei due fotoni. Si richiede ulteriori algoritmi di ricostruzione analitica o iterativo di stimare questo. (2) TOF PET: utilizza la differenza TOF per individuare la posizione annichilazione del positrone emesso. La risoluzione temporale è utilizzato nell'algoritmo di ricostruzione come kernel per una funzione di probabilità di localizzazione ^3.

L'obiettivo principale è quello di dimostrare le funzioni primarie di PET, che viene utilizzato per localizzare una sorgente di radiazione nello spazio. Lo scopo principale del set sistema PET proposto è quello di fornire una guida alla costruzione PET di base per il pubblico accademico, e di spiegare, in modo semplice, le proprietà principali.

1. Preparazione del Setup PET

1. Preparare la PMT accoppiato con pezzi di scintillatore plastico. A seconda del tipo di PMT (dimensione, forma del fotocatodo) costruire un adeguato piece scintillatore per adattarsi con fotocatodo del PMT.
   1. Avvolgere i pezzi scintillatore con un nastro nero. Lascia un lato scoperto, in quanto sarà accoppiato con l'ingresso della luce PMT.
      NOTA: È importante che questi pezzi sono precedentemente lucidati per evitare perdite di accumulo di luce.
2. Pulire l'ingresso luce PMT con alcool (concentrazione di alcol commerciale del 70%), quindi ingrassare ottica ad esso e il viso scoperto del scintillatore. Accoppiato il volto PMT con lo scintillatore e avvolgerli con nastro adesivo più nero.
   1. Collegare PMT alla tensione sorgente (un cavo è incluso per ogni PMT, in questo caso di polarizzazione 14 di polarizzazione V e 0,5 V per il controllo della tensione). Identificare i segnali provenienti dal PMT collegando laCavo di segnale PMT ad un canale oscilloscopio digitale standard (un cavo di segnale è incluso anche per ogni PMT). Osservare le variazioni di ampiezza dei segnali quando accendere / spegnere la luce in laboratorio, per verificare non vi siano perdite di luce. Ripetere questo passaggio per ciascuno dei quattro rivelatori, dove un rivelatore significa scintillatore più PMT.
3. Costruire un sistema caso posizionando la parte scintillatore di un rivelatore di sopra della parte corrispondente altro rivelatore. Metti due NIM (modulo Strumento nucleare) strumenti chiamati moduli discriminatore e unità logica in una cassa NIM.
4. Collegare i segnali di uscita dai rivelatori agli ingressi di un modulo discriminatore. Utilizzare una unità logica in modalità AND, selezionando questo caso la logica nel pannello frontale dell'unità logica. Collegare le due uscite discriminatore degli ingressi unità logica.
   NOTA: E è un'operazione logica che seleziona quando due segnali quadrati arrivano allo stesso tempo o in coincidenza.
5. Connect il segnale di unità logica di uscita in un modulo scaler (che conta segnali digitali) per contare gli eventi (creato dai raggi cosmici che colpiscono in coincidenza entrambi i rivelatori).

2. Acquisizione del segnale con PET

1. Inserite entrambi i rivelatori negli angoli opposti della zona di piazza definita prima, in modo che uno di fronte all'altro, e sono 20 cm di distanza, e fare lo stesso esercizio come 1.4 e 1.5, ma questa volta, invece di utilizzare i raggi cosmici (raggi cosmici servito come una sorgente radioattiva naturale provvisorio), utilizzare la sorgente di radiazione Na-22.
   1. Posizionare la sorgente radioattiva in una distanza di mezzo tra i due rilevatori e rendere l'acquisizione dei dati attraverso il modulo scaler. Il sistema allestimento e la disposizione schematica del blocco logico utilizzato per ottenere una coincidenza può essere visto nelle figure 1, 2, e 3.
2. Misurare la differenza di tempo dei segnali provenienti collegando le due uscite di discriminare PMT e lauscita coincidenza dell'oscilloscopio. Ciascuno dei tre segnali passa ad un ingresso oscilloscopio; ci saranno tre segnali quadrati schermo dell'oscilloscopio. Con la scala orizzontale (scala del tempo) di misurare la differenza di tempo dei due segnali discriminare.
   NOTA: Quando la sorgente radioattiva è direttamente nel mezzo tra due sensori ci sarà poca o nessuna separazione o differenza di tempo tra la piazza discriminare segnali in media, e quando la sorgente radioattiva è fuori centro e vicino ad uno dei PMT poi ci sarà differenza di tempo in media.
3. Inviare questi segnali di temporizzazione a uno degli otto canali del CAMAC (Computer Automated misurazione e controllo) TDC (Time to Digital Converter) Modulo. Per fare ciò, collegare l'uscita della logica e all'ingresso TDC chiamano "Start", quindi collegare il rilevatore discrimina uscite agli ingressi TDC che sono chiamati "STOP". AND segnale deve essere ritardato attraverso un ritardo Module da alcuni nanosecondi Affinché questo segnale per arrivare prima degli altri due segnali di arresto (vedere Figura 4).
4. Calibrare le TDC conteggio unità vs tempo indicate per il oscilloscopio attraverso un programma software (vedere i passi nella Sezione 3). Eseguire questa calibrazione utilizzando la distanza di separazione tra la sorgente radioattiva e uno dei rivelatori, misurando la differenza di tempo medio (passo 2.3) di ogni posizione. Stabilire una comunicazione software tra i diversi moduli e il computer mediante un bus standard GPIB (General Purpose strumentazione Bus) per fare questo la calibrazione.

3. Costruire il virtuale Instrument

1. Scaricare e utilizzare un software LabView o qualsiasi altro software simile.
   NOTA: Per lavorare con LabVIEW, è necessario avere una certa conoscenza del "linguaggio di programmazione G". In questo linguaggio, nessun codice deve essere scritto, e tutte le azioni eseguite può essere fatto da uno strumento software pallidotte. Una guida semplice con esempi pratici si possono trovare nello strumento di aiuto.
2. Selezionare l'utilità di matrice dalla tavolozza degli strumenti del pannello anteriore (variabili di programmazione container) per salvare i dati di output TDC.
   NOTA: Il "lato anteriore" è l'interfaccia grafica dello strumento virtuale per l'utente e il "diagramma a blocchi" viene utilizzato per la programmazione software.
3. Tracciare la acquisizione dati (dati di tempo da TDC) selezionando uno strumento logica dal menu trame. Identificare i dati trame relativi ad ogni posizione della sorgente. A tale scopo, variando la distanza di sorgente dalla linea rivelatori da alcuni centimetri.
4. Prendere la media dei dati utilizzando le funzioni statistiche (media) dal menu di strumento matematico, e scegliete un intervallo di valori centrati nel mezzo. Quindi, secondo la programmazione logica seguita, utilizzare gli strumenti necessari dal menu matrice per rimuovere tutti i dati con valori al di fuori di questo intervallo.
5. Selezionare gli indicatori di the tavolozza degli strumenti schema a blocchi per mostrare il numero di dati memorizzati in ogni matrice e identificare alcuni contenitori con il maggior numero di dati memorizzati.
6. Prendi la media dei dati di ogni matrice selezionato nella fase 3.5 e utilizzare queste informazioni per stabilire una serie di valori di intervalli di tempo per ogni posizione di origine utilizzando per questo la tavolozza degli strumenti schema a blocchi LabView.
7. Selezionare una serie di indicatori dalla tavolozza degli strumenti pannello anteriore per memorizzare la media ottenuta nella fase 3.6 per una sequenza di misure.
8. Selezionare una struttura caso dalla tavolozza degli strumenti schema a blocchi di mettere in relazione ogni posizione con il rispettivo intervallo dal punto 3.7, e di associare ogni intervallo di un LED in un array dalla tavolozza degli strumenti pannello frontale virtuale.
9. Si noti il tempo di ciascun segnale necessario per arrivare ai canali TDC: quando la sorgente radioattiva viene spostato dal centro più vicino a un rivelatore, osserva un movimento della sorgente virtuale nell'array programmazione dei LED (vedere Figura 5 ) spostandosi verso destra nel computer.
10. Includere un controllo (elemento di programmazione variabile) dalla tavolozza degli strumenti del pannello anteriore per l'acquisizione tempo totale.
    NOTA: L'efficienza del posizionamento dipenderà questo strumento tempo di controllo: più tempo di acquisizione per l'oggetto più precisamente virtuale simulando la fonte radioattiva darà la posizione corretta.

4. Risultati grafici

1. Per la calibrazione, posizionare la sorgente in qualsiasi posizione intermedia rispetto a una delle coppie accoppiati di rivelatori. Prendere le misure per 30 min, e con i dati acquisiti, prendere la media dei valori accumulati ogni 2 min. Ripetere questo processo per le posizioni di origine diversa e tracciare il valore medio per ogni rivelatore in tutte le posizioni (vedi figure 6 e 7). Le differenze dei valori rivelatori sono riportati nella Figura 8.
2. Per ottenere una migliore resuLTS, selezionare due rivelatori aventi valori di dati simili per formare una coppia. Per verificare questa, mettere la tensione di controllo PMT al suo valore più basso, in questo caso 0,5 V. Avvio misurando il numero degli eventi rilevati con il modulo incrostante per un tempo fisso collegando l'uscita del rivelatore all'ingresso ablatore. Aumentare la tensione di 0.01 V e misurare di nuovo. Ripetere questo processo per raggiungere il valore massimo controllo possibile, in questo caso 0,9 V.
   1. Tracciare il numero di eventi rilevati rispetto alla tensione di controllo a scale logaritmiche semi (vedere Figura 9). Coppia le coppie di rilevatori che hanno distribuzioni simili.
3. Per testare la sensibilità del sistema, posizionare la sorgente radioattiva in alcune posizioni intermedie uguali spaziatura lungo le linee, in questo caso ci sono cinque. Acquisire dati per 5 minuti in ciascuna posizione, e tracciare la media e la mediana dei valori ottenuti per ogni rivelatore in modo indipendente (vedi figure 10 e 11).

Due principali risultati si ottengono con questo sistema PET. Primo: una sincronizzazione efficace tra effetti visivi della sorgente radioattiva virtuale quando muove il campione radioattivo reale. Con questo programma, gli utenti hanno il controllo del tempo di acquisizione, il numero di ripetizioni nella stessa posizione, la variazione dell'intervallo intorno alla acquisizione dati significano, tra gli altri. Secondo: la costruzione di una struttura semplice logica di coincidenza per ottenere la differenza di tempo tra due segnali, convertendo tale differenza di tempo di distanza per calcolare la posizione finale della sorgente.

In una linea di rilevamento, è sufficiente utilizzare solo un modulo logico 'E', per discriminare il segnale proveniente da una coincidenza o rumore esterno. In questo caso ci sono due linee di rivelazione che entrambi richiedono i loro moduli logici. Se il numero di rivelatori aumenta, è necessario includereun'altra linea di rilevamento e comprendono anche "OR" moduli (vedi figura 3).

Un'altra caratteristica di prendere in considerazione è il confronto tra il sistema TOF PET e il sistema PET convenzionale trova in tutte le posizioni ogni 5 min. Figure 6 e 7 mostrano la risposta del sistema misurata per una coppia di rivelatori per posizioni diverse. Per ciascuna posizione della sorgente, vi è un grafico della risposta TDC. Per ogni serie di misurazioni, comportamento lineare è previsto, e permette di stabilire una relazione tra la posizione e il tempo. Anche se vi sono variazioni o sovrapposizioni, vi è un miglioramento della stabilità finché il tempo di acquisizione aumenta.

Le figure 10 e 11 mostrano i vantaggi quando prende la differenza della media dei dati accumulati per ottenere una migliore calibrazione del sistema. Utilizzando la media, i risultati diventano più stabili, e la separazione delle unità TDC aumenta dando un migliore posizionamento della fonte radioattiva virtuale. Il nostro risultato finale si ottiene ripetendo 30 misure entro 2 min. Per distinguere le due linee di acquisizione, sono stati chiamati linee ij e EF. Per la linea di ij acquisizione, un rendimento medio di circa il 90% si trova, mentre la linea di ef ha raggiunto circa l'87%. Per tutto il sistema, l'efficienza ottenuto era di circa 85%.

Figura 1. Disporre di PMT. Viene mostrato un bidimensionale set-up di 4 PMT. Ogni PMT è posizionato a 10 cm dal centro geometrico. Nel centro dell'immagine, il Na-22 radioisotopi produce una coppia di back-to-back fotoni. Rilevando questi fotoni in coincidenza, la fonte radioattiva può essere individuato.72 / 52272fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2. moduli Detection System. NIM utilizzati per ottenere la posizione del segnale della sorgente radioattiva, compresi discriminatore, ritardi moduli e unità logiche. Sotto di loro si trovano una cassa CAMAC con il modulo TDC e controllo GPIB. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3. blocco logico. In questo schema sono mostrati quattro fotomoltiplicatori, denominata i, j, E e F, collegata a quattro 'OR' moduli che sono collegati a un 'E' modulo comune. Il funzionamento è semplice: quando un segnale è sent da uno dei PMT, 3 del "OR" moduli inviano un segnale, ma questo non è sufficiente per le esigenze di funzionamento del "AND" modulo, e solo si verifica quando più di un PMT invia un segnale (cioè, c'era una coincidenza). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4. schema di sistema. In alto a destra il radioisotopo è posto tra i fotomoltiplicatori, che inviano un segnale al discriminatore che converte dal segnale da analogico a un impulso digitale. L'impulso passa attraverso il blocco logico. Lo stesso segnale viene inviato ai moduli di ritardo, al fine di misurare la differenza di tempo. Fare click qui per visualizzareuna versione più grande di questa figura.

Figura 5. Interfaccia software costituito da una matrice di LED che simula la posizione della sorgente radioattiva. Quando il programma termina l'acquisizione, un LED è acceso per indicare la posizione della sorgente. Nella parte superiore dell'immagine ci sono altri tipi di LED che rappresentano le linee di emissione. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6. Calibrazione con PMT chiamato i. Misurazioni consecutive sono state eseguite e la media dei dati accumulati stata scattata. Ogni misura è durata 2 min. Ogni corresp colorecondi per ogni posizione tra i due rivelatori. Dopo qualche tempo, una separazione ben definita di segnale è stato ottenuto, il che significa che la posizione della sorgente è ben nota. Fare click qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7. Calibrazione con PMT chiamato j. Questo grafico come il precedente mostra la media della PMT j. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 8. Calibrazione utilizzando la differenza tra la media dei dati accumulati. Ogni colore corrisponde a una position in linea di rivelazione. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 9. curva di Plateau. In questo grafico viene mostrata la curva 'plateau' per le diverse PMT. Qui la tensione di controllo varia da 0,5 a 0,9 V. La curva inizia a piegare circa 0,6 V; alcuni hanno curve ripide, corrispondente ad una maggiore stabilità; d'altra parte i valori di alcune curve, come linea di arance raggiungono valori più elevati. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 10. Risposta di accoppiamento. Here è indicata l'entità della media e mediana dal PMT e ed f, ponendo la posizione della sorgente radioattiva in cinque posizioni differenti lungo la linea di rilevamento. Le statistiche ottenute utilizzare i dati ottenuti in 5 min. La curva deve essere il più verticale possibile. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 11. Accoppiamento risposta. Qui l'informazione analogica, ma ora la seconda coppia di TMP i e j è mostrato. Una linea relativamente orizzontale si osserva, il che significa che la coppia PMT precedente è migliore, in termini di risoluzione spaziale. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Un aspetto importante di questo sistema è quello di avere un buon controllo sulla risoluzioni spaziali e temporali. La risoluzione spaziale del PET è limitata dalle caratteristiche fisiche del decadimento radioattivo e l'annientamento, ma anche da aspetti tecnici della registrazione coincidenza (passi 1.1 e 1.2) e da sorgenti esterne di errori, come il movimento dell'oggetto durante l'esame ^5. Così, la posizione esatta misurata dipende dalla differenza TOF (punto 2.4). Una tecnica per ottenere una buona risoluzione temporale è misurare la completa mezza larghezza massima (FWHM) della distribuzione di TOF ^6.

Ogni PMT è stato caratterizzato da ottenere la sua curva chiamata 'plateau' ^7,8. Questa curva rappresenta il numero di eventi rilevati dal PMT contro la tensione di controllo in una scala logaritmica semi. La porzione più piana corrisponde ad una zona di grande stabilità (vedere Figura 9). Un'altra caratteristica da into conto è la stabilità dei valori di tensione in questa zona plateau. In questo caso 0.82 V è stato utilizzato come tensione di controllo (fase 4.2).

Per scegliere il numero di posizioni intermedie tra ogni coppia di rivelatori un semplice test è stato effettuato consistente nella valutazione dell'efficienza su posizioni diverse. La fonte è stato posto in diverse posizioni tra i rilevatori e dati dava per 5 min (vedi figure 10 e 11). Per questo test, sono stati selezionati 5 posizioni; la linea ha 20 centimetri di longitudine, in modo che ogni posizione è 2, 6, 10, 14 e 18 cm l'una rispetto PMT.

Da prove precedenti, l'ampiezza di ciascuna misurazione TDC è stata valutata. Come una prima selezione, tutti i dati che mentivano lontano da questa portata sono stati scartati, e la media è stata calcolata. Una ulteriore selezione è stata fatta da prendere in considerazione un intervallo intorno ai valori medi, calcolati prima, e dati al di fuori di questo intervallo era DISCArded. In questo modo, il segnale di rumore è sotto controllo.

Vale la pena dire che solo 2 minuti è necessario per individuare la sorgente radioattiva con efficienza eccellente (vedi i risultati). Tuttavia, quando il tempo è ridotto da 2 a 1 min o 30 sec, l'efficienza di localizzare la sorgente diminuisce. Al momento, questo sistema PET consiste di quattro rivelatori, ma è possibile aumentare il numero di rivelatori per migliorare l'efficienza e la risoluzione spaziale. Tuttavia, con questo prototipo, l'obiettivo principale di questo lavoro è stato compiuto ^{9, 10.}

Il principale vantaggio di questa configurazione è che è stato costruito con dispositivi elettronici comuni a qualsiasi laboratorio dedicato alla strumentazione in alcuni settori quali la fisica ad alta energia. Quando alcuni di questi dispositivi sono già presenti in laboratorio non è troppo difficile o costoso da completare l'intero set up sperimentale. Come è stato detto prima, con questo sistema PET professori e studenti hanno la possibility per comprendere le proprietà di base di localizzare una sorgente radioattiva nello spazio, che è la caratteristica fondamentale di lavoro PET. In futuro, si può migliorare molti dei diversi elementi del sistema, e applicarlo, non solo per accademico ma anche per scopi di ricerca.

There are no competing financial interests.

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.