Transcript SympozjumNCBJ2013v2 - Narodowe Centrum Badań Jądrowych

Narodowe Centrum Badań Jądrowych
Departament Aparatury i Technik Jądrowych
Zakład Fizyki Detektorów
Optymalizacja Detektorów Scyntylacyjnych
dla Pozytonowej Tomografii Emisyjnej
z Czasem Przelotu
Tomasz Szczęśniak
Pozytonowa Tomografia Emisyjna
Celem tomografii PET jest zobrazowanie aktywności
funkcjonalnej żywego organizmu.
Ring detektorów
Rozpad b+
A
Z
X Z 1AY  e   e
Anihilacja pozytonu
Radiofarmaceutyk
18F
Proces biologiczny
- FDG
Metabolizm glukozy
- FMISO
Niedobór tlenu w tkankach
18F
- Estradiol
Receptory
18F
- Annexin
Apoptoza (śmierć komórek)
- Fluorothymidine (FLT)
18F
18F
e  e    
11C
- Thymidine
Proliferacja (mnożenie się
komórek)
11C
- Verapamil
Oporność wielolekowa
11C
- Acetate
15O
28-06-2013
- H2O
Synteza membran
Unaczynienie / Przepływ krwi
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
2
Przykładowy obraz PET
Zwiększona absorpcja
FDG po tracheotomii z
powodu zwiększenia
metabolizmu i stanów
zapalnych związanych z
naprawą tkanek.
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
3
Możliwe usprawnienia PET
Podniesienie aktywności radiofarmaceutyka
•
•
zwiększenie narażenie pacjenta na promieniowanie
w wielu ośrodkach medycznych używa się już maksymalnych dopuszczalnych dawek
Wydłużenie czasu skanowania
•
•
•
negatywny wpływ na stan psychiczny pacjenta
trudność w utrzymaniu stabilnej pozycji pacjenta w badaniach PET i CT
obniżenie liczby badanych pacjentów i podniesienie kosztów
Bardziej wydajne scyntylatory
•
obecnie używane scyntylatory BGO (30mm) i LSO (40mm) zapewniają około 90%
wydajności detekcji kwantów gamma o energii 511 keV
Dodanie okna energetycznego na widmie Comptona
•
2-krotne podniesienie czułości układu, ale jednocześnie destrukcyjny wpływ
rozproszeń na rekonstrukcję obrazu
Zwiększenie kąta bryłowego – 3D PET
•
5-krotnie podniesienie czułości układu dla prawidłowych koincydencji, ale
jednocześnie 3 do 4 razy podniesiony poziom akceptacji dla zdarzeń rozproszonych
Dodanie informacji o czasie przelotu kwantów anihilacji
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
4
Czas przelotu w PET
x  t  c 2
28-06-2013
Problemy:
• Kwanty gamma podróżują „dość
szybko” ...tj. z prędkością światła
• Rozdzielczość przestrzenna PET
to około 5 mm
• Światło przebywa 5 mm w czasie
około 17 ps
• 5 mm wymaga detektorów o
rozdzielczości czasowej rzędu 30
ps
• Najlepsze dostępne obecnie
detektory PET mają
rozdzielczość czasową na
poziomie 500 ps
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
5
Zalety PET z czasem przelotu
500 ps to tylko 7.5 cm ale umożliwia:
• Znaczną redukcję szumu
statystycznego (D – średnica
badanego obiektu):
f 
D 2D

 x c t
• Redukcję liczby zdarzeń
przypadkowych
R  2R1 R2 T
T2
NECR 
T  S  2R
• Zmniejszenie rozmycia wzdłuż
osi prostopadłej do pierścieni
detektorów
• Jednoczesny pomiar kwantów
anihilacji (emisja) i współczynnika
atenuacji (transmisja)
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
6
Przykłady obrazów PET i TOF PET
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
7
Detektor PET
Y
P1  P 2  P3  P 4
,
P1  P 2  P3  P 4
A
28-06-2013
Block-Detektor:
• Matryca scyntylatorów
– kilkadziesiąt pikseli
(liczba i rozmiar zależą
od rodzaju scyntylatora,
64 dla BGO, 169 dla
LSO)
P 2  P 4  P1  P3 •
Odczyt światła za
X
P1  P 2  P3  P 4
pomocą kilku
B
fotodetektorów
(najczęściej 4
fotopowielaczy)
• Punkt detekcji określony
dzięki logice Anger
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
8
Scyntylatory dla detektorów PET
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
9
Fotopowielacz
Rys. 2. Układ doświadczalny do pomiarów czasowej zdolności rozdzielczej.
Rys. 1. Budowa fotopowielacza na podstawie Philips 56AVP.
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
10
Fotopowielacze XP20D0 i R5320
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
11
Odczyt światła z dwóch PMT
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
12
Detektor z kryształem monolitycznym
Pomiary wykonane z kryształem 20x20x20 mm LYSO
Pomiary wykonane z kryształem 10x10x5 mm LSO
Otrzymane wyniki eksperymentalne
pokazują że kryształ monolityczny nie jest
rozwiązaniem lepszym od scyntylatora
pikselowanego.
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
13
Porównanie własności czasowych
fotopowielaczy
Normalizacja: T  t N / r 103
t – zmierzona rozdzielczość czasowa,
N – liczba fotoelektronów,
r – rozrzut wzmocnienia fotopowielacza
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
14
Scyntylatory LSO domieszkowane Ca
Przetestowano 5 próbek LSO (Lu2SiO5:Ce)
z różnym domieszkowaniem Ca
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
15
Scyntylatory LSO domieszkowane Ca
•
•
Wszystkie próbki domieszkowane Ca wykazały
poprawę czasowej zdolności rozdzielczej
Optymalnym wydaje się domieszkowanie na
poziomie 0.1 % z uwagi na liczbę emitowanych
fotonów oraz energetyczną i czasową zdolność
rozdzielczą
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
16
Fotopowielacz krzemowy
Fotopowielacz krzemowy
[Silicon Photomultiplier (SiPM),
Multi-Pixel Photon Counter (MPPC)]
• fotodetektor składający się z macierzy diod APD
(subpikseli) działających w modzie Geigera
(„binarnym” – sygnał / brak sygnału)
• każdy subpiksel generuje sygnał w odpowiedzi na 1
foton
• suma sygnałów wszystkich subpikseli z całej
macierzy jest sygnałem wyjściowym SiPM
Cechy: wzmocnienie 10^5 – 10^6, niewrażliwość na
pole magnetyczne, czułość na pojedyncze fotony,
napięcie zasilania < 100V, małe rozmiary
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
17
Czasowa zdolność rozdzielcza MPPC
Doświadczenia wykonano z LSO i LFS
i Hamamatsu MPPC S10362-33-050C
Wydajność detekcji fotonów:
PDE  QE  FF  THR
Przy odpowiednim doborze elektroniki
fotopowielacze krzemowe mogą stanowić
konkurencję dla klasycznych fotopowielaczy
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
18
Podsumowanie
•
•
•
•
•
•
•
•
Otrzymana czasowa zdolność rozdzielcza na poziomie 170 ps dla LSO i XP20D0 pokazuje,
że tego typu detektor to realistyczna propozycja dla TOF PET.
Etapy optymalizacji przedstawione w pracy są zgodne z przewidywaniami teoretycznymi
Hymana i zbliżają się do wartości granicznych.
Pokazano, że w przypadku LSO, liczba fotoelektronów wygenerowanych w detektorze ma
kluczową rolę dla właściwości czasowych i jest ważniejsza od wewnętrznej czasowej
zdolności rozdzielczej fotodetektora (time jitter).
Wyniki uzyskane z odczytem światła za pomocą kilku fotodetektorów pokazały możliwą do
uzyskania poprawę czasowej zdolności rozdzielczej pikselowanego detektora LSO.
Wyniki otrzymane z kryształem monolitycznym i pozycyjnie czułym fotopowielaczem nie
pokazały wyższości tego rodzaju konstrukcji nad detektorem pikselowym.
Wprowadzony wykres zależności znormalizowanej czasowej zdolności rozdzielczej od time
jitter pozwala na porównanie czasowych właściwości różnych detektorów.
Doświadczenia wykonane z kryształami LSO domieszkowanymi Ca pokazały, że tego
rodzaju modyfikacja prowadzi do poprawy własności czasowych tych scyntylatorów
Pomiary czasowej zdolności rozdzielczej z fotopowielaczem krzemowym sugerują, że jest to
detektor, który z powodzeniem może zastąpić klasyczne fotopowielacze w modułach TOFPET
28-06-2013
Optymalizacja detektorów dla TOF PET
19