Transcript Légrády Dávid

Pozitron Emissziós Tomográfia
- Fizika – Műszaki fejlődési irányok
Légrády Dávid
BME TTK NTI
2011. április 29
SE Biofizikai Intézet
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
1
PET - alapok
Pozitron annihilációból felszabaduló ellentétes
irányban haladó 511-keV-es Gamma fotonok
koincidenciában való detektálásán alapuló
diagnosztika.
• Miből lesz a pozitron?
• Hogyan detektálunk gamma fotont?
• Hogyan erősítünk nanoampert?
• Hogyan detektálunk koincidenciában?
• Hány detektor kell egyszerre?
• Hogyan lesz mérési adatból izotópeloszlás?
Leképező
módszer
UH
Xray
CT
gamma-kamera(SPECT)
PET
MRI
felbontás értéke (~)
(mm)
1
10-2 -10-3
10-1
>~6
>~4
10-1
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
2
A pozitron-bomlás
A mágikus számok: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126
Duplán mágikus izotópok, pl: 40Ca: 20 proton, 20 neutron
Nem mágikus izotóp: 40K (Z=19): 19 proton, 21 neutron –
bétabomlással 40Ca
páratlan-páratlan vs. Páros-páros: 40Ar (Z=18): 18 proton, 22 neutron
– de hogyan?
„p + e = n” (± neutrínó)
„p + e+ + e = n + e+ ” (± neutrínó)
Pozitron bomló izotóp a testünkben: 40K : 0.012% - 4200 Bq/70kg
Protonban dús magok előállítása : ciklotron
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
3
PET izotópok
Rövid felezési idejű pozitronbomló izotópok
• C-11 - 20.38 m,
• Cu-64 - 12.701 h
• F-18 - 109.74 min
• Ga-67 - 3.261 d
• N-13 - 9.97 min
• O-15 - 122.24 s
N-14 (p,alpha), B-11 (p,n)
Cu-63(n, g)Cu-64
O-18 (p,n) F-18
Zn-68(p,2n)Ga-67
O-16 (p,alpha)N-13, C12 (d,n) N-13,
N-14(d,n)O-15
F-18:
• fluor-dezoxi-glükóz (FDG)
• onkológia
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
4
Pozitron annihiláció detektálása
Pozitron Emisziós Tomográfia
Koincidencia detektálása
pozitron
vándorlás
annihiláció
2 annihilációs foton
(511keV)
koincidencia
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
5
PET mérőberendezések
Mini PET-I
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
ATOMKI
6
Pozíciófüggő gamma detektálás
Gamma fotonok detektálása
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
7
Koincidenciamérés és ToF-PET
Milyen gyors a fény?
30 cm /ns
t
t
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
8
ToF-PET
t
t
Koincidencia detektálása
Dt
Time-of-Flight PET
pozitron
vándorlás
annihiláció
Philips Gemini
2 annihilációs foton
(511keV)
koincidencia
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
9
PET-CT
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
10
PET-MR?
PMT helyett:
• PIN dióda
•avalanche fotodióda
• SiPM
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
11
Képrekonstrukció: szűrt visszavetítés: 2D szeletekben!!!
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
12
Monte Carlo szimulációk
Szimulációk általános célú, elterjedt kódokkal: MCNP5, MCNPX (Los Alamos NL)
- Koincidencia
- nyers adatok feldolgozása saját
szubrutinnal
- detektroválasz-modellezés
- pozitronvándorlás
20
18
16
y dimension
14
12
10
8
6
4
2
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
x dimension
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
13
TeraTomo
TeraTomo projekt
TeraFLOPS sebességű 3D tomográfiás algoritmusok fejlesztése
NKTH kutatási-fejlesztési együttműködés 2008-2011
Kooperációs partnerek:
• SE Radiológiai és Onkoterápiás Intézet
• BME-TTK NTI
• BME-VIK Irányítástechnikai és Informatikai Tanszék
• Mediso Orvosi Berendezés Fejlesztő és Szerviz Kft.
Modalitások:
• kisállat PET
• humán PET
• kisállat SPECT
• humán SPECT
Számítási algoritmus:
• iteratív (Maximum-Likelihood Expectation Maximization)
• Monte Carlo
• grafikus kártyák (GPU)
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
14
Teratomo projekt
Monte Carlo GPU-n
• minden kölcsönhatást modellezünk
• a részecskéket kölcsönhatásonként végigkövetjük
• nVidia CUDA keret
• GATE és MCNP verifikáció
• ML-EM iteratív rekonstrukció
• teljesítmény: „100MBq aktivitás”
n 1
xk
 xk
1
n
M

l 1
Alk
m eas
M

i 1
Aik
yi
y
calc
i
 xk
1
n

l 1
A
ik
M
Alj
m eas
M
i 1
yi
N

n
Aij x j
j 1
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
15
TeraTomo
NTI: kisállat és humán PET rekonstrukció
Szimulált részecskeszám: 108 pozitron/s!
(Humán valós aktivitás adag: ~200 MBq!)
ideális
rekonstruált
Valós mérés
(keresztmetszet):
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
16
PET – fejlődési irányok
• ToF PET
• 3D rekonstrukció
• MR+PET! - Si-alapú fotoelektron-sokszorozók
• multimodalitás: PET+CT+SPECT+MR+….
• kardiovizsgálatok (USA)
• funkcionális vizsgálatok
A PET fizikája – műszaki fejlődési irányai -SE Biofizika
17