Fizyczne aspekty tomografii emisyjnej pozytonów Elżbieta Kochanowicz-Nowak
PET – Tomografia emisji pozytonów (ang. Positron Emission Tomography) Źródło promieniowania - izotopy + promieniotwórcze: 18F, 11C, 15O, 13N, 82Rb, 68Ga Koincydencyjna detekcja dwóch fotonów anihilacyjnych o energii 511 keV rozchodzących się pod kątem 1800
Rozpad + pozyton neutrino elektronowe
Widmo energetyczne pozytonów w rozpadzie + Ekin.max. E Izotop Max. E pozytonu [MeV] Max. zasięg pozytonu [mm] 18F 0.64 2.6 11C 0.96 5 13N 1.19 5.4 15O 1.72 8.2 68Ga 1.89 9.1 82Rb 3.35 15.6
Zjawisko anihilacji pozytonów i elektronów 2m0 c2 2hν = 1.022 MeV = 2·511 keV e+ hν
Linia zdarzenia LOR (line of response) Elektronika front-end: ocena sygnału pod względem czasowym i energetycznym
Rozdzielczość przestrzenna obrazu PET Ograniczona jest naturalnie przez: Drogę swobodną jaką przebywa pozyton do chwili anihilacji z elektronem ośrodka: 18F maksymalnie 2.6 mm Odstępstwa od rozchodzenia się fotonów anihilacyjnych dokładnie pod kątem 180 0 technicznie przez: Niezbędną głębokość detektora konieczną do zdeponowania wysokiej energii fotonów Własności całego układu detekcyjnego
Obrazowanie wielomodalne Nakładanie obrazów PET i obrazów NMR lub CT (o lepszej przestrzennej zdolności rozdzielczej 0.5 mm- 1 mm) w celu dokładniejszej lokalizacji patologicznych zmian. obraz NMR obraz PET Nałożenie obrazów PET i NMR
Zalety detekcji promieniowania anihilacyjnego Eliminacja promieniowania rozproszonego, pominięcie kolimacji przestrzennej dzięki: dyskryminacji czasowej: max.12 ns dyskryminacji energetycznej: 511 keV
Elementarna komórka detektora Kryształ scyntylacyjny np. : BGO, LSO, GSO Zamienia fotony anihilacyjne na światło Fotopowielacz Zamienia światło na impulsy elektryczne 30mm, 20mm grubości (dla całkowitej absorbcji 511 keV) Wymiary decydujące o przestrzennej zdolności rozdzielczej
A B C D 4 PMTs y x A+B+C+D x = (B+D) – (A+C) y = (A+B) – (C+D)
Wymagania techniczne stawiane scyntylatorom dla zastosowań PET Wydajność świetlna Czas trwania scyntylacji Współczynnik absorbcji (gęstość) Energetyczna zdolność rozdzielcza Łatwość obróbki mechanicznej Cena (koszt wyhodowania kryształu)
Gęstość detektora niezbędna do całkowitej absorbcji promieniowania o energii 511 keV [g/cm3] BGO LSO GSO LuAP LaBr PbWO 7.1 7.4 6.8 8.3 5 8.2
Wydajność świetlna Liczba fotonów światła / 1MeV promieniowania NaI BGO LSO GSO LuAP LaBr PbWO 100% 15% 75% 25% 33% 150% 5%
Stała czasowa zaniku sygnału świetlnego [ns] BGO LSO GSO LuAP LaBr PbWO 300 40 60 18 35 10 wąskie okno czasowe niski poziom szumów LSO: 6 ns GSO: 8ns BGO: 12ns
Energetyczna zdolność rozdzielcza liczb.zl./kanał/jed.czasu E E0 energia BGO LSO GSO LuAP LaBr 11% 10% 8.5% 15% 2.9%
Cena i dostępność kryształów scyntylacyjnych Koszt kryształów scyntylacyjnych to około 25% kosztu skanera PET Koszt produkcji LSO i GSO 3-6 razy większy od BGO Rozwój technologii produkcji LuAP Dostępność i niski koszt kryształów PbWO4 Obiecujące lantanowce Koszt fotopowielaczy – około 25% kosztu skanera
PbWO4 LSO Masowa produkcja dla CERN-u przez ośrodek Bogoroditsk
Hodowla kryształu LuAP w ośrodku Bogoroditsk w Rosji
Współczesne kierunki rozwoju detektorów dla potrzeb PET Nowe scyntylatory: BGO, LSO, LuAP, GSO, PbWO, LaBr, LaCl Detektory półprzewodnikowe, pixelowe bazujące na ciężkich pierwiastkach: CdZnTe, CdTe (E/E=2%, t=1s, d=6cm) Fotopowielacze pozycjo-czułe (wieloanaodowe) Hybrydowe fotodetektory lawinowe
Własności systemów PET Wewnętrzna średnica pierścienia: 80-90 cm Poprzeczne pole widzenia (D-FOV): 50 cm Podłużne pole widzenia (AFOV): 15-25 cm Liczba pierścieni: 18-32 Liczba pól obrazowych: 35-63 Liczba detektorów na pierścień: 600-800 Wymiary detektora (BGO): 3x6x30 mm, 4x8x30 mm
Wielopierścieniowy skaner PET umożliwia: • obrazowanie równoczesne w kilkunastu plastrach (pierścieniach skanera) • obrazowanie 2D przy wysuniętych przegrodach znacznie ograniczona frakcja prom. rozproszonego • obrazowanie 3D przy schowanych przegrodach - wzrost frakcji promieniowania rozproszonego i koincydencji przypadkowych + wzrost czułości badania Scyntylator Przegroda wolframowa
Jak możemy zaradzić niekorzystnym czynnikom pogarszającym jakość obrazów w detekcji 3D? Stosując detektor: o małej stałej czasowej zaniku sygnału wąskie okno koincydencyjne wycięcie frakcji koincydencji przypadkowych dobrej energetycznej zdolności rozdzielczej wysoki próg dyskryminacji energetycznej odcięcie frakcji promieniowania rozproszonego o dużej wydajności świetlnej dobra energetyczna zdolność rozdzielcza
Główne składowe szumu obrazowego Rozproszenie fotonów w ciele pacjenta Koincydencje przypadkowe 2D – 15% 3D – 50%
Korekcja osłabienia promieniowania anihilacyjnego w ciele pacjenta Zewnętrzne źródło + 137Cs, E=662 keV (T1/2=30 lat) lub prom. X w skanerach PET-CT Czynnik korekcyjny ustalany jest wzdłuż każdej linii koincydencyjnej i rekonstruowany przy użyciu metody wstecznej projekcji
Parametry nowoczesnego skanera PET Przestrzenna zdolność rozdzielcza mniejsza od 5mm Energetyczna zdolność rozdzielcza na poziomie 12% Niska frakcja promieniowania rozproszonego i koincydencji przypadkowych (okno koincydencyjne na poziomie 6-8ns) Korekcja osłabienia promieniowania w ciele pacjenta szybkie skany transmisyjne 137Cs dobry kontrast obrazu przy krótkim czasie badania (ok. 30 minut) Szybka rekonstrukcja obrazu
Dane obrazowe Profile: p(xr,) f(x, y) lub f(x, y, z)
Metody rekonstrukcji obrazu Analityczne W użyciu od 25 lat w technice CT, SPECT, PET Filtrowana wsteczna projekcja transformata Fouriera na projekcjach (dziedzina częstotliwości) filtrowanie projekcji w dz. częstotliwościowej projekcja wsteczna sfiltrowanych projekcji na macierz rekonstrukcyjną transformacja odwrotna do dziedziny przestrzennej Iteracyjne wolniejsze, dobre do obrazowania 3D • OSMD
potrzeb obrazowania znaczników + Adaptacja dwugłowicowej kamery gamma do potrzeb obrazowania znaczników + Koincydencyjna, szybka elektronika Ograniczenia: grubość kryształu (SPECT a PET) i wydajność detekcji mniejsza czułość badania gorsza przestrzenna zdolność rozdzielcza długi czas badania