Optymalizacja Detektorów Scyntylacyjnych 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+ Anihilacja pozytonu Radiofarmaceutyk Proces biologiczny 18F - FDG Metabolizm glukozy 18F - FMISO Niedobór tlenu w tkankach 18F - Estradiol Receptory 18F - Annexin Apoptoza (śmierć komórek) 18F - Fluorothymidine (FLT) Proliferacja (mnożenie się komórek) 11C - Thymidine 11C - Verapamil Oporność wielolekowa 11C - Acetate Synteza membran 15O - H2O Unaczynienie / Przepływ krwi 28-06-2013 Optymalizacja detektorów dla TOF PET

Optymalizacja detektorów dla TOF PET 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

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

Optymalizacja detektorów dla TOF PET Czas przelotu w PET 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 28-06-2013 Optymalizacja detektorów dla TOF PET

Zalety PET z czasem przelotu 500 ps to tylko 7.5 cm ale umożliwia: Znaczną redukcję szumu statystycznego (D – średnica badanego obiektu): Redukcję liczby zdarzeń przypadkowych 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

Przykłady obrazów PET i TOF PET 28-06-2013 Optymalizacja detektorów dla TOF PET

Optymalizacja detektorów dla TOF PET Detektor PET Block-Detektor: Matryca scyntylatorów – kilkadziesiąt pikseli (liczba i rozmiar zależą od rodzaju scyntylatora, 64 dla BGO, 169 dla LSO) Odczyt światła za pomocą kilku fotodetektorów (najczęściej 4 fotopowielaczy) Punkt detekcji określony dzięki logice Anger A B 28-06-2013 Optymalizacja detektorów dla TOF PET

Scyntylatory dla detektorów PET 28-06-2013 Optymalizacja detektorów dla TOF PET

Optymalizacja detektorów dla TOF PET 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

Optymalizacja detektorów dla TOF PET Fotopowielacze XP20D0 i R5320 28-06-2013 Optymalizacja detektorów dla TOF PET

Odczyt światła z dwóch PMT 28-06-2013 Optymalizacja detektorów dla TOF PET

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

Porównanie własności czasowych fotopowielaczy Normalizacja: t – zmierzona rozdzielczość czasowa, N – liczba fotoelektronów, r – rozrzut wzmocnienia fotopowielacza 28-06-2013 Optymalizacja detektorów dla TOF PET

Scyntylatory LSO domieszkowane Ca Przetestowano 5 próbek LSO (Lu2SiO5:Ce) z różnym domieszkowaniem Ca 28-06-2013 Optymalizacja detektorów dla TOF PET

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

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

Czasowa zdolność rozdzielcza MPPC Doświadczenia wykonano z LSO i LFS i Hamamatsu MPPC S10362-33-050C Wydajność detekcji fotonów: Przy odpowiednim doborze elektroniki fotopowielacze krzemowe mogą stanowić konkurencję dla klasycznych fotopowielaczy 28-06-2013 Optymalizacja detektorów dla TOF PET

Optymalizacja detektorów dla TOF PET 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 TOF-PET 28-06-2013 Optymalizacja detektorów dla TOF PET