Fizyczne aspekty tomografii emisyjnej pozytonów

Prezentacja na temat: "Fizyczne aspekty tomografii emisyjnej pozytonów"— Zapis prezentacji:

1 Fizyczne aspekty tomografii emisyjnej pozytonów
Elżbieta Kochanowicz-Nowak

2 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

3 Rozpad + pozyton neutrino elektronowe

4 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

5

6 Zjawisko anihilacji pozytonów i elektronów
2m0 c hν = MeV = 2·511 keV e+ hν

7

8 Linia zdarzenia LOR (line of response)
Elektronika front-end: ocena sygnału pod względem czasowym i energetycznym

9 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

10 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

11 Zalety detekcji promieniowania anihilacyjnego
Eliminacja promieniowania rozproszonego, pominięcie kolimacji przestrzennej dzięki: dyskryminacji czasowej: max.12 ns dyskryminacji energetycznej: 511 keV

12 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

13 A B C D 4 PMTs y x A+B+C+D x = (B+D) – (A+C) y = (A+B) – (C+D)

14 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)

15 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

16 Wydajność świetlna Liczba fotonów światła / 1MeV promieniowania NaI
BGO LSO GSO LuAP LaBr PbWO 100% 15% 75% 25% 33% 150% 5%

17 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

18 Energetyczna zdolność rozdzielcza
liczb.zl./kanał/jed.czasu E E0 energia BGO LSO GSO LuAP LaBr 11% 10% 8.5% 15% 2.9%

19 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

20 PbWO4 LSO Masowa produkcja dla CERN-u przez ośrodek Bogoroditsk

21 Hodowla kryształu LuAP w ośrodku Bogoroditsk w Rosji

22 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=1s, d=6cm) Fotopowielacze pozycjo-czułe (wieloanaodowe) Hybrydowe fotodetektory lawinowe

23 Własności systemów PET
Wewnętrzna średnica pierścienia: cm Poprzeczne pole widzenia (D-FOV): 50 cm Podłużne pole widzenia (AFOV): cm Liczba pierścieni: 18-32 Liczba pól obrazowych: 35-63 Liczba detektorów na pierścień: Wymiary detektora (BGO): 3x6x30 mm, 4x8x30 mm

24 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

25 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

26 Główne składowe szumu obrazowego
Rozproszenie fotonów w ciele pacjenta Koincydencje przypadkowe 2D – 15% 3D – 50%

27 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

28 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

29

30 Dane obrazowe Profile: p(xr,) f(x, y) lub f(x, y, z)

31 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

32 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