Fizyczne aspekty tomografii emisyjnej pozytonów
description
Transcript of Fizyczne aspekty tomografii emisyjnej pozytonów
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 +
eνe0
1YΑ1Ζ
βXΑ
Ζ
eenp
pozyton
neutrino elektronowe
Widmo energetyczne pozytonów w rozpadzie +
Ekin.max.
N(E)
E
IzotopMax. 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 9.182Rb 3.35 15.6
Zjawisko anihilacji pozytonów i elektronów
hν
hν
e-
e+
2m0 c2 2hν = 1.022 MeV
= 2·511 keV
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
Fotopowielacz
Zamienia światło na impulsy elektryczne
Elementarna komórka detektora
Kryształ scyntylacyjny np. : BGO, LSO, GSO
Zamienia fotony anihilacyjne na światło
30mm, 20mm grubości (dla całkowitej absorbcji 511 keV)
Wymiary decydujące o przestrzennej zdolności rozdzielczej
x
A+B+C+Dx =
(B+D) – (A+C)
y = (A+B) – (C+D)
A+B+C+D
AB
CD
4 PMTs
A
y
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 LaBrPbW
O
7.1 7.4 6.8 8.3 5 8.2
Wydajność świetlna
Liczba fotonów światła / 1MeV promieniowania
NaI BGO LSO GSO LuAP LaBrPbW
O
100% 15% 75% 25% 33%150%
5%
Stała czasowa zaniku sygnału świetlnego
[ns]
BGO LSO GSO LuAP LaBrPbW
O
300 40 60 18 35 10
wąskie okno czasowe niski poziom szumów
LSO: 6 ns
GSO: 8ns
BGO: 12ns
liczb
.zl./k
anał/
jed.c
zasu
E0
E
energia
100%EΔE
0
Energetyczna zdolność rozdzielcza
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
Scyntylator Przegroda wolframowa
• 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
Wielopierścieniowy skaner PET umożliwia:
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-CTCzynnik 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
AnalityczneW 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
Iteracyjnewolniejsze, dobre do obrazowania 3D• OSMD
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