Fizyczne aspekty tomografii emisyjnej pozyton

1
Fizyczne aspekty tomografii emisyjnej pozytonów

• Elzbieta Kochanowicz-Nowak

2
PET Tomografia emisji pozytonów (ang. Positron
Emission Tomography)

• Zródlo promieniowania - izotopy ?
  promieniotwórcze
• 18F, 11C, 15O, 13N, 82Rb, 68Ga
• Koincydencyjna detekcja dwóch fotonów
  anihilacyjnych o energii 511 keV rozchodzacych
  sie pod katem 1800

3
Rozpad ?
pozyton
neutrino elektronowe
4
Widmo energetyczne pozytonów w rozpadzie ?
N(E)
Ekin.max.
E
Izotop Max. E pozytonu MeV Max. zasieg 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
(No Transcript)
6
Zjawisko anihilacji pozytonów i elektronów
h?
e-
2m0 c2 2h? 1.022 MeV 2511 keV
e
h?
7

8
Linia zdarzenia LOR (line of response)

Elektronika front-end ocena sygnalu pod wzgledem
czasowym i energetycznym
9
Rozdzielczosc przestrzenna obrazu PET

• Ograniczona jest naturalnie przez
• Droge swobodna jaka przebywa pozyton do chwili
  anihilacji z elektronem osrodka 18F ?
  maksymalnie 2.6 mm
• Odstepstwa od rozchodzenia sie fotonów
  anihilacyjnych dokladnie pod katem 180 0
• technicznie przez
• Niezbedna glebokosc detektora konieczna do
  zdeponowania wysokiej energii fotonów
• Wlasnosci calego ukladu detekcyjnego

10
Obrazowanie wielomodalne

• Nakladanie obrazów PET i obrazów NMR lub CT (o
  lepszej przestrzennej zdolnosci rozdzielczej 0.5
  mm- 1 mm) w celu dokladniejszej lokalizacji
  patologicznych zmian.

obraz NMR
obraz PET
Nalozenie obrazów PET i NMR
11
Zalety detekcji promieniowania anihilacyjnego

• Eliminacja promieniowania rozproszonego,
• pominiecie kolimacji przestrzennej dzieki
• dyskryminacji czasowej max.12 ns
• dyskryminacji energetycznej 511 keV

12
Elementarna komórka detektora
Krysztal scyntylacyjny np. BGO, LSO,
GSO Zamienia fotony anihilacyjne na swiatlo
Fotopowielacz Zamienia swiatlo na impulsy
elektryczne
30mm, 20mm grubosci (dla calkowitej absorbcji 511
keV)
Wymiary decydujace o przestrzennej zdolnosci
rozdzielczej
13
x
14
Wymagania techniczne stawiane scyntylatorom dla
zastosowan PET

• Wydajnosc swietlna
• Czas trwania scyntylacji
• Wspólczynnik absorbcji (gestosc)
• Energetyczna zdolnosc rozdzielcza
• Latwosc obróbki mechanicznej
• Cena (koszt wyhodowania krysztalu)

15
Gestosc detektora

• niezbedna do calkowitej 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
Wydajnosc swietlna

• Liczba fotonów swiatla / 1MeV promieniowania

NaI BGO LSO GSO LuAP LaBr PbWO
100 15 75 25 33 150 5
17
Stala czasowa zaniku sygnalu swietlnego

• ? ns

BGO LSO GSO LuAP LaBr PbWO
300 40 60 18 35 10

• waskie okno czasowe? niski poziom szumów
• LSO 6 ns
• GSO 8ns
• BGO 12ns

18
Energetyczna zdolnosc rozdzielcza
liczb.zl./kanal/jed.czasu
?E
E0
energia
BGO LSO GSO LuAP LaBr
11 10 8.5 15 2.9
19
Cena i dostepnosc krysztalów scyntylacyjnych

• Koszt krysztalów scyntylacyjnych to okolo 25
  kosztu skanera PET
• Koszt produkcji LSO i GSO 3-6 razy wiekszy od BGO
• Rozwój technologii produkcji LuAP
• Dostepnosc i niski koszt krysztalów PbWO4
• Obiecujace lantanowce
• Koszt fotopowielaczy okolo 25 kosztu skanera

20
PbWO4
LSO
Masowa produkcja dla CERN-u przez osrodek
Bogoroditsk
21
Hodowla krysztalu LuAP w osrodku Bogoroditsk w
Rosji
22
Wspólczesne kierunki rozwoju detektorów dla
potrzeb PET

• Nowe scyntylatory BGO, LSO, LuAP, GSO, PbWO,
• LaBr, LaCl
• Detektory pólprzewodnikowe, pixelowe bazujace na
  ciezkich pierwiastkach CdZnTe, CdTe
• (?E/E2, ?t1?s, d6cm)
• Fotopowielacze pozycjo-czule (wieloanaodowe)
• Hybrydowe fotodetektory lawinowe

23
Wlasnosci systemów PET

• Wewnetrzna srednica pierscienia 80-90 cm
• Poprzeczne pole widzenia (D-FOV) 50 cm
• Podluzne pole widzenia (AFOV) 15-25 cm
• Liczba pierscieni 18-32
• Liczba pól obrazowych 35-63
• Liczba detektorów na pierscien 600-800
• Wymiary detektora (BGO) 3x6x30 mm,
• 4x8x30 mm

24
Wielopierscieniowy skaner PET umozliwia
obrazowanie równoczesne w kilkunastu plastrach
(pierscieniach skanera) obrazowanie 2D przy
wysunietych przegrodach znacznie ograniczona
frakcja prom. rozproszonego obrazowanie 3D
przy schowanych przegrodach - wzrost frakcji
promieniowania rozproszonego i koincydencji
przypadkowych wzrost czulosci badania
Scyntylator
Przegroda wolframowa
25
Jak mozemy zaradzic niekorzystnym czynnikom
pogarszajacym jakosc obrazów w detekcji 3D?

• Stosujac detektor
• o malej stalej czasowej zaniku sygnalu ? waskie
  okno koincydencyjne ? wyciecie frakcji
  koincydencji przypadkowych
• dobrej energetycznej zdolnosci rozdzielczej ?
  wysoki próg dyskryminacji energetycznej ?
  odciecie frakcji promieniowania rozproszonego
• o duzej wydajnosci swietlnej ? dobra energetyczna
  zdolnosc rozdzielcza

26
Glówne skladowe szumu obrazowego
Rozproszenie fotonów w ciele pacjenta
Koincydencje przypadkowe
2D 15 3D 50
27
Korekcja oslabienia promieniowania anihilacyjnego
w ciele pacjenta
Zewnetrzne zródlo ? 137Cs, E662 keV (T1/230
lat) lub prom. X w skanerach PET-CT
Czynnik korekcyjny ustalany jest wzdluz kazdej
linii koincydencyjnej i rekonstruowany przy
uzyciu metody wstecznej projekcji
28
Parametry nowoczesnego skanera PET

• Przestrzenna zdolnosc rozdzielcza mniejsza od 5mm
• Energetyczna zdolnosc rozdzielcza na poziomie 12
• Niska frakcja promieniowania rozproszonego i
  koincydencji przypadkowych (okno koincydencyjne
  na poziomie 6-8ns)
• Korekcja oslabienia promieniowania w ciele
  pacjenta szybkie skany transmisyjne 137Cs ? dobry
  kontrast obrazu przy krótkim czasie badania (ok.
  30 minut)
• Szybka rekonstrukcja obrazu

29
(No Transcript)
30
Dane obrazowe
Profile p(xr,?)
f(x, y) lub f(x, y, z)
31
Metody rekonstrukcji obrazu

• Analityczne
• W uzyciu od 25 lat w technice CT, SPECT, PET
• Filtrowana wsteczna projekcja
• transformata Fouriera na projekcjach (dziedzina
  czestotliwosci)
• filtrowanie projekcji w dz. czestotliwosciowej
• projekcja wsteczna sfiltrowanych projekcji na
  macierz rekonstrukcyjna
• transformacja odwrotna do dziedziny
  przestrzennej
• Iteracyjne
• wolniejsze, dobre do obrazowania 3D
• OSMD

32
Adaptacja dwuglowicowej kamery gamma do potrzeb
obrazowania znaczników ?
Koincydencyjna, szybka elektronika
Ograniczenia grubosc krysztalu (SPECT a PET) i
wydajnosc detekcji mniejsza czulosc
badania gorsza przestrzenna zdolnosc
rozdzielcza dlugi czas badania