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