Fizyczne aspekty tomografii emisyjnej pozytonów

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 + N(E) Ekin.max. E

6. Zjawisko anihilacji pozytonów i elektronów hν e- 2m0 c2 2hν = 1.022 MeV = 2·511 keV e+ hν

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 anihilacyjnena światło Fotopowielacz Zamienia światło na impulsy elektryczne 30mm, 20mm grubości (dla całkowitej absorbcji 511 keV) Wymiary decydujące o przestrzennej zdolności rozdzielczej

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

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]

16. Wydajność świetlna Liczba fotonów światła / 1MeV promieniowania

17. Stała czasowa zaniku sygnału świetlnego  [ns] • 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

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: 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

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

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. 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