vol. 4 4/2015 Inżynier i Fizyk Medyczny
radiologia
\
radiology
196
artykuł
\
article
przez fotopowielacze jest proporcjonalny do liczby fotonów pa-
dających na okno fotopowielacza. Dla energii kwantów gamma
wynoszącej 511 keV istotne są tylko dwa procesy zwane efek-
tem fotoelektrycznym oraz efektem Comptona. W pierwszym
z nich kwant gamma przekazuje elektronowi całą swoją energię,
w drugim tylko część, która dodatkowo zmienia się wraz z ką-
tem rozproszenia elektronu. W wyniku tych procesów widmo
ładunków rejestrowanych sygnałów składa się z ciągłego widma
Comptonowskiego oraz maksimum odpowiadającemu zajściu
efektu fotoelektrycznego. Wyodrębnienie tego maksimum po-
zwala na odróżnienie przypadków, gdy do scyntylatora dotarły
niezaburzone kwanty anihilacyjne o energii 511 keV od kwantów
gamma, które uległy rozproszeniu w ciele pacjenta. W obecnych
tomografach PET używa się kryształów scyntylacyjnych, z regu-
ły bloków o wymiarach kilku centymetrów, ponacinanych dodat-
kowo na mniejsze elementy o rozmiarach około 0,5 cm x 0,5 cm.
Do tylnej części każdego bloku przyłożone są fotopowielacze
(Rys. 2). Rozkład amplitud lub ładunków impulsów wytworzo-
nych przez fotopowielacze pozwala wyznaczyć miejsce, gdzie
zareagował kwant gamma z dokładnością do wielkości małego
elementu. W dalszej analizie, przy rekonstrukcji obrazu przyjmu-
je się zatem, że kwant gamma został zaabsorbowany w środku
elementu.
Na podstawie sygnałów rejestrowanych przez tomograf PET
rekonstruuje się miejsca, w które uderzyły kwanty anihilacyjne
emitowane z człowieka. W wyniku jednej anihilacji pozytonu
z elektronem otrzymujemy dwa punkty, w których zareagowa-
ły kwanty gamma. Zatem w standardowych tomografach PET
w wyniku pomiaru nie rekonstruuje się bezpośrednio miejsca,
w którym nastąpiła anihilacja, lecz jedynie linię zawierającą to
miejsce. Linia łącząca punkty LOR (
Line of Response
) jest pod-
stawowym elementem używanym do rekonstrukcji obrazu PET.
W wyniku kilkuminutowego pomiaru otrzymuje się miliony linii
LOR, na podstawie których odtwarza się rozkład gęstości punk-
tów anihilacji, w bardzo dobrym przybliżeniu, tożsamy z obra-
zem gęstości podanego pacjentowi radiofarmaceutyku.
Polepszanie ostrości obrazu tomograficznego uzyskuje się
poprzez wyznaczenie punktu anihilacji wzdłuż linii lotu kwantów
anihilacyjnych (wzdłuż linii LOR) na podstawie pomiaru różnicy
czasu pomiędzy dotarciem kwantu gamma do detektorów. W li-
teraturze technikę tę nazywa się TOF (
Time Of Flight
), a tomogra-
fy PET wykorzystujące pomiar czasu nazywane są odpowiednio
TOF-PET. Obecne tomografy pozwalają na wyznaczenie różnicy
czasów TOF z dokładnością około 540 ps [3, 4] co przekłada się
na dokładność wyznaczenia miejsca anihilacji wzdłuż linii LOR
wynoszącej około 8 cm.
J-PET – Jagielloński Pozytonowy
Emisyjny Tomograf
Na Uniwersytecie Jagiellońskim rozwijana jest nowa metoda po-
zytonowej emisyjnej tomografii, w której nieorganiczne detek-
tory kryształowe zostały zastąpione organicznymi plastikowymi
detektorami scyntylacyjnymi [1]. Scyntylatory plastikowe, choć
kilkadziesiąt razy tańsze od scyntylatorów nieorganicznych, nie
były do tej pory rozważane do użycia w tomografii PET ze wzglę-
du na ich małą wydajność na rejestrowanie anihilacyjnych kwan-
tów gamma oraz bardzo małe prawdopodobieństwo na reakcję
kwantów gamma w wyniku efektu fotoelektrycznego. Jednak jak
wykazano w artykułach [5, 6], wady te mogą być skompensowane
przez znaczącą poprawę rozdzielczości czasowej i całkowitą zmia-
nę sposobu ułożenia detektorów pozwalającą na zwiększenie
pola obrazowania.
Pierwszy pełny prototyp (Rys. 4) Jagielloń-
skiego Pozytonowego Emisyjnego Tomografu (J-PET)
składa
się z 192 organicznych pasków scyntylacyjnych tworzących trzy
warstwy cylindryczne (Rys. 3). Sygnały świetlne wytwarzane
Rys. 2
(lewy) Nacięty blok kryształu używany w obecnych tomografach PET; (środek) Typowa konfiguracja fotopowielaczy konwertujących impulsy świetlne powstające
w krysztale na impulsy elektryczne; (prawy) Schemat kryształu i powierzchni czułej fotopowielaczy
Źródło: [2].
Rys. 3
Schemat dwóch modułów detekcyj-
nych z przykładem dwóch kwantów gamma
powstałych w wyniku anihilacji e+e-
→
2γ.
Miejsce interakcji wzdłuż paska (ΔL) można
wyznaczyć z różnicy czasów dotarcia sygna-
łów do fotopowielaczy. Natomiast miejsce
anihilacji (Δx) wzdłuż linii lotu kwantów
gamma można wyznaczyć z różnicy cza-
sów interakcji kwantów gamma w paskach
scyntylacyjnych. W praktyce stosowane
są bardziej zaawansowane metody rekon-
strukcji wykorzystujące dodatkowo fakt
zmiany kształtu sygnałów w funkcji miejsca
interakcji.
Źródło: [8-10].
