Tomasz Szczęśniak

1. Narodowe Centrum Badań JądrowychDepartament Aparatury i Technik JądrowychZakład Fizyki Detektorów Tomasz Szczęśniak Optymalizacja Detektorów Scyntylacyjnych dla Pozytonowej Tomografii Emisyjnej z Czasem Przelotu

2. Pozytonowa Tomografia Emisyjna Celem tomografii PET jest zobrazowanie aktywności funkcjonalnej żywego organizmu. Ring detektorów Rozpad b+ Anihilacja pozytonu Optymalizacja detektorów dla TOF PET

3. Przykładowy obraz PET Zwiększona absorpcja FDG po tracheotomii z powodu zwiększenia metabolizmu i stanów zapalnych związanych z naprawą tkanek. Optymalizacja detektorów dla TOF PET

4. Możliwe usprawnienia PET Podniesienie aktywności radiofarmaceutyka • zwiększenie narażenie pacjenta na promieniowanie • w wielu ośrodkach medycznych używa się już maksymalnych dopuszczalnych dawek Wydłużenie czasu skanowania • negatywny wpływ na stan psychiczny pacjenta • trudność w utrzymaniu stabilnej pozycji pacjenta w badaniach PET i CT • obniżenie liczby badanych pacjentów i podniesienie kosztów Bardziej wydajne scyntylatory • obecnie używane scyntylatory BGO (30mm) i LSO (40mm) zapewniają około 90% wydajności detekcji kwantów gamma o energii 511 keV Dodanie okna energetycznego na widmie Comptona • 2-krotne podniesienie czułości układu, ale jednocześnie destrukcyjny wpływ rozproszeń na rekonstrukcję obrazu Zwiększenie kąta bryłowego – 3D PET • 5-krotnie podniesienie czułości układu dla prawidłowych koincydencji, ale jednocześnie 3 do 4 razy podniesiony poziom akceptacji dla zdarzeń rozproszonych Dodanie informacji o czasie przelotu kwantów anihilacji Optymalizacja detektorów dla TOF PET

5. Czas przelotu w PET Problemy: • Kwanty gamma podróżują „dość szybko” ...tj. z prędkością światła • Rozdzielczość przestrzenna PET to około 5 mm • Światło przebywa 5 mm w czasie około 17 ps • 5 mm wymaga detektorów o rozdzielczości czasowej rzędu 30 ps • Najlepsze dostępne obecnie detektory PET mają rozdzielczość czasową na poziomie 500 ps Optymalizacja detektorów dla TOF PET

6. Zalety PET z czasem przelotu 500 ps to tylko 7.5 cm ale umożliwia: • Znaczną redukcję szumu statystycznego (D – średnica badanego obiektu): • Redukcję liczby zdarzeń przypadkowych • Zmniejszenie rozmycia wzdłuż osi prostopadłej do pierścieni detektorów • Jednoczesny pomiar kwantów anihilacji (emisja) i współczynnika atenuacji (transmisja) Optymalizacja detektorów dla TOF PET

7. Przykłady obrazów PET i TOF PET Optymalizacja detektorów dla TOF PET

8. Detektor PET Block-Detektor: • Matryca scyntylatorów – kilkadziesiąt pikseli (liczba i rozmiar zależą od rodzaju scyntylatora, 64 dla BGO, 169 dla LSO) • Odczyt światła za pomocą kilku fotodetektorów (najczęściej 4 fotopowielaczy) • Punkt detekcji określony dzięki logice Anger A B Optymalizacja detektorów dla TOF PET

9. Scyntylatory dla detektorów PET Optymalizacja detektorów dla TOF PET

10. Fotopowielacz Rys. 2. Układ doświadczalny do pomiarów czasowej zdolności rozdzielczej. Rys. 1.Budowa fotopowielacza na podstawie Philips 56AVP. Optymalizacja detektorów dla TOF PET

11. Fotopowielacze XP20D0 i R5320 Optymalizacja detektorów dla TOF PET

12. Odczyt światła z dwóch PMT Optymalizacja detektorów dla TOF PET

13. Detektor z kryształem monolitycznym Pomiary wykonane z kryształem 20x20x20 mm LYSO Pomiary wykonane z kryształem10x10x5 mm LSO Otrzymane wyniki eksperymentalne pokazują że kryształ monolityczny nie jest rozwiązaniem lepszym od scyntylatora pikselowanego. Optymalizacja detektorów dla TOF PET

14. Porównanie własności czasowych fotopowielaczy Normalizacja: t – zmierzona rozdzielczość czasowa, N – liczba fotoelektronów, r – rozrzut wzmocnienia fotopowielacza Optymalizacja detektorów dla TOF PET

15. Scyntylatory LSO domieszkowane Ca Przetestowano 5 próbek LSO (Lu2SiO5:Ce) z różnym domieszkowaniem Ca Optymalizacja detektorów dla TOF PET

16. Scyntylatory LSO domieszkowane Ca • Wszystkie próbki domieszkowane Ca wykazały poprawę czasowej zdolności rozdzielczej • Optymalnym wydaje się domieszkowanie na poziomie 0.1 % z uwagi na liczbę emitowanych fotonów oraz energetyczną i czasową zdolność rozdzielczą Optymalizacja detektorów dla TOF PET

17. Fotopowielacz krzemowy • Fotopowielacz krzemowy • [Silicon Photomultiplier (SiPM), • Multi-Pixel Photon Counter (MPPC)] • fotodetektor składający się z macierzy diod APD (subpikseli) działających w modzie Geigera („binarnym” – sygnał / brak sygnału) • każdy subpiksel generuje sygnał w odpowiedzi na 1 foton • suma sygnałów wszystkich subpikseli z całej macierzy jest sygnałem wyjściowym SiPM • Cechy: wzmocnienie 10^5 – 10^6, niewrażliwość na pole magnetyczne, czułość na pojedyncze fotony, napięcie zasilania < 100V, małe rozmiary Optymalizacja detektorów dla TOF PET

18. Czasowa zdolność rozdzielcza MPPC Doświadczenia wykonano z LSO i LFS i Hamamatsu MPPC S10362-33-050C Wydajność detekcji fotonów: Przy odpowiednim doborze elektroniki fotopowielacze krzemowe mogą stanowić konkurencję dla klasycznych fotopowielaczy Optymalizacja detektorów dla TOF PET

19. Podsumowanie • Otrzymana czasowa zdolność rozdzielcza na poziomie 170 ps dla LSO i XP20D0 pokazuje, że tego typu detektor to realistyczna propozycja dla TOF PET. • Etapy optymalizacji przedstawione w pracy są zgodne z przewidywaniami teoretycznymi Hymana i zbliżają się do wartości granicznych. • Pokazano, że w przypadku LSO, liczba fotoelektronów wygenerowanych w detektorze ma kluczową rolę dla właściwości czasowych i jest ważniejsza od wewnętrznej czasowej zdolności rozdzielczej fotodetektora (time jitter). • Wyniki uzyskane z odczytem światła za pomocą kilku fotodetektorów pokazały możliwą do uzyskania poprawę czasowej zdolności rozdzielczej pikselowanego detektora LSO. • Wyniki otrzymane z kryształem monolitycznym i pozycyjnie czułym fotopowielaczem nie pokazały wyższości tego rodzaju konstrukcji nad detektorem pikselowym. • Wprowadzony wykres zależności znormalizowanej czasowej zdolności rozdzielczej od time jitter pozwala na porównanie czasowych właściwości różnych detektorów. • Doświadczenia wykonane z kryształami LSO domieszkowanymi Ca pokazały, że tego rodzaju modyfikacja prowadzi do poprawy własności czasowych tych scyntylatorów • Pomiary czasowej zdolności rozdzielczej z fotopowielaczem krzemowym sugerują, że jest to detektor, który z powodzeniem może zastąpić klasyczne fotopowielacze w modułach TOF-PET Optymalizacja detektorów dla TOF PET