Page name: ARRSProjekti / 2019 / Napredni detektor za pozitronsko tomografijo z meritvijo časa preleta

Napredni detektor za pozitronsko tomografijo z meritvijo časa preleta

Nazaj na seznam za leto 2019


Oznaka in naziv projekta

J2-1735 Napredni detektor za pozitronsko tomografijo z meritvijo časa preleta
J2-1735 Advanced detector for Time-of-Flight PET based on Cherenkov radiation

Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev

© Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije

Projektna skupina

Vodja projekta: prof. dr. Samo Korpar

Člani raziskovalne skupine (SICRIS).

Vsebinski opis projekta

Slikanje s pozitronsko tomografijo (positron emission tomography, PET) je eno od pomembnih diagnostičnih orodij v medicini, ki omogoča tridimenzionalno slikanje funkcijskih procesov v telesu preko detekcije parov koincidenčnih kolinearnih žarkov gama energije 511 keV. Standardne naprave PET imajo aksialno dolžino okrog 20 cm in izkoristijo le del aktivnosti v telesu. Ta delež lahko povečamo tako, da podaljšamo aksialno dolžino naprave, kar je povezano z znatnim povečanjem njene cene, ki jo v veliki meri določa cena scintilatorja, kjer se žarki gama absorbirajo. Naprave za slikanje celotnega telesa so ena izmed najbolj vročih smeri razvoja funkcionalnega in molekularnega slikanja.

Kontrast lahko izboljšamo tudi tako, da zmanjšamo ozadje meritve, ki ga večinsko sestavljajo naključne koincidence in dogodki, kjer se žarek gama siplje v tkivu, v posebni vrsti naprav PET, ki merijo tudi čas preleta žarkov gama (TOF-PET, Time-Of-Flight PET). Njihova natančnost je med 250 ps in 400 ps, kar že lahko znatno izboljša kontrast pri slikanju velikih objektov. Ena od pomembnih omejitev pri nadaljnjem izboljšanju te ločljivosti je časovni potek izsevane svetlobe scintilatorja. Iskanje novih materialov in mehanizmov izsevanja svetlobe je druga smer intenzivnega razvoja na področju slikanja PET.

Namen predlaganega projekta je razviti modul za detekcijo anihilacijskih žarkov gama, ki bo omogočal meritev razlike časov preleta v napravi TOF-PET z natančnostjo okrog 100 ps ali bolje. To lahko dosežemo z zaznavanjem svetlobe Čerenkova, ki nastane promptno pri interakciji žarkov gama v detektorju. Svinčev fluorid (PbF2), ki je primeren sevalec za tak detektor, je tudi potencialno cenejši, saj ni scintilator, kar je interesantno tudi za naprave za slikanje celotnega telesa. Poleg tega ima manjšo atenuacijsko dolžino za žarke gama, kar pomeni, da so kristali lahko krajši, to pa vodi do zmanjšanja napake zaradi paralakse, kar je prav tako posebej pomembno pri daljši skenerjih, napravah za slikanje celotnega telesa.

Preliminarna študija, ki smo jo izvedli skupaj z raziskovalnimi skupinami iz več prestižnih evropskih univerz in v sodelovanju z industrijo, je pokazala, da bi enako velik PET skener standardne velikosti s svinčevim fluoridom imel za 20% boljšo krajevno ločljivost kot standardna aparatura s scintilatorji. Občutljivost naprave bi bila sicer nekoliko manjša, bi pa bila popravljena pogostost dogodkov (NEC, noise equivalent count rate), z upoštevanjem TOF resolucije enake ali boljše od 200 ps, boljša kot v standardnem PET skenerju. Simulacijska študija je tudi pokazala, da je zaradi manjše atenuacijske dolžine (in posledično krajših kristalov in manjše napake zaradi paralakse) detektorski modul s PbF2 tudi zelo obetaven za 1m dolg skener.

Naša pionirska eksperimentalna študija, ki je naletela na znaten odmev v strokovni javnosti, je pokazala, da je tak tip detektorja izvedljiv in je dejansko zelo hiter. Z uporabo kristala PbF2 in fotopomnoževalk z mikrokanalnimi ploščicami (MCP-PMT, Micro-Channel-Plate photomultiplier tube) smo pokazali, da je lahko časovna ločljivost takega detektorja boljša od 100 ps (FWHM). Za uporabo te metode v napravi PET je potrebno izboljšati učinkovitost zaznavanja, saj se izseva relativno malo fotonov Čerenkova. Potrebujemo torej senzor fotonov z visoko občutljivostjo in dobro časovno ločljivostjo pri zaznavanju posameznih fotonov. Silicijeva fotopomnoževalka (SiPM) ima precej boljši izkoristek detekcije, a zaenkrat slabšo časovno ločljivost in relativno veliko število šumnih sunkov, kar zahteva hlajenje senzorja.

V okviru predlaganega projekta bomo razvili detektorski modul osnovan na silicijevih fotopomnoževalkah, ki bi lahko deloval v magnetnem polju (pomembno za sočasno MRI-PET slikanje) in ki bi zaradi manjše cene in krajših kristalov omogočal slikanje z daljšo napravo in z manjšo dozo za pacienta.

Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani. Povezava na SICRIS.

Faze projekta in opis njihove realizacije

Leto 1:

  • Razvoj programske opreme za simulacijo zaznavanja anihilacijskih žarkov gama z uporabo svetlobe Čerenkova, ki bo temeljila na paketu GEANT4.
  • Študij vpliva sestave kristala, velikosti kristala, obdelave površin kristala, sklopitve kristala s fotonskim detektorjem in izkoristka fotonskega detektorja za zaznavanje fotonov na učinkovitost zaznavanja žarkov gama in časovno porazdelitev prihodov fotonov Čerenkova na detektor fotonov. Tipična velikost posameznega kristala bo 3 x 3 x 15 mm3 ali 4 x 4 x 15 mm3 in pri različni obdelavi površine bomo študirali različni stopnji popolnega in difuznega odboja.

  • Priprava kristalov različnih velikosti z različno obdelanimi ploskvami, ki niso v stiku s fotonskim detektorjem. Pri obdelavi površine bomo uporabili različne barve, ki svetlobo odbijajo (bele) in absorbirajo (črne) in izmerili deleža popolnega in difuznega odboja. Izmerjene lastnosti bomo uporabili za izboljšanje natančnosti simulacije.
  • Priprava modula za testiranje učinkovitosti in časovne ločljivosti posameznih kristalnih vzorcev. Modul sestavljata MCP-PMT R3809U-52 in nosilec kristala. Opravili bomo meritve s kolimiranim žarkom, ki bo vpadal vzdolž osi kristala in pravokotno na os v različnih oddaljenostih od fotonskega detektorja.
  • Priprava eksperimentalne aparature in programske opreme za študij časovne ločljivosti različnih SiPM pri šibki osvetlitvi z elektronskim čitalnim sistemom za vzorčenje časovnega poteka signala. Sistem sestavljajo Svetlobno tesna komora, piko sekundni laser z optičnim sistemom za prenos svetlobnega signala v komoro, računalniško krmiljen 3D sistem za osvetlitev površine detektorja, čitalna elektronika in sistem za zajemanje podatkov. Kalibracija sistema bo opravljena z MCP-PMT. Meritve SiPM bodo potekale pri temperaturah do -70oC za zmanjšanje pogostosti šumnih sunkov.

  • Izbira najprimernejših kristalov' (sestava, velikosti, obdelava površin) za nadaljnje teste modulov. (mejnik M12)

Leto 2:

  • Nadaljevanje meritve časovne ločljivosti različnih tipov SiPM od različnih proizvajalcev (Ketek, AdvanSid, SenseL, Hamamatsu). Poudarek bo na razumevanju odvisnosti časovne ločljivosti pri različnih jakostih osvetlitve od delovnih parametrov senzorja. Primerjava natančnosti meritve časovne razlike izmerjene s sistemom z vzorčenjem signala in sistemom s časovno digitalnim pretvornikom.

  • Izbira najprimernejših SiPM za nadaljne teste s kristali.

  • Študij pričakovanih lastnosti modulov sestavljenih iz izbranih kristalov in SiPM s pomočjo simulacije.
  • Izdelava modula s sklopitvijo izbranih kristalov in SiPM.
  • Test modulov s kolimiranim curkom žarkov gama in meritev učinkovitosti za zaznavanje anihilacijskih žarkov gama.
  • Meritev časovne ločljivosti zaznavanja žarkov gama s koincidenčnim zaznavanjem žarkov iz točkastega izvora 22Na z uporabo novih modulov na eni strani in modula z MCP-PMT na drugi. (mejnik M24)

  • Izbira komponent čitalnega sistema za module z več kanali. Načrtovanje in priprava testnih elektronskih komponent.
  • Načrtovanje in izdelava komponent večkanalnega modula z uporabo matrike kristalov in matrike SiPM.

Leto 3:

  • Izdelava dveh večkanalnih modulov s pripadajočimi elektronskimi komponentami.
  • Simulacija odziva modula na anihilacijske žarke gama in določitev pričakovane učinkovitosti in časovne ločljivosti.
  • Priprava čitalnega sistema za testiranje modulov s kolimiranim žarkom in izvedbo koincidenčnih meritev s sistemom dveh modulov in izvori 22Na.

  • Test učinkovitosti in časovne ločljivosti obeh modulov s kolimiranim žarkom v koincidenci z modulom z MCP-PMT pri različnih vpadnih pozicijah in smereh žarka.
  • Slikanje enega in dveh točkastih izvorov 22Na s sistemom dveh modulov za določitev krajevne in časovne ločljivosti sistema. (mejnik M32)

Bibliografske reference


Nazaj na seznam projektov po letih