Cómo son los fotones se distinguen entre sí por un escáner de PET?

Question

Por lo que he leído, un radiofármaco, tales como la FDG, entra en un cuerpo y emite positrones que aniquilar con los electrones, emitiendo dos igualdad de rayos gamma en direcciones opuestas.

Diametralmente opuesto detectores de recoger estos fotones y extrapolar la ubicación de la aniquilación.

Cómo se puede hacer esto, no los fotones se dispersan, aunque sea un poco? ¿Cómo iban a saber que dos de partido?

Answer 1

Dispersión de hecho es un gran problema. Tratamos de deducir si los fotones detectados se encuentran dispersos por la medición de su energía. Con un moderno MASCOTA detector de energía de las resoluciones en el orden del 12% FWHM (full width half maximum) son posibles. Esto corresponde a una desviación estándar de 26 de keV, lo que significa que se puede diferenciar de forma fiable entre los fotones que tienen una energía de 511 keV, y aquellos que han perdido alrededor de 65 keV (2.5 desviaciones estándar contiene aproximadamente el 99%). Un sistema de MASCOTAS tendrán un discriminador que se asegura de que la medida de la energía de los fotones entrantes cae dentro de un cierto rango - a veces llamado LLD (de bajo nivel discriminador) y ULD (nivel superior discriminador). La configuración de la LLD en particular afecta a la dispersión de la fracción que es admitido.

A partir de la dispersión Compton ecuación se encuentra que una pérdida de 65 keV incluye dispersión ángulos de hasta 31°:

$$E' = \frac{E}{1+\frac{E}{m_0 c^2}\left(1-\cos\theta\right)}\\ \cos\theta = 2 - \frac{E}{E'}$$

Cuando los fotones de someterse a múltiples dispersa, se va a perder aún más energía. Línea de fondo es una buena fracción de los fotones dispersados son eliminados por la energía discriminadores, pero un gran número todavía obtener a través de. Esto significa que la dispersión de la corrección de los algoritmos son un componente muy importante de la MASCOTA de algoritmos de reconstrucción. Estos no pueden identificar a los fotones dispersados que cayó dentro de la ventana, pero se puede intentar estimar el efecto promedio de dispersión (que tiende a añadir una baja frecuencia "blur" a la imagen, reduciendo el contraste y la precisión cuantitativa).

Lo que es más importante, hay una gran cantidad de centrarse en mejorar el tiempo de resolución de la MASCOTA de los detectores. En la actualidad comerciales para MASCOTAS detectores se producen con el tiempo resoluciones por debajo de 400 ps. Como la PET se detectan eventos en coincidencia, esto significa que usted puede saber la posición de la aniquilación a lo largo de la línea de respuesta (LOR) dentro de unos 6 cm - no es suficiente para poner un punto en la imagen, pero lo suficiente para ayudar con la convergencia del algoritmo de reconstrucción (en el proceso, esto mejora la SNR considerablemente). Cuando los eventos de dispersión, el lugar donde "al parecer se originó" va a ser esto es algo que necesita ser corregido. Pero esto es tomado en cuenta por la dispersión en el algoritmo de corrección.

Como la tasa de conteo aumenta, la probabilidad de que dos fotones que no son originarios de la misma aniquilación de caer dentro de la misma ventana de tiempo aumenta cuadráticamente - un evento que se llama un "azar" del evento, y puede ser muy importante durante las primeras partes de los estudios dinámicos. En lo suficientemente alta actividad, randoms dominar la secuencia de eventos, y añadir mucho ruido a la imagen que la calidad de la imagen se degrada (aunque el número de "buena" eventos es cada vez mayor). Este es tradicionalmente medido utilizando NECR - equivalente de ruido de la tasa de recuento - que es

$$\rm{NECR=\frac{T^2}{T+S+nR}}$$

Donde $T$ = verdades de la tasa, $S$ = dispersión de la tasa, y $R$ = randoms de la tasa. El valor de $n$ puede ser 1 o 2, dependiendo de cómo la corrección para randoms es implementado. Como se puede ver, si $\rm{R\propto T^2}$, que el plazo acabará por dominar.

Cuánto de dispersión es admitido en la MASCOTA del anillo es una fuerte función de la geometría. En "los viejos tiempos", escáneres PET se utiliza para tener un conjunto de espesor de tungsteno septa: estas bloque de radiación que no vienen de dentro de un estrecho rango de ángulos. Si no dispersa fotón podría hacer a través de los tabiques, era muy probable que el otro fotón, después de la dispersión, ya no "encajaba" en el colimador. Este hecho de una forma muy eficaz de dispersión de rechazo. Por desgracia, el colimador también detuvo a un gran número de "verdadero" las coincidencias, y esta reducción de la sensibilidad general del escáner. Hoy en día, ningún vendedor comercial fabrica 2D escáneres más - de los tabiques se han ido, y la dispersión es corregida por algorítmicamente.

Aún así, la geometría sigue siendo importante. Por ejemplo, para la PET/MR escáneres, el diámetro del detector de anillo es pequeño (el anillo tiene que caber dentro de la RM). Esto significa que muchos de los fotones dispersados terminar con una línea evidente de la respuesta", dentro del objeto" y que la dispersión de la fracción es, por tanto, de gran tamaño. Por el contrario, cuando el anillo es grande, disperso ray tiene una buena oportunidad de que resulta en una aparente LOR que cae fuera del cuerpo - y por lo tanto no afecta a la imagen:

Por cierto -, mientras que el tiempo de resolución puede estar por debajo de 400 ps, la "ventana de tiempo" (es decir, la diferencia en el tiempo de llegada al que se considera aceptable) tiene que ser más que eso, porque cuando se produce un evento cerca de uno de los detectores, el primer fotón va a llegar mucho antes que el segundo. Para un campo de visión de 70 cm, esto equivale a alrededor de 2,3 ns en cada dirección - así que los tiempos de llegada tienen que estar en un rango de ±2.3 ns o así (hay algunas sutiles interacciones con resolución temporal que no voy a elaborar).

Aquí está un ejemplo de este artículo sobre la corrección de atenuación mostrando una imagen de una reconstrucción de un PET de cuerpo entero examen con la atenuación y la dispersión de la corrección aplicada (fila superior) y sin (fila inferior):

Creo que la imagen de la izquierda es un MIP (máxima intensidad de proyección), mientras que el próximo tres de rebanadas a través de la imagen de volumen: axial, sagital y coronal, respectivamente.

Dos cosas interesantes a tener en cuenta en la fila inferior: en primer lugar, la piel de la línea es muy "caliente" - esto es debido a que hay menos atenuación de los fotones que viajan en paralelo a la piel, por lo que durante la reconstrucción de estas líneas de respuesta va a ser "sobre-representados". En segundo lugar, sin atenuación y dispersión de corrección que usted ve un montón de "fuzz" fuera del cuerpo - este es el resultado de la reconstrucción de "líneas de dispersión" que ni siquiera se cruzan con el cuerpo (como se puede ver también en mi diagrama de arriba). Por último - y verás una serie de bandas en la imagen. El escáner PET ha axial rango de 15 cm, por lo que la imagen de un cuerpo entero, usted tiene que tomar múltiples fotos y unirlas (normalmente se realiza en un paso-y-disparar a la moda). Al final del detector de anillo, que a menudo se coloca una "placa" que se extiende más allá del detector - efectivamente bloquea la radiación desde fuera del campo de visión. Esto se traduce en una menor dispersión en el "fin de los cortes", de modo que cuando se superponen las vistas, el lugar donde terminar las rodajas de superposición se tiene menos dispersión. Este diagrama de Alessio et al, 2004 muestra de qué estoy hablando:

Por cierto - entre las personas que desarrollan la MASCOTA algoritmos de reconstrucción de una vida, se considera que "la dispersión es la seguridad en el empleo". Es un problema realmente difícil de resolver correctamente - y aunque sigue mejorando, hay mucho que hacer.

Answer 2

Introducción la Tomografía por emisión de positrones (PET) es una gamma técnica de imagen que utiliza radiotrazadores que emiten positrones, la antimateria homólogos de los electrones. En la MASCOTA de los rayos gamma se utiliza para la proyección de imagen se produce cuando un positrón se encuentra con un electrón en el interior del cuerpo del paciente, un encuentro que aniquila tanto electrón y un positrón y produce dos rayos gamma que viajan en direcciones opuestas . Mediante la asignación de rayos gamma que llegan al mismo tiempo a la MASCOTA sistema es capaz de producir una imagen con una alta resolución espacial.

Los rayos Gamma detectados con el anillo de detectores de alrededor del paciente. La señal de los detectores utilizados por el equipo para construir una imagen funcional de los órganos tales como el cerebro .

Los positrones emitidos por el marcador de golpear a un electrón y dos gammas de salir al mismo tiempo. Esto permite obtener una coincidencia en el tiempo de la señal, de dos específica de la energía de los fotones que, a partir de los depósitos de energía en el anillo de dos pistas pueden ser definidos, y puede señalar el origen de la aniquilación si se encuentran en un punto; por lo que un equipo de imagen de la coincidencia en el espacio y en el tiempo de los puntos de muestra que los exterminios que pasó, así que la ubicación del trazador átomos.

Como hay un gran número de electrones en la que el positrón puede aniquilar, y una muestra bastante grande de positrones, las interacciones son de importancia. Si los pequeños no hacen ninguna diferencia, si un compton dispersión de la energía de los fotones serán degradados y por lo tanto que particular, la aniquilación o bien no se registró desde una ventana de energía es importante, o las pistas no va a cumplir en y (x,y,z) aunque coincidentes en el tiempo.

Answer 3

Para la identificación de que los fotones vienen en pares, uno utiliza el tiempo de coincidencia. Con los modernos detectores de radiación y de la electrónica, de nanosegundos y mejor resolución temporal no es difícil.

Asistí a una charla de hace muchos años sobre la corrección de las imágenes de PET para la dispersión de los fotones dentro del paciente. La conclusión fue que es un problema, pero no grave. La dispersión de 511 keV fotones por electrones es bastante fuertemente alcanzó su punto máximo en la dirección de avance:

Eso es una parcela de la de Klein-Nishina sección transversal de dispersión de los fotones de electrones libres, que es un mejor modelo que se puede esperar para los fotones de salir de un cuerpo. Además, si un modelo más apropiado es la dispersión de los fotones de una mayor átomo o ion, creo que la distribución angular se convierte en más fuertemente alcanzó su punto máximo en la dirección de avance. Una buena tarea-como problema para usted sería la de enchufe en los números de la sección transversal: ponga su fuente de fotones en el medio de una persona de tamaño de la bolsa de agua, y calcular la probabilidad de que una sola de 30° de dispersión en el camino de salida. Está ahí, pero no grandes.

En la práctica se podría medir cuánto de gran ángulo de dispersión de las que hay, por contar cuántas de su "back-to-back" pares de fotones parece haber venido de fuera del cuerpo del paciente.

La conclusión de la charla que vi fue que (hace diez años) hubo una ligera degradación en la resolución y el aumento de fondo en las imágenes de PET tenerse especialmente en pacientes obesos, y que este era un factor a tener en cuenta cuando se calcula cuánto emisor de positrones para administrar a la paciente y por cuánto tiempo el proceso de creación de imágenes. Tal vez el hecho de saber que hay una literatura le ayudará a encontrar más información.