Improved diagnostics in Positron Emission Tomography (PET) through the extraction of temporal characteristics from tissue and detector system.
Prosjekt
- Prosjektnummer
- 911456
- Ansvarlig person
- Njål Brekke
- Institusjon
- Helse Bergen HF
- Prosjektkategori
- Forskerutdanning - dr.grad
- Helsekategori
- Other
- Forskningsaktivitet
- 4. Detection and Diagnosis
Rapporter
Målet ved prosjektet er å øke sensitiviteten og bildekvaliteten til kliniske PET-maskiner, ved å
benytte seg av ny teknologi innen elektronikk og strålings-detektorer. Som et ledd i dette
har det blitt utviklet en prototype-modul til PETPET brukes i dag til å avbilde fysiologiske prosesser i kroppen, ved å injisere et radioaktivt sporstoff i
kroppen til pasienten. En detektoring bestående av moduler som kan oppdage radioaktiv stråling
fanger så opp strålingen fra sporstoffet, og en datamaskin kan så gjenskape 3-dimensjonale bilder av
fordelingen av dette sporstoffet i kroppen.
Da PET-teknologien ble utviklet på 70-tallet var det forstått at bedre bildekvalitet kunne oppnås ved å
bruke raskere detektorer som kan måle tidsforskjellen mellom når to gamma-stråler treffer
detektorringen. Først i de siste 5 årene har teknologien kommet opp på det nivået som gjør slike
målinger mulig i PET-sammenheng. Denne teknologien kalles Time Of Flight PET (TOF-PET).
For å lage et modul som senere kan utvides til en TOF-PET prototype, er det viktig å forstå alle
aspekter ved deteksjon av gamma-stråler. For å oppnå merkbar endring i bildekvalitet må
tidsoppløsningen på detektorene være i området 200-300ps, som tilsvarer tiden lys bruker på å
bevege seg 6-9cm. Dette krever ekstremt rask elektronikk, veldig lavt støynivå og avanserte
signalbehandlings-algoritmer.
Hittil har detektor-krystaller og elektronikk blitt karakterisert med det formål å finne optimale løsninger
for moduler som brukes i detektor-ringen. Hele deteksjons-kjeden har blitt simulert for å finne ut hvilke
parameter som mest påvirker tidsoppløsningen, slik at optimale komponenter kan finnes, og matches
med hverandre.
Ferdig utviklet detektor er nå på plass ved PET-senteret for bruk til forskning innen design av framtidens PET-skannere. Oppsettet er mobilt og kan med letthet fraktes mellom UIB og HUS, slik at studenter som vil gjøre forsøk lett kan bruke oppsettet begge steder.
Målet ved prosjektet er å øke sensitiviteten og bildekvaliteten til kliniske PET-maskiner, ved å benytte seg av ny teknologi innen elektronikk og strålings-detektorer. Som et ledd i dette utvikles det en prototype-modul til PET.PET brukes i dag til å avbilde fysiologiske prosesser i kroppen, ved å injeksere et radioaktiv sporstoff i kroppen til pasienten. En detektorring bestående av moduler som kan oppdage radioaktiv stråling fanger så opp strålingen fra sporstoffet, og en datamaskin kan så gjenskape 3-dimensjonale bilder av fordelingen av dette sporstoffet i kroppen.
Da PET-teknologien ble utviklet på 70-tallet var det forstått at bedre bildekvalitet kunne oppnåes ved å bruke raskere detektorer som kan måle tidsforskjellen mellom når to gamma-stråler treffer detektorringen. Først i de siste 5 årene har teknologien kommet opp på det nivået som gjør slike målinger mulig i PET-sammenheng. Denne teknologien kalles Time Of Flight PET (TOF-PET).
For å lage et modul som senere kan utvides til en TOF-PET prototype, er det viktig å forstå alle aspekter ved deteksjon av gamma-stråler. For å oppnå merkbar endring i bildekvalitet må tidsoppløsningen på detektorene være i området 200-300ps, som tilsvarer tiden lys bruker på å bevege seg 6-9cm. Dette krever ekstremt rask elektronikk, veldig lavt støynivå og avanserte signalbehandlings-algoritmer.
Hittil har detektor-krystaller og elektronikk blitt karakterisert med det formål å finne optimale løsninger for moduler som brukes i detektor-ringen. Hele deteksjons-kjeden har blitt simulert for å finne ut hvilke parametre som mest påvirker tidsoppløsningen, slik at optimale komponenter kan finnes, og matches med hverandre. Elektronikk-komponenter og scintillasjons-krystaller har blitt valgt, og prosjektet er nå i en fase hvor elektronikk til den første prototypen er produsert, og man er nå i gang med målinger for å se hvor stor forbedring i bildekvaliteten det er mulig å få.
Video om prosjektet, produsert av UIB, finnes her:
http://vimeo.com/30662270
Denne har også blitt vist på NRK3 programmet kunnskapskanalen i januar 2012.
Målet ved prosjektet er å øke sensitiviteten og bildekvaliteten til kliniske PET-maskiner, ved å benytte seg av ny teknologi innen elektronikk og strålings-detektorer. Som et ledd i dette utvikles det en prototype-modul til PET.PET brukes i dag til å avbilde fysiologiske prosesser i kroppen, ved å injeksere et radioaktiv sporstoff i kroppen til pasienten. En detektorring bestående av moduler som kan oppdage radioaktiv stråling fanger så opp strålingen fra sporstoffet, og en datamaskin kan så gjenskape 3-dimensjonale bilder av fordelingen av dette sporstoffet i kroppen.
Da PET-teknologien ble utviklet på 70-tallet var det forstått at bedre bildekvalitet kunne oppnåes ved å bruke raskere detektorer som kan måle tidsforskjellen mellom når to gamma-stråler treffer detektorringen. Først i de siste 5 årene har teknologien kommet opp på det nivået som gjør slike målinger mulig i PET-sammenheng. Denne teknologien kalles Time Of Flight PET (TOF-PET).
For å lage et modul som senere kan utvides til en TOF-PET prototype, er det viktig å forstå alle aspekter ved deteksjon av gamma-stråler. For å oppnå merkbar endring i bildekvalitet må tidsoppløsningen på detektorene være i området 200-300ps, som tilsvarer tiden lys bruker på å bevege seg 6-9cm. Dette krever ekstremt rask elektronikk, veldig lavt støynivå og avanserte signalbehandlings-algoritmer.
Hittil har detektor-krystaller og elektronikk blitt karakterisert med det formål å finne optimale løsninger for moduler som brukes i detektor-ringen. Hele deteksjons-kjeden har blitt simulert for å finne ut hvilke parametre som mest påvirker tidsoppløsningen, slik at optimale komponenter kan finnes, og matches med hverandre. Elektronikk-komponenter og scintillasjons-krystaller har blitt valgt, og prosjektet er nå i en fase hvor elektronikk til den første prototypen er under utvikling, og forventes å være klar snarlig. Prosjektet vil så gå inn i neste fase, hvor modulene vil testes for å se om ønsket ytelse er oppnådd. Utstyr for å simulere en full detektor-ring ved hjelp av kun to moduler er på plass, slik at et fantom kan avbildes med TOF-PET, for så å bli sammenlignet med bilder fra en konvensjonell PET-maskin. Et viktig aspekt ved prosjektet er at materialene som brukes skal være i en prisklasse som gjør produksjon av en full modell mulig.
Ved å bruke ny teknologi innen detektorer for radioaktiv stråling, samt høyhastighets elektronikk utviklet ved CERN er det mulig å øke bildekvaliteten innen PET. Ved å utnytte tidsinformasjon i data kan støynivået i bildene senkes. Dette kan gjøre det lettere å stille diagnoser, samt mer nøyaktig definere omfanget av f.eks tumorer.Ved PET opptak observerer man radioaktiv henfall av et sporstoff som har blitt injisert i pasienten. Når de radioaktive isotopene henfaller til et positron, treffer dette et elektron og begge partiklene annihileres . To foton med en karikteristisk energi på 511KeV sendes da ut med 180 graders vinkel. Disse fotonene treffer så detektor-ringen i PET-maskinen. En kan da anta at annihilasjonen skjedde et sted på en rett linje mellom detektorene som ble truffet. Ved å samle inn store mengder data, kan en via statistikk lage et bilde av opptaket av sporstoffet i kroppen.
Dersom en kan måle tidsforskjellen mellom når de to detektorene blir truffet, er det mulig å beregne hvor på linjen annihilasjonen fant sted. Dette gjør at kvaliteten på den innsamlede dataen økes, og kan føre til økt bildekvalitet ved at støyen dempes. Dette kalles Time of Flight PET (TOF-PET). Grunnen til at dette ikke gjøres i dag, er fordi fotnene beveger seg i lyshastigheten, noe som tilsier at tidsopplønisngen på detektorene må være bedre enn ca 0,5ns. Med tradisjonell teknologi har dette ikke vært mulig.
Ved å bruke ny teknologi innen scintillator-krystaller (som gjør et gamma-foton om til flere foton i det synlige spekteret), raskere utlesings-elektronikk og nye foton-dektorer er dette nå mulig.
Hittil i prosjektet har foton-detektorer basert på halvlederteknologi blitt testet (Multipixel Avalanche Photon Detector). Disse er mye mindre (2x2mm ca) enn dagens fotomultiplikatorør (PMT), er billigere i produksjon og krever vesentlig lavere spenning. I tillegg er tidsoppløsningen på høyde med de aller beste PMTene. Ved å kombinere disse med utlesingsteknologi utviklet for bruk ved høy-energiske fysikk-eksperiment ved f.eks CERN er det mulig å få en tidsoppløsning langt under de 0.5ns som trengs. Med et samarbeid med Institutt for Fysikk og teknologi ved universitetet i Bergen har vi tilgang til ekspertise innen dette fagfeltet. Arbeidet er nå i gang med å finne hvilke ny scintilatorteknologi som gir best resultater mtp. PET. Det er flere nye scintilator-materialer på markedet, som kan skilte med raskere pulser og mer lysutbytte. For å utnytte tidsoppløsningen i elektronikken er det viktig å velge en scinitllator type og geometri som gir oss best mulig tisdoppløsning, og dermed bedre bildekvalitet. Økt lysutbytte gir i tillegg en fordel ved å øke energi-oppløsningen til systemet, og dette minsker støyen en får i bildet som kommer av fotoner som har blitt reflektert innad i kroppen før de når detektorene.
Innen prosjektet er over er målet å ha et fungerende oppsett hvor en kan demonstrere TOF-PET, og se hvilke forbedringer dette gir.
Vitenskapelige artikler
Brekke N, Rörich D., Ullaland K., Gruner R.
Trigger Performance Simulation of a High Speed ADC-Based TOF-PET Read-Out System
IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 59, NO. 5, OCTOBER 2012
Brekke N, Rorich D, Ullaland K, Gruner R
A Monte Carlo Based Simulation of an High Speed ADC-Based TOF-PET Read-Out System
IEEE 2010 konferanse, Knoxville, TN. USA
eRapport er utarbeidet av Sølvi Lerfald og Reidar Thorstensen, Regionalt kompetansesenter for klinisk forskning, Helse Vest RHF, og videreutvikles av de fire RHF-ene i fellesskap, med støtte fra Helse Vest IKT
Alle henvendelser rettes til Faglig rapportering, Helse Vest