[论文解读] Novel detector systems for the Positron Emission Tomography

P. Moskal, P. Salabura+4 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2013

Medical Imaging Techniques and Applications参考文献 4被引用 13

一句话总结

本文提出了一种新型正电子发射断层扫描（PET）探测器系统，采用有机闪烁体条或板排列，实现对伽马射线相互作用位置、飞行时间（TOF）和相互作用深度（DOI）的同步测量。通过利用快速闪烁体及湮灭光子之间的飞行时间差异，该设计在不显著增加成本的情况下提升了图像质量和扫描仪尺寸，基于粒子物理探测技术已有两项专利申请。

ABSTRACT

In this contribution we describe a novel solution for the construction of Positron Emission Tomograph. We present the device allowing for determination of the impact position as well as time and deph of interaction of the annihilation gamma quanta. The device is comprised of scintillation chamber consisting of organic scintillators surrounding the body of the patient. We discuss two possible solutions: (i) the tomograph built out of scintillator strips, and (ii) the tomograph built out of the scintillator plates. The application of the fast scintillators will enable to take advantage of the difference between time of the registration of the annihilation quanta. The invented method will permit to use a thick layers of detector material with the possibility of measuring the depth of the gamma quantum interaction (DOI) and the determination of their time of flight (TOF), and will allow for increasing the size of the diagnostic chamber without a significant increase of costs. The method is a subject of two patent applications which are based on the techniques used in the particle physics experiments.

研究动机与目标

• 开发一种成本低廉、可扩展的PET扫描仪，以提高空间和时间分辨率。
• 利用厚层闪烁体实现对湮灭光子相互作用深度（DOI）的精确测量。
• 利用快速闪烁体获取飞行时间（TOF）信息，以提高图像重建精度。
• 设计一种与现有PET成像协议兼容的探测器系统，同时扩大诊断腔体尺寸。

提出的方法

• 系统采用圆柱形排列的有机闪烁体条或板，环绕患者身体以捕获湮灭光子。
• 使用快速闪烁体精确测量伽马量子的到达时间，实现飞行时间（TOF）检测。
• 通过耦合至闪烁体的多个光电倍增管的信号到达时间差异，确定位置和相互作用深度（DOI）。
• 利用正电子湮灭产生的两个511 keV光子之间的飞行时间差异，提高事件定位精度。
• 该设计支持厚层探测器，可在不牺牲时间分辨率的前提下实现DOI测量。
• 该方法基于高能粒子物理实验中的技术，经适配后用于医学成像。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不降低时间分辨率的前提下，利用厚层有机闪烁体实现PET扫描仪对相互作用深度（DOI）的精确测量？
• RQ2 在成本低廉的PET探测器配置中，如何有效从快速闪烁体提取飞行时间（TOF）信息？
• RQ3 在保持高空间和时间分辨率的前提下，PET诊断腔体的尺寸可扩大到何种程度？
• RQ4 DOI与TOF测量的结合能否提升PET图像质量并降低噪声？
• RQ5 如何将基于粒子物理的探测技术适配于临床PET成像，以提升系统性能？

主要发现

• 所提出的探测器系统可实现对伽马射线相互作用位置、飞行时间（TOF）和相互作用深度（DOI）的同步测量。
• 使用快速闪烁体可实现精确的时间分辨率，这对TOF-PET应用至关重要。
• 该系统支持厚层闪烁体，有利于DOI测量并提高探测效率。
• 该设计可在不显著增加成本的前提下扩大诊断腔体尺寸，提升患者舒适度和扫描覆盖范围。
• 该方法已申请两项专利，表明其新颖性及潜在的工业应用价值。
• 该系统基于粒子物理实验中经验证的技术，表明其具备鲁棒性和可扩展性。