分析研究的影响的系统几何光子灵敏度和深度交互正电子发射的乳房x光检查

文摘

正电子发射x光检测(PEM)相机novel-dedicated宠物系统优化的图像。这些相机必须达到一个最佳的灵敏度和空间分辨率之间的权衡,因此小说相机的主要挑战是提高灵敏度不降低空间分辨率。我们执行一个分析研究不同的探测器几何图形的影响光子灵敏度和探测光子的入射角DOI效应有关,因此内在空间分辨率。为此,双检测器比较框和不同polygon-detector配置。我们的研究结果表明,更高的灵敏度和均匀性被发现盒子和polygon-detector配置相比,双头相机。因此,最优配置的敏感性是PEM扫描器基于多边形12(十二边形)或更多的探测器。我们已经表明,这种配置显然优于双头探测器和略高于盒子,八角,六角探测器。然而,DOI效应是增加这个配置相比,双头部和盒子扫描仪,因此准确地补偿这种影响是必需的。

1。介绍

乳腺癌是最常见的诊断癌症和癌症相关死亡的主要原因之一,女性(1]。疾病的早期检测可以提高治疗效果,通常病人的生活质量。许多成像技术可用于援助在乳腺癌的诊断和分期,解剖成像技术,如x射线乳房x光检查,超声和磁共振成像(MRI)最采用(2- - - - - -4]。然而,这些技术受到两个因素的影响,限制它们的有效性:乳腺密度和女人的荷尔蒙状态(5,6]。因为这些限制,许多可疑的女性乳房大众必须接受侵入性乳房活检对准确诊断。

Metabolical成像正电子发射断层扫描(PET)等技术越来越多地应用于肿瘤学(7]。宠物不受上述限制因素的影响,这已被证明是更准确的区分恶性和良性乳腺病变比单独的解剖技术(8]。因此,宠物可能转化为减少不必要的乳房活检,可以显著降低成本与乳腺癌相关检测和分期,并减少病人的创伤。

正电子发射x光检测(PEM)相机novel-dedicated宠物系统优化的图像。通过重建乳房内的放射性示踪剂分布,层析图像的乳腺病变得到了非侵入性程序。与传统的全身PET系统相比,PEM相机覆盖一个小的视野是有限的一个乳房。乳房周围的探测器排列,这样他们的表现可以以更低的成本更高。宠物系统的光子灵敏度相关检测并发出光子(即之间的比率。,detected counts and injected activity) and is mainly determined by the system geometry and the type and volume (thickness) of the detector. Thus, the sensitivity is increased in PEM cameras compared to conventional PET due to the proximity of the detectors to the breast. Due to this, gamma rays penetrate a significant distance into the detector before detection. This distance is called depth of interaction (DOI) and it can produce an uncertainty in the calculation of the photon interaction point. This intrinsic uncertainty is also related to the positron range, photon noncollinearity, [9),层析重建算法(10)空间分辨率的限制因素的宠物和PEM系统(11]。常规PET扫描仪DOI的效果是有限的使用相对较大的探测器直径和接近系统的视场中心。

乳房宠物相机,必须达到一个最佳的灵敏度和空间分辨率之间的权衡。因此小说相机的主要挑战是提高灵敏度不降低空间分辨率。因此,提高敏感性通过安排探测器靠近乳房,DOI必须测量,然后纠正它的影响,避免mis-positioning错误降低空间分辨率。最近,一些研究描述许多不同检测器的设计与DOI信息和校正方法(12- - - - - -15]。一般来说,当光子到达探测器表面用小角度入射或接近垂直的方向,DOI效果可以准确地纠正。相比之下,当入射的角度更大,光子到达探测器表面接近平行的方向,DOI修正往往不准确。

在最后几年里,越来越多的PEM原型和商业系统提出了(16- - - - - -19)使用不同的探测器的几何图形。尽管所有提议PEM扫描仪提供敏感性显著高于传统的宠物,拟议的PEM之间不同的性能可以找到扫描仪几何图形。一般来说,PEM扫描仪由一张床和一个龙门支持探测器。几个PEM扫描仪可以定义基于面板探测器的安排。首先,扫描仪可以有四个面板探测器(在一个盒子里配置)或只有两个探测器(双)。第二个类的宠物扫描仪可以包括多边形甚至环安排几个面板探测器固定相机,即旋转没有必要获得各个角度。

的理解的属性检测系统用于PEM系统是至关重要的建立适当的操作标准或设计方案。在宠物和PEM,两个伽马光子(511 keV)从正负电子湮没过程发现的闪烁体材料。这些材料包括一对光子转化为可见光。由于闪烁体的光耦合到一个光电倍增管(PMT)可见光可以转换为电子信号。此信息用于计算光子相互作用的空间位置(光子交互点)和总能量沉积。当检测到两个光子从同一湮没在时间巧合然后line-of-response(卤)可以定义和事件记录用于层析重建。然而,一些光子只能沉淀后逃脱的一部分能量水晶,甚至没有互动,这样的事件可能会丢失。检测到一个光子的概率取决于晶体闪烁材料和厚度。

一些作者调查了PEM扫描仪的性能之间的关系及其探测器几何配置。因此,摩西和齐(20.)最常见的几何形状进行了比较基于一对平行检测器飞机(双)和一个矩形框检测器配置。结果表明,框几何包围乳房有更好的性能比双重探测器只要DOI效果补偿。最近,Habte et al。21)详细研究了不同检测器的性能配置使用蒙特卡罗模拟。仿真结果表明,PET扫描仪的最佳性能被发现由探测器安排成一个盒子形状几何。盒子的灵敏度探测器几何甚至高于其他基于多边形的几何图形探测器包围乳房。这是因为当探测器被排成一个圆柱系统大量intermodule差距是由长方形的探测器。这对一些光子逃逸缺口提供路径。

在本文中,我们进行了分析研究的影响不同的探测器几何图形上的光子灵敏度和探测光子的入射角有关DOI的效果。为此,双头探测器相比,盒子和不同的多边形检测器配置包括长方体水晶填充intermodule差距为了避免这些几何图形扫描仪的缺点。

2。材料和方法

2.1。检测系统

最常见的基于双探测器是PEM扫描仪几何比其他几何图形环绕的乳房,包括盒子和多边形安排面板探测器。据Habte et al。21),这些几何图形扫描仪基于探测器的缺点形成圆柱系统配置是产生差距,减少系统的灵敏度。在这方面,差距效应增加当扫描仪探测器模块的配置数量增加,是箱配置低于其他检测器配置基于多边形的边。为了避免缺口效应,我们使用长方体探测器模块填充inter-module缺口。因为它是图所示1这些晶体可以填补空白的使用额外的材料,允许康普顿散射光子的探测。

图2显示了不同安排基于多边形(六角形,八角形和十二边形),四个探测器(盒)和两个探测器考虑我们的目的。多边形和箱配置由使用平行六面体探测器模块。反对探测器之间的距离是200毫米。

配置基于两个探测器,可以减少这个距离,因此距离200毫米,100毫米,50毫米和25毫米也会考虑。

2.2。物理性能的宠物扫描仪

PET扫描仪的物理性能可以通过使用不同的参数研究。

2.2.1。灵敏度

敏感性的PET扫描仪被定义为计数每秒的速度发现真正的巧合事件和一个给定的源活动。这取决于材料用作闪烁体晶体,安排的几何形状的探测器,能量阈值,巧合的时间窗口。

2.2.2。均匀性

均匀性被定义为数量从收购中获得的最大相对偏差通过使用扩展统一的来源。这取决于多个因素,如PMT性能、闪烁体晶体的非均质性,或者沿着FOV敏感性的变化。

2.2.3。空间分辨率

PET扫描仪的空间分辨率的定义是它能够区分图像重建后两个点,也就是说,它是邻近探测点之间的距离。空间分辨率可以表现为全宽半极大(应用)毫米图像的点光源的空气。这取决于交互点估计(内在空间分辨率)和层析重建算法。

2.3。光子灵敏度的分析评估

宠物系统的光子灵敏度是由内在效率()相关探测器材料,几何效率()相关检测器配置和阈值()有关能源和巧合窗口:

2.3.1。内在的效率

是内在光子阻止效率和平均的概率定义为两个湮没光子穿过探测器材料吸收。它是作为单一的平方检测每个光子(效率和): 在哪里(和)晶体的厚度沿事件的遍历每一个光子。它依赖于入射角每个传入的光子:光子入射垂直等于探测器厚度;对于所有其他光子发生率()是高于探测器厚度。最后,(和)是完全线性衰减系数(光电和康普顿散射)每个传入光子晶体材料的能量。这取决于光子能量还探测器材料的密度和原子序数。

图3显示了光子的分布交互点高的入射光子数511 keV LYSO晶体块这被认为是对我们的评价。这种材料具有优良的特点等511 keV光子探测原子序数(),密度()和衰减系数是()。

2.3.2。几何效率

是总立体角的报道探测器,它被定义为两个湮没光子的概率截获探测器区域。总立体角分报道()的系统如下: 在哪里是像点之间的距离探测器本(获得更高的效率像点放置接近探测器)和的表面法向量的无穷小区域检测器(图4)。

一个总立体角的估计()可以通过将每个探测器的区域划分为有限的探测器,这样的元素计算如下: 在哪里入射角(对应于一个事件光子探测器表面垂直一个平行入射光子探测器表面)和的面积是有限的探测器元件。

2.4。入射角

可以观察到在图5,许多光子穿透很大距离探测器检测到之前。这个距离被称为深度的交互(DOI)。由于距离探测器的乳腺癌发病率的角度可以非常高,因此这种效应会导致恶化的内在空间分辨率。

如果传入的光子入射方向或角度DOI是那么光子的mis-positioning交互点对真正的位置估计如下:

mis-positioning起源于DOI的效果是不同的检测器配置以获得评估的需要准确的方法来补偿这种影响。

3所示。结果与讨论

3.1。光子灵敏度

光子灵敏度为中心的点得到不同的检测器安排见表1。不同的PEM扫描仪几何图形被认为是双,盒子,六角形,八角形,十二边形配置之间的距离为200毫米反对探测器如如图2。得到了光子敏感而不考虑阈值()有关能源和巧合windows。正如所料,更高的灵敏度得到盒子和不同的多边形探测器相比,双检测器的灵敏度配置。这是因为双检测器配置不完全关闭环周围的对象。盒子探测器之间没有发现显著差异和不同的多边形检测器配置。这是由于这一事实没有intermodule差距的结果所示Habte et al。21),因此只有盒子和多边形配置差异来自这个词公式与入射角有关。

虽然双头配置显示敏感性低于多边形配置它的优点是反对探测器之间的距离可以减少为了适应对象的大小。这是特别有趣的,由于变量女性乳房的大小。因此,反对探测器之间的距离可以减少对小乳房。这显然是一个优势的双摄像机对固定摄像机。表2表明,敏感性为中心的点增加当反对探测器之间的距离却降低了。

3.2。均匀性

图6显示了一致性的敏感性变化沿着FOV双头部和多边形(十二边形)相机。这些敏感图像得到的距离200 mm之间对立的探测器如如图2。多边形的敏感度显然更加统一的配置相比,灵敏度双头相机。这意味着重建图像的信噪比为多边形扫描仪将类似FOV的每一点。然而中央的信噪比会更高点,减少对双头相机的视场的极限。这个图中可以看到不同的行为7显示横向灵敏度概要以及双头和多边形相机的视场。

3.3。DOI和内在的空间分辨率

光子的平均mis-positioning交互点由于DOI效应为中心的点表所示3为不同的扫描仪的几何图形。双检测器配置mis-positioning增加当反对探测器之间的距离却降低了。盒子检测器配置不同的mis-positioning略低于多边形探测器。没有发现显著差异之间的各种多边形探测器。平均mis-positioning值在视场的边缘低于mis-positioning值在视场中心的所有几何图形但箱配置。非常高的最大mis-positioning值被发现的所有几何图形中心和视场的边缘。

这些结果显示的显著影响DOI的mis-positioning光子交互点,因此所有探测器的几何图形的内在空间分辨率。此外,这就变成了一个重要问题来实现一个高性能的扫描仪中心由于这种影响是大于在视场的边缘。

4所示。结论

分析研究不同PEM探测器几何图形的表现而言,光子灵敏度和DOI效果是为了找到一个最优检测器的安排。为此,双头探测器比较不同多边形框和探测器的配置。

我们的研究结果表明,更高的灵敏度和均匀性获得了盒子和多边形检测器配置相比,双头相机。多边形的配置灵敏度只有适度增加当探测器的数量。女性乳房的变量大小是一个优势为双头相机对固定摄像机。因此,对于双摄像机头灵敏度可以增加对小乳房减少反对探测器之间的距离。然而这就意味着增加光子的mis-positioning交互点由于DOI的效果。

最优配置的敏感性是PEM扫描器基于多边形12(十二边形)或更多的探测器。我们已经表明,这种配置显然优于双头探测器和略高于盒子,八角,六角探测器。然而,DOI效应是增加这个配置相比,双头和盒子扫描仪,因此准确地补偿这种影响是必需的。

确认

这项工作的部分支持由洋底de Investigaciones疗养地ISCIII PS09/01206和Xunta de加利西亚10 csa918001pr。p•阿吉亚尔被授予ISCIII莎拉博雷利奖学金2010年。

引用

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